CN116626895A - 虚像显示装置用光学系统、虚像显示装置及头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚像显示装置用光学系统、虚像显示装置以及头戴式显示器，其目的在于实现对图像光进行导光的导光部件的薄型化。虚像显示装置用光学系统包括对来自显示图像的图像显示元件的图像光进行导光的导光部件；让从第一侧出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光透射，并反射从隔着所述部分反射部与所述第一侧不同的第二侧出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光，使该图像光射往外部的部分反射部，所述第二侧隔着所述部分反射部位于与所述第一侧不同的一侧；反射部，位于所述第二侧，向着所述部分反射部反射透过所述部分反射部的所述图像光；以及在所述导光部件内形成所述图像光的中间像的中间像形成部。

Description

虚像显示装置用光学系统、虚像显示装置及头戴式显示器

技术领域

本发明涉及虚像显示装置用光学系统、虚像显示装置以及头戴式显示器。

背景技术

虚像显示装置用于放大二维图像以供观察者观察经过放大的虚像。例如US专利第10,353,203号公报作为专利文献1，公开了这种虚像显示装置的具体构成。

专利文献1公开的虚像显示装置是眼镜设备，图像显示元件埋设在镜框部。该虚像显示装置在透镜内对来自图像显示元件的各像素的光(以下记为“图像光”。)进行导光，使经过导光的图像光射往观察者，把射出的图像光作为经过放大的虚像供观察者观察。

在专利文献1公开的虚像显示装置中准直光在透镜内受到导光。这种构成对作为一例导光部件的透镜，难以减小其厚度。

发明内容

本发明是鉴于上述问题提出的方案，其目的在于提供能够实现对图像光进行导光的导光部件薄型化的虚像显示装置用光学系统、以及具备这种虚像显示装置用光学系统的虚像显示装置以及头戴式显示器。

本发明的一个实施方式的虚像显示装置用光学系统包括：导光部件，对来自显示图像的图像显示元件的图像光进行导光；部分反射部，让从第一侧出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光透射，并反射从第二侧出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光，使该图像光射往外部，所述第二侧隔着所述部分反射部位于与所述第一侧不同的一侧；反射部，位于所述第二侧，向着所述部分反射部反射透过所述部分反射部的所述图像光；以及中间像形成部，在所述导光部件内形成所述图像光的中间像。

本发明的一个实施方式的效果在于，提供能够使引导图像光的导光部件薄型化的虚像显示装置用光学系统、以及具备这种虚像显示装置用光学系统的虚像显示装置以及头戴式显示器。

附图说明

图1是具备本发明一实施方式涉及的虚像显示装置的头戴式显示器的示意图。

图2是本发明一实施方式涉及的虚像显示装置的构成的示意图。

图3是用来说明本发明一实施方式在导光部件内形成图像显示元件的图像光的中间像有助于实现导光部件薄型化的理由的示意图。

图4是本发明的数值实施例1涉及的虚像显示装置的光学构成的示意图。

图5是本发明的数值实施例1涉及的虚像显示装置的球面像差图、像散图及畸变像差图。

图6是本发明的数值实施例1涉及的虚像显示装置的横像差图。

图7是本发明的数值实施例2涉及的虚像显示装置的光学构成的示意图。

图8是本发明的数值实施例2涉及的虚像显示装置的球面像差图、像散图及畸变像差图。

图9是本发明的数值实施例2涉及的虚像显示装置的横像差图。

图10是本发明的数值实施例3涉及的虚像显示装置的光学构成的示意图。

图11是本发明的数值实施例3涉及的虚像显示装置的球面像差图、像散图及畸变图。

图12是本发明的数值实施例3涉及的虚像显示装置的横像差图。

图13是表示本发明的数值实施例4涉及的虚像显示装置的光学构成的示意图。

图14是本发明的数值实施例4涉及的虚像显示装置的球面像差图、像散图及畸变图。

图15是本发明的数值实施例4涉及的虚像显示装置的横像差图。

图16是本发明的数值实施例5涉及的虚像显示装置的光学构成的示意图。

图17是本发明的数值实施例5涉及的虚像显示装置的球面像差图、像散图及畸变图。

图18是本发明的数值实施例5涉及的虚像显示装置的横像差图。

图19是本发明的变形例涉及的虚像显示装置的构成的示意图。

具体实施方式

以下参考附图，说明本发明一实施方式涉及的虚像显示装置用光学系统、虚像显示装置以及头戴式显示器。在以下的说明中对相同或互相对应的元件，给予相同或类似的符号，适当简化或者省略重复说明。

图1是具备本发明一实施方式涉及的虚像显示装置的头戴式显示器1的示意图。在本实施方式中，头戴式显示器1是例如眼镜型可穿戴终端的智能眼镜。智能眼镜也可以称为眼镜设备或眼镜显示器。头戴式显示器1也可以是被称为虚拟现实(VR)眼镜、扩张现实(AR)眼镜、混合现实(MR)眼镜、延展现实(XR)眼镜等穿戴式终端。

在图1的示例中，头戴式显示器1是双眼类型的头戴式显示器。其他实施方式中头戴式显示器1也可以是对应于左右眼其中一方的单眼类型的头戴式显示器。

如图1所示，头戴式显示器1包括镜框部2和镜片部3。镜片部3嵌入镜框部2。一对镜片部3分别对应佩戴者的左右眼。

图像显示元件10显示图像，内置于镜框部2中。在图1的例子中，镜框部2内覆盖镜片部3上侧边缘的部分中埋设图像显示元件10。图像显示元件10的设置位置不限于图1所示的位置。例如，可以在镜框部2内覆盖镜片部3下侧边缘的部分中埋设图像显示元件10。

图像显示元件10显示被作为虚像需要观察的图像，示例性地包括OLED(有机电致二极管)阵列、LD(激光二极管)阵列、LED(光发射二极管)阵列、MEMS(微电机械系统)、DMD(数字微镜器件)等。

在以下的说明中，图1中，以从镜片部3向佩戴者的眼睛的第一水平方向为z方向，与z方向正交的第二水平方向为x方向，与x方向和z方向两者同时正交的铅直方向为y方向。相互正交的x方向和y方向以及z方向构成左手系。方向的称呼是为了便于说明构成元件的相对位置关系而使用的称呼，并不表示绝对方向。按照佩戴头戴式显示器1的佩戴者的姿势，例如z方向不一定是水平方向，也可以是垂直方向。

从图像显示元件10的各像素射出的光(即图像光)从图像显示元件10向y方向负方射出，入射到镜片部3内，在镜片部3内受到导光，朝着z方向正方(换言之，朝向佩戴者的各眼睛)射出，用于虚像显示。即左右一对镜片部3分别在包括与眼睛对应的区域形成眼罩。

图2是本发明一实施方式涉及的虚像显示装置1A的基本构成的示意图。虚像显示装置1A搭载在一例头戴式显示器1上。

本实施方式的虚像显示装置1A不限于头戴式显示器，也可以搭载在其他形态的装置上。比如也可以搭载在仰视显示器上。

虚像显示装置1A具备图像显示元件10和至少包括导光部件30的虚像显示装置用光学系统。在图2的例子中，虚像显示装置1A具备图像显示元件10和作为一例虚像显示装置用光学系统的导光部件30。图2中，符号EY表示佩戴者左右其中一方的眼睛。

虚像显示装置用光学系统可以进一步包括与传播光学系统、光圈a以及与导光部件30不同的另外的光学部件，对此将在后面详细叙述。

导光部件30是对来自图像显示元件10的图像光进行导光的光学部件。头戴式显示器1上搭载虚像显示装置1A时，镜片部3相当于导光部件30。

导光部件30具有作为入射面的第一面310，来自图像显示元件10的图像光入射第一面310。在导光部件30的内部设有部分反射部320，将入射第一面310的图像光分为反射光和透射光。

部分反射部320一方面让在导光部件30内被导向y方向负方的图像光(换言之，从图像显示元件10所在的第一方出发在导光部件30内受到导光的图像光)中的一部分光透射，另一方面反射在导光部件30内被导向y方向正方的图像光(换言之，从与第一方不同的第二方出发在导光部件30内受到导光的图像光)中的一部分光，使该部分光射往z方向正方，从导光部件30的第三面340(射出面)射往外部。

如后述的数值实施例1～5所示，也可以在导光部件30内沿光轴AX方向以间隔d排列设置多个部分反射部320。换言之，光轴AX上相邻的两个部分反射部320的间隔是间隔d。本实施方式将从图像显示元件10的有效像素区域的中心向与像素排列面垂直方向射出的光线所通过的光路定义为“光轴AX”。光轴AX既是虚像显示装置1A的光轴，同时也是虚像显示装置用光学系统中包括的各光学元件(例如导光部件30)的光轴。

多个部分反射部320将图像光分为多束光束，从而扩大眼罩，同时还加大视角。因此，佩戴者即使相对于虚像显示装置1A移动眼睛EY，也容易看到虚像，而且佩戴者还能够以宽广的视角视觉认知虚像。

为了确保合适的眼罩，上述间隔d例如满足下式(1)。

0.5 mm＜d＜3.0 mm (1)

如果间隔d为0.5mm以下，则容易产生比如由某个部分反射部320反射的图像光会受到相邻的部分反射部320反射所引起的光量不均(虚像的亮度不均)。而如果间隔d为3.0mm以上，则由于间隔d过宽，造成例如眼罩内的有些部位会看到有缺失的虚像。

多个部分反射部320既可以等间隔d设置，也可以不以等间隔设置。

部分反射部320的朝向与图像光的光轴AX(以及向z方向正向射出的第三面340)形成规定角度(例如45度)。部分反射部320例如是半反射镜。部分反射部320也可以是PBS(偏振分光棱镜)。

部分反射部320例如由形成在平面上的部分反射面构成。通过将部分反射部320形成在平面上，例如便于制造，有利于补偿像差。

在此首先探讨具有多个非平面(具有曲率的面等)的部分反射部320。在这种情况下，为了显示像差经过适当补偿的高画质虚像，需要将相邻的部分反射部320形成为彼此形状不同。进而，为了适当地补偿像差，图像光的光路上位于比部分反射部320更靠近图像显示元件10一方的光学系统与各部分反射部320之间，需要分担像差补偿。其结果，多个部分反射部320需要分别形成为具有不同的自由曲面的形状。因此，难于确保容易制造，并且很难补偿像差。

图2的例子用一对光学块构成导光部件30。在光学块的一个倾斜面上形成薄膜，构成部分反射部320的部分反射面。用粘接剂将形成有部分反射面的光学块的倾斜面与另一光学块的倾斜面粘接起来，构成导光部件30。

部分反射面由例如通过蒸镀金属材料而形成的蒸镀膜构成。为了提高光学块之间的紧密性，也可以在光学块的倾斜面上形成底漆层之后再形成部分反射面的薄膜。

导光部件30的各光学块是比如塑料等合成树脂制的成形品。由此能够减轻导光部件30。通过导光部件30轻量化，可以减低施加在佩戴者的鼻子上的负荷，例如可以减轻佩戴者长时间佩戴头戴显示器1时的疲劳感。

虚像显示装置1A包括中间像形成部20，用于将来自图像显示元件10的图像光的中间像I形成在导光部件30内。

在图2的例子中，导光部件30的第一面310形成为球面或非球面，构成将来自图像显示元件10的图像光的中间像I形成在导光部件30内(例如部分反射部320附近)的中间像形成部20。通过将第一面310兼作中间像形成部20，可以使虚像显示装置1A小型化，并抑制制造成本。

如后述的数值实施例1～5所示，虚像显示装置1A也可以包括传播光学系统，传播光学系统用于在图像显示元件10和导光部件30之间的图像光的光路上将来自图像显示元件10的图像光传送到导光部件30。在这种情况下，例如该传播光学系统构成中间像形成部20。由于可以让传播光学系统负担像差补偿，因此例如能够良好地补偿各种像差。

如后述的数值实施例1～5所示，可以在构成中间像形成部20的传播光学系统和导光部件30之间的图像光的光路上设置光圈a。通过光圈a可以将来自图像显示元件10的图像光实质上缩小到经过传播光学系统像差补偿的图像光。从另一个观点来看，能够利用光圈a剔除没有用传播光学系统进行像差补偿的无用光。因此，可抑制例如光斑的产生，改善画质。另外，通过适当设定光圈a的大小，可以确保充分的景深，同时提高分辨率。开口光圈a的形状可以是圆形或矩形，可以在与光轴AX垂直的方向上设置多个开口光圈a。可以通过设置多个小的光圈，在确保眼罩的同时，显示景深大的虚像。

可以通过在传播光学系统和导光部件30之间设置光圈a，将光圈a通过后段光学系统(比光圈a更后段的光学系统)成像的位置(即与光学系统的出瞳位置对应的位置)设置在佩戴者的眼睛EY附近。为此，佩戴者能够视觉认知大视角范围的虚像。

虚像显示装置1A包括反射部40。设部分反射部320的两侧分别为第一侧(图2的例子中图像显示元件10所在的一侧)和第二侧(图2的例子中与第一侧相反的一侧)，反射部40位于第二侧。头戴式显示器1上搭载虚像显示装置1A时，反射部40位于与设置在镜片部3的上部的图像显示元件10相对的镜片部3的下部。

从第一面310入射后透过部分反射部320的图像光被引导到反射部40。反射部40包括反射面。被引导到反射部40的图像光受到该反射面反射，向着部分反射部320被导向z方向正方。

反射部40的反射面具有正屈光度。该反射面将通过部分反射部320入射的图像光转换为准直光或接近准直光，射往部分反射部320。这样，准直光或近似准直光在导光部件30内被导向y方向正方，被部分反射部320反射到z方向正方，从导光部件30的第三面340向外部射出，到达佩戴者的眼睛EY。如果是准直光，佩戴者能够良好地视觉认知无限远的虚像。而如果是近似准直光，则佩戴者能够良好地视觉认知具有适当虚像距离(形成虚像的面与眼EY的距离)的虚像。虚像距离可以根据虚像显示装置1A的用途适当更改。

导光部件30具有隔着部分反射部320与第一面310对置的第二面330。在图2的例子中，第二面330为反射面，构成反射部40。通过将第二面330兼作反射部40，可以使虚像显示装置1A小型化，并抑制制造成本。

如后述的数值实施例4、5所示，虚像显示装置1A也可以构成为在导光部件30的后段的光路上包括与导光部件30不同的其他光学部件。在这种情况下，例如，该其他光学部件包括上述反射面的反射部40。透过部分反射部320后从导光部件30的第二面330射出的图像光入射该反射面后，被反射面转换为准直光或接近准直光，向部分反射部320反射。这样，准直光或接近准直光从第二面330入射到导光部件30内，被导向y方向正方，在部分反射部320上向z方向正方反射，从导光部件30的第三面340向外部射出，到达佩戴者的眼睛EY。在此，如后述的数值实施例4、5所示，也可以在上述反射面和第二面330之间设置具有屈光度的光学面(后述的第一面410)。在这种情况下，从第二面330入射到导光部件30内的图像光可以通过第二面330、上述光学面(后述的第一面410)、上述反射面(后述的第二面420)的各光学面成为准直光或接近准直光。即，也可以通过这些光学面的屈光度，在从第二面330入射到导光部件30内的时刻，使图像光成为准直光或接近准直光。

在上述构成中，可以使其他光学部件构成的反射部40负担像差补偿，因此，能够良好地补偿例如各种像差。而且在这种情况下，可以使设置在第二面330、上述反射面(后述的第2面420为一例)、第二面330与上述反射面之间的光学面(作为一例后述的第一面410)分别分担像差补偿，因此能够更确切地补偿像差。

在本实施方式的虚像显示装置1A中，来自图像显示元件10的图像光的中间像I由中间像形成部20形成在导光部件30内。由此能够实现导光部件30的薄型化(换言之，可以把导光部件30的z方向的大小抑制得较小)。由此能够使导光部件30轻量化。通过减轻导光部件30的重量，可以降低施加在佩戴者的鼻子上的负荷，例如减小佩戴者长时间佩戴头戴显示器1时的疲劳感。

通过在导光部件30内形成来自图像显示元件10的图像光的中间像I，可以将虚像显示装置用光学系统的光瞳配置在佩戴者的眼EY附近。为此能够在确保大视角的同时，保证宽阔的眼罩。

本实施方式采用从第一面310入射到导光部件30内后透过部分反射部320的图像光在反射部40受到反射，在部分反射部320向z方向正方反射，从导光部件30的第三面340向外部射出的构成。不过，这只是通过在导光部件30内形成中间像I而使导光部件30薄型化的一个例子。

例如，图19是本发明的变形例的虚像显示装置1AX的概略构成的示意图。虚像显示装置1AX也可以采用如图19所示的，通过中间像形成部20在导光部件30内形成中间像I，并且将从第一面310入射到导光部件30内的图像光通过构成在导光部件30内的准直光学系统50转换为准直光或近似准直光，将经过转换的图像光通过部分反射部320反射到z方向正方，从导光部件30的第三面340向外部射出的构成。准直光学系统50既可以是在导光部件30内由折射率不同的材质(例如高折射率的材料或中空结构)构成的透镜，也可以是形成在导光部件30内的衍射光学元件。即，如果是通过在导光部件30内形成中间像I而使导光部件30薄型化的构成，则可以省略构成元件中的反射部40。此时，通过设置多个部分反射部320，不仅可以进一步扩大眼罩，还可以进一步扩大视角。

这样，不包括反射部40且包括中间像形成部20、导光部件30及多个部分反射部320的构成也属于本发明范畴。

以下用图3来说明在导光部件30内形成来自图像显示元件10的图像光的中间像I可使得导光部件30薄型化的理由。

图3的A是设中间像I的倍率设为1倍时的本实施方式的虚像显示装置1A的示意图。A图中，f1表示中间像形成部20的焦距，f2表示反射部40的焦距。图3的B是省略了本实施方式的虚像显示装置的1A中间像形成部20的虚像显示装置的示意图。B图中，f3表示反射部40的焦距。图3的C是传播光学系统20'取代本实施方式的虚像显示装置1A的中间像形成部20的虚像显示装置的示意图。传播光学系统20'将来自图像显示元件10的图像光转换为准直光，该准直光向导光部件30射出。C图的反射部40由于入射的图像光受到校准，所以由不具有折射力的反射面(平面)等构成。C图中，视角与A图相同。图3的A～C的各图中，实线表示轴上的光束，虚线表示轴外的光束。A～C各图中，由位于图像显示元件10的箭头表示的、图像显示元件10所显示的图像的大小相同。

为了让使用者看到外界的景色和影像，需要充分确保图像显示元件10或中间像形成部20与反射部40(更具体地说是反射面)之间的间隔。在图A中，中间像形成部20和反射部40之间的间隔与图1的镜片部3的纵向(y方向)宽度相对应。这是因为，镜片部3的纵向宽度需要设定得较大，以使佩戴者能够看到外界的景色等。同样，在图B中，图像显示元件10和反射部40之间的间隔与镜片部3的纵向宽度相对应，因此需要设定得宽一些。同样在C图中，由于传播光学系统20'和反射部40之间的间隔与镜片部3的纵向宽度相对应，因此同样需要设定得较宽。在B图中虚像距离为无限远时，为了把光轴上及轴外的光束导向薄型的导光部件30，需要增大焦距f3。具体而言，B图的例子中的焦距f3被设定为与上述图像显示元件10和反射部40之间的间隔相对应。因此，图像光受到反射部40校准，佩戴者能够视觉认知虚像。如上所述，焦距f3受到镜片部3的宽度的制约。为此，无法缩短焦距f3。因此，在B图的构成中，无法确保大视角。而在B图的构成中，为了确保与A图相同的视角，需要图像显示元件10大型化，从而导致虚像显示装置本身大型化。在C图中虚像距离为无限远的情况下，为了确保与A图相同的画角(换言之，使得为形成大画角所需的旁轴光束也能够由导光部件30导光)，需要加大导光部件30的厚度。具体而言，为了引导来自图像显示元件10的轴外光线(虚线)，传播光学系统20'需要增加与光轴AX方向垂直的方向上的大小(增加图中纵向大小)。随此，为了使从传播光学系统20'射出的图像光入射导光部件30，需要增加导光部件30的厚度(图中的纵向)。

与此相对，本实施方式的虚像显示装置1A如A图所示，通过在更靠近反射部40(更具体地说是反射面)的导光部件30内形成中间像I，能够缩短反射部40的焦距f2，因此能够在确保大视角的同时实现导光部件30的薄型化。换言之，在导光部件30实现薄型化的情况下，导光部件30也能够对形成大视角所需的轴外光束进行导光。

下面进一步说明本实施方式的虚像显示装置1A的具体构成。

为了以适当的大小构成搭载有虚像显示装置1A的头戴式显示器1，当中间像I的倍率为β时，虚像显示装置1A构成为满足下式(2)。

0.5＜β＜2.0 (2)

如果倍率β变为0.5倍以下，则在形成中间像I的位置后面的光学元件的合成焦距变得过短。为此，虚像显示装置用光学系统的光瞳形成在远离佩戴者的眼睛EY且靠近导光部件30的位置。因此，难以确保大视角。而如果倍率β为2.0倍以上，则难以形成薄型导光部件30。

为了得到恰当的虚像距离，虚像显示装置1A可以构成为，当设光轴AX方向上从中间像I到反射部40的反射面的距离为DA，上述反射面的旁轴曲率半径设为R时，满足下式(3)。

-0.8＜DA/R＜-0.2 (3)

如果值DA/R为-0.8以下，则反射部40的反射面的屈光度过大，虚像距离变得比无限远更远。而如果值DA/R为-0.2以上，则反射部40的反射面的功率过弱，虚像距离变得过短。

在后述的数值实施例1～3中，光轴AX方向上从中间像I到作为反射面所形成的导光部件30的第二面330的距离为DA。在后述的数值实施例4、5中，光轴AX方向上从中间像I到以不同于导光部件30的其他光学部件构成的反射部40的第2面420(反射面)的距离为DA。

为了以合适的大小构成搭载虚像显示装置1A的头戴式显示器1，虚像显示装置1A也可以构成为，当设光轴AX方向上从导光部件30的第一面310到反射部40的反射面的距离为TLA时，满足下式(4)。

15 mm＜TLA＜80 mm (4)

如果距离TLA为15mm以下，则导光部件30在光轴AX方向上的大小过于小，难以构成可供佩戴者佩戴的大小合适的头戴式显示器1。而如果距离TLA达到80mm以上，则导光部件30在光轴AX方向上的大小过大，难以构成可供佩戴者佩戴的大小合适的头戴式显示器1。

在后述的数值实施例1～3中，光轴AX方向上从导光部件30的第一面310到作为反射面形成的导光部件30的第二面330的距离为TLA。在后述的数值实施例4、5中，光轴AX方向上从导光部件30的第一面310到以不同于导光部件30的其他光学部件构成的反射部40的第2面420(反射面)的距离为TLA。

接下来示出虚像显示装置1A的具体数值实施例1～5。

在数值实施例1～5中，图像显示元件10的有效像素区域大小如下。

《数值实施例1、2》

z方向2mm、x方向6mm的矩形，对角方向长度为6.32mm

《数值实施例3》

z方向1.6mm、x方向6mm的矩形，对角方向长度为6.21mm

《数值实施例4、5》

z方向3mm、x方向6mm的矩形，对角方向长度为6.71mm

在数值实施例1～5中虚像距离为无限远。数值例1～5所示的像差图是在以焦距17mm的理想透镜成像的情况下求出的。

[数值实施例1]

图4显示本发明的数值实施例1的虚像显示装置1AB的光学构成。如图4所示，数值实施例1的虚像显示装置1AB从图像显示元件10侧起依次具有图像显示元件10、作为一例中间像形成部20的传播光学系统、光圈a、以及导光部件30。在数值实施例1中，中间像形成部20由以光轴AX为中心旋转对称的三个透镜构成。导光部件30内设有以平面形状形成的5个部分反射部320。

在数值实施例1中，垂直方向(z方向)、水平方向(x方向)、对角方向的视角分别为13.9度、40.0度、42.9度。光圈a具有在垂直方向(z方向)1.7mm、水平方向(x方向)1.7mm的矩形开口。

数值实施例1的虚像显示装置1AB的具体数值构成如表1所示。表1中，R(mm)表示光学元件各面的曲率半径(或旁轴曲率半径)，D(mm)表示光轴AX上光学元件的厚度或光学元件的间隔，Nd表示d线(587.562nm)的折光率，νd表示d线的阿贝数。阿贝数的右列中记载光学元件材质的商品名及制造商。

表1的编号从图像显示元件10一方开始依次赋予于图像显示元件10、中间像形成部20、导光部件30的各个面。表中，编号0表示图像显示元件10的图像显示面(像素排列面)，编号1～2表示图像显示元件10所具备的盖玻片的各个面。盖玻片是覆盖图像显示元件10的图像显示面的玻璃制部件。各数值实施例的光学构成图中用符号10A表示的元件表示盖玻片。

表中的编号3～8表示构成中间像形成部20的各透镜的各镜面，编号9表示光圈a。

表中的编号10～12表示导光部件30、部分反射部320。具体来说，表中的编号10、11、12分别表示构成导光部件30的第一面310、反射部40的第二面330(反射面)、部分反射部320(部分反射面)。

表中的编号11的间隔D列的标记A表示光轴AX方向上从第二面330到各部分反射部320(部分反射面)的距离。为方便起见，将该距离记为A。距离A从五个部分反射部320中最靠近第二面330一方的部分反射部320开始依次为11mm、13mm、15mm、17mm、19mm。即，五个部分反射部320以2mm等间隔配置。图4中仅显示最小距离A(即11mm)和最大距离A(即19mm)。

表中的编号13表示导光部件30的第三面340。编号13的间隔D表示从第三面340到佩戴者的眼睛EY的距离，即出瞳距离。

[表1]

	R	D	Nd	νd
							0		0.00
1	∞	0.30	1.51633	64.14		S-BSL7(OHARA)
							2	∞	1.71
3*	-3.808	3.70	1.53100	56		E48R(ZEON)
							4*	-3.659	0.20
5*	7.667	1.79	1.63200	23		OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
							6*	1.700	1.01
7*	2.743	1.81	1.53100	56		E48R(ZEON)
							8*	-3.181	0.44
9	光圈	0.00
							10	∞	35.00	1.53100	56		E48R(ZEON)
11*	-35.922	A	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
							12	∞	5.00	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
13	∞	15.00

表1中，标有“*”的编号的面为非球面。各非球面的数据如表2所示。表2中，标记E表示以10为基数，E右边的数字为指数的幂次方。非球面元件的曲率半径R表示光轴AX上的半径(旁轴半径)。当设非球面的垂度为Z、旁轴曲率(1/R)为C、距光轴的高度为h(mm)、圆锥系数为K、4次方以上的偶数次方的非球面系数为A4、A6…时，非球面形状由下式表示。

Z＝Ch2/{1+√(1-(1+K)C2h2)}+A4·h4+A6·h6+A8·h8+A10·h10

在以下的数值实施例2～5中表的形式相同。

[表2]

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	1.41155E-02	-7.60102E-04	1.45599E-04	-5.75784E-06
4	0.000	2.19417E-02	-5.45145E-03	1.14178E-03	-7.99615E-05
						5	0.000	-1.07129E-02	-4.74964E-03	2.81042E-03	-4.20669E-04
6	0.000	-7.45109E-02	1.22344E-02	2.03084E-03	-2.88168E-03
						7	0.000	-6.33545E-03	4.17444E-03	1.40828E-03	-5.36776E-04
8	0.000	1.29012E-02	-4.76378E-04	4.95112E-03	-1.59960E-03
						11	0.000	1.74873E-06	9.50847E-08	-6.04434E-10	7.29808E-13

图5是数值实施例1的虚像显示装置1AB的各种像差图(球面像差、象散及畸变)。图5的球面像差图表示d线、g线(435.834nm)的球面像差。实线表示d线的球面像差，虚线表示g线的球面像差。图5的象散图表示d线上的象散(即，弧矢像面和子午像面的差)。实线表示弧矢方向的像差，虚线表示子午方向的像差。球面像差图及像散图的纵轴表示像高，横轴表示像差量。图5的畸变图的纵轴表示像高，横轴表示d线的失真率。

图6是数值实施例1的虚像显示装置1AB的横像差图。横像差图从图6的上部开始依次表示对角端、水平端、垂直端、中心的d线、g线的横向像差。实线表示d线的横向像差，虚线表示g线的横向像差。横向像差是在X和Y方向上测量的。图6左侧(上方标注了“Y-FAN”的图)表示Y方向的横向像差，图6右侧(上方标注了“X-FAN”的图)表示X方向的横向像差。

数值实施例1通过在导光部件30内形成中间像I，实现导光部件30的薄型化。如下所示，数值实施例1满足上述所有式(1)～(4)。

间距d：2.00mm(参见式(1))

倍率β：1.43倍(参见式(2))

值DA/R：-0.50(参见式(3))

距离TLA：35.00mm(参见式(4))

数值实施例1的虚像显示装置1AB不仅能够良好地补偿各种像差(参见图5和图6)，同时还能够确保宽大视角(例如对角方向上超过40度的视角)，实现良好的图像性能。数值实施例1的虚像显示装置1AB通过满足上述式(1)～(4)可以获得各种效果。

[数值实施例2]

图7是本发明的数值实施例2涉及的虚像显示装置1AC的光学构成的示意图。如图7所示，数值实施例2的虚像显示装置1AC的光学构成除了具有三个形成为平面形状的部分反射部320之外，与数值实施例1的虚像显示装置1AB的光学结构相同。

在数值实施例2中，垂直方向(z方向)、水平方向(x方向)、对角方向的视角分别为13.8度、40.0度、42.8度。光圈a具有在垂直方向(z方向)上为1.8mm、水平方向(x方向)上为1.8mm的矩形开口。

数值实施例2的虚像显示装置1AC的具体数值构成如表3所示。在数值实施例2中，距离A从三个部分反射部320中最靠近第二面330一方的部分反射部320开始依次为13.5mm、15mm、16.5mm。即，三个部分反射部320以1.5mm的等间隔配置。数值实施例2的各非球面的数据如表4所示。

[表3]

	R	D	Nd	νd
							0		0.00
1	∞	0.30	1.51633	64.14		S-BSL7(OHARA)
							2	∞	1.37
3*	-4.697	3.70	1.53100	56		E48R(ZEON)
							4*	-4.205	0.48
5*	6.080	1.39	1.63200	23		OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
							6*	1.807	1.34
7*	4.145	1.86	1.53100	56		E48R(ZEON)
							8*	-2.873	0.72
9	光圈	0.00
							10	∞	40.00	1.63200	23		OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
11*	-40.889	A	1.63200	23	反射	OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
							12	∞	5.00	1.63200	23	反射	OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
13	∞	15.00

[表4]

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	9.62309E-03	-1.03907E-03	2.07815E-04	-9.01284E-06
4	0.000	2.24831E-02	-5.32760E-03	1.14439E-03	-8.58854E-05
						5	0.000	-7.37072E-03	-3.99874E-03	2.22589E-03	-3.93383E-04
6	0.000	-5.45190E-02	7.31310E-03	-5.30357E-05	-1.29235E-03
						7	0.000	-3.06065E-03	8.02633E-04	7.92704E-04	-3.13718E-04
8	0.000	6.79740E-03	2.48360E-04	5.71006E-04	-2.06886E-04
						11	0.000	-4.70071E-07	9.12051E-08	-8.00784E-10	2.07751E-12

图8是数值实施例2的虚像显示装置1AC的各种像差图(球面像差、象散及畸变)。图9是数值实施例2的虚像显示装置1AC的横像差图。

在数值实施例2中，通过中间像I形成在导光部件30内，实现导光部件30的薄型化。如下所示，数值实施例2也满足上述所有式(1)～(4)。

间距d：1.50mm(参见公式(1))

倍率β：1.53倍(参见公式(2))

值DA/R：-0.50(参见公式(3))

距离TLA：40.00mm(参见公式(4))

数值实施例2的虚像显示装置1AC也可以良好地补偿各种像差(参见图8及图9)，确保大视角(例如在对角方向上超过40度的视角)，实现良好的图像性能。数值实施例2涉及的虚像显示装置1AC满足上述式(1)～(4)也可以起到各种效果。

[数值实施例3]

图10是本发明的数值实施例3涉及的虚像显示装置1AD的光学构成的示意图。如图10所示，数值实施例3的虚像显示装置1AD的光学构成与数值实施例2的虚像显示装置1AC的光学构成相同。

在数值实施例3中，垂直方向(z方向)、水平方向(x方向)、对角方向的视角分别为11.2度、40.0度、41.4度。光圈a具有在垂直方向(z方向)上为1.6mm、水平方向(x方向)上为1.6mm的矩形开口。

数值实施例3的虚像显示装置1AD的具体数值构成如表5所示。在数值实施例3中，距离A从三个部分反射部320中最靠近第二面330一方的部分反射部320依次为9mm、10mm、11mm。即，三个部分反射部320以1.0mm的等间隔配置。数值实施例3的各非球面的数据如表6所示。

[表5]

	R	D	Nd	νd
							0		0.00
1	∞	0.30	1.51633	64.14		S-BSL7(OHARA)
							2	∞	3.81
3*	-9.964	3.21	1.53100	56		E48R(ZEON)
							4*	3.795	0.25
5*	4.409	2.63	1.63200	23		OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
							6*	1.803	0.54
7*	2.640	3.70	1.53100	56		E48R(ZEON)
							8*	-2.802	0.30
9	光圈	0.00
							10	∞	35.00	1.53100	56		E48R(ZEON)
11*	-24.000	A	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
							12	∞	5.00	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
13	∞	10.00

[表6]

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	2.69201E-02	-1.90446E-03	7.91460E-05	-9.04339E-07
4	0.000	-2.59159E-02	-2.18798E-03	1.23557E-03	-1.07150E-04
						5	0.000	-1.80905E-02	-5.18053E-03	1.97360E-03	-1.72023E-04
6	0.000	1.62498E-02	-1.42054E-02	1.15319E-02	4.59275E-04
						7	0.000	9.91425E-03	-7.08057E-03	8.14862E-03	-1.60023E-03
8	0.000	4.21629E-03	3.61879E-03	-5.30235E-03	3.72563E-03
						11	0.000	1.36390E-04	-1.56677E-06	9.96630E-09	-2.21865E-11

图11是数值实施例3的虚像显示装置1AD的各种像差图(球面像差、象散及畸变)。图12是数值实施例3的虚像显示装置1A的横像差图。

数值实施例3通过在导光部件30内形成中间像I，实现导光部件30的薄型化。如下所示，数值实施例3也满足上述所有式(1)～(4)。

间距d：1.00mm(参见公式(1))

倍率β：0.96倍(参见公式(2))

值DA/R：-0.50(参见公式(3))

距离TLA：35.00mm(参见公式(4))

数值实施例3的虚像显示装置1AD也可以良好地补偿各种像差(参见图11及图12)，确保大视角(例如在对角方向上超过40度的视角)，实现良好的图像性能。数值实施例3的虚像显示装置1A满足上述式(1)～(4)也可以起到各种效果。

[数值实施例4]

图13是本发明的数值实施例4的虚像显示装置1AE的光学构成的示意图。如图13所示，数值实施例4的虚像显示装置1AE的光学构成除了中间像形成部20由以光轴AX为中心旋转对称的四枚透镜构成、以及具有不同于导光部件30的其它光学部件构成的反射部40以外，与数值实施例2的虚像显示装置1AB的光学构成相同。

在数值实施例4中，垂直方向(z方向)、水平方向(x方向)、对角方向的视角分别为14.8度、30.0度、33.9度。光圈a具有在垂直方向(z方向)为2mm、在水平方向(x方向)为3mm的矩形开口。

数值实施例4的虚像显示装置1AE的具体数值构成如表7所示。表中的编号3～10表示构成中间像形成部20的各透镜的镜面。表中的编号11表示光圈a。数值实施例4的各非球面的数据如表8所示。

在数值实施例4中，透过部分反射部320从导光部件30的第二面330射出的图像光入射反射部40的第一面410，受到反射部40的第2面420(反射面)反射，从第一面410射出。该射出光从第二面330入射到导光部件30内，被导向y方向正方，由部分反射部320向z方向正方反射，从导光部件30的第三面340向外部射出，到达佩戴者的眼睛EY。如上所述，从第二面330射出的图像光依次通过反射部40的第一面410、第二面420(反射面)、第一面410入射第二面330时，成为准直光或近似准直光，从第二面330一方入射部分反射部320。

表中的编号12～18表示导光部件30、部分反射部320、反射部40。具体来说，表中的编号12、13、14、15分别表示导光部件30的第一面310、第二面330、以及反射部40的第一面410、第2面420。表中的编号16表示光路折回后(即第二面420处的反射后的光路)对应的第一面410。

表中的编号17表示光路折回后的导光部件30的第二面330。表中的编号18表示部分反射部320。在数值实施例4中，距离A从三个部分反射部320中最靠近第二面330一方的部分反射部320依次为11mm、13mm、15mm。即三个部分反射部320以2mm的等间隔配置。

表中的编号19表示导光部件30的第三面340。编号19的间隔D表示从第三面340到佩戴者的眼睛EY的距离，即出瞳距离。

[表7]

	R	D	Nd	νd
							0		0.00
1	∞	0.30	1.51633	64.14		S-BSL7(OHARA)
							2	∞	1.35
3	-5.419	3.70	1.53100	56		E48R(ZEON)
							4*	-9.255	7.56
5*	5.139	3.70	1.53100	56		E48R(ZEON)
							6*	38.390	0.78
7*	-9.697	1.42	1.63200	23.00		OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
							8*	20.618	1.41
9*	4.996	1.68	1.53100	56		E48R(ZEON)
							10*	-29.835	0.90
11	光圈	0.00
							12	∞	38.00	1.53100	56		E48R(ZEON)
13*	-19.599	8.50
							14*	-16.375	2.00	1.53100	56		E48R(ZEON)
15*	-36.980	-2.00	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
							16*	-16.375	-8.50
17*	-19.599	A	1.53100	56		E48R(ZEON)
							18	∞	5.00	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
19	∞	15.00

[表8]

	K	A4	A6	A8	A10
						4	-1.085	-2.09998E-03	1.20073E-04	-4.14199E-06	3.20524E-08
5	-0.677	-5.26927E-04	1.70696E-05	3.25125E-07	-1.65384E-08
						6	0.000	-1.73369E-03	1.23326E-04	-4.02510E-06	3.09426E-08
7	0.000	9.80729E-04	-4.07426E-06	-2.19302E-07	2.01001E-08
						8	0.000	-4.55948E-04	-2.43109E-05	2.10248E-06	2.04933E-08
9	-0.842	-1.63221E-03	2.94735E-05	-1.88933E-06	2.22234E-08
						10	0.000	1.28342E-03	-1.16450E-06	-1.07939E-05	1.23369E-06
15	0.000	7.93797E-06	-1.10317E-07	7.23014E-10	-1.75482E-12

图14是数值实施例4的虚像显示装置1AE的各种像差图(球面像差、像散及畸变)。图15是数值实施例4的虚像显示装置1AE的横像差图。

数值实施例4通过在导光部件30内形成中间像I，实现导光部件30的薄型化。如下所示，数值实施例4也满足上述所有式(1)～(4)。

间距d：2.00mm(参见公式(1))

倍率β：1.67倍(参见公式(2))

值DA/R：-0.53(参见公式(3))

距离TLA：48.50mm(参见公式(4))

数值实施例4的虚像显示装置1AE也可以良好地补偿各种像差(参见图14及图15)，确保大视角(例如在对角方向上超过30度的视角)，实现良好的图像性能。数值实施例4的虚像显示装置1AE满足上述式(1)～(4)也可以起到各种效果。

[数值实施例5]

图16是本发明的数值实施例5的虚像显示装置1AF的光学构成的示意图。如图16所示，数值实施例5的虚像显示装置1AF的光学构成与数值实施例4的虚像显示装置1AE的光学构成相同。

在数值实施例5中，垂直方向(z方向)、水平方向(x方向)、对角方向的视角分别为14.9度、30.0度、33.6度。光圈a具有在垂直方向(z方向)为2mm、水平方向(x方向)为3mm的矩形开口。

数值实施例5的虚像显示装置1AF的具体数值构成如表9所示。在数值实施例5中，距离A从三个部分反射部320中最靠近第二面330侧的部分反射部320依次为10.5mm、13.0mm、15.5mm。即三个部分反射部320以2.5mm的等间隔配置。数值实施例5的各非球面的数据如表10所示。

[表9]

	R	D	Nd	νd
							0		0.00
1	∞	0.30	1.51633	64.14		S-BSL7(OHARA)
							2	∞	1.40
3	-5.487	3.42	1.53100	56		E48R(ZEON)
							4*	-9.492	6.21
5*	3.743	2.52	1.53100	56		E48R(ZEON)
							6*	11.884	0.69
7*	-22.652	0.90	1.63200	23.00		OKP4HT(Osaka Gas Chemicals)
							8*	5.955	2.10
9*	4.675	3.58	1.53100	56		E48R(ZEON)
							10*	-14.531	0.88
11	光圈	0.00
							12	∞	38.00	1.53100	56		E48R(ZEON)
13*	-17.295	8.50
							14*	-20.957	2.00	1.53100	56		E48R(ZEON)
15*	-50.000	-2.00	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
							16*	-20.957	-8.50
17*	-17.295	A	1.53100	56		E48R(ZEON)
							18	∞	5.00	1.53100	56	反射	E48R(ZEON)
19	∞	15.00

[表10]

	K	A4	A6	A8	A10
						4	-8.370	-2.16187E-03	1.00052E-04	-5.43410E-06	1.42364E-07
5	-0.854	-9.43232E-04	1.17367E-05	3.27612E-07	-1.52637E-10
						6	0.000	-1.73482E-03	1.26815E-04	-3.59408E-06	3.50522E-08
7	0.000	1.15470E-03	-6.58342E-06	-7.37895E-07	-3.64853E-09
						8	0.000	-6.93858E-04	-1.62670E-05	3.11339E-06	-6.63219E-08
9	-0.682	-1.40071E-03	7.61142E-05	4.78357E-07	4.73487E-07
						10	0.000	1.31046E-03	3.72155E-05	-1.29375E-06	1.98306E-06
15	0.000	-3.70758E-06	-9.87100E-09	6.98687E-10	-3.64094E-12

图17是数值实施例5的虚像显示装置1AF的各种像差图(球面像差、象散及歪曲像差)。图18是数值实施例5的虚像显示装置1AF的横像差图。

数值实施例5通过在导光部件30内形成中间像I,实现导光部件30的薄型化。如下所示，数值实施例5也完全满足上述所有式(1)～(4)。

间距d：2.50mm(参见公式(1))

倍率β：1.67倍(参见公式(2))

值DA/R：-0.40(参见公式(3))

距离TLA：48.50mm(参见公式(4))

数值实施例5的虚像显示装置1AF良好地补偿了各种像差(参见图17及图18)，确保大视角(例如在对角方向上超过30度的视角)，实现良好的图像性能。数值实施例5的虚像显示装置1AF满足上述式(1)～(4)也可以起到各种效果。

以上说明了本发明的例示性实施方式。本发明的实施方式不限于上述说明的内容，允许在本发明的技术构思范畴内进行各种变化。例如将上述例示的实施方式等或者显而易见的实施方式等结合起来的内容属于本发明的实施方式。

附图标记说明

1：头戴式显示器

1A、1AB、1AC、1AD、1AE、1AF：虚像显示装置

2：镜框部

3：透镜部

10：图像显示元件

20：中间像形成部

30：导光部件

310：(导光部件30的)第一面

320：部分反射部

330：(导光部件30的)第2面

340：(导光部件30的)第三面

40：反射部

410：(反射部40的)第一面

420：(反射部40的)第二面

a：光圈

Claims (18)

1.一种虚像显示装置用光学系统，其特征在于包括

导光部件，对来自显示图像的图像显示元件的图像光进行导光；

部分反射部，让从第一侧出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光透射，并反射从第二侧出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光，使该图像光射往外部，所述第二侧隔着所述部分反射部位于与所述第一侧不同的一侧；

反射部，位于所述第二侧，向着所述部分反射部反射透过所述部分反射部的所述图像光；以及

中间像形成部，在所述导光部件内形成所述图像光的中间像。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，设置多个所述部分反射部。

3.根据权利要求2所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述多个部分反射部在所述虚像显示装置用光学系统的光轴方向上以间隔d并排设置，所述间隔d满足下式

0.5mm＜d＜3.0mm。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述反射部包括反射面，该反射面具有正功屈光度，将透射所述部分反射部的所述图像光向着所述部分反射部反射。

5.根据权利要求4所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述导光部件的第一面是供来自所述图像显示元件的图像光入射的入射面，所述导光部件的第二面是所述反射面，隔着所述部分反射部与所述第一面对置。

6.根据权利要求4所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述反射部由包括所述反射面，且由不同于所述导光部件的其他光学部件构成，透过所述部分反射部后从所述导光部件射出的所述图像光入射所述反射面后，受到该反射面反射，射往所述部分反射部。

7.根据权利要求4至6中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，当设在所述虚像显示装置用光学系统的光轴方向上从所述中间像到所述反射面的距离为DA，所述反射面的旁轴曲率半径为R时，满足下式

-0.8＜DA/R＜-0.2。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述反射部包括反射面，该反射面将透射所述部分反射部的所述图像光向着所述部分反射部反射，当设在所述虚像显示装置用光学系统的光轴方向上从所述图像显示元件射出的图像光所入射的所述导光部件的入射面到所述反射面的距离为TLA时，满足下式

15mm＜TLA＜80mm。

9.一种虚像显示装置用光学系统，其特征在于包括

导光部件，对来自显示图像的图像显示元件的图像光进行导光；

部分反射部，让从第一方出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光透射，并反射从第二方出发在所述导光部件内受到导光的所述图像光，使该图像光射往外部，所述第二方位于不同于所述第一方的一方；以及

中间像形成部，在所述导光部件内形成所述图像光的中间像。

10.根据权利要求9所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述多个部分反射部在所述虚像显示装置用光学系统的光轴方向上以间隔d并排设置，所述间隔d满足下式0.5mm＜d＜3.0mm。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述部分反射部由形成在平面上的部分反射面构成。

12.根据权利要求1至11中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，当设定所述中间像的倍率设为β时，满足下式

0.5＜β＜2.0。

13.根据权利要求1至12中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，进一步包括传播光学系统，该传播光学系统将来自所述图像显示元件的图像光传播到所述导光部件。

14.根据权利要求13所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，在所述传播光学系统和所述导光部件之间的所述图像光的光路上设置光圈。

15.根据权利要求13或14所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述传播光学系统构成所述中间像形成部。

16.根据权利要求1至15中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统，其特征在于，所述导光部件的第一面是来自所述图像显示元件的图像光入射的入射面，构成所述中间像形成部。

17.一种虚像显示装置，其特征在于，包括所述图像显示元件和权利要求1至16中任意一项所述的虚像显示装置用光学系统。

18.一种头戴式显示器，其特征在于，具备权利要求17所述的虚像显示装置。