CN113467084B - 虚像显示装置以及光学单元 - Google Patents

Abstract

虚像显示装置以及光学单元。缩小光学系统整体，使虚像显示装置小型化。虚像显示装置具有：图像光生成装置(11)；投射光学系统(21)，其投射从图像光生成装置(11)射出的图像光；折返镜(22)，其将来自投射光学系统(21)的图像光朝交叉方向进行反射；半透过镜(23)，其反射来自折返镜(22)的图像光的一部分；以及凹面镜(24)，其将由半透过镜(23)反射后的图像光朝向半透过镜进行反射而形成射出光瞳，从图像光生成装置(11)至折返镜(22)的图像光的光轴配置在将半透过镜假想延长而得的第1假想延长面(P21)与将凹面镜假想延长而得的第2假想延长面(P12)之间。

Description

虚像显示装置以及光学单元

技术领域

本发明涉及作为头戴式显示器等的虚像显示装置以及组装在该虚像显示装置中的光学单元，特别涉及使图像光由半透过反射面反射而入射到凹面镜，并隔着半透过反射面观察来自凹面镜的反射光的类型的虚像显示装置等。

背景技术

作为具有半透过反射面和凹面镜的虚像显示装置，例如存在具有组装了半透过反射面的棱镜部件的虚像显示装置(参照专利文献1)。记载了在该装置中，由棱镜部件的全反射面将入射到棱镜部件的图像光朝向半透过反射面进行全反射而将其引导至半透过反射面，并且通过半透过反射面将图像光朝向配置在棱镜部件前方的聚光反射面进行反射，并记载了作为半透过反射面的配置角度，使作为上下轴的Y轴与半透过反射面的法线所成的角度成为45°以上。

专利文献1：日本特开2020-008749号公报

在上述专利文献1的虚像显示装置中，虽然能够使半透过反射面的倾斜角成为45°以上地立起而减小棱镜部件的厚度方向的宽度，但是从确保透视性的观点来看，需要以棱镜部件的外界侧和使用者侧成为平行平面的方式来贴合两个棱镜部件，光学系统变重。此外，由于棱镜使得投射光学系统的光轴在横向上延伸，并且凹面镜的弯曲也影响到投射光学系统和显示设备的配置，使得它们向凹面镜的上侧和横向外侧突出，从而光学系统整体变大。

发明内容

本发明一个方面的虚像显示装置具有：图像光生成装置；投射光学系统，其投射从图像光生成装置射出的图像光；折返镜，其将来自投射光学系统的图像光朝交叉方向进行反射；半透过镜，其反射来自折返镜的图像光的一部分；以及凹面镜，其将由半透过镜反射后的图像光朝向半透过镜进行反射而形成射出光瞳，从图像光生成装置至折返镜的图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将凹面镜假想延长而得的。

附图说明

图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的佩戴状态的外观立体图。

图2是说明图1的虚像显示装置等的结构的立体图。

图3是图1的虚像显示装置的俯视图和侧视图。

图4是第2实施方式的虚像显示装置的俯视图和侧视图。

图5是第3实施方式的虚像显示装置的侧视图。

图6是说明变形例的虚像显示装置的侧视图。

图7是说明另一变形例的虚像显示装置的侧视图。

标号说明

11：图像光生成装置；11a：显示区域；12：光学单元；13：显示控制电路；21：投射光学系统；22：折返镜；22a：第1反射镜；22b：第2反射镜；23：半透过镜；24：凹面镜；100：虚像显示装置；100A、100B：显示装置；100C：支承装置；102：显示驱动部；103：外观部件；AX0：投射光轴；AX1、AX2：反射光轴；AXE：射出光轴；EA1、EA2：有效区域；EP：射出光瞳；EY：眼睛；II：中间像；MC：凹面反射面；MS1、MS12、MS2、MS3：平面反射面；ML：图像光；OL：外界光；P12：第1假想延长面；P21：第2假想延长面；P11：铅直圆筒状曲面；P22：铅直平面；PI：入射光瞳；SP1：基准平面；US：佩戴者。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，参照附图，对本发明第1实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元进行说明。

图1是说明头戴式显示器(以下也称为HMD。)200的外观的立体图，使佩戴它的观察者或佩戴者US看到作为虚像的影像。在图1等中，X、Y和Z是正交坐标系，+X方向对应于佩戴HMD 200或虚像显示装置100的观察者或佩戴者US的双眼EY排列的横向，+Y方向相当于对于佩戴者US而言的与双眼EY排列的横向垂直的朝上方向，+Z方向相当于对于佩戴者US而言的前方或正面方向。±Y方向平行于铅直轴或铅直方向。

HMD 200具有右眼用的第1显示装置100A、左眼用的第2显示装置100B、以及支承显示装置100A和100B的镜腿状支承装置100C。第1显示装置100A由配置在上部的显示驱动部102、和呈眼镜镜片状地覆盖眼前的外观部件103构成。第2显示装置100B也同样地，由配置在上部的显示驱动部102、和呈眼镜镜片状地覆盖眼前的外观部件103构成。支承装置100C经由显示驱动部102支承外观部件103的上端侧。第1显示装置100A和第2显示装置100B在光学上使左右反转，之后，将右眼用的第1显示装置100A作为代表性的虚像显示装置100来进行说明。

图2是说明作为右眼用的显示装置100A的虚像显示装置100的立体图，图3是说明虚像显示装置100的光学结构的图。在图3中，第1区域AR1是图像光生成装置11和光学单元12的俯视图，第2区域AR2是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图。

如图2所示，虚像显示装置100具有图像光生成装置11、光学单元12和显示控制电路13。但是，在本说明书中，从达到光学功能的观点来看，将除了显示控制电路13以外的部分也称为虚像显示装置100。

图像光生成装置11是自发光型的显示设备，例如是有机EL(有机电致发光，Organic Electro-Luminescence)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。图像光生成装置11被显示控制电路13驱动而进行显示动作。图像光生成装置11不限于有机EL元件，能够置换为无机EL元件、LED阵列、有机LED、激光阵列、量子点发光型元件等。图像光生成装置11不限于自发光型的图像光生成装置，也可以由LCD等其他的光调制元件构成，通过由背光源那样的光源对该光调制元件进行照明而形成图像。作为图像光生成装置11，也可以代替LCD而使用LCOS(Liquid crystal on silicon，硅上液晶，LCoS为注册商标)或数字微镜器件等。

如图2和图3所示，光学单元12具有投射光学系统21、折返镜22、半透过镜23和凹面镜24。在此，从图像光生成装置11到折返镜22的光路配置于半透过镜23的上侧即+Y侧。在光学单元12中，作为投射光学系统21的光轴的投射光轴AX0相对于与YZ面平行的假想的基准平面SP1(参照图3的第1区域AR1)配置在交叉的方向上，该基准平面SP1包含：作为从折返镜22朝向半透过镜23的光轴的反射光轴AX2；以及作为从凹面镜24朝向射出光瞳EP的光轴的射出光轴AXE。基准平面SP1包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX。在该光学单元12中，到折返镜22为止的投射光轴AX0相对于基准平面SP1的法线NL0倾斜形成角度，并且，来自折返镜22的反射光轴AX2相对作为铅直方向的Y方向倾斜形成角度，通过折返镜22和半透过镜23形成了倾斜、扭转和弯折的光路。

投射光学系统21投射从图像光生成装置11射出的图像光ML。投射光学系统21使从图像光生成装置11射出的图像光ML以成像的方式会聚并向折返镜22入射。投射光学系统21不限于单透镜，在图3所示的例子中包含3个透镜21a、21b、21c，但也可以由2个或4个以上的透镜构成。透镜21a、21b、21c不限于球面透镜，也可以是非球面透镜。

从上方看，作为投射光学系统21的光轴的投射光轴AX0被配置成，在光路上游投射光轴AX0向半透过镜23侧(即-Z侧)倾斜。即，投射光轴AX0处于以横向X轴方向为基准而围绕铅直Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α0的状态。更具体而言，作为穿过投射光学系统21的图像光ML的光轴的投射光轴AX0相对于基准平面SP1的法线NL0，绕Y轴沿顺时针方向倾斜了10°以上30°以下的角度α0，该基准平面SP1包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX。通过将角度α0设为10°以上，容易抑制图像光生成装置11从佩戴者US的面部离开而向前方突出的趋势，通过将角度α0设为30°以下，容易抑制折返镜22从佩戴者US的面部离开而向前方突出的趋势。即，通过将投射光轴AX0相对于基准平面SP1的法线NL0的倾斜角度α0设为10°以上30°以下，容易将图像光生成装置11和折返镜22沿面部配置，能够使虚像显示装置100时尚且紧凑。

在本说明书中，考虑从图像光生成装置11到折返镜22为止的、投射光学系统21的投射光轴AX0。作为投射光轴AX0的起点的第1端PX0位于显示面11a上，作为投射光轴AX0的终点的第2端PX1位于构成折返镜22的第1反射镜22a上。投射光轴AX0穿过构成投射光学系统21的光学面所共有的旋转对称轴。投射光轴AX0的第1端PX0设定于显示面11a的中央，投射光轴AX0从显示面11a的中央起沿其法线方向延伸。投射光轴AX0被配置在第1假想延长面P21与第2假想延长面P12之间，第1假想延长面P21是将半透过镜23假想延长而得的，第2假想延长面P12是将凹面镜24假想延长而得的近似曲面(参照图3的第2区域AR2)。通过这样配置投射光轴AX0，容易防止图像光生成装置11或折返镜22向凹面镜24的前方或半透过镜23的背面方向突出。更优选的是，投射光轴AX0配置在铅直平面P22和上述第2假想延长面P12之间，该铅直平面P22是使半透过镜23的平面反射面MS3的上端沿铅直Y方向假想延长而得的。

基于与以上相同的理由，投射光学系统21和图像光生成装置11优选配置在将半透过镜23假想延长而得的第1假想延长面P21与将凹面镜24假想延长而得的第2假想延长面P12之间所夹的空间内。但是，由于投射光学系统21和图像光生成装置11在与投射光轴AX0垂直的方向上具有宽度，所以实际上限制较为宽松，优选配置在半透过镜23的假想的第1假想延长面P21与铅直圆筒状曲面P11之间所夹的截面为楔形的空间内，该铅直圆筒状曲面P11是将凹面镜24的上端外侧沿铅直Y方向假想延长而得的。更优选的是，投射光学系统21和图像光生成装置11配置在针对半透过镜23设定的铅直平面P22和针对凹面镜24设定的第2假想延长面P12之间。

折返镜22按照从图像光生成装置11起的光路顺序，包含第1反射镜22a和第2反射镜22b。折返镜22将来自投射光学系统21的图像光ML朝交叉方向进行反射。这里，交叉方向是相对于投射光轴AX0形成大于0°的角度的方向，包含处于扭转关系的方向。在本实施方式的情况下，通过折返镜22，光路向处于扭转关系的非垂直方向弯折。在第2反射镜22b的光射出侧，配置有后述的半透过镜23，有时也将半透过镜23称为第3反射镜。在折返镜22的近前，即、相对于图像光ML的行进方向反向的图像光生成装置11侧，配置有虚像显示装置100的入射光瞳PI。

第1反射镜22a是平板状的光学部件，具有平面反射面MS1。第1反射镜22a的平面反射面MS1由金属膜或电介质多层膜构成。该情况下，在平板平面上，通过蒸镀等形成由例如Al、Ag那样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜。第1反射镜22a通过平面反射面MS1使沿大致横向行进的图像光ML向大致前方弯折而入射到第2反射镜22b。此时，作为投射光学系统21的光轴的投射光轴AX0与从第1反射镜22a朝向第2反射镜22b的反射光轴AX1交叉。朝向第2反射镜22b的反射光轴AX1沿YZ面向+Z方向和-Y方向延伸，向前方斜下方倾斜。第1反射镜22a通过未图示的部件被固定在图1所示的显示驱动部102的框架上。

第1反射镜22a或平面反射面MS1在以与基准平面SP1垂直且沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，成为相对于XY面从上方观察绕Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α1(α1>45°)的状态。第1反射镜22a或平面反射面MS1在以相对于与基准平面SP1垂直且沿铅直方向延伸的XY面倾斜45°的方向为基准的情况下，与投射光轴AX0的倾斜角度α0之间的关系为，从上方观察相对于基本配置的假想面SS绕Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α1'＝α0/2的状态。另外，第1反射镜22a成为绕X轴也朝向第2反射镜22b稍微伏倒地倾斜的状态。

对第1反射镜22a的俯视姿势、与穿过投射光学系统21的投射光轴AX0的俯视倾斜之间的关系进行说明。当以使第1反射镜22a相对于XY面从上方看绕Y轴沿顺时针方向旋转45°而与假想面SS平行的状态为基准，使第1反射镜22a从上方看绕Y轴沿顺时针方向旋转时，投射光轴AX0以法线NL0为基准，以第1反射镜22a的成倍旋转量沿顺时针方向旋转。另外，当假设为从平行于假想面SS的基准起，使第1反射镜22a从上方看绕Y轴沿逆时针方向进行了旋转时，投射光轴AX0以法线NL0为基准，以第1反射镜22a的成倍旋转量沿逆时针方向旋转。无论如何，投射光轴AX0的倾斜角度α0都与第1反射镜22a的倾斜角度α1'相对应地被保持为2×α1'。

第2反射镜22b是平板状的光学部件，具有平面反射面MS2。第2反射镜22b的平面反射面MS2由金属膜或电介质多层膜构成。该情况下，在平板平面上，通过蒸镀等形成由例如Al、Ag那样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜。第2反射镜22b通过平面反射面MS2使朝前方行进的图像光ML向后方弯折而入射到作为第3反射镜的半透过镜23。此时，从第1反射镜22a朝向第2反射镜22b的反射光轴AX1与从第2反射镜22b朝向半透过镜23的反射光轴AX2交叉。朝向半透过镜23的反射光轴AX2沿YZ面向-Z方向和-Y方向延伸，向后方斜下方倾斜。第2反射镜22b通过未图示的部件被固定在图1所示的显示驱动部102的框架上。

第2反射镜22b或平面反射面MS2在以与基准平面SP1垂直且沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，成为相对于XY面从图像光生成装置11侧观察绕X轴沿逆时针方向倾斜了角度α2＝20～40°左右的状态。平面反射面MS2的法线处于与YZ面平行的面内，成为相对于Z轴沿逆时针倾斜了20°～40°左右的状态。

半透过镜23是作为具有半透过性的表面反射镜发挥作用的平板状的光学部件，具有平面反射面MS3。半透过镜23在具有均匀厚度且具有透过性的平行平板23a的一个面23f上形成金属膜或电介质多层膜来作为平面反射面MS3。平面反射面MS3的反射率和透射率例如被设定为50％左右。另外，能够在平行平板23a的另一个面23r上形成防反射膜。半透过镜23通过平面反射面MS3使向斜后方向行进的图像光ML向前方弯折而入射到凹面镜24。此时，从第2反射镜22b朝向半透过镜23的反射光轴AX2与从半透过镜23朝向凹面镜24的射出光轴AXE交叉。射出光轴AXE与凹面镜24的轴线MX一致，向+Z方向即前方延伸。在此，凹面镜24的轴线MX通常是指凹面镜24的旋转对称轴。例如，在凹面镜24从旋转对称的形状偏离的情况下，凹面镜24的轴线MX是指穿过射出光轴AXE与凹面镜24的交点、且该交点处的相对于凹面镜24的切平面的法线。半透过镜23配置在凹面镜24与配置有眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP之间并覆盖射出光瞳EP。半透过镜23能够直接或间接地固定到图1所示的显示驱动部102的框架上，能够成为适当地设定了相对于凹面镜24等的配置关系的状态。

虚像显示装置100的光轴包含：从显示面11a的中央穿过投射光学系统21而延伸到第1反射镜22a的投射光轴AX0；从第1反射镜22a延伸到第2反射镜22b的反射光轴AX1；从第2反射镜22b延伸到半透过镜23的反射光轴AX2；以及与半透过镜23交叉并在凹面镜24与射出光瞳EP之间延伸的射出光轴AXE，这些光轴AX0、AX1、AX2、AXE在弯折的同时相连。即，在由第1反射镜22a、第2反射镜22b、半透过镜23等以不产生路径折返的方式展开了光路的情况下，光轴AX0、AX1、AX2、AXE成为沿一条直线延伸的轴，投射光学系统21和凹面镜24绕沿着该一条直线延伸的轴对称地配置。另外，对于投射光轴AX0的第1端PX0，不需要设定在显示面11a的中央，可以从显示面11a的中央错开。在该情况下，能够相对于佩戴者US的双眼EY在从正面偏离的方向上显示影像。

半透过镜23或平面反射面MS3在以与基准平面SP1垂直且沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，成为相对于XY面从图像光生成装置11侧观察绕X轴沿逆时针方向倾斜了角度α3＝20～40°左右的状态。平面反射面MS3的法线NL处于与YZ面平行的面内，成为相对于Z轴沿逆时针倾斜了20°～40°左右的状态。如上所述，半透过镜23配置成使得作为铅直轴的Y轴与半透过镜23所成的角度小于45°。假设由Y轴和半透过镜23所成的角度大于45°，则半透过镜23处于从标准倒下的状态，半透过镜在Z轴方向上的厚度增大，当Y轴和半透过镜23所成的角度小于45°时，半透过镜23成为从标准立起的状态，半透过镜在Z轴方向上的厚度减小。即，通过如本实施方式那样使Y轴与半透过镜23所成的角度小于45°，能够避免半透过镜23成为以凹面镜24为基准向背面的-Z方向大幅突出的配置，能够避免虚像显示装置100或光学单元12的前后在Z方向上的厚度增大。

凹面镜24是作为图1所示的半透过性的表面反射镜发挥作用的弯曲光学部件，包含朝向射出光瞳EP具有凹形状的凹面反射面MC。凹面镜24在具有均匀厚度且具有透过性的弯曲板状体24a的一个面24r上形成金属膜或电介质多层膜来作为凹面反射面MC。平面反射面MS3的反射率例如被设定为20～50％左右。另外，能够在板状体24a的另一个面24f上形成防反射膜。凹面反射面MC不限于球面，可以是非球面。凹面镜24反射由半透过镜23反射并朝前方行进的图像光ML，使其在返回半透过镜23的同时部分地透过半透过镜23并会聚在射出光瞳EP处。此时，从半透过镜23朝向凹面镜24的射出光轴AXE与被凹面镜24折返并朝向射出光瞳EP的光轴一致。射出光瞳EP位于与配置于折返镜22近前的入射光瞳PI共轭的位置处。

凹面镜24被组装成构成外观部件103的一部分。即，通过在凹面镜24的周围以扩展的方式设置具有透过性或不具有透过性的板状部件，能够形成包含凹面镜24的外观部件103。外观部件103不限于眼镜镜片状，可以是各种轮廓或外观。

如上所述，第2反射镜22b不与半透过镜23平行。即，相对于作为半透过镜23的倾斜角度的角度α3，作为第2反射镜22b的倾斜角度的角度α2不同。结果，当考虑投射光学系统21的投射光轴AX0时，即，当沿着投射光轴AX0从背后观察时，与图像的横向对应的横轴H旋转，以相对于水平的Z方向形成倾斜角θ。在图像光生成装置11的显示面11a如图示那样为矩形的情况下，图像的横轴H与其横边对应。当考虑穿过射出光瞳EP的射出光轴AXE时，即，当沿着射出光轴AXE观察时，图像的横轴H相当于与X方向平行地延伸的HD。图像的横轴与纵轴之比被设定为例如16：9这样的值。

更详细地说明的话，第2反射镜22b的角度α2和半透过镜23的角度α3满足α3>α2的关系，第2反射镜22b从倾斜45°的基准状态立起的角度大于半透过镜23从倾斜45°的基准状态立起的角度。为了对其进行补偿，以图像光生成装置11和显示面11a的横轴H相对于水平的Z方向形成倾斜角θ的方式，使图像光生成装置11的显示面11a从背后看沿顺时针方向旋转。进而，以包含由第2反射镜22b反射前后的反射光轴AX1、AX2的平面的法线且穿过来自第1反射镜22a的反射光轴AX1的起点的法线(具体相当于图3所示的法线NL0)为基准，投射光学系统21的投射光轴AX0在水平面内的旋转稍微具有以绕由第1反射镜22a反射后的反射光轴AX1旋转的方式倾斜的成分，所以与该倾斜相对应地，使图像光生成装置11的显示面11a从背后观察沿顺时针方向进行了追加旋转。以上的结果是图像的缺失消失，能够有效地灵活运用显示面11a的整个画面。

下面，说明投射光学系统21的投射光轴AX0的倾斜对图像光生成装置11的姿势的影响。首先，为了便于理解，假设第2反射镜22b的角度α2和半透过镜23的角度α3相等，且反射光轴AX1沿水平的Z轴方向延伸。在该情况下，即使以投射光轴AX0与第1反射镜22a的交点为基点使投射光轴AX0绕Y轴旋转，也就是说，即便使投射光轴AX0在水平面内旋转，显示面11a也仅沿水平的YZ面与投射光轴AX0一起横向移动，不产生绕投射光轴AX0旋转的倾斜。另一方面，若使投射光轴AX0绕不平行于Y轴的轴旋转，则显示面11a绕投射光轴AX0旋转而产生图像倾斜的趋势。例如，若以图像光生成装置11在-X侧向-Y侧下降的方式使投射光轴AX0旋转，则是朝向正面顺时针方向的旋转，通过使显示面11a即显示区域朝向+X方向沿顺时针方向旋转，能够使所观察的图像直立。相反，若图像光生成装置11以在-X侧向+Y侧上升的方式使投射光轴AX0旋转，则是朝向正面逆时针方向的旋转，通过使显示面11a即显示区域朝向+X方向沿逆时针方向旋转，能够使所观察的图像直立。在本实施方式的情况下，第2反射镜22b的角度α2与半透过镜23的角度α3不相等。因此，如上所述，以包含由第2反射镜22b反射前后的反射光轴AX1、AX2的平面的法线且穿过来自第1反射镜22a的反射光轴AX1的起点的法线(具体相当于图3所示的法线NL0)为基准，即使是投射光学系统21的投射光轴AX0在水平面内的旋转，也稍微具有以绕由第1反射镜22a反射后的反射光轴AX1旋转的方式倾斜的成分。在本实施方式的情况下，与这样的反射光轴AX1的倾斜成分相对应地，除了起因于角度α2、α3的差异的旋转以外，还使图像光生成装置11的显示面11a从背后观察沿顺时针方向进行了追加旋转。

对折返镜22相对于半透过镜23和凹面镜24的配置关系进行说明。折返镜22配置在半透过镜23和凹面镜24之间。具体而言，第1反射镜22a和第2反射镜22b配置在将半透过镜23的平面反射面MS3假想延长的第1假想延长面P21与铅直圆筒状曲面P11之间所夹的截面为楔形的空间内，该铅直圆筒状曲面P11是将凹面镜24的上端外侧沿铅直Y方向假想延长而得的。进而，为了满足更优选的条件，第1反射镜22a和第2反射镜22b配置在铅直平面P22和2次的第2假想延长面P12之间，该铅直平面P22是使半透过镜23的平面反射面MS3的上端沿铅直Y方向假想延长而得的，该2次的第2假想延长面P12是将凹面镜24的上端外侧假想延长而得的。以上，将第1假想延长面P21与铅直圆筒状曲面P11之间所夹的空间称为截面为楔形的空间，但配置折返镜22的空间依赖于半透过镜23和凹面镜24的配置和形状，不限于截面为楔形，该第1假想延长面P21是将半透过镜23的平面反射面MS3假想延长而得的，该铅直圆筒状曲面P11是将凹面镜24的上端外侧沿铅直Y方向假想延长而得的。在以下说明的其他实施方式和变形例中也同样如此。

构成折返镜22的第2反射镜22b被配置成，与铅直平面P22相比，更接近铅直圆筒状曲面P11，该铅直平面P22是将半透过镜23的上端沿铅直Y方向假想延长而得的，该铅直圆筒状曲面P11是将凹面镜24的上端外侧沿铅直Y方向假想延长而得的。关于第2反射镜22b的位置，根据反射光轴AX1、AX2的交点进行判断。在这样第2反射镜22b配置成比铅直平面P22更接近铅直圆筒状曲面P11的情况下，容易与第2反射镜22b相邻地组装第1反射镜22a，能够使图像光生成装置11不易向半透过镜23侧突出。

构成折返镜22的第1反射镜22a和第2反射镜22b以避免遮挡凹面镜24的有效区域EA1和半透过镜23的有效区域EA2的方式配置。例如，对于有效区域EA1，在半透过镜23的附近用虚线表示。具体而言，从侧面看时，第2反射镜22b的位置被配置成，相比由有效区域EA1、有效区域EA2、和半透过镜23所反射的图像光ML的上下最端部的视场角光线所形成的区域，更靠近图像光生成装置11侧。在光学设计上，容易将构成折返镜22的第2反射镜22b朝-Y侧降低，但如果过度降低第2反射镜22b等，就会妨碍从射出光瞳EP的视野。这样，将折返镜22配置成避免遮挡凹面镜24和半透过镜23的有效区域EA1、EA2，能够防止过度降低折返镜22而在折返镜22与凹面镜24或半透过镜23之间产生干涉。即，从佩戴者US的眼睛EY或射出光瞳EP来看，折返镜22配置成不遮挡与影像区域对应的视场角。

若关于光路进行说明，则来自图像光生成装置11的图像光ML在被投射光学系统21以成像的方式会聚后，被折返镜22的第1反射镜22a和第2反射镜22b依次反射而入射到半透过镜23。由半透过镜23反射例如50％左右后的图像光ML入射到凹面镜24，由凹面反射面MC以例如50％左右以下的反射率进行反射。由凹面镜24反射后的图像光ML入射到配置有佩戴者US的眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP。在半透过镜23和第2反射镜22b之间形成中间像II。中间像II是将在图像光生成装置11的显示面11a上形成的图像适当放大后的像。穿过凹面镜24的外界光OL也入射到射出光瞳EP。即，佩戴HMD 200的佩戴者US能够与外界像重叠地观察基于图像光ML的虚像。

在以上说明的第1实施方式的虚像显示装置100中，从图像光生成装置11至折返镜22的图像光ML的投射光轴AX0配置在将半透过镜23假想延长而得的第1假想延长面P21与将凹面镜24假想延长而得的第2假想延长面P12之间，因此能够防止图像光生成装置11和折返镜22向凹面镜24的前方或半透过镜23的背面方向突出，能够缩小光学系统整体，能够使虚像显示装置100小型化。

[第2实施方式]

以下，说明第2实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第2实施方式的虚像显示装置等是将第1实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图4是说明第2实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。第1区域BR1是图像光生成装置11和光学单元12的俯视图，第2区域BR2是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图。此时，折返镜22仅由单一的反射镜122a构成。反射镜122a的平面反射面MS12的法线沿-X方向、-Y方向以及-Z方向延伸。折返镜22将来自投射光学系统21的图像光ML朝交叉方向进行反射。具体而言，投射光学系统21的投射光轴AX0处于以横向X轴方向为基准而围绕铅直Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α0的状态。更具体地，投射光轴AX0相对于基准平面SP1的法线NL0，绕Y轴沿顺时针方向倾斜了10°以上30°以下的角度α0，该基准平面SP1包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX。另外，从折返镜22朝向半透过镜23的反射光轴AX2沿YZ面被设定在-Y方向和-Z方向之间的斜下方向。

在第2实施方式的虚像显示装置100中，半透过镜23的角度α3被设定为20～40°左右，配置成相对于基准的45°上升地倾斜的状态。当沿着投射光轴AX0观察时，在显示面11a中与图像的横向对应的横轴H旋转成与作为原本的长度方向的铅直Y方向形成倾斜角θ。当考虑穿过射出光瞳EP的射出光轴AXE时，即，当沿着射出光轴AXE观察时，图像的横轴H相当于与X方向平行地延伸的HD。另外，在半透过镜23的角度α3为标准的45°时，假设投射光轴AX0与法线NL0平行，则图像的横轴H平行于铅直的Y方向，显示面11a配置成在铅直方向上较长的状态。

在本实施方式的虚像显示装置100中，不仅如上述那样配置成半透过镜23的角度α3以相对于基准的45°立起的方式倾斜的状态，投射光轴AX0还成为以横向X轴方向为基准而绕铅直Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α0的状态。其结果，以包含半透过镜23的反射前后的反射光轴AX2和射出光轴AXE的平面的法线且穿过来自反射镜122a的反射光轴AX2的起点的法线(具体相当于图4所示的法线NL0)为基准，投射光轴AX0具有以绕由反射镜122a反射后的反射光轴AX2旋转的方式倾斜的成分，所以与该倾斜相对应地，使图像光生成装置11的显示面11a从背后观察沿顺时针方向进行了追加旋转。以上的结果是图像的缺失消失，能够有效地灵活运用显示面11a的整个画面。

[第3实施方式]

以下，说明第3实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第3实施方式的虚像显示装置等是将第1实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图5是说明第3实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。该情况下，使第1实施方式的虚像显示装置100上下反转。结果，图像光生成装置11、投射光学系统21及折返镜22配置在半透过镜23和凹面镜24的下端以下。

如上所述，投射光学系统21的投射光轴AX0处于以横向X轴方向为基准而围绕铅直Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α0的状态。虽然省略了图示，但投射光轴AX0与图3的第1区域AR1所示的状态同样，相对于基准平面SP1的法线NL0，绕Y轴沿顺时针方向倾斜了10°以上30°以下的角度α0，该基准平面SP1包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX。

[变形例及其他]

以上根据实施方式说明了本发明，但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来实施，例如还能够进行如下变形。

如图6所示，投射光学系统21的投射光轴AX0还能够相对于水平面倾斜。在该情况下，投射光学系统21从半透过镜23的背面朝向正面，成为以横向X轴方向或水平面HP为基准而围绕水平Z轴沿顺时针方向倾斜了角度α01的状态。另外，虽然省略了图示，但投射光轴AX0与图3的第1区域AR1所示的状态同样，从上方看配置成在光路上游投射光轴AX0向半透过镜23侧(即-Z侧)倾斜的状态，成为以横向X轴方向为基准，绕铅直Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α0的状态。

在上述实施方式的虚像显示装置100中，作为图像光生成装置11，使用了有机EL元件等自发光型的显示设备或LCD等其他光调制元件，但是也可以代替它，构成为使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描器的激光扫描器。即，本发明还能够应用于激光视网膜投射型的头戴式显示器。

在图2、图3等中，第2反射镜22b与凹面镜24分开配置，但也可以通过第2反射镜22b的配置或角度的调整等设计，从凹面镜24向上侧连续地连结第2反射镜22b。

如图7所示，第2反射镜22b经由从凹面镜24的上端起延伸的连结部件28被连结。凹面镜24、第2反射镜22b以及连结部件28具有大致相等的厚度。另外，凹面镜24与连结部件28的边界平滑地变形，第2反射镜22b与连结部件28的边界平滑地变形。该情况下，图1所示的外观部件103可以是包含凹面镜24和第2反射镜22b的一体部件。

关于虚像显示装置100的光学单元12，还能够成为使凹面镜24的轴线MX相对于射出光轴AXE例如在YZ面内倾斜的轴偏离系统。

在凹面镜24的外界侧，能够安装通过限制凹面镜24的透过光来进行调光的调光设备。调光设备例如通过电动的方式调整透射率。作为调光设备，能够使用镜面液晶、电子遮光板、电致变色元件等。调光设备也可以根据外部光照度来调整透射率。在通过调光设备遮挡外界光OL的情况下，能够仅观察不受外界像的作用的虚像。并且，本申请发明的虚像显示装置能够应用于遮挡外部光而仅观看图像光的所谓封闭型的头部佩戴式显示装置(HMD)。该情况下，也可以对应于由虚像显示装置和摄像装置构成的所谓视频透视的产品。

以上，以虚像显示装置100被佩戴于头部使用为前提，但上述虚像显示装置100也可以作为不佩戴于头部而像双筒望远镜那样观察的手持显示器来使用。即，在本发明中，头戴式显示器也包含手持显示器。

具体方式中的虚像显示装置具有：图像光生成装置；投射光学系统，其投射从图像光生成装置射出的图像光；折返镜，其将来自投射光学系统的图像光朝交叉方向进行反射；半透过镜，其反射来自折返镜的图像光的一部分；以及凹面镜，其将由半透过镜反射后的图像光朝向半透过镜进行反射而形成射出光瞳，从图像光生成装置至折返镜的图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将凹面镜假想延长而得的。

在上述虚像显示装置中，从图像光生成装置至折返镜的图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将凹面镜假想延长而得的。因此能够防止图像光生成装置和折返镜向凹面镜的前方或半透过镜的背面方向突出，能够缩小光学系统整体，能够使虚像显示装置小型化。

在具体的方面中，从图像光生成装置至折返镜的图像光的光轴相对于基准平面的法线倾斜10°以上30°以下，该基准平面包含半透过镜的法线和凹面镜的轴线。在该情况下，容易沿着面部配置图像光生成装置和折返镜，能够使虚像显示装置时尚且紧凑。

在具体的方面中，半透过镜配置成铅直轴与半透过镜所成的角度小于45°，折返镜配置在半透过镜与凹面镜之间。该情况下，能够避免半透过镜以凹面镜为基准向背面方向大幅突出的配置，并且能够抑制折返镜的突出，能够避免光学系统的前后方向的厚度增大。

在具体的方面中，折返镜按照从图像光生成装置起的光路顺序，包含第1反射镜和第2反射镜，第2反射镜和半透过镜以如下状态配置：将相对于与凹面镜的轴线垂直的平面绕与该轴线垂直的水平轴分别倾斜45°的状态作为基准，以形成不同的倾斜角的方式倾斜。在该情况下，第2反射镜的配置自由度提高。

在具体的方面中，第2反射镜被配置成，与将半透过镜的上端沿铅直方向假想延长的面相比，更接近将凹面镜的上端沿铅直方向假想延长的面。在该情况下，第1反射镜的组装变得容易，能够使图像光生成装置不易向半透过镜侧突出。

在具体的方面中，折返镜以避免遮挡凹面镜和半透过镜的有效区域的方式配置。该情况下，能够防止过度降低折返镜而在折返镜与凹面镜或半透过镜之间产生干涉。

具体方式中的光学单元具有：投射光学系统，其投射从图像光生成装置射出的图像光；折返镜，其将来自投射光学系统的图像光朝交叉方向进行反射；半透过镜，其反射来自折返镜的图像光的一部分；以及凹面镜，其将由半透过镜反射后的图像光朝向半透过镜进行反射而形成射出光瞳，从设置图像光生成装置的部位至折返镜的图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将凹面镜假想延长而得的。

在上述光学单元中，从设置图像光生成装置的部位至折返镜的图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将凹面镜假想延长而得的，因此能够防止图像光生成装置和折返镜向凹面镜的前方或半透过镜的背面方向突出，能够缩小光学系统整体，能够使光学单元以及虚像显示装置小型化。

Claims (5)

1.一种虚像显示装置，其具有：

图像光生成装置；

投射光学系统，其投射从所述图像光生成装置射出的图像光；

折返镜，其将来自所述投射光学系统的所述图像光朝交叉方向进行反射；

半透过镜，其反射来自所述折返镜的所述图像光的一部分；以及

凹面镜，其将由所述半透过镜反射后的所述图像光朝向所述半透过镜进行反射而形成射出光瞳，

从所述图像光生成装置至所述折返镜的所述图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将所述半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将所述凹面镜假想延长而得的，

所述光轴相对于基准平面的法线倾斜10°以上30°以下，该基准平面包含所述半透过镜的法线和所述凹面镜的轴线，

所述折返镜按照从所述图像光生成装置起的光路顺序，包含第1反射镜和第2反射镜，

所述第2反射镜在以与所述凹面镜的轴线垂直的平面为基准的情况下，相对于该平面从所述图像光生成装置侧观察，绕与所述凹面镜的轴线垂直的水平轴沿逆时针方向倾斜20～40°，

所述折返镜以避免遮挡所述半透过镜和所述凹面镜的有效区域的方式配置，

所述半透过镜和所述凹面镜的所述有效区域是与在被所述半透过镜反射后从所述半透过镜射出并入射到所述凹面镜的所述图像光对应的区域。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述半透过镜配置成铅直轴与所述半透过镜所成的角度小于45°，所述折返镜配置在所述半透过镜与所述凹面镜之间。

3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第2反射镜和所述半透过镜以如下状态配置：将相对于与所述凹面镜的轴线垂直的平面绕与该轴线垂直的水平轴分别倾斜45°的状态作为基准，以形成不同的倾斜角的方式倾斜。

4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其中，

所述第2反射镜被配置成，与将所述半透过镜的上端沿铅直方向假想延长的面相比，更接近将所述凹面镜的上端沿铅直方向假想延长的面。

5.一种光学单元，其具有：

投射光学系统，其投射从图像光生成装置射出的图像光；

折返镜，其将来自所述投射光学系统的所述图像光朝交叉方向进行反射；

半透过镜，其反射来自所述折返镜的所述图像光的一部分；以及

凹面镜，其将由所述半透过镜反射后的所述图像光朝向所述半透过镜进行反射而形成射出光瞳，

从设置所述图像光生成装置的部位至所述折返镜的所述图像光的光轴配置在第1假想延长面与第2假想延长面之间，该第1假想延长面是将所述半透过镜假想延长而得的，该第2假想延长面是将所述凹面镜假想延长而得的，

所述光轴相对于基准平面的法线倾斜10°以上30°以下，该基准平面包含所述半透过镜的法线和所述凹面镜的轴线，

所述折返镜按照从所述图像光生成装置起的光路顺序，包含第1反射镜和第2反射镜，

所述第2反射镜在以与所述凹面镜的轴线垂直的平面为基准的情况下，相对于该平面从所述图像光生成装置侧观察，绕与所述凹面镜的轴线垂直的水平轴沿逆时针方向倾斜20～40°，

所述折返镜以避免遮挡所述半透过镜和所述凹面镜的有效区域的方式配置，

所述半透过镜和所述凹面镜的所述有效区域是与在被所述半透过镜反射后从所述半透过镜射出并入射到所述凹面镜的所述图像光对应的区域。