CN113448093B - 虚像显示装置和光学单元 - Google Patents

Abstract

虚像显示装置和光学单元。在进行距离不同的虚像显示时，避免或抑制在一个虚像显示中产生像差而使影像模糊，维持良好的显示状态。虚像显示装置具有：第1显示元件(10A)，其显示第1虚像(IM1)；第2显示元件(10B)，其显示第2虚像(IM2)；合成光学部件(20)，其对第1图像光(IL1)和第2图像光(IL2)进行合成；导光光学系统(70)，其引导经过了合成光学部件(20)的光；以及校正光学系统(CO)，其设置于第1显示元件(10A)与合成光学部件(20)之间，根据第1显示元件(10A)与第2显示元件(10B)的配置之差进行像差校正。

Description

虚像显示装置和光学单元

技术领域

本发明涉及向观察者(使用者)提示虚像的虚像显示装置和能够应用于虚像显示装置的光学单元。

背景技术

例如，作为佩戴于头部而在观察者的视野区域内显示图像等的头部佩戴型显示装置即头戴显示器(HMD)，公知有如下的装置：使用3个显示元件，通过共通的投射透镜进行投射，以从观察者到图像(虚像)的距离成为不同距离的方式显示图像(专利文献1)。

专利文献1：日本特开2019-159076号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1这种结构的HMD中，在通过多个显示元件以从观察者到虚像的距离(位置)不同的方式显示虚像的情况下，如果假设构成为以基于一个显示元件的影像良好的方式对投射透镜等进行优化，则在距离不同的其他显示元件中产生像差，影像模糊。

用于解决课题的手段

本发明的一个方面的虚像显示装置具有：第1显示元件，其显示第1虚像；第2显示元件，其在与第1虚像不同的位置显示第2虚像；合成光学部件，其对来自第1显示元件的第1图像光和来自第2显示元件的第2图像光进行合成；导光光学系统，其引导经过了合成光学部件的光；以及校正光学系统，其设置于第1显示元件和第2显示元件中的任意一方与合成光学部件之间，根据第1显示元件与第2显示元件的配置之差进行像差校正。

附图说明

图1是示出第1实施方式的虚像显示装置的光学结构的概念性的俯视图和侧视图。

图2是用于说明虚像显示装置中的虚像的显示方式和显示方式的变更的概念性的俯视图。

图3是示出由虚像显示装置构成的头戴显示器的外观的立体图。

图4是用于说明虚像显示装置的一个变形例的概念性的俯视图。

图5是用于说明虚像显示装置的另一个变形例的概念性的俯视图。

图6是示出第2实施方式的虚像显示装置的光学结构的概念性的俯视图和侧视图。

标号说明

10A：第1显示元件；10B：第2显示元件；20、220：合成光学部件；21、221：半反射镜；30：投射透镜；40：反射镜；50：合成部；60：外界观察用摄像头；70：导光光学系统；100、100A、100B、200：虚像显示装置；101：框架；AX：光轴；CO：校正光学系统；CR：显示控制装置；D1、D2：距离；DS：测距传感器；EE：发光部；EY：眼睛；HL：外界光；IL：图像光；IL1：第1图像光；IL2：第2图像光；IM1：第1虚像；IM2：第2虚像；IR：红外光；L1：第1光路；L2：第2光路；OB：物体；OU：光学单元；RL：反射光；RR：受光部；SQ：视线传感器(视线检测装置)；SUa、SUb：支承体；US：观察者(使用者)；α1、α2、β1、β2：状态。

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的一例进行说明。

图1是示出本实施方式的虚像显示装置100的光学结构的概念性的图，状态α1是示出将图像光IL引导至观察者(使用者)US的眼睛EY的状况的俯视图，状态β1是与状态α1对应的侧视图。图2是示出虚像显示装置100中的虚像的显示方式的概念性的俯视图。图3是示出由虚像显示装置100构成的头戴显示器(HMD：Head Mounted Display)500的外观的立体图。

如上述图1～图3中的例如图3的外观图所示，本实施方式的虚像显示装置100作为左右一对的虚像显示装置100A、100B进行配置，由此，构成HMD500。即，虚像显示装置100在佩戴于观察者US(参照图2等)的头部的状态下将图像光IL引导至左右的眼睛EY，由此，作为使观察者US看到虚像的佩戴型显示装置发挥功能。其中，光学构造左右对称且是相同的构造，因此，在图1和图2中，作为虚像显示装置100，仅示出将图像光IL引导至右眼侧的部分，省略左眼侧的图示和说明。

另外，虚像显示装置100是如下的光学装置：不仅能够使观察者US看到虚像，还能够使观察者US透视观察外界像。此外，虽然省略图示，但是，虚像显示装置100例如能够与手机(智能手机)等外部装置连接，通过下载其需要的应用程序等而显示与外界像对应的虚像。

下面，参照图1等对虚像显示装置100的构造等的一例进行说明。虚像显示装置100具有由各种光学部件构成的光学单元OU、以及由CPU、各种存储器件或电路基板等构成且进行显示方式的控制的显示控制装置CR。

下面，首先对与构成上述虚像显示装置100的各部中的光学单元OU的结构有关的一例进行说明。

光学单元OU具有射出第1图像光IL1的第1显示元件10A、射出第2图像光IL2的第2显示元件10B、对第1图像光IL1和第2图像光IL2进行合成的合成光学部件20、导光光学系统70和校正光学系统CO。进而，为了引导经过了合成光学部件20的光，导光光学系统70除了具有作为投射光学系统的投射透镜30以外，还具有反射镜40和合成部50作为引导来自投射透镜30的光的导光部分。

这里，例如，如图2所示，投射透镜30的光轴AX在佩戴时沿着观察者US的侧头部的前后方向延伸，合成光学部件20和第1显示元件10A沿着光轴AX配置。即，投射透镜30、合成光学部件20和第1显示元件10A被配置成沿着观察者US的侧头部的前后方向排成一列，第1显示元件10A位于光学单元OU中的最后端侧。与此相对，第2显示元件10B配置于与设置于合成光学部件20而形成反射面的半反射镜21的光的折曲方向对应的位置。进而，在本实施方式中，从第1显示元件10A到投射透镜30的光路和从第2显示元件10B到投射透镜30的光路不同，由此，能够使观察者US看到位置不同的虚像。此外，在上述方式中，在本实施方式中，进而，在第1显示元件10A与合成光学部件20之间设置对像差进行校正的校正光学系统CO。

另外，在图1等中，X、Y和Z是直角坐标系，±Z方向表示与光轴AX平行的方向，±X方向和±Y方向表示与第1显示元件10A的矩形的面板面平行的方向，±X方向与面板面的长边方向平行，±Y方向与短边方向平行。此外，±X方向相当于佩戴时的水平方向，±Y方向相当于佩戴时的垂直方向。

此外，如图2和图3所示，将沿着左右一对合成部50排列的方向即佩戴时左右的眼睛EY排列的方向的方向(左右方向)设为±X1方向，将与其垂直的方向中的佩戴时的垂直方向(上下方向)设为±Y1方向，将与±X1方向以及±Y1方向垂直的方向(前后方向)设为±Z1方向。在图示的例子中，为了简化说明，设为X1方向、Y1方向、Z1方向与上述X方向、Y方向、Z方向分别一致，该情况下，成为观察者US观察时的进深方向(前后方向)的Z1方向对应于Z方向，第1显示元件10A和第2显示元件10B在该方向上在彼此不同的位置形成虚像。另外，例如在Z方向和Z1方向不一致的情况下，上述这种虚像的形成位置与各显示元件10A、10B的对应关系也同样。

下面，依次对处于上述配置关系的构成光学单元OU的各部的详细情况进行说明。

第1显示元件10A是射出构成图像光IL的第1图像光IL1以形成与虚像对应的像的显示器件，例如由有机EL显示面板或液晶显示面板等构成。另外，这里，作为一例，第1显示元件10A由自发光型的有机EL面板构成，射出没有偏振的光作为第1图像光IL1。

第2显示元件10B是射出构成图像光IL的第2图像光IL2以形成与虚像对应的像的显示器件。这里，作为一例，第2显示元件10B由与第1显示元件10A相同的显示器件构成。即，第2显示元件10B射出没有偏振的光作为第2图像光IL2。但是，如上所述，第2显示元件10B与第1显示元件10A相比，与导光光学系统70之间的光路的距离不同(变短)，第1显示元件10A和第2显示元件10B在Z轴(Z1轴)的方向上不同的位置显示虚像。参照图2在后面详细叙述这点。

合成光学部件20是组合2个三角柱状的玻璃部件而构成的立方体型的棱镜部件，立方体形状的一侧面与第1显示元件10A的射出面(面板面)对置，另一侧面与第2显示元件10B的射出面(面板面)对置。此外，在合成光学部件20的内部即2个三角柱状的玻璃部件之间形成相对于光轴AX倾斜了45度的半反射镜21。即，半反射镜21相对于第1显示元件10A的射出面(面板面)即XY面倾斜45°，并且相对于第2显示元件10B的射出面(面板面)即ZY面也倾斜45°。半反射镜21例如由较薄的金属膜或电介质多层膜构成。合成光学部件20在半反射镜21中使来自第1显示元件10A的第1图像光IL1的一部分成分透过，反射来自第2显示元件10B的第2图像光IL2的一部分成分，对第1图像光IL1和第2图像光IL2进行合成。

导光光学系统70中的投射透镜30是投射经过了合成光学部件20的图像光IL、即第1图像光IL1的透过成分和第2图像光IL2的反射成分的投射光学系统，构成成像系统或其一部分。另外，在图中简化地示出，但是，例如可考虑组合3～4枚左右的树脂透镜构成投射透镜30。

导光光学系统70中的反射镜40是具有屈光力且向规定的方向反射经过了投射透镜30的光的凹面镜。

导光光学系统70中的合成部50是较薄的凹面状的半反射镜，具有屈光力，并且反射经由了投射透镜30的图像光IL中的一部分成分。另一方面，合成部50使外界光HL的一部分透过，将其引导至观察者US的眼睛EY。如上所述，在虚像显示装置100中，能够重叠地看到外界像和虚像，即，能够进行透视观察。

校正光学系统CO是设置于第1显示元件10A与合成光学部件20之间的光学部件，例如是树脂制且具有非球面形状的透镜部件，但是，成为几乎不具有屈光力的平板状的部件。校正光学系统CO校正对应于第1显示元件10A与第2显示元件10B的配置之差而产生的与第1图像光IL1有关的像差。另外，在图示的一例中，构成为在第1显示元件10A与合成光学部件20之间设置上述这种校正光学系统CO，另一方面，在第2显示元件10B与合成光学部件20之间不设置与校正光学系统CO相当的部件。

接着，对虚像显示装置100中的、作为光学单元OU以外的部件的显示控制装置CR进行说明。

显示控制装置CR例如是由CPU和各种存储器件等构成的控制装置，适当地设置于不妨碍光学单元OU的光路的位置，与第1显示元件10A以及第2显示元件10B连接，对第1显示元件10A和第2显示元件10B中的显示方式进行变更。关于显示方式的变更，更具体而言，显示控制装置CR例如能够实现如下这样的与显示方式有关的各种变化：同时进行基于第1显示元件10A的显示和基于第2显示元件10B的显示、仅熄灭任意一方、或者变亮、变暗。

这里，作为与显示方式的变更有关的一例，关于从沿着Z轴彼此不同的位置显示虚像的第1显示元件10A和第2显示元件10B，显示控制装置能够选择对基于第1显示元件10A的显示和基于第2显示元件10B的显示中的基于任意一方的显示进行切换。例如，以与显示控制装置CR连接的方式设置未图示的切换开关等，显示控制装置CR受理观察者US对切换开关的操作指示，由此进行与观察者US的操作指示对应的显示方式的切换。在以上的情况下，观察者US根据看到的内容等、即根据观察者US的观察状态，以手动方式适当地进行切换指示，由此，例如能够切换虚像的显示位置。

下面，参照图2对虚像显示装置100中的虚像的显示方式和显示方式的变更的详细情况的一例进行说明。

在图示中，将从第1显示元件10A到投射透镜30的光路设为第1光路L1，将从第2显示元件10B到投射透镜30的光路设为第2光路L2。此外，将由第1显示元件10A显示即由第1图像光IL1形成的虚像设为第1虚像IM1，将由第2显示元件10B显示即由第2图像光IL2形成的虚像设为第2虚像IM2。换言之，第1虚像IM1示出观察者US通过来自第1显示元件10A的第1图像光IL1而识别的虚像的位置，第2虚像IM2示出观察者US通过来自第2显示元件10B的第2图像光IL2而识别的虚像的位置。

在本实施方式中，如上所述，并且如图所示，在第1光路L1和第2光路L2中，长度(距离)不同，在这里的一例中，第1光路L1比第2光路L2长。即，第1显示元件10A配置于比第2显示元件10B远离导光光学系统70的位置，距离的关系为L1>L2。由此，Z1方向上的第1虚像IM1的位置和第2虚像IM2的位置也不同。具体而言，观察者US在Z1方向上在远离眼睛EY的位置看到第1虚像IM1，在接近眼睛EY的位置看到第2虚像IM2。这里，考虑以如下的方式进行设计：在设从眼睛EY的位置到第1虚像IM1的距离为距离D1、设从眼睛EY的位置到第2虚像IM2的距离为距离D2的情况下，例如距离D1为5m以上的远距离，距离D2为1m左右的近距离。由此，例如，在通过合成部50观看外界的情况下，在观察者US观看近处的物体(实物)时，显示呈现在接近眼睛EY的位置处的第2虚像IM2，在观看远处的物体(实物)时，显示呈现在远离眼睛EY的位置处的第1虚像IM1，由此，能够减少同时观看物体(实物)和虚像时的异样感。另外，在上述情况下，在设定第1虚像IM1和第2虚像IM2时，例如可考虑左右观察的辐辏角。

此外，在以具有上述这种距离差的方式进行设计的情况下，第1光路L1与第2光路L2的物理上的距离的差异例如为几mm左右。即，第1光路L1比第2光路L2大几mm。

这里，如上所述，在彼此不同的位置显示2个虚像IM1、IM12时，如果为了以高的分辨率(高精度)形成图像而对应于一个显示元件(例如第2显示元件10B)的位置来设计投射透镜30等各种光学系统，在另一个显示元件(例如第1显示元件10A)中可能产生像差而成为低分辨率的图像，即成为模糊的图像。与此相对，在本实施方式中，将校正光学系统CO设置于另一个显示元件(第1显示元件10A)，由此实现这种情况的改善。

下面，对与上述方式有关的图2的一个结构例进行说明。该情况下，如上所述，在第2显示元件10B与合成光学部件20的半反射镜21之间没有透镜等光学元件，仅在第1显示元件10A与半反射镜21之间配置透镜等校正光学系统CO。此外，以使基于第2显示元件10B的第2虚像IM2的分辨率比基于第1显示元件10A的第1虚像IM1的分辨率高的方式设计投射透镜30。

这样，当以提高与第2显示元件10B对应的第2虚像IM2的分辨率的方式设计投射透镜30时，针对处于与从投射透镜30到第2显示元件10B的距离不同的距离的第1显示元件10A的第1虚像IM1的分辨率不提高，由此，可能模糊地看到第1虚像IM1。与此相对，在本实施方式中，设置校正光学系统CO，为了抑制或避免产生这种模糊，进行像差校正，还提高第1虚像IM1的分辨率。即，校正光学系统CO设置于仅图像光IL中的要成为第1虚像IM1的第1图像光IL1通过的区域，以通过投射透镜30提高基于第1显示元件10A的第1虚像IM1的分辨率。另外，关于校正光学系统CO，例如，考虑接近光轴AX的中心侧设为大致平坦的几乎没有屈光力和像差校正功能的形状，另一方面，远离光轴AX的周边侧设为非球面形状，由此，有效地进行像差的校正。即，校正光学系统CO根据第1显示元件10A与第2显示元件10B的光路差，校正与第1图像光IL1有关的像差。

此外，关于上述结构，当改变看法时，也可以说，在位于从观察者US分开的位置的第2显示元件10B与合成光学部件20之间尽可能不插入物体，并且将第2显示元件10B设为光路较短的一侧(L2<L1)，由此，能够抑制虚像显示装置100整体向横向(Y方向)突出(装置的大型化)。

通过设为以上这种结构，虚像显示装置100将第1虚像IM1和第2虚像IM2的分辨率保持为较高，并且能够抑制在佩戴时光学系统从观察者US的头部的侧面向侧方突出，能够实现装置的小型化。

此外，作为利用了虚像显示装置100的装置，如上所述，能够构成图3示出一例的HMD500。在图示的HMD500中，虚像显示装置100作为左右一对的虚像显示装置100A、100B进行配置。通过支承体SUa、SUb以及在左右方向上延伸且支承着支承体SUa、SUb的框架101收纳并支承各虚像显示装置100A、100B的各部，各虚像显示装置100A、100B分别固定于规定的位置。

进而，在虚像显示装置100(100A、100B)或HMD500中，例如在虚像显示装置100A与虚像显示装置100B的中间位置设置有外界观察用摄像头60。外界观察用摄像头60拍摄外界像。在显示动作中利用由外界观察用摄像头60取得的外界像的数据，由此，例如能够在外界像或对象物上重叠显示虚像。

另外，在上述说明中，使用右眼用或左眼用的虚像显示装置100(100A、100B)而设为虚像显示装置，但是，还能够如HMD500那样使用左右一对结构的HMD而理解为虚像显示装置。进而，关于为了确定显示虚像的内容等而连接的手机(智能手机)等外部装置，也能够将其包含在内而理解为虚像显示装置。

下面，参照图4对虚像显示装置100的一个变形例进行说明。另外，图4对应于对图1中的、状态α1所示的概念性的俯视图的一部分进行放大后的图，省略图示的部分和相同标号的部分与参照图1等说明的内容相同。

在参照图1等例示的方式的说明中，观察者US手动进行是点亮第1显示元件10A还是点亮第2显示元件10B的切换，但是不限于此，例如，如图4所示的一个变形例那样，也可以设为如下方式：对观察者US的眼睛EY照射红外光IR，根据其反射光RL检测观察者US的视线，由此，能够进行自动的显示的切换。具体而言，如图所示，例如也可以设置作为视线检测装置的视线传感器SQ，通过视线传感器SQ捕捉观察者的眼睛EY的运动，通过显示控制装置CR进行与其对应的显示控制。另外，在图示的例子中，例如利用发光部EE和受光部RR构成视线传感器SQ，从发光部EE对眼睛EY照射较弱的红外光IR，利用受光部RR捕捉眼睛EY的角膜处的反射光RL，由此检测视线方向，作为视线检测装置发挥功能。视线传感器SQ与显示控制装置CR连接，将视线检测的结果发送到显示控制装置CR。显示控制装置CR根据视线传感器SQ的视线检测结果确定眼睛EY的视线方向，例如自动地进行如下的切换动作：在判断为观看远处的情况下，点亮第1显示元件10A，在判断为观看近处的情况下，点亮第2显示元件10B。另外，关于视线传感器SQ，也可以仅将左右的眼睛EY中的任意一方设为检测对象，但是，也可以对左右双方进行检测。在检测左右的眼睛EY双方的情况下，例如考虑如下方式：在左右的眼睛EY的视线方向所成的辐辏角大于规定的基准值的情况下判断为观看近处，在在左右的眼睛EY的视线方向所成的辐辏角小于规定的基准值的情况下判断为观看远处。此外，在仅检测左右的眼睛中的任意一方的情况下，例如考虑视线方向朝向观察者US的前方方向则判断为观看远处，视线方向接近左右端部则判断为观看近处。

此外，作为代替上述视线传感器SQ的检测视线的传感器，例如也可以将拍摄观察者US的眼睛EY的摄像头设置于装置的内侧，根据由该摄像头拍摄的眼睛EY的状态来估计视线方向。此外，也可以在观察者US的眼睛EY的周围配置电极，对眼电位进行计测，根据计测出的眼电位来估计视线方向。

如上所述，在上述一个变形例中，成为如下方式：具有作为检测观察者US的视线的视线检测装置的视线传感器SQ，显示控制装置CR根据视线传感器SQ的检测结果，对基于第1显示元件10A的第1虚像IM1(参照图2)的显示和基于第2显示元件10B的第2虚像IM2(参照图2)的显示进行切换。

此外，如图5所示的虚像显示装置100的另一个变形例那样，还考虑如下方式：构成为具有在观察者US的正面方向测定与物体OB之间的距离的测距传感器DS，由此，与图4的情况同样，判断是观看近处还是观看远处。具体而言，在图5中，测距传感器DS例如设置于与图3所示的HDM500中的外界观察用摄像头60相当的位置，利用受光部RR捕捉从发光部EE射出的红外光IR照射到存在于观察者US所朝方向上的物体OB而返回的反射光RL，根据从红外光IR的射出到反射光RL的受光的经过时间测定与物体OB之间的距离。显示控制装置CR以由测距传感器DS测定的距离为基准，判定观察者US是观看近处还是观看远处。该情况下，还能够根据测距传感器DS的检测结果进行自动的显示切换。

此外，作为代替上述测距传感器DS的测距传感器，也可以采用利用由立体摄像头拍摄的图像的传感器或使用根据由单目摄像头在不同的摄像位置拍摄的2枚图像进行测距而得到的结果的传感器。或者，也可以设为采用使用GPS(Global Positioning System)或Bluetooth(注册商标)等无线设备估计与对象物之间的距离而得到的结果的方式。

如上所述，本实施方式的虚像显示装置具有：第1显示元件10A，其显示第1虚像IM1；第2显示元件10B，其在与第1虚像IM2不同的位置显示第2虚像IM2；合成光学部件20，其对来自第1显示元件10A的第1图像光IL1和来自第2显示元件10B的第2图像光IL2进行合成；导光光学系统70，其引导经过了合成光学部件20的光；以及校正光学系统CO，其设置于第1显示元件10A和第2显示元件10B中的任意一方与合成光学部件20之间，根据第1显示元件10A与第2显示元件10B的配置之差进行像差校正。由此，在虚像显示装置100中，在为了良好地进行第1显示元件10A和第2显示元件10B中的任意一方的虚像显示而构成导光光学系统70的情况下，通过基于校正光学系统CO的像差校正，也能够良好地维持另一方的虚像显示。

[第2实施方式]

下面，参照图6对第2实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，本实施方式的虚像显示装置200是第1实施方式的虚像显示装置100的变形例，除了第2显示元件10B和合成光学部件220以外，与第1实施方式的情况相同，因此，省略上述以外的各部的详细说明。

图6是示出本实施方式的虚像显示装置200的光学结构的概念性的图，是与图1对应的图。具体而言，图6中的状态α2是示出将图像光IL引导至观察者(使用者)US的眼睛EY的状况的俯视图，对应于图1的状态α1，图6的状态β2是与状态α2对应的侧视图，对应于图1的状态β1。

在本实施方式中，对图1和图6进行比较可知，与第1实施方式的情况的不同之处在于，第2显示元件10B配置于上方侧(+Y侧)。即，在本实施方式中，第2显示元件10B配置于合成光学部件220的上方侧，与此相伴，设置于合成光学部件220的内部的半反射镜221的配置也被变更。具体而言，第2显示元件10B与立方体形状的合成光学部件220的侧面中的平行于XZ面的侧面对置。与其对应地，半反射镜221相对于第1显示元件10A的射出面(面板面)即XY面倾斜45°，且相对于第2显示元件10B的射出面(面板面)即XZ面也倾斜45°。如上所述，在上述第1显示元件10A和第2显示元件10B的配置中，合成光学部件220通过半反射镜221使来自第1显示元件10A的第1图像光IL1的一部分成分透过，并且反射来自第2显示元件10B的第2图像光IL2的一部分成分，能够对第1图像光IL1和第2图像光IL2进行合成。

在以上结构的情况下，通过将第2显示元件10B配置于上方侧(+Y侧)，能够进一步减小从观察者US的头部侧面的突出。换言之，在本实施方式中，在佩戴时，合成光学部件220和第1显示元件10A配置成在观察者US的侧头部在沿着观察者US的前后方向的方向上排列，另一方面，第2显示元件10B配置于不比合成光学部件220远离观察者US的侧头部的方向，即，配置成不向-Y侧飞出。

在本实施方式中，在虚像显示装置200中，在以良好地进行第1显示元件10A和第2显示元件10B中的任意一方的虚像显示的方式构成导光光学系统70的情况下，通过基于校正光学系统CO的像差校正，也能够良好地维持另一方的虚像显示。进而，在本实施方式的情况下，更加紧凑地进行配置，能够实现装置的小型化。

[变形例和其他事项]

以上说明的构造是例示，可以在能够实现相同功能的范围内进行各种变更。

例如，在上述中，实现用于减少从观察者US的头部侧面突出的紧凑化，因此，关于位于光学单元OU中的最靠后端侧的第1显示元件10A和在合成光学部件20、220折曲的第2显示元件10B，使从第1显示元件10A到投射透镜30的光路比从第2显示元件10B到投射透镜30的光路长。但不限于此，还可考虑构成为使第2显示元件10B的光路比第1显示元件10A的光路长。

此外，同样地实现紧凑化，因此，在上述中，对应于第2显示元件10B来设计投射透镜30，在第2显示元件10B与合成光学部件20之间不设置光学元件，仅在第1显示元件10A与合成光学部件20之间设置校正光学系统CO，但不限于此，相反，还能够构成为仅在第2显示元件10B与合成光学部件20之间设置校正光学系统CO等。

此外，在以上的说明中，第1显示元件10A和第2显示元件10B是有机EL显示面板或液晶显示面板，但是，各显示元件10A、10B也可以是以LED阵列、激光器阵列、量子点发光型元件等代表的自发光型显示元件。此外，也可以是使用DMD(Digital Micromirror Device)的结构、通过MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)形成图像光的显示元件。进而，各显示元件10A、10B也可以是使用了组合激光光源和扫描仪而成的激光扫描仪的显示器。另外，还能够代替液晶显示面板而使用LCOS(Liquid crystal on silicon)技术。

此外，在上述中，第1显示元件10A和第2显示元件10B采用相同的显示元件，但不限于此，能够进行各种变更，例如，可以使面板的分辨率即像素数在对于观察者US来说在远方显示较大图像的第1显示元件10A和在近处显示较小图像的第2显示元件10B中不同。例如，关于更远的影像，有时需要形成更高精细度的图像，因此，例如，也可以使构成第1显示元件10A的面板的像素数比构成第2显示元件10B的面板的像素数多。

此外，如液晶显示面板那样，在使用射出偏振后的光的显示元件时，代替半反射镜21、221而采用偏振分束器(PBS：Polarizing Beam Splitter)，由此，也可以提高光的利用效率。

此外，关于校正光学系统CO，只要能够进行必要的像差校正，则能够采用各种方式，除了树脂制的非球面透镜以外，例如能够应用菲涅耳透镜或全息元件等各种光学部件。此外，不限于1个光学部件，还可考虑利用多个光学部件构成校正光学系统CO。

此外，以上，能够利用虚像显示装置100等作为HMD，但不限于此，能够应用于各种光学设备，例如在平视显示器(HUD：Head-Up Display)中也能够应用本发明。

此外，以上，根据小型化的观点，构成为利用1个半反射镜21对来自2个显示元件10A、10B的图像光IL1、IL2进行合成，但不限于此，还可考虑构成为使用多个半反射镜或多个合成光学部件对来自3个或3个以上的显示元件的图像光进行合成。该情况下，例如可考虑如下结构：针对3个显示元件配置2个合成光学部件(半反射镜)，将3个显示元件之间的距离差设为几毫米程度，并且，来自各显示元件的图像光各通过(反射或透过)2次合成光学部件(半反射镜)。

此外，以上说明了重叠地看到外界像(实物)和虚像的透视类型的虚像显示装置，但不限于此，也可以应用于所谓封闭型的观看虚拟现实的装置，或者支持由显示器和摄像装置构成的所谓视频透视的产品。

此外，在上述各实施方式中，例示了在观察者US的侧头部侧即观察者US的面部的旁边配置虚像装置100的结构，但不限于此，例如，在沿着观察者US的眼睛EY的上方侧(观察者US的额头)配置构成虚像装置100的各部且从眼睛EY的上方引导图像光的结构的情况下，也可以应用本申请。

此外，导光光学系统70也可考虑各种方式，例如，作为在光路上配置于投射透镜30之后的光学部件，在代替引导光的反射镜40和合成部50而设置与其相当的导光板的结构的情况下，也可以应用本申请。

此外，在上述结构中，关于图像光IL，可考虑在导光光学系统70中构成为例如从投射透镜30到反射镜40和合成部50具有中间像，但在不具有中间像的结构中，也可以应用本申请。

此外，以上例示了投射透镜30是组合3～4枚左右的树脂透镜而构成的，但是，透镜枚数不限于此，还可考虑1枚的情况、2枚的情况或比4枚多的情况。

此外，还能够适当地组合图3～图5所示的外界观察用摄像头60、视线传感器SQ、测距传感器DS，例如可考虑根据外界观察用摄像头60等的摄像图像确定位于由视线传感器SQ确定的视线方向上的对象物，利用测距传感器SQ对与确定的摄像图像中的对象物之间的距离进行计测，根据该距离是远还是近，判断是观看远处还是观看近处。

如上所述，具体的一个方式的第1虚像显示装置具有：第1显示元件，其射出形成第1虚像的第1图像光；第2显示元件，其射出形成第2虚像的第2图像光，该第2虚像显示于进深方向上与第1虚像不同的位置；合成光学部件，其对来自第1显示元件的第1图像光和来自第2显示元件的第2图像光进行合成；导光光学系统，其对经过了合成光学部件的光进行引导；以及校正光学系统，其设置于第1显示元件和第2显示元件中的任意一方与合成光学部件之间，根据第1显示元件与第2显示元件的配置之差进行像差校正。

在上述虚像显示装置中，在以良好地进行第1显示元件和第2显示元件中的任意一方的虚像显示的方式构成导光光学系统的情况下，通过基于校正光学系统的像差校正，也能够良好地维持另一方的虚像显示。

在具体的方面，导光光学系统具有投射光学系统，该投射光学系统投射经过了合成光学部件的光，从第1显示元件到投射光学系统的光路比从第2显示元件到投射光学系统的光路长，校正光学系统设置于第1显示元件与合成光学部件之间。该情况下，例如，观察者在较远的位置看到第1虚像，在较近的位置看到第2虚像，此时，能够成为通过校正光学系统对基于第1显示元件的第1虚像进行了像差校正的状态。

在另一个方面，投射光学系统构成为，与第2显示元件对应的第2虚像的分辨率比与第1显示元件对应的第1虚像的分辨率高，校正光学系统根据第1显示元件和第2显示元件的光路差，对与第1图像光相关的像差进行校正。该情况下，对与第2显示元件有关的结构进行优化，形成良好的图像，并且，在与第1显示元件有关的结构中，能够通过校正光学系统抑制或避免基于与第2显示元件之间的光路差而引起的图像形成的劣化。

在又一个方面，第1显示元件配置于比第2显示元件远离导光光学系统的位置，合成光学部件使来自第1显示元件的第1图像光透过，反射来自第2显示元件的第2图像光，对第1图像光和第2图像光进行合成。该情况下，构成为在合成光学部件中使来自第1显示元件的第1图像光透过，由此，例如能够避免配置于离导光光学系统最远的位置的第1显示元件向侧方突出而使装置大型化的情况。

在又一个方面，合成光学部件和第1显示元件被配置成，在佩戴时，在观察者的侧头部，排列在沿着观察者的前后方向的方向上，第2显示元件配置于不比合成光学部件远离侧头部的方向上。该情况下，能够避免第2显示元件向侧方突出而使装置大型化的情况。

在又一个方面，虚像显示装置具有显示控制装置，该显示控制装置根据观察者的观察状态，对第1显示元件和第2显示元件的显示方式进行变更。该情况下，在显示控制装置中，例如能够根据观察者是观看近处还是观看远处，对基于第1显示元件的显示和基于第2显示元件的显示进行选择切换。

在又一个方面，虚像显示装置具有视线检测装置，该视线检测装置检测观察者的视线，显示控制装置根据视线检测装置的检测结果，对基于第1显示元件的第1虚像的显示和基于第2显示元件的第2虚像的显示进行切换。该情况下，能够根据视线检测装置的检测结果自动地进行显示方式的切换。

如上所述，具体的一个方式的光学单元具有：第1显示元件，其射出形成第1虚像的第1图像光；第2显示元件，其射出形成第2虚像的第2图像光，该第2虚像显示于进深方向上与第1虚像不同的位置；合成光学部件，其对来自第1显示元件的第1图像光和来自第2显示元件的第2图像光进行合成；导光光学系统，其对经过了合成光学部件的光进行引导；以及校正光学系统，其设置于第1显示元件和第2显示元件中的任意一方与合成光学部件之间，根据第1显示元件与第2显示元件的配置之差进行像差校正。

在上述光学单元中，在以良好地进行第1显示元件和第2显示元件中的任意一方的虚像显示的方式构成导光光学系统的情况下，通过基于校正光学系统的像差校正，也能够良好地维持另一方的虚像显示。

如上所述，具体的一个方式的第2虚像显示装置具有：第1显示元件，其射出形成第1虚像的第1图像光；第2显示元件，其射出形成第2虚像的第2图像光；合成光学部件，其对来自第1显示元件的第1图像光和来自第2显示元件的第2图像光进行合成；投射光学系统，其投射经过了合成光学部件的光；以及校正光学系统，其设置于第1显示元件和第2显示元件中的任意一方与合成光学部件之间，根据从第1显示元件到投射光学系统的光路长度与从第2显示元件到投射光学系统的光路长度之差进行像差校正，从第1显示元件到投射光学系统的光路长度与从第2显示元件到投射光学系统的光路长度不同。

Claims (7)

1.一种虚像显示装置，其具有：

第1显示元件，其射出形成第1虚像的第1图像光；

第2显示元件，其射出形成第2虚像的第2图像光，该第2虚像显示于进深方向上与所述第1虚像不同的位置；

合成光学部件，其对来自所述第1显示元件的所述第1图像光和来自所述第2显示元件的所述第2图像光进行合成；

导光光学系统，其包含投射光学系统，对经过了所述合成光学部件的光进行引导；

校正光学系统，其设置于所述第1显示元件与所述合成光学部件之间，根据所述第1显示元件与所述第2显示元件的配置之差进行像差校正；

显示控制装置，其根据观察者的观察状态，对所述第1显示元件和所述第2显示元件的显示方式进行变更；以及

视线检测装置，其检测所述观察者的视线，

所述显示控制装置根据所述视线检测装置的检测结果，选择性地对基于所述第1显示元件的所述第1虚像的显示和基于所述第2显示元件的所述第2虚像的显示进行切换来使用，

关于所述校正光学系统，接近所述投射光学系统的光轴的中心侧不具有像差校正功能，远离所述光轴的周边侧设为非球面形状，由此，校正所述第1图像光的像差。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述投射光学系统投射经过了所述合成光学部件的光，

从所述第1显示元件到所述投射光学系统的光路比从所述第2显示元件到所述投射光学系统的光路长。

3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中，

所述投射光学系统构成为，与所述第2显示元件对应的所述第2虚像的分辨率比与所述第1显示元件对应的所述第1虚像的分辨率高，

所述校正光学系统根据所述第1显示元件和所述第2显示元件的光路差，对与所述第1图像光相关的像差进行校正。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的虚像显示装置，其中，

所述第1显示元件配置于比所述第2显示元件远离所述导光光学系统的位置，

所述合成光学部件使来自所述第1显示元件的所述第1图像光透过，反射来自所述第2显示元件的所述第2图像光，对所述第1图像光和所述第2图像光进行合成。

5.根据权利要求4所述的虚像显示装置，其中，

所述合成光学部件和所述第1显示元件被配置成，在佩戴时，在观察者的侧头部，排列在沿着所述观察者的前后方向的方向上，

所述第2显示元件配置于不比所述合成光学部件远离所述侧头部的方向上。

6.一种光学单元，其具有：

第1显示元件，其射出形成第1虚像的第1图像光；

第2显示元件，其射出形成第2虚像的第2图像光，该第2虚像显示于进深方向上与所述第1虚像不同的位置；

合成光学部件，其对来自所述第1显示元件的所述第1图像光和来自所述第2显示元件的所述第2图像光进行合成；

导光光学系统，其包含投射光学系统，对经过了所述合成光学部件的光进行引导；

校正光学系统，其设置于所述第1显示元件与所述合成光学部件之间，根据所述第1显示元件与所述第2显示元件的配置之差进行像差校正；

显示控制装置，其根据观察者的观察状态，对所述第1显示元件和所述第2显示元件的显示方式进行变更；以及

视线检测装置，其检测所述观察者的视线，

所述显示控制装置根据所述视线检测装置的检测结果，选择性地对基于所述第1显示元件的所述第1虚像的显示和基于所述第2显示元件的所述第2虚像的显示进行切换来使用，

关于所述校正光学系统，接近所述投射光学系统的光轴的中心侧不具有像差校正功能，远离所述光轴的周边侧设为非球面形状，由此，校正所述第1图像光的像差。

7.一种虚像显示装置，其具有：

第1显示元件，其射出形成第1虚像的第1图像光；

第2显示元件，其射出形成第2虚像的第2图像光；

合成光学部件，其对来自所述第1显示元件的所述第1图像光和来自所述第2显示元件的所述第2图像光进行合成；

投射光学系统，其投射经过了所述合成光学部件的光；以及

校正光学系统，其设置于所述第1显示元件与所述合成光学部件之间，根据从所述第1显示元件到所述投射光学系统的光路长度与从所述第2显示元件到所述投射光学系统的光路长度之差进行像差校正；

显示控制装置，其根据观察者的观察状态，对所述第1显示元件和所述第2显示元件的显示方式进行变更；以及

视线检测装置，其检测所述观察者的视线，

所述显示控制装置根据所述视线检测装置的检测结果，选择性地对基于所述第1显示元件的所述第1虚像的显示和基于所述第2显示元件的所述第2虚像的显示进行切换来使用，

从所述第1显示元件到所述投射光学系统的光路长度与从所述第2显示元件到所述投射光学系统的光路长度不同，

关于所述校正光学系统，接近所述投射光学系统的光轴的中心侧不具有像差校正功能，远离所述光轴的周边侧设为非球面形状，由此，校正所述第1图像光的像差。