JP2013200554A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、外界光と映像光とを重ねて表示させるシースルー機能を持ち、広画角・高性能でありながら、小型軽量な虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】第１プリズム１０の内部に中間像が形成されるとともに、第３面Ｓ１３、第１面Ｓ１１、及び第２面Ｓ１２の順に２面以上で全反射された映像光ＧＬが、第１面Ｓ１１を透過して観察者の眼ＥＹに到達するので、第１プリズム１０等を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光ＨＬについては、例えば第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて観察することができ、その際の視度を略０とするので、シースルーで外界光ＨＬを観察する際の外界光ＨＬのデフォーカスや歪みを低減できる。また、第１プリズム１０の形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（特許文献１〜４参照）。

ＨＭＤ等の虚像表示装置については、映像光を広画角化することと、装置重量を低減することとが望まれている。特に、観察者の視軸方向の厚みを薄くし、重心を観察者に近づけることが、装着感を向上させるために重要である。

また、観察者の視界を全て覆ってしまい、映像光のみが見える状態にしてしまうと、観察者に外界の状態が判らず、不安を与えてしまう。さらに、外界と映像を重ねて見せることによって、仮想現実の様な新しい用途が生み出される。このため、外界の視界を妨げず、映像光を重ねて表示するディスプレイが望まれている。

さらに、観察者の装着感を向上させ、見た目のフォルムを良くするためには、一般には眼鏡に近づくことが望ましく、映像表示装置を眼の上方に置かないで、顔の横に配置することが、望ましくなる。

光学系を小型化し、なおかつ視界を妨げないように、映像表示装置を観察者の眼の位置から離すためには、表示画像光を一度光学系の中で結像させて中間像を形成し、この中間像を拡大して見せるリレー光学系を用いることがよい。

特許文献１〜４では、非対称な曲面（自由曲面）を有する２つのプリズムを用いて、偏心収差を補正し、中間像を形成するリレー光学系とすることによって、小型で簡素な構成の表示光学系を得ている。
しかし、従来のこの種の光学系は、外界光を観察者に見せることを意図して設計されていないので、眼前のプリズムが小さく、十分な外界視野が得られない。また、外界光の透過する曲面形状が適切でないため、外界に対する視度がゼロにならず、ボケや歪みが生じてしまう。

特開２０００−６６１０６号公報 特開２０００−１３１６１４号公報 特開２０００−２９９８５３号公報 特開２００４−３４１４１１号公報

本発明は、外界光と映像光とを重ねて表示させるシースルー機能を持ち、広画角・高性能でありながら、小型軽量な虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る虚像表示装置は、映像光と外界光とを同時に視認させるものであって、映像光を生じさせる映像素子と、２面以上の非軸対称な曲面を含む第１プリズムと、２面以上の非軸対称な曲面を含む第２プリズムとを備え、少なくとも第２プリズムを含む光学系は、第１プリズムから第２プリズムにかけての光路上に中間像を形成するリレー光学系であり、第１プリズムを構成する複数面のうち第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、第１面と第３面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、映像素子からの映像光は、第３面で全反射され、第１面で全反射され、第２面で反射された後、第１面を透過して、観察側に到達する。

上記虚像表示装置では、第１プリズムから第２プリズムにかけての光路上に中間像が形成されるとともに、第１プリズムにおいて、第３面、第１面、及び第２面の順に２面以上で全反射された映像光が、第１面を透過して観察者に到達するので、眼前の第１プリズム等を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。さらに、外界光については、第１面と第３面とを通過させて観察することができ、その際の視度を略０とするので、シースルーで外界光を観察する際の外界光のデフォーカスや歪みを低減でき、広い視野の確保が可能になる。また、観察者の眼前の第１プリズムの形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザイン的にも優れたものとできる。

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標ｘ及びｙに関して多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡｋ_ｍ，ｎとして、下記（１）から（３）までの条件を満足する。
−５×１０^−２＜Ａ１_２，０＋Ａ１_０，２＜−１×１０^−３ 及び
−５×１０^−２＜Ａ３_２，０＋Ａ３_０，２＜−１×１０^−３ … （１）
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１×１０^−２ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜５×１０^−３ 及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜５×１０^−３ … （３）
なお、以上において、各面の直交座標ｘ及びｙを含むローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、曲面上のある１点を原点としており、面の法線方向にｚ軸、面の接線方向にｘ軸とｙ軸とをとっている。曲面の原点は、例えば光束中心が通る位置とする。

本願発明では、映像光だけでなく外界光の観察にも関係する第１面と第３面とを自由曲面とし、両面を凹面状にすることによって、これらの曲面形状の自由度を有効に使用し、高画質の光学系を得ることに成功した。第１面及び第３面の働きを特徴付けるのは、曲面の曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ_２，０とＡｋ_０，２（ｋ＝１，３）の値によって決まるので、係数Ａｋ_２，０とＡｋ_０，２の値を適切に設定することが重要である。

条件（１）は、原点近傍における第１面の曲率と第３面の曲率との大きさを規定している。これらの値Ａ１_２，０，Ａ１_０，２，Ａ３_２，０，Ａ３_０，２がマイナスであることは、第１面又は第３面が、観察者に対して凹面状になっていることを表している。条件（１）の上限を超えると、形状が平面に近くなり、外界光の観察に問題がなくても映像光の収差補正に有効に働かなくなる。また、条件（１）の下限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、収差補正が難しくなるとともに、リレー光学系のプリズムの位置が顔に近くなってしまい、装用感を損なう。

条件（２）は、第３面のｘ軸方向の曲率とｙ軸方向の曲率との差を規定している。条件（２）の上限を超えると、第３面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、収差補正が困難になる。

条件（３）は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に関する、第１面の曲率と第３面の曲率との差を規定しており、外光に対するプリズムの視度に影響を与える。プリズムの光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙは、プリズムの厚さをＴ、屈折率をＮとすると、
Ｄｘ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_２，０−Ａ３_２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_２，０×Ａ３_２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_０，２−Ａ３_０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_０，２×Ａ３_０，２）
で与えられる。
一般に、遠方視度の誤差は、±１Ｄを超えると不愉快に感じるため、プリズムの視度は、±１Ｄに抑えることが望ましい。光軸上の視度は、上記の式の通り、プリズムの厚さや、屈折率も関係するため、非球面係数の値のみでは、決まらないのであるが、係数が、条件（３）を満たす範囲にあれば、光軸上の視度を、±１Ｄの範囲に抑えることが可能である。

第１面及び第３面を以上の条件（１）〜（３）を満たす形状とすることによって、外界光と映像光との双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。

本発明のさらに別の側面では、第１プリズムと複数面を有する第２プリズムとは、別体で形成されている。

本発明の別の側面では、第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する。この場合、第２面越しに視認する外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。

本発明のさらに別の側面では、光透過部材は、観察者側に第１透過面と第２透過面とを有するとともに外界側に第３透過面を有し、第1プリズムの第２面と光透過部材の第２透過面とが、略同じ曲面形状を有し、第２面と第２透過面とが、一体化されている。この場合、面同士を接合して一体化することができ、第１面及び第３面側に連続的な表面をそれぞれ形成することができる。

本発明のさらに別の側面では、第１面と第２面と第３面とは、これらを通る光路を含む基準面を挟んで対称な形状を有する。

本発明のさらに別の側面では、第１面と第３面との間隔が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。この場合、５ｍｍ以上であることで、眼前を覆う第１プリズムのサイズを十分大きくすることができ、１５ｍｍ以下であることで、重量が増加することを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、第１面に対する第２面の傾斜角が２０°以上４０°以下である。この場合、傾斜角が上記範囲にあることで、映像光を適切な反射回数及び反射角度で眼に導くことが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子が、第２プリズムの画像光入射面に対向するように、第２プリズムに一体的に固定されている。この場合、映像素子を省スペースで組み付けることができ、虚像表示装置を小型化することができる。

本発明のさらに別の側面では、第２プリズムが、複数面を有し、映像素子と第２プリズムの複数面と第１プリズムの光入射面である第４面とによって中間像が形成される。

本発明のさらに別の側面では、第１プリズムを含む光学系が、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子が、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する。

実施形態の虚像表示装置を説明する斜視図である。 虚像表示装置の本体構造を説明する斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面視の断面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 第１表示装置中のプリズムにおける光学面や光路を説明する断面図である。 実施例１の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。 実施例２の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。 実施例３の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。 実施例４の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。 変形例の虚像表示装置を説明する図である。 別の変形例の虚像表示装置を説明する図である。 （Ａ）は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の別の一例について説明する斜視図であり、（Ｂ）は、正面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る一実施形態の虚像表示装置について詳細に説明する。

〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者に対して虚像に対応する画像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を覆う透視部材１０１と、透視部材１０１を支持するフレーム１０２と、フレーム１０２の左右両端のカバー部から後方のつる部分（テンプル）にかけての部分に付加された第１及び第２内蔵装置部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、透視部材１０１は、観察者の眼前を覆う肉厚で湾曲した光学部材（透過アイカバー）であり、第１光学部分１０３ａと第２光学部分１０３ｂとに分かれている。図面上で左側の第１光学部分１０３ａと第１内蔵装置部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２光学部分１０３ｂと第２内蔵装置部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２、図３（Ａ）３（Ｂ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、投射透視装置７０と、画像表示装置８０とを備える。このうち、投射透視装置７０は、導光部材である第１プリズム１０と、第２プリズム２０と、光透過部材５０とを備える。第１プリズム１０と光透過部材５０とは、接合されて一体化され、例えば第１プリズム１０の上面１０ｅとフレーム６１の下面とが接するようにフレーム６１の下側にしっかりと固定される。第２プリズム２０は、第１プリズム１０から離間した状態で不図示の支持部材を介して第１プリズム１０に固定されている。投射透視装置７０のうち第１プリズム１０と光透過部材５０とは、図１における第１光学部分１０３ａに相当し、投射透視装置７０の第２プリズム２０と、画像表示装置８０とは、図１における第１内蔵装置部１０５ａに相当する。なお、図１に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

投射透視装置７０のうち、第１プリズム１０は、平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の部材である。第１プリズム１０は、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３と、第４面Ｓ１４とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間であって眼ＥＹの正面側に第２面Ｓ１２が配置され、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間であって第２プリズム２０側に第４面Ｓ１４が配置されている。また、第１プリズム１０は、第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４に隣接するとともに互いに対向する第１の側面１０ｅと第２の側面１０ｆとを有する。

第１プリズム１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯを中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、射出側光軸ＡＸＯを中心軸又は基準軸とする自由曲面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ３を中心軸又は基準軸とする自由曲面である。なお、以上の第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ３等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して対称な形状を有している。

第１プリズム１０は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。第１プリズム１０は、例えば射出成形によって一体的に成形されたブロック状部材を本体部分１０ｓとして有しており、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。なお、本体部分１０ｓは、例えば熱可塑性の樹脂材料を成形金型内に射出させ硬化させることで形成される。

第１プリズム１０において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１プリズム１０外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第１面Ｓ１１は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、観察者に対し凹面形状を成している。なお、第１面Ｓ１１は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。このハードコート層は、本体部分１０ｓの下地面上に樹脂等からなるコート剤をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。

第２面Ｓ１２は、ハーフミラー層１５を有している。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）である。ハーフミラー層（半透過反射膜）１５は、第２面Ｓ１２の全体ではなく、その部分領域ＰＡ上に形成されている。つまり、ハーフミラー層１５は、第２面Ｓ１２が広がる全体領域ＱＡを主に鉛直方向に関して狭めた部分領域ＰＡ上に形成されている。より詳細には、この部分領域ＰＡは、鉛直のＹ軸方向に関する中央側に配置されており、水平の基準面ＳＲに沿った方向に関して略全体に配置されている。ハーフミラー層１５は、本体部分１０ｓの下地面のうち部分領域ＰＡ上に、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＨＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。なお、第３面Ｓ１３は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が略０になっている。

第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを第１プリズム１０内に入射させる屈折面（光入射面）として機能する。なお、第４面Ｓ１４は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分１０ｓをハードコート層で被覆することもできる。さらに、反射防止によってゴーストを抑制する目的で、本体部分１０ｓを多層膜で被覆することもできる。

投射透視装置７０のうち、第２プリズム２０は、光路を折り曲げる部材である。第２プリズム２０は、光学的な機能を有する側面として、第５面Ｓ２１と、第６面Ｓ２２と、第７面Ｓ２３と、第８面Ｓ２４とを有する。このうち、第５面Ｓ２１と第６面Ｓ２２とが略対向し、第７面Ｓ２３と第８面Ｓ２４とが略対向する。また、第２プリズム２０は、第５〜第８面Ｓ２１〜Ｓ２４に隣接するとともに互いに対向する第１の側面２０ｅと第２の側面２０ｆとを有する。以上のうち、第５面Ｓ２１は、隣接する第１プリズム１０の第４面Ｓ１４に対向している。

第２プリズム２０において、第５面Ｓ２１は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ４を中心軸又は基準軸とする自由曲面である。第６面Ｓ２２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した２つの光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第７面Ｓ２３は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した２つの光軸ＡＸ５，ＡＸ６の２等分線を中心軸又は基準軸とする自由曲面であり、第８面Ｓ２４は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ６を中心軸又は基準軸とする自由曲面である。ここで、光軸ＡＸ４は、第１プリズム１０の光軸ＡＸ３と一致し、光軸ＡＸ６は、画像表示装置８０からの入射側光軸ＡＸＩと一致する。なお、以上の第５〜第８面Ｓ２１〜Ｓ２４は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ４〜ＡＸ６等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して対称な形状を有している。

第２プリズム２０は、第１プリズム１０と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。第２プリズム２０は、例えば射出成形によって一体的に成形されたブロック状部材を本体部分２０ｓとして有しており、映像光ＧＬの入射及び導波並びに第１プリズム１０への伝達を可能にする。なお、本体部分２０ｓは、例えば熱可塑性の樹脂材料を成形金型内に射出させ硬化させることで形成される。

第２プリズム２０において、第５面Ｓ２１は、映像光ＧＬを第２プリズム２０外に射出させる屈折面として機能する。なお、第５面Ｓ２１は、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止する目的で、本体部分２０ｓをハードコート層で被覆することもできる。さらに、反射防止によってゴーストを抑制する目的で、本体部分２０ｓを多層膜で被覆することもできる。

第６面Ｓ２２と第７面Ｓ２３とは、非透過性の反射コートであるミラー層２７で被覆されており、映像光ＧＬを内面側で略全て反射させる反射面（広義の全反射面）として機能する。なお、本体部分２０ｓの屈折率、或いは第６若しくは第７面Ｓ２２，Ｓ２３での反射角度を調整することにより、これらの面Ｓ２２，Ｓ２３を、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面（狭義の全反射面）として機能させることもできる。

第８面Ｓ２４は、映像光ＧＬを第２プリズム２０内に入射させる屈折面として機能する。なお、第８面Ｓ２４は、反射防止によってゴーストを抑制する目的で、本体部分２０ｓを多層膜で被覆することによってこれを形成することができる。

第２プリズム２０は、画像表示装置８０から入射側光軸ＡＸＩに沿って射出された映像光ＧＬを再結像させるため、画像表示装置８０からの映像光ＧＬを第２プリズム２０内で適宜収束させ第１プリズム１０の第４面Ｓ１４を介して第１プリズム１０内に入射させる。つまり、第２プリズム２０は、映像表示素子８２の像面（表示位置）ＯＩ上の各点から射出された映像光又は画像光を第１プリズム１０内に再結像させるためのリレー光学系である。この場合、第１プリズム１０の第４面Ｓ１４は、第２プリズム２０と協働することでリレー光学系の一部としても機能する。

光透過部材５０は、可視域で高い光透過性を示し、第１プリズム１０と略同一の屈折率を有する樹脂材料で形成されており、補助プリズムとして第１プリズム１０と一体的に固定されている。光透過部材（補助プリズム）５０は、第１プリズム１０の透視機能を補助する部材であり、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。第１透過面Ｓ５１は、第１プリズム１０の第１面Ｓ１１を延長した曲面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、第１プリズム１０の第２面Ｓ１２に対して接着剤ＣＣによって接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、第１プリズム１０の第３面Ｓ１３を延長した曲面上にある。

第１プリズム１０は、後述する第２プリズム２０に連結され、第２プリズム２０を支持している。第２プリズム２０は、後述する画像表示装置８０に連結され、画像表示装置８０を支持している。第１プリズム１０の光入射側は、第２プリズム２０等とともに、遮光部材６３に覆われている。第１プリズム１０の上端部及び下端部も遮光部材６３に覆われている。第１及び第２プリズム１０，２０の周辺には、外光が入射することを防止する追加の遮光部を設けることができる。遮光部は、例えば遮光性の塗装や光散乱層で構成することができる。

画像表示装置８０は、自発光型の表示装置である映像表示素子８２と、映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。

映像表示素子８２は、例えば有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）又はＯＬＥＤ（Organic light-emitting diode）で形成される映像素子であり、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部８４は、映像表示素子８２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、画像表示装置８０の映像表示素子（映像素子）８２は、第２プリズム２０の画像光入射面である第８面Ｓ２４に対向するように、第２プリズム２０に一体的に固定されている。

〔Ｃ．映像光等の光路〕
以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等の光路について説明する。

映像表示素子（映像素子）８２から射出された映像光ＧＬは、第２プリズム２０によって収束されつつ向きを変えて、第１プリズム１０に設けた比較的強い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４に入射する。

第１プリズム１０の第４面Ｓ１４を通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３に入射して全反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１に入射して全反射される。なお、映像光ＧＬは、第２プリズム２０と第１プリズム１０の第４面Ｓ１４とを含めたリレー光学系２０，Ｓ１４によって、第３面Ｓ１３を通過する前後において、プリズム１０中に中間像を形成する。この中間像の像面ＩＩは、映像表示素子８２の像面（表示位置）ＯＩに対応するものであるが、第３面Ｓ１３で折り返されたものとなっている。

第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して負の屈折力を有するものとして作用する。

第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより、映像表示素子８２上に形成された画像を観察することになる。

一方、外界光ＨＬのうち、第１プリズム１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、第１プリズム１０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、第１プリズム１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、つまり、光透過部材５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、第１プリズム１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、第１プリズム１０の第２面Ｓ１２と光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層（接着剤）ＣＣで充填されている。つまり、第１プリズム１０の第２面Ｓ１２や光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。

ただし、ハーフミラー層１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、透過率が低下する。映像表示素子８２の側からは、映像光ＧＬが入射するので、観察者は、ハーフミラー層１５の方向に映像表示素子８２上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。

第１プリズム１０内で伝搬されて第２面Ｓ１２に入射した映像光ＧＬのうち、ハーフミラー層１５で反射されなかったものは、光透過部材５０内に入射するが、光透過部材５０に設けた不図示の反射防止部によって第１プリズム１０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ１２を通過した映像光ＧＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材５０側から入射してハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬは、光透過部材５０に戻されるが、光透過部材５０に設けた上述の不図示の反射防止部によって第１プリズム１０に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。

〔Ｄ．光学面や光路の規定方法〕
図４は、第１プリズム１０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ３やローカル座標を説明する図である。以下の説明では、光学系の評価や表現の便宜を考慮して、観察者の眼ＥＹから画像表示装置８０に向けて逆進方向に関して、光学面や光路を規定する。実際の光学系では、映像表示素子８２から発した光は、第２プリズム２０と第１プリズム２０とを順次通り、眼ＥＹに至るのであるが、その状態では光学系の評価がやり難い。そのため、眼ＥＹの位置にある絞りを通して無限遠の光源からの光が、第１プリズム１０に入り、第２プリズム２０を通って映像表示素子８２に結像するものとして、評価・設計を行なっており、以下に詳述する光学系のデータもその順で表示している。なお、プリズム１０に接合されて一体として使用される光透過部材５０については、第１プリズム１０の形状を延長したものであり、説明を省略している。

図示のプリズム１０において、第１面Ｓ１１の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、全体座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と並進関係にあって、第１面Ｓ１１上に原点を有する。つまり、ローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯ上にあって進行方向（光線の逆進方向）となっており、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。以後の各面においても、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。

第２面Ｓ１２の光軸は、射出側光軸ＡＸＯに対して適宜傾けられたものとなっており、第２面Ｓ１２のローカル座標は、全体座標に対してＹ軸の周りに適宜回転するとともに並進したものとなっており、第２面Ｓ１２上に原点を有する。第２面Ｓ１２のローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯと、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。

第３面Ｓ１３の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第３面Ｓ１３のローカル座標は、全体座標と並進関係にあって、第３面Ｓ１３の延長面すなわち第３透過面Ｓ５３上に原点を有する。

以上により、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ１１上の光束中心（光軸ＡＸ１，ＡＸ２の交点）における第１面Ｓ１１の法線方向と一致している。また、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ１３上の光束中心（光軸ＡＸ２，ＡＸ３の交点）における第３面Ｓ１３の法線方向と一致している。

第３面Ｓ１３から次の第４面Ｓ１４に向かう光路において、そのローカル座標は、進行方向（光線の逆進方向）に対応するものとなっている。つまり、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４にかけてのローカル座標のｚ方向は、光束中心の光軸ＡＸ３と一致しており、このローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。

第４面Ｓ１４のローカル座標の原点は、図示を省略するが、この第４面Ｓ１４上にある。また、第４面Ｓ１４のローカル座標のｚ方向、すなわち第４面Ｓ１４の光軸は、上記光軸ＡＸ３と一致している。

第２プリズム２０において、詳細な図示は省略するが、第５面Ｓ２１のローカル座標の原点は、この第５面Ｓ２１上にあって、ローカル座標のｚ方向は、第５面Ｓ１５の光軸ＡＸ４と平行になっている。また、第６面Ｓ２２のローカル座標の原点は、光軸ＡＸ４とＡＸ５の交点にあり、ｚ方向は、ＡＸ４とＡＸ５の２等分線である。同様に、第７面Ｓ２３のローカル座標の原点は、光軸ＡＸ５とＡＸ６の交点にあり、ｚ方向は、ＡＸ５とＡＸ６の２等分線である。

〔Ｅ．光学面の望ましい特徴〕
プリズム１０の第１面Ｓ１１の形状は、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ１_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （４）
ここで、Ａ１_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
ｍ，ｎは、０以上の整数
で表される。

プリズム１０の第２面Ｓ１２の形状は、第２面Ｓ１２のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ２_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （５）
ここで、Ａ２_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

プリズム１０の第３面Ｓ１３の形状は、第３面Ｓ１３のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ３_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （６）
ここで、Ａ３_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

本実施形態において、プリズム１０の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、
−５×１０^−２＜Ａ１_２，０＋Ａ１_０，２＜−１×１０^−３ 及び
−５×１０^−２＜Ａ３_２，０＋Ａ３_０，２＜−１×１０^−３ … （１）
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１×１０^−２ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜５×１０^−３ 及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜５×１０^−３ … （３）
の３条件を満足している。これらの３条件を満たすように第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３の形状を設定することによって、外界光ＨＬと映像光ＧＬとの双方の収差補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。

プリズム１０の第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔は５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。また、第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角が２０°以上４０°以下となっている。

なお、第２プリズム２０の第５面Ｓ２１〜第８面Ｓ２８ついては、光路の調整や収差のより精密な補正のために設けられている。

本実施形態の虚像表示装置１００では、第１プリズム１０から第２プリズム２０にかけての光路上に中間像が形成されるとともに、第１プリズム１０において、第３面Ｓ１３、第１面Ｓ１１、及び第２面Ｓ１２の順に２面以上で全反射された映像光ＧＬが、第１面Ｓ１１を透過して観察者の眼ＥＹに到達するので、第１プリズム１０等を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。さらに、外界光ＨＬについては、例えば第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて観察することができ、その際の視度を略０とするので、シースルーで外界光ＨＬを観察する際の外界光ＨＬのデフォーカスや歪みを低減でき、広い視野の確保が可能になる。また、眼前の第１プリズム１０の形状が、観察者の顔に沿う形となっており、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。

〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる投射透視装置の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
ＳＰＨ ：瞳
ＦＦＳｋ ：自由曲面（プリズム中のｋ＝面番号）
ＳＰＨ ：球面又は平面（保護ガラス表面）
Ｒ ：曲率半径
Ｔ ：軸上面間隔
Ｎｄ ：光学材料のｄ線に対する屈折率
Ｖｄ ：光学材料のｄ線に関するアッベ数
ＴＬＹ ：特定面の横断面（ＸＺ断面）における光軸の傾斜角度（°）
（ＴＬＹについては、特定面の前後で変化する場合がある）
ＤＣＸ ：特定面の横断面（ＸＺ断面）におけるＸ軸方向の光軸のズレ量

（実施例１）
実施例１の投射透視装置のうち第１及び第２プリズムを構成する光学面のデータを以下の表１に示す。なお、例えばＦＦＳ１は、第１面Ｓ１１を意味し、ＦＦＳ２は、第２面Ｓ１２を意味し、ＦＦＳ３は、第３面Ｓ１３を意味する。
〔表１〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -93.539 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -52.343 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -93.539 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -93.539 -12.00 1.525 55.95
6 FFS4 -7.126 -2.00
7 FFS5 -25.191 -12.00 1.525 55.95
8 FFS6 48.793 10.00 1.525 55.95
9 FFS7 -19.626 -11.00 1.525 55.95
10 FFS8 955.532 -3.00
11 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
12 像面

実施例１を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表２に示す。
〔表２〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -28 0 28
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 20.367 -42.19
6 FFS4 0 0 0
7 FFS5 0 0 0
8 FFS6 -21 0 -21
9 FFS7 -22 0 -22
10 FFS8 0 0 0

実施例１を構成するプリズム中の各光学面について、自由曲面の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎを以下の表３に示す。なお、表３において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜８）は、自由曲面である第１〜第８面Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のうち第ｋ面を意味する。なお、係数Ａｋ_ｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数を意味する。
〔表３〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -6.783E-03 -9.098E-03 -6.783E-03 1.269E-02
0 2 -5.345E-03 -9.552E-03 -5.345E-03 -7.017E-02
3 0 4.276E-05 -2.399E-05 4.276E-05 7.330E-03
1 2 -9.264E-05 -8.110E-05 -9.264E-05 3.860E-03
4 0 -1.783E-06 1.365E-06 -1.783E-06 1.279E-03
2 2 -2.447E-06 -3.951E-05 -2.447E-06 3.043E-03
0 4 -1.120E-06 -1.496E-06 -1.120E-06 1.010E-03

m n FFS5 FFS6 FFS7 FFS8
2 0 -2.737E-02 1.107E-02 -1.520E-02 -1.011E-03
0 2 -1.985E-02 1.025E-02 -2.548E-02 5.233E-04
3 0 7.723E-03 7.736E-05 -2.485E-04 5.481E-04
1 2 1.182E-03 3.478E-04 -4.576E-04 -7.339E-04
4 0 8.934E-04 -3.599E-05 -1.461E-05 -2.227E-03
2 2 3.557E-03 1.386E-05 7.156E-06 -6.654E-04
0 4 -7.538E-03 -1.098E-04 -8.726E-06 -2.124E-03
以上の表３及び以下の表において、数値のＥ以後は１０進数の指数部を意味し、例えば「−６．５１１Ｅ−０３」とは、−６．５１１×１０^−０３を意味する。

図５は、実施例１の投射透視装置７０の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上だけでなく、基準面ＳＲからＹ方向に外れたものも示している。投射透視装置７０のうち第１プリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的強い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。第２プリズム２０は、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ２１と、比較的弱い正の屈折力を有する第６面Ｓ２２と、比較的強い正の屈折力を有する第７面Ｓ２３と、比較的強い負の屈折力を有する第８面Ｓ２４とを有する。実施例１の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図６（Ａ）〜６（Ｆ）及び図７（Ａ）〜７（Ｆ）は、実施例１の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量を示す。具体的には、図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差をミクロン単位で示し、図６（Ｃ）及び６（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図６（Ｅ）及び６（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図７（Ｃ）及び７（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図７（Ｅ）及び７（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。

（実施例２）
実施例２の投射透視装置のうち第１及び第２プリズムを構成する光学面のデータを以下の表４に示す。
〔表４〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -72.491 5.30 1.525 55.95
3 FFS2 -52.343 -5.30 1.525 55.95
4 FFS1 -72.491 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -72.491 -8.00 1.525 55.95
6 FFS4 18.837 -2.00
7 FFS5 50.830 -19.00 1.525 55.95
8 FFS6 48.055 11.00 1.525 55.95
9 FFS7 -25.309 -13.00 1.525 55.95
10 FFS8 -7.981 -3.00
11 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
12 像面

実施例２を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表５に示す。
〔表５〕
面のティルトとディセンター
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -27 0 27
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 19.294 -32.41
6 FFS4 0 0 0
7 FFS5 0 0 0
8 FFS6 23 0 23
9 FFS7 24 0 24
10 FFS8 0 0 0

実施例２を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表６に示す。なお、表６において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜８）は、自由曲面である第１〜第８面Ｓ１１〜１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のうち第ｋ面を意味する。
〔表６〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -4.253E-03 -9.662E-03 -4.253E-03 -2.219E-01
0 2 -6.897E-03 -9.552E-03 -6.897E-03 2.654E-02
3 0 -6.364E-06 -1.942E-05 -6.364E-06 -2.484E-02
1 2 2.116E-04 1.687E-04 2.116E-04 1.164E-03
4 0 -1.874E-06 -2.888E-06 -1.874E-06 -1.491E-03
2 2 6.279E-06 -2.247E-06 6.279E-06 1.417E-04
0 4 -1.403E-06 -4.500E-07 -1.403E-06 -9.344E-04

m n FFS5 FFS6 FFS7 FFS8
2 0 -2.619E-01 9.807E-03 -1.147E-02 1.912E-02
0 2 9.837E-03 1.040E-02 -1.976E-02 -6.265E-02
3 0 -2.355E-03 -1.162E-04 4.586E-05 -2.253E-03
1 2 -5.089E-03 -9.910E-05 6.582E-04 1.063E-03
4 0 4.022E-03 1.674E-05 2.477E-05 -4.367E-06
2 2 -1.214E-04 -3.752E-05 -4.655E-05 -5.860E-04
0 4 2.236E-03 -1.657E-05 1.447E-06 -4.977E-03

図８は、実施例２の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち第１プリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的強い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。第２プリズム２０は、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ２１と、比較的弱い正の屈折力を有する第６面Ｓ２２と、比較的弱い正の屈折力を有する第７面Ｓ２３と、比較的弱い正の屈折力を有する第８面Ｓ２４とを有する。実施例２の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図９（Ａ）〜９（Ｆ）及び図１０（Ａ）〜１０（Ｆ）は、実施例２の収差を示す。具体的には、図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図９（Ｃ）及び９（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図９（Ｅ）及び９（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１０（Ｃ）及び１０（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１０（Ｅ）及び１０（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。

（実施例３）
実施例３の投射透視装置のうち第１及び第２プリズムを構成する光学面のデータを以下の表７に示す。
〔表７〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -465.716 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -70.636 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -465.716 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -465.716 -11.00 1.525 55.95
6 FFS4 -10.727 -2.00
7 FFS5 -15.211 -19.00 1.525 55.95
8 FFS6 53.194 21.00 1.525 55.95
9 FFS7 -28.725 -17.00 1.525 55.95
10 FFS8 -8.322 -3.00
11 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
12 像面

実施例３を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表８に示す。
〔表８〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -28 0 28
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 20.667 -48.12
6 FFS4 0 0 0
7 FFS5 0 0 0
8 FFS6 24 0 24
9 FFS7 20 0 20
10 FFS8 0 0 0

実施例３を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表９に示す。なお、表９において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜８）は、自由曲面である第１〜第８面Ｓ１１〜１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のうち第ｋ面を意味する。
〔表９〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -2.566E-03 -9.029E-03 -2.566E-03 5.809E-02
0 2 -1.074E-03 -7.079E-03 -1.074E-03 -4.661E-02
3 0 -2.231E-05 6.366E-06 -2.231E-05 3.317E-03
1 2 -2.822E-04 -2.354E-04 -2.822E-04 1.206E-02
4 0 7.767E-07 -1.640E-06 7.767E-07 -8.201E-04
2 2 -8.936E-06 -3.016E-06 -8.936E-06 -1.365E-03
0 4 -1.519E-06 -7.711E-06 -1.519E-06 -2.892E-04

m n FFS5 FFS6 FFS7 FFS8
2 0 -9.543E-02 7.508E-03 -1.130E-02 -1.163E-02
0 2 -3.287E-02 9.400E-03 -1.741E-02 -6.008E-02
3 0 2.698E-03 2.591E-05 2.707E-05 1.250E-03
1 2 -6.920E-03 1.397E-04 -9.938E-05 1.037E-02
4 0 1.158E-03 -4.820E-06 4.950E-06 9.670E-05
2 2 9.401E-04 -2.318E-05 6.743E-06 2.353E-03
0 4 -2.456E-03 -2.373E-05 4.273E-06 -1.620E-03

図１１は、実施例３の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち第１プリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的強い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。第２プリズム２０は、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ２１と、比較的弱い正の屈折力を有する第６面Ｓ２２と、比較的弱い正の屈折力を有する第７面Ｓ２３と、比較的弱い負の屈折力を有する第８面Ｓ２４とを有する。実施例３の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図１２（Ａ）〜１２（Ｆ）及び図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）は、実施例３の収差を示す。具体的には、図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１２（Ｃ）及び１２（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１２（Ｅ）及び１２（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１３（Ｃ）及び１３（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１３（Ｅ）及び１２（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。

（実施例４）
実施例４の投射透視装置のうち第１及び第２プリズムを構成する光学面のデータを以下の表１０に示す。
〔表１０〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -298.218 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -57.402 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -298.218 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -298.218 -9.00 1.525 55.95
6 FFS4 -9.347 -2.00
7 FFS5 -13.667 -17.00 1.525 55.95
8 FFS6 41.835 18.00 1.525 55.95
9 FFS7 -25.971 -12.00 1.525 55.95
10 FFS8 -8.383 -3.00
11 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
12 像面

実施例４を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸとを以下の表１１に示す。
〔表１１〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -28 0 28
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 16.874 -51.1
6 FFS4 0 0 0
7 FFS5 0 0 0
8 FFS6 -26 0 -26
9 FFS7 22 0 22
10 FFS8 0 0 0

実施例４を構成するプリズム中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１２に示す。なお、表１２において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜８）は、自由曲面である第１〜第８面Ｓ１１〜１４，Ｓ２１〜Ｓ２４のうち第ｋ面を意味する。
〔表１２〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -2.644E-03 -9.209E-03 -2.644E-03 -1.852E-02
0 2 -1.677E-03 -8.710E-03 -1.677E-03 -5.349E-02
3 0 3.920E-06 -1.807E-05 3.920E-06 -5.324E-04
1 2 -2.192E-04 2.973E-05 -2.192E-04 -9.065E-03
4 0 3.150E-07 -2.251E-05 3.150E-07 2.407E-03
2 2 -5.820E-06 -1.361E-06 -5.820E-06 1.200E-03
0 4 -1.937E-05 -9.253E-06 -1.937E-05 -7.585E-04

m n FFS5 FFS6 FFS7 FFS8
2 0 -1.179E-01 8.088E-03 -1.254E-02 -3.407E-02
0 2 -3.658E-02 1.195E-02 -1.925E-02 -5.964E-02
3 0 7.169E-04 -1.035E-05 -2.363E-04 -3.925E-03
1 2 -8.876E-04 1.791E-04 1.218E-03 -9.235E-03
4 0 2.212E-03 -6.824E-07 1.407E-05 4.103E-04
2 2 1.131E-03 -2.936E-05 -9.347E-06 2.240E-03
0 4 -2.920E-04 -5.652E-06 1.454E-05 -3.056E-03

図１４は、実施例４の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち第１プリズム１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。第２プリズム２０は、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ２１と、比較的弱い正の屈折力を有する第６面Ｓ２２と、比較的弱い正の屈折力を有する第７面Ｓ２３と、比較的弱い負の屈折力を有する第８面Ｓ２４とを有する。実施例４の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。

図１５（Ａ）〜１５（Ｆ）及び図１６（Ａ）〜１６（Ｆ）は、実施例４の収差を示す。具体的には、図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１５（Ｃ）及び１５（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１５（Ｅ）及び１５（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。図１６（Ａ）及び１６（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１６（Ｃ）及び１６（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示し、図１６（Ｅ）及び１６（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＸ及びＹ方向の収差を示す。

以下の表１３に、各実施例１〜４について、条件式（１）〜（３）に関する数値データをまとめた。

また、以下の表１４に、各実施例１〜４について、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔及び第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角に関する数値データをまとめた。

また、条件式（３）は、外光に対するプリズムの視度に影響を与えており、プリズムの光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙは、プリズムの厚さをＴ、屈折率をＮとすると、
Ｄｘ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_２，０−Ａ３_２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_２，０×Ａ３_２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_０，２−Ａ３_０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_０，２×Ａ３_０，２）
で与えられる。上式に基づいて、以下の表１５に、各実施例１〜４についての視度に関する数値データをまとめた。

〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記の説明では、ハーフミラー層（半透過反射膜）１５が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層１５の輪郭は用途その他の使用に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層１５の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。

上記の説明では、映像表示素子８２における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。

上記の説明では、画像表示装置８０として、自発光型の表示装置である有機ＥＬ又はＯＬＥＤ等からなる映像表示素子８２を用いているが、画像表示装置８０としては、有機ＥＬに限らずＬＥＤアレイを用いることができる。また、自発光型の表示装置からなる映像表示素子８２に限らず種々のものを利用可能である。例えば、透過型の液晶表示デバイスや反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

上記実施形態では、自発光型の表示装置等からなる画像表示装置８０を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。

具体的には図１７に示すように、虚像表示装置としての第１表示装置１００Ａは、投射透視装置７０に相当する導光部３３０と画像表示装置３８０とを備える。画像表示装置３８０は、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光ＴＬとして射出する装置であり、信号光形成部３８１と走査光学系３８２とを有する。

信号光形成部３８１は、光源を備えており、不図示の制御回路からの制御信号に基づいて変調して形成した信号光ＬＬを射出する。走査光学系３８２は、信号光形成部３８１を経た信号光ＬＬを走査しつつ射出させる。ここで、走査光学系３８２は、ＭＥＭＳミラー等で構成され、信号光形成部３８１による信号光ＬＬの変調に同期させて姿勢を変化させて信号光ＬＬの光路を調整することで光線（走査光ＴＬ）の射出角度を縦横に変化させる２次元走査を行う。以上により、画像表示装置３８０は、映像光ＧＬとなるべき走査光ＴＬを導光部３３０に入射させるとともに第２面Ｓ１２のうちハーフミラー層１５が形成される部分領域の全体に対してスキャンさせる。

図示の第１表示装置１００Ａの動作について説明すると、画像表示装置３８０は、上述のようにして、信号光ＬＬを走査光ＴＬとして導光部３３０の第８面Ｓ２４に向けて射出する。導光部３３０は、第８面Ｓ２４を通過した走査光ＴＬを全反射等により内部で導光させ、ハーフミラー層１５に到達させる。この際、ハーフミラー層１５の面上において走査光ＴＬが走査されることで、走査光ＴＬの軌跡としての画像光ＧＬによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼ＥＹで捉えることで、画像が認識される。なお、図示の場合では、導光部３３０のうち光入射面である第８面Ｓ２４は、走査光ＴＬの光軸に対して垂直な平面となっている。

また、図１８に示すように、第２プリズム２０と画像表示装置８０との間に補正レンズＣＬをさらに有するものとしてもよい。補正レンズＣＬは、実質的にパワーを持たないレンズであり、例えば収差の抑制等のために用いることができる。

また、上記実施形態では、導光部材である第１プリズム１０と補助プリズムである光透過部材５０とが装着者の眼ＥＹの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図１９（Ａ）及び１９（Ｂ）に示すように、ハーフミラー層１５を有する曲面形状である第２面Ｓ１２を含んだ部分が眼ＥＹの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。また、この場合、第１プリズム１０及び光透過部材５０を十分小さくすることで、シースルーとせず、ハーフミラー層１５に代えて全反射をするミラーを配置させた構成としても、装着者が第１プリズム１０及び光透過部材５０の周囲から外界を観察できる。なお、図示の場合、第２面Ｓ１２の全体又は略全体にハーフミラー層１５が形成されているが、第２面Ｓ１２の一部にのみハーフミラー層１５が形成されていてもよい。また、図１９（Ｂ）の例では、眼ＥＹの略正面にハーフミラー層１５が配置されるものとなっているが、ハーフミラー層１５を正面よりずらして配置し、視線を動かすことで映像を視認可能にするものとしてもよい。例えば、眼ＥＹの位置をやや下げる（第１プリズム１０及び光透過部材５０の位置をやや上げる）ものとしてもよい。この場合、例えば眼ＥＹの下半分が第１プリズム１０及び第１光透過部材５０の下から見える状態となる。

上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを備える虚像表示装置１００について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設け、画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔について説明していないが、両表示装置１００Ａ，１００Ｂの間隔は固定に限らず、機械機構等によって間隔の調整が可能である。つまり、両表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔は、着用者の眼幅等に応じて調整することができる。

上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（例えば金属反射膜や誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。

上記の説明では、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、プリズム１０の第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３において、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置１００における全反射については、第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、上記第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部がコートされていてもよい。

上記の説明では、プリズム１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、プリズム１０を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、光学部材１１０は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。

ＡＸ１−ＡＸ４…光軸、 ＡＸＩ…入射側光軸、 ＡＸＯ…射出側光軸、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＨＬ…外界光、 ＩＩ…中間像の像面、 ＰＡ…部分領域、 Ｓ１１−Ｓ１４…第１−第４面、 Ｓ２１−Ｓ２４…第５−第８面、 Ｓ５１−Ｓ５３…第１−第３透過面、 ＳＬ…照明光、 ＳＲ…基準面、 １０…第１プリズム、 ２０…第２プリズム、 １０ｓ，２０ｓ…本体部分、 １５…ハーフミラー層、 ５０…光透過部材、 ７０…投射透視装置、 ８０…画像表示装置、 ８２…映像表示素子（映像素子）、 ８４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １０３ａ，１０３ｂ…光学部分、 １０１…透視部材、 １０２…フレーム、 １５…ミラー面、 ＣＣ…接着剤

Claims (12)

1. 映像光と外界光とを同時に視認させる虚像表表示装置であって、
   映像光を生じさせる映像素子と、
   ２面以上の非軸対称な曲面を含む第１プリズムと、
   ２面以上の非軸対称な曲面を含む第２プリズムとを備え、
   少なくとも前記第２プリズムを含む光学系は、前記第１プリズムから前記第２プリズムにかけての光路上に中間像を形成するリレー光学系であり、
   前記第１プリズムを構成する複数面のうち第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、
   前記第１面と前記第３面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、
   前記映像素子からの映像光は、前記第３面で全反射され、前記第１面で全反射され、第２面で反射された後、前記第１面を透過して、観察側に到達する、虚像表示装置。
2. 前記光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標ｘ及びｙに関して多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡｋ_ｍ，ｎとして、下記（１）から（３）までの条件を満足する、請求項１に記載の虚像表示装置。
   −５×１０^−２＜Ａ１_２，０＋Ａ１_０，２＜−１×１０^−３ 及び
   −５×１０^−２＜Ａ３_２，０＋Ａ３_０，２＜−１×１０^−３ … （１）
   ｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１×１０^−２ … （２）
   ｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜５×１０^−３ 及び
   ｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜５×１０^−３ … （３）
3. 前記第１プリズムと複数面を有する前記第２プリズムとは、別体で形成されている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、前記第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記光透過部材は、観察者側に第１透過面と第２透過面とを有するとともに外界側に第３透過面を有し、前記第１プリズムの第２面と前記光透過部材の第２透過面とは、略同じ曲面形状を有し、前記第２面と前記第２透過面とは、一体化されている、請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記第１面と前記第２面と前記第３面とは、これらを通る光路を含む基準面を挟んで対称な形状を有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記第１面と前記第３面との間隔は、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記第１面に対する前記第２面の傾斜角は、２０°以上４０°以下である、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記映像素子は、前記第２プリズムの画像光入射面に対向するように、前記第２プリズムに一体的に固定されている、請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記第２プリズムは、複数面を有し、前記映像素子と前記第２プリズムの前記複数面と前記第１プリズムの光入射面である第４面とによって中間像が形成される、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記第１プリズムを含む前記光学系は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、前記信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

Images