CN113467086B - 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。能够使光学系统整体紧凑，使虚像显示装置小型化。虚像显示装置(100)具有：图像光生成装置(11)、投射从图像光生成装置(11)射出的图像光(ML)的投射光学系统、使来自投射光学系统的图像光向交叉方向反射的折返镜(22)、使来自折返镜(22)的图像光(ML)的一部分朝向凹面镜(24)反射的半透射镜(23)、使来自半透射镜(23)的图像光(ML)朝向半透射镜(23)反射而形成出射光瞳的凹面镜(24)，将从投射光学系统的光轴即投射光轴与折返镜的交点朝向出射光轴的方向设为第1方向，出射光轴是从凹面镜朝向出射光瞳的光轴，从第1方向观察时折返镜(22)配置于半透射镜(23)与凹面镜(24)之间。

Description

虚像显示装置和光学单元

技术领域

本发明涉及头戴显示器等虚像显示装置和嵌入虚像显示装置中的光学单元，特别涉及使图像光在半透射反射面反射而入射到凹面镜、并隔着半透射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

作为具有半透射反射面和凹面镜的虚像显示装置，例如存在具有嵌入了半透射反射面的棱镜部件的装置(参照专利文献1)。在该装置中，记载了使入射到棱镜部件的图像光在棱镜部件的全反射面朝向半透射反射面全反射而进行引导，并且通过半透射反射面使图像光朝向配置于棱镜部件的前方的会聚反射面反射，作为半透射反射面的配置角度，记载了将作为上下轴的Y轴和半透射反射面的法线所成的角度设为45°以上。

专利文献1：日本特开2020-008749号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述专利文献1的虚像显示装置中，以使半透射反射面的倾斜度成为45°以上的方式使半透射反射面竖立，能够减小棱镜部件的厚度方向的宽度，但是，为了确保透视性，需要贴合2个棱镜部件以使棱镜部件的外界侧和使用者侧的面成为平行平面，光学系统变重，或者必须将凹面镜配置于棱镜部件的外界侧，因此，有时凹面镜部分较厚地突出。此外，与棱镜部件分开地设置光路折曲用镜的棱柱镜，因此，投射光学系统和棱柱镜以在额头侧露出的方式配置于棱镜部件的上侧，光学系统整体变大。

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：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，其使来自投射光学系统的图像光向交叉方向反射；半透射反射面，其使来自折返镜的图像光的一部分反射；以及凹面镜，其使在半透射反射面反射后的图像光朝向半透射反射面反射，形成出射光瞳，折返镜配置于半透射反射面与凹面镜之间。

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构造的立体图。

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是第4实施方式的虚像显示装置的侧视图。

图7是第5实施方式的虚像显示装置的侧视图。

标号说明

11：图像光生成装置；11a：显示面；12：光学单元；13：显示控制电路；21：投射光学系统；22、222：折返镜；23、223：半透射镜；23a：平行平板；24、224：凹面镜；24a：板状体；100、1100：虚像显示装置；100A：第1显示装置；100B：第2显示装置；100C：支承装置；102：显示驱动部；103：外观部件；200：虚像显示装置；AX0：投射光轴；AX1、AX2：反射光轴；AXE：出射光轴；EA1、EA2：有效区域；EP：出射光瞳；EY：眼睛；MC：凹面反射面；MS1、MS2、MS3：平面反射面；MS12：平面反射面；ML：图像光；OL：外界光；P11：铅垂圆筒状曲面；P12：近似曲面；P21：延长平面；P22：铅垂平面；PI：入射光瞳。

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和嵌入该虚像显示装置中的光学单元进行说明。

图1是说明头戴显示器(以下也称为HMD。)200的外观的立体图，使佩戴该HMD200的观察者或佩戴者US识别作为虚像的影像。在图1等中，X、Y和Z是直角坐标系，+X方向对应于佩戴了HMD200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方向相当于与佩戴者US的双眼EY排列的横向正交的上方向，+Z方向相当于佩戴者US的前方向或正面方向。±Y方向与铅垂轴或铅垂方向平行。

HMD200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、100B的镜腿状的支承装置100C。第1显示装置100A由配置于上部的显示驱动部102和呈眼镜片状覆盖眼前的外观部件103构成。第2显示装置100B也同样由配置于上部的显示驱动部102和呈眼镜片状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在光学上左右反转，此后，将右眼用的第1显示装置100A设为代表性的虚像显示装置100进行说明。

图2是说明右眼用的显示装置100A即虚像显示装置100的立体图，图3是说明虚像显示装置100的光学构造的图。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，在实现光学功能的观点中，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是自发光型显示器件，例如是有机EL(有机电致发光、OrganicElectro-Luminescence)，在二维的显示面11a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，能够置换为无机EL、LED阵列、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等。

图像光生成装置11不限于自发光型图像光生成装置，也可以由LCD及其他光调制元件构成，通过背光源这种光源对该光调制元件进行照明，由此形成图像。图像光生成装置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2和3所示，光学单元12具有投射光学系统21、折返镜22、半透射镜23和凹面镜24。这里，从图像光生成装置11到折返镜22的光路配置于半透射镜23的上侧。在光学单元12中，投射光学系统21的光轴即投射光轴AX0配置于相对于与YZ面平行的假想的基准平面SP1交叉的方向上，该YZ面包含从折返镜22朝向半透射镜23的光轴即反射光轴AX2和从凹面镜24朝向出射光瞳EP的光轴即出射光轴AXE。在该光学单元12中，例如，反射光轴AX2相对于铅垂方向的Y方向具有角度，通过折返镜22和半透射镜23形成倾斜、扭转、折曲的光路。

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收敛以使其成像，并且使其朝向折返镜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，但是，能够由2个或4个以上的透镜构成。透镜21a、21b、21c不限于球面透镜，能够设为非球面透镜。投射光学系统21的光轴即投射光轴AX0与横向的X轴方向平行地延伸。

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镜22a和第2镜22b。折返镜22使来自投射光学系统21的图像光ML向交叉方向反射。这里，交叉方向是相对于投射光轴AX0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垂直方向折曲。在第2镜22b的光射出侧配置有后述的半透射镜23，有时将半透射镜23称为第3镜。在折返镜22的近前、即与图像光ML的行进方向相反的方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镜22a是平板状的光学部件，具有平面反射面MS1。第1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，通过蒸镀等形成有通过例如由Al、Ag这样的金属形成的单层膜或多层膜构成的反射膜。第1镜22a通过平面反射面MS1使沿横向的X方向行进的图像光ML向前方向折曲，使其入射到第2镜22b。此时，投射光学系统21的光轴即投射光轴AX0和从第1镜22a朝向第2镜22b的反射光轴AX1交叉。反射光轴AX1沿着YZ面向+Z方向和-Y方向延伸，向前方斜下方向倾斜。第1镜22a通过未图示的部件固定于图1所示的显示驱动部102的框架。

第1镜22a或平面反射面MS1成为如下状态：在以沿铅垂方向延伸的XY面为基准的情况下，相对于XY面，从上方观察时绕Y轴向顺时针方向倾斜角度α1＝45°。平面反射面MS1的法线在投影到XZ面的情况下，沿+Z方向和-X方向的中间方向延伸，即沿相对于+Z方向和-X方向分别为45°的方向延伸。另外，第1镜22a成为也绕X轴以朝向第2镜22b稍微倾倒的方式倾斜的状态。

第2镜22b是平板状的光学部件，具有平面反射面MS2。第2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，通过蒸镀等形成有通过例如由Al、Ag这样的金属形成的单层膜或多层膜构成的反射膜。第2镜22b通过平面反射面MS2使向前方向行进的图像光ML向后方向折曲，使其入射到第3镜即半透射镜23。此时，从第1镜22a朝向第2镜22b的反射光轴AX1和从第2镜22b朝向半透射镜23的反射光轴AX2交叉。反射光轴AX2沿着YZ面向-Z方向和-Y方向延伸，向后方斜下方向倾斜。第2镜22b通过未图示的部件固定于图1所示的显示驱动部102的框架。

第2镜22b或平面反射面MS2成为如下状态：在以沿铅垂方向延伸的XY面为基准的情况下，相对于XY面，从图像光生成装置11观察时绕X轴向逆时针方向倾斜角度α2＝20～40°左右。平面反射面MS2的法线成为如下状态：位于与YZ面平行的面内，相对于Z轴逆时针倾斜20°～40°左右。

半透射镜23是具有半透射性的作为表面镜发挥功能的平板板状的光学部件，具有平面反射面MS3。半透射镜23在具有均匀的厚度且具有透射性的平行平板23a的一个面23f形成金属膜或电介质多层膜，成为平面反射面MS3。平面反射面MS3的反射率和透过率例如设为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。半透射镜23通过平面反射面MS3使向斜后方向行进的图像光ML向前方折曲，使其入射到凹面镜24。此时，从第2镜22b朝向半透射镜23的反射光轴AX2和从半透射镜23朝向凹面镜24的出射光轴AXE交叉。出射光轴AXE与凹面镜24的轴线MX一致，向+Z方向即前方延伸。这里，凹面镜24的轴线MX通常意味着凹面镜24的旋转对称轴。例如，在凹面镜24相对于旋转对称的形状偏离的情况下，凹面镜24的轴线MX意味着穿过出射光轴AXE和凹面镜24的交点的、该交点处的相对于凹面镜24的切平面的法线。半透射镜23配置于凹面镜24与配置眼睛EY或瞳孔的出射光瞳EP之间，覆盖出射光瞳EP。半透射镜23能够直接或间接地固定于图1所示的显示驱动部102的框架，能够成为适当设定了相对于凹面镜24等的配置关系的状态。

半透射镜23或平面反射面MS3成为如下状态：在以沿铅垂方向延伸的XY面为基准的情况下，相对于XY面，从图像光生成装置11观察时绕X轴向逆时针方向倾斜角度α3＝20～40°左右。平面反射面MS3的法线NL成为如下状态：位于与YZ面平行的面内，相对于Z轴逆时针倾斜20°～40°左右。

如上所述，半透射镜23被配置成，铅垂轴即Y轴和半透射镜23所成的角度小于45°。假设当Y轴和半透射镜23所成的角度大于45°时，半透射镜23成为比标准更倾倒的状态，半透射镜的Z轴方向上的厚度增大，但是，当Y轴和半透射镜23所成的角度小于45°时，半透射镜23成为比标准更立起的状态，半透射镜的Z轴方向上的厚度减小。即，如本实施方式那样，通过将Y轴和半透射镜23所成的角度设为小于45°，能够避免成为半透射镜23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的前后的Z方向上的厚度增大。

凹面镜24是图1所示的半透射性的作为表面镜发挥功能的弯曲的光学部件，具有朝向出射光瞳EP为凹形状的凹面反射面MC。凹面镜24在具有均匀的厚度且具有透射性的弯曲的板状体24a的一个面24r形成金属膜或电介质多层膜，成为凹面反射面MC。平面反射面MS3的反射率例如设定为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，能够设为非球面。凹面镜24使在半透射镜23反射而向前方行进的图像光ML反射并返回到半透射镜23，并且使该图像光ML的一部分透过半透射镜23而集中于出射光瞳EP。

此时，从半透射镜23朝向凹面镜24的出射光轴AXE与在凹面镜24折返而朝向出射光瞳EP的光轴一致。出射光瞳EP成为与配置于折返镜22的近前的入射光瞳PI共轭的位置。

凹面镜24以构成外观部件103的一部分的方式嵌入。即，在凹面镜24的周围扩张地设置具有透射性或不具有透射性的板状部件，由此，能够成为包含凹面镜24的外观部件103。外观部件103不限于眼镜片状，能够设为各种轮廓或外观。

以上，第2镜22b与半透射镜23不平行。即，第2镜22b的倾斜角度即角度α2与半透射镜23的倾斜角度即角度α3不同。作为其结果，在考虑投射光学系统21的投射光轴AX0时，即，在沿着投射光轴AX0观察时，与图像的横向对应的横轴H以相对于水平的Z方向具有倾斜角θ的方式旋转。在图像光生成装置11的显示区域11a如图所示为矩形的情况下，图像的横轴H对应于其横边。在考虑穿过出射光瞳EP的出射光轴AXE时，即，在沿着出射光轴AXE观察时，图像的横轴H相当于与X方向平行地延伸的HD。

对折返镜22相对于半透射镜23以及凹面镜24的配置关系进行说明。折返镜22配置于半透射镜23与凹面镜24之间。具体而言，第1镜22a和第2镜22b配置于被夹持在延长平面P21与铅垂圆筒状曲面P11之间的截面为楔形的空间内，延长平面P21是假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3而成的，铅垂圆筒状曲面P11是沿铅垂Y方向假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的。进而，为了满足更优选的条件，第1镜22a和第2镜22b配置于铅垂平面P22与二次近似曲面P12之间，铅垂平面P22是沿铅垂Y方向假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3的上端而成的，二次近似曲面P12是假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的。以上，将被夹持在假想地延长半透射镜23而成的延长平面P21与沿铅垂Y方向假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的铅垂圆筒状曲面P11之间的空间称为截面为楔形的空间，但是，配置折返镜22的空间取决于半透射镜23和凹面镜24的配置和形状，截面不限于楔形。以下说明的其他实施方式和变形例也同样。

优选投射光学系统21和图像光生成装置11相对于半透射镜23和凹面镜24的配置关系也与折返镜22相同，但是，受到投射光学系统21的长度等尺寸上的限制。优选投射光学系统21和图像光生成装置11配置于被夹持在半透射镜23的假想的延长平面P21与针对凹面镜24设定的假想的铅垂圆筒状曲面P11之间的截面为楔形的空间内，但是，在这不容易实现的情况下，优选从图像光生成装置11的显示面11a延伸到折返镜22的投射光轴AX0配置于延长平面P21与铅垂圆筒状曲面P11之间。更优选投射光学系统21和图像光生成装置11配置于针对半透射镜23设定的铅垂平面P22与针对凹面镜24设定的近似曲面P12之间，但是，在这不容易实现的情况下，优选从显示面11a延伸到折返镜22的投射光轴AX0配置于铅垂平面P22与近似曲面P12之间。

构成折返镜22的第1镜22a和第2镜22b以避免遮挡凹面镜24的有效区域EA1和半透射镜23的有效区域EA2的方式配置。例如，关于有效区域EA1，在半透射镜23的附近用虚线示出。具体而言，从侧面观察，第2镜22b的位置配置于比由有效区域EA1、有效区域EA2和半透射镜23反射的图像光ML的上下的最端部的视场角的光线形成的区域靠图像显示装置11或投射光学系统21侧。在光学设计上，容易向-Y侧降低构成折返镜22的第2镜22b，但是，当过度降低第2镜22b等时，妨碍相对于出射光瞳EP的视场。这样，折返镜22被配置成避免遮挡凹面镜24和半透射镜23的有效区域EA1、EA2，由此，能够防止过度降低折返镜22而在与凹面镜24和半透射镜23之间产生干扰。即，从佩戴者US的眼睛EY或出射光瞳EP观察，折返镜22配置成不会遮挡与影像区域对应的视场角。

对光路进行说明，来自图像光生成装置11的图像光ML以由投射光学系统21成像的方式进行会聚，由折返镜22的第1镜22a和第2镜22b依次反射，入射到半透射镜23。半透射镜23例如以50％左右反射后的图像光ML入射到凹面镜24，通过凹面反射面MC例如以50％左右以下的反射率反射。凹面镜24反射后的图像光ML入射到配置佩戴者US的眼睛EY或瞳孔的出射光瞳EP。在半透射镜23与第2镜22b之间形成有中间像II。中间像II适当放大了形成于图像光生成装置11的显示面11a的图像。通过凹面镜24后的外界光OL也入射到出射光瞳EP。即，佩戴HMD200的佩戴者US能够在外界像上重叠地看到基于图像光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，折返镜22配置于半透射镜23与凹面镜24之间，因此，能够防止折返镜22向凹面镜24的前方突出、或者向半透射镜23的背面方向突出，能够使光学系统整体紧凑，能够使虚像显示装置100小型化，能够实现小巧的外观。

[第2实施方式]

下面，对第2实施方式的虚像显示装置和嵌入该虚像显示装置中的光学单元进行说明。第2实施方式的虚像显示装置等对第1实施方式的虚像显示装置等的一部分进行变更，省略共通部分的说明。

图4是说明第2实施方式的虚像显示装置100的光学构造的图。在图4中，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。

该情况下，投射光学系统21的光轴即投射光轴AX0成为如下状态：从上方观察，相对于横向的X轴方向绕铅垂的Y轴向顺时针方向倾斜角度α0。与其对应地，第1镜22a或平面反射面MS1成为如下状态：在以相对于沿铅垂方向延伸的XY面绕Y轴倾斜45°的方向为基准的情况下，从上方观察，相对于基本配置的面SS绕Y轴向顺时针方向倾斜角度α1'＝α0/2。

在第2实施方式的虚像显示装置100和光学单元12中，图像光生成装置11和投射光学系统21被配置成，相对于包含半透射镜23的法线NL和与凹面镜24的轴线MX一致的出射光轴AXE的基准面(YZ面)的法线(与X轴平行的线)，投射光轴AX0在光路上游向半透射镜23侧(即-Z侧)倾斜。

以上，折返镜22配置于半透射镜23与凹面镜24之间。具体而言，第1镜22a和第2镜22b配置于被夹持在假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3而成的延长平面P21与沿铅垂Y方向假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的铅垂圆筒状曲面P11之间的截面为楔形的空间内。进而，为了满足更优选的条件，第1镜22a和第2镜22b配置于沿铅垂Y方向假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3的上端而成的铅垂平面P22与假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的二次近似曲面P12之间。

[第3实施方式]

下面，对第3实施方式的虚像显示装置和嵌入该虚像显示装置中的光学单元进行说明。第3实施方式的虚像显示装置等对第1实施方式的虚像显示装置等的一部分进行变更，省略共通部分的说明。

图5是说明第3实施方式的虚像显示装置100的光学构造的图。该情况下，折返镜22仅由单一的镜122a构成。镜122a的平面反射面MS12的法线向-X方向、-Y方向和-Z方向延伸。折返镜22使来自投射光学系统21的图像光ML向交叉方向反射。具体而言，投射光学系统21的投射光轴AX0沿X方向延伸，从折返镜22朝向半透射镜23的反射光轴AX2沿着YZ面设定为-Y方向与-Z方向之间的倾斜方向。

以上，折返镜22配置于半透射镜23与凹面镜24之间。具体而言，镜122a配置于被夹持在假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3而成的延长平面P21与沿铅垂Y方向假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的铅垂圆筒状曲面P11之间的截面为楔形的空间内。进而，镜122a配置于比沿铅垂Y方向假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3的上端而成的铅垂平面P22靠凹面镜24侧的位置。

[第4实施方式]

下面，对第4实施方式的虚像显示装置和嵌入该虚像显示装置中的光学单元进行说明。第4实施方式的虚像显示装置等对第1实施方式的虚像显示装置等的一部分进行变更，省略共通部分的说明。

图6是说明第4实施方式的虚像显示装置1100的光学构造的图。在图6中，第1区域CR1是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图，第2区域CR2是说明标准的虚像显示装置2100的光学构造的图。

如图6的第1区域CR1所示，虚像显示装置1100具有图像光生成装置11和光学单元12，光学单元12具有投射光学系统21、折返镜22、半透射镜23和凹面镜24，这点与第1实施方式的虚像显示装置100相同。但是，在虚像显示装置1100中，使图像光入射到凹面镜24并反射的出射光轴AXE设定为相对于在出射光瞳EP的位置处与铅垂线正交的水平面HP，朝向凹面镜24以规定角度朝向下侧。具体而言，从出射光瞳EP的中心朝向凹面镜24的出射光轴AXE设定为相对于水平的+Z轴以大约10°朝向下侧。这里，出射光轴AXE在与凹面镜24相交的交点处稍微倾斜，不与凹面镜24的法线即轴线MX平行。即，虚像显示装置1100成为稍微偏轴的光学系统或偏芯光学系统。在本实施方式的虚像显示装置1100的情况下，使半透射镜23进一步竖立10°，进一步减小半透射镜23的倾斜角度α3。而且，如上所述，虚像显示装置1100在出射光轴AXE向前方斜下方向延伸的前提下进行光学设计，因此，折返镜22等的配置也容易收敛于凹面镜24与半透射镜23之间，并且，能够减薄光学单元12的前后方向的厚度w1。第1区域CR1中利用虚线示出的标准的虚像显示装置2100与第2区域CR2中利用实线示出的虚像显示装置2100相同。在标准的虚像显示装置2100的情况下，光学单元12的前后方向的厚度w2相对变厚。

另外，关于标准的虚像显示装置2100，光学单元12具有投射光学系统21、折返镜222、半透射镜223和凹面镜224，这点与虚像显示装置1100是共通的。但是，在虚像显示装置2100的情况下，考虑显示的简洁性，设为不折曲反射光轴AX1而使其与投射光学系统21的光轴一致的光学系统进行显示。

在以上的虚像显示装置1100中，折返镜22配置于半透射镜23与凹面镜24之间。具体而言，第1镜22a和第2镜22b配置于被夹持在假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3而成的延长平面P21与沿铅垂Y方向假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的铅垂圆筒状曲面P11之间的截面为楔形的空间内。进而，为了满足更优选的条件，第1镜22a和第2镜22b配置于沿铅垂Y方向假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3的上端而成的铅垂平面P22与假想地延长凹面镜24的上端外侧而成的二次近似曲面P12之间。

[第5实施方式]

下面，对第5实施方式的虚像显示装置和嵌入该虚像显示装置中的光学单元进行说明。第5实施方式的虚像显示装置等对第1实施方式的虚像显示装置等的一部分进行变更，省略共通部分的说明。

图7是说明第5实施方式的虚像显示装置100的光学构造的图。该情况下，使第1实施方式的虚像显示装置100上下反转。其结果，图像光生成装置11、投射光学系统21和折返镜22配置于半透射镜23和凹面镜24的下端以下。

以上，折返镜22配置于半透射镜23与凹面镜24之间。具体而言，第1镜22a和第2镜22b配置于被夹持在向下侧假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3而成的延长平面P21与沿铅垂-Y方向假想地延长凹面镜24的下端外侧而成的铅垂圆筒状曲面P11之间的向下侧扩展的截面为楔形的空间内。进而，为了满足更优选的条件，第1镜22a和第2镜22b配置于沿铅垂-Y方向假想地延长半透射镜23的平面反射面MS3的下端而成的铅垂平面P22与假想地延长凹面镜24的下端外侧而成的二次近似曲面P12之间。

[变形例及其他]

以上按照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实施，例如还能够进行以下这种变形。

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，使用有机EL元件等自发光型显示器件或LCD及其他光调制元件，但是，取而代之，还能够是使用组合了激光光源和多面镜等扫描仪而成的激光扫描仪的结构。即，针对激光视网膜投影型头戴显示器，也能够应用本发明。

在图2、图3等中，第2镜22b与凹面镜24分开地配置，但是，通过在第2镜22b的配置和角度的调整等方面下工夫，还能够以从凹面镜24向上侧连续的方式进行连结。该情况下，外观部件103能够设为包含凹面镜24或第2镜22b的一体部件。

能够在凹面镜24的外界侧安装通过限制凹面镜24的透过光来进行调光的调光器件。调光器件例如电动地调整透过率。作为调光器件，能够使用镜液晶、电子遮光板、电致变色发光元件等。调光器件可以是根据外光照度对透过率进行调整的器件。在通过调光器件遮断外界光OL的情况下，能够仅看到不受外界像的作用的虚像。此外，本申请发明的虚像显示装置能够应用于遮断外光而仅看到图像光的所谓封闭型的头部搭载型显示装置(HMD)。该情况下，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产品。

以上，以虚像显示装置100佩戴于头部进行使用为前提，但上述虚像显示装置100还能够用作不佩戴于头部而像望远镜那样观察的手持显示器。即，在本发明中，头戴显示器还包括手持显示器。

具体方式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，其使来自投射光学系统的图像光向交叉方向反射；半透射镜，其使来自折返镜的图像光的一部分反射；以及凹面镜，其使被半透射镜反射后的图像光朝向半透射镜反射，形成出射光瞳，折返镜配置于半透射镜与凹面镜之间。

在上述虚像显示装置中，折返镜配置于半透射镜与凹面镜之间，因此，能够防止折返镜向凹面镜的前方突出、或者向半透射镜的背面方向突出，能够使光学系统整体紧凑，能够使虚像显示装置小型化，能够实现小巧的外观。

在具体方面，半透射镜被配置成铅垂轴和半透射镜所成的角度小于45°。该情况下，能够避免成为半透射镜以凹面镜为基准向背面方向大幅突出的配置，能够避免光学系统的前后方向上的厚度增大。

在另一个方面，折返镜以避免遮挡凹面镜和半透射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与凹面镜和半透射镜之间产生干扰。

在又一个方面，图像光生成装置和投射光学系统被配置成，投射光轴相对于基准面的法线向半透射镜侧倾斜，基准面包含半透射镜的法线和凹面镜的轴线。该情况下，容易沿着面部配置图像光生成装置等，容易使虚像显示装置成为适于面部的形状和配置。

在又一个方面，使图像光入射到凹面镜并反射的出射光轴被设定为相对于在出射光瞳的位置处与铅垂线正交的水平面，朝向凹面镜以规定角度朝向下侧。这应对了人的视线在比水平方向靠下侧稍微向下看的状态下是稳定的情况。

具体方式的光学单元具有：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，其使来自投射光学系统的图像光向交叉方向反射；半透射镜，其使来自折返镜的图像光的一部分反射；以及凹面镜，其使被半透射镜反射后的图像光朝向半透射镜反射，形成出射光瞳，折返镜配置于半透射镜与凹面镜之间。

在上述光学单元中，折返镜配置于半透射镜与凹面镜之间，因此，能够防止折返镜向凹面镜的前方突出、或者向半透射镜的背面方向突出，能够使光学系统整体紧凑，能够使光学单元小型化。

Claims (7)

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；

第1镜，其使来自所述投射光学系统的所述图像光向交叉方向反射；

第2镜，其使由所述第1镜反射后的所述图像光向交叉方向反射；

半透射镜，其使来自所述第2镜的所述图像光的一部分反射；以及

凹面镜，其使被所述半透射镜反射后的所述图像光朝向所述半透射镜反射，形成出射光瞳，

将从由所述第1镜反射后的所述图像光的光轴与所述第2镜的交点朝向出射光轴的方向设为第1方向，所述出射光轴是从所述凹面镜朝向所述出射光瞳的光轴，

从所述第1方向观察时，所述第1镜和所述第2镜配置于所述半透射镜与所述凹面镜之间，

使所述图像光入射到所述凹面镜并反射的所述出射光轴被设定为相对于在所述出射光瞳的位置处与铅垂线正交的水平面，朝向所述凹面镜以规定角度朝向下侧。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述半透射镜被配置成铅垂轴和所述半透射镜所成的角度小于45°。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述第1镜和所述第2镜以避免遮挡所述凹面镜和所述半透射镜的有效区域的方式配置。

4.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述图像光生成装置和所述投射光学系统被配置成，所述投射光学系统的光轴即投射光轴相对于基准面的法线向所述半透射镜侧倾斜，所述基准面包含所述半透射镜的法线和所述凹面镜的轴线。

5.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述第1镜和所述第2镜配置于沿所述第1方向向所述投射光学系统侧假想地延长了所述半透射镜而成的第1假想延长面与沿所述第1方向向所述投射光学系统侧假想地延长了所述凹面镜而成的第2假想延长面之间。

6.一种光学单元，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；

第1镜，其使来自所述投射光学系统的所述图像光向交叉方向反射；

第2镜，其使由所述第1镜反射后的所述图像光向交叉方向反射；

半透射镜，其使来自所述第2镜的所述图像光的一部分反射；以及

凹面镜，其使被所述半透射镜反射后的所述图像光朝向所述半透射镜反射，形成出射光瞳，

将从由所述第1镜反射后的所述图像光的光轴与所述第2镜的交点朝向出射光轴的方向设为第1方向，所述出射光轴是从所述凹面镜朝向所述出射光瞳的光轴，

从所述第1方向观察时，所述第1镜和所述第2镜配置于所述半透射镜与所述凹面镜之间，

使所述图像光入射到所述凹面镜并反射的所述出射光轴被设定为相对于在所述出射光瞳的位置处与铅垂线正交的水平面，朝向所述凹面镜以规定角度朝向下侧。

7.根据权利要求6所述的光学单元，其中，

所述第1镜和所述第2镜配置于沿所述第1方向向所述投射光学系统侧假想地延长了所述半透射镜而成的第1假想延长面与沿所述第1方向向所述投射光学系统侧假想地延长了所述凹面镜而成的第2假想延长面之间。