CN114428404B - 显示装置以及光学单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供显示装置以及光学单元，避免配置在透视反射镜的前级的光学要素或其里面的光学要素被垃圾或灰尘等污染。显示装置(100)具有：影像元件(11)；棱镜反射镜(22)，其使从影像元件(11)射出的图像光(ML)从光入射面入射并被内反射面反射而从光射出面(22c)射出；以及透视反射镜(23)，其使从棱镜反射镜(22)射出的图像光(ML)朝向光瞳位置(PP)反射，棱镜反射镜(22)将从前方入射的图像光(ML)以向相对于前方倾斜的方向折返的方式射出，包含影像元件(11)和棱镜反射镜(22)的影像源(10)的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗(153)覆盖。

Description

显示装置以及光学单元

技术领域

本发明涉及能够观察虚像的透视型的显示装置以及光学单元，特别涉及使来自影像源的图像光入射到透视反射镜并观察来自透视反射镜的反射光的类型的显示装置以及光学单元。

背景技术

作为透视型的显示装置，存在通过斜入射型的2片反射镜形成锯齿光路，使来自显示元件的图像光经由锯齿光路入射到使用者的眼睛的显示装置(参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2020-34722号公报

在上述专利文献1那样的透视型的显示装置中，由于需要确保目视外界的区域，因此光学部件的配置受到限制，特别是覆盖眼前的透视反射镜与其前级的光学要素分离地配置并露出，因此需要避免前级的光学要素及其里面的光学要素被垃圾、灰尘等污染。

发明内容

本发明的一个方面的显示装置具有：影像元件；棱镜反射镜，其使从影像元件射出的图像光从光入射面入射而被内反射面反射并且从光射出面射出；以及透视反射镜，其将从棱镜反射镜射出的图像光朝向光瞳位置反射，棱镜反射镜将图像光以向相对于入射方向倾斜的方向折返的方式射出，包含影像元件和棱镜反射镜的影像源的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗覆盖。

附图说明

图1是说明第1实施方式的显示装置的佩戴状态的外观立体图。

图2是说明显示装置的内部构造的侧剖视图。

图3A是说明透光部件相对于壳体的固定方法的局部放大剖视图。

图3B是说明变形例的固定方法的局部放大剖视图。

图3C是说明另一变形例的固定方法的局部放大剖视图。

图4是显示装置的侧剖视图以及局部剖视俯视图。

图5是说明在影像元件上形成的显示像的强制性歪曲的图。

图6是说明第2实施方式的显示装置的构造的侧剖视图。

图7是说明第3实施方式的显示装置的构造的侧剖视图。

图8是说明第4实施方式的显示装置的构造的侧剖视图。

图9是说明第5实施方式的显示装置的构造的侧剖视图。

标号说明

10：影像源；11：影像元件；11a：显示面；12：成像光学系统；13：显示控制电路；15：光学单元；21：投射透镜；21a：入射面；21b：射出面；22：棱镜反射镜；22a：光入射面；22b：内反射面；22c：光射出面；23：透视反射镜；23a：反射面；41、42、43：支承部件；51、451：壳体；52：框体；52a：开口；53、153：透光部件；55：粘接材料；61：支承板；100、100A、100B：显示装置；100C：支承装置；102：显示驱动部；103：外观部件；112：轴偏离光学系统；AX：光轴；AX1、AX2、AX3：光轴部分；ER：视环；EY：眼；IG0、IG1：投影像；IS：内部；ML：图像光；OL：外界光；OS：光路空间；P1、P2、P3：光路；PP：光瞳位置；US：佩戴者。

具体实施方式

〔第1实施方式〕

以下，参照图1～图3等，对本发明的第1实施方式的显示装置以及组装于该显示装置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的佩戴状态的图，HMD 200使佩戴该HMD 200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以及Z是垂直坐标系，+X方向与佩戴HMD 200或者显示装置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向，+Z方向相当于对于佩戴者US而言的前方向或者正面方向。±Y方向与铅垂轴或铅垂方向平行。

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以及支承显示装置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。在第1显示装置100A和第2显示装置100B中，显示驱动部102是形成影像的主要部分，也将显示驱动部102称为影像源10。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，以后，将右眼用的第1显示装置100A作为代表的显示装置100进行说明。

图2是说明显示装置100的光学构造的侧剖视图。如图所示，显示装置100具有影像元件11、成像光学系统12和显示控制电路13。但是，在本说明书中，从实现光学功能的观点出发，除去显示控制电路13而得的装置也称为显示装置100。影像元件11和显示控制电路13被支承在图1所示的显示驱动部102的外框即壳体51内，成像光学系统12的一部分也被支承在显示驱动部102的壳体51内。

影像元件11是自发光型的显示设备。影像元件11例如是微LED显示器，在2维的显示面11a上形成彩色的静态图像或动态图像。影像元件11沿着相对于XY面绕X轴稍微旋转而倾斜的xy面配置。影像元件11被显示控制电路13驱动而进行显示动作。影像元件11不限于微LED显示器，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。影像元件11不限于自发光型的图像光生成装置，也可以由LCD以及其他光调制元件构成，通过利用背光源那样的光源对该光调制元件进行照明来形成图像。作为影像元件11，也能够代替LCD而使用LCOS(Liquid crystal on silicon，LCoS为注册商标)、数字微镜器件等。

成像光学系统12具有投射透镜21、棱镜反射镜22以及透视反射镜23。在本实施方式中，从影像元件11到棱镜反射镜22的光路配置于比透视反射镜23的上端靠上侧的位置，但也可以在不遮挡入射到眼睛EY的图像光ML的光路的范围内配置于比透视反射镜23的上端局部地靠下的位置。即，影像元件11、投射透镜21以及棱镜反射镜22能够在不遮挡入射到眼睛EY的图像光ML的光路的范围内配置于比透视反射镜23的上端局部地靠下的位置。

投射透镜21将从影像元件11射出的图像光ML会聚成接近平行光束的状态。投射透镜21是单透镜，具有入射面21a和射出面21b。棱镜反射镜22具有光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c，使从投射透镜21射出的图像光ML入射到光入射面22a而被内反射面22b全反射并且从光射出面22c射出。此时，棱镜反射镜22以使从前方入射的图像光ML向相对于入射方向(从棱镜反射镜22观察的光源的方向)倾斜的方向折返的方式射出。在如本实施方式那样在纵向上偏心的光学系统的情况下，关于光路的前方包含相对于+Z方向处于上下45°左右的范围内的部分，相对于入射方向倾斜的方向包含相对于中间方向处于上下45°左右的范围内的部分，该中间方向相对于+Z方向和-Y方向成45°。透视反射镜23将从棱镜反射镜22射出的图像光ML朝向光瞳位置PP反射。光瞳位置PP是来自显示面11a上的各点的图像光ML按照规定的发散状态或平行状态从与显示面11a上的各点的位置对应的角度方向以重叠的方式入射的位置。包含图示的成像光学系统12的显示装置100的FOV(field of view：视场)例如为44°。基于显示装置100的虚像的显示区域为矩形，上述44°为对角方向。

投射透镜21和棱镜反射镜22与影像元件11一起收纳于壳体51。在本说明书中，关于影像元件11、投射透镜21和棱镜反射镜22组合而成的部件，也包含壳体51在内，将它们称为光学单元15。壳体51由遮光性的材料形成，在本实施方式的情况下，内置有使影像元件11动作的显示控制电路13。壳体51的主体是具有气密性的框体52，框体52由金属材料、树脂材料形成。在树脂材料的情况下，也可以在内表面侧涂布黑色的遮光材料。框体52通过向内侧突起的部件(未图示)支承影像元件11、投射透镜21以及棱镜反射镜22。在影像元件11和棱镜反射镜22被具有气密性的框体52支承的情况下，能够避免棱镜反射镜22的光学面、影像元件11的显示面被垃圾、灰尘等污染。这里，框体52在棱镜反射镜22的附近具有开口52a，向显示驱动部102外或影像源10外射出图像光ML。经由开口52a射出到显示驱动部102外的图像光ML入射到透视反射镜23的内侧。开口52a由具有刚性的平板状的透光部件53密封。即，壳体51对于内部IS遮挡灰尘、水滴以及外部空气，将从影像元件11到棱镜反射镜22的光路空间OS气密或液密地密封。

透光部件53作为覆盖显示驱动部102或影像源10的光射出侧并且使图像光ML透过的透光窗153发挥功能。透光窗153对于壳体51内遮挡垃圾、灰尘。在透光窗153、壳体51遮挡灰尘的情况下，能够包含如本实施方式那样透光窗153等将从影像元件11到棱镜反射镜22的光路空间OS气密或者液密地密封的情况。通过使作为透光窗153的透光部件53具有刚性，容易防止透光部件53即透光窗153的破损，通过使透光部件53为平板状，能够避免对光学性能造成影响，并且能够确保轻量性。透光部件53配置于棱镜反射镜22的光射出侧，作为其结果，透光部件53配置于棱镜反射镜22与透视反射镜23之间。通过将透光部件53或透光窗153配置在棱镜反射镜22与透视反射镜23之间，而保护棱镜反射镜22的光学面。

如上所述，光学单元15具有通过设置有伴随透过窗153的遮蔽构造或密封构造的壳体51而内置有影像元件11、棱镜反射镜22等的构造，保护棱镜反射镜22等免受垃圾或灰尘的影响，但透视反射镜22被光学单元15支承并且向光学单元15的外部露出。

透光部件53是具有0.5～2mm左右的厚度的平行平板。即，入射面53a以及射出面53b是平面的光学面。通过将透光部件53的厚度设为0.5mm以上，能够确保透光部件53的强度，能够防止因透光部件53而产生干涉条纹。另外，通过将透光部件53的厚度设为2mm以下，能够防止透光部件53的重量增加，实现显示驱动部102的轻量化。透光部件53能够由具有刚性的树脂板形成，但也可以由防尘玻璃形成。在由树脂板形成透光部件53的情况下，容易轻量化，能够降低破损的可能性。能够在防尘玻璃上形成高性能的光学面，容易维持显示装置100的光学性能。透光部件53无论是由树脂形成的情况还是由玻璃形成的情况，都优选折射率较低。在透光部件53由树脂板形成的情况下，在入射面53a形成有防反射膜AL，在射出面53b形成有硬涂层HL和防反射膜AL。通过这样的防反射膜AL能够抑制重影(ghost)的产生。形成于射出面53b的硬涂层HL防止透光窗因外力而损伤，抑制由使用引起的光学性能的劣化。通过使形成于射出面53b的涂层的表面具有防水性，能够发挥防污性。此外，在透光部件53由防尘玻璃形成的情况下，在入射面53a、射出面53b形成防反射膜AL，但不形成硬涂层HL。

通过用透光部件53覆盖壳体51的开口52a，能够防止棱镜反射镜22等内置于显示驱动部102中的光学要素的光学面被垃圾、灰尘污染。透光部件53不仅具有防尘功能，还具有防止水分侵入的防滴防湿功能，还具有防止手指及其他物体与光学面接触的作用。

作为透光部件53为平行平板的结果，透光部件53实质上不具有光焦度，使图像光ML以几乎不影响成像且不衰减的方式通过。透光部件53不限于平行平板，也可以是具有楔角的板状体。关于透光部件53，能够将入射面53a、射出面53b设为球面、非球面、或者自由曲面那样的光学面。

在图示的例子中，在壳体51中配置有显示控制电路13，但也可以在壳体51外配置显示控制电路13。关于影像元件11，也不需要配置在壳体51中，也可以在壳体51设置影像元件11用的开口，以显示面11a经由该开口而面对壳体51的内部IS的方式将影像元件11固定于壳体51。

壳体51的框体52经由支承板61支承透视反射镜23。在该情况下，经由框体52将透视反射镜23相对于棱镜反射镜22等稳定地支承。透视反射镜23和支承板61相当于图1所示的外观部件103。即，透视反射镜23是外观部件103的一部分。外观部件103也能够作为遮光件发挥功能。在使外观部件103作为遮光件发挥功能的情况下，能够在支承板61形成能够观察外界像的透视区域。能够使支承板61的透视区域及其外侧具有减光特性、遮光性。在该情况下，透视反射镜23作为遮光件的一部分发挥功能，能够使透视反射镜23与支承板61的边界区域关于外部光的透过等具有连续性。

图3A是说明透光部件53相对于壳体51的固定方法的局部放大剖视图。透光部件53支承于在壳体51或框体52的开口52a的周围设置的座51c。透光部件53在外缘部53p的入射面53a侧通过粘接材料55以充分的强度固定于壳体51的座51c。开口52a为长圆形或矩形，座51c与开口52a相对应地呈环状延伸。粘接材料55也沿着外缘部53p设置成环状。由此，透光部件53的内外被遮挡而分离，能够防止外部的灰尘、水分、蒸汽等侵入内部IS。开口52a需要比图像光ML的光路宽广，但从抑制成为杂散光的原因的光的通过的观点出发，设为必要最小限度的尺寸。在使开口52a比图像光ML的光路宽广的情况下，也能够在透光部件53的外周侧设置遮光部SS。遮光部SS通过涂布黑色的遮光材料或者粘贴黑色的遮光片而形成。遮光部SS也能够通过对透光部件53进行二色成型而一并形成。通过遮光部SS能够防止杂散光的产生，能够防止无用光线入射到视环ER。

固定透光部件53的粘接材料55可以在固化后也具有弹性。在粘接材料55固化后也具有弹性的情况下，能够防止透光部件53产生失真。作为具有弹性的粘接材料55，例如能够使用硅系的粘接剂。

图3B示出图3A所示的固定方法的变形例。在该情况下，在透光部件53的外缘部53p设置环状的台阶53s，并与壳体51的座51c嵌合。虽然省略了图示，但通过使粘接材料介于台阶53s的表面与座51c的下表面之间，能够可靠地进行透光部件53的固定。此外，虽然省略详细的说明，但也能够在壳体51的座51c设置台阶并将透光部件53的外缘部53p嵌入该台阶。

图3C示出图3A所示的固定方法的另一变形例。在该情况下，在透光部件53的外缘部53p设置环状的突起53r，在壳体51的座51c设置环状的槽51g，使透光部件53的突起53r与壳体51的槽51g嵌合。虽然省略了图示，但通过使粘接材料介于突起53r与槽51g之间，能够可靠地进行透光部件53的固定。此外，虽然省略详细的说明，但也能够在壳体51的座51c设置突起并且在透光部件53的外缘部53p设置槽，将壳体51的突起嵌入透光部件53的槽。

在图3A～图3C所示的壳体51与透光部件53之间的接合部及其周边，能够组装由橡胶等材料形成的密封部件。在该情况下，即使不沿着透光部件53的外缘部53p无间断地设置粘接材料，也能够进行可靠的密封。

返回图2，成像光学系统12由于透视反射镜23是凹面镜而成为轴偏离光学系统112。在本实施方式的情况下，投射透镜21、棱镜反射镜22以及透视反射镜23非轴对称地配置，具有非轴对称的光学面。所谓成像光学系统12是轴偏离光学系统112是指在构成成像光学系统12的光学要素21、22、23中，在光线向至少1个反射面或折射面入射的前后，光路弯折。在该成像光学系统12即轴偏离光学系统112中，以光轴AX沿着与纸面对应的轴偏离面(与YZ面平行的面)延伸的方式进行光轴AX的弯折。在该成像光学系统12中，通过在与YZ面平行的轴偏离面内进行光轴AX的弯折，沿着该轴偏离面排列光学要素21、22、23。成像光学系统12包含沿着作为规定基准面的轴偏离面(与YZ面平行的面)配置且在反射面的前后相互倾斜的光轴部分AX1、AX2、AX3。作为整体的光轴AX沿着从影像元件11的中心射出的主光线的光路延伸，通过相当于眼点的视环ER或光瞳的中心。光轴AX在按照横截面观察的情况下，包含多个光轴部分AX1、AX2、AX3而成为Z字状的结构。即，在与YZ面平行的轴偏离面中，从投射透镜21到内反射面22b的光路P1、从内反射面22b到透视反射镜23的光路P2以及从透视反射镜23到光瞳位置PP的光路P3成为以Z字状呈2阶段折返的配置。成像光学系统12为纵向排列。即，作为规定基准面的轴偏离面(与YZ面平行的面)向纵向的Y方向延伸。在该情况下，构成显示装置100的光学要素21、22、23在纵向上改变高度位置而排列，能够防止显示装置100的横宽的增大。

成像光学系统12中的从投射透镜21到内反射面22b的光路P1成为接近与Z方向平行的状态。即，在光路P1中，光轴部分AX1相对于Z方向或正面方向大致平行地延伸。其结果是，投射透镜21在Z方向或正面方向上被棱镜反射镜22和影像元件11夹着配置。优选的是，光路P1中的光轴部分AX1在朝向Z方向以朝下为负时，平均收敛在-30°～+30°左右的范围内。通过使光路P1的光轴部分AX1成为朝向Z方向朝下为-30°以上的状态，能够避免投射透镜21、影像元件11与透视反射镜23干涉。另外，通过成为光路P1的光轴部分AX1朝向Z方向朝上为+30°以下的状态，能够防止投射透镜21、影像元件11向上部突起而在外观上变得显眼。在从内反射面22b到透视反射镜23的光路P2中，优选光轴部分AX2在朝向Z方向以朝下为负时，平均收敛在-70°～-45°左右的范围内。通过成为光路P2的光轴部分AX2朝向Z方向朝下为-70°以上的状态，能够避免透视反射镜23的整体倾斜变得过大，容易在透视反射镜23的内侧确保配置内透镜的空间。另外，通过成为光路P2的光轴部分AX2朝向Z方向朝下为-45°以下的状态，能够避免棱镜反射镜22相对于透视反射镜23向-Z方向或背面方向大幅突出的配置，能够避免成像光学系统12的厚度增加。从透视反射镜23到光瞳位置PP的光路P3成为接近与Z方向平行的状态，但在图示的例子中，光轴部分AX3在朝向Z方向以向下为负时，为-10°左右。即，将光轴部分AX3延长后的射出光轴EX相对于前方的+Z方向朝下倾斜10°左右而延伸。这是因为，人的视线在比水平方向朝下侧倾斜约10°的稍微低头状态下稳定。另外，相对于光瞳位置PP在水平方向上延伸的中心轴HX是设想佩戴了显示装置100的佩戴者US以直立姿势放松而朝向正面注视水平方向或水平线的情况的中心轴。佩戴显示装置100的各个佩戴者US的包含眼睛的配置、耳朵的配置等在内的头部的形状、姿势各种各样，但通过设想佩戴者US的平均的头部形状或者头部姿势，能够针对所关注的显示装置100设定平均的中心轴HX。以上的结果是，在棱镜反射镜22的内反射面22b中，沿着光轴AX的光线的反射角为10°～60°左右。另外，在透视反射镜23中，沿着光轴AX的光线的反射角为20°～45°左右。

参照图4，对显示驱动部102的详细情况进行说明。在图4中，区域AR1表示成像光学系统12等的侧剖视图，区域AR2表示成像光学系统12等的俯视图。另外，在区域AR2中，投射透镜21的光学面21a、21b、棱镜反射镜22的光学面22a、22b、22c以及透视反射镜23的反射面23a示出通过光轴AX投影到XZ面上的面。

构成显示驱动部102即光学单元15的影像元件11的侧方的端部11e保持于向单点划线所示的壳体51的内侧突起的一对支承部件41。通过这些支承部件41，实现影像元件11在壳体51内的对准。构成光学单元15的投射透镜21的侧方的端部21e保持于向壳体51的内侧突起的一对支承部件42。通过这些支承部件42，实现投射透镜21相对于壳体51的对准。构成光学单元15的棱镜反射镜22的侧方的端部22e也保持于向壳体51的内侧突起的一对支承部件43。通过这些支承部件43，实现棱镜反射镜22相对于壳体51的对准。另外，在图示的例子中，投射透镜21的端部21e配置在壳体51中，但也可以使端部21e在壳体51的侧壁向外部露出。同样地，不需要将棱镜反射镜22的端部22e配置在壳体51中，也能够使端部22e在壳体51的侧壁向外部露出。另外，壳体51的框体52例如能够组合被与YZ面平行的面分割为一半的框部件而构成，在接合这些框部件时，能够在内部对准并组装影像元件11、投射透镜21等。壳体51不限于由2个部分构成，也可以由3个以上的部分构成。

投射透镜21为单透镜，构成投射透镜21的光学面即入射面21a和射出面21b在与YZ面平行且与光轴AX交叉的纵向的第1方向D11、D12上关于光轴AX具有非对称性，在与第1方向D11、D12垂直的横向的第2方向D02或X方向上关于光轴AX具有对称性。关于入射面21a的纵向的第1方向D11与关于射出面21b的纵向的第2方向D12形成规定的角度。

投射透镜21例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。投射透镜21的入射面21a和射出面21b例如是自由曲面。入射面21a和射出面21b不限于自由曲面，也可以是非球面。在投射透镜21中，通过将入射面21a和射出面21b设为自由曲面或非球面，能够实现像差降低，特别是在使用了自由曲面的情况下，容易提高偏心系统的光学性能，因此容易降低作为非共轴的轴偏离光学系统112的成像光学系统12的像差。另外，自由曲面是不具有旋转对称轴的面，作为自由曲面的面函数，能够使用各种多项式。另外，非球面是具有旋转对称轴且由多项式表示的面，但是抛物面、球面以外的面。虽省略详细的图示，但在入射面21a以及射出面21b上形成有防反射膜。

棱镜反射镜22是具有使反射镜和透镜复合的功能的折射反射光学部件，使来自投射透镜21的图像光ML折射并反射。更详细而言，在棱镜反射镜22中，图像光ML经由作为折射面的光入射面22a入射到内部，被作为反射面的内反射面22b向非正面方向全反射，经由作为折射面的光射出面22c射出到外部。光入射面22a和光射出面22c是由曲面构成的光学面，与仅反射面的情况或将它们设为平面的情况相比，有助于提高分辨率。作为构成棱镜反射镜22的光学面的光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c在与YZ面平行且与光轴AX交叉的纵向的第1方向D21、D22、D23上关于光轴AX具有非对称性，在与第1方向D21、D22、D23垂直的横向的第2方向D02或X方向上关于光轴AX具有对称性。

棱镜反射镜22例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。棱镜反射镜22的主体的折射率被设定为还考虑图像光ML的反射角来实现内表面处的全反射的值。棱镜反射镜22的主体的折射率、阿贝数优选还考虑与投射透镜21的关系来设定。特别是通过增大棱镜反射镜22、投射透镜21的阿贝数，减少整体上残留的色散。

棱镜反射镜22的光学面、即光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c例如是自由曲面。光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c不限于自由曲面，也可以是非球面。在棱镜反射镜22中，通过使光学面22a、22b、22c为自由曲面或非球面，能够实现像差降低，特别是在使用自由曲面的情况下，容易提高偏心系统的光学性能。即，容易降低作为非共轴的轴偏离光学系统112的成像光学系统12的像差，能够提高分辨率。关于内反射面22b，不限于通过全反射来反射图像光ML，也可以是由金属膜或电介质多层膜构成的反射面。在该情况下，在内反射面22b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构成的反射膜，或者粘贴由金属形成的片状的反射膜。虽省略详细的图示，但在光入射面22a以及光射出面22c上形成有防反射膜。

透视反射镜23是作为凹的表面反射镜发挥功能的板状的光学部件，反射来自棱镜反射镜22的图像光ML。即，透视反射镜23将来自影像源10的射出区域的图像光ML朝向光瞳位置PP反射。透视反射镜23覆盖配置有眼睛EY或瞳孔的光瞳位置PP并且朝向光瞳位置PP具有凹形状，朝向外界具有凸形状。透视反射镜23是覆盖视野中的画面的有效区域的整体的凹面透过反射镜。透视反射镜23是具有会聚功能的准直器，使从显示面11a的各点射出的图像光ML的主光线且在影像源10的射出区域的附近通过成像而暂时扩展的图像光ML的主光线会聚到光瞳位置PP。透视反射镜23是具有在板状体23b的表面或背面上形成反射镜膜23c的构造的反射镜板。透视反射镜23的反射面23a具有透过性。透视反射镜23、反射面23a在与YZ面平行且与光轴AX交叉的纵向的第1方向D31上关于光轴AX具有非对称性，在与第1方向D31垂直的横向的第2方向D02或X方向上关于光轴AX具有对称性。

透视反射镜23的反射面23a例如是自由曲面。反射面23a不限于自由曲面，也可以是非球面。通过将透视反射镜23设为自由曲面或非球面，能够实现像差降低，特别是在使用自由曲面的情况下，容易降低作为轴偏离光学系统或非共轴光学系统的成像光学系统12的像差。透视反射镜23在反射面23a为自由曲面以及非球面中的任意一个的情况下，都具有曲面式的原点比透视反射镜23的有效区域向投射透镜21侧或影像元件11侧偏移的形状。在该情况下，能够在不对光学系统的设计施加过度的负担的情况下，设定实现Z字状的光路的透视反射镜的倾斜面。

透视反射镜23是在反射时使一部分光透过的透过型的反射元件，透视反射镜23的反射镜膜23c由具有半透过性的反射层形成。由此，外界光OL通过透视反射镜23，因此能够进行外界的透视，能够使虚像与外界像重叠。此时，若板状体23b薄至几mm左右以下，则能够将外界像的倍率变化抑制得较小。从确保图像光ML的亮度、容易利用透视来观察外界像的观点出发，反射镜膜23c相对于图像光ML、外界光OL的反射率在设想的图像光ML的入射角范围中设为10％以上且50％以下。作为透视反射镜23的基材的板状体23b例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。板状体23b由与从周围对其进行支承的支承板61相同的材料形成，具有与支承板61相同的厚度。反射镜膜23c例如由电介质多层膜形成，该电介质多层膜由调整了膜厚的多个电介质层构成。反射镜膜23c也可以是调整了膜厚的Al、Ag等金属的单层膜或多层膜。反射镜膜23c能够通过层叠而形成，但也能够通过粘贴片状的反射膜而形成。在板状体23b的外侧面23o形成有防反射膜。

在该成像光学系统12中，在投射透镜21与棱镜反射镜22的内反射面22b之间且比投射透镜21以及内反射面22b靠棱镜反射镜22的光入射面22a侧的位置配置有中间光瞳IP。更具体而言，中间光瞳IP配置在棱镜反射镜22的光入射面22a的位置或其附近。中间光瞳IP是指来自显示面11a上的各点的图像光最为扩展而相互重叠的部位，配置于视环ER或光瞳位置PP的共轭点。优选在中间光瞳IP的位置或其附近配置孔径光阑。

中间像IM形成在棱镜反射镜22与透视反射镜23之间。中间像IM形成在比透视反射镜23靠近棱镜反射镜22的位置。这样，通过在比透视反射镜23靠近棱镜反射镜22的位置形成中间像IM，能够降低透视反射镜23的放大负担，抑制观察到的虚像的像差。中间像IM是形成于比视环ER靠光路上游且相对于显示面11a共轭的位置的实像，具有与显示面11a上的显示像对应的图案，但不需要清晰地成像，也可以表现出像面弯曲、歪曲像差等各像差。

对光路进行说明，来自影像元件11的图像光ML入射到投射透镜21并以大致准直的状态射出。通过了投射透镜21的图像光ML入射到棱镜反射镜22，一边在光入射面22a折射一边通过，被内反射面22b以接近100％的高反射率反射，再次在光射出面22c折射。来自棱镜反射镜22的图像光ML入射到透视反射镜23，被反射面23a以50％左右以下的反射率反射。被透视反射镜23反射的图像光ML入射到配置佩戴者US的眼睛EY或者瞳孔的光瞳位置PP。通过了透视反射镜23或其周围的支承板61的外界光OL也入射到光瞳位置PP。即，佩戴了显示装置100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。

比较图4的区域AR1、AR2可知，成像光学系统12的FOV的横向的视野角α2大于纵向的视野角α1。这对应于在影像元件11的显示面11a上形成的显示像在水平方向上较长。横对纵的纵横比例如设定为4：3或16：9这样的值。

如图5所示，表示成像光学系统12的成像状态的本来的投影像IG0具有比较大的畸变。由于成像光学系统12是轴偏离光学系统112，因此不容易完全去除梯形失真那样的畸变。因此，即使在成像光学系统12中残留有畸变，在将原来的显示像设为DA0的情况下，也将形成于显示面11a的显示像设为预先具有梯形失真那样的失真的修正图像DA1。即，通过使显示于影像元件11的图像具有抵消由投射透镜21、棱镜反射镜22以及透视反射镜23形成的失真的相反的失真，能够使经由成像光学系统12在光瞳位置PP观察的虚像的投影像IG1的像素排列成为与原来的显示像DA0对应的格子图案，能够使轮廓为矩形。其结果是，能够允许在透视反射镜23等中产生的歪曲像差，并且作为包含影像元件11在内的整体，能够抑制像差。其结果是，棱镜反射镜22等光学要素的配置、尺寸的自由度提高，能够在实现显示装置100的小型化的同时容易地确保显示装置100的光学性能。

在上述实施方式中，通过壳体51对影像元件11、投射透镜21等进行对准，但本发明不限于此。例如也可以与壳体51分开设置镜筒，在该镜筒上组装投射透镜21和棱镜反射镜22，将组装了投射透镜21等的镜筒固定在壳体51中。

壳体51不限于完全密闭的壳体，也可以在一部分设置通气口。通气口也可以带有阀、过滤器。过滤器例如使空气通过，但能够遮挡垃圾、灰尘。

在以上说明的第1实施方式的显示装置100中，影像源10的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗153覆盖，因此能够避免构成影像源10的1个以上的光学要素的光学面(例如光射出面22c)被从外部侵入的灰尘、垃圾等污染，能够抑制由使用引起的光学性能的劣化。

〔第2实施方式〕

以下，对本发明的第2实施方式的显示装置等进行说明。另外，第2实施方式的显示装置是对第1实施方式的显示装置进行部分变更而得到的，对于相同部分省略说明。

参照图6，对第2实施方式的显示装置进行说明。在本实施方式的显示装置100中，投射透镜21包含2个透镜要素221a、221b。构成两透镜元件221a、221b的4个光学面在与YZ面平行且与光轴AX交叉的纵向上关于光轴AX具有非对称性，在与X方向平行的横向上关于光轴AX具有对称性。投射透镜21也可以包含3个以上的透镜要素。在投射透镜21包含多个透镜要素221a、221b、…的情况下，通过多个透镜要素221a、221b、…的多个光学面，容易提高光学性能。

〔第3实施方式〕

以下，对本发明的第3实施方式的显示装置等进行说明。另外，第3实施方式的显示装置是对第1实施方式的显示装置进行部分变更而得到的，对于相同部分省略说明。

参照图7，对第3实施方式的显示装置进行说明。在本实施方式的显示装置100中，影像元件11、投射透镜21以及棱镜反射镜22固定在壳体51中。但是，在壳体51的开口52a中，棱镜反射镜22的光射出面22c露出到外部空气中。即，棱镜反射镜22的包含光射出面22c的表层部分即光射出部22p作为透光窗153发挥功能。透光窗153作为棱镜反射镜22的一部分，在形成于壳体51的底面板52f的开口52a的周缘固定于底面板52f。

在图7所示的显示装置100的情况下，棱镜反射镜22的包含光射出面22c的表层部分即光射出部22p作为透光窗153发挥功能。即，光射出部22p包含棱镜反射镜22的光学面，并且成为用于将图像光ML取出到影像源10或光学单元15外的部分。在该情况下，影像元件11、投射透镜21等内置于壳体51中，棱镜反射镜22的光入射面22a和内反射面22b也配置于壳体51中。棱镜反射镜22由具有透光性的材料形成，在光射出面22c形成有防反射膜，因此光射出部22p使图像光ML几乎无损失地通过。作为透光窗153的光射出部22p在其外缘经由遮蔽构造或密封构造而被密封，并且被壳体51支承。通过光射出部22p等，能够向壳体51外射出图像光ML，并且棱镜反射镜22的光射出面22c与其他面在空间上被遮挡或分离，能够防止壳体51的外部的灰尘、水分、蒸汽等侵入壳体51的内部IS。由此，能够防止棱镜反射镜22的光入射面22a等光学面被垃圾、灰尘污染、或者在该光学面产生模糊。即，通过透光部件53不仅产生防尘效果，还产生防滴防湿效果。在透光窗153成为棱镜反射镜22的包含光射出面22c的光射出部的情况下，不需要另外组装透光部件，容易实现显示装置100的轻量化、小型化。

此外，在棱镜反射镜22的光射出面22c形成有防反射膜22q。在棱镜反射镜22由树脂材料形成的情况下，例如优选形成硬涂层HL作为防反射膜的基底。也可以在光射出面22c设置具有防污性的涂层。

〔第4实施方式〕

以下，对本发明的第4实施方式的显示装置等进行说明。另外，第4实施方式的显示装置是对第1实施方式的显示装置进行部分变更而得到的，对于相同部分省略说明。

参照图8，对第4实施方式的显示装置进行说明。在本实施方式的显示装置100中，成像光学系统12具有反射镜421、棱镜反射镜22以及透视反射镜23。

反射镜421代替第1实施方式中的投射透镜21而设置。反射镜421是在从影像元件11射出的图像光ML入射到棱镜反射镜22之前反射图像光ML的第3反射镜。通过反射镜421，与第1实施方式的情况相比，光路的弯折次数增加。反射镜421具有在反射从影像元件11射出的图像光ML时对图像光ML进行会聚的正的光焦度。反射镜421与投射透镜21同样地在与YZ面平行且与光轴AX交叉的纵向上关于光轴AX具有非对称性，在与X方向平行的横向上关于光轴AX具有对称性。反射镜421是背面反射型的元件，在板状体21j的背面侧具有反射面21r，但也可以在表面侧设置反射面。如图所示，在背面侧设置反射面21r的情况下，优选在表侧面21k形成防反射膜。棱镜反射镜22与第1实施方式的情况同样，具有光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c，使从反射镜421射出的图像光ML入射到光入射面22a而被内反射面22b全反射并且从光射出面22c射出。透视反射镜23将从棱镜反射镜22射出的图像光ML朝向光瞳位置PP反射。透视反射镜23是背面反射型的元件，在板状体23b的背面侧具有反射面23a。在板状体23b的内侧面23i形成有防反射膜。透视反射镜23的反射面23a由具有半透过性的反射层形成。反射镜421、棱镜反射镜22以及透视反射镜23构成轴偏离光学系统112这一点与第1实施方式的情况相同。

在光学单元15或影像源10中，影像元件11、反射镜421和棱镜反射镜22被收纳在壳体451中。壳体451包含支承构造体75、第1罩部件71、第2罩部件72以及第3罩部件73。支承构造体75支承反射镜421，并且支承第1罩部件71和第2罩部件72。第1罩部件71在光学单元15中覆盖上方、后方和侧方，第2罩部件72在光学单元15中覆盖前方，第3罩部件73在光学单元15中覆盖下方。第1罩部件71将影像元件11和棱镜反射镜22以对准的状态支承在壳体451中。第2罩部件72是支承板61的一部分，间接地支承透视反射镜23。第1罩部件72和第2罩部件73由遮光性的金属材料、树脂材料形成。在第1罩部件72等由树脂材料形成的情况下，也可以在树脂基材的内表面侧涂布黑色的遮光材料。第3罩部件73在与图像光ML的光路对应的局部区域具有透光部件53。透光部件53是覆盖包含棱镜反射镜22的影像源10的光射出侧的透光窗153。第3罩部件73例如利用粘接材料55而相对于第1罩部件71以及第2罩部件72气密地固定。第1罩部件71和第2罩部件72之间也利用省略图示的粘接材料、密封部件而气密地接合。

通过用第3罩部件73的透光部件53覆盖壳体51的光射出部，能够射出图像光ML，并且透光部件53的内外在空间上被遮挡或分离，能够防止壳体51的外部的灰尘、水分、蒸汽等侵入内部IS。由此，能够防止棱镜反射镜22等内置于光学单元15中的光学要素的光学面被垃圾、灰尘污染、或者在该光学面产生模糊。即，通过透光部件53不仅产生防尘效果，还产生防滴防湿效果。第3罩部件73是具有0.5～2mm左右的厚度的平行平板。即，形成于第3罩部件73的部分区域的透光部件53的入射面53a以及射出面53b是对图像光ML的成像的影响少的平面。包含透光部件53的第3罩部件73能够由具有刚性的树脂板形成，但也可以由防尘玻璃形成。在透光部件53由树脂板形成的情况下，在入射面53a形成防反射膜AL，在射出面53b形成硬涂层HL和防反射膜AL。此外，在透光部件53由防尘玻璃形成的情况下，在入射面53a、射出面53b形成防反射膜AL，但不形成硬涂层HL。在第3罩部件73中的除了透光部件53以外的周边区域73b形成有遮光部SS，防止杂散光的产生。遮光部SS通过涂布黑色的遮光材料或者粘贴黑色的遮光片而形成。

在以上的说明中，支承构造体75、第1罩部件71以及第2罩部件72分体地形成，但也能够将它们一体地形成。另外，也可以采用将构成第3罩部件73的透光部件53和周边区域73b设为分体，并将透光部件53接合于周边区域73b等的构造。

反射镜421能够置换为具有1个以上的折射面的棱镜反射镜。

〔第5实施方式〕

以下，对本发明的第5实施方式的显示装置等进行说明。另外，第5实施方式的显示装置是对第4实施方式的显示装置进行部分变更而得到的，对于相同部分省略说明。

参照图9，对第5实施方式的显示装置进行说明。在本实施方式的显示装置100中，影像元件11、反射镜421以及棱镜反射镜22固定在壳体51中。但是，在设置于壳体51的底面板52f的开口52a中，棱镜反射镜22的光射出面22c露出到外部空气中。即，棱镜反射镜22的包含光射出面22c的表层部分即光射出部22p作为透光窗153发挥功能。透光窗153作为棱镜反射镜22的一部分，在形成于壳体51的底面板52f的开口52a的周缘固定于底面板52f。此外，壳体51的第2罩部件72与支承板61分体，通过接合等来对支承板61的上端进行支承。

在图9所示的显示装置100的情况下，棱镜反射镜22的光射出部22p作为透光窗153发挥功能。即，光射出部22p包含棱镜反射镜22的光学面，并且成为用于将图像光ML取出到影像源10或光学单元15外的部分。在该情况下，影像元件11、投射透镜21等内置于壳体51中，棱镜反射镜22的光入射面22a和内反射面22b也配置于壳体51中。棱镜反射镜22由具有透光性的材料形成，在光射出面22c形成有防反射膜，因此光射出部22p使图像光ML几乎无损失地通过。作为透光窗153的光射出部22p在其外缘被经由遮蔽构造或密封构造而密封的壳体51支承。通过光射出部22p等，能够向壳体51外射出图像光ML，并且棱镜反射镜22的光射出面22c与其他面在空间上被遮挡或分离，能够防止壳体51的外部的灰尘、水分、蒸汽等侵入壳体51的内部IS。由此，能够防止棱镜反射镜22的光入射面22a等光学面被垃圾、灰尘污染、或者在该光学面产生模糊。即，通过透光部件53不仅产生防尘效果，还产生防滴防湿效果。

在棱镜反射镜22的光射出面22c形成有防反射膜22q。在棱镜反射镜22由树脂材料形成的情况下，例如优选形成硬涂层HL作为防反射膜的基底。也可以在光射出面22c设置具有防污性的涂层。

〔变形例及其他〕

以上结合实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，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的变形。

在上述实施方式的显示装置100中，作为影像元件11使用了有机EL元件等自发光型的显示设备、LCD及其他的光调制元件，但也可以取代于此，而构成为使用将激光光源和作为多面反射镜等的扫描仪组合而成的激光扫描仪。即，也能够将本发明应用于激光视网膜投影型的头戴显示器。

在透视反射镜23的外界侧，能够安装通过限制透视反射镜23的透过光而进行调光的调光器件。调光器件例如通过电动来调整透过率。作为调光器件，能够使用反射镜液晶、电子遮光件等。调光器件也可以根据外部光照度来调整透过率。

以上，以显示装置100佩戴于头部来使用为前提，但上述显示装置100也能够不佩戴于头部而作为如双目镜那样窥视的手持显示器来使用。即，在本发明中，头戴显示器也包含手持显示器。

在上述实施方式中，影像源10是将影像元件11、投射透镜21和棱镜反射镜22组合而成的，或者是将影像元件11、反射镜421和棱镜反射镜22组合而成的，但影像源10也可以是将影像元件11和棱镜反射镜22组合而成的，还可以是将影像元件11和投射透镜21组合而成的。

具体的方式中的显示装置具有：影像元件；棱镜反射镜，其使从影像元件射出的图像光从光入射面入射并被内反射面反射而从光射出面射出；以及透视反射镜，其将从棱镜反射镜射出的图像光朝向光瞳位置反射，棱镜反射镜将图像光以向相对于入射方向倾斜的方向折返的方式射出，包含影像元件和棱镜反射镜的影像源的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗覆盖。

在上述显示装置中，影像源的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗覆盖，因此能够避免构成影像源的1个以上的光学要素的光学面被从外部侵入的灰尘、垃圾等污染，能够抑制由使用引起的光学性能的劣化。

在具体的方面，透光窗配置在棱镜反射镜与透视反射镜之间。在该情况下，棱镜反射镜的光学面被保护。

在另一方面，透光窗是具有刚性的平板状的透光部件。通过透光部件具有刚性，容易防止透光窗的破损，通过透光部件为平板状，能够避免对光学性能造成影响，并且能够确保轻量性。

在另一方面，透光窗是防尘玻璃。能够在防尘玻璃上形成高性能的光学面，容易维持显示装置的光学性能。

在另一方面，透光窗是树脂板，在射出面形成有硬涂层。硬涂层防止透光窗因外力而损伤，抑制由使用引起的光学性能的劣化。

在另一方面，在透光窗的入射面和射出面形成有防反射膜。通过防反射膜能够抑制重影的产生。

在另一方面，透光窗是棱镜反射镜的包含光射出面的光射出部。在该情况下，不需要组装透光部件那样的部件，容易实现显示装置的轻量化、小型化。

在另一方面，影像元件和棱镜反射镜支承于具有气密性的框体。通过框体，能够避免棱镜反射镜的内表面、影像元件的显示面被垃圾、灰尘等污染。

在另一方面，框体构成对从影像元件到棱镜反射镜的光路空间进行密封的壳体。

在另一方面，棱镜反射镜的包含光射出面的光射出部作为透光窗发挥功能。

在另一方面，框体具有沿着透光窗的外缘形成的遮光部。通过遮光部能够防止无用的光线入射到光瞳。

在另一方面，框体支承透视反射镜。在该情况下，经由框体将透视反射镜相对于棱镜反射镜等稳定地支承。

在另一方面，棱镜反射镜的光入射面、内反射面以及光射出面是自由曲面。通过使棱镜反射镜包含自由曲面，容易提高偏心系统的光学性能。

在另一方面，影像源具有投射透镜，从影像元件射出的图像光在入射到棱镜反射镜之前通过该投射透镜。

在另一方面，投射透镜包含多个透镜要素。通过多个透镜要素的多个光学面，容易提高光学性能。

在另一方面，影像源具有在从影像元件射出的图像光入射到棱镜反射镜之前反射图像光的第3反射镜。

在另一方面，影像源是包含沿着规定基准面配置并且在反射面的前后相互倾斜的光轴部分的轴偏离光学系统。

在另一方面，规定基准面沿纵向延伸。在该情况下，构成显示装置的光学要素在纵向上排列，能够防止显示装置的横宽的增大。

在另一方面，包含棱镜反射镜和透视反射镜的光学系统形成畸变，影像元件对畸变进行校正。在该情况下，棱镜反射镜等光学要素的配置、尺寸的自由度提高，能够在实现显示装置的小型化的同时容易地确保显示装置的光学性能。

具体的方式中的光学单元具有：影像元件；以及棱镜反射镜，其使从影像元件射出的图像光从光入射面入射并被内反射面反射而从光射出面射出，棱镜反射镜将从前方入射的图像光以向相对于前方倾斜的方向折返的方式射出，包含影像元件和棱镜反射镜的影像源的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗覆盖。

Claims (12)

1.一种显示装置，其具有：

影像元件；

棱镜反射镜，其使从所述影像元件射出的图像光从光入射面入射并被内反射面反射而从光射出面射出；以及

透视反射镜，其将从所述棱镜反射镜射出的所述图像光朝向光瞳位置反射，

所述棱镜反射镜将所述图像光以向相对于入射方向倾斜的方向折返的方式射出，

包含所述影像元件和所述棱镜反射镜的影像源的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗覆盖，

所述影像元件和所述棱镜反射镜支承于具有气密性的框体，

所述框体构成对从所述影像元件到所述棱镜反射镜的光路空间进行密封的壳体，

所述壳体具有开口，所述棱镜反射镜的光射出面在所述开口处露出到外部空气中，

所述棱镜反射镜的包含光射出面的光射出部作为透光窗发挥功能。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，

在所述光射出面形成有防反射膜。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其中，

所述框体具有沿着所述透光窗的外缘形成的遮光部。

4.根据权利要求1所述的显示装置，其中，

所述框体支承所述透视反射镜。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的显示装置，其中，

所述棱镜反射镜的所述光入射面、所述内反射面以及所述光射出面是自由曲面。

6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的显示装置，其中，

所述影像源具有投射透镜，从所述影像元件射出的所述图像光在入射到所述棱镜反射镜之前通过该投射透镜。

7.根据权利要求6所述的显示装置，其中，

所述投射透镜包含多个透镜要素。

8.根据权利要求1至4中的任意一项所述的显示装置，其中，

所述影像源具有第3反射镜，该第3反射镜在从所述影像元件射出的所述图像光入射到所述棱镜反射镜之前反射所述图像光。

9.根据权利要求1至4中的任意一项所述的显示装置，其中，

所述影像源是包含沿着规定基准面配置并且在反射面的前后相互倾斜的光轴部分的轴偏离光学系统。

10.根据权利要求9所述的显示装置，其中，

所述规定基准面沿纵向延伸。

11.根据权利要求1至4中的任意一项所述的显示装置，其中，

包含所述棱镜反射镜和所述透视反射镜的光学系统形成畸变，所述影像元件对所述畸变进行校正。

12.一种光学单元，其具有：

影像元件；以及

棱镜反射镜，其使从所述影像元件射出的图像光从光入射面入射并被内反射面反射而从光射出面射出，

所述棱镜反射镜将从前方入射的所述图像光以向相对于前方倾斜的方向折返的方式射出，

包含所述影像元件和所述棱镜反射镜的影像源的光射出侧被遮挡灰尘的透光窗覆盖，

所述影像元件和所述棱镜反射镜支承于具有气密性的框体，

所述框体构成对从所述影像元件到所述棱镜反射镜的光路空间进行密封的壳体，

所述壳体具有开口，所述棱镜反射镜的光射出面在所述开口处露出到外部空气中，

所述棱镜反射镜的包含光射出面的光射出部作为透光窗发挥功能。