JP2013200555A - 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】プリズム４０の内部に中間像が形成されるとともに、第３面Ｓ４３、第１面Ｓ４１、及び第２面Ｓ４２の順に２面以上で全反射された映像光ＧＬが、第１面Ｓ４１を透過して観察者の眼ＥＹに到達するので、プリズム４０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Ｓ４１と第３面Ｓ４３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、プリズム４０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、２参照）。

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、一般には眼鏡の形態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及２では、非対称な曲面（自由曲面）を有する１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虚像表示用の光学系を得ている。
しかし、特許文献１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おらず、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、外界像のボケや歪みが生じてしまう。
一方、特許文献２の光学系は、外界光を透過させる面が平行平面であるので、ほとんど歪みの無いクリアな視界が得られる。しかし、特許文献２の光学系は、ハーフミラー面にホログラムを使用しており、これによる収差や波長選択性が映像光に影響を与えて画質を、低下させる。

特開２０００−１０５３３８号公報 特開２００８−１５８２０３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、３面以上の非軸対称な曲面を含む１つのプリズムとを備え、少なくともプリズムを含む光学系は、プリズムの内部に中間像を形成するリレー光学系であり、プリズムを構成する複数面のうち映像光に関して射出側からの順で第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、プリズムによって当該プリズムの内部に中間像が形成されるとともに、プリズムにおいて、第３面、第１面、及び第２面の順に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、観察者の眼前のプリズム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、眼前のプリズムの形状が、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（ｍ，ｎは正の整数）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、すなわち曲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、プリズムが、第１面と第２面と第３面とを有し光射出側の第１プリズム部分と光入射側の第２プリズム部分とを有し、第１プリズム部分と第２プリズム部分とが、一体形成されている。

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面越しに観察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、光透過部材が、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、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、面同士を接着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、映像素子がプリズムの画像光入射面に対向するように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プリズム部分が第４面と第５面と第６面とを有し、映像素子と第２プリズム部分の第４面と第５面と第６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、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）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、導光部材であるプリズム４０と、光透過部材５０とを備える。プリズム４０と光透過部材５０とは接合によって一体化され、例えばプリズム４０の上面４０ｅとフレーム６１の下面６１ｅ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ている。プリズム４０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、画像表示装置８０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、プリズム４０は、鼻に近い中央側に配置され平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の第１プリズム部分４１と、鼻から離れた周辺側に配置されたブロック状の第２プリズム部分４２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分４１は、光射出側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ４１と、第２面Ｓ４２と、第３面Ｓ４３とを有し、第２プリズム部分４２は、光入射側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第４面Ｓ４４と、第５面Ｓ４５と、第６面Ｓ４６とを有する。このうち、第１面Ｓ４１と第３面Ｓ４３との間に第２面Ｓ４２が配置され、第１面Ｓ４１と第５面Ｓ４５とが所定の角度を成して比較的近くに配置され、第４面Ｓ４４と第６面Ｓ４６とが隣接し、第５面Ｓ４５は、プリズム材料を挟んで第４面Ｓ４４と第６面Ｓ４６とに対向して配置されている。また、プリズム４０は、第１〜第３面Ｓ４１〜Ｓ４３に隣接するとともに互いに対向する第１の側面４０ｅと第２の側面４０ｆとを有する。

プリズム４０において、第１面Ｓ４１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Ｓ４２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Ｓ４３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Ｓ４４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一対の光軸ＡＸ３，ＡＸ４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５面Ｓ４５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一対の光軸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６面Ｓ４６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ＡＸ５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６面Ｓ４１〜Ｓ４６は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ４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。

プリズム４０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。プリズム４０は、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４０ｓとして有し、本体部分（ブロック状部材）４０ｓ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ている。このように本体部分４０ｓは、一体形成品とされているが、上記のような第１プリズム部分４１と第２プリズム部分４２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分４１は、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。第２プリズム部分４２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。

第１プリズム部分４１において、第１面Ｓ４１は、映像光ＧＬを第１プリズム部分４１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Ｓ４１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Ｓ４１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４０ｓをハードコート層で被覆することによってこれを形成することもできる。このハードコート層は、本体部分４０ｓ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Ｓ４２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Ｓ４２の全体ではなく、その部分領域ＰＡ上に形成されている。具体的には、ハーフミラー層１５は、第２面Ｓ４２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。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４０ｓ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Ｓ４３は、屈折率差を利用して映像光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Ｓ４３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４０ｓをハードコート層で被覆することによってこれを形成することもできる。第３面Ｓ４３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ４１と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ４１と第３面Ｓ４３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２プリズム部分４２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プリズム４０内に再結像させるためのリレー光学系である。第２プリズム部分４２において、第４面Ｓ４４及び第５面Ｓ４５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４０ｓの屈折率、或いは第４若しくは第４面Ｓ４４，Ｓ４５での反射角度を調整することにより、これらの面Ｓ４４，Ｓ４５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６面Ｓ４６は、映像光ＧＬを第２プリズム部分４２内に入射させる屈折面として機能する。なお、第６面Ｓ４６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４０ｓをハードコート層で被覆することによってこれを形成することもできるが、反射防止によってゴーストを抑制する目的で、本体部分４０ｓを多層膜で被覆することによってこれを形成することもできる。

光透過部材５０は、可視域で高い光透過性を示し、プリズム４０の本体部分４０ｓと略同一の屈折率を有する樹脂材料で形成され、プリズム４０と一体的に固定されている。光透過部材５０は、プリズム４０の透視機能を補助する補助プリズムであり、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、プリズム４０の第１面Ｓ４１を延長した曲面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、プリズム４０の第２面Ｓ４２に沿って延び当該第２面Ｓ４２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、プリズム４０の第３面Ｓ４３を延長した曲面上にある。

プリズム４０の第２プリズム部分４２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２プリズム部分４２は、遮光部材６３に覆われている。プリズム４０の第１プリズム部分４１の上端部及び下端部も遮光部材６３に覆われている。プリズム４０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、２次元的な照明光ＳＬを射出する照明装置８１と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子８２と、照明装置８１及び映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。

画像表示装置８０の照明装置８１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、光源８１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部８１ｂとを有する。映像表示素子８２は、例えば液晶表示デバイスで形成される映像素子であり、照明装置８１からの照明光ＳＬを空間的に変調して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、光源駆動回路８４ａと、液晶駆動回路８４ｂとを備える。光源駆動回路８４ａは、照明装置８１の光源８１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを射出させる。液晶駆動回路８４ｂ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、液晶駆動回路８４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。なお、画像表示装置８０は、プリズム４０の画像光入射面である第６面Ｓ４６に対向するように、プリズム４０に一体的に固定されている。つまり、映像表示素子（映像素子）８２も第６面（画像光入射面）Ｓ４６に対向するように、プリズム４０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、プリズム４０に設けた比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ４６に入射する。

プリズム４０の第６面Ｓ４６を通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第２プリズム部分４２を通過する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ４５で反射され、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ４４で反射される。

第２プリズム部分４２の第４面Ｓ４４で反射された映像光ＧＬは、収束されつつ進み、第１プリズム部分４１において、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ４３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Ｓ４１に入射して全反射される。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ４３を通過する前において、第２プリズム部分４２であるリレー光学系４２によって、プリズム４０中に湾曲した中間像を形成する。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。

第１面Ｓ４１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ４２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Ｓ４１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Ｓ４１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Ｓ４１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、プリズム４０の第２面Ｓ４２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第１プリズム部分４１の第３面Ｓ４３と第１面Ｓ４１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、プリズム４０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、プリズム４０の第２面Ｓ４２よりも−Ｘ側に入射するもの、つまり、光透過部材（補助プリズム）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、プリズム４０の第２面Ｓ４２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Ｓ４１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、プリズム４０の第２面Ｓ４２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、プリズム４０の第２面Ｓ４２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、ハーフミラー層１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層１５の透過率に弱められる。その一方で、ハーフミラー層１５に対応する方向からは、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。

プリズム４０内で伝搬されて第２面Ｓ４２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プリズム４０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ４２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プリズム４０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、プリズム４０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ５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、プリズム４０の第１プリズム部分４１と第２プリズム部分４２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、プリズム４０の第１プリズム部分４１に入り、第２プリズム部分４２を経て映像表示素子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４０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、プリズム４０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４０において、第１面Ｓ４１の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第１面Ｓ４１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Ｓ４１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Ｓ４２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Ｓ４２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Ｓ４２上に原点を有する。第２面Ｓ４２のローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯと、第２面Ｓ４２から第１面Ｓ４１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Ｓ４３の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第３面Ｓ４３のローカル座標は、全体座標と並進関係にあって、第３面Ｓ４３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Ｓ４２から第１面Ｓ４１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ４１から第３面Ｓ４３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ４１上の光束中心（光軸ＡＸ１，ＡＸ２の交点）における第１面Ｓ４１の法線方向と一致している。また、第１面Ｓ４１から第３面Ｓ４３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ４３から第４面Ｓ４４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ４３上の光束中心（光軸ＡＸ２，ＡＸ３の交点）における第３面Ｓ４３の法線方向と一致している。

第３面Ｓ４３から次の第４面Ｓ４４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Ｓ４３から第４面Ｓ４４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。

また、第４及び第５面Ｓ４４，Ｓ４５のローカル座標のｚ方向は、反射の前後で進行方向（光線の逆進方向）に対応して光軸ＡＸ３，ＡＸ４，ＡＸ５に沿ったものとなっており、第４及び第５面Ｓ４４，Ｓ４５の位置で各面の光軸（光軸ＡＸ３，ＡＸ４の２等分線、又は光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線）に平行になっている。第６面Ｓ４６のローカル座標の原点は、この第６面Ｓ４６上にあって、ローカル座標のｚ方向は、第６面Ｓ４６の光軸ＡＸ５と平行になっている。

なお、第６面Ｓ４６の光軸である光軸ＡＸ５は、画像表示装置８０から延びる入射側光軸ＡＸＩと一致している。

〔Ｅ．光学面の望ましい特徴〕
プリズム４０の第１面Ｓ４１の形状は、第１面Ｓ４１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４０の第２面Ｓ４２の形状は、第２面Ｓ４２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４０の第３面Ｓ４３の形状は、第３面Ｓ４３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４０の第１〜第３面Ｓ４１〜Ｓ４３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Ｓ４１〜Ｓ４３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４０の第１面Ｓ４１と第３面Ｓ４３との間隔は５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。また、第１面Ｓ４１に対する第２面Ｓ４２の傾斜角が２０°以上４０°以下となっている。

なお、プリズム４０の第４面Ｓ４４又は第５面Ｓ４５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たものであり、投射透視装置７０の仕様等を考慮して省略することができる。

本実施形態の虚像表示装置１００では、プリズム４０によってプリズム４０の内部に中間像が形成されるとともに、プリズムにおいて、第３面Ｓ４３、第１面Ｓ４１、及び第２面Ｓ４２の順に２面以上で全反射された映像光ＧＬが、第１面Ｓ４１を透過して観察者の眼ＥＹに到達するので、眼前のプリズム４０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Ｓ４１と第３面Ｓ４３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、プリズム４０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）における光軸のズレ量

（実施例１）
実施例１の投射透視装置のうち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Ｓ４１を意味し、ＦＦＳ２は、第２面Ｓ４２を意味し、ＦＦＳ３は、第３面Ｓ４３を意味する。
〔表１〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 -298.406 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -35.413 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -298.406 8.50 1.525 55.95
5 FFS3 -298.406 -18.00 1.525 55.95
6 FFS4 27.445 14.00 1.525 55.95
7 FFS5 -38.749 -13.00 1.525 55.95
8 FFS6 -11.535 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 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 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 13.419 -45.01
6 FFS4 -20 0 -20
7 FFS5 25 0 25
8 FFS6 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＝１〜６）は、自由曲面である第１〜第６面Ｓ４１〜Ｓ４６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 FFS5 FFS6
2 0 -2.907E-03 -1.035E-02 -2.907E-03 2.143E-02 -9.578E-03 4.047E-02
0 2 -1.676E-03 -1.412E-02 -1.676E-03 1.822E-02 -1.290E-02 -4.335E-02
3 0 -5.398E-06 4.962E-05 -5.398E-06 -9.349E-05 1.458E-03 2.580E-04
1 2 -1.598E-03 1.311E-04 -1.598E-03 2.696E-04 5.302E-03 -1.167E-02
4 0 -1.692E-06 -6.203E-06 -1.692E-06 -2.734E-05 3.031E-04 6.358E-04
2 2 6.709E-05 2.963E-06 6.709E-05 -5.281E-05 2.725E-04 -1.818E-03
0 4 1.409E-04 3.103E-05 1.409E-04 -9.759E-06 1.460E-05 -1.925E-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のうちプリズム４０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ４１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ４２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ４３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ４４と、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ４５と、比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ４６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、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。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 -299.909 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 -56.674 -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 -299.909 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -299.909 -16.00 1.525 55.95
6 FFS4 28.894 9.00 1.525 55.95
7 FFS5 -14.515 -11.00 1.525 55.95
8 FFS6 9.477 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 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〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0 0 0
3 FFS2 -26 0 26
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 18.408 -46.13
6 FFS4 -24 0 -24
7 FFS5 -23 0 -23
8 FFS6 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＝１〜６）は、自由曲面である第１〜第６面Ｓ４１〜Ｓ４６のうち第ｋ面を意味する。
〔表６〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -1.724E-03 -1.013E-02 -1.724E-03 1.420E-02 -1.809E-02 -5.024E-02
0 2 -1.667E-03 -8.822E-03 -1.667E-03 1.730E-02 -3.445E-02 5.276E-02
3 0 -3.814E-05 -1.148E-05 -3.814E-05 6.256E-04 2.776E-04 -6.606E-03
1 2 -5.045E-04 -3.771E-04 -5.045E-04 7.220E-04 -1.028E-03 8.186E-03
4 0 9.913E-07 7.814E-07 9.913E-07 -8.739E-05 2.436E-05 -6.258E-04
2 2 -9.694E-06 4.685E-06 -9.694E-06 -1.853E-04 -1.584E-06 6.443E-04
0 4 2.899E-06 1.036E-06 2.899E-06 9.050E-05 -2.015E-05 -5.541E-04

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のうちプリズム４０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ４１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ４２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ４３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ４４と、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ４５と、比較的弱い負の屈折力を有する第６面Ｓ４６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 -141.388 5.30 1.525 55.95
3 FFS2 -53.069 -5.30 1.525 55.95
4 FFS1 -141.388 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 -141.388 -20.00 1.525 55.95
6 FFS4 59.251 10.00 1.525 55.95
7 FFS5 -18.769 -11.00 1.525 55.95
8 FFS6 6.446 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 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 -27 0 27
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 18.522 -21.01
6 FFS4 23 0 23
7 FFS5 18 0 18
8 FFS6 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＝１〜６）は、自由曲面である第１〜第６面Ｓ４１〜Ｓ４６のうち第ｋ面を意味する。
〔表９〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -3.372E-03 -1.133E-02 -3.372E-03 2.160E-02 -6.920E-03 -8.363E-03
0 2 -3.536E-03 -9.422E-03 -3.536E-03 8.439E-03 -2.664E-02 7.757E-02
3 0 7.516E-05 4.674E-05 7.516E-05 -4.006E-04 1.068E-03 -3.012E-03
1 2 4.770E-04 3.276E-04 4.770E-04 2.312E-04 9.613E-04 -3.189E-03
4 0 -1.013E-05 -4.728E-06 -1.013E-05 5.708E-05 1.995E-05 -1.582E-03
2 2 2.031E-05 2.079E-06 2.031E-05 -4.304E-05 -5.913E-05 -1.894E-03
0 4 9.640E-07 1.531E-07 9.640E-07 2.413E-05 4.779E-05 4.314E-04

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のうちプリズム４０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ４１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ４２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ４３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ４４と、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ４５と、比較的弱い負の屈折力を有する第６面Ｓ４６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１３Ａ）〜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１３（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 -475.145 5.20 1.525 55.95
3 FFS2 -44.365 -5.20 1.525 55.95
4 FFS1 -475.145 9.50 1.525 55.95
5 FFS3 -475.145 -26.00 1.525 55.95
6 FFS4 25.895 17.00 1.525 55.95
7 FFS5 38.553 -14.00 1.525 55.95
8 FFS6 15.813 -3.00
9 SPH ∞ -1.60 1.458 67.82
10 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 -29 0 29
4 FFS1 0 0 0
5 FFS3 0 23.353 -52.2
6 FFS4 20 0 20
7 FFS5 -22 0 -22
8 FFS6 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＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ４１〜Ｓ４５のうち第ｋ面を意味する。
〔表１２〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -2.658E-03 -5.538E-03 -2.658E-03 1.578E-02 -1.645E-02 -4.043E-02
0 2 -1.052E-03 -1.127E-02 -1.052E-03 1.931E-02 1.297E-02 3.162E-02
3 0 1.188E-04 2.830E-05 1.188E-04 1.092E-04 -1.266E-04 4.950E-03
1 2 1.822E-04 2.905E-04 1.822E-04 8.586E-05 2.962E-03 4.549E-03
4 0 -2.740E-06 -4.570E-06 -2.740E-06 -3.048E-05 3.711E-05 2.181E-03
2 2 1.268E-05 1.628E-06 1.268E-05 2.209E-06 -1.229E-05 -5.144E-04
0 4 9.533E-07 3.363E-06 9.533E-07 6.889E-07 -7.295E-05 3.663E-04

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のうちプリズム４０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ４１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ４２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ４３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ４４と、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ４５と、比較的弱い負の屈折力を有する第６面Ｓ４６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３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Ｓ４１と第３面Ｓ４３との間隔及び第１面Ｓ４１に対する第２面Ｓ４２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、透過型の液晶表示デバイス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、透過型の液晶表示デバイス等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、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。また、画像表示装置８０として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。

上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス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Ｓ４２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６面Ｓ４６に向けて射出する。導光部３３０は、第６面Ｓ４６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６面Ｓ４６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、プリズム４０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、導光部材であるプリズム４０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Ｓ４２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、プリズム４０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、装着者がプリズム４０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Ｓ４２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Ｓ４２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（プリズム４０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の下半分がプリズム４０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４０の第１面Ｓ４１及び第３面Ｓ４３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Ｓ４１又は第３面Ｓ４３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Ｓ４１又は第３面Ｓ４３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Ｓ４１又は第３面Ｓ４３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４０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、プリズム４０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−ＡＸ５…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、 Ｓ４１−Ｓ４６…第１−第６面、 Ｓ４６…画像光入射面、 Ｓ５１−Ｓ５３…第１−第３透過面、 ＳＬ…照明光、 ＳＲ…基準面、 ４０…プリズム、 ４０ｓ…本体部分、 ４１，４２…プリズム部分、 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、 ８１…照明装置、 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…接着面

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、
   ３面以上の非軸対称な曲面を含む１つのプリズムとを備え、
   前記プリズムを含む光学系は、前記プリズムの内部に中間像を形成するリレー光学系であり、
   前記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. 前記プリズムは、前記第１面と前記第２面と前記第３面とを有し光射出側の第１プリズム部分と、光入射側の第２プリズム部分とを有し、第１プリズム部分と第２プリズム部分とは、一体形成されている、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から３まで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５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、前記プリズムの画像光入射面に対向するように、前記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プリズム部分は、第４面と第５面と第６面とを有し、前記映像素子と前記第２プリズム部分の前記第４面と第５面と第６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。

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