CN110806642A

CN110806642A - 虚像显示装置

Info

Publication number: CN110806642A
Application number: CN201910715818.4A
Authority: CN
Inventors: 高木将行; 小松朗; 武田高司; 宫尾敏明; 山口论人
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2018-08-06
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2020-02-18
Also published as: JP2020024245A; US11327301B2; JP7151255B2; US20200041785A1

Abstract

虚像显示装置。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，避免全反射条件对向光学系统入射的光入射角度的限制。该虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；第1透镜，其配置于影像光的取出位置，在影像元件侧具有凸面；第2透镜，其配置于比第1透镜靠影像元件侧的位置，具有与第1透镜的凸面接合的凹面；半反射镜，其设置于凸面与凹面之间的接合部；透过反射选择部件，其设置于第1透镜的光射出侧，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射；以及导光部，其使影像元件与第2透镜之间紧贴并引导影像光。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及虚像显示装置。

背景技术

作为佩戴于观察者的头部的头戴式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，通过设置利用了半反射镜的部分光学折返部来实现薄型且广视场角的光学系统。下面，将头戴式显示器也记为HMD。

专利文献1：日本特开平8-327940号公报

但是，在HMD中，当欲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，全反射条件对向光学系统入射的光入射角度的限制可能成为问题。

发明内容

本发明的一个方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；第1透镜，其配置于影像光的取出位置，在影像元件侧具有凸面；第2透镜，其配置于比第1透镜靠影像元件侧的位置，具有与第1透镜的凸面接合的凹面；半反射镜，其设置于凸面与凹面之间的接合部；透射反射选择部件，其设置于第1透镜的光射出侧，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射；以及导光部，其使影像元件与第2透镜之间紧贴并引导影像光。

附图说明

图1是用于概念性地说明第1实施方式的虚像显示装置的侧方剖视图。

图2是用于概念性地说明虚像显示装置的一个结构例中的影像光的光路的侧方剖视图。

图3是用于说明放大光学系统的结构的分解图。

图4是虚像显示装置的一例中的光线图。

图5是用于说明来自影像元件的射出光的概念性的侧方剖视图。

图6是用于说明比较例的虚像显示装置的光线图。

图7是用于说明比较例中的折射率与全反射条件的关系的曲线图。

图8是用于概念性地说明第2实施方式的虚像显示装置的侧方剖视图。

图9是用于概念性地说明第3实施方式的虚像显示装置的侧方剖视图。

图10是用于概念性地说明第4实施方式的虚像显示装置的侧方剖视图。

图11是用于概念性地说明第4实施方式的虚像显示装置的后视图。

图12是针对构成一个变形例的虚像显示装置的光学系统示出的概念性的侧视图。

图13是针对构成另一个变形例的虚像显示装置的光学系统示出的概念性的侧视图。

图14是用于概念性地说明再一个变形例的虚像显示装置的侧方剖视图。

标号说明

10：图像显示装置；11：面板部；11a：光射出面；11f：FPC部；12：偏振片；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：半透射反射型偏振片；30：透射反射选择部件；100：虚像显示装置；100X：虚像显示装置；100Y：虚像显示装置；200：虚像显示装置；300：虚像显示装置；400：虚像显示装置；A1：上栏；A2：中栏；A3：下栏；AA1：箭头；AD：粘接膜；AL：空气层；AX：光轴；BB：埋入部；CC：凹面；CG：玻璃罩；CN：接合部；CT：缺口部；CV：凸面；EP：粘接剂溢流部；EP1：板状部件；EP2：缺口部；EY：眼睛；GL：影像光；GLa：主光线；GLc：中心成分；GLc：周边成分；GLr：光路；HL：贯通部；L1：第1透镜；L2：第2透镜；LG：导光部；OC：光学外壳部件；OCa：主体部；PD：影像元件定位部；PLa：板状部；PP：偏转部件；RE1：直径；SE：光射出平面；SH：遮光部；SI：光入射平面；SS：Si基板；XP：穿过点；α：入射角。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，参照图1等，对本发明的第1实施方式的虚像显示装置详细地进行说明。

如图1和图2中概念性地示出的那样，本实施方式的虚像显示装置100是如下这样的虚像显示装置即头戴式显示器(HMD)，其具有影像元件(图像显示部)即图像显示装置10、放大光学系统20、和设置在图像显示装置10与放大光学系统20之间的导光部LG，能够使佩戴了虚像显示装置100的观察者或使用者看到基于虚像的图像光(影像光)。这里，图1概念性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截面的情形。在图1等中，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，假设观察者的左右眼睛排列的方向的水平方向为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，在图1等中成为Y方向。此外，在图2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所在的场所的光瞳的位置。

另外，图像显示装置10、放大光学系统20和导光部LG为针对右眼用和左眼用而分别准备的左右一对的结构，左侧的构造和右侧的构造具有对称性，因此，这里省略地仅示出左右中的一方(左眼用)的结构。例如，在图2中，耳朵位于比观察者的眼睛EY靠+X方向的位置，鼻子位于比观察者的眼睛EY靠-X方向的位置。另外，即使只有左右一对中的一方即单独的结构，虚像显示装置100也作为虚像显示装置发挥功能。此外，也可以不是左右一对的结构，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。

首先，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、覆盖面板部11的光射出面11a的玻璃罩CG、偏振片12和入射侧偏振转换部件13。这里，图像显示装置10采用小型的构造，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的放大光学系统20的第2透镜L2的光学面的尺寸。

作为显示器件的面板部11例如能够采用由有机EL(有机电致发光、OrganicElectro-Luminescence)等自发光型的元件(OLED)构成的影像元件(影像显示元件)。面板部11除了有机EL以外，例如，也可以是无机EL、LED阵列、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等所代表的自发光型的显示元件。面板部11在二维的光射出面11a上形成彩色的静态图像或者动态图像。面板部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的显示器作为面板部11的情况下，构成为具有有机EL控制部。在使用量子点显示器作为面板部11的情况下，构成为通过使蓝色发光二极管(LED)的光在量子点膜中通过，从而发出绿色、红色。面板部11不限于自发光型的显示元件，也可以由LCD以及其他光调制元件构成，通过由如背照灯这样的光源对该光调制元件进行照明来形成图像。作为面板部11，还可以替代LCD，使用LCOS(Liquid crystal on silicon，LCoS是注册商标)、数字微镜器件等。

这里，从高精细化等的观点来看，可考虑如下情况：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的小型部件。为了实现高精细化，例如需要应用使用HTPS或Si背板(backplane)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，基于降低产品成本等的实用观点，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，关于广视野角侧的光的成分，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，考虑到这点，实现了面板部11的小型化。

偏振片12粘贴在玻璃罩CG的光射出面上。偏振片12是透射型偏振片，是如下部件：在来自面板部11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粘贴在偏振片12的光射出面上。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。即，入射侧偏振转换部件13位于偏振片12的光路下游侧，使经过偏振片12而成为线偏振光的影像光GL成为圆偏振光。此外，如图所示，入射侧偏振转换部件13是位于图像显示装置10中的最靠光路下游侧的位置即位于放大光学系统20附近的部件，入射侧偏振转换部件13借助导光部LG粘贴在放大光学系统20上。

接着，导光部LG设置于图像显示装置10与放大光学系统20之间，使图像显示装置10与放大光学系统20紧贴并引导影像光GL。换言之，使图像显示装置10与放大光学系统20接合而在进行导光时不设置空气间隔。更具体而言，这里的导光部LG中的紧贴是表示，不会在例如导光部LG与图像显示装置10之间的界面、导光部LG与放大光学系统20之间的界面、导光部LG的内部形成意外的空气层等而影响到影像光GL的导光，在能够维持影像光GL在根据要导光的各部件的材质所固有的折射率等而假想的光路中通过的状态的程度下不存在间隙。此外，这里，导光部LG是使入射侧偏振转换部件13与第2透镜L2之间紧贴的粘接部，该入射侧偏振转换部件13位于图像显示装置10中的最靠光路下游侧的位置即最接近放大光学系统20的位置，该第2透镜L2位于放大光学系统20中的最靠光路上游侧的位置即接近图像显示装置10的位置。作为粘接部的导光部LG是通过层状地设置光透射性充分高的粘接剂并使其固化而形成导光层来构成的。另外，关于用作构成导光部LG的材料的粘接剂，可以应用各种粘接剂，但是，这里，采用透射率为1.3以上的材料。此外，关于粘接剂，可考虑应用通过热固化或者UV固化进行固化的粘接剂。即，由通过加热处理或者UV光的照射使粘接剂固化的粘接部形成导光部LG。

接着，如图1和图2以及对图2的一个结构例进行分解后的图3所示，除了从观察者侧起依次接合而排列的第1透镜L1和第2透镜L2这2个透镜以外，放大光学系统20还在第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。并且，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片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，在眼前侧具有作为光射出面的平面即光射出平面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，以使图像具有足够大的视场角。此外，凸面CV为球面。即，第1透镜L1是球面平凸透镜。

接着，第2透镜L2是平凹透镜，配置在比第1透镜L1靠图像显示装置10侧的位置，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侧具有作为使来自图像显示装置10的影像光GL入射的光入射面的平面即光入射平面SI。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为球面平凹透镜。

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，例如可考虑±2°以内。这些平面SE、SI中的特别是光入射平面SI位于第2透镜L2的光路上游侧即放大光学系统20中的最接近图像显示装置10的位置，是利用粘接部即导光部LG在紧贴的状态下粘贴在图像显示装置10上的面。

半反射镜21是使影像光的一部分透射并且使另一部分反射的半反射半透射膜，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上。因此，从观察者侧观察，半反射镜21成为凹曲面形状。

这里，说明半反射镜21或者接合部CN的形成的一例。如图3的分解图中例示的放大光学系统20的结构那样，首先，通过蒸镀在第1透镜L1的凸面CV上形成应该成为半反射镜21的膜。接着，通过粘接剂使所形成的半反射镜21的膜与第2透镜L2的凹面CC粘接，该粘接剂固化后形成粘接膜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，能够减少通过粘接膜AD的次数。

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片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，射出侧偏振转换部件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片23之间。射出侧偏振转换部件22对在半透射反射型偏振片23与半反射镜21之间往返的成分的偏振状态进行转换。这里，1/4波长板即射出侧偏振转换部件22将处于圆偏振的状态的影像光GL转换为线偏振光，或者，相反地将处于线偏振的状态的影像光GL转换为圆偏振光。

透射反射选择部件30中的半透射反射型偏振片23借助射出侧偏振转换部件22粘贴在光射出平面SE上。即，半透射反射型偏振片23是配置在最接近假设为观察者的眼睛EY的位置的光瞳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片23由反射型线栅偏振片构成。即，半透射反射型偏振片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来改变透射/反射的特性。该情况下，通过在半透射反射型偏振片23的光路上游侧配置射出侧偏振转换部件22，每当经过射出侧偏振转换部件22时，光的偏振状态变化，半透射反射型偏振片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排列的方向的水平方向(X方向)为偏振透射轴的方向。另外，由反射型线栅偏振片构成的半透射反射型偏振片23根据要入射的成分的偏振光的状态来改变透射/反射的特性，因此，有时也称为反射型偏振片。

透射反射选择部件30由上述的射出侧偏振转换部件22和半透射反射型偏振片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片结构，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片、1/4波长板、反射型的线栅偏振片这样的部件作为各种光学片，能够实现部件数量的减少、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，在图像显示装置10中，由面板部11调制后的影像光GL在透射型偏振片即偏振片12中被转换为线偏振光。这里，设通过偏振片12后的线偏振光的偏振方向为第1方向。影像光GL在通过偏振片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，经由导光部LG朝向放大光学系统20射出。

所射出的影像光GL从位于放大光学系统20中的最靠图像显示装置10侧的位置的光入射平面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波长板即射出侧偏振转换部件22转换为线偏振光。关于这里的线偏振光的偏振方向，在穿过偏振片12后，2次穿过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在由射出侧偏振转换部件22转换为第2方向的线偏振光之后，到达半透射反射型偏振片23或反射型偏振片。

这里，半透射反射型偏振片23被设定为，使第1方向的线偏振光透射，使第2方向的线偏振光反射。从另一角度来看，如上所述构成偏振片12的透射特性和半透射反射型偏振片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被半透射反射型偏振片23反射，再次利用1/4波长板即射出侧偏振转换部件22成为圆偏振光，到达半反射镜21。在半反射镜21中，使影像光GL中的一部分成分直接透射，其余成分被反射，反射后的影像光GL的成分接下来利用1/4波长板即射出侧偏振转换部件22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片23，影像光GL到达假设为观察者的眼睛EY所在的场所的光瞳的位置。

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，借助粘接膜AD粘接固定在第2透镜L2上。因此，影像光GL在被上述光路上的半透射反射型偏振片23反射后，不穿过粘接膜AD，而利用半反射镜21进行反射。即，构成为影像光GL穿过粘接膜AD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，通过尽量减少穿过粘接膜AD的次数，抑制影像光GL的成分量的降低和劣化。

如上所述，本实施方式的虚像显示装置100在放大光学系统20中，利用半反射镜21和透射反射选择部件30使影像光GL的光路弯折，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。

另外，在以上的情况下，在放大光学系统20的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的各光束的光路调整。即，通过在该面上形成的半反射镜21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。关于2个透镜L1、L2，通过使用不同的折射率、不同的阿贝数的玻璃材料，能够形成上述结构的放大光学系统20。

此外，这里，如图4所示的一例那样，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的位置的距离即出瞳距离的长度为长度LE1，设眼睛EY的位置中的视圈的直径为直径RE1。

关于其中的面板尺寸的一边的长度LL1，基于小型化的要求的观点，优选为2.5英寸以下，进而为1英寸以下(更优选为12mm～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。

在HMD等虚像显示装置中，广视场角化取得了发展，光学系统的焦距变得非常短。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、出瞳距离的长度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。

此外，在上述各图的情况下，通过使透镜面成为球面透镜，能够应用更高折射率的材料。在能够通过应用更高折射率的材料来抑制透镜面的曲率的情况下，可认为能够抑制Petzval曲率，还能够减少像面弯曲。

以下，参照图5，关于作为来自图像显示装置10的射出光的影像光GL，对每个光射出位置的主光线GLa的射出角度进行说明。另外，在图示中，简化示出放大光学系统20。

如上所述，在形成为放大光学系统20的屈光度较大的光学系统以实现图像显示装置10中的面板尺寸的小型化的情况下，如图所示，成为如下非远心光学系统：在面板侧即图像显示装置10侧，主光线GLa的射出角度较大地倾斜。即，在这里的一例中，在从图像显示装置10射出的影像光GL中，主光线GLa的倾斜角度与光射出位置相对应地不同。具体而言，影像光GL中的从光轴AX通过的中心位置射出的中心成分GLc的主光线GLa向与面板部11的光射出面11a垂直的方向射出。即，不倾斜。与此相对，影像光GL中的从远离光轴AX的位置射出的周边成分GLc的主光线GLa相对于光射出面11a倾斜。

在本实施方式中，在图像显示装置10的面板部11中设置偏转部件PP，该偏转部件PP与主光线GLa的倾斜角度相对应地使光射出方向偏转。作为偏转部件PP，例如可考虑采用设置于各像素的微透镜阵列、棱镜阵列、衍射元件。通常，面板部11的各像素设计成在与光射出面11a垂直的方向上以亮度最高的状态射出。与此相对，在本实施方式中，通过设置偏转部件PP，使从面板部11的各像素发出的光朝向比中心靠外侧的位置偏转。更具体而言，越是从位于远离光轴AX的位置的像素射出的成分，偏转部件PP越使其朝向比中心靠外侧的位置较大地偏转。由此，即使采用非远心光学系统，也能够确保作为整个图像显示装置10的影像的亮度。

这里，作为另一个问题，可举出与全反射条件有关的事项。在上述的结构的情况下，在图像显示装置10与放大光学系统20之间，影像光GL相对于光轴AX的角度存在变得非常大的趋势。特别是，为了实现装置的小型化等，越是形成为焦距变短且图像显示装置10中的面板尺寸小型化的结构，影像光GL相对于光轴AX的角度越大。与此相对，在本实施方式中，通过以在图像显示装置10与第2透镜L2之间不设置空气间隔的方式在紧贴的状态下设置具有与全反射条件对应的折射率的导光部LG，来维持影像光GL的可靠的导光。

图6是比较例的虚像显示装置的一例中的光线图，图7是用于说明比较例中的折射率与全反射条件的关系的曲线图。在比较例中，与本实施方式的情况不同，在图像显示装置10与放大光学系统20之间具有空气间隔。图中的比较例中的上栏A1和中栏A2所示的虚像显示装置100X的放大光学系统20由1片透镜构成。如果具体地进行说明，则假设图6的透镜L1为平凸透镜，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，假设在图像显示装置10与放大光学系统20之间产生空气层AL。在上述的情况下，如上栏A1所示，影像光GL的光路在透射反射选择部件30、半反射镜21中折返。但是，该情况下，在图像显示装置10与放大光学系统20之间，特别是放大光学系统20与空气层AL的边界处，全反射条件的限制可能成为问题。具体而言，当要在比较例的虚像显示装置100X中进行与本申请相同的图像形成时，例如，关于从远离图示的光轴AX的位置即像高最大的位置起的影像光GL的光路，用箭头AA1指示的放大光学系统20与空气层AL的边界上的穿过点XP处的全反射条件成为问题。即，如中栏A2所示，关于在影像光GL的光路中进行反向跟踪的光路GLr，有可能产生如下情况：在穿过点XP，半反射镜21的凸面上的入射角α的入射角度成为临界角(全反射角)以上而无法导光。该情况下，必须增大图像显示装置10与放大光学系统20的间隔或者增大图像显示装置10的尺寸，有可能无法实现以小型化等为目标的结构。

上述的情况还可能在由2片透镜构成放大光学系统20的情况下产生。具体而言，如下栏A3的比较例所示的虚像显示装置100Y所示，即使在放大光学系统20由第1透镜L1和第2透镜L2等构成的情况下，也在第2透镜L2的光入射平面SI与空气层AL的边界上，影像光GL的光路或者对该光路进行反向跟踪的光路GLr的穿过点XP处的入射角α的全反射条件同样可能成为问题。

另外，图7是示出构成放大光学系统20的各透镜的折射率与空气层AL的边界处的全反射角(临界角)的关系的曲线图，横轴表示透镜的折射率，纵轴表示全反射角(临界角)。例如，在图像显示装置10或者面板部11中，关于从像高最大的位置射出的成分，例如，当上述入射角α为43.2°时，透镜的折射率为1.46以上，由于全反射条件而不能进行导光。

在本实施方式中，利用上述结构避免该情况。即，通过在图像显示装置10与放大光学系统20之间紧贴地设置具有比空气高的折射率的光透射性的导光部LG，例如，如上所述，即使在入射角α为43.2°且透镜的折射率为1.46以上的情况下，也能够进行可靠的影像光GL的导光。

另外，关于构成导光部LG的粘接部，能够是可实现上述目的的折射率并且从粘接性、光透射性、实用性等的观点来看折射率为1.3以上的物质，但可以应用成为满足上述要件的折射率的各种材料作为导光部LG的材料。例如，作为导光部LG，也可以选择与第2透镜L2、玻璃罩CG等的折射率一致的折射率的材料。

如上所述，本实施方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；第1透镜，其配置于影像光的取出位置，在影像元件侧具有凸面；第2透镜，其配置于比第1透镜靠影像元件侧的位置，具有与第1透镜的凸面接合的凹面；半反射镜，其设置于凸面与凹面之间的接合部；透射反射选择部件，其设置于第1透镜的光射出侧，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射；以及导光部，其使影像元件与第2透镜之间紧贴并引导影像光。

在上述虚像显示装置中，对第1透镜与第2透镜进行接合并且在凸面与凹面之间的接合部处设置半反射镜从而实现小型化或者薄型化，并具有光焦度，进行广视场角的图像形成，并利用导光部在影像元件与第2透镜之间进行与大视场角化对应的影像光的导光。

[第2实施方式]

以下，参照图8，说明第2实施方式的虚像显示装置的一例。

本实施方式的虚像显示装置是在第1实施方式中所例示的虚像显示装置的变形例，除了导光部以外，其余都与第1实施方式的情况相同，因此，省略与虚像显示装置的整体有关的说明，仅说明与导光部有关的构造。

图8是用于概念性地说明本实施方式的虚像显示装置200的侧方剖视图，是对应于图1的图。

在本实施方式的虚像显示装置200中，如图8所示，在导光部LG的周围附加地设置有遮光部SH。

遮光部SH例如是对金属板部件进行涂黑而构成的部件，以包围导光部LG的周围的方式安装。能够利用遮光部SH抑制由于构成虚像显示装置200的玻璃部件等引起的意外的光泄漏的影响。另外，通过在涂覆应该成为导光部LG的粘接剂时同时粘贴遮光部SH，该遮光部SH成为安装在包围导光部LG的导光范围的周边部分上的状态，从而能够固定于期望的位置。另外，以上是一例，除了以上述的方式对金属板部件进行涂黑涂装而形成遮光部SH的方式以外，还可考虑用遮光性的带(黑色带)卷绕导光部LG而形成遮光部SH这样的方式。

在本实施方式的虚像显示装置200中，也能够实现小型化或薄型化并具有光焦度，进行广视场角的图像形成，并且利用导光部LG在图像显示装置10与放大光学系统20的第2透镜L2之间进行与大视场角化对应的影像光的导光。特别是，在本实施方式的情况下，由遮光部SH进行可靠的遮光，从而能够进行良好的图像显示。

[第3实施方式]

以下，参照图9，说明第3实施方式的虚像显示装置的一例。

本实施方式的虚像显示装置是在第1实施方式等中例示的虚像显示装置的变形例，除了包含导光部的图像显示装置与放大光学系统的安装构造以外，其余都与第1实施方式等的情况相同，因此，省略与虚像显示装置的整体有关的说明，仅说明与导光部以及包含导光部的图像显示装置与放大光学系统的安装构造有关的构造。

图9是用于概念性地说明本实施方式的虚像显示装置300的侧方剖视图，是对应于图1等的图。

在本实施方式的虚像显示装置300中，如图9所示，在导光部LG的周围设置有光学外壳部件OC，作为构成图像显示装置10与放大光学系统20的安装构造的部件。

具体而言，如图所示，光学外壳部件OC是将沿着放大光学系统20的第2透镜L2延伸的带有肩部的筒状部件作为主体部OCa的一体成型品。另外，放大光学系统20构成为在主体部OCa进而在主体部OCa的中央具有贯通部(贯通孔)、板状部件。首先，光学外壳部件OC在主体部OCa中的与作为沿着光入射平面SI的延长面的不发挥光学功能的部分接触的板状部PLa的中央部分形成用于涂覆应该成为导光部LG的粘接剂的贯通部HL，并且形成了包围贯通部HL的周围来抑制意外的光泄漏的应该成为遮光部SH的部分。

此外，光学外壳部件OC具有影像元件定位部PD，该影像元件定位部PD是从板状部PLa的外表面中的比贯通部HL靠下方侧的位置即-Y侧的规定部位朝向图像显示装置10(沿+Z方向)延伸的板状部件。通过使构成图像显示装置10的面板部11的矩形的Si基板SS的一侧面与影像元件定位部PD抵接，能够进行图像显示装置10相对于第2透镜L2的定位。因此，如图所示，影像元件定位部PD相对于光轴AX方向水平地延伸，更具体而言与XZ面平行地延伸，以在Z方向上使Si基板SS抵接的程度延伸。即，在导光部LG和图像显示装置10的进深方向(厚度方向)上，具有充分长度。

并且，光学外壳部件OC具有粘接剂溢流部EP。在图示的一例中，光学外壳部件OC由板状部件EP1和缺口部EP2形成粘接剂溢流部EP，其中，该板状部件EP1从板状部PLa的外表面中的比贯通部HL靠上方侧的位置即+Y侧的规定部位朝向图像显示装置10(沿+Z方向)延伸，该缺口部EP2是将遮光部SH中的一部分以不影响维持遮光性能的程度切掉(切削)而设置的，该粘接剂溢流部EP使粘接部即应该成为导光部LG的粘接剂的剩余部分溢流。

以下，简单说明使用光学外壳部件OC实现的图像显示装置10与放大光学系统20的安装。作为前提，预先将光学外壳部件OC安装于放大光学系统20，并将图像显示装置10安装于光学外壳部件OC，由此，对图像显示装置10与放大光学系统20进行安装，并且在该图像显示装置10与放大光学系统20之间设置导光部LG。

综上所述，如果对安装进行更加详细的说明，则在安装于放大光学系统20的光学外壳部件OC中，首先，在贯通部HL涂覆应该成为导光部LG的粘接剂，接着，对于图像显示装置10的面板部11而言，使矩形的Si基板SS的各侧面中的与设置有FPC部11f的侧面相反的一侧的侧面与影像元件定位部PD抵接而进行定位，并且从入射侧偏振转换部件13的下方(-Y侧)使粘接剂在紧贴的状态下粘贴。由此，粘接剂逐渐向上方(+Y侧)升高，粘接剂的剩余部分经由缺口部EP2向由板状部件EP1和缺口部EP2形成的液体积存空间即粘接剂溢流部EP溢出。然后，通过热固化或者UV固化而使粘接剂固化，从而使图像显示装置10固定于光学外壳部件OC，由此，图像显示装置10和放大光学系统20在准确地定位的状态下进行安装。此外，该情况下，能够为了不形成空气层等以使导光部LG将图像显示装置10与放大光学系统20之间紧贴，在将充分量的粘接剂涂覆于应该成为导光部LG的部位的状态下进行组装。另外，考虑剩余的粘接剂的量、粘接剂的流动性等预先将粘接剂溢流部EP形成为足以使得剩余的粘接剂不会粘接意外的部位的程度的尺寸、形状。即，通过调整板状部件EP1、缺口部EP2的位置、大小/形状，形成期望的粘接剂溢流部EP。

在本实施方式的虚像显示装置300中，也能够实现小型化或薄型化并具有光焦度，进行广视场角的图像形成，并且利用导光部LG在图像显示装置10与放大光学系统20的第2透镜L2之间进行与大视场角化对应的影像光的导光。特别是，在本实施方式的情况下，能够利用光学外壳部件OC进行图像显示装置10与放大光学系统20的可靠安装。

[第4实施方式]

以下，参照图10和图11，对第4实施方式的虚像显示装置的一例进行说明。

本实施方式的虚像显示装置是在第1实施方式等中例示的虚像显示装置的变形例，除了具有埋入部作为包含导光部的图像显示装置与放大光学系统的安装构造以外，其余都与第1实施方式等的情况相同，因此，省略与虚像显示装置的整体有关的说明，仅说明与埋入部有关的构造。

图10和图11是用于概念性地说明本实施方式的虚像显示装置400的侧方剖视图和后视图。另外，图10是对应于图1等的图。

在本实施方式的虚像显示装置400中，如图10和图11所示，在放大光学系统20的第2透镜L2中，设置有埋入图像显示装置10的埋入部BB。如果更具体地进行说明，则在本实施方式中，在第2透镜L2中的与图像显示装置10相对的一侧的面的中央部分设置有与图像显示装置10对应的矩形状的凹部作为埋入部BB，在作为埋入部BB的凹部的底面形成有光入射平面SI。并且，如图11所示，在埋入部BB中的表面侧(+Z侧)设置有阶梯状的部分，如图所示，其中的下方侧(-Y侧)的一部分作为影像元件定位部PD发挥功能，该影像元件定位部PD使构成图像显示装置10的面板部11的矩形的Si基板SS抵接从而进行图像显示装置10相对于第2透镜L2的定位。此外，在埋入部BB中的上方侧(+Y侧)形成有用于引出FPC部11f的空间。另外，如图所示，在本实施方式中，也能够在导光部LG的周围附加地设置遮光部SH。关于埋入部BB的深度等尺寸、形状，可假设各种方式，例如可考虑使与Si基板SS抵接的抵接部位成为与Si基板SS的厚度对应的深度，以使得能够进行上述的使Si基板SS抵接的定位。此外，在进行图像显示装置10的固定时，可考虑采用容易维持图像显示装置10的姿态的程度的深度或者大小。

在本实施方式的虚像显示装置400中，也能够实现小型化或薄型化并具有光焦度，进行广视场角的图像形成，并且利用导光部LG在图像显示装置10与放大光学系统20的第2透镜L2之间进行与大视场角化对应的影像光的导光。特别是，在本实施方式的情况下，在维持各部件的姿态等的观点下，能够通过埋入部BB简单并且可靠地进行图像显示装置10与放大光学系统20的安装。

下面，参照图12等对变形例进行说明。

首先，图12是用于示出一个变形例的虚像显示装置的图，是虚像显示装置的概念性的侧视图。在本变形例中，在第2透镜L2中设置有缺口部CT。例如，如图4等所示，在本实施方式中，在第1透镜L1中，影像光GL的光束的宽度最宽，在第2透镜L2中，影像光GL的光束的宽度比较窄。因此，关于第2透镜L2中的例如影像光GL的光路外且成为产生杂散光等的主要原因的可能性较低的部位，如图所示，通过切掉一部分，能够实现第2透镜L2的轻量化。另外，关于缺口部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13所示的另一个变形例那样，还可以考虑使半反射镜21的一部分露出这样的切割法。另外，该情况下，例如，可考虑半反射镜21由金属膜构成这样的方法。

此外，在上述记载中，构成为将偏振片12和入射侧偏振转换部件13设置于图像显示装置10侧的结构，但是，例如，也可以如图14所示，将偏振片12和入射侧偏振转换部件13设置于放大光学系统20侧。

[其他]

以上，结合实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种形态实施。

首先，在上述记载中，例如在第1实施方式中，设第1透镜L1和第2透镜L2为玻璃透镜，但是，根据要件等的不同，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。例如，作为第4实施方式，在图10等所例示的虚像显示装置400中，为了形成埋入部BB，可考虑设第2透镜L2为树脂透镜。此外，同时也可考虑设第1透镜L1为树脂透镜。

此外，在上述记载中，导光部LG是通过层状地设置粘接剂并固化而形成的粘接部，但不限于此，例如，也可以使具有充分高的光透射性但不具有粘接性的部件在图像显示装置10与第2透镜L2之间紧贴地设置。例如，也可以由润滑脂、油等构成导光部LG。在该情况下，关于润滑脂、油等，可以应用用于设置保持在图像显示装置10与第2透镜L2之间的构造的各种方法。

此外，还可考虑在图像显示装置10与第2透镜L2之间设置如光学平面这样的构造作为导光部LG，并且，只要能够维持光透射中的精度，则还可考虑利用透明带。

此外，在上述记载中，作为图像显示装置10，例如设为由有机EL等自发光型的元件(OLED)构成，在该情况下，例如，也可以采用射出圆偏振的影像光的图像显示装置，省略偏振片、1/4波长板。

此外，也可以通过在各透镜的透镜面上适当设置AR涂层，进一步抑制重像光的产生等。

此外，本发明的技术除了应用于仅看到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看到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，在上述记载中，关于设置由使影像光的一部分透射并且使另一部分反射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。

此外，在上述记载中，将眼前侧的光射出面和使影像光入射的光入射面分别作为光射出平面SE和光入射平面SI，即二者均是平面，但还可考虑使二者为曲面。

如上所述，本发明的一个方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；第1透镜，其配置于影像光的取出位置，在影像元件侧具有凸面；第2透镜，其配置于比第1透镜靠影像元件侧的位置，具有与第1透镜的凸面接合的凹面；半反射镜，其设置于凸面与凹面之间的接合部；透射反射选择部件，其设置于第1透镜的光射出侧，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射；以及导光部，其使影像元件与第2透镜之间紧贴并引导影像光。

在上述虚像显示装置中，对第1透镜与第2透镜进行接合并且在凸面与凹面之间的接合部处设置半反射镜，从而实现小型化或者薄型化，并具有光焦度，进行广视场角的图像形成，同时利用导光部在影像元件与第2透镜之间进行与大视场角化对应的影像光的导光。

在本发明的具体侧面中，导光部是使影像元件粘接在第2透镜上的粘接部。在该情况下，能够通过粘接部构成紧贴的导光部，并且进行第2透镜相对于影像元件的定位固定。

在本发明的另一个侧面，具有粘接剂溢流部，该粘接剂溢流部使应该成为粘接部的粘接剂的一部分溢流。在该情况下，能够使应该成为粘接部的粘接剂的剩余部分溢流。

在本发明的其他另一个的侧面中，还具有遮光部，该遮光部附加地设置于所述导光部的周围。在该情况下，能够利用遮光部抑制意外的光泄漏的影响。

在本发明的其他另一个的侧面中，还具有影像元件定位部，该影像元件定位部进行影像元件相对于第2透镜的定位。在该情况下，能够进行影像元件相对于第2透镜的定位。

在本发明的其他另一个的侧面中，第2透镜具有埋入部，该埋入部埋入影像元件。在该情况下，第2透镜与影像元件能够进行可靠的安装。

在本发明的其他另一个的侧面中，影像元件具有偏转部件，该偏转部件与主光线的倾斜角度对应地使光射出方向偏转。在该情况下，例如，通过使从影像元件发出的光朝向比中心靠外侧的位置偏转，能够确保影像的亮度。

在本发明的其他另一个的侧面中，导光部的折射率为1.3以上。该情况下，维持与大视场角化对应的影像光的导光的确保，并且从例如导光部的粘接性这样的安装性能、实用性等的观点出发，选择适当的导光部。

在本发明的其他另一个的侧面中，第1透镜的凸面和第2透镜的凹面是球面。在该情况下，通过使透镜面为球面透镜，能够应用更高折射率的材料。

在本发明的其他另一个的侧面中，影像元件的图像显示区域的尺寸小于第2透镜的光学面的尺寸。在该情况下，能够实现影像元件乃至装置整体的小型化。

在本发明的其他另一个的侧面中，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。在该情况下，能够实现影像元件乃至装置整体的小型化。

Claims

1.一种虚像显示装置，其具有：

影像元件，其显示图像；以及

第1透镜，其配置于影像光的取出位置，在所述影像元件侧具有凸面；

第2透镜，其配置于比所述第1透镜靠所述影像元件侧的位置，具有与所述第1透镜的所述凸面接合的凹面；

半反射镜，其设置于所述凸面与所述凹面之间的接合部；

透射反射选择部件，其设置于所述第1透镜的光射出侧，根据光的偏振状态选择性地进行透射或反射；以及

导光部，其使所述影像元件与所述第2透镜之间紧贴并引导所述影像光。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述导光部是使所述影像元件粘接于所述第2透镜的粘接部。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置具有粘接剂溢流部，该粘接剂溢流部使应该成为所述粘接部的粘接剂的一部分溢流。

4.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置还具有遮光部，该遮光部附加地设置于所述导光部的周围。

5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述虚像显示装置还具有影像元件定位部，该影像元件定位部进行所述影像元件相对于所述第2透镜的定位。

6.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第2透镜具有埋入部，该埋入部埋入所述影像元件。

7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述影像元件具有偏转部件，该偏转部件与主光线的倾斜角度对应地使光射出方向偏转。

8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述导光部的折射率为1.3以上。

9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第1透镜的所述凸面和所述第2透镜的所述凹面是球面。

10.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。

11.根据权利要求10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。