JP6244888B2

JP6244888B2 - 虚像表示装置

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Publication number: JP6244888B2
Application number: JP2013263480A
Authority: JP
Inventors: 小松　朗; 朗小松; 貴洋戸谷; 将行 ▲高▼木; 武田　高司; 高司武田; 敏明宮尾
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: RU2016112185A; US10310270B2; US20180067320A1; TW201510572A; RU2642130C2; CN104423044B; TWI645216B; KR101801099B1; EP3042231A1; US9829709B2; KR20160048977A; JP2015072438A; US20160178909A1; CN104423044A; EP3042231B1; WO2015033534A1

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、小型軽量化することとが望まれている。小型軽量化することで、例えば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可能となり、これにより装着感を向上させることができる。

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、外界と映像と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、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。

例えば特許文献１では、端面が放物面鏡になっている平行平面状の導光板と、投射レンズとを用い、導光板の内部に中間像を形成するリレー光学系が提案されている。しかし、特許文献１の光学系の場合、投射レンズが大きく、小型軽量化を妨げている。

特許文献２では、曲面の射出反射面を備える導光部材と、この導光部材に映像光を入射させる投射レンズとを用いた光学系が提案されている。しかし、特許文献２の光学系は、観察者に外界を見せることを配慮していない。この光学系を応用して外界を見せるためには、導光部材全体に広がる反射面に補償部材を貼り付けて、その接合面にハーフミラーを設ける必要があり、このハーフミラー面で映像光が２回反射されることになるので、大変暗くなってしまう。

特許文献３では、投射レンズと凹面鏡と導光板とからなるリレー光学系が提案されている。この光学系では、波長板と偏光ハーフミラーとを組み合わせることによって、反射効率を上げている。しかし、特許文献３の光学系を応用して外界を見せるためには、凹面鏡の外側に補償レンズを貼り合わせる必要があり、全体的に厚くなる。

特許文献４では、光路を折り曲げることによって、全長を短く、コンパクトにまとめたリレー光学系が提案されている。しかし、特許文献４の光学系の場合、導光部材中央の凸部や、投射レンズが視界の妨げになる。また、映像光は、ハーフミラーを透過した後、折り返され、ハーフミラーで再度反射されて眼に入射するので、観察される映像が暗くなる。

特許２７４６６９７号公報特許３７８７３９９号公報特許４２１８５５３号公報特許４８１９５３２号公報

本発明は、広画角・高性能であり、かつ、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とともに光学系の一部として内部に中間像が形成される導光部材と、映像素子からの映像光を導光部材に入射させる投射レンズとを備え、投射レンズは、少なくとも１面の非軸対称非球面を含んでおり、導光部材を構成する複数面のうち第１面と第３面とは、対向するように配置され、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。ここで、２面以上の非軸対称な曲面については、例えば映像光の反射等の導光に寄与する主要面となる曲面が２面以上含まれるものとする。

上記虚像表示装置では、導光部材が２面以上の非軸対称な曲面を含むだけでなく、さらに、投射レンズが非軸対称非球面を含むものとなっている。導光部材の非軸対称な曲面や投射レンズの非軸対称非球面として、例えば自由曲面を多用することで、収差の補正を図ることができる。これにより、例えば導光部材側において一部の面形状に制約があって非対称な収差に対する補正について制限があるような場合であっても、投射レンズ側に設けられた非軸対称非球面を利用して収差の補正を図ることで、光学系全体としては十分な収差の補正を行うことが可能になり、広画角・高性能であり、かつ、導光部材を薄型にした小型軽量なものとすることができる。また、外界光については、第１面と第３面との形状を適宜定めることにより、視度誤差（視度の大きさ）や、見かけの倍率誤差をほぼゼロにすることもできる。また、導光部材の形状を、観察者の顔に沿う形とでき、重心も顔に近くでき、デザイン的にも優れたものとすることも可能である。

本発明の具体的な側面では、導光部材において、第１面と第３面とが、互いに略平行な平面である。この場合、第１面と第３面とを透過して観察される外界光について視度誤差を略ゼロとすることができ、特に、外界像についての見かけの倍率誤差を略ゼロにし、裸眼状態と異ならない状態することができる。第１面と第３面とを完全に平行な平面とすれば、視度誤差及び見かけの倍率誤差をゼロにできるものとなる。

本発明の別の側面では、導光部材は、第３面よりも光入射側に配置されて、映像光を第３面に向けて導光させる第４面と、映像光を第４面に向けて導光させる第５面とを有し、導光部材において、中間像が、第３面から第５面までにかけての映像光の光路上にある。この場合、中間像を挟んで光学系の前段側と後段側とでのサイズ的なバランスを維持して光学系全体として小さくすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材において、第２面、第４面及び第５面が、非軸対称な曲面である。この場合、例えば第１面や第３面が、平面或いは略平面に近く第１面や第３面では収差の補正を図りにくいような場合であっても、第２面等の他の面において収差を十分に補正できるような構成とすることができる。

本発明のさらに別の側面では、投射レンズにおける投射レンズ光軸と、観察者の視線として想定される視線軸とは、０°より大きく３０°以下の角度をなしている。この場合、例えば映像素子を観察者の眼の上方に置かないで顔の横に配置する構成とする場合に、観察者の装着感を向上させ、かつ、見た目のフォルムを良い状態に維持する形状とするにあたって光学系の配置が障害とならないようにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、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。
−１０^−１＜Ａ１_０，２＋Ａ１_２，０＜１０^−２及び
−１０^−１＜Ａ３_０，２＋Ａ３_２，０＜１０^−２ … （１）
｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜＜１０^−１及び
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１０^−１ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜１０^−２及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜１０^−２ … （３）
ここで、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（平面を含む）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軸とをとっており、当該ローカル座標において、曲面形状が規定されている。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、投射レンズの一部の面を例えば自由曲面等で構成される非軸対称非球面（非回転対称非球面）形状とすることにより、高画質の光学系を得ることに成功した。このため、例えば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面とを平面とした場合にも、十分な収差の補正を施すことが可能となり、視度誤差や倍率誤差を略完全にゼロにすることができる。また、例えば第１面、第３面を自由曲面とした場合には、これらの曲面形状の自由度を有効に使用し、コンパクトな光学系を構成することができる。

第１面及び第３面のはたらき、すなわち曲面のはたらきを基本的に特徴付けるのは、曲面の曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ_２，０及びＡｋ_０，２（ｋ＝１，３）の値によって決まるので、係数Ａｋ_２，０及び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。条件（１）の上限を超えると、第１面及び第３面が、観察者に対し凸形状になるため、全体的な形状が大きくなり、収差の補正が困難になる。また、条件（１）の下限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、収差の補正が難しくなるとともに、導光部材や投射レンズ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１面および第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１面と第３面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、収差の補正が困難になる。

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、外光に対する導光部材の視度に影響を与える。導光部材の光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙについては、導光部材の厚さを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、導光部材の視度は、±１Ｄに抑えること、できれば±０．５Ｄ以下に抑えることがより望ましい。光軸上の視度は、上記の式の通り、導光部材の厚さや、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の範囲内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の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、投射レンズに含まれる１つの非軸対称非球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、非軸対称非球面を表す多項式の項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡ_ｍ，ｎとしたとき、Ａ_２，０とＡ_０，２とが異符号であり、下記の条件を満足する。
１０^−２＜｜Ａ_２，０−Ａ_０，２｜ … （４）
この場合、投射レンズが、上記のような非軸対称の自由曲面等で構成される非軸対称非球面を有することにより、導光部材の反射面で生じる非点収差等の収差を補正し、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、導光部材の内部において、映像素子からの映像光を、少なくとも２回の全反射を含む５回の反射によって導光する。この場合、映像光の表示と外界光の視認させるシースルーとを両立させ、かつ、映像光の収差の補正を行うことが可能になる。

本発明のさらに別の側面では、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、投射レンズは、非軸対称非球面以外の面として、２面以上の軸対称非球面を含んでいる。この場合、投射レンズを多くの軸対称非球面を含むものとすることで、投射レンズの作製や他の部材への組付けを容易なものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材を含む光学系は、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。

本発明のさらに別の側面では、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、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。

本発明の一実施形態である虚像表示装置の外観を簡単に説明する斜視図である。虚像表示装置の外観を示す正面図である。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る。第１表示装置中の導光部材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。実施例２の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。（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。実施例３の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。（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。実施例４の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。（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。実施例５の光学系を説明する図である。実施例５の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例５の光学系の収差を説明する図である。（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例５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。（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１等を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置の一実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、本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を装着した観察者又は使用者に対して虚像によ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、観察者の眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂと、両光学部材１０１ａ，１０１ｂを支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方のつる部分（テンプル）１０４にかけての部分に付加された第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、図面上で左側の第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部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光学部材１０１ｂと第２像形成本体部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。

図１及び図２に示すように、虚像表示装置１００に設けた枠部１０２は、上側に配置されるフレーム１０７と下側に配置されるプロテクター１０８とを備える。枠部１０２のうち、上側のフレーム１０７は、ＸＺ面内でＵ字状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、左右の横方向（Ｘ方向）に延びる正面部１０７ａと、前後の奥行き方向（Ｚ方向）に延びる一対の側面部１０７ｂ，１０７ｃとを備える。フレーム１０７、すなわち正面部１０７ａと側面部１０７ｂ，１０７ｃとは、アルミダイカストその他の各種金属材料で形成された金属製の一体部品である。正面部１０７ａの奥行き方向（Ｚ方向）の幅は、第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂに対応する導光装置２０の厚み又は幅よりも十分に厚いものとなっている。フレーム１０７の左側方、具体的には正面部１０７ａにおける向かって左端部から側面部１０７ｂにかけての部分には、第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとがアライメントされ例えばネジ止めによって直接固定されることにより、支持されている。また、フレーム１０７の右側方、具体的には正面部１０７ａにおける向かって右端部から側面部１０７ｃにかけての部分には、第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとがアライメントされ例えばネジ止めにより直接固定されることによって、支持されている。なお、第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとは、嵌合によって互いにアライメントされ、第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとは、嵌合によって互いにアライメントされる。枠部１０２のうち下側に配置されるプロテクター１０８は、アンダーリム状の部材であり、フレーム１０７の下方に配置されて固定されている。プロテクター１０８は、２段のクランク状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、金属材料又は樹脂材料から一体的に形成されている。

フレーム１０７は、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂを支持するだけでなく、これらを覆うカバー状の外装部材１０５ｄと協働して第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂの内部を保護する役割を有する。なお、フレーム１０７及びプロテクター１０８は、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂに連結される根元側を除いた導光装置２０の長円状の周囲部分と離間するか又は緩く接している。このため、中央の導光装置２０と、フレーム１０７及びプロテクター１０８を含む枠部１０２との間に熱膨張率の差があっても、枠部１０２内での導光装置２０の膨張が許容され、導光装置２０に歪み、変形、破損が生じることを防止できる。

フレーム１０７に付随して、鼻受部４０が設けられている。鼻受部４０は、観察者の鼻に当接することによって枠部１０２を支持する役割を有する。つまり、枠部１０２は、鼻に支持される鼻受部４０と耳に支持される一対のテンプル部１０４とによって、観察者の顔前に配置されることになる。鼻受部４０は、枠部１０２を構成する一方のフレーム１０７の正面部１０７ａにおいて、枠部１０２を構成する他方のプロテクター１０８の中央部に挟まれるようにして、ねじ止めによって固定されている。なお、以上のように図１を参照して示す外観は、一例であり、例えばねじ止めによって固定される機構等に関して、光学的機構として直接関与しない箇所等については、適宜設計を変更することが可能である。

図２及び図３に示すように、第１表示装置１００Ａは、投影用の光学系である投射透視装置７０と、映像光を形成する画像表示装置８０とを備えると見ることができる。なお、図３は、虚像表示装置１００における光学系の光軸ＡＸを含む基準面ＳＲ（図２参照）についての断面を示すものとなっている。投射透視装置７０は、第１像形成本体部１０５ａによって形成された画像を虚像として観察者の眼に投射する役割を有する。投射透視装置７０は、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０と、結像用の投射レンズ３０とを備える。つまり、第１光学部材１０１ａ又は導光装置２０は、導光部材１０と光透過部材５０とで構成され、第１像形成本体部１０５ａは、画像表示装置８０と投射レンズ３０とで構成される。

以下、図３を参照して、第１像形成本体部１０５ａを構成する画像表示装置８０と投射レンズ３０とについて説明する。

画像表示装置８０は、照明光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、及び青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、この光源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（映像素子）８２は、例えば液晶表示デバイスで形成され、複数の画素で構成されており、照明装置８１からの照明光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に電力を供給して安定した輝度の照明光を射出させる。液晶駆動回路８４ｂは、映像表示素子（映像素子）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映像光又は画像光を形成する。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。

投射レンズ３０は、構成要素として、入射側光軸ＡＸＩに沿って３つの光学素子（レンズ）３１〜３３を備える投射光学系であり、これらの光学素子３１〜３３を収納して支持する鏡筒（図示省略）を含む。光学素子３１〜３３は、例えば非軸対称な非球面（非軸対称非球面）と軸対称な非球面（軸対称非球面）との双方を含む非球面レンズであり、導光部材１０の一部と協働して導光部材１０の内部に映像表示素子８２の表示像に対応する中間像を形成する。第１レンズ３１は、導光部材１０側に配置されるレンズであり、導光部材１０のうち光の入射面に対向する光の射出面であるレンズ面３１ａと光の入射面であるレンズ面３１ｂとを有する。第２レンズ３２は、光の光路上において第１レンズ３１の上段側に配置され、光の射出面であるレンズ面３２ａと光の入射面であるレンズ面３２ｂとを有する。第３レンズ３３は、光の光路上において第２レンズ３２の上段側に配置され、光の射出面であるレンズ面３３ａと光の入射面であるレンズ面３３ｂとを有する。第３レンズ３３のレンズ面３３ｂは、映像表示素子８２に対向する入射面となっている。ここでは、特に、３つの光学素子のうちの１つである第１レンズ３１が、非軸対称非球面であるレンズ面３１ａを有するものとなっている。非軸対称非球面については、非軸対称すなわち回転対称な形状ではなく、かつ、球面でない面を意味するが、代表的には、対称性の無い自由曲面等があげられる。また、非軸対称非球面として、例えばアナモフィック非球面のように回転対称ではないが２つの対称断面を有するような形状であってもよいものとする。なお、投射レンズ３０のうちレンズ面３１ａ以外の５つのレンズ面３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂについては、軸対称非球面となっている。つまり、投射レンズ３０は、非軸対称非球面以外の面として、２面以上の軸対称非球面を含んでいることになる。投射レンズ３０が非軸対称非球面よりも多くの軸対称非球面を含むものとすることで、投射レンズ３０の作製や他の部材への組付け困難なものとなることを極力回避できる。

以下、図３を参照して、投射透視装置７０等の機能、動作等の詳細について説明する。投射透視装置７０のうち、プリズム型の導光装置２０の一部である導光部材１０は、平面視において耳に近い（鼻から離れた）周辺側の部分が顔面に沿うように例えば湾曲した円弧状となっており、鼻に近い中央側（眼前側）の部分が直線状となっている部材である。導光部材１０のうち、第１導光部分１１は、鼻に近い中央側つまり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Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、第２導光部分１２は、鼻から離れた周辺側つまり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Ｓ１４と、第５面Ｓ１５とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが連続的に隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが連続的に隣接する。また、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置され、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とは大きな角度を成して隣接している。さらに、ここでは、対向した配置となっている第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが互いに略平行な平面形状となっている。一方、光学的な機能を有する他の面、すなわち第２面Ｓ１２、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５は、非軸対称な曲面（自由曲面）となっている。

以下、導光部材１０を構成する各面について詳しく説明する。導光部材１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯをローカルｚ軸とする平面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面（図示の断面）に含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１をローカルｚ軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、射出側光軸ＡＸＯをローカルｚ軸とする平面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な上記基準面に含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ３，ＡＸ４の２等分線に平行な光軸をローカルｚ軸とする自由曲面であり、第５面Ｓ１５は、ＸＺ面に平行な上記基準面に含まれるとともにＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線に平行な光軸をローカルｚ軸とする自由曲面である。光軸ＡＸ５の第５面Ｓ１５側の延長上には、入射側光軸ＡＸＩが配置されている。なお、以上の第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ５等が通る基準面（図示の断面）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。

なお、導光部材１０を構成する複数の面のうち、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３までの面以外の面Ｓ１４，Ｓ１５のうち、少なくとも１つの自由曲面について、方向によって曲率の符号が異なっている点を少なくとも１つ含むものとなっている。これにより、映像光の導光を精密に制御しつつ、導光部材１０の小型化を可能にしている。

導光部材１０のうち本体１０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより成形する。なお、本体１０ｓの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。本体１０ｓは、一体形成品とされているが、導光部材１０は、既に説明したように機能的に第１導光部分１１と第２導光部分１２とに分けて考えることができる。第１導光部分１１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導光部分１２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。

第１導光部分１１において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１導光部分１１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、既述のように、平面形状を成している。なお、第１面Ｓ１１は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

第２面Ｓ１２は、本体１０ｓの表面であり、当該表面にハーフミラー層１５が付随している。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、第２面Ｓ１２を主にＹ軸に沿った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（図２参照）。ハーフミラー層１５は、本体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。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、平面形状を成しており、かつ、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが互いに平行な面であることにより、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０になっており、特に、変倍も生じさせないものとなっている。なお、第３面Ｓ１３は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

第２導光部分１２において、第４面Ｓ１４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。第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを第２導光部分１２内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第４面Ｓ１４は、外部から導光部材１０に映像光ＧＬを入射させる光入射面と、導光部材１０の内部において映像光ＧＬを伝搬させる反射面としての機能を兼用している。なお、第４面Ｓ１４は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

第２導光部分１２において、第５面Ｓ１５は、本体１０ｓの表面上に無機材料で形成される光反射膜ＲＭを成膜することで形成され、反射面として機能する。

以上のように、本実施形態では、導光部材１０の内部において、映像表示素子８２からの映像光を、少なくとも２回の全反射を含む第１面Ｓ１１から第５面Ｓ１５までにおける５回の反射によって導光している。これにより、映像光ＧＬの表示と外界光ＨＬの視認させるシースルーとを両立させ、かつ、映像光ＧＬの収差の補正を行うことが可能になる。

また、上記のような構成において、投射レンズ３０における投射レンズ光軸である入射側光軸ＡＸＩと、観察者の視線として想定される視線軸に相当する射出側光軸ＡＸＯとは、０°より大きく３０°以下の角度をなしている。これにより、本実施形態のように、例えば映像表示素子８２を観察者の眼ＥＹの上方に置かないで顔の横に配置する構成とする場合に、観察者の装着感を向上させ、かつ、見た目のフォルムを良い状態に維持する形状とするにあたって、光学系の配置が障害とならないようにすることができる。

光透過部材５０は、既述のように導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっている。光透過部材５０は、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）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、導光部材１０の第１面Ｓ１１を延長した面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、当該第２面Ｓ１２に対して接着層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、導光部材１０の第３面Ｓ１３を延長した面上にある。このうち第２透過面Ｓ５２と導光部材１０の第２面Ｓ１２とは、薄い接着層ＣＣを介しての接合によって一体化されるため、略同じ曲率の形状を有する。

光透過部材（補助光学ブロック）５０は、可視域で高い光透過性を示し、光透過部材５０の本体部分は、導光部材１０の本体１０ｓと略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。なお、光透過部材５０は、本体部分を導光部材１０の本体１０ｓに接合した後、接合された状態で本体１０ｓとともにハードコートによる成膜がなされて形成されるものである。つまり、光透過部材５０は、導光部材１０と同様、本体部分の表面にハードコート層２７が施されたものとなっている。第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３とは、本体部分の表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。

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、投射レンズ３０を構成する各レンズ３１〜３３を通過することによって、収束されつつ、所期の非点収差が与えられ導光部材１０に設けた正の屈折力を有する第４面Ｓ１４に入射する。なお、この非点収差は、導光部材１０の各面を経る間に相殺されるものとなっており、最終的に初期の状態で観察者の眼に向けて映像光が射出される。

導光部材１０の第４面Ｓ１４に入射してこれを通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第２導光部分１２を経由する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５で反射され、第４面Ｓ１４に内側から再度入射して反射される。

第２導光部分１２の第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第１導光部分１１において、実質的に屈折力を有しない第３面Ｓ１３に入射して全反射され、実質的に屈折力を有しない第１面Ｓ１１に入射して全反射される。

ここで、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３を通過する前後において、導光部材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ＯＩに対応するものである。なお、図示の中間像の像面ＩＩは、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４までにかけての映像光の光路上において形成されるが、これ以外の位置に形成される場合もあり、本実施形態では、第３面Ｓ１３から第５面Ｓ１５までにかけての映像光の光路上において形成されるものとする。

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に対して屈折力を有しない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の瞳又はその等価位置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（映像素子）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、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第１導光部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。つまり、観察者は、導光部材１０越しに歪みの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、導光部材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、第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等を生じない。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの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、導光部材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、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。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、導光部材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ＣＣで充填されている。つまり、導光部材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、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（映像素子）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。

導光部材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導光部材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導光部材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。

図４は、導光部材１０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の映像表示素子８２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、投射レンズ３０と導光部材１０と順次通り、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、導光部材１０に入り、投射レンズ３０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、導光部材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、導光部材１０の形状を延長したものであり、説明を省略している。

図示の導光部材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、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、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３と、第４面Ｓ１４から第５面Ｓ１５に向けての光束中心の光軸ＡＸ４との２等分線となっている。

第５面Ｓ１５のローカル座標の原点は、この第５面Ｓ１５上にある。また、第５面Ｓ１５のローカル座標のｚ方向、すなわち第５面Ｓ１５の光軸は、第４面Ｓ１４から第５面Ｓ１５に向けての光束中心の光軸ＡＸ４と、第５面Ｓ１５から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ５との２等分線となっている。

導光部材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）｝ … （５）
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。ただし、図３及び図４に示す例では、第１面Ｓ１１は、平面形状であり、各係数Ａ１_ｍ，ｎは、０となる。

導光部材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）｝ … （６）
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。

導光部材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）｝ … （７）
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。ただし、図３及び図４に示す例では、第３面Ｓ１３は、平面形状であり、各係数Ａ１_ｍ，ｎは、０となる。

本実施形態において、導光部材１０の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、
−１０^−１＜Ａ１_０，２＋Ａ１_２，０＜１０^−２及び
−１０^−１＜Ａ３_０，２＋Ａ３_２，０＜１０^−２ … （１）
｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜＜１０^−１及び
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１０^−１ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜１０^−２及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜１０^−２ … （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との双方の収差の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。

導光部材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。

また、導光部材１０の第４面Ｓ１４又は第５面Ｓ１５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る。

導光部材１０の第４面Ｓ１４の形状は、第４面Ｓ１４のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ４_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （８）
ここで、Ａ４_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

導光部材１０の第５面Ｓ１５の形状は、第５面Ｓ１５のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ５_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （９）
ここで、Ａ５_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

なお、本実施形態では、上式（８）及び（９）で表される第４面Ｓ１４や第５面Ｓ１５の曲面形状が、方向によって曲率の符号が異なる曲率異符号点を少なくとも１つ含む曲率異符号面となっている。

さらに、本実施形態では、上記のように、導光部材１０が第２面Ｓ１２等の自由曲面を有するのみならず、投射レンズ３０においても自由曲面である非軸対称な非球面を有することで、収差の補正を図っている。

以下、投射レンズ３０に含まれる非軸対称非球面（自由曲面）について説明する。投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１〜３３のうち導光部材１０に対向する第１レンズ３１が、非軸対称非球面（自由曲面）であるレンズ面３１ａを有するものとなっている。レンズ面３１ａについても上記と同様に、ローカル座標に基づいて形状が規定されている。具体的には、レンズ面３１ａのローカル座標の原点は、このレンズ面３１ａ上にある。また、レンズ面３１ａのローカル座標のｚ方向、すなわちレンズ面３１ａの光軸は、光軸ＡＸ５と第４面Ｓ１４との交点（通過点）につながる入射側光軸ＡＸＩ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１レンズ３１のレンズ面３１ａの形状は、レンズ面３１ａのローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （１０）
ここで、Ａ_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、投射レンズ３０のレンズ面３１ａは、上式（１０）において、係数Ａ_２，０とＡ_０，２とが異符号であり、かつ、
１０^−２＜｜Ａ_２，０−Ａ_０，２｜ … （４）
を満足している。この場合、上述のように、投射レンズ３０が有する非軸対称非球面であるレンズ面３１ａにより、導光部材１０の反射面で生じる非点収差等の収差を補正し、優れた画質をもたらすことができるものとなる。

以上のように、本実施形態では、導光部材１０が２面以上の非軸対称な曲面（図示の場合、第２面Ｓ１２、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５の３面が該当し、これらは、いずれも映像光ＧＬの反射等を行い、映像光ＧＬの導光に寄与する曲面である。）を含むだけでなく、さらに、投射レンズ３０が非軸対称非球面としてレンズ面３１ａを含むものとなっている。これにより、導光部材１０側において、例えば導光に寄与する面である第１面Ｓ１１や第３面Ｓ１３が平面であるといった形状的に制約があり、非対称な収差に対する補正について制限があるような場合であっても、投射レンズ３０を含めた光学系全体として、十分な収差の補正を行うことが可能になる。これにより、虚像表示装置１００は、広画角・高性能であり、かつ、小型軽量なものとすることができる。また、上述の虚像表示装置１００では、導光部材１０において、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが互いに略平行な平面とすることによって、外界光について視度誤差を略ゼロとすることができ、特に、見かけの倍率誤差を略ゼロとし、裸眼状態と異ならない状態にすることができる。ここで、倍率誤差は、導光部材のような光透過性の部材を通して外界像を見ると、実際の外界像の大きさよりも拡大又は縮小されて見えてしまうときの誤差を言う。光透過性の部材を通過して観察される外界光は、当該部材が有限の曲率の曲面を有することや、厚さ、屈折率等の影響により、完全な平面である場合を除いて、多かれ少なかれ倍率誤差が生じるものとなる。上記の場合、第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３が平面であることで、見かけの倍率誤差をゼロとすることができるものとなっている。

また、本実施形態の虚像表示装置１００では、投射レンズ３０等によって導光部材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、例えば横方向に偏って延びる導光部材１０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、導光部材１０の形状を、観察者の顔に沿う形とでき、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。特に、第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３以外の面である第４面Ｓ１４等が、面に沿った方向によって曲率が異なっている点が存在する曲面となっていることにより、導光部材１０を小型のものとし、延いては虚像表示装置１００全体の小型化、軽量化を図ることができるものとなっている。

また、以上では、導光部材１０において、第１面Ｓ１１や第３面Ｓ１３が平面であるものとしているが、後述する実施例（実施例２〜５）において示すように、第１面Ｓ１１や第３面Ｓ１３を含めた各面が非軸対称な曲面となっているものとしてもよい。この場合、第１面Ｓ１１や第３面Ｓ１３の曲面形状は、例えば上式（５）及び（７）で表される係数に基づいて規定されるものとなる。

〔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（導光部材又は投射光学系中のｋ＝面番号、ただし、一部に平面が含まれる場合もあるものとする。）
ＡＳＰｋ：軸対称非球面（投射光学系中の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導光部材及び投射レンズ（投射光学系）を構成する光学面のデータを以下の表１に示す。ここでは、眼の位置から映像光の進行に対して逆行させた光線を追跡して、測定を行っている。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。ただし、ＦＦＳ６は、投射レンズの第１レンズの射出面であるレンズ面３１ａを意味する。また、ＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの射出面ではなく入射面を意味し、ＡＳＰ２は、第２レンズの射出面を意味する。
〔表１〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 - 5.80 1.525 55.95
3 FFS2 - -5.80 1.525 55.95
4 FFS1 - 10.46 1.525 55.95
5 FFS3 - -22.70 1.525 55.95
6 FFS4 - 11.90 1.525 55.95
7 FFS5 - -11.90 1.525 55.95
8 FFS4 - -4.00
9 FFS6 - -6.00 1.525 55.95
10 ASP1 12.481 -1.50
11 ASP2 4.805 -1.50 1.585 29.90
12 ASP3 11.556 -7.86
13 ASP4 -21.429 -5.50 1.525 55.95
14 ASP5 14.518 -7.17
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面 ∞

実施例１を構成する導光部材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。なお、第４面Ｓ１４に関しては、２度目の通過における角度の傾斜を考慮している。
〔表２〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 6.00 0.0 -6.00
3 FFS2 -23.80 0.0 23.80
4 FFS1 6.00 0.0 -6.00
5 FFS3 0.00 21.017 -49.13
6 FFS4 57.00 0.0 57.00
7 FFS5 -33.14 0.0 33.14
8 FFS4 -57.00 11.1 -10.54

実施例１を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面（平面を含む）の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎと、投射レンズ中の各光学面のうち、非軸対称非球面について多項式展開した係数Ａ_ｍ，ｎとを以下の表３に示す。なお、表３において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ及び係数Ａ_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Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝６）は、非軸対称非球面であるレンズ面３１ａ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。また、係数Ａ_ｍ，ｎは、対象とする非軸対称非球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。なお、各面のローカル座標については、図４に示すものに相当するため図示等を省略する。
〔表３〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 0.000E+00 -1.022E-02 0.000E+00 4.123E-03 -8.095E-03 4.988E-02
0 2 0.000E+00 -6.893E-03 0.000E+00 -2.202E-02 -1.460E-02 -6.964E-02
3 0 0.000E+00 7.391E-05 0.000E+00 5.313E-05 8.235E-05 8.078E-03
1 2 0.000E+00 -4.499E-05 0.000E+00 -4.275E-04 -3.510E-04 1.797E-03
4 0 0.000E+00 3.103E-06 0.000E+00 7.092E-07 7.476E-06 -2.521E-06
2 2 0.000E+00 1.392E-06 0.000E+00 4.810E-06 4.087E-06 -9.609E-05
0 4 0.000E+00 -2.613E-06 0.000E+00 2.576E-05 -4.143E-06 -1.309E-05
5 0 0.000E+00 -2.486E-07 0.000E+00 7.194E-10 1.820E-07 -4.563E-05
3 2 0.000E+00 3.186E-08 0.000E+00 4.702E-07 3.550E-07 -1.970E-05
1 4 0.000E+00 7.163E-09 0.000E+00 8.729E-06 2.656E-06 8.421E-07
6 0 0.000E+00 2.178E-10 0.000E+00 7.446E-09 5.327E-08 -2.740E-06
4 2 0.000E+00 -1.078E-08 0.000E+00 -5.639E-08 9.558E-08 -8.605E-06
2 4 0.000E+00 -2.276E-08 0.000E+00 2.788E-08 6.075E-08 -5.448E-06
0 6 0.000E+00 3.809E-08 0.000E+00 3.443E-07 4.320E-08 -2.304E-06
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「−１．０２２Ｅ−０２」とは、−１．０２２×１０^−０２を意味する。

実施例１の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面（上記非軸対称非球面であるレンズ面３１ａ以外の面である軸対称非球面）の非球面の係数を以下の表４に示す。
〔表４〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5
K -1 -1 -1 -1 -1
B4 8.020E-05 -1.715E-03 -1.436E-03 6.904E-05 8.135E-06
B6 -1.419E-05 1.991E-05 2.417E-05 5.163E-06 5.766E-06
B8 2.289E-07 -7.623E-08 -3.857E-07 -1.057E-07 -9.395E-08
以上の表４において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のうちレンズ面３１ａ以外のレンズ面である記号ＡＰＳ１〜ＡＰＳ５の非球面を特定するための係数を示している。非球面は、以下の多項式（非球面式）によって特定される。

ここで、Ｒは各面の曲率半径であり、ｈは光軸からの高さであり、Ｋは対象レンズ面の円錐係数であり、Ｂｉ（ｉ＝４，６，８，…）は対象レンズ面の高次非球面係数である。

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のうち導光部材１０は、実質的に屈折力を有しない第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、実質的に屈折力を有しない第３面Ｓ１３と、比較的強い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的弱い負の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。ここで、第４面Ｓ１４は、反射面及び屈折面として機能している。具体的には、第４面Ｓ１４は、第３面Ｓ１３から逆行する光束（実際には第５面Ｓ１５からの光）に対して全反射面となっており、第５面Ｓ１５から逆行する光束（実際には投射レンズ３０からの光）に対して透過面となっている。つまり、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能と、光束の収束に関する機能を兼ね備えている。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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Ｙ及びＸ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Ｙ及びＸ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Ｙ及びＸ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Ｙ及びＸ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Ｙ及びＸ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Ｙ及びＸ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導光部材及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表５に示す。
実施例２の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズ（投射光学系）を構成する光学面のデータを以下の表５に示す。なお、ＦＦＳ７は、投射レンズの第１レンズの射出面であるレンズ面３１ａを意味する。また、ＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの射出面ではなく入射面を意味し、ＡＳＰ２は、第２レンズの射出面を意味する。
〔表５〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 - 4.80 1.525 55.95
3 FFS2 - -4.80 1.525 55.95
4 FFS1 - 8.00 1.525 55.95
5 FFS3 - -14.20 1.525 55.95
6 FFS4 - 8.70 1.525 55.95
7 FFS5 - -7.00 1.525 55.95
8 FFS6 - -2.00
9 FFS7 - -3.00 1.525 55.95
10 ASP1 3.231 -1.50
11 ASP2 2.180 -1.50 1.585 29.90
12 ASP3 4.010 -7.18
13 ASP4 -6.744 -5.00 1.525 55.95
14 ASP5 -13.372 -3.00
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面 ∞

実施例２を構成する導光部材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６に示す。
〔表６〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0.00 0.0 0.00
3 FFS2 -23.00 0.0 23.00
4 FFS1 0.00 0.0 0.00
5 FFS3 0.00 16.335 1.08
6 FFS4 38.00 0.0 38.00
7 FFS5 -39.00 0.0 -39.00
8 FFS6 0.00 0.0 0.00

実施例２を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面（平面を含む）の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎと、投射レンズ中の各光学面のうち、非軸対称非球面について多項式展開した係数Ａ_ｍ，ｎとを以下の表７に示す。なお、表７において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ及び係数Ａ_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Ｓ１１〜Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝７）は、非軸対称非球面であるレンズ面３１ａ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。また、係数Ａ_ｍ，ｎは、対象とする非軸対称非球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。図８に示すように、本実施例では、導光部材１０が第４面Ｓ１４に隣接する第６面Ｓ１６を有しているものとする。なお、図示のように、第６面Ｓ１６は、光入射面であり、光束の収束に関する機能を有する。一方、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能を担っている。つまり、実施例１の第４面Ｓ１４において兼ねられていた機能が、実施例２では、第４面Ｓ１４と第６面Ｓ１６とに分離されていることになる。
〔表７〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -2.087E-02 -2.217E-02 -1.889E-02 -5.271E-04
0 2 -2.253E-02 -1.413E-02 -1.983E-02 -5.660E-03
3 0 -3.128E-05 1.325E-04 -3.066E-05 6.522E-04
1 2 2.416E-05 -3.101E-04 2.368E-05 1.073E-03
4 0 -1.463E-05 -2.795E-05 -1.404E-05 -1.259E-05
2 2 -8.004E-05 -2.797E-06 -7.684E-05 6.765E-05
0 4 -5.960E-05 -1.418E-05 -5.721E-05 6.021E-05
5 0 7.707E-07 4.902E-07 7.399E-07 2.369E-06
3 2 6.434E-06 -6.086E-07 6.177E-06 -7.006E-06
1 4 6.430E-06 1.301E-06 6.173E-06 -3.895E-07
6 0 -2.246E-08 -4.173E-10 -2.156E-08 -1.508E-07
4 2 -1.775E-07 -6.941E-08 -1.704E-07 -7.278E-07
2 4 -3.077E-07 -1.334E-07 -2.210E-07 -8.045E-07
0 6 2.556E-08 2.134E-08 2.454E-08 -1.071E-07

m n FFS5 FFS6 FFS7
2 0 -9.898E-03 8.920E-02 1.131E-01
0 2 -2.488E-03 1.033E-01 -6.695E-03
3 0 7.191E-04 -2.279E-03 -4.954E-03
1 2 8.687E-04 -2.271E-03 -8.529E-03
4 0 1.248E-04 4.906E-04 1.521E-03
2 2 1.784E-04 -5.204E-03 -7.179E-03
0 4 -1.267E-04 -2.717E-03 -2.333E-03
5 0 1.525E-05 6.674E-05 -2.139E-04
3 2 1.351E-05 1.156E-04 4.242E-04
1 4 7.544E-05 2.352E-04 4.229E-04
6 0 2.467E-06 -5.455E-06 -1.641E-04
4 2 4.101E-06 2.470E-05 1.539E-04
2 4 -7.037E-07 1.143E-04 2.931E-04
0 6 1.333E-06 5.102E-05 8.227E-05

実施例２の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面（上記非軸対称非球面であるレンズ面３１ａ以外の面である軸対称非球面）の非球面の係数を以下の表８に示す。
〔表８〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5
K -1 -1 -1 -1 -1
B4 -3.695E-03 -1.468E-02 -5.329E-03 4.441E-04 5.162E-04
B6 6.588E-05 4.317E-04 -3.605E-05 -9.791E-06 -2.708E-07
B8 4.147E-08 -3.867E-06 4.261E-06 -5.194E-08 -4.521E-07
以上の表８において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のうちレンズ面３１ａ以外のレンズ面である記号ＡＰＳ１〜ＡＰＳ５の非球面を特定するための係数を示している。

図８は、実施例２の投射透視装置７０の断面図である。また、図９は、導光部材中のローカル座標を示す図である。投射透視装置７０のうち導光部材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、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と、比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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１０（Ａ）〜１０（Ｆ）及び図１１（Ａ）〜１１（Ｆ）は、実施例２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１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ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５．７°の方位におけるＹ及びＸ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５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１１（Ｃ）及び１１（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１１（Ｅ）及び１１（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ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３）
実施例３の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズ（投射光学系）を構成する光学面のデータを以下の表９に示す。なお、図１２に示すように、実施例３では、投射レンズ３０のうち第１レンズ３１ではなく第２レンズ３２の入射面であるレンズ面３２ｂが非軸対称非球面となっており、ＦＦＳ６は、レンズ面３２ｂを意味する。また、例えばＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの入射面を意味し、ＡＳＰ２は、第１レンズの入射面を意味するが、ＡＳＰ４は、第２レンズの入射面ではなく、第３レンズの射出面を意味する。
〔表９〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 - 5.50 1.525 55.95
3 FFS2 - -5.50 1.525 55.95
4 FFS1 - 9.00 1.525 55.95
5 FFS3 - -14.50 1.525 55.95
6 FFS4 - 9.50 1.525 55.95
7 FFS5 - -9.50 1.525 55.95
8 FFS4 - -2.00
9 ASP1 -7.938 -5.00 1.525 55.95
10 ASP2 6.561 -1.00
11 ASP3 4.480 -1.50 1.585 29.90
12 FFS6 - -6.10
13 ASP4 -9.941 -6.00 1.525 55.95
14 ASP5 29.300 -5.00
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面 ∞

実施例３を構成する導光部材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１０に示す。
〔表１０〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0.00 0.0 0.00
3 FFS2 -25.00 0.0 25.00
4 FFS1 0.00 0.0 0.00
5 FFS3 0.00 17.062 -38.15
6 FFS4 43.00 0.0 43.00
7 FFS5 -27.00 0.0 27.00
8 FFS6 -43.00 7.8 -11.16

実施例３を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面（平面を含む）の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎと、投射レンズ中の各光学面のうち、非軸対称非球面について多項式展開した係数Ａ_ｍ，ｎとを以下の表１１に示す。なお、表１１において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ及び係数Ａ_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Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝６）は、非軸対称非球面であるレンズ面３２ｂ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。また、係数Ａ_ｍ，ｎは、対象とする非軸対称非球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。図１２に示すように、本実施例では、実施例１の第４面Ｓ１４と同様に、光路の折り曲げの機能と、光束の収束に関する機能を兼ね備えている。
〔表１１〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5 FFS6
2 0 -2.432E-03 -1.211E-02 -2.396E-03 9.362E-03 -4.205E-04 9.362E-03
0 2 -1.191E-02 -1.352E-02 -1.107E-02 -3.922E-02 -2.189E-02 -3.922E-02
3 0 -4.162E-05 -5.153E-05 -4.079E-05 7.027E-05 8.198E-04 7.027E-05
1 2 -3.236E-04 -1.411E-04 -3.171E-04 7.812E-04 1.073E-04 7.812E-04
4 0 -2.430E-06 -8.555E-06 -3.527E-06 -9.925E-06 6.847E-05 -9.925E-06
2 2 1.154E-05 2.515E-06 1.593E-05 2.977E-05 -8.528E-06 2.977E-05
0 4 -1.674E-06 -2.515E-06 -1.040E-06 5.632E-05 9.899E-06 5.632E-05
5 0 3.302E-07 2.078E-07 2.238E-07 -2.036E-07 3.776E-06 -2.036E-07
3 2 -5.857E-07 -8.864E-07 -3.808E-08 -2.456E-06 8.910E-08 -2.456E-06
1 4 9.253E-07 2.819E-07 9.277E-07 -7.538E-06 2.080E-06 -7.538E-06
6 0 -1.940E-08 5.557E-08 -4.744E-09 3.281E-07 -1.468E-06 3.281E-07
4 2 -2.251E-08 3.002E-08 -7.243E-09 4.453E-07 8.741E-07 4.453E-07
2 4 2.381E-08 -3.144E-08 1.715E-08 1.547E-06 8.344E-07 1.547E-06
0 6 6.807E-08 4.935E-09 5.801E-08 -1.205E-06 -1.213E-07 -1.205E-06

実施例３の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面（上記非軸対称非球面であるレンズ面３２ｂ以外の面である軸対称非球面）の非球面の係数を以下の表１２に示す。
〔表１２〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5
K -1 -1 -1 -1 -1
B4 -3.442E-05 -7.013E-04 -3.033E-03 2.725E-04 1.527E-04
B6 4.303E-06 4.776E-06 4.783E-05 -4.820E-06 -1.326E-06
B8 1.304E-07 5.366E-08 -5.817E-07 7.555E-08 4.036E-08
以上の表１２において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のうちレンズ面３２ｂ以外のレンズ面である記号ＡＰＳ１〜ＡＰＳ５の非球面を特定するための係数を示している。

図１２は、実施例３の投射透視装置７０の断面図である。また、図１３は、導光部材中のローカル座標を示す図である。投射透視装置７０のうち導光部材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、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と、比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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１４（Ａ）〜１４（Ｆ）及び図１５（Ａ）〜１５（Ｆ）は、実施例３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１４（Ａ）及び１４（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１４（Ｃ）及び１４（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１４（Ｅ）及び１４（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ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０．０°の方位におけるＹ及びＸ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０．０°の方位におけるＹ及びＸ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４）
実施例４の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズ（投射光学系）を構成する光学面のデータを以下の表１３に示す。なお、図１６に示すように、実施例４では、投射レンズ３０のうち第１レンズ３１ではなく第２レンズ３２の入射面であるレンズ面３２ｂが非軸対称非球面となっており、ＦＦＳ７は、レンズ面３２ｂを意味する。また、例えばＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの入射面を意味し、ＡＳＰ２は、第１レンズの入射面を意味するが、ＡＳＰ４は、第２レンズの入射面ではなく、第３レンズの射出面を意味する。
〔表１３〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 - 5.00 1.525 55.95
3 FFS2 - -5.00 1.525 55.95
4 FFS1 - 8.50 1.525 55.95
5 FFS3 - -12.00 1.525 55.95
6 FFS4 - 10.00 1.525 55.95
7 FFS5 - -5.00 1.525 55.95
8 FFS6 - -2.00
9 ASP1 -13.257 -5.00 1.525 55.95
10 ASP2 11.003 -1.50
11 ASP3 9.685 -1.50 1.585 29.90
12 FFS7 - -3.74
13 ASP4 -23.893 -4.50 1.525 55.95
14 ASP5 37.465 -2.00
15 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
16 像面 ∞

実施例４を構成する導光部材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１４に示す。
〔表１４〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0.00 0.0 0.00
3 FFS2 -24.00 0.0 24.00
4 FFS1 0.00 0.0 0.00
5 FFS3 0.00 14.621 -21.30
6 FFS4 40.00 0.0 40.00
7 FFS5 -35.00 0.0 -35.00
8 FFS6 0.00 0.0 0.00

実施例４を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面（平面を含む）の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎと、投射レンズ中の各光学面のうち、非軸対称非球面について多項式展開した係数Ａ_ｍ，ｎとを以下の表１５に示す。なお、表１５において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ及び係数Ａ_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Ｓ１１〜Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝７）は、非軸対称非球面であるレンズ面３２ｂ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。また、係数Ａ_ｍ，ｎは、対象とする非軸対称非球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。図１６に示すように、本実施例では、導光部材１０が第４面Ｓ１４に連続的に隣接する第６面Ｓ１６を有しているものとする。なお、図示のように、第６面Ｓ１６は、光入射面であり、光束の収束に関する機能を有する。一方、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能を担っている。つまり、実施例１の第４面Ｓ１４において兼ねられていた機能が、実施例４では、第４面Ｓ１４と第６面Ｓ１６とに分離されていることになる。
〔表１５〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -5.276E-03 -1.333E-02 -4.960E-03 8.629E-03
0 2 -3.830E-02 -1.893E-02 -3.102E-02 -2.954E-02
3 0 -3.115E-05 1.010E-04 -3.052E-05 -1.682E-04
1 2 3.637E-04 -1.366E-04 3.564E-04 -3.434E-04
4 0 1.040E-05 -1.271E-05 -1.497E-05 -1.918E-05
2 2 -5.747E-05 -2.548E-05 1.496E-05 -9.404E-05
0 4 -9.378E-05 -2.224E-05 -7.281E-06 5.598E-04
5 0 -3.207E-07 2.231E-07 2.947E-07 3.555E-06
3 2 -6.124E-06 5.624E-07 -2.746E-06 -8.319E-06
1 4 -9.769E-07 2.705E-07 -6.839E-07 6.520E-05
6 0 1.971E-08 -5.666E-08 1.948E-09 -7.231E-07
4 2 3.069E-07 -9.514E-08 4.186E-08 -2.306E-06
2 4 -4.676E-07 -2.040E-08 2.419E-09 5.960E-06
0 6 -1.539E-07 -2.841E-08 2.856E-08 4.341E-07

m n FFS5 FFS6 FFS7
2 0 -1.305E-02 -6.999E-03 -1.424E-02
0 2 -9.870E-03 1.195E-01 1.006E-01
3 0 2.667E-04 -1.243E-03 1.515E-04
1 2 9.797E-04 5.209E-03 1.854E-03
4 0 1.680E-05 -7.118E-04 -6.702E-04
2 2 -8.006E-06 -9.784E-04 -5.917E-04
0 4 -1.386E-04 -5.956E-04 1.617E-04
5 0 1.766E-06 3.291E-05 2.290E-05
3 2 -1.365E-05 -8.577E-05 -2.469E-05
1 4 3.113E-05 1.002E-04 4.318E-05
6 0 2.047E-07 1.330E-05 -2.366E-05
4 2 -7.232E-07 2.387E-05 -1.064E-04
2 4 2.287E-06 2.140E-05 -7.976E-05
0 6 2.204E-05 6.819E-05 -2.417E-04

実施例４の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面（上記非軸対称非球面であるレンズ面３２ｂ以外の面である軸対称非球面）の非球面の係数を以下の表１６に示す。
〔表１６〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5
K -1 -1 -1 -1 -1
B4 -8.633E-04 -7.665E-04 -5.112E-04 4.730E-04 7.382E-04
B6 9.916E-06 1.262E-05 9.679E-06 -1.612E-05 -1.427E-05
B8 -8.725E-08 -1.747E-07 -2.486E-07 3.137E-07 2.753E-07
以上の表１６において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のうちレンズ面３２ｂ以外のレンズ面である記号ＡＰＳ１〜ＡＰＳ５の非球面を特定するための係数を示している。

図１６は、実施例４の投射透視装置７０の断面図である。また、図１７は、導光部材中のローカル座標を示す図である。投射透視装置７０のうち導光部材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、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と、比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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１８（Ａ）〜１８（Ｆ）及び図１９（Ａ）〜１９（Ｆ）は、実施例４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１８（Ａ）及び１８（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｃ）及び１８（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｅ）及び１８（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１９（Ａ）及び１９（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１９（Ｃ）及び１９（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１９（Ｅ）及び１９（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ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５）
実施例５の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズ（投射光学系）を構成する光学面のデータを以下の表１７に示す。なお、ＦＦＳ７は、投射レンズの第１レンズの射出面であるレンズ面３１ｂを意味する。また、ＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの射出面ではなく入射面を意味し、ＡＳＰ２は、第２レンズの射出面を意味する。図２０に示すように、実施例５では、投射レンズ３０が２つのレンズ３１，３２によって構成されている。
〔表１７〕
No Type R T Nd Vd
1 SPH ∞ 20.00
2 FFS1 - 5.00 1.525 55.95
3 FFS2 - -5.00 1.525 55.95
4 FFS1 - 8.50 1.525 55.95
5 FFS3 - -12.00 1.525 55.95
6 FFS4 - 9.00 1.525 55.95
7 FFS5 - -6.20 1.525 55.95
8 FFS6 - -2.00
9 ASP1 -46.932 -1.50 1.585 29.90
10 FFS7 - -3.23
11 ASP2 -6.165 -4.00 1.525 55.95
12 ASP3 -19.763 -3.00
13 SPH ∞ -1.44 1.458 67.82
14 像面 ∞

実施例５を構成する導光部材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１８に示す。
〔表１８〕
No Type TLY（面前） DCX（面後） TLY（面後）
2 FFS1 0.00 0.0 0.00
3 FFS2 -24.00 0.0 24.00
4 FFS1 0.00 0.0 0.00
5 FFS3 0.00 15.361 -5.87
6 FFS4 35.00 0.0 35.00
7 FFS5 -37.00 0.0 -37.00
8 FFS6 0.00 0.0 0.00

実施例５を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面（平面を含む）の多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎと、投射レンズ中の各光学面のうち、非軸対称非球面について多項式展開した係数Ａ_ｍ，ｎとを以下の表１９に示す。なお、表１９において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，ｎ及び係数Ａ_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Ｓ１１〜Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝７）は、非軸対称非球面であるレンズ面３１ｂ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。また、係数Ａ_ｍ，ｎは、対象とする非軸対称非球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。図２０に示すように、本実施例では、導光部材１０が第４面Ｓ１４に連続的に隣接する第６面Ｓ１６を有しているものとする。なお、図示のように、第６面Ｓ１６は、光入射面であり、光束の収束に関する機能を有する。一方、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能を担っている。つまり、実施例１の第４面Ｓ１４において兼ねられていた機能が、実施例５では、第４面Ｓ１４と第６面Ｓ１６とに分離されていることになる。
〔表１９〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -9.590E-03 -1.493E-02 -9.015E-03 1.106E-02
0 2 -3.895E-02 -1.718E-02 -3.174E-02 -4.225E-02
3 0 -3.944E-05 1.514E-04 -3.155E-05 -1.006E-03
1 2 7.919E-05 -5.479E-04 6.335E-05 -1.529E-03
4 0 1.802E-05 -9.117E-06 -1.873E-05 6.325E-05
2 2 -1.154E-04 -1.375E-06 2.347E-05 -1.241E-04
0 4 2.027E-06 -8.306E-06 -3.121E-05 3.387E-04
5 0 -1.163E-06 6.691E-07 1.423E-07 1.841E-05
3 2 3.615E-07 -9.426E-07 -3.074E-06 7.113E-06
1 4 -8.107E-06 -3.125E-07 2.872E-06 8.646E-05
6 0 5.687E-08 -1.366E-08 6.812E-09 -5.296E-06
4 2 -8.370E-08 2.463E-08 1.030E-08 -1.413E-07
2 4 -5.216E-07 -2.612E-08 -2.164E-07 1.999E-05
0 6 4.183E-08 -6.074E-08 -4.753E-08 -3.325E-06

m n FFS5 FFS6 FFS7
2 0 -2.012E-02 4.113E-03 -4.696E-02
0 2 -2.602E-02 1.450E-01 8.928E-02
3 0 1.762E-04 -6.809E-03 1.596E-03
1 2 3.957E-04 4.988E-03 5.628E-03
4 0 4.907E-07 -2.072E-04 -1.046E-04
2 2 1.606E-05 7.518E-04 -2.569E-04
0 4 1.968E-04 -4.126E-03 4.836E-03
5 0 6.181E-07 2.409E-05 5.063E-05
3 2 -2.044E-06 -2.596E-05 -2.063E-04
1 4 5.215E-06 2.987E-04 -3.074E-04
6 0 8.272E-08 -1.343E-05 -2.780E-05
4 2 -2.522E-06 -3.140E-05 -1.312E-04
2 4 2.747E-05 5.979E-05 -4.072E-04
0 6 -9.104E-05 4.539E-04 -1.536E-03

実施例５の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面（上記非軸対称非球面であるレンズ面３１ｂ以外の面である軸対称非球面）の非球面の係数を以下の表２０に示す。
〔表２０〕
ASP1 ASP2 ASP3
K -1 -1 -1
B4 1.730E-05 3.985E-04 3.628E-04
B6 -4.292E-05 -1.324E-05 -2.023E-05
B8 4.667E-07 1.089E-07 3.764E-07
以上の表２０において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する２つのレンズ３１，３２のうちレンズ面３１ｂ以外のレンズ面である記号ＡＰＳ１〜ＡＰＳ３の非球面を特定するための係数を示している。

図２０は、実施例５の投射透視装置７０の断面図である。また、図２１は、導光部材中のローカル座標を示す図である。投射透視装置７０のうち導光部材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、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と、比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。投射レンズ３０は、負の屈折力を有する第１レンズ３１と、正の屈折力を有する第２レンズ３２とを有している。実施例５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２２（Ａ）〜２２（Ｆ）及び図２３（Ａ）〜２３（Ｆ）は、実施例５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２２（Ａ）及び２２（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２２（Ｃ）及び２２（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２２（Ｅ）及び２２（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図２３（Ａ）及び２３（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２３（Ｃ）及び２３（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２３（Ｅ）及び２３（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ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。

以下の表２１に、各実施例１〜５について、条件式（１）〜（３）に関する数値データをまとめた。
〔表２１〕

また、以下の表２２に、各実施例１〜５について、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔及び視線軸（射出側光軸ＡＸＯ）と第２面Ｓ１２のｚ軸の角度に関する数値データをまとめた。
〔表２２〕

また、条件式（３）は、外光に対する導光部材の視度に影響を与えており、導光部材の光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙは、導光部材の厚さを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２３に、各実施例１〜５についての視度に関する数値データをまとめた。
〔表２３〕

また、非軸対称非球面に関する係数Ａ_２，０とＡ_０，２とが異符号であり、かつ、下記の条件式（４）
１０^−２＜｜Ａ_２，０−Ａ_０，２｜ … （４）
を満足することは、投射レンズが有する非軸対称非球面により、導光部材の反射面で生じる非点収差等の収差を補正し、優れた画質をもたらすことができるための指標を示す値である。以下の表２４に、各実施例１〜５についての上記要件をまとめた。いずれの実施例においても、上記要件が満たされるものとなっている。
〔表２４〕

また、以下の表２５に、各実施例１〜５についての投射レンズ３０の入射側光軸ＡＸＩ（投射レンズ光軸）と射出側光軸ＡＸＯ（視線軸）とのなす角度をまとめた。いずれの実施例においても、当該角度が０°より大きく３０°以下となっている。
〔表２５〕

〔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、投射レンズが有する非軸対称非球面を１面としているが、投射レンズが２面以上の非軸対称非球面を有するものとすることも可能である。

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仕様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２４に示すように、虚像表示装置としての第１表示装置１００Ａは、導光装置２０と画像表示装置３８０とを備える。導光装置２０は、導光部材１０と光透過部材５０とを接合したものに相当するため、ここでは説明を省略する。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を導光装置２０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、非軸対称非球面のレンズ面３１ａを含むレンズ３１と他のレンズ３２，３３で構成される投射レンズ３０を介して導光装置２０の光入射面としての第４面Ｓ１４に向けて射出する。導光装置２０は、第４面Ｓ１４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の軌跡としての映像光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。

また、上記実施形態では、導光部材１０と補助光学ブロックである光透過部材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２５（Ａ）及び２５（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、導光部材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、装着者が導光部材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２５（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（導光部材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の下半分が導光部材１０及び光透過部材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、導光部材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、導光部材１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材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、導光部材１０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。なお、映像光（画像光）を導光させる方向に応じて、上述の説明の場合と比較して縦方向及び横方向に関する構成を適宜入れ替えるものとすることができる。

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、Ｓ１１−Ｓ１６…第１−第６面、Ｓ５１−Ｓ５３…透過面、ＳＬ…照明光、ＳＲ…基準面、１０…導光部材、１０ｓ…本体、１１，１２…導光部分、１５…ハーフミラー層、２０…導光装置、３０…投射レンズ、３１，３２，３３…レンズ、３１ａ，３１ｂ，３２ｂ…レンズ面（非軸対称非球面）、３２ａ，３３ａ，３３ｂ…レンズ面、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）、ＯＩ…像面、８４…駆動制御部、１００…虚像表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１０１ａ，１０１ｂ…光学部材、１０２…枠部、１０４…テンプル部、１０５ａ，１０５ｂ…像形成本体部、１０５ｄ…外装部材、１０７…フレーム、１０７ａ…正面部、１０７ｂ，１０７ｃ…側面部、１０８…プロテクター、１５…ハーフミラー層、ＣＣ…接着層

Claims

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とともに、光学系の一部として内部に中間像が形成される導光部材と、
前記映像素子からの映像光を前記導光部材に入射させる投射レンズと
を備え、
前記投射レンズは、少なくとも１面の非軸対称非球面を含んでおり、
前記導光部材は、対向するように配置された第１面と第３面と、前記第３面よりも光入射側に配置されて、映像光を前記第３面に向けて導光させる第４面と、映像光を前記第４面に向けて導光させる第５面とを有し、
前記第１面と前記第３面とは、互いに略平行な平面であり、前記第１面と前記第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２面は非軸対称な曲面であり、前記第４面及び前記第５面は光軸を含む基準面において外側に凸となる非軸対称な曲面であり、
前記映像素子からの映像光は、前記第４面を通過し、前記第５面で反射され、前記第４面、前記第３面及び前記第１面で全反射され、前記第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。
前記導光部材において、前記中間像は、前記第３面と前記第１面の間における映像光の光路上にある、請求項１に記載の虚像表示装置。
前記投射レンズにおける投射レンズ光軸と、観察者の視線として想定される視線軸とは、０°より大きく３０°以下の角度をなしている、請求項１または２に記載の虚像表示装置。
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から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
−１０^−１＜Ａ１_０，２＋Ａ１_２，０＜１０^−２及び
−１０^−１＜Ａ３_０，２＋Ａ３_２，０＜１０^−２ … （１）
｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜＜１０^−１及び
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１０^−１ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜＜１０^−２及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜＜１０^−２ … （３）
前記投射レンズの前記非軸対称非球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、前記非軸対称非球面を表す多項式の項ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡ_ｍ，ｎとしたとき、Ａ_２，０とＡ_０，２とが異符号であり、下記の条件を満足する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
１０^−２＜｜Ａ_２，０−Ａ_０，２｜ … （４）
前記導光部材の内部において、前記映像素子からの映像光を、少なくとも２回の全反射を含む５回の反射によって導光する、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。
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６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記投射レンズは、前記非軸対称非球面以外の面として、２面以上の軸対称非球面を含んでいる、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。
前記導光部材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８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。