CN116068762A - 虚像显示装置 - Google Patents

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CN116068762A CN202211323163.4A CN202211323163A CN116068762A CN 116068762 A CN116068762 A CN 116068762A CN 202211323163 A CN202211323163 A CN 202211323163A CN 116068762 A CN116068762 A CN 116068762A
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Abstract

提供虚像显示装置，其能够充分抑制图像变形的产生，例如不需要基于校正电路的电校正等、或者减轻基于电路校正等的负荷，并且能够进行高精度的图像形成。虚像显示装置(100)具有：射出图像光(GL)的显示设备(11)；第1反射镜(21)，其反射来自显示设备(11)的图像光；折射反射光学部件(22)，其具有反射由第1反射镜(21)反射后的图像光的反射镜面(22r)；第2反射镜(23)，其使由反射镜面反射后的图像光朝向射出光瞳(EP)的位置反射，从显示设备到第1反射镜的距离比从射出光瞳的位置到第2反射镜的距离短，入射到第2反射镜的图像光与由第2反射镜反射的图像光所成的第1角度(θ)大于0°且为45°以下。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及通过由图像光生成部等形成的包含反射镜的光学系统将图像光引导至使用者的瞳孔而能够进行虚像观察的虚像显示装置。
背景技术
作为能够应用为头戴式显示器(HMD)等的虚像显示装置，已知具有3个反射面并将图像光引导至使用者的瞳孔的虚像显示装置(专利文献1)。
专利文献1：日本特开2020-20857号公报
但是，在上述专利文献1所例示的那样的偏心光学系统中，不容易消除梯形变形那样的失真，对于产生的变形，例如需要进行电校正等，在该情况下，电路规模、功耗增加。即，会对校正电路侧施加大的负荷。
发明内容
本发明一个方面的虚像显示装置具有：图像光射出部，其射出图像光；第1反射镜，其反射来自图像光射出部的图像光；光学部件，其具有反射由第1反射镜反射后的图像光的反射部；以及第2反射镜，其使由反射部反射后的图像光朝向射出光瞳的位置反射，从图像光射出部到第1反射镜的距离比从射出光瞳的位置到第2反射镜的距离短，入射到第2反射镜的图像光与由第2反射镜反射的图像光所成的第1角度大于0°且为45°以下。
附图说明
图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的侧剖视图。
图2是说明虚像显示装置的主视图。
图3是说明虚像显示装置的光学构造等的侧剖视图。
图4是说明虚像显示装置的光学构造等的立体图。
图5是用于对虚像显示装置中的第2反射镜的形状进行说明的侧剖视图。
图6是用于对虚像显示装置中的第2反射镜的形状进行说明的俯视剖视图。
图7是用于对虚像显示装置的各部分说明配置关系的侧剖视图。
图8是从图7中提取出各部分的配置的概念图。
图9是说明畸变像差的情形的概念图。
图10是示出分辨率的图表。
图11是说明第2实施方式的虚像显示装置的光学构造等的侧剖视图。
图12是说明畸变像差的情形的图。
图13是表示第1角度与视场角的关系的图表。
标号说明
11：显示设备；11a：显示部；11x：点；12：透镜部件；12a：折射部(入射部)；12b：折射部(射出部)；21：第1反射镜；21a：反射镜板；21b、23b：板状体；21c、23c：反射膜；21r、23r：反射部(反射镜部)；21s：表面；21x：点；22：折射反射光学部件；22b：折射部件；22d：非折射部；22e：折射部；22r：反射部(反射镜面)；22x：点；23：第2反射镜；23a：反射镜板；23o：范围；23p：范围；23r：反射部；23s：表面；23x：点；30：投射光学系统；50：外观部件；80：框架；81：主体部件；82：镜腿部；83：鼻托；100：虚像显示装置；AX：光轴；C：距离；CC：校正电路；Ci：系数；DA：显示像；DA1：线；DD、DD1～DD3：距离差；EP：射出光瞳；EPx：点；EY：光瞳；GL、GLo、GLp：图像光；IG、IGα：线；LL1、LL2：距离；OL：外界光；PP0、PP1、PP2：点；US：使用者；y：距离；z：距离；α：角度；θ：第1角度；φ：第2角度。
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进行说明。
在图1～图3中，X、Y以及Z是正交坐标系，X方向相当于佩戴了虚像显示装置100的使用者US的双眼排列的横向。Y方向相当于与对使用者US来说的双眼排列的横向垂直的上方，相当于使用者US将虚像显示装置100佩戴于规定的位置(正规的佩戴位置)的情况下的铅直方向。另外，Z方向相当于对于使用者US而言的前方或者正面方向，相当于使用者US将虚像显示装置100佩戴于规定的位置(正规的佩戴位置)的情况下的水平方向。
图示的虚像显示装置100是头戴式显示器，令使用者US识别作为虚像的影像。虚像显示装置100具有作为图像光射出部的显示设备11、和投射光学系统30。投射光学系统30具有透镜部件12、第1反射镜21、折射反射光学部件22和第2反射镜23。这里，透镜部件12是具有非球面形的折射部12a、12b的棱镜状的部件(参照图3)，第1反射镜21是具有反射部(反射镜部)21r的反射镜部件，第2反射镜23是具有反射部(反射镜部)23r的反射镜部件(参照图3)。折射反射光学部件22是具有折射部件22b和反射镜面(反射部)22r的光学部件(参照图3)。显示设备11、透镜部件12和折射反射光学部件22通过支承于框架80的主体部件81而被固定。另外，如图1和图2所示，第1反射镜21和第2反射镜23构成外观部件50，在上部和侧部支承于框架80的主体部件81。外观部件50在比显示设备11和折射反射光学部件22靠外侧或外界侧，以相对于两者定位的状态被配置。外观部件50具有眼镜镜片状的轮廓，具有覆盖使用者US的眼睛而向外侧凸出的弯曲的形状。另外，在图1中，仅示出了右眼用的虚像显示装置100，但如图2所示，左眼用的虚像显示装置100也具有同样的构造，通过组合双眼用的虚像显示装置，成为整体具有眼镜那样的外观的虚像显示装置。此外，关于双眼用的虚像显示装置，能够省略右眼用和左眼用的部分中的一方，在该情况下，成为单眼型的头戴式显示器。对光路的概要进行说明，从显示设备11射出的图像光GL经由透镜部件12被第1反射镜21反射而入射到折射反射光学部件22。入射到折射反射光学部件22的图像光GL被折射反射光学部件22折射并反射而向折射反射光学部件22外射出。从折射反射光学部件22射出的图像光GL被透射型的第2反射镜23反射而入射到射出光瞳EP的位置。
框架80具有与眼镜类似的构造，具有与主体部件81的侧方端部连结的镜腿部82，在从主体部件81的中央延伸的配件的末端具有鼻托83。
参照图3，显示设备11是图像形成部，配置在比投射光学系统30靠与使用者US的头部侧对应的上侧或者+Y侧。显示设备(图像形成部)11例如是以有机EL(有机电致发光、Organic Electro-Luminescence)、无机EL、LED阵列、有机LED、激光器阵列、量子点发光型元件等为代表的自发光型的显示元件，在二维的显示部11a形成彩色的静态图像或动态图像。显示设备11被未图示的驱动控制电路驱动而进行显示动作。在使用有机EL的显示器作为显示设备11的情况下，构成为具有有机EL控制部。在使用量子点显示器作为显示设备11的情况下，构成为使蓝色发光二极管(LED)的光通过量子点膜，由此发出绿或红的色光。显示设备11不限于自发光型的显示元件，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。作为显示设备11，也可以代替LCD而使用LCOS(Liquid crystal on silicon：硅基液晶，LCoS是注册商标)、数字微镜器件等。
投射光学系统30是以斜向入射为前提的非共轴光学系统或偏心光学系统。投射光学系统30的偏心方向由透镜部件12、第1反射镜21、折射反射光学部件22等的配置来规定。具体而言，透镜部件12、第1反射镜21、折射反射光学部件22以及第2反射镜23将偏心方向设定在YZ面内。即，通过透镜部件12、第1反射镜21、折射反射光学部件22以及第2反射镜23的光轴AX沿着相对于使用者US的一对瞳孔EY排列的横向即X方向交叉并在大致纵向上延伸的平面配置，更具体而言，沿着相对于X方向垂直并在纵向上延伸的YZ平面配置。通过沿着纵向的YZ平面配置光轴AX，容易扩大横向的视场角。即使包含光轴AX的面绕Z轴向顺时针方向或逆时针方向(即左右)倾斜几十度左右，只要沿大致纵向延伸，则对视场角的影响也不会太大。另外，第1反射镜21配置在比折射反射光学部件22靠与使用者US的头部侧对应的上侧或者+Y侧，折射反射光学部件22配置在比第2反射镜23靠与使用者US的头部侧对应的上侧或者+Y侧。在此，上侧或+Y侧是以透镜部件12、第1反射镜21、折射反射光学部件22以及第2反射镜23与光轴AX的交点或接触点为基准来考虑的。
透镜部件12是如已述那样作为透镜发挥功能的棱镜状的部件，使来自第1反射镜21的图像光GL折射并透过。透镜部件12具有配置于入射侧的折射部(入射部)12a和配置于射出侧的折射部(射出部)12b。折射部12a以及折射部12b分别例如是自由曲面。另外，透镜部件12例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。
第1反射镜21是作为凹的表面反射镜发挥功能的板状的部件，对从显示设备11起经过透镜部件12后的图像光GL进行反射。更具体地说明第1反射镜21的构造，第1反射镜21是具有如下构造的反射镜板21a：在板状体21b的一个表面21s上具有反射膜21c。第1反射镜21的反射部21r例如是自由曲面，具有与反射膜21c的表面或板状体21b的表面21s对应的形状。反射部21r不限于自由曲面，也可以是非球面。反射部21r在与处于YZ面内的偏心方向对应的第1方向D1上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D1垂直的第2方向D2或X方向上隔着光轴AX具有对称性。第1反射镜21的板状体21b例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。反射膜21c例如由Al、Ag等金属的单层膜或多层膜形成，但也能够设为电介质多层膜。反射膜21c能够通过包含蒸镀等方法的层叠来形成，但也能够通过粘贴片状的反射膜来形成。
在以上的第1反射镜21中，通过使反射部21r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，容易降低作为非共轴光学系统或偏心光学系统的投射光学系统30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的面，是抛物面或由多项式表示的球面以外的面。
折射反射光学部件22是作为透镜以及反射镜发挥功能的棱镜状的光学部件，使来自第1反射镜21的图像光GL折射并反射。折射反射光学部件22具有：具有折射部22e的折射部件22b；以及设置于该折射部件22b的非折射部22d的反射膜22c。折射反射光学部件22的折射部件22b例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。从抑制色像差产生的观点出发，优选折射部件22b由阿贝数为50以上的材料形成。反射膜22c例如由Al、Ag等金属的单层膜或多层膜形成，但也能够设为电介质多层膜。反射膜22c例如能够通过层叠来形成，但也能够通过粘贴片状的反射膜来形成。
折射反射光学部件22的折射部22e例如是自由曲面，但也可以是非球面。折射部22e成为在反射镜面22r的反射前后的图像光GL通过的共同的入射/射出面。即，来自第1反射镜21的光线被折射部22e折射而入射到折射反射光学部件22中，在被反射镜面22r反射而向折射反射光学部件22外射出时，被折射部22e再次折射。折射部22e在与处于YZ面内的偏心方向对应的第1方向D21上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D21垂直的第2方向D22或X方向上隔着光轴AX具有对称性。折射反射光学部件22也可以在折射部22e设置防反射膜。
折射反射光学部件22的反射镜面22r例如是自由曲面，具有与反射膜22c的内表面或折射部件22b的非折射部22d对应的形状。反射镜面22r不限于自由曲面，也可以是非球面。反射镜面22r在与处于YZ面内的偏心方向对应的第1方向D31上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D31垂直的第2方向D32或X方向上隔着光轴AX具有对称性。
第2反射镜23是作为凹的表面反射镜发挥功能的板状的部件，对来自折射反射光学部件22的图像光GL进行反射。第2反射镜23覆盖配置有光瞳EY的射出光瞳EP的位置，并且朝向射出光瞳EP的位置具有凹形状。第2反射镜23是具有在板状体23b的一个表面23s上形成有反射膜23c的构造的反射镜板23a。第2反射镜23的反射部23r例如是自由曲面，具有与反射膜23c的表面或板状体23b的表面23s对应的形状。反射部23r不限于自由曲面，也可以是非球面。反射部23r在与处于YZ面内的偏心方向对应的第1方向D41上隔着光轴AX具有非对称性，在与第1方向D41垂直的第2方向D42或X方向上隔着光轴AX具有对称性。
第2反射镜23是在反射时使一部分图像光GL透过的透射型的反射元件，第2反射镜23的反射膜23c具有半透射性。由此，外界光OL通过第2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GL的亮度、容易通过透视来观察外界像的观点出发，反射膜23c对图像光GL、外界光OL的反射率在设想的图像光GL的入射角范围内设为10％以上且50％以下。第2反射镜23的板状体23b例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。反射膜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。反射膜23c例如能够通过层叠来形成，但也能够通过粘贴片状的反射膜来形成。
第2反射镜23与射出光瞳EP的位置之间的距离沿着射出侧的光轴AX或Z轴被设定为某种程度的间隔(例如14mm以上)，从而确保了配置眼镜镜片的空间。第2反射镜23也可以在板状体23b中设置有反射膜23c的相反侧设置防反射膜，即，可以在第2反射镜23的外界侧设置防反射膜。
在以上的实施方式中，通过将透镜部件12的折射部12a以及折射部12b、第1反射镜21的反射部21r、折射反射光学部件22的折射部22e、折射反射光学部件22的反射镜面22r、以及第2反射镜23的反射部23r设为自由曲面或者非球面，能够实现像差降低，特别是在使用了自由曲面的情况下，容易降低作为非共轴光学系统或者偏心光学系统的投射光学系统30的像差。
特别是，在本实施方式中，使从作为图像光射出部的显示设备11的显示部11到第1反射镜21的反射部21的距离比从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的反射部23r的距离短，使入射到第2反射镜23的反射部23r的图像光GL与由第2反射镜23的反射部23r反射的图像光GL所成的第1角度θ大于0°且为45°以下，由此不需要或者极力减少例如伴随梯形变形那样的失真产生的电路校正。另外这里，关于入射到第2反射镜23的图像光GL与被第2反射镜23反射的图像光GL所成的角度，将图像光GL中的通过光轴AX的图像光GL在第2反射镜23中入射且被反射的角度设为代表的角度。
以下，对图像光GL的光路进行说明。首先，来自显示设备11的图像光GL经由透镜部件12入射到第1反射镜21，被反射部21r以接近100％的高反射率反射。被第1反射镜21反射的图像光GL入射到折射反射光学部件22并被折射部22e折射，被反射镜面22r以接近100％的高反射率反射，并被折射部22e再次折射。来自折射反射光学部件22的图像光GL入射到第2反射镜23并被反射部23r以50％左右以下的反射率反射。被第2反射镜23反射的图像光GL入射到配置有使用者US的瞳孔EY的射出瞳孔EP。在图像光GL中，在折射反射光学部件22与第2反射镜23之间形成有中间像。中间像是将形成于显示设备11的显示部11a的图像适当放大而得到的。为了避免附着于折射部22e的灰尘等的影响，中间像不与折射部22e交叉。在射出光瞳EP的位置处观察到的视场角例如假设为对角约50°。
以上说明的第1反射镜21、第2反射镜23不限于表面反射镜，也可以是在板状体21b的反面具有反射膜21c、在板状体23b的反面具有反射膜23c的反面反射镜。
在上述中，可以将第1反射镜21作为折射反射光学部件来代替折射反射光学部件22，也可以将第1反射镜21和折射反射光学部件22双方作为折射反射光学部件。
在此，参照图4等，对构成虚像显示装置100的投射光学系统30中的、特别是第2反射镜23的形状进行说明。此外，图4是说明虚像显示装置100的光学构造等的立体图，图5是用于说明虚像显示装置100中的第2反射镜23的形状的侧剖视图，图6是俯视剖视图。
如图4所示，并且如上所述，第2反射镜23朝向射出光瞳EP的位置具有凹形状。因此，例如关于第2反射镜23中的沿着上下方向(±Y方向)的曲线上的范围，在通过第2反射镜23的中心的曲线上的范围23o与通过第2反射镜23的端侧的曲线上的范围23p中存在距离上的差异。
例如，在图5中，虚线所示的图像光GLo是在第2反射镜23中的范围23o或者范围23o的附近被反射而朝向射出光瞳EP的图像光。另一方面，实线所示的图像光GLp是在第2反射镜23中的范围23p或者范围23p的附近被反射而朝向射出光瞳EP的图像光。此外，从显示设备11在±Y方向上的相同位置(相同高度)射出的图像光GLo与图像光GLp在图5中看起来重叠。但是，如图6所示，在从上方(+Y侧)观察的情况下，从显示设备11的相同高度射出的图像光GLo与图像光GLp不重叠。即，在X方向上从不同位置射出的图像光GLo和图像光GLp中，如图6中箭头所示，例如，图像光GLo在第2反射镜23中的范围23o或范围23o的附近被反射，与此相对，图像光GLp在第2反射镜23中的范围23p或范围23p的附近被反射。返回图5，对于图像光GLo和图像光GLp，即使在显示设备11的±Y方向上从相同的高度射出的情况下，也存在4mm左右的差，作为第2反射镜23处的反射位置的距离差DD。例如图5中的情况下的从显示设备11的中心位置(基准位置)的高度射出的图像光即沿着光轴AX射出的图像光GLo与从光轴AX的周边侧射出的图像光GLp的距离差DD1为4.0mm。另外，在显示设备11中，从比中心位置(基准位置)向上方(+Y方向)离开3mm的高度(上端)射出的图像光GLo与图像光GLp的距离差DD2为4.2mm。另外，在显示设备11中，从比中心位置(基准位置)向下方(-Y方向)离开3mm的位置(下端)射出的图像光GLo与图像光GLp的距离差DD3为3.5mm。第2反射镜23以产生以上那样的差异的程度弯曲。
以下，参照图7等，对构成虚像显示装置100的光学系统的各部分的配置关系、其比较方法的一例进行说明。另外，图8是从表示各部分的配置关系的图7中提取出各部分的配置的概念图。
首先，如图7所示，在此，将通过光轴AX的位置作为各部分的基准位置，确定各部分的配置关系(位置关系)。例如，如果是射出光瞳EP的位置，则表示光轴AX到达射出光瞳EP的位置即中心位置的点EPx成为基准位置。同样地，将第2反射镜23的基准位置设为点23x，将折射反射光学部件22(反射部22r)的基准位置设为点22x，将第1反射镜21(反射部21r)的基准位置设为点21x，将显示设备11(显示部11a)的基准位置设为点11x。
另外，关于方向，采用X方向、Y方向以及Z方向。在该情况下，对于X方向、Y方向以及Z方向，假设为在设计上的理想的(虚拟的)状态下佩戴着虚像显示装置100，该情况下的对于虚拟的使用者US而言的前方或者正面方向成为Z方向，双眼排列的横向(水平方向)成为X方向，垂直方向成为Y方向。
以上，例如图7中所示，在Z方向上，在用距离LL1规定从显示设备11到第1反射镜21的距离、用距离LL2规定从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的距离的情况下，距离LL1比距离LL2短。因此，可以认为从显示设备11到第1反射镜21的距离比从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的距离短。
另外，在虚像显示装置100中，在上述那样的理想的状态下，如图7以及图8所示，从第2反射镜23朝向射出光瞳EP的光轴AX的方向相对于Z方向朝稍微斜下的方向倾斜。从人体工程学的观点出发，已知自然的人的视线角度为下侧10°左右，在利用虚像显示装置100观看影像(虚像)时，也认为通过以Z方向为基准将影像的中心向下侧移动10°，能够提供更自然且舒适的影像视听。因此，在图示那样的理想状态下，构成为从第2反射镜23朝向射出光瞳EP的光轴AX的方向在上下方向上的倾斜度为下侧10°。即，在图中，朝向射出光瞳EP的光轴AX相对于Z方向的倾斜角度(视线相对于Z方向的倾斜度)α为α＝10°。
另外，如图所示，关于表示射出光瞳EP的基准位置的点EPx和表示折射反射光学部件22的基准位置的点22x，在从点EPx到点22x的距离中，将Y方向(垂直方向)上的距离设为距离y，将Z方向(前后方向)上的距离设为距离z。
另外这里，关于入射到第2反射镜23的图像光GL与被第2反射镜23反射的图像光GL所成的角度，如已述那样，将沿着光轴AX的图像光GL的角度作为代表的角度来处理，将其设为第1角度θ。通过增大第1角度θ，可期待抑制虚像显示装置100整体中的眼前部分的突出。另一方面，在图像光GL的导光方向(-Y方向)上，偏心的程度较大，产生的像差也较大。在上述方式的情况下，特别是纵向(Y方向)上的导光的影响较大，认为在与其对应的方向即图像中的纵向上容易产生存在偏差的畸变像差。因此，从抑制像差的观点出发，要求将第1角度θ减小一定程度。
并且在此，将从射出光瞳EP的位置(点EPx)到第2反射镜23(点23x)的沿着光轴AX的距离设为距离C。即，距离C表示相对于使用者US的眼睛位置的第2反射镜23的位置，其成为表示虚像显示装置100整体的眼前大小的指标之一。
在此，如图8所示，若几何学地提取光轴AX中的、从表示折射反射光学部件22(反射部22r)的基准位置的点22x到点EPx之间的各参数即上述的角度α、距离y、距离z、距离C以及第1角度θ，则可知关于它们，下述的式(1)的关系成立。
Figure BDA0003911341430000101
其中，
C：从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的距离
y：Y方向(铅直方向)上的从射出光瞳EP的位置到折射反射光学部件22的位置的距离
z：Z方向(水平方向)上的从射出光瞳EP的位置到折射反射光学部件22的位置的距离
α：使用者US的视线相对于Z方向(水平方向)的倾斜角度
θ：入射到第2反射镜23的图像光GL与被第2反射镜23反射的图像光GL所成的第1角度
在此，射出光瞳EP位于对于使用者US而言的眼睛的位置，与此相对，折射反射光学部件22是光学系统中的最接近对于使用者US而言的额头的位置。因此，关于上述中的表示射出光瞳EP与折射反射光学部件22的相对位置关系的距离y以及距离z，成为一定程度确定的范围的数值，作为典型的一例，设想为y＝14.5mm、z＝18.4mm。
另外，关于上述中的视线的倾斜角度α，如上所述，作为典型的一例，假设为α＝10°。
根据以上，在距离y、距离z以及角度α为规定值的情况下，上述的式(1)表示第1角度θ和从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的距离C应该满足的关系。在以上的情况下，若考虑图8以及上述的式(1)，则距离C越大，越能够减小第1角度θ，越能够抑制光学系统中的像差的产生。但是，距离C表示相对于使用者US的眼睛位置的第2反射镜23的位置，距离C越大，作为装置整体越大型化。
在本实施方式中，通过将第1角度θ设为大于0°且45°以下，成为抑制了像差的结构，并且考虑上述的式(1)，将距离C的范围收敛于适当的范围，由此实现了装置的大型化抑制。
此外，作为距离C的值，从作为装置整体的尺寸、确保与应确保的视场角相伴的第2反射镜23的反射区域这样的观点出发，例如更优选为100mm以内、或者70～80mm左右以下。与此相应地，作为第1角度θ的下限值，例如假设为10°左右。
返回到图7，在此，除了上述以外，关于入射到第1反射镜21的图像光GL与被第1反射镜21反射的图像光GL所成的角度，也规定为第2角度φ。第2角度φ可以仿照第1角度θ的规定，例如关于在第1反射镜21的前后沿着光轴AX的图像光GL的成分的角度，考虑将第2角度φ作为代表的角度。另外，在图示的情况下，第1角度θ小于第2角度φ。
图9是表示产生的像差(畸变像差)的情形的概念图。在图中，虚线所示的格子状的线DA1相当于形成于显示设备11的显示面11a的显示像DA的形状。在该情况下，格子状的线DA1为矩形。另一方面，实线所示的格子状的线IG表示作为虚像被看到的图像的形状。在图示中，以能够比较这些形状的方式示出了将形状放大或缩小而重合的情形。在该情况下，可知线IG虽然存在一些变形，但维持大致矩形状的状态，即几乎没有畸变像差，在光学系统中消除了纵横变形。在此例如，如通过虚像显示装置100形成的图像那样，在看到透视的图像的情况下，如果与没有变形的原来的图像相比产生5％以内、更优选产生2～3％以内的变形，则认为可良好地保证可视性。在本实施方式中，通过使第1角度θ大于0°且为45°以下，能够在光学系统中充分抑制偏心光学系统中的变形产生，例如能够在不需要电路校正、或者极力抑制由电路校正引起的负担增加的情况下，进行良好的图像形成。
另外，图10是表示上述方式中的分辨率的图表(MTF图)。从图10可知，在充分良好的状态下进行了图像形成。
如以上那样，本实施方式的虚像显示装置100具有：显示设备11，其是射出图像光GL的图像光射出部；反射来自显示设备11的图像光GL的第1反射镜21；折射反射光学部件22，其是具有反射由第1反射镜21反射后的图像光GL的反射部(反射镜面22r)的光学部件；以及使由反射镜面22r反射后的图像光GL朝向射出光瞳EP的位置反射的第2反射镜23，从显示设备11到第1反射镜21的距离(距离LL1)比从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的距离(距离LL2)短，由入射到第2反射镜23的图像光GL与由第2反射镜23反射的图像光GL所成的第1角度θ大于0°且为45°以下。在上述虚像显示装置100中，通过在从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的位置之间设置距离C，并且使入射到第2反射镜23的图像光GL与被第2反射镜23反射的图像光GL所成的第1角度θ大于0°且为45°以下，能够充分抑制变形的产生，例如不需要基于校正电路的电校正等而能够进行高精度的图像形成。
[实施例1]
以下，对将第1实施方式的虚像显示装置100的光学系统具体化的实施例1进行说明。
以下的表1表示构成实施例1的虚像显示装置的各面的参数。表中距离的单位为mm。
[表1]
Figure BDA0003911341430000121
Figure BDA0003911341430000131
在该情况下，从射出光瞳EP朝向显示部11a追踪光线。在表1中，记载了相邻的面间的面间隔、折射介质的材质、以及面的折射和反射的类别、各面的全局坐标。另外，在折射介质的材质中，树脂A是指在可见光区域中折射率为1.52左右且阿贝数为56.5的树脂材料，树脂B是指在可见光区域中折射率为1.67左右且阿贝数为19.2的树脂材料，SILICA是指在可见光区域中折射率为1.47左右的石英玻璃。
在上述表1所示的实施例1的数据中，自由曲面由xy多项式面表示，xy多项式面的系数以z为光轴方向，由下式给出。
Figure BDA0003911341430000132
这里，
z：与z轴平行的面的垂度(sag)量
c：顶点曲率
k：圆锥系数
Cj：单项式xmyn的系数
r：半径方向的距离(r＝√(x2+y2))
另外，Ci＝Cj×{(归一化半径)(m+n-1)}。
以下的表2是具体说明系数Ci的表。
[表2]
Figure BDA0003911341430000141
Figure BDA0003911341430000151
以下的表3是汇总了给出实施例1所包含的自由曲面的多项式的系数Ci的表。
[表3]
Figure BDA0003911341430000161
Figure BDA0003911341430000171
[第2实施方式]
以下，参照图11等，对本发明第2实施方式的虚像显示装置进行说明。另外，第2实施方式的虚像显示装置是部分地变更了第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。此外，图11是与图3对应的图，图12是与图9对应的图。
如图11所示，第2实施方式的虚像显示装置100与第1实施方式同样，作为投射光学系统30，具有透镜部件12、第1反射镜21、折射反射光学部件22以及第2反射镜23，进而，在显示设备11中具有校正电路CC。本实施方式中，在光学系统中抑制了纵向变形(图像的纵向上的变形)的产生，而关于横向变形(图像的横向上的变形)，成为进行基于校正电路CC的电路校正的方式，在这一点上，与关于纵向变形以及横向变形双方抑制了像差的第1实施方式的情况不同。另外，如图所示，在本实施方式中，从显示设备11到第1反射镜21的距离也比从射出光瞳EP的位置到第2反射镜23的距离短。
图12是示出假设不进行基于校正电路CC的校正的情况下在光学系统中产生的像差(畸变像差)的情形的概念图。在图中，虚线所示的格子状的线DA1与图9的情况同样，相当于在显示设备11的显示部11a形成的显示像DA的形状，与此相对，实线所示的格子状的线IGα表示未进行基于校正电路CC的校正的情况下的图像的形状。即，从图12所示的状态可知，在本实施方式的情况下，在光学系统中消除了纵向变形，但成为残留有横向变形的状态。但是，在该情况下，从图12可知，作为校正电路CC中的运算处理，如果进行与横向的行相关的像素的位置调整，则能够形成充分地进行了变形校正的图像。即，能够降低对校正电路CC施加的负担。特别是，在本实施方式中，如上所述，光学系统成为在纵向上展开的偏心光学系统，因此通过抑制纵向变形的像差，能够有效地抑制作为整体而产生的像差。
[实施例2]
以下，对将第2实施方式的虚像显示装置100的光学系统具体化的实施例2进行说明。实施例2的数据也以与实施例1的数据相同的方式表现，省略关于用语的定义等的重复说明。
以下的表4表示构成实施例2的虚像显示装置的各面的参数。表中距离的单位为mm。
[表4]
Figure BDA0003911341430000181
Figure BDA0003911341430000191
以下的表5是汇总了给出实施例2所包含的自由曲面的多项式的系数Ci的表。
[表5]
Figure BDA0003911341430000201
Figure BDA0003911341430000211
Figure BDA0003911341430000221
Figure BDA0003911341430000231
图13是将纵轴设为第1角度θ(单位°)，将横轴设为视场角(单位°、对角视场角)，并示出它们的关系的图表。图中，作为比较例，点PP0表示残留存在纵横变形的状态即未进行变形校正的情况下的一例。在该情况下，从点PP0的位置起，在视场角50°处，第1角度θ大于45°。在该情况下，虽然有可能实现装置的小型化，但产生较大的像差而需要通过电路、面板形状等其他方法对其进行校正。
与此相对，点PP1表示第1实施方式所示的一例，即表示对纵向变形以及横向变形双方进行了校正的情况下的一例。在该情况下，第1角度θ大于0°且为45°以下。更具体而言，在视场角50°时，第1角度θ为27°左右。在该情况下，可知通过使第1角度θ例如为30°以下(例如27°左右)，能够构成抑制畸变像差、不需要或者极力减少电路校正的虚像显示装置100。
并且，点PP2表示本实施方式(第2实施方式)所示的一例，即表示对纵向变形进行了校正的情况下的一例。在该情况下，第1角度θ也大于0°且为45°以下。更具体而言，例如在视场角50°或60°时，第1角度θ为35°左右。另外，在视场角40°或45°时，第1角度θ为37°～38°左右(小于40°)。由此可知，在本实施方式(第2实施方式)的情况下，若将第1角度θ保持在35°～40°的范围，则作为虚像显示装置100，可构成能够减轻电路校正的负担且能够形成视场角40°～60°的宽视场角的图像的装置。即，在本实施方式(第2实施方式)中，第1角度θ处于35°～40°的范围，在与第1反射镜21、折射反射光学部件22以及第2反射镜23的导光(-Y方向的导光)对应的方向(图像的纵向)上的图像的畸变像差的校正大于在与该方向垂直的方向(图像的横向)上的校正，由此可减轻像差校正的负担，并且实现装置的大型化抑制等。
[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，作为显示设备11使用了有机EL元件等自发光型的显示元件，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。
折射反射光学部件22的反射镜面22r不限于由反射膜22c形成，也可以是满足全反射条件的全反射面。
在第2反射镜23的外界侧，能够安装通过限制第2反射镜23的透射光来进行调光的调光设备。调光设备例如电动地调整透射率。作为调光设备，能够使用镜面液晶、电子遮光罩等。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，能够仅观察未受到外界像的作用的虚像。另外，本申请发明的虚像显示装置能够应用于遮挡外部光而仅看到图像光的所谓封闭型头部佩戴式显示装置(HMD)。在该情况下，也可以与由虚像显示装置和拍摄装置构成的所谓的视频透视的产品对应。
关于第2反射镜部件23的反射膜23c，不限于具有半透射性的反射膜，也可以如线栅元件那样反射特定偏振成分。关于第2反射镜部件23的反射膜23c，可以由体积全息元件或其他全息元件构成，也可以由衍射光栅构成。
以上，以虚像显示装置100佩戴于头部来使用为前提，但上述虚像显示装置100也能够作为不佩戴于头部而如双目镜那样观看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。
具体的方式中的虚像显示装置具有：图像光射出部，其射出图像光；第1反射镜，其反射来自图像光射出部的图像光；光学部件，其具有反射由第1反射镜反射后的图像光的反射部；以及第2反射镜，其使由反射部反射后的图像光朝向射出光瞳的位置反射，从图像光射出部到第1反射镜的距离比从射出光瞳的位置到第2反射镜的距离短，入射到第2反射镜的图像光与由第2反射镜反射的图像光所成的第1角度大于0°且为45°以下。
在上述虚像显示装置中，通过在从射出光瞳的位置到第2反射镜之间设置距离，并且将入射到第2反射镜的图像光与由第2反射镜反射的图像光所成的第1角度设为45°以下，能够充分抑制图像变形的产生，例如能够在不需要基于校正电路的电校正等的情况下进行高精度的图像形成。
在具体的方面中，光学部件具有入射/射出部，来自第1反射镜的图像光入射到所述入射/射出部，且所述入射/射出部射出由反射部反射后的图像光，入射/射出部使入射的图像光和射出的图像光折射。在该情况下，在折射反射光学部件的折射作用下，能够进行光路调整。
在具体的方面中，入射/射出部是非球面或自由曲面。在该情况下，在折射反射光学部件中，能够抑制畸变像差。
在具体的方面中，从射出光瞳的位置到第2反射镜的距离C由下式表示：
Figure BDA0003911341430000251
其中，
y：使用者正规地佩戴虚像显示装置的情况下的、铅直方向上的从射出光瞳的位置到光学部件的位置的距离
z：使用者正规地佩戴虚像显示装置的情况下的、水平方向上的从射出光瞳的位置到光学部件的位置的距离
α：使用者的视线相对于水平方向的倾斜角度
θ：第1角度。
在该情况下，兼顾距离C，避免装置的大型化，并且实现像差的抑制。
在具体的方面中，第1角度为30°以下。在该情况下，例如对于矩形的图像，能够对纵向和横向双方进行充分的像差抑制。
在具体的方面中，第1角度为35°～40°的范围，在由图像光形成的图像中，在与由第1反射镜、光学部件以及第2反射镜进行的图像光的引导对应的方向上产生的畸变大于在与该方向不同的方向上产生的畸变。在该情况下，能够抑制装置的大型化，并且能够在效果更好的方向上抑制像差。
在具体的方面中，第1角度比入射到第1反射镜的图像光与被第1反射镜反射的图像光所成的第2角度小。在该情况下，通过使第1角度足够小，作为光学系统整体，能够抑制像差。
在具体的方面中，第1反射镜、第2反射镜以及反射部分别是非球面或自由曲面。在该情况下，在各反射面实现像差抑制。
在具体的方面中，第2反射镜使图像光的一部分朝向射出光瞳的位置反射，使图像光的另一部分透过。在该情况下，能够进行透视观察。

Claims (9)

1.一种虚像显示装置，其中，该虚像显示装置具有：
图像光射出部，其射出图像光；
第1反射镜，其反射来自所述图像光射出部的所述图像光；
光学部件，其具有反射由所述第1反射镜反射后的所述图像光的反射部；以及
第2反射镜，其使由所述反射部反射后的所述图像光朝向射出光瞳的位置反射，
从所述图像光射出部到所述第1反射镜的距离比从所述射出光瞳的位置到所述第2反射镜的距离短，
入射到所述第2反射镜的所述图像光与由所述第2反射镜反射的所述图像光所成的第1角度大于0°且为45°以下。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述光学部件具有入射/射出部，来自所述第1反射镜的所述图像光入射到所述入射/射出部，且所述入射/射出部射出由所述反射部反射后的所述图像光，
所述入射/射出部使入射的所述图像光和射出的所述图像光折射。
3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中，
所述入射/射出部是非球面或自由曲面。
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，
从所述射出光瞳的位置到所述第2反射镜的距离C由下式表示：
Figure FDA0003911341420000011
其中，
y：使用者正规地佩戴所述虚像显示装置的情况下的、铅直方向上的从所述射出光瞳的位置到所述光学部件的位置的距离
z：所述使用者正规地佩戴所述虚像显示装置的情况下的、水平方向上的从所述射出光瞳的位置到所述光学部件的位置的距离
α：所述使用者的视线相对于所述水平方向的倾斜角度
θ：所述第1角度。
5.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角度为30°以下。
6.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角度为35°～40°的范围，
在由所述图像光形成的图像中，在与由所述第1反射镜、所述光学部件以及所述第2反射镜进行的所述图像光的引导对应的方向上产生的畸变大于在与该方向不同的方向上产生的畸变。
7.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角度比入射到所述第1反射镜的所述图像光与被所述第1反射镜反射的所述图像光所成的第2角度小。
8.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反射镜、所述第2反射镜以及所述反射部分别是非球面或自由曲面。
9.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2反射镜使所述图像光的一部分朝向所述射出光瞳的位置反射，使所述图像光的另一部分透过。
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