CN111435197A - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

虚像显示装置。抑制重影的产生，例如能够进行高品质且广视场角的影像显示，提供高画质的影像，进而能够实现光学系统的小型化乃至装置整体的小型化。虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；投射光学系统，其投射来自影像元件的图像；以及2级构造光阑，其具有形成投射光学系统中的第1开口部的第1光阑和形成投射光学系统中的第2开口部的第2光阑，从影像元件的像面的周边部射出的影像光的主光线相对于像面的倾斜在像面的面内方向中的第1方向和与第1方向垂直的第2方向上不同，2级构造光阑中的第1光阑和第2光阑根据第1方向和第2方向上的主光线的倾斜的差异而设置于不同的位置。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及以头戴显示器为代表的虚像显示装置。

背景技术

作为头戴显示器等虚像显示装置，例如，如专利文献1所示，公知有设光学系统为包含至少1面以上的非对称面的非远心光学系统，设置光阑，实现光学系统的小型化，并且提供高画质的影像。另外，下面还将头戴显示器记载为HMD。

专利文献1：日本特开2017-116773号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所例示的结构中，例如，当要抑制光学系统的增大并进一步实现广视场角化、或者维持光学的精度并进一步实现光学系统的小型化时，在将光阑仅设置于一个部位的结构中，可能无法有效抑制画面内外的重影。

用于解决课题的手段

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；投射光学系统，其投射来自影像元件的图像；以及2级构造光阑，其具有形成投射光学系统中的第1开口部的第1光阑和形成投射光学系统中的第2开口部的第2光阑，2级构造光阑中的第1光阑和第2光阑根据从影像元件的像面的周边部射出的影像光的主光线的倾斜而设置于不同的位置。

附图说明

图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的一例的外观的立体图。

图2是示出虚像显示装置中的光学系统和影像光的光路的立体图。

图3是示出虚像显示装置中的光学系统和影像光的光路的俯视图。

图4是示出虚像显示装置中的光学系统和影像光的光路的侧视图。

图5是用于说明影像光中的主光线的倾斜的概念图。

图6是用于说明投射光学系统的一个结构例的侧方剖视图。

图7是用于说明投射光学系统的一个结构例的俯视剖视图。

图8是用于说明第1光阑的一个结构例的立体图。

图9是用于说明第1光阑的一个结构例的俯视图。

图10是用于说明第1光阑的一个结构例的主视图。

图11是用于说明第2光阑的一个结构例的主视图。

图12是说明第2实施方式的虚像显示装置的一例的光路图。

图13是示出第3实施方式的虚像显示装置的一例中的光学系统和影像光的光路的俯视剖视图。

图14是示出虚像显示装置中的光学系统和影像光的光路的侧视剖视图。

图15是用于说明影像光中的主光线的倾斜的概念图。

图16是用于说明与第1光阑的安装构造有关的一个变形例的图。

图17是用于说明与第1光阑的安装构造有关的另一个变形例的图。

标号说明

10：导光部件；20：导光装置；30：投射光学系统；50：光透过部件；80：图像显示装置；100：虚像显示装置；100A：第1显示装置；100B：第2显示装置；102：框架部；102a：中央部；102b：支承体；104：镜腿；105d：外装部件；200：虚像显示装置；230：投射光学系统；280：图像显示装置；300：虚像显示装置；300A：第1显示装置；AT：安装定位部；AX：光轴；BR：镜筒；BS：凸台；CC：中心部；DS：2级构造光阑；DT1～DT4：定位部；EB：眼动范围；GL：影像光；GLc：成分光；GLp：成分光；H1、H2：开口；HL：孔；IP：像面；LS：投射透镜；LS1～LS4：透镜；MM：安装部件；OP1、OP2：开口部；PP：周边部；PRc：主光线；PRp：主光线；ST1：第1光阑；ST2：第2光阑；TP：突起部；α：倾斜角度；β：倾斜角度。

具体实施方式

[第1实施方式]

下面，参照图1等对本发明的第1实施方式的虚像显示装置进行详细说明。

如图1等所示，本实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴显示器(HMD)，能够使佩戴该虚像显示装置100的观察者或使用者看到基于虚像的图像光(影像光)，并且能够使观察者透视地看到或观察外界像。虚像显示装置100具有第1显示装置100A、第2显示装置100B、框架部102。

第1显示装置100A和第2显示装置100B是分别形成左眼用和右眼用的虚像的部分，分别具有以能够透视的方式覆盖观察者的眼前的第1光学部件101a和第2光学部件101b以及第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b。第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b在后面叙述，但是，分别由显示装置(影像元件)、投射透镜等像形成用的光学系统以及收纳这些光学系统的部件等构成。另外，显示装置(影像元件)和投射透镜等被罩状的外装部件(壳部件)105d覆盖，由此，被支承和收纳。第1光学部件101a和第2光学部件101b是对由第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b形成的影像光进行导光、并且重叠地看到外界光和影像光的导光部，构成包含导光部件的导光装置。下面，还设第1光学部件101a或第2光学部件101b为导光装置20。另外，第1显示装置100A和第2显示装置100B单独作为虚像显示装置发挥功能。

框架部102是俯视观察时折曲成U字状的细长部件，具有与第1光学部件101a以及第2光学部件101b双方即一对导光装置20连接设置的壁厚构造的中央部102a、以及从中央部102a沿着第1光学部件101a和第2光学部件101b延伸进而形成折曲成U字状的部位的支承体102b。

另外，设置有从框架部102的左右两端向后方延伸的腿部分即镜腿104，能够用作与观察者的耳朵或太阳穴等抵接而进行支承的部件。

下面，参照图2等，概念性地对虚像显示装置100的影像光GL的导光用的构造等的一例进行说明。图2～图4是示出第1显示装置100A的一部分的图，特别是提取出了光学系统的部分。另外，如上所述，用于进行影像光GL的导光的装置是第1显示装置100A和第2显示装置100B(参照图1等)，但是，第1显示装置100A和第2显示装置100B具有左右对称且相同的构造，因此，仅对第1显示装置100A进行说明，省略第2显示装置100B的说明。

如图2～图4所示，第1显示装置100A具有形成影像光GL的图像显示装置80、包含收纳于图6等所示的镜筒BR中的成像用的投射透镜LS的投射光学系统30、以及对经过图像显示装置80和投射透镜LS的影像光GL进行导光的导光装置20。导光装置20由导光和透视用的导光部件10以及透视用的光透过部件50构成。

图像显示装置80例如能够设为由有机EL等自发光型元件构成的影像元件(影像显示元件)。此外，图像显示装置80例如也可以构成为，除了具有透过型的空间光调制装置即影像显示元件以外，还具有向影像显示元件射出照明光的背光源即照明装置和对动作进行控制的驱动控制部。这里，如图所示，图像显示装置80为矩形状，形成矩形状的像面IP，从像面IP的各位置射出影像光GL。这里，设像面IP的法线方向为z方向，设z方向与构成投射光学系统30的投射透镜LS的光轴AX延伸的光轴方向一致。此外，设与z方向垂直的像面IP的面内方向中的矩形的像面IP或图像显示装置80的一个方向为x方向，设与x方向垂直的方向为y方向。另外，这里，设矩形的长度方向为x方向。

此外，如上所述，例如，如图3和图4所示，从图像显示装置80的像面IP射出的影像光GL中的从像面IP的周边部PP射出的成分光GLp的主光线与从像面IP的中心部CC射出的成分光GLc的主光线相比，向内侧倾斜。换言之，中心侧的成分光GLc相对于光轴AX平行或大致平行，与此相对，周边侧的成分光GLp以接近光轴AX的方式向中心侧倾斜。进而，关于主光线，在x方向上的倾斜和y方向上的倾斜中，倾斜程度不同。更具体而言，如图5中进行比较示出的那样，在分光GLp的主光线PRp中，表示y方向的相对于光轴AX的倾斜的倾斜角度α比表示x方向的相对于光轴AX的倾斜的倾斜角度β大。换言之，在主光线PRp中，倾斜角度α所表示的垂直方向射出角比倾斜角度β即水平方向射出角大，以在垂直方向(y方向)上更向内的方式倾斜。另外，成分光GLc的主光线PRc与光轴AX平行。下面，作为与主光线PRp的倾斜有关的表现，设x方向为第1方向D1，设y方向为第2方向D2。即，从像面IP的周边部PP射出的影像光GL即成分光GLp的主光线PRp相对于像面IP的倾斜在像面IP的面内方向中的第1方向D1和与第1方向D1垂直的第2方向D2上不同。

返回图2～图4，作为结构要素，投射光学系统30例如具有投射透镜LS，该投射透镜LS构成为具有沿着入射侧光轴AX延伸的方向(光轴方向；z方向)排列的多个光学元件(在图示的例子中为4个透镜LS1～LS4)，投射透镜LS由光学部件保持部件(图6等所示的镜筒BR)收纳和支承。进而，在本实施方式中，在投射光学系统30中，如图3和图4所示，在沿着入射侧光轴AX的光路上设置2级构造光阑DS，该2级构造光阑DS具有相对地位于光路下游侧且形成第1开口部的第1光阑ST1、以及相对地位于光路上游侧且形成第2开口部的第2光阑ST2。首先，如图3所示，在第1方向D1上观察影像光GL的整体的情况下，第1光阑ST1设置于影像光GL的光束的直径最小的最佳光阑位置。另一方面，如图4所示，在第2方向D2上观察影像光GL的整体的情况下，第2光阑ST2设置于影像光GL的光束的直径最小的最佳光阑位置。其结果，第1光阑ST1和第2光阑ST2根据第1方向D1和第2方向D2上的主光线PRp的倾斜的差异而设置于不同的位置。更具体而言，在图示的情况下，关于主光线PRp的倾斜，伴随着第2方向D2上的倾斜比第1方向D1上的倾斜大，即，在图5中伴随着倾斜角度α比倾斜角度β大，2级构造光阑DS中的第2光阑ST2配置于光路上比第1光阑ST1更接近图像显示装置80的位置。换言之，2级构造光阑DS中的第1光阑ST1与第1方向D1上的倾斜对应地作为影像光GL的光阑发挥功能，第2光阑ST2与第2方向D2上的倾斜对应地作为影像光GL的光阑发挥功能。即，该情况下，第1光阑ST1成为水平方向上的光阑，第2光阑ST2成为垂直方向上的光阑。在2级构造光阑DS中，通过具有处于上述这种配置关系的第1光阑ST1和第2光阑ST2，适当进行光的调整，抑制重影的产生。此外，在透镜LS1～LS4中例如包括由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)双方的非球面透镜构成的透镜。即，投射透镜LS构成非对称光学系统。由此，能够与构成导光装置20的导光部件10的一部分协作在导光部件10的内部形成与显示像对应的中间像。投射透镜LS朝向导光装置20投射由图像显示装置80形成的影像光GL并使其入射。另外，省略详细说明，但是，镜筒BR在外装部件105d(参照图1)中收纳和支承。

在HMD中，例如为了提高以图中的投射光学系统30为代表的各光学系统的分辨性能和畸变像差，需要某种程度的透镜枚数。但是，如果增加透镜枚数，则导致光学系统相应地增大。此外，为了实现小型化，还需要极力减小透镜间距离。在本实施方式中，为了实现更加小型化的光学系统，构成为在垂直和水平方向的光阑位置之间即第1光阑ST1与第2光阑ST2之间也配置透镜。

如上所述，导光装置20由导光和透视用的导光部件10以及透视用的光透过部件50构成。此外，导光装置20通过在表面部分设置作为保护层的硬涂层而对主体部件进行包覆和保护。光透过部件50是对导光部件10的透视功能进行辅助的部件(辅助光学块)即光透过部，与导光部件10一体地固定而成为1个导光装置20。导光装置20例如螺纹紧固于镜筒BR等光学部件保持部件，由此，高精度地定位固定于投射透镜LS。

导光部件10具有第1～第5面S11～S15，作为具有光学功能的侧面。其中，第1面S11和第4面S14相邻，第3面S13和第5面S15相邻。此外，在第1面S11与第3面S13之间配置有第2面S12。在第2面S12的表面附带设置有半反射镜层。该半反射镜层是具有光透过性的反射膜(半透过反射膜)，是通过形成金属反射膜和电介质多层膜而形成的，适当设定了针对影像光的反射率。即，导光部件10具有在观察者佩戴时覆盖眼前的透过型反射面。

如上所述，光透过部件50与导光部件10一体地固定而成为1个导光装置20，是对导光部件10的透视功能进行辅助的部件(辅助光学块)。光透过部即光透过部件50具有第1透过面S51、第2透过面S52和第3透过面S53，作为具有光学功能的侧面。第2透过面S52配置于第1透过面S51与第3透过面S53之间。第1透过面S51位于延长了导光部件10的第1面S11的面上，第2透过面S52是与第2面S12接合而一体化的曲面，第3透过面S53位于延长了导光部件10的第3面S13的面上。换言之，第1面S11和第1透过面S51相邻，同样，第3面S13和第3透过面S53相邻，均形成处于对齐为共面的状态的平滑的面。

下面，参照图3对影像光GL的光路进行概略说明。导光部件10使影像光GL从投射透镜LS入射，并且通过第1～第5面S11～S15中的反射等而朝向观察者的眼睛进行导光。具体而言，来自投射透镜LS的影像光GL首先入射到第4面S14并在第5面S15进行反射，从内侧再次入射到第4面S14进行全反射，入射到第3面S13进行全反射，入射到第1面S11进行全反射。在第1面S11进行全反射后的影像光GL入射到第2面S12，一部分透过设置于第2面S12的半反射镜层，并且一部分进行反射而再次入射到第1面S11并通过。通过第1面S11后的影像光GL作为大致平行光束入射到观察者的眼睛或其等效位置。即，观察者通过作为虚像的影像光GL来观察图像。

此外，如上所述，导光装置20通过导光部件10使观察者看到影像光，并且，通过导光部件10与光透过部件50的协作使观察者观察畸变较少的外界像。此时，第3面S13和第1面S11成为彼此大致平行的平面(视度大致为0)，由此，关于外界光，几乎不会产生像差等。此外，同样，第3透过面S53和第1透过面S51成为彼此大致平行的平面。进而，第3透过面S53和第1面S11成为彼此大致平行的平面，由此，几乎不会产生像差等。如上所述，观察者越过光透过部件50观察没有畸变的外界像。

如上所述，在本实施方式中，在导光部件10的内部，如上所述，通过至少包含2次全反射在内的第1面S11～第5面S15中的5次反射对来自图像显示装置80的影像光进行导光。由此，能够同时实现影像光的显示和看到外界光的透视，并且，能够进行影像光GL的像差的校正。

上述这种结构在第2显示装置100B(参照图1)中也是同样的。由此，能够分别形成与左右眼分别对应的图像。

下面，对基于虚像显示装置100的虚像的观察进行说明。首先，在图示的例子中，利用矩形状的面示出表示观察者能够看到基于影像光GL的虚像的范围的眼动范围EB。一般而言，实际的眼动范围EB的面形状根据设计而分别不同，但是，典型情况下，大多设为圆形或正方形。与此相对，在本实施方式中，设眼动范围EB为横长的长方形(h<w)。如上所述，眼动范围EB是成为大致平行光束而从第1面S11射出的各影像光GL的成分重复的范围。即，为了能够在不丢失图像的情况下进行观察，需要使观察者的眼睛位于由眼动范围EB形成的面的范围内。一般而言，人的眼睛在左右排列的水平方向上良好地运动且视野较宽。因此，大多形成水平方向上较长的横长的影像，例如，在本实施方式中也是这样。进而，眼宽存在个人差异，因此，在本实施方式这种左右一对结构的情况下，为了不需要眼宽调整机构，特别是在眼动范围EB中的眼睛排列的水平方向上需要某种程度的允许范围。根据这种状况，关于眼动范围EB的形状，优选眼动范围EB的面中的面内方向中的观察时沿着观察者的眼睛排列的水平方向上的形状比与水平方向垂直的垂直方向上的形状大。另外，在图示中，Z方向示出眼动范围EB的面中的法线方向，利用X方向示出眼动范围EB的面中的面内方向中的沿着眼睛排列的水平方向，利用Y方向示出垂直方向。

在本实施方式中，鉴于以上这种状况，构成为从像面IP的周边部PP射出的影像光GL在与垂直方向(Y方向)对应的第2方向D2(y方向)上比与水平方向(X方向)对应的第1方向D1(x方向)倾斜，进而，通过设置具有与其对应的第1光阑ST1和第2光阑ST2的2级构造光阑DS，能够进行高品质且广视场角的影像显示，并且实现光学系统的小型化、乃至装置整体的小型化，并且抑制重影的产生，维持高画质的影像的提供。

更详细地对上述进行说明，首先，如上所述，典型情况下，眼动范围大多设计成圆形或正方形，与此相对，本实施方式的眼动范围EB在水平方向上较大。与此相伴，从图像显示装置80射出的水平方向上的影像光GL的取入角(例如13.5°)比垂直方向的影像光GL的取入角(例如7.5°)大。因此，在使影像光GL的主光线角在水平垂直方向上相同的情况下，关于投射光学系统30的射出位置处的光束宽度，水平的光束宽度较大。特别是在横向展开的HMD光学系统中，这会导致产品的横宽较大，大大影响外观，因此，是不理想的。根据上述原因，在本实施方式中，射出的影像光GL的主光线角在垂直截面方向上更向内侧倾斜，由此，能够抑制各光学系统的横宽，能够改善广视场角化和产品的小型化的折中。

此外，如果主光线角在垂直截面和水平截面中不同，则影像光GL的光束最收敛的位置也在垂直截面和水平截面中大幅不同。例如，在从图像显示装置80射出的射出角更加朝向内侧时，光束的收敛位置成为更加接近图像显示装置80的位置。在本实施方式中，考虑这点来确定第1光阑ST1和第2光阑ST2的最佳配置位置，由此，特别能够抑制重影光。

下面，参照图6等更具体地说明投射光学系统30的一个结构例。如图6和图7所示，此外，如上所述，投射光学系统30中的投射透镜LS从光路上远离图像显示装置80的一侧起依次具有4个透镜LS1～LS4，它们收纳在一体成型的1个镜筒BR中。另外，镜筒BR例如是通过树脂成型而制作的。这里，在投射光学系统30的4个透镜LS1～LS4之间设置有由2个光阑ST1、ST2构成的2级构造光阑DS。在图示的例子中，2级构造光阑DS中的位于光路下游侧的第1光阑ST1设置于第1透镜LS1与第2透镜LS2之间，位于光路上游侧的第2光阑ST2设置于第3透镜LS3与第4透镜LS4之间。当改变观察方式时，在第1光阑ST1与第2光阑ST2之间插入有构成投射光学系统30的透镜。

此外，在图示的例子中，关于2级构造光阑DS，一个第1光阑ST1由与镜筒BR分体的安装部件MM构成，另一个第2光阑ST2作为镜筒BR的一部分而一体成型。该情况下，第2光阑ST2形成筒状的镜筒BR中最收缩的部分。此外，在这里的一例中，第1光阑ST1由作为安装部件MM的黑色带构成。另外，第1光阑ST1的构造参照图8等在后面叙述。

该情况下，首先，如图6所示，第2光阑ST2设置于镜筒BR的内表面中的第3透镜LS3与第4透镜LS4之间的最佳光阑位置。当改变观察方式时，镜筒BR在第3透镜LS3的定位部DT3与第4透镜LS4的定位部DT4之间形成应该成为第2光阑ST2的突起部TP。在通过注塑成型来制作镜筒BR时，突起部TP也成为最向内侧伸出的基准位置。

接着，如图7所示，第1光阑ST1将安装部件MM安装于第1透镜LS1，由此设置于第1透镜LS1与第2透镜LS2之间的最佳光阑位置。

下面，参照图8和图9更加详细地说明由安装部件MM形成的第1光阑ST1。首先，应该成为第1光阑ST1的安装部件MM是黑色的片状的带部件，除了确定第1光阑ST1的开口部OP1中的光透过区域的形状的开口H1以外，以嵌入设置于第1透镜LS1中的有效透镜直径的外侧的四角的4个定位用的凸台BS的方式具有4个部位的孔HL。即，通过将各孔HL嵌入对应的凸台BS中，安装部件MM相对于第1透镜LS1准确地定位，形成具有开口部OP1的第1光阑ST1。此外，该情况下，凸台BS的前端部成为与第2透镜LS2抵接的抵接面，即成为与其他透镜或镜筒抵接的抵接面，由此，用于第1透镜LS1的光轴方向的定位。此外，例如，如图10的主视图所示，4个部位的凸台BS和孔HL具有对称性地设置于4角。即，按照以图3等所示的光轴AX为中心而对称的位置关系进行配置。另外，不会由于存在凸台BS和孔HL而产生片状的第1光阑ST1的挠曲等。此外，在片状的安装部件MM上预先形成粘接剂，在针对第1透镜LS1的安装时进行粘接。另外，该情况下，粘接剂附着于安装部件MM与比安装部件MM更靠光路下游侧的第1透镜LS1之间。即，粘接剂配置于安装部件MM中的与图像显示装置80相反的一侧。由此，能够避免由于粘接剂而引起的来自图像显示装置80侧的不要光的反射防止功能的降低。即，相比于在与上述相反的方向上涂布粘接剂的情况，不容易产生粘接层中的光的反射，抑制意外的重影产生。

另外，作为上述这种基于凸台BS和孔HL的组装构造以外的方法，例如可考虑如下构造：以应该成为第1光阑ST1的遮光片的外形恰好嵌入设置于透镜或镜筒(桶)等的凹部中的方式进行贴合或夹入。但是，该情况下，即使在组装时稍微偏移的状态下嵌入也能够进行组装，因此，很难进行组装精度的管理。此外，如果要采用的遮光片是坚固的板金或树脂部件等，则没有问题，但是，在采用比较薄弱的片部件等的情况下，可能在内部产生挠曲等的状态下进行组装。在上述中，通过采用在设置于透镜LS1等的突起即凸台BS中嵌入应该成为第1光阑ST1的片状部件的孔HL的结构，不会产生挠曲，此外，不容易产生组装时的偏移。

根据以上这种结构，关于投射光学系统30的组装，首先，以设置于镜筒BR的内表面的定位部DT3为基准，从与图像显示装置80的组装侧相反的一侧组装第3透镜LS3，进而，以定位部DT2为基准组装第2透镜LS2。然后，以定位部DT1为基准从与图像显示装置80的组装侧相反的一侧将预先组装了安装部件MM的第1透镜LS1组装于镜筒BR的内表面，最后，以定位部DT4为基准从图像显示装置80的组装侧组装第4透镜LS4。这样制造作为1个单元的投射光学系统30。

如上所述，在构成光阑时，在设置于镜筒BR的情况下，如果镜筒BR是树脂成型部件或金属切削部件等，则由于加工方法的原因，只能在1个部位形成光阑。因此，在上述中，在镜筒BR形成一个光阑，通过配置被配置于透镜间的遮光片(黑色带)即安装部件MM，形成另一个光阑。对安装部件MM的更具体的一例进行说明，安装部件MM是由黑色带等构成的遮光片即黑色片部件。在图8或图9所示的一例中，安装部件MM构成为相对于透镜LS1的至少一部分环绕并进行粘贴。由此，能够提高与透镜LS1的紧贴性，并且，能够抑制由于透镜LS1附近的内部反射而引起的漏光等的产生以及该漏光对影像光等的影响。

另外，在以上的投射光学系统30中，在第1光阑ST1和第2光阑ST2中，第2光阑ST2的影像光GL的光束较细。例如，如图10和图11所示，第2光阑ST2中形成开口H2的第2开口部OP2的第2方向D2上的开口宽度即第2方向开口宽度W2比第1光阑ST1中形成开口H1的第1开口部OP1的第1方向D1上的开口宽度即第1方向开口宽度W1小。例如，可考虑如下结构：第1方向开口宽度W1设为8.5mm左右，与此相对，第2方向开口宽度W2设为4.25mm左右。此外，如图11所示，关于开口H2的形状，第1方向D1上的开口宽度比第2方向D2上的开口宽度(即第2方向开口宽度W2)大。

如上所述，本实施方式的虚像显示装置100具有：作为影像元件的图像显示装置80，其显示图像；投射光学系统30，其投射来自图像显示装置80的影像光GL；以及2级构造光阑DS，其具有形成投射光学系统30中的第1开口部OP1的第1光阑ST1和形成投射光学系统30中的第2开口部OP2的第2光阑ST2，从图像显示装置80的像面IP的周边部射出的影像光GL的主光线PRp相对于像面IP的倾斜在像面IP的面内方向中的第1方向D1和与第1方向D1垂直的第2方向D2上不同，2级构造光阑DS中的第1光阑ST1和第2光阑ST2根据第1方向D1和第2方向D2上的主光线PRp的倾斜的差异而设置于不同的位置。

在上述虚像显示装置100中，在2级构造光阑DS中，第1光阑ST1和第2光阑ST2根据作为影像元件的图像显示装置80的像面IP的面内方向中的第1方向D1和第2方向D2上的主光线PRp的倾斜的差异而设置于不同的位置，由此，能够适当地进行影像光GL的调整。更具体而言，在本实施方式中，关于图像显示装置80的周边部中的主光线PRp的倾斜，第2方向D2上的倾斜比第1方向D1上的倾斜大。与其对应地，在2级构造光阑DS中，第1光阑ST1是第1方向D1上的光阑，第2光阑ST2是第2方向D2上的光阑。由此，抑制重影的产生，例如能够进行高品质且广视场角的影像显示，并且提供高画质的影像，进而，能够实现光学系统的小型化乃至装置整体的小型化。

[第2实施方式]

下面，参照图12对第2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第1实施方式中例示的虚像显示装置的变形例，除了对影像光GL进行导光的方向以外，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。

图12是用于说明本实施方式的虚像显示装置200的一个结构例的光路图，一并示出概念性的结构，是与图3对应的图。在图3的例子中，在沿着沿眼睛排列的水平方向的左右方向上对影像光GL进行导光，与此相对，在本实施方式中，在沿着与水平方向垂直的方向的上下方向上对影像光GL进行导光。该情况下，从图像显示装置280的像面IP射出的影像光GL也倾斜，相对于投射光学系统230，构成2级构造光阑DS的第1光阑ST1和第2光阑ST2根据从像面IP射出的影像光GL的倾斜而配置于光路上不同的位置，由此，抑制重影的产生，例如能够进行高品质且广视场角的影像显示，并且提供高画质的影像，进而能够实现光学系统的小型化乃至装置整体的小型化。

[第3实施方式]

下面，参照图13等对第3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第1实施方式中例示的虚像显示装置的变形例，除了构成第1显示装置和第2显示装置的光学系统的构造以外，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。此外，第1显示装置和第2显示装置具有左右对称且相同的构造，因此，仅对第1显示装置进行说明，省略第2显示装置的说明。此外，设光学系统中标注了与第1实施方式的情况相同的标号的部分中的、未特意进行新说明的部分与第1实施方式的情况相同。

图13是用于说明本实施方式的虚像显示装置300的一个结构例的俯视剖视图，示出虚像显示装置300中的左眼用的第1显示装置300A。此外，图14是第1显示装置300A的侧面剖视图。进而，图15是用于说明影像光中的主光线的倾斜的概念图，是与图5对应的图。

如图13～图15所示，在本实施方式中，在2级构造光阑DS中，相对地位于光路下游侧的第1光阑ST1和相对地位于光路上游侧的第2光阑ST2的作用与第1实施方式的情况不同。简言之，如图14所示，配置于光路下游侧即相对远离图像显示装置80的位置的第1光阑ST1成为垂直方向上的光阑。另一方面，如图13所示，配置于光路上游侧即相对接近图像显示装置80的位置的第2光阑ST2成为水平方向上的光阑。这是为了对应如下结构：在本实施方式的虚像显示装置300中，如图15所示，关于主光线PRp的倾斜，使第2方向D2上的倾斜比第1方向D1上的倾斜大，即，在图15中，倾斜角度α比倾斜角度β大。在本实施方式中，2级构造光阑DS也具有处于上述这种配置关系的第1和第2光阑ST1、ST2，由此，适当地进行光的调整，抑制重影的产生。

如上所述，在本实施方式中，与第1实施方式的情况同样，在具有形成投射光学系统30中的第1开口部的第1光阑ST1和形成投射光学系统30中的第2开口部的第2光阑ST2的2级构造光阑DS中，第2光阑ST2配置于光路上比第1光阑ST1更接近图像显示装置80的位置，第1光阑ST1和第2光阑ST2是不同方向上的光阑。而且，在本实施方式中，与第1实施方式的情况不同，关于图像显示装置80的周边部中的主光线PRp的倾斜，第2方向D2上的倾斜比第1方向D1上的倾斜小。与其对应地，在2级构造光阑DS中，第1光阑ST1是第2方向D2上的光阑，第2光阑ST2成为第1方向D1上的光阑。由此，抑制重影的产生，例如能够进行高品质且广视场角的影像显示，并且提供高画质的影像，进而能够实现光学系统的小型化乃至装置整体的小型化。

[其他]

以上通过实施方式对本发明进行了说明，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。

首先，在上述中的例如第1实施方式中，通过镜筒BR形成第2光阑ST2，但是，特别是为了低成本化，例如如果是镜筒BR，则需要设为包含光阑形状在内的一体部件，光阑部分的部件厚度至少需要0.7mm以上。因此，例如，优选配置第2光阑ST2的透镜间距离(边缘间隔)至少确保1mm以上。

此外，除了上述以外，第1光阑ST1例如也可以是金属板金、纸或塑料原材料的片材，或者还可以是塑料成型部件。进而，还可以是黑色涂装的板金。作为进行固定的方法，除了针对透镜的粘接以外，也可以以夹持在透镜间的方式进行配置，还可以是塑料成型部件或板金与透镜的卡扣构造(钩构造)。通过应用带等较薄的部件，能够抑制反射、散射等。即，通过设为薄壁部件，能够避免伴随着设置壁厚侧面部而由于内部反射而产生新的重影光这样的情况，能够有效地消除镜筒内或透镜侧部等的重影光。

此外，关于第1光阑ST1的安装用的构造，例如如图16的立体图F1、侧视图F2和立体图F3所示，第1光阑ST1也可以以夹持在透镜LS1与透镜LS2之间的方式进行配置并固定。更具体而言，首先，如立体图F1所示，设为利用在透镜LS1和第1光阑ST1中通过突起部和与该突起部对应的孔设置的安装定位部AT将第1光阑ST1安装于透镜LS1的状态。然后，如侧视图F2和立体图F3所示，通过组装透镜LS2和带第1光阑ST1的第1光阑ST1，其结果，能够以夹持在透镜LS1与透镜LS2之间的方式配置第1光阑ST1。另外，在上述中，也可以代替透镜LS1等而将夹着第1光阑ST1的部件的一部分作为镜筒的抵接面。

以上的情况下，不利用粘接剂进行粘贴而以夹入的形式进行定位，由此，与利用板金或树脂部件的情况相比，能够省去粘接工序并抑制组装成本。

此外，各光阑ST1、ST2的开口的形状也可以是左右非对称。例如，如图17的主视图G1和立体图G2例示的那样，可考虑设第1光阑ST1的开口H1为梯形状等。该情况下，为了防止组装时的组装方向错误，例如如图17中例示的那样，可考虑改变成仅使4个定位用的凸台BS和与其对应的4个部位的孔HL中的右下部位的定位用的孔径与其他孔径不同，或者使孔配置成为左右非对称。

如图17中的例示那样，第1光阑ST1的开口H1为上下或左右非对称的形状，关于定位凸台的大小，至少一个凸台BS的尺寸或形状与其他凸台BS不同，同样，对应的孔HL的尺寸也不同，由此，例如能够应对来自图像显示装置80的射出成分的远心角上下或左右非对称的情况。即，在光源侧的光束整体的形状非对称的情况下，如上所述，通过使开口H1的形状也成为上下或左右非对称，能够更高效地消除重影光。此外，该情况下，关于凸台和与其对应的孔的形状，设为至少一个部位与其他部位不同而不会成为旋转对称的形状，以使得在组装时不会成为错误的组装方式。

此外，在上述中，以在相对于光轴中心对称的位置至少配置1对的方式，具有对称性地将定位用的凸台BS和与其对应的孔HL设置于四角，由此，成为在组装时以不会产生左右上下方向的挠曲的方式进行组装的结构，理想情况下，如图10等中例示的那样，优选具有对称性地设置于四角。但是不限于此，关于定位用凸台，在相对于光轴中心对称的位置至少配置1对，由此，能够期待维持某种程度的组装精度。

此外，在上述中，作为一例，将凸台BS设置于第1透镜LS1，使其前端部与第2透镜LS2抵接，由此进行第1透镜LS1的光轴方向的定位，但是，关于设置凸台BS的部位，可考虑各种方式，还可考虑设置于第1透镜LS1以外的投射光学系统30的透镜或镜筒BR。

此外，优选定位用的凸台BS在设置该凸台BS的透镜LS1等的形状中的长度方向上设置于两端。这是因为，例如在透镜形状为纵长的情况下，在上下分别至少一个部位设置凸台BS，由此，该凸台BS的间隔越长，越能够提高片粘贴时相对于旋转的组装精度。

此外，也可以由多个镜筒构成。例如，还可考虑利用第1镜筒固定3个透镜LS1～LS3，利用第2镜筒固定透镜LS4，接合第1镜筒和第2镜筒而构成投射透镜LS。该情况下，在镜筒中能够确保2个光阑位置。

此外，作为图像显示装置80，除了上述以外，除了作为透过型液晶显示器件的HTPS以外，还能够利用各种装置，例如，也可以是使用反射型液晶显示器件的结构，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，由此进一步抑制重影光的产生等。

此外，本申请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，还可以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式显示器等。

此外，在上述中，关于设置使影像光的一部分透过并使另一部分反射的半透过反射膜的部位，取而代之，可认为通过设置例如体积全息元件等衍射元件这样的光学功能面，发挥相同的作用。

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；投射光学系统，其投射来自影像元件的图像；以及2级构造光阑，其具有形成投射光学系统中的第1开口部的第1光阑和形成投射光学系统中的第2开口部的第2光阑，2级构造光阑中的第1光阑和第2光阑根据从影像元件的像面的周边部射出的影像光的主光线的倾斜而设置于不同的位置。

在上述虚像显示装置中，在2级构造光阑中，第1光阑和第2光阑根据从影像元件的像面的周边部射出的影像光的主光线的倾斜而设置于不同的位置，由此能够适当地进行光的调整。由此，抑制重影的产生，例如能够进行高品质且广视场角的影像显示，并且提供高画质的影像，进而，能够实现光学系统的小型化乃至装置整体的小型化。

在本发明的具体方面中，主光线相对于像面的倾斜在像面的面内方向中的第1方向和与第1方向垂直的第2方向上不同。该情况下，能够根据影像元件的像面的面内方向中的第1方向和第2方向中的主光线的倾斜的差异而适当地进行光的调整。

在本发明的另一个方面中，关于表示观察者能够看到虚像的范围的眼动范围的面，在沿着观察时的眼睛排列的水平方向上，比在与水平方向垂直的垂直方向上大，第1方向对应于水平方向，第2方向对应于垂直方向。该情况下，例如在双眼观察时，能够成为不需要进行眼宽调整的结构。

在本发明的又一个方面中，关于影像元件的周边部中的主光线的倾斜，第2方向上的倾斜比第1方向上的倾斜大，在2级构造光阑中，第2光阑配置于光路上比第1光阑更接近影像元件的位置，第1光阑是第1方向上的光阑，第2光阑是第2方向上的光阑。该情况下，能够根据倾斜的差异而设置合适的光阑。

在本发明的又一个方面中，第2开口部的第2方向开口宽度比第1开口部的第1方向开口宽度小。该情况下，能够实现与光束对应的光阑。

在本发明的又一个方面中，关于影像元件的周边部中的主光线的倾斜，第2方向上的倾斜比第1方向上的倾斜小，在2级构造光阑中，第2光阑配置于光路上比第1光阑更接近影像元件的位置，第1光阑是第2方向上的光阑，第2光阑是第1方向上的光阑。该情况下，能够根据倾斜的差异而设置合适的光阑。

在本发明的又一个方面中，投射光学系统形成中间像，构成非对称光学系统。该情况下，能够维持适合于HMD的光路长度，并且实现高画质的图像形成。

在本发明的又一个方面中，投射光学系统在第1光阑的光阑位置与第2光阑的光阑位置之间配置有至少1枚以上的透镜。该情况下，能够在最佳的光阑位置配置光阑。

在本发明的又一个方面中，在2级构造光阑中，第1光阑和第2光阑中的一方作为投射光学系统的镜筒的一部分而一体成型，另一方是与镜筒分体的安装部件。该情况下，能够通过简单的结构实现2级构造光阑。

在本发明的又一个方面中，安装部件是黑色片部件。该情况下，例如能够通过由黑色带等构成的黑色片部件进行遮光。

在本发明的又一个方面中，虚像显示装置还具有导光部件，该导光部件具有在观察者佩戴时覆盖眼前的透过型反射面。该情况下，能够实现透视。

如上，本发明的另一个方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；投射光学系统，其投射来自影像元件的图像；以及2级构造光阑，其具有形成投射光学系统中的第1开口部的第1光阑和形成投射光学系统中的第2开口部的第2光阑，在2级构造光阑中，第2光阑配置于光路上比第1光阑更接近影像元件的位置，第1光阑和第2光阑是不同方向上的光阑。

在上述虚像显示装置中，在2级构造光阑中，第2光阑配置于光路上比第1光阑更靠近影像元件的位置，第1光阑和第2光阑是不同方向上的光阑，由此，能够适当地进行光的调整。由此，抑制重影的产生，例如能够进行高品质且广视场角的影像显示，并且提供高画质的影像，进而，能够实现光学系统的小型化乃至装置整体的小型化。

在本发明的具体方面中，投射光学系统在第1光阑的光阑位置与第2光阑的光阑位置之间配置有至少1枚以上的透镜。

在本发明的另一个方面中，在2级构造光阑中，第1光阑和第2光阑中的一方作为投射光学系统的镜筒的一部分而一体成型，另一方是与镜筒分体的安装部件。该情况下，能够通过简单的结构实现2级构造光阑。

在本发明的另一个方面中，安装部件是黑色片部件。该情况下，例如能够通过由黑色带等构成的黑色片部件进行遮光。

在本发明的另一个方面中，黑色片部件环绕地粘贴于构成投射光学系统的透镜的至少一部分。该情况下，能够提高针对构成投射光学系统的透镜的紧密贴合性，并且，能够抑制由于透镜附近的内部反射而引起的漏光等的产生以及该漏光对影像光等的影响。

在本发明的又一个方面中，安装部件具有与设置于投射光学系统或镜筒的多个定位用的凸台对应的多个孔。该情况下，在安装部件的组装时，能够抑制挠曲的产生以及偏移。

在本发明的又一个方面中，定位用的凸台在投射光学系统中具有对称性地进行配置。该情况下，能够提高组装精度。

在本发明的又一个方面中，定位用的凸台通过与投射光学系统或镜筒抵接，进行光轴方向上的定位。能够进行高精度的定位。

在本发明的又一个方面中，在定位用的凸台以及与该凸台对应的多个孔中包含具有与其他凸台以及孔不同的形状的凸台以及孔。该情况下，能够避免组装时的错误。

Claims (20)

1.一种虚像显示装置，其具有：

影像元件，其显示图像；

投射光学系统，其投射来自所述影像元件的图像；以及

2级构造光阑，其具有形成所述投射光学系统中的第1开口部的第1光阑和形成所述投射光学系统中的第2开口部的第2光阑，

所述2级构造光阑中的所述第1光阑和所述第2光阑根据从所述影像元件的像面的周边部射出的影像光的主光线的倾斜而设置于不同的位置。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述主光线相对于所述像面的倾斜在所述像面的面内方向中的第1方向和与所述第1方向垂直的第2方向上不同。

3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中，

关于表示观察者能够看到虚像的范围的眼动范围的面，在沿着观察时的眼睛排列的水平方向上，比在与所述水平方向垂直的垂直方向上大，

所述第1方向对应于所述水平方向，所述第2方向对应于所述垂直方向。

4.根据权利要求2或3所述的虚像显示装置，其中，

关于所述影像元件的周边部中的所述主光线的倾斜，所述第2方向上的倾斜比所述第1方向上的倾斜大，

在所述2级构造光阑中，所述第2光阑配置于光路上比所述第1光阑更接近所述影像元件的位置，所述第1光阑是所述第1方向上的光阑，所述第2光阑是所述第2方向上的光阑。

5.根据权利要求4所述的虚像显示装置，其中，

所述第2开口部的第2方向开口宽度比所述第1开口部的第1方向开口宽度小。

6.根据权利要求2或3所述的虚像显示装置，其中，

关于所述影像元件的周边部中的所述主光线的倾斜，所述第2方向上的倾斜比所述第1方向上的倾斜小，

在所述2级构造光阑中，所述第2光阑配置于光路上比所述第1光阑更接近所述影像元件的位置，所述第1光阑是所述第2方向上的光阑，所述第2光阑是所述第1方向上的光阑。

7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述投射光学系统形成中间像，构成非对称光学系统。

8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述投射光学系统在所述第1光阑的光阑位置与所述第2光阑的光阑位置之间配置有至少1枚以上的透镜。

9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

在所述2级构造光阑中，所述第1光阑和所述第2光阑中的一方作为所述投射光学系统的镜筒的一部分而一体成型，另一方是与所述镜筒分体的安装部件。

10.根据权利要求9所述的虚像显示装置，其中，

所述安装部件是黑色片部件。

11.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导光部件，该导光部件具有在观察者佩戴时覆盖眼前的透过型反射面。

12.一种虚像显示装置，其具有：

影像元件，其显示图像；

投射光学系统，其投射来自所述影像元件的图像；以及

2级构造光阑，其具有形成所述投射光学系统中的第1开口部的第1光阑和形成所述投射光学系统中的第2开口部的第2光阑，

在所述2级构造光阑中，所述第2光阑配置于光路上比所述第1光阑更接近所述影像元件的位置，所述第1光阑和所述第2光阑是不同方向上的光阑。

13.根据权利要求12所述的虚像显示装置，其中，

所述投射光学系统在所述第1光阑的光阑位置与所述第2光阑的光阑位置之间配置有至少1枚以上的透镜。

14.根据权利要求12或13所述的虚像显示装置，其中，

在所述2级构造光阑中，所述第1光阑和所述第2光阑中的一方作为所述投射光学系统的镜筒的一部分而一体成型，另一方是与所述镜筒分体的安装部件。

15.根据权利要求14所述的虚像显示装置，其中，

所述安装部件是黑色片部件。

16.根据权利要求15所述的虚像显示装置，其中，

所述黑色片部件环绕地粘贴于构成所述投射光学系统的透镜的至少一部分。

17.根据权利要求14所述的虚像显示装置，其中，

所述安装部件具有与设置于所述投射光学系统或所述镜筒的多个定位用的凸台对应的多个孔。

18.根据权利要求17所述的虚像显示装置，其中，

所述定位用的凸台在所述投射光学系统中具有对称性地进行配置。

19.根据权利要求17或18所述的虚像显示装置，其中，

所述定位用的凸台通过与所述投射光学系统或所述镜筒抵接，进行光轴方向上的定位。

20.根据权利要求17所述的虚像显示装置，其中，

在所述定位用的凸台以及与该凸台对应的多个孔中包含具有与其他凸台以及孔不同的形状的凸台以及孔。

Images