CN114063297B - 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，防止在正面射出图像光而从外部看到显示中的影像。虚像显示装置具有：图像光生成装置(11)；透射倾斜镜(23)，其对来自图像光生成装置(11)的图像光(ML)进行反射；以及凹面透射镜(24)，其将由透射倾斜镜(23)反射后的图像光(ML)朝向透射倾斜镜(23)反射而形成射出光瞳(EP)，凹面透射镜(24)在与透射倾斜镜(23)对置的内侧具有部分反射膜(24b)，该部分反射膜(24b)具有波长分布。

Description

虚像显示装置和光学单元

技术领域

本发明涉及透视(see-through)型的虚像显示装置，特别涉及由透射倾斜镜反射图像光而使其入射到凹面透射镜并隔着透射倾斜镜观察来自凹面透射镜的反射光的类型的虚像显示装置和光学单元。

背景技术

作为具备透射反射面和凹面镜的虚像显示装置，例如存在具备组装有透射反射面的棱镜部件的虚像显示装置(参照专利文献1)。记载了如下技术：在该装置中，利用棱镜部件的全反射面朝向透射反射面全反射并引导入射到棱镜部件的图像光，并且利用透射反射面将图像光朝向配置在棱镜部件前方的凹面镜反射。

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，由于在正面射出图像光，所以存在从外部看到显示中的影像的问题。

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；透射倾斜镜，其对来自图像光生成装置的图像光进行反射；以及凹面透射镜，其将由透射倾斜镜反射后的图像光朝向透射倾斜镜反射而形成射出光瞳，凹面透射镜在与透射倾斜镜对置的内侧具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布。

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图。

图2是说明图1的虚像显示装置的构造的示意性立体图。

图3是图1的虚像显示装置的侧剖视图和部分截面俯视图。

图4是说明凹面透射镜的放大剖视图。

图5是说明图像光的波长特性和部分反射膜的反射特性的图。

图6是说明第2实施方式中的部分反射膜的反射特性等的图。

图7是说明第3实施方式中的凹面透射镜的放大剖视图。

图8是说明第3实施方式中的部分反射膜的反射特性等的图。

图9是说明第4实施方式中的部分反射膜的反射特性等的图。

图10是说明第5实施方式中的凹面透射镜等的放大剖视图。

图11是说明遮罩的配置的主视图。

图12是说明第6实施方式的虚像显示装置的构造的示意性立体图。

图13是图12的虚像显示装置的侧剖视图和部分截面俯视图。

图14是说明第7实施方式的虚像显示装置的构造的示意性立体图。

图15是说明第8实施方式的虚像显示装置的主视图。

标号说明

11：图像光生成装置；12：光学单元；13：显示控制电路；21：投射光学系统；22：折返镜；23：透射倾斜镜；24、124、224：凹面透射镜；24a、124a：板状体；24b：部分反射膜；24c：防反射膜；42：射出光吸收部件；45：射出光吸收膜；51：遮罩；51c：部分反射膜；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；AX：光轴；AXE：射出光轴；BL：蓝色成分；GL：绿色成分；RL：红色成分；EP：射出光瞳；EY：眼睛；II：中间像；LE：泄漏光；MC：部分反射面；ML：图像光；OL：外界光；OS：第三方；RA：反射特性部分；RB：透射特性部分；RI：显示波长区域；RJ：其他波长区域；US：佩戴者。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，参照图1～4等，对本发明的第1实施方式的虚像显示装置以及组装于该虚像显示装置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的佩戴状态的图，HMD 200使佩戴该头戴式显示器的观察者或者佩戴者US识别作为虚像的影像。在图1等中，X、Y以及Z是正交坐标系，+X方向与佩戴HMD 200或者虚像显示装置100的观察者或者佩戴者US的双眼EY排列的横向对应，+Y方向相当于与对于佩戴者US而言的双眼EY排列的横向垂直的上方，+Z方向相当于对于佩戴者US而言的前方或者正面方向。±Y方向与铅直轴或铅直方向平行。

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、支承显示装置100A、100B的镜腿状的一对支承装置100C。第1显示装置100A由配置于上部的显示驱动部102和以眼镜镜片状覆盖眼前的外观部件103构成。第2显示装置100B也同样地由配置于上部的显示驱动部102和以眼镜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，之后，将右眼用的第1显示装置100A作为代表的虚像显示装置100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的侧剖视图，第2区域AR2是表示沿着图像光生成装置11和光学单元12的光路的部分截面的俯视图。

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以及显示控制电路13。但是，在本说明书中，从实现光学功能的观点来看，将除显示控制电路13以外的装置也称为虚像显示装置100。图像光生成装置11和显示控制电路13被支承在图1所示的显示驱动部102的外框内，光学单元12的一部分也被支承在显示驱动部102的外框内。

图像光生成装置11是自发光型的显示设备。图像光生成装置11例如是微型LED显示器，在2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不限于微型LED显示器，还能够置换为使用了有机EL(有机电致发光，Organic Electro-Luminescence)、无机EL、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等的显示设备。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等光调制元件构成，通过利用背光源这样的光源对该光调制元件进行照明来形成图像。作为图像光生成装置11，也可以代替LCD而使用LCOS(Liquid crystal onsilicon，硅基液晶，LCoS是注册商标)、数字微镜器件等。

如图2以及图3所示，光学单元12具有投射光学系统21、透射倾斜镜23以及凹面透射镜24。凹面透射镜24中的透射镜一词是指使光部分透过的反射镜。在此，从图像光生成装置11到投射光学系统21的光路配置在透射倾斜镜23的上侧。更具体而言，图像光生成装置11、投射光学系统21配置于被夹在延长了透射倾斜镜23的倾斜平面和将凹面透射镜24的上端向上方延长的铅直面之间的空间。

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在以成像的方式会聚后入射到透射倾斜镜23。即，投射光学系统21在光路上配置于图像光生成装置11与透射倾斜镜23之间。投射光学系统21具有第1透镜系统21a、折返镜21b和第2透镜系统21c。第1透镜系统21a在图3所示的例子中包含2个透镜21f、21g，但能够由1个或3个以上的透镜构成。第2透镜系统21c在图3所示的例子中包含1个透镜21i，但能够由2个以上的透镜构成。透镜21f、21g、21i可以是球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜等中的任意透镜。折返镜21b是平板状的光学部件，具有平面反射面MS1。折返镜21b的平面反射面MS1由金属膜或电介质多层膜构成。平面反射面MS1通过利用蒸镀等在平板面上形成由例如Al、Ag这样的金属等材料形成的单层膜或由多层膜所构成的反射膜而得到。折返镜21b使光轴AX在YZ面内向小于90°的锐角方向弯折。经过第1透镜系统21a向前方即+Z方向前进的图像光ML通过折返镜21b向作为斜后下方向的-Y方向和-Z方向之间的方向弯折，并经过第2透镜系统21c入射到透射倾斜镜23。

透射倾斜镜23是平板板状的光学部件，具备具有透射性的平面反射面MS2。透射倾斜镜23是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上形成金属膜或电介质多层膜作为透射反射膜的结构，该透射反射膜作为平面反射面MS2发挥功能。平面反射面MS2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。透射倾斜镜23将光轴AX向在YZ面内大致垂直的方向弯折。经过投射光学系统21的第1透镜系统21a而相对于作为下方的-Y方向稍微向后方倾斜行进的图像光ML被透射倾斜镜23向相对于作为前方的+Z方向稍微向下方倾斜的方向弯折，并入射到凹面透射镜24。透射倾斜镜23配置在凹面透射镜24与配置眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP之间，覆盖射出光瞳EP。透射倾斜镜23能够直接或间接地固定于图1所示的显示驱动部102的外框，能够成为适当地设定了相对于凹面透射镜24等的配置关系的状态。

透射倾斜镜23或平面反射面MS2在以沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，成为从-X侧观察绕X轴沿逆时针方向倾斜了角度θ＝20～40°左右的状态(参照图3的横剖视图)。如上所述，透射倾斜镜23被配置为作为铅直轴的Y轴与透射倾斜镜23所成的角度小于45°。假设在Y轴与透射倾斜镜23所成的角度大于45°时，透射倾斜镜23成为从标准塌下的状态，透射镜在Z轴方向上的厚度增大，而在Y轴与透射倾斜镜23所成的角度小于45°时，透射倾斜镜23成为比标准立起的状态，透射镜在Z轴方向上的厚度减小。即，通过如本实施方式那样使Y轴与透射倾斜镜23所成的角度小于45°，能够避免成为透射倾斜镜23以凹面透射镜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在前后Z方向上的厚度增大。

凹面透射镜24是朝向射出光瞳EP具有凹形状的光学部件，具备具有透射性的部分反射面MC。凹面透射镜24具有光会聚功能，对由透射倾斜镜23反射并发散的图像光ML进行准直，并经由透射倾斜镜23使其入射至射出光瞳EP。凹面透射镜24朝向射出光瞳EP具有凹面，作为具有使凹面朝向外界反转的凸面的结果，在弯曲的同时具有同样的厚度。凹面透射镜24的板状体24a是决定凹面透射镜24的外形的基材。板状体24a具有使光实质上不损失地透过的透射性。在板状体24a的一个面24r上，形成金属膜或电介质多层膜作为部分反射膜，该部分反射膜作为凹形的部分反射面MC发挥功能。部分反射面MC不限于球面，可以是非球面或其他轴对称的曲面。凹面透射镜24对由透射倾斜镜23反射而向前方行进的图像光ML进行反射而使其返回透射倾斜镜23，并且使其部分地透过了透射倾斜镜23而会聚到射出光瞳EP。从透射倾斜镜23朝向凹面透射镜24的射出光轴AXE与由凹面透射镜24折回并朝向射出光瞳EP的光轴AX一致。图像光ML从相对于凹面透射镜24的部分反射面MC的整体接近垂直的方向入射，成为光学对称性高的光。凹面透射镜24在外界侧覆盖透射倾斜镜23。透射倾斜镜23配置在凹面透射镜24与配置眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP之间，覆盖射出光瞳EP。在图示的光学系统中，射出光轴AXE相对于作为前方的+Z方向朝下倾斜10°左右而延伸，射出光轴AXE是从透射倾斜镜23朝向凹面透射镜24的轴线，也是从凹面镜24朝向射出光瞳EP的中心的轴线。通过使射出光轴AXE相对于作为水平轴的Z轴在前方侧向下10°左右，能够降低观察虚像的佩戴者US的眼睛EY的疲劳。

部分反射面MC可以是自由曲面，但通过形成轴对称的曲面，容易使部分反射面MC具有目标反射特性。

凹面透射镜24被组装为构成图1所示的透射性的外观部件103的一部分。即，通过在凹面透射镜24的周围以扩展的方式设置具有透射性或不具有透射性的板状部件，能够形成包含凹面透射镜24的外观部件103。外观部件103不限于眼镜镜片状的部件，能够形成各种轮廓或外观。

若对光路进行说明，则来自图像光生成装置11的图像光ML被投射光学系统21在以成像的方式会聚的同时弯折，并入射到透射倾斜镜23。被透射倾斜镜23反射了例如50％左右的图像光ML入射到凹面透射镜24并被部分反射面MC反射。由凹面透射镜24反射后的图像光ML通过透射倾斜镜23，入射到配置有佩戴者US的眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP。在此，射出光瞳EP是设想配置眼睛EY的光学单元12的眼点，来自图像光生成装置11的显示面11a的各点的光以能够观察虚像的角度集中在一处的方式入射。在透射倾斜镜23与投射光学系统21之间形成有中间像II。中间像II将形成于图像光生成装置11的显示面11a的图像适当放大。通过了凹面透射镜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到基于图像光ML的虚像。

另外，凹面透射镜24使外界光OL通过但使图像光ML也稍微通过，因此在凹面透射镜24的正面产生泄漏光LE。假设泄漏光LE的强度高，则处于佩戴者US周围的第三方OS能够观察显示于图像光生成装置11的显示面11a的图像的一部分PI(参照图1)。与此相对，在本实施方式中，如后述那样在凹面透射镜24中部分反射面MC抑制泄漏光LE，避免了图像的一部分PI能被第三方OS观察到的情况。

以下，参照图4对凹面透射镜24的构造进行说明。凹面透射镜24包含：作为维持整体形状的支承体的板状体24a；形成于板状体24a的内侧(图3中的射出光瞳EP侧)的部分反射膜24b；以及形成于板状体24a的外界侧的防反射膜24c。

从确保形状上的强度的观点出发，凹面透射镜24或板状体24a具有1mm以上的厚度，但从轻量化的观点出发，优选具有2mm以下的厚度。板状体24a由具有透光性的树脂材料例如通过注塑成型而形成。

部分反射膜24b作为部分反射面MC发挥功能，以期望的反射率反射图像光ML。部分反射膜24b被称为带反射滤波器或陷波滤波器，在多个波段中提高了反射率。部分反射膜24b可以由电介质多层膜形成。具体而言，在板状体24a的第1面2a上，以基于光学设计的膜厚层叠多种金属氧化膜。由此，在相当于图像光ML的波长范围的RGB的显示波长区域中，能够使部分反射膜24b的反射率接近100％，能够通过部分反射膜24b不浪费地反射图像光ML。另一方面，在相当于图像光ML的波长欠缺的可见区域的其他波长区域中，能够使部分反射膜24b的反射率大致等于0％，能够尽可能地避免外界光OL被部分反射膜24b遮挡。另外，部分反射膜24b不需要直接形成在板状体24a上，例如也可以用硬涂膜覆盖板状体24a，在其上形成部分反射膜24b。

部分反射膜24b不限于如上所述的电介质多层膜，也可以由与金属膜复合的多层膜形成。

图5是说明从图像光生成装置11射出的图像光ML的波长特性和部分反射膜24b的反射特性的图。在该图表中，横轴表示波长(nm)，纵轴表示反射率(％)或光强度(任意单位)。另外，为了便于说明，使各色的光强度的峰值相等，但并不表示各色的实际光强度相等。即，RGB的实际光强度具有互不相同的峰值。

从图像光生成装置11射出的图像光ML具有依赖于构成图像光生成装置11的微型LED的发光特性的波长分布特性。图像光ML在RGB的各色的显示波长区域RI中具有规定以上的强度。另一方面，从图像光生成装置11射出的图像光ML在除了显示波长区域RI以外的可见区域的其他波长区域RJ中具有规定以下的强度。具体而言，图像光ML的蓝色成分BL的显示波长区域RI为波长427～472nm，图像光ML的绿色成分GL的显示波长区域RI为波长512～557nm，图像光ML的红色成分RL的显示波长区域RI为波长594～638nm。显示波长区域RI例如能够以图像光ML的峰值的半值为基准来定义，但不限于此，也能够以峰值的例如30％为基准。

部分反射膜24b的反射特性在RGB的各显示波长区域RI中，具有包含反射率的最大值且发挥作为反射膜的功能的反射特性部分RA。部分反射膜24b的反射率在各显示波长区域RI中，在反射特性部分RA中被设定为80～90％左右的反射率，在RGB间或其外侧的其他波长区域RJ中被设定为0％～几％。这意味着部分反射膜24b具有波长分布，与图像光ML对应的显示波长区域RI中的反射率比除显示波长区域RI以外的可见区域的其他波长区域RJ的反射率高。在图示的例子中，反射特性部分RA中的反射率随着波长而变动，但也可以是变动较大的特性或变动少的平坦或均匀的特性。另外，除了反射特性部分RA以外的反射特性部分RB的反射率无需为接近0％的均匀的反射率，也可以在反射率接近0％的范围内伴随波长而变动。作为调整部分反射膜24b的反射率、透射率的方法，例如能够举出对构成部分反射膜24b的电介质多层膜的层数进行增减调整、将电介质多层膜的膜厚的所设计的适当值相对于波长λ例如设为λ/4而从这样的适当值稍微偏移、成膜方法或成膜条件的调整等。

另外，优选部分反射膜24b的反射率在RGB的显示波长区域RI的整体中被设定为80～90％左右以上，但在显示波长区域RI的端部也可以降低。在图示的实施例中，在显示波长区域RI的两端，部分反射膜24b的反射率也降低为零。即，从抑制图像光ML的泄漏的观点出发，优选反射特性部分RA的波长宽度Δλ接近显示波长区域RI的波长宽度，但从降低外界光OL的衰减的观点出发，比RGB各色的显示波长区域RI的波长宽度稍窄。显示波长区域RI的波长宽度依赖于构成图像光生成装置11的发光元件的发光特性，具体而言，例如调整为30nm～50nm，反射特性部分RA的波长宽度Δλ也取决于部分反射膜24b的性能，具体而言，例如设定为10nm～30nm。各色图像光ML的反射率需要考虑反射特性部分RA的反射率和反射特性部分RB的反射率。如本实施方式那样，在反射特性部分RA的波长宽度Δλ比显示波长区域RI窄、且在反射特性部分RB反射率实质上为零的情况下，波长宽度Δλ成为显示面11a即光源的有效的波长范围。另一方面，在反射特性部分RA的波长宽度Δλ比显示波长区域RI宽、且在反射特性部分RB反射率实质上为零的情况下，来自显示面11a即光源的光大致全部被利用。设3个反射特性部分RA中的反射率为α_B、α_G、α_R，它们的波长宽度为Δλ_B、Δλ_G、Δλ_R，除3个反射特性部分RA以外的4个反射特性部分RB中的反射率为α₁、α₂、α₃、α₄，它们的波长宽度为δλ₁、δλ₂、δλ₃、δλ₄，外界光的平均透射率通过{(100-α_B)×Δλ_B+(100-α_G)×Δλ_G+(100-α_R)Δλ_R}÷(Δλ_B+Δλ_G+Δλ_R)+{(100-α₁)×δλ₁+(100-α₂)×δλ₂+(100-α₃)×δλ₃+(100-α₄)×λ₄}÷(δλ₁+δλ₂+δλ₃+δλ₄)给出。

在图像光生成装置11由激光器阵列构成的情况下，与二极管阵列的情况相比，显示波长区域RI的波长宽度较窄。另外，在图像光生成装置11由有机EL阵列构成的情况下，与二极管阵列的情况相比，存在显示波长区域RI的波长宽度变宽的趋势。即使是使用了有机EL阵列的图像光生成装置11，通过调整附随于像素的滤色器的波长特性，也能够进行波长宽度的自如调整。

通过将部分反射膜24b的反射率设定为在显示波长区域RI中最大为80～90％左右以上，或者将反射特性部分RA设定为80～90％左右以上的反射率，能够使图像光ML大致无浪费地被实质性反射，提高了凹面透射镜24对图像光ML的反射效率。另外，部分反射膜24b的反射率在RGB间的其他波长区域RJ中被设定为大致0％，由此，图像光ML以外的光、例如外界光OL以较少的损失透过，提高了凹面透射镜24的透视性。另外，即使在部分反射膜24b的反射率在其他波长区域RJ中例如为10％～20％左右以下的低反射率的情况下，也视为实质上使图像光ML以外的光透过。

返回图4，防反射膜24c防止部分地通过部分反射膜24b的图像光ML逆行而形成重影。防反射膜24c是电介质多层膜。防反射膜24c通过在板状体24a的第2面2b上以基于光学设计的膜厚层叠多种金属氧化膜而形成。另外，防反射膜24c无需直接形成在板状体24a上，例如也可以用硬涂膜覆盖板状体24a，并在其上形成防反射膜24c。

在以上说明的第1实施方式的虚像显示装置100中，由于凹面透射镜24在与透射倾斜镜23对置的内侧具备具有波长分布的部分反射膜24b，因此能够抑制透过部分反射膜24b而向外界侧射出的图像光ML，使得从外部不易看到显示中的影像，信息泄漏的抑制效果提高。特别是，通过使部分反射膜24b具有波长分布，在对象波长以外还能够确保透射性，能够确保透视性。另外，通过使用透射倾斜镜23，与使用棱镜部件的情况相比，能够实现虚像显示装置100的光学系统的轻量化。

特别是在第1实施方式中，部分反射膜24b具有与图像光ML对应的显示波长区域RI中的反射率比其他波长区域RJ中的反射率高的特性，因此能够通过基于部分反射膜24b的反射，容易地进行图像光ML的观察，并且能够通过基于部分反射膜24b的透射，容易地进行外界光OL的观察。另外，在本实施方式中，部分反射膜24b实质上使其他波长区域RJ的光透过，因此能够在不影响图像光ML的波长区域中，尽可能地提高部分反射膜24b中的外界光OL的透射率。

[第2实施方式]

以下，对第2实施方式的虚像显示装置进行说明。第2实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

图6是说明第2实施方式的特征的图，是对第1实施方式的图5所示的部分反射膜24b的反射率施加了变更的图。部分反射膜24b的反射特性在RGB的各显示波长区域RI中，具有包含反射率的最大值且发挥作为反射膜的功能的反射特性部分RA，在RGB间或其外侧的其他波长区域RJ中，具有发挥作为透射膜的功能的透射特性部分RB。部分反射膜24b的反射率在各色的显示波长区域RI中被设定为80～90％左右(参照反射特性部分RA)，在RGB间或其外侧的其他波长区域RJ中被设定为20～70％左右(参照透射特性部分RB)。

在图示的例子中，在反射特性部分RA，反射率随着波长而变动，但也可以是变动更大的特性或变动更少的平坦的或均匀的特性。另外，在透射特性部分RB中，反射率也随着波长而变动，但也可以是变动更大的特性或变动更少的平坦的或均匀的特性。

部分反射膜24b的反射率在其他波长区域RJ中被设定为20～70％左右、或者在透射特性部分RB被设定为20～70％左右是指部分反射膜24b使其他波长区域RJ的光部分地透过而对其进行部分遮挡。在该情况下，成为在不影响图像光ML的波长区域中，确保部分反射膜中的外界光OL的透射率，从而确保了凹面透射镜24的透视性的结构。

在以上说明的第2实施方式的虚像显示装置100中，部分反射膜24b部分地遮挡其他波长区域RJ的光，因此能够在不影响图像光ML的波长区域中，确保部分反射膜24b中的外界光OL的透射率。

[第3实施方式]

以下，对第3实施方式的虚像显示装置进行说明。第3实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

图7是对组装于第3实施方式的虚像显示装置的凹面透射镜的构造进行说明的图。在图7中，第1区域BR1是对组装于第3实施方式的虚像显示装置的第1例的凹面透射镜124的构造进行说明的放大剖视图，第2区域BR2是对第2例的凹面透射镜224的构造进行说明的放大剖视图。

在图7的第1区域BR1所示的第1例中，板状体124a是射出光吸收部件42，抑制通过了部分反射膜24b的射出光向外界侧射出。通过板状体124a即射出光吸收部件42，能够进行使透射率成为例如1/2这样的任意的减光。射出光吸收部件42由在树脂的基材中分散有吸收剂的材料构成，具体而言，通过使树脂中含有具有约10～100nm的尺寸且由金属等构成的纳米粒子而形成。在此，分散在射出光吸收部件42中的纳米粒子只要是以RGB的3色平衡良好地吸收光的粒子，则能够进行维持了透射光的色调的减光。通过调整射出光吸收部件42中的纳米粒子的密度等，能够调整射出光吸收部件42的透射率。金属纳米粒子不限于单质金属，也可以是合金等。射出光吸收部件42不限于在树脂的基材中分散有纳米粒子的部件，也可以使用在树脂中混入了无机颜料或有机颜料的部件，在该情况下，能够通过颜料的选择、配合来进行调色。此外，也可以使用混入了碳纤维的树脂。

图8是说明组装于第3实施方式的虚像显示装置的凹面透射镜124的特性的图，是对第1实施方式的图5所示的部分反射膜24b的反射率施加了变更的图。在第3实施方式的情况下，部分反射膜24b的反射特性在RGB的各显示波长区域RI中，将发挥作为反射膜的功能的反射特性部分RA设定为20～70％左右的反射率。在该情况下，凹面透射镜124使各显示波长区域RI的外界光OL部分地透过，能够遍及整个波长区域地观察外界光OL。另一方面，透过部分反射膜24b而向外侧射出的图像光ML的强度也相对变大。因此，在射出光吸收部件42中，使配置于部分反射膜24b的外侧的板状体124a作为射出光吸收部件42发挥功能。通过该射出光吸收部件42，透过部分反射面MC射出到外界侧的图像光ML被减光，显示中的影像不易从外部看到。

在图8中，使RGB的各显示波长区域RI中的反射率一致，但也能够在RGB之间使反射率相对具有差异。

在图7的第2区域BR2所示的第2例中，凹面透射镜224具有：作为支承体的板状体24a；形成于板状体24a的内侧的部分反射膜24b；形成于板状体24a的外界侧的射出光吸收膜45；以及形成于射出光吸收膜45的外界侧的防反射膜24c。

射出光吸收膜45作为抑制通过了部分反射膜24b的射出光向外界侧射出的吸收膜而发挥功能。通过射出光吸收膜45，能够进行使透射率成为例如1/2这样的任意的减光。射出光吸收膜45例如能够通过在构成板状体24a的树脂的外界侧表面上形成金属薄膜而形成。金属薄膜例如以Ag、Cr、Al等金属或电介质材料为原材料，通过蒸镀或溅射而形成为多层膜。射出光吸收膜45例如也可以通过在构成板状体24a的树脂的外界侧表面浸渍染料而形成。通过浸渍多种染料，能够进行维持透射光的色调的减光。进而，射出光吸收膜45可以通过涂敷被着色为灰色的有机材料而形成，也可以通过粘贴被着色为灰色的聚酯等的树脂膜来形成。

另外，在射出光吸收膜45的外界侧面45a上形成有防反射膜24c。防反射膜24c能够在用硬涂膜覆盖射出光吸收膜45的基础上形成。

[第4实施方式]

以下，对第4实施方式的虚像显示装置进行说明。第4实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

图9是说明从组装于第4实施方式的虚像显示装置的图像光生成装置11射出的图像光ML的波长特性和凹面透射镜24的反射特性的图。关于从图像光生成装置11射出的图像光ML的波长，对于蓝色，在426nm～472nm的范围内，对于绿色，在522nm～568nm的范围内，对于红色，在650nm～704nm的范围内。即，各色的显示波长区域RI被设定为波长426nm～472nm、波长522nm～568nm以及波长650nm～704nm。与第1实施方式相比，将蓝色的中心波长维持为原来的状态，使绿色的中心波长以大约10nm的移位量向长波长侧移位，使红色的中心波长以大约60nm的移位量向长波长侧移位。与此对应，凹面透射镜24的部分反射膜24b在蓝色波长432nm～468nm、绿色波长526nm～564nm以及红色波长654nm～700nm处具有反射特性部分RA。

在信号灯中，蓝色灯以波长503nm为主波长，黄灯以波长592nm为主波长，红色灯以波长630nm为主波长。另一方，各色的波长根据规格有一些差异，但可以说紫为波长380～430nm、靛蓝为波长430～460nm、蓝为波长460～500nm、绿为波长500～570nm、黄为波长590～610nm、橙为波长590～610nm、红为波长610～780nm。为了不漏看信号灯的显示，需要使凹面透射镜24以充分的透射率透过作为灯颜色即透视确保波长的波长630nm、波长592nm以及波长503nm的光。因此，在本实施方式中，在使部分反射膜24b相对于透视确保波长移位的波长区域使反射率相对提高。可知如果是图9所示的反射特性的凹面透射镜24，则能够高效地使红灯、黄灯以及蓝灯的光透过，并且反射波长432nm～468nm的蓝色或者靛蓝色，反射波长526nm～564nm的绿色，反射波长654nm～700nm的红色。在图示的例子中，图像光生成装置11的显示波长区域RI或者凹面透射镜24的反射特性部分RA的波长区域相对于信号灯的显示波长具有20nm左右的差，能够根据反射对图像光的显示色和信号灯的灯颜色进行分类。图像光生成装置11的显示波长区域RI或凹面透射镜24的反射特性部分RA的波长区域优选设定为从信号灯的灯颜色的主波长以10nm～30nm左右的移位量移位后的波长区域。

以上，对信号灯考虑了凹面透射镜24的反射特性，但也能够使凹面透射镜24具有使与其他警报等关联的特定颜色的光透过的功能。

[第5实施方式]

以下，对第5实施方式的虚像显示装置进行说明。第5实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

参照图10，对组装于第5实施方式的虚像显示装置的光学单元512进行说明。图10是说明光学单元512中的凹面透射镜24的周边的放大剖视图。

在凹面透射镜24的外界侧配置有遮罩51。遮罩51可拆装地固定于图1所示的设置为显示驱动部102的眼镜框架状的部分，并以与凹面透射镜24分离对置的状态配置。凹面透射镜24具有与在第1实施方式或第3实施方式中说明的构造相同的构造。

凹面透射镜24的构造与图4所示的构造相同，具有例如图6所示的反射特性。

遮罩51具有作为支承体的板状体51a、形成于板状体51a的内侧的防反射膜51b以及形成于板状体51a的外界侧的部分反射膜51c。部分反射膜51c抑制外界光OL中具有与图像光ML相同波长的光入射到凹面透射镜24。部分反射膜51c的反射率的波长特性与凹面透射镜24的部分反射膜24b的反射率的波长特性相同。具体而言，部分反射膜24b被设定为，在RGB的各显示波长区域RI中，具有超过70％的高反射率，在RGB间或其外侧的其他波长区域RJ中，具有20～70％左右的透射性的反射率。部分反射膜24b在各显示波长区域RI不完全遮挡外界光OL而产生一些泄漏光。部分反射膜51c抑制显示波长区域RI的外界光OL入射到部分反射膜24b和使其透过的情况。通过部分反射膜51c，能够更可靠地防止外界光OL妨碍图像光ML的观察的现象。部分反射膜51c使通过了部分反射膜24b的图像光ML衰减，抑制图像光ML向外界的泄漏。

在遮罩51中，板状体51a也可以如图7所示的板状体124a那样作为射出光吸收部件42发挥功能。通过作为射出光吸收部件42发挥功能的板状体51a，能够进一步限制外界光OL、图像光ML的通过。

在遮罩51中，能够与图7所示的凹面透射镜224同样地在板状体51a的外界侧设置射出光吸收膜45。通过射出光吸收膜45，能够进一步限制外界光OL的通过。

如图11所示，遮罩51可拆装地固定于设置为显示驱动部102的框架状的部分。遮罩51整体地覆盖包含凹面透射镜24在内的外观部件103。结果，遮罩51设置在覆盖形成于凹面透射镜24的内侧的部分反射膜24b或板状体24a的区域。在凹面透射镜24设置有部分反射膜24b的情况下，遮罩51设置于覆盖该部分反射膜24b的区域。这样，通过遮罩51完全覆盖部分反射膜24b，由此从外部更不易看到图像光ML。另外，在部分反射膜24b未形成于凹面透射镜24的整个区域的情况下，也能够使遮罩51覆盖与部分反射膜24b对置的狭窄区域。

[第6实施方式]

以下，对第6实施方式的虚像显示装置进行说明。第6实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

参照图12以及图13，对第6实施方式的虚像显示装置进行说明。图12是说明虚像显示装置100的构造的示意性立体图。在图13中，第1区域CR1是图像光生成装置11和光学单元612的侧视图，第2区域CR2是表示沿着图像光生成装置11和光学单元612的光路的部分截面的俯视图。

光学单元612具有透射倾斜镜23和凹面透射镜24。即，在第6实施方式的虚像显示装置中，在不形成中间像的情况下使图像光ML入射到凹面透射镜24。

若对光路进行说明，则来自图像光生成装置11的图像光ML入射到透射倾斜镜23。被透射倾斜镜23反射了例如50％左右的图像光ML入射到凹面透射镜24并被部分反射面MC反射。由凹面透射镜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。通过了凹面透射镜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到基于图像光ML的虚像。

在光学单元612中，凹面透射镜24的截面构造与图4、图7等所示的构造相同，在图像光ML的波长区域，反射率较高。另外，能够在凹面透射镜24的外界侧，以可拆装的方式配置图10所示的遮罩51。

[第7实施方式]

以下，对第7实施方式的虚像显示装置进行说明。第7实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

参照图14，对第7实施方式的虚像显示装置进行说明。光学单元712具有投射光学系统721、折返镜22、透射倾斜镜23和凹面透射镜24。即，在投射光学系统721与透射倾斜镜23之间配置有折返镜22。

折返镜22按照来自图像光生成装置11的光的光路顺序，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721的图像光ML向交叉方向反射。在第2反射镜22b的光射出侧配置有透射倾斜镜23。作为投射光学系统721的光轴的投射光轴AX0与横向的X轴方向平行地延伸。通过第1反射镜22a使光路从投射光轴AX0沿着反射光轴AX1弯折，利用第2反射镜22b使光路从反射光轴AX1沿着反射光轴AX2弯折。结果，在投射光学系统721的射出侧沿大致水平方向延伸的光轴在透射倾斜镜23的入射侧沿着接近铅直的方向延伸。

透射倾斜镜23在以沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，成为从-X侧观察绕X轴沿逆时针方向倾斜了角度θ＝20～40°左右的状态。从图像光生成装置11到折返镜22的光路配置在透射倾斜镜23的上侧。更具体而言，图像光生成装置11、投射光学系统21以及折返镜22配置于被夹在延长了透射倾斜镜23的倾斜平面与将凹面透射镜24的上端向上方延长的铅直面之间的空间。

在光学单元712中，凹面透射镜24的截面构造与图4、图7等所示的构造相同，在图像光ML的波长区域，反射率较高。另外，能够在凹面透射镜24的外界侧，以可拆装的方式配置图10所示的遮罩51。

[第8实施方式]

以下，对第8实施方式的虚像显示装置进行说明。第8实施方式的虚像显示装置等是部分地变更了第1实施方式的虚像显示装置的装置，省略对共同部分的说明。

参照图15，对第8实施方式的虚像显示装置进行说明。在本实施方式中，能够在凹面透射镜24中的与透射倾斜镜23对置的区域A1中，形成部分反射面MC。关于区域A1周围的区域A2、A3，能够形成使图像光ML的反射率相对于部分反射面MC逐渐减小的反射率转变区域。

[其他变形例]

以上，根据实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，例如也能够进行如下变形。

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，使用了微型LED显示器等自发光型的显示设备、LCD等光调制元件，但也可以取而代之，使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描仪的激光扫描仪。即，也能够对激光视网膜投影型的头戴式显示器应用本发明。

对于凹面透射镜24的部分反射膜24b，也可以由衍射光栅形成。在该情况下，与图像光ML对应的显示波长区域RI的反射率也比其他波长区域RJ的反射率高。

构成凹面透射镜24的板状体24a不限于树脂材料，也可以由玻璃或合成石英形成。

光学单元12可以是在透射倾斜镜23的前段包含导光体、棱镜、棱镜和反射镜的复合体等的光学系统。

具体的方式中的虚像显示装置具有：图像光生成装置；透射倾斜镜，其对来自图像光生成装置的图像光进行反射；以及凹面透射镜，其将由透射倾斜镜反射后的图像光朝向透射倾斜镜反射而形成射出光瞳，凹面透射镜在与透射倾斜镜对置的内侧具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布。

在上述虚像显示装置中，由于凹面透射镜在与透射倾斜镜对置的内侧具备具有波长分布的部分反射膜，因此能够抑制透过部分反射膜而向外界侧射出的图像光，从外部不易看到显示中的影像，信息泄漏的抑制效果提高。特别是，通过使部分反射膜具有波长分布，在对象波长以外还能够确保透射性，能够确保透视性。另外，通过使用透射倾斜镜，与使用棱镜部件的情况相比，能够实现虚像显示装置的光学系统的轻量化。

在具体的方面中，部分反射膜具有如下特性：与图像光对应的显示波长区域中的反射率比除显示波长区域以外的可见区域的其他波长区域中的反射率高。在该情况下，能够通过基于部分反射膜的反射而容易地进行图像光的观察，并且能够通过基于部分反射膜的透射而容易地进行外界光的观察。

在另一方面中，部分反射膜使其他波长区域的光实质透过。在该情况下，能够在不影响图像光的波长区域中，尽可能地提高部分反射膜中的外界光的透射率。

在又一方面中，部分反射膜部分地遮挡其他波长区域的光。在该情况下，能够在不影响图像光的波长区域中，确保部分反射膜中的外界光的透射率。

在又一方面中，部分反射膜在相对于透视确保波长移位后的波长区域中相对地提高了反射率。在该情况下，能够使图像光从通常的波长区域移位，在凹面透射镜中使与通常的图像光重叠的波长区域的外界光透过，能够防止妨碍获取被认为重要的信息。

在又一方面中，部分反射膜在以30nm以下的移位量相对于透视确保波长移位后的波长区域中相对地提高了反射率。

在又一方面中，凹面透射镜隔着支承部分反射膜的支承体而在部分反射膜的相反侧具有防反射膜。在该情况下，能够防止通过了部分反射膜的图像光在支承体的相反侧被反射，能够抑制重影的产生。

在又一方面中，凹面透射镜将图像光朝向透射倾斜镜反射而形成射出光瞳。

在又一方面中，在凹面透射镜的外界侧具有与凹面透射镜分离的遮罩。通过遮罩，能够抑制射出到外界侧的图像光。

在又一方面中，遮罩设置于覆盖凹面透射镜内侧所设置的部分反射膜的区域。

在又一方面中，遮罩具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布。通过部分反射膜，能够抑制射出到外界侧的图像光。

在又一方面中，凹面透射镜的厚度为2mm以下。在该情况下，能够使镜部件轻量化，从而能够实现虚像显示装置的光学系统的轻量化。

在又一方面中，从透射倾斜镜朝向凹面透射镜的射出光轴被设定为相对于水平轴在前方朝下。

在又一方面中，还具有折返镜，该折返镜将来自图像光生成装置的图像光朝交叉方向反射。在该情况下，能够容易地防止图像光生成装置或随之附带的光学元件向透射倾斜镜的上方或后方大幅伸出，使虚像显示装置小型化，由此能够实现智能的外观。

在又一方面中，还具有投射光学系统，该投射光学系统配置在图像光生成装置与透射倾斜镜之间，形成中间像。在该情况下，能够通过投射光学系统使图像光生成装置小型化并且提高图像质量。

在又一方面中，在不形成中间像的情况下使图像光入射到凹面透射镜。

具体的方式中的光学单元具有：透射倾斜镜，其对图像光进行反射；以及凹面透射镜，其将由透射倾斜镜反射后的图像光朝向透射倾斜镜反射而形成射出光瞳，凹面透射镜在与透射倾斜镜对置的内侧具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布。

在上述光学单元中，由于凹面透射镜在与透射倾斜镜对置的内侧具备具有波长分布的部分反射膜，因此能够抑制透过部分反射膜而向外界侧射出的图像光，从外部不易看到显示中的影像，信息泄漏的抑制效果提高。特别是，通过使部分反射膜具有波长分布，在对象波长以外还能够确保透射性，能够确保透视性。另外，通过使用透射倾斜镜，与使用棱镜部件的情况相比，能够实现虚像显示装置的光学系统的轻量化。

Claims (16)

1.一种虚像显示装置，其中，该虚像显示装置具有：

图像光生成装置；

透射倾斜镜，其对来自所述图像光生成装置的图像光进行反射；以及

凹面透射镜，其将由所述透射倾斜镜反射后的图像光朝向所述透射倾斜镜反射，

所述凹面透射镜在与所述透射倾斜镜对置的内侧具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布，

所述部分反射膜具有如下特性：与所述图像光对应的显示波长区域中的反射率比除所述显示波长区域以外的可见区域的其他波长区域中的反射率高，

在所述显示波长区域中具有包含反射率的最大值且发挥作为反射膜的功能的反射特性部分，

所述反射特性部分的波长宽度接近所述显示波长区域的波长宽度，且比所述显示波长区域的波长宽度窄，

在所述反射特性部分中被设定为80％～90％的反射率，在所述其他波长区域中被设定为大致0％的反射率。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述部分反射膜使所述其他波长区域的光实质透过。

3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述部分反射膜使所述其他波长区域的光部分透过。

4.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述部分反射膜在相对于透视确保波长移位后的波长区域中相对地提高了反射率。

5.根据权利要求4所述的虚像显示装置，其中，

所述部分反射膜在以30nm以下的移位量相对于所述透视确保波长移位后的波长区域中相对地提高了反射率。

6.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述凹面透射镜隔着支承所述部分反射膜的支承体而在所述部分反射膜的相反侧具有防反射膜。

7.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述凹面透射镜将所述图像光朝向所述透射倾斜镜反射而形成射出光瞳。

8.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

在所述凹面透射镜的外界侧具有与所述凹面透射镜分离的遮罩。

9.根据权利要求8所述的虚像显示装置，其中，

所述遮罩设置于覆盖所述凹面透射镜的内侧所设置的所述部分反射膜的区域。

10.根据权利要求8所述的虚像显示装置，其中，

所述遮罩具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布。

11.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述凹面透射镜的厚度为2mm以下。

12.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

从所述透射倾斜镜朝向所述凹面透射镜的射出光轴被设定为相对于水平轴在前方朝下。

13.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

该虚像显示装置还具有折返镜，该折返镜将来自所述图像光生成装置的图像光朝交叉方向反射。

14.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

该虚像显示装置还具有投射光学系统，该投射光学系统配置在所述图像光生成装置与所述透射倾斜镜之间，形成中间像。

15.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

在不形成中间像的情况下使图像光入射到所述凹面透射镜。

16.一种光学单元，其中，该光学单元具有：

透射倾斜镜，其对图像光进行反射；以及

凹面透射镜，其将由所述透射倾斜镜反射后的图像光朝向所述透射倾斜镜反射，

所述凹面透射镜在与所述透射倾斜镜对置的内侧具有部分反射膜，该部分反射膜具有波长分布，

所述部分反射膜具有如下特性：与所述图像光对应的显示波长区域中的反射率比除所述显示波长区域以外的可见区域的其他波长区域中的反射率高，

所述显示波长区域具有包含反射率的最大值且发挥作为反射膜的功能的反射特性部分，

所述反射特性部分的波长宽度接近所述显示波长区域的波长宽度，且比所述显示波长区域的波长宽度窄，

在所述反射特性部分中被设定为80％～90％的反射率，在所述其他波长区域中被设定为大致0％的反射率。