JP6369017B2

JP6369017B2 - 虚像表示装置

Info

Publication number: JP6369017B2
Application number: JP2013249857A
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: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: JP2015106146A; US20150153575A1; US9513479B2

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１〜５参照）。

従来のＨＭＤのうち、両眼に映像を提示する物としては、外界光を遮断するタイプや、透明部材にハーフミラーを使って外界光と映像光を重ねて提示するシースルーのタイプ等がある（例えば特許文献１等参照。）。このような各種タイプのＨＭＤにおいて、映像をじっくり視聴する用途に使用する場合には、観察者の眼に沿った横方向について長い横長の画像を提示することが適している。従って、横長の画像を提示するものがほとんどである。

一方、何かの作業をしながら表示されたデータを見る等の場合のように、映像をじっくり見るのではなく、いわゆるながら見の用途に使用する場合には、小型軽量にすることが望ましく、中間像を形成させないことで小型軽量化を図るものも知られている（例えば特許文献２，３参照。）。また、小型軽量にする必要から、単眼用でさらに表示部を小さくするものが知られている（例えば特許文献４参照。）。ただし、このような単眼用タイプでは、例えば情報の表示を見つつ何かの作業をするといった場合に映像による眼前の遮蔽を少なくできる可能性があるものの小型軽量等の要請から表示画面の大きさが限られてしまい、表示できる情報量が不十分なものとなってしまう可能性がある。なお、単眼用タイプにおいても、例えば、映像光を眼に導く光学素子として、非球面の小型プリズムを用いる方式であって目の上方に映像素子を配置させるもの（例えば特許文献５参照。）が知られているが、この場合、装置が全体的に大きくなり、デザインに難点が生じる。

米国特許出願公開第２０１３／００３３７５６号特開平７−３３３５５１号公報特開平９−７３０４３号公報特開２０１２−５８３０２号公報特開２００５−１７７７５号公報

本発明は、小型軽量で豊富な情報を表示できる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、観察者の少なくとも左右いずれか一方の眼に対して虚像を視認させる虚像表示装置であって、映像光を生じさせる映像素子と、映像素子からの映像光を観察者の眼に向けて導光する導光部材と、を備え、導光部材は、視認される虚像の表示範囲について、眼の並びに対応する横方向に対して垂直な縦方向の幅を横方向の幅よりも大きくし、なおかつ、映像素子の中心から発し、導光部材を通過して観察者の瞳の中心（瞳中心）に至る光線の中心軸を光軸とし、観察者の瞳中心を通り顔の正面方向に平行な軸を視線基準軸とするときに、光軸が視線基準軸よりも観察者の眼尻側に傾いた状態になっている。なお、ここでの視線基準軸に対する光軸の方向は、導光部材を通過して観察者の瞳中心に至る際（すなわち導光部材の光射出面から射出される際）の方向を意味する。

上記虚像表示装置では、映像素子からの映像光に基づいて視認される虚像の表示範囲を観察者の眼尻側に偏らせた状態で画像を表示させることができる。これにより、例えば何らかの作業を行いながら必要に応じて映像を確認するといったいわゆるながら見の用途に使用する場合に、観察者の視界の遮蔽を抑制しつつ映像による情報を提供することが可能となる。さらに、上記虚像表示装置によって表示される画像は、眼の並びに対応する横方向よりもこれに垂直な縦方向に長いもの（縦長の画像）となっている。これにより、小型軽量等の要請がある場合でも、表示画面を比較的大きいものに維持し、表示する情報量を十分なものとしやすいものとすることができる。

本発明の具体的な側面では、導光部材は、視線基準軸に対する光軸のなす角を５°以上３０°以下とする角度及び位置から映像光を射出する。この場合、映像が適度に視界の中心よりも外側に外された状態となり、観察者は外界を観察する最中において映像による視界の遮蔽が抑制されつつ、視線を外側に向ければ即座に映像による情報提供を受けることができるものとなる。

本発明の別の側面では、映像素子の中心から瞳中心に至る光軸は、１つの平面内に含まれ、映像素子及び導光部材を含む光学系全体は、この平面に対し面対称な形状をなしている。ここで、光軸を含む平面は、導光部材等の光学系における基準面を意味し、この対称平面に対し面対称な形状とは、当該基準面に対して、光学系全体のうち実質的に光学的な機能を有する部分が面対称な形状となっていることを意味する。一般に、小型軽量等の要請が厳しくなると、表示画面の大きさが制限され、これに伴い表示できる情報量も制限されることになる。例えば上記の導光部材において、対称平面に平行な方向に沿って映像光の導光を行う場合、視認させるべき虚像について対称平面に平行な方向に関して表示範囲を大きくするには、例えば導光部材を厚くするといった装置の大型化が必要となる。これに対して、映像素子の長辺を縦方向に平行に延ばして対称平面に直交させた状態とする、言い換えると、対称平面に沿った方向に関して映像素子の幅が短くなるように配置することで、小型化の要請に応じて導光部材を薄いものに維持しつつ、多くの情報を表示可能なものとすることができる。さらに、映像素子から射出され導光部材を経た映像光を、中間像を形成しない発散型の光路で観察者に拡大表示させることにより、中間像を形成させる場合に比べて全体の光路が短くなり、コンパクト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、映像素子及び導光部材を含む光学系全体の観察者に対する姿勢を一体的に変更して、導光部材から射出される映像光の角度及び位置を調整する姿勢調整部をさらに備える。この場合、虚像の表示範囲を観察者にとって最適な状態となるように調整することが可能になる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、映像光の導光に寄与する複数面を有し、当該複数面のうち第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。映像素子からの映像光をこれらの面を構成する少なくとも第１面から第３面までの各面の形状を適宜設定することで、例えば十分な収差の補正が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、映像光と外界光とを重ねて視認させる。この場合、観察者はシースルーで外界光を観察することができる。この際、例えば導光部材を直方体状のプリズムとし、特に眼前部分を構成する面を平行な一対の平面で構成すれば、外界光のデフォーカスや歪みを全く生じさせないものとすることができる。

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１面、第３面が曲面であってもその形状を適宜設定することによって、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することができる。

本発明のさらに別の側面では、第２面に反射ミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、この反射ミラーによって外界光を遮断し、例えば第２面の外側に光透過部材を配置せず、映像光のみを観察者に提示する。この場合、外界光と映像光とが重なり合わないため、コントラストの良い映像光を提示することができる。また、外界光が遮断されるのは、観察者の片方の眼だけとできるので、もう一方の眼によって、常に外界を視認することができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、映像素子からの映像光の少なくとも一部を透過及び反射させるスプリッター部と、スプリッター部を経た映像光を集光するとともにスプリッター部へ折り返す集光ミラー部とを有し、スプリッター部及び集光ミラー部を経た映像光を観察者側に射出させる。この場合、導光部材の内部においてスプリッター部と集光ミラー部とを有する構成とすることによって、光路を所望の範囲に設定して装置全体を小型軽量に維持しつつ比較的簡易な構造にすることができる。また、例えば導光部材が少なくとも１面以上の補正レンズ面を有する構成であるものとすれば、表示装置が簡易な構造であっても、映像光の倍率色収差等を低減することが可能となり、高性能な画像を表示させることができる。

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。

第１実施形態に係る虚像表示装置の外観の様子を示す正面図である。虚像表示装置を構成する本体部分の平面視の断面図である。虚像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。（Ａ）は、基準面に対する映像表示素子の配置の一例を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の状態において表示される画像の様子の一例を示す図である。（Ａ）は、観察者の眼と装着時の虚像表示装置との位置関係を示す平面図であり、（Ｂ）は、観察者の眼の位置と視認される虚像の位置との関係を概念的に示す図であり、（Ｃ）は、横方向についての視線の角度について説明するための図である。（Ａ）は、観察者の正面視での視界と虚像の表示範囲との関係の一例を示す図であり、（Ｂ）は、眼を外側に動かしたときの視界と虚像の表示範囲との関係を示す図である。（Ａ）は、観察者の視界と虚像の表示範囲との関係の他の一例を示す図であり、（Ｂ）は、観察者の視界と虚像の表示範囲との関係のさらに他の一例を示す図である。姿勢調整部を有する一変形例の虚像表示装置を示す図である。実施例１の光学系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。第２実施形態に係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。虚像表示装置を装着した様子を概念的に示す正面図である。実施例３の光学系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。

以下、図１等を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置の第１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、画像光（映像光）を形成する画像表示装置８０と、画像表示装置８０から射出された映像光を導光して観察者の眼前に導く導光装置２０とを一組として備える。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において、画像表示装置８０と、導光装置２０とは、通常観察者の左右の眼のうちのいずれか一方に設けられるが、ここでは右眼用の場合を示し、左眼用の虚像表示装置については右眼用の虚像表示装置に関して左右逆転させるだけであるので図示及び説明を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば図１に示すように、一般の眼鏡のフレームに小型の装置を取り付けたような外観を有するものとなっている。このため、虚像表示装置１００は、画像表示装置８０及び導光装置２０のほか、観察者の眼前を透視可能に覆う導光装置２０を支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方に延びるつる部分（テンプル）１０４と、枠部１０２の左右両端からテンプル１０４にかけての部分に設けられ画像表示装置８０等を覆うカバー状の外装部材１０５ｄとを備える。なお、虚像表示装置１００は、撮像動作可能な小型のカメラＣＡを側方部分に有している。

以下、虚像表示装置１００の外観について説明する。図示のように、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、左右の横方向に延びる正面部１０７ａと、前後の奥行き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、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。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、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、導光装置２０を支持するだけでなく、導光装置２０の一部や画像表示装置８０を覆うカバー状の外装部材１０５ｄと協働して、導光装置２０や外装部材１０５ｄの内部に収納された画像表示装置８０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、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、ねじ止めによって固定される機構等のうち、例えば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。

以下、図２を参照して、画像表示装置８０と導光装置２０とに関する機能、動作等の詳細について説明する。なお、図２は、虚像表示装置１００における光学系全体の光軸ＡＸを含む基準面ＳＲについての断面を示すものとなっている。言い換えると、光軸ＡＸは、１つの平面である基準面ＳＲ内に含まれていることになる。光軸ＡＸは、画像表示装置８０の中心から発し、導光装置２０を通過して観察者の瞳ＥＹの中心を想定した基準位置ＳＰに至る基準の軸である。すなわち、光軸ＡＸは、光学系の光路上での各光軸に相当し、例えば、導光装置２０での光入射や光射出においては、後述する入射側光軸ＡＸＩや射出側光軸ＡＸＯに相当する。ここで、図示のように、虚像表示装置１００の左右の横方向をＸ方向とし、上下の縦方向をＹ方向とし、前後の方向をＺ方向とする。このうち、Ｙ方向については、装着時における観察者にとっての垂直方向に一致するように設計されている。すなわち、Ｙ方向については、観察者の眼ＥＹの並ぶ横方向に垂直な縦方向に対応している。これに対して、例えば映像光の射出方向に相当するＺ方向については、観察者の眼ＥＹにとっての正面視の方向として想定されるＺｋ方向とは平行にならず、Ｙ方向を軸として軸回転させ若干傾いた方向となって配置されている。これに伴いＸ方向に対応する方向も平行ではないものとなっている。なお、詳しくは後述するが、眼ＥＹの中心として想定される基準位置ＳＰから眼ＥＹにとっての正面視の方向（観察者の顔の正面方向）すなわち視線の方向として想定されるＺｋ方向に平行に延びる軸を視線基準軸ＬＸとする。

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、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線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。画像表示装置８０は、照明光ＳＬを空間的に変調した映像光ＧＬを導光装置２０の光入射面に向けて射出する。なお、画像表示装置８０における投射光軸（射出光軸）を導光装置２０に対する入射側光軸ＡＸＩとする。なお、画像表示装置８０は、導光装置２０における映像光ＧＬの射出位置よりも観察者の眼尻側に配置されている。

導光装置２０は、画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬを観察者の眼ＥＹにむけて射出するプリズム型の部材であり、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とを備える。導光装置２０の一部である導光部材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。導光部材１０は、画像表示装置８０から導光装置２０の内部に入射した映像光ＧＬの導光を行う部材であり、導光における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４面Ｓ１４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を中心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（図示の断面）に含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１を中心軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれるとともにＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ２，ＡＸ３の２等分線を中心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に含まれるとともに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〜ＡＸ４等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して面対称な形状を有している。

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、一体形成品とすることができる。導光部材１０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。

導光部材１０において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを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の斜め正面側の位置に対応して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。ここで、第１面Ｓ１１の光軸（中心軸）である射出側光軸ＡＸＯ（光軸ＡＸ）は、映像光ＧＬの中心軸となる射出軸でもある。すなわち、映像光ＧＬは、射出側光軸ＡＸＯを中心軸として導光部材１０の第１面Ｓ１１から観察者に向けて射出される。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の表面であるだけでなく、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を例えばＹ軸に沿った鉛直方向や、Ｘ軸に沿った横方向に関して狭めた部分領域上に形成されている（図示略）。ハーフミラー層１５は、本体１０ｓの下地面のうち部分領域上に、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。また、第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを導光部材１０内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第３面Ｓ１３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。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの斜め正面側の位置に対応して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。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４面Ｓ１４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４面Ｓ１４までにおける４回の反射によって導光している。また、第１面Ｓ１１から第４面Ｓ１４までの各面はいずれも自由曲面となっている。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。

光透過部材５０は、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、導光部材１０に設けた正の屈折力を有する第３面Ｓ１３に入射する。

導光部材１０の第３面Ｓ１３に入射してこれを通過した映像光ＧＬは、発散しつつ進み、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４で反射される。

第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３に再度入射する。ここで、第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬに対して比較的弱い正の屈折力を有するものとなっており、映像光ＧＬを全反射する。第３面Ｓ１３において全反射された映像光ＧＬは、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。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の瞳又はその等価位置に略平行光線束として入射する。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。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３に入射して第１面Ｓ１１から射出されるまでの間において、導光部材１０中で中間像を形成することなく導光される。

以上のようにして、第１面Ｓ１１から射出された映像光ＧＬが観察者の眼ＥＹに到達して、虚像が認識されるものとなるが、上記のような構成の光学系の場合、画像の中央として捉えられる位置は、観察者の眼ＥＹに対する各光線束の入射角度によって定まる。例えば、観察者は、自己の視線の中心方向すなわち観察者にとっての真正面の方向からの光線束の成分を正面にある画像と捉える。従って、上述のように、第１面Ｓ１１における光軸である射出側光軸ＡＸＯ（すなわち光軸ＡＸ）がＺ方向に平行であるのに対して、観察者の眼ＥＹの視線軸として想定される視線基準軸ＬＸを、若干傾けたＺｋ方向に延びるものとした場合、画像の中心が観察者にとっての中心からずれるものとなる。なお、この場合、横方向（Ｘ方向）についてずれが生じることになる。ここでは、図示のように、Ｚ方向に対応するＺｋ方向と同様に、観察者の眼ＥＹにとっての横方向を、Ｘ方向に対応するＸｋ方向とする。この場合、射出側光軸ＡＸＯ（光軸ＡＸ）がＺ方向に平行であっても、観察者の眼ＥＹから見た場合には、横方向の成分を生じるものとなる。特に、ここでは、視線基準軸ＬＸに対して射出側光軸ＡＸＯ（光軸ＡＸ）が眼ＥＹの外側（すなわち眼尻側）から眼ＥＹに向かって近づくように延びる構成としている。これにより、観察者は、視認するべき画像の中心位置が視線の中心よりも外側すなわち＋Ｘｋ側に相当する側にあるものとして認識することになる。

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、導光部材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、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、すなわち、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、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、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、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、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３は、導光部材１０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ４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、導光部材１０の内部を順次通り、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、導光部材１０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に向けての光線束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。

第３面Ｓ１３のローカル座標の原点は、この第３面Ｓ１３上であって、射出側光軸ＡＸＯから＋Ｘ方向に外れた位置にある。また、第３面Ｓ１３のローカル座標のｚ方向、すなわち第３面Ｓ１３の光軸は、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光線束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光線束中心の光軸ＡＸ３との２等分線となっている。

以上により、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光線束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光線束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ１１上の光線束中心（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に向けての光線束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光線束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ１３上の光線束中心（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、光線束中心の光軸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に向けての光線束中心の光軸ＡＸ３と、第４面Ｓ１４から光入射面としての第３面Ｓ１３に向けての光線束中心の光軸ＡＸ４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）｝ … （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。

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）｝ … （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。

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）｝ … （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、導光部材１０の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、
−１０^−１＜Ａ１_０，２＋Ａ１_２，０＜ −１０^−３及び
−１０^−１＜Ａ２_０，２＋Ａ２_２，０＜ −１０^−３及び
−１０^−１＜Ａ３_０，２＋Ａ３_２，０＜ −１０^−３ … （１）
１０^−３＜｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜＜１０^−１及び
１０^−３＜｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜＜１０^−１ … （２）
−１０^−１＜Ａ１_０，２＜Ａ１_２，０＜０及び
−１０^−１＜Ａ３_０，２＜Ａ３_２，０＜０ … （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。

また、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）｝ … （７）
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。

以下、上述した各部のうち映像素子である映像表示素子８２の構成の一例について図４等を参照して説明する。図４（Ａ）は、映像表示素子８２に関する構成の一例を概念的に示す図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の構成の映像表示素子８２によって視認される虚像の様子の一例を概念的に示す図である。なお、図４（Ａ）に示すように、映像表示素子８２は、正面視において矩形であり、ここでは、矩形の映像表示素子８２の外周のうち長手方向についての長さを長辺Ｈ１とし、短手方向についての長さを短辺Ｈ２とする。また、図４（Ａ）に示す短辺Ｈ２の延びるＸ１方向と、長辺Ｈ１の延びるＹ方向と、Ｘ１方向及びＹ１方向に垂直なＺ１方向とは、図２等を参照して分かるように、Ｘ方向（さらにはＸｋ方向）、Ｙ方向及びＺ方向（さらにはＺｋ方向）にそれぞれ対応する方向である。図示の例では、映像表示素子８２において、長辺Ｈ１が光学系の対称平面である基準面ＳＲに対して直交している。言い換えると、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに対して、映像表示素子８２の長辺Ｈ１がＹ方向に沿って延びるような縦長の配置となっている。この場合、図４（Ｂ）に示すように、視認される画像ＩＭも観察者の眼ＥＹの並ぶ方向に対して垂直な縦方向（Ｙ方向）の幅Ｄ１が横方向（Ｘｋ方向）の幅Ｄ２よりも長い縦長の形状に形成される。また、画像ＩＭに表示される情報については、種々の態様が考えられるが、例えば図示の場合のように、複数の表示部ＤＳ１〜ＤＳ３のようなアイコンＩＣ等を含む複数の部分画像等を表示することができる。より具体的には、例えば表示部ＤＳ１のように複数のアイコンＩＣを表示させ、それらを適宜不図示の操作部からの選択指示に従って動作させることによって、表示部ＤＳ２に示すような複数種類の文字情報表示ＬＤを箇条書きにして、縦方向に並べた表示を行うことができる。例えば図示の場合では、表示部ＤＳ２に作業手順に関する情報をステップＡ〜Ｃの３段階で表示させている。観察者は、必要に応じて適宜眼を動かして表示部ＤＳ２の内容を見ることで、３段階の作業を順次進めることができる。また、アイコンＩＣについては、表示部ＤＳ１のように並列的に並べる者の他にも、例えば表示部ＤＳ３に示すように、複数のアイコンＩＣを矢印ＡＲ１の方向にスクロール可能な状態で表示させ、適宜不図示の操作部からの指示に従って選択可能なものとすることもできる。画像ＩＭの表示領域が縦長であることで、例えば表示部ＤＳ２における箇条書きによる表示範囲を大きく取ることができ、十分な情報量を確保できる。

さらに、本実施形態では、既述のように、画像ＩＭが横方向（Ｘ方向）に関して、＋Ｘ側に偏っているように視認させるものとなっている。すなわち、画像ＩＭで示される虚像の表示範囲について、画像ＩＭの中心位置が観察者の眼ＥＹの真正面から外側に外れた状態となっており、観察者は、映像が自分にとっての真正面の方向に対して十分外側に偏った位置にあるものとして視認するようになっており、真正面の方向においては、シースルーによる外界光のみを視認するものとなっている。

図５は、視認される画像ＩＭの位置について説明するために、装着時における観察者の眼ＥＹの位置に対する虚像表示装置１００の配置位置や画像の位置の関係を模式的に示す図である。図５（Ａ）は、観察者の眼ＥＹと虚像表示装置１００との位置関係を示す平面図であり、ＸＺ面に関する位置関係を示す図である。図５（Ｂ）は、観察者の眼ＥＹの位置と視認される虚像の表示範囲の位置すなわち視認される画像ＩＭの位置との関係を概念的に示す図であり、ＸＹ面に関する位置関係を示す図である。また、図５（Ｃ）は、観察者の眼ＥＹの並びに対応する横方向（Ｘ方向）についての観察者の眼ＥＹの画像ＩＭに対する視線の角度について説明するための図である。

図５（Ａ）に示す例では、上述のように、虚像表示装置１００は、観察者の視線の正面方向に対応する軸である視線基準軸ＬＸに対して、映像光ＧＬの中心軸に相当する射出側光軸ＡＸＯの方向を傾けた設計としている。より具体的には、図示のように、視線基準軸ＬＸの延びる方向を方向Ｚｋとし、視線の方向を＋Ｚｋ方向とした場合に、＋Ｚｋ側に向かうにしたがって、＋Ｚ方向に延びる射出側光軸ＡＸＯが視線基準軸ＬＸから離れていくようにシフトさせた状態となっている。この場合、観察者は、虚像が全体として中心よりも外側（眼尻側）に外れた位置にある、と認識することになる。以上を言い換えると、虚像表示装置１００は、映像表示素子８２から導光装置２０からを経た映像光ＧＬを、視線基準軸ＬＸよりも観察者の眼尻側に外した状態にする角度及び位置から射出させ、視認される虚像の表示範囲を偏らせた状態で画像を認識させるものとなっている。

上記のように映像光ＧＬの射出軸に相当する射出側光軸ＡＸＯを、視線基準軸ＬＸよりも観察者の眼尻側に外した状態にする角度及び位置から映像光を射出するように傾けた構成にした結果として、図５（Ｂ）に示すように、ＸＹ面或いはこれに対応する観察者の正面（ＸｋＹ面）について見た場合に、正面視における眼ＥＹの中心位置ＣＴ（図２の基準位置ＳＰに相当）に対して、射出側光軸ＡＸＯの軸上の画像ＩＭの中心位置ＣＥが眼尻側（＋Ｘｋ側）にシフトした状態となる。すなわち、観察者は、虚像が全体として中心よりも外側（眼尻側）に外れた位置にあると認識することになる。さらに言い換えると、虚像表示装置１００は、映像表示素子８２から導光装置２０を経た映像光ＧＬによって視認される虚像の表示範囲を外側に偏らせた状態で認識させる。なお、図示の例の場合、画像ＩＭで示される虚像の表示範囲を−Ｙ側にも若干シフトさせたものとなっている（Ｙ方向について眼ＥＹの中心位置ＣＴが基準面ＳＲの位置より高くなるように射出側光軸ＡＸＯが傾いている）が、これは、観察者が目を閉じている際のリラックス状態にある視線角度に対応させて表示範囲をシフトさせたものであり、適宜変更可能である。

また、以上について、図５（Ｃ）を参照して横方向（水平方向）すなわちＸ方向（Ｘｋ方向）に関する視線の角度方向について見ると、映像光ＧＬの射出軸である射出側光軸ＡＸＯ（光軸ＡＸ）が視線基準軸ＬＸに対してなす角が、角度θとなっている。この角度θを偏角θとも呼ぶものとする。偏角θは、観察者にとっての画像ＩＭの横方向（水平方向）に関する偏り具合を示す値である。ここでは、この偏角θが例えば５°以上３０°以下となるような角度及び位置から映像光ＧＬが射出されているものとする。この範囲に偏角θを設定した場合、映像が適度に視界の中心よりも外側に外された状態となり、観察者は外界を観察する最中において映像による視界の遮蔽が抑制されつつ、視線を外側に向ければ即座に映像による情報提供を受けることができるものとなる。また、より適切に映像の範囲を調整すべく、より限られた範囲として、偏角θを例えば６°以上１５°以下となるような角度及び位置から映像光ＧＬが射出されているものとしてもよい。さらに、虚像表示装置１００は、虚像の表示範囲を示す画像ＩＭで示される虚像の表示範囲のうち観察者の眼尻側の境界ＯＥに対応する映像光ＧＬの光線束成分について視線基準軸ＬＸに対する横方向に関しての射出角度は、画像ＩＭを視認するに際して最大の角度（画像最大角度）となる。この角度を画像最大角度αとする。例えば、画像最大角度αを１６°以上２４°以下とするように映像光ＧＬが射出されているものとすることができる。この範囲に角度αを設定した場合、視界を遮蔽することを抑制しつつ提供される映像による情報を見る場合には隅々まで捉えやすい状態に維持できる。なお、観察者の眼頭側の境界ＩＥに対する横方向の角度を、画像最小角度βとする。

以下、図６等を参照して、観察者の視界と虚像の表示範囲との関係について例を挙げて説明する。図６（Ａ）は、観察者の正面視での視界の範囲ＶＷｆと虚像の表示範囲を示す画像ＩＭとの関係の一例を示す図である。また、図６（Ｂ）は、観察者が眼を外側（＋Ｘｋ側）に動かしたときの視界の範囲ＶＷｓと画像ＩＭとの関係について説明するための図である。すなわち、図６（Ａ）は、観察者が正面視の状態にあるすなわち想定される基準の標準的な視線の方向である視線基準軸ＬＸ（図５等参照）に視線が一致している場合の標準的な視界の範囲を破線で示す範囲ＶＷｆとして概念的に示しており、図６（Ｂ）は、観察者が眼を動かして視線基準軸ＬＸから外側に外した状態となった場合の視界の範囲を一点鎖線で示す範囲ＶＷｓとして概念的に示している。なお、図６（Ｂ）において、範囲ＶＷｓは、観察者が眼尻側（外側）に最大限まで眼を動かした場合の標準的な視界を示しているものとする。また、範囲ＶＷｆのうち眼尻側の境界を右側視外縁ＯＷｆとし、範囲ＶＷｆのうち眼頭側の境界を右側視内縁ＩＷｆとする。また、範囲ＶＷｓのうち眼尻側の境界を右側視外縁ＯＷｓとし、範囲ＶＷｓのうち眼頭側の境界を右側視内縁ＩＷｓとする。

図５等を参照して記述したように、観察者の正面視における画像ＩＭの位置は、眼尻側すなわち外側にややシフトしている。このシフト量は、既述のように、射出軸である射出側光軸ＡＸＯの視線基準軸ＬＸに対する傾きを定めることで定まるが、どの程度シフトさせるかについては、種々の場合が考えられる。図６（Ａ）に示す例では、正面視での標準的な視界の範囲ＶＷｆにおいて、画像ＩＭのうち梨地パターン（低密度の点描）で示す一部分の領域ＩＭａが含まれるものとなっている。すなわち、画像ＩＭの眼尻側の境界ＯＥが右側視外縁ＯＷｆよりも外側にあり、視界の範囲外となっている。さらに、この例では、図６（Ｂ）に示すように、視界の範囲を外側に移した範囲ＶＷｓにおいては、画像ＩＭの全体が視界に入る（梨地パターンで示す領域ＩＭａが画像ＩＭの全体に一致する）ものとなっている。以上について言い換えると、図６（Ａ）の状態では、画像ＩＭのうち眼頭側の境界ＩＥを含む内側の一部のみがわずかに視界に入るものとなっており、観察者が眼を外側に向けると、画像ＩＭの全体すなわち眼頭側の境界ＩＥから眼尻側の境界ＯＥまでの全ての範囲を視認することができるものとなっている。これにより、眼前の正面において映像表示が無い状態に維持され、例えば何らかの作業をする、或いは単に外界を眺めるといった外界光を観察する際には、映像光の影響を抑制でき、かつ、必要に応じて映像からの情報を得ることができるものとなっている。

また、図６を参照して説明した態様以外の態様についても考えられる。図７（Ａ）は、観察者の視界と虚像の表示範囲との関係の他の一例を示す図である。すなわち、図７（Ａ）に示すように、正面視での視界の範囲ＶＷｆにおいて、画像ＩＭのうち梨地パターンで示す領域ＩＭａが画像ＩＭの全体に一致するものとなっていてもよい。ただし、視界の範囲ＶＷｆの中央側に画像ＩＭが形成されることは無いように表示範囲が調整されているものとする。言い換えると、図７（Ａ）のような場合であっても、例えば眼頭側の境界ＩＥに関する角度である画像最小角度β（図５（Ｃ）又は図６（Ｂ）参照）をある程度以上に確保することで、外界光を観察する際における映像光の影響を抑制できる。また、図７（Ａ）の場合とは逆に、図７（Ｂ）に示すように、正面視での視界の範囲ＶＷｆにおいて、画像ＩＭが視界の外にあり視認されず、眼を外側に向けた場合にのみ画像ＩＭが視認されるものとしてもよい。

図５や図６、図７に示すように、視線の横の動きに対応して画像ＩＭの範囲を眼尻側（外側）に偏らせた配置とし、さらに、画像ＩＭを縦長とするすなわち相対的に横方向について短いものとすることによって、正面視において画像ＩＭが視界に入りにくいものとしつつ表示範囲を大きく確保することを可能にしている。

以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００では、第１面Ｓ１１における光軸であり、射出される映像光ＧＬの射出側の光路を規定する中心軸となる射出軸に一致する射出側光軸ＡＸＯに対して、観察者の眼ＥＹの視線軸として想定される視線基準軸ＬＸを、若干傾けた方向に延びるものとし、特に、視線基準軸ＬＸに対して射出側光軸ＡＸＯが眼ＥＹの外側（すなわち眼尻側）から眼ＥＹに向かって近づくような構成としている。これにより、観察者は、視認するべき画像の中心位置が視線の中心よりも十分外側に相当する側にあるものとして認識することになる。これにより、例えばいわゆるながら見の用途に使用するといった小型軽量の要請がある場合に、映像による外界の観察の遮蔽を抑制しつつ情報を提供することが可能となる。さらに、上記虚像表示装置によって表示される画像は、眼の並びに対応する横方向よりもこれに垂直な縦方向に長いもの（縦長の画像）となっている。これにより、小型軽量等の要請がある場合でも、表示画面を比較的大きいものに維持し、表示する情報量を十分なものとしやすいものとすることができる。

また、一般に、装置の小型軽量等の要請が厳しくなると、映像表示素子のサイズにも制限が掛かり、表示画面の大きさすなわち画像の大きさも制限されることになる。これに伴って、表示画面に表示できる情報量も制限されることになる。特に、上記のように基準面ＳＲに平行な方向に沿って映像光ＧＬの導光を行う場合、横方向（Ｘ方向）についての制限が強くなり、横方向について表示範囲を大きくするには、例えば導光部材１０に厚みが必要となる。これに対して、本実施形態では、上記のように映像表示素子８２の長辺Ｈ１を基準面ＳＲに直交させている。言い換えると、基準面ＳＲに沿った方向に関して映像表示素子８２の幅を短くする配置となっていることで、小型化の要請に応じて導光部材１０を薄いものに維持しつつ、表示画面の大きさを確保して多くの情報を表示可能なものとすることができる。また、図４（Ｂ）に示すように、縦長の画像ＩＭを視認させた場合、より多くの文字情報等を表示させやすくなり、虚像表示装置１００を情報表示端末として機能させるのに有効となる。

また、本実施形態では、既述のように、導光部材１０が３面以上の非軸対称な曲面を含む４面以上の曲面（図１の場合、第１面Ｓ１１〜第４面Ｓ１４の４面が非軸対称な曲面である。）を有している。これにより、十分な収差の補正が可能になり、広画角で高性能な映像の表示ができる。また、導光部材１０の内部において、計４回の映像光ＧＬの反射がなされている。より具体的には、図１等に示す一例の場合、第１回目の反射として第４面Ｓ１４で反射がなされ、第２回目の反射として第３面Ｓ１３で全反射され、第３回目の反射として第１面Ｓ１１で全反射され、第４回目の反射として第２面Ｓ１２で反射された後、第１面を透過して、観察者の眼に到達する。これにより、小さな光学系であっても十分な光路長が確保できるので、装置全体を小型で軽量なものとすることができる。

図８は、図５（Ａ）に対応する図であり、姿勢調整部ＰＡを有する虚像表示装置１００の別の一変形例を示す図である。図示のように、本変形例における姿勢調整部ＰＡは、導光装置２０を含む虚像表示装置１００の光学系全体をＹ軸回転させる回転機構ＲＡを、映像光ＧＬの光路に影響のない位置に有しており、不図示の駆動機構によって、導光装置２０を含む虚像表示装置１００の光学系全体をＹ軸の周りに回転移動可能としている。この回転移動による調整によって、映像光ＧＬの射出位置を視線基準軸ＬＸに対して外側（すなわち眼尻側）、或いは内側すなわち目頭側に移動させ、横方向（水平方向）についての視野の状態を適宜変更或いは調整することができる。

〔実施例〕
以下、本実施形態に係る虚像表示装置に組み込まれる導光部材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。
ＥＰ：瞳
ＦＦＳｋ：自由曲面（導光部材のｋ＝面番号）
ＳＰＨ：球面又は平面（保護ガラス表面）
ＩＭＡＧＥ：像面（映像素子の表面）
θ ：各曲面の局所座標のｚ軸と全体のＺ軸との角度
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

（実施例１）
実施例１の導光部材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。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜４）は、自由曲面である第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち第ｋ面を意味する。つまり、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を意味し、ＦＦＳ４は、第４面Ｓ１４を意味する。また、記号ＥＰは、瞳の位置すなわち眼ＥＹの位置を意味する。なお、ここでは、導光部材を構成する各自由曲面に関して、瞳の位置を示す記号ＥＰを基準位置すなわち全体に対する絶対的な原点として、全体の軸であるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸についての座標（ＸＹＺ座標）によって各曲面のローカル座標の原点との相対的な位置関係を示し、また、各曲面の局所座標のｚ軸（ローカルｚ軸）と全体のＺ軸との角度を示す角度θによって各面の向きを表している。
〔表１〕
No Type X Y Z θ Nd Vd
1 EP 0.000 0.000 0.000 0.00
2 FFS1 0.000 0.000 20.000 0.00 1.525 55.95
3 FFS2 0.000 0.000 23.800 26.50 1.525 55.95
4 FFS1 0.000 0.000 20.000 0.00 1.525 55.95
5 FFS3 16.442 0.000 24.312 -15.92 1.525 55.95
6 FFS4 19.776 0.000 19.566 10.08 1.525 55.95
7 FFS3 16.442 0.000 24.312 -15.92
8 SPH 20.871 0.000 23.745 -13.59 1.458 67.82
9 IMAGE 21.153 0.000 24.911 -13.59

実施例１を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎを以下の表２に示す。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。なお、表２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＝１〜４）は、上述のように、自由曲面である第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち第ｋ面を意味する。なお、各面のローカル座標については、図３に示すものに相当するため図示等を省略する。
〔表２〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -1.216E-02 -1.545E-02 -8.157E-03 -8.776E-03
0 2 -2.154E-02 -1.801E-02 -2.031E-02 -2.269E-02
3 0 5.860E-05 1.865E-04 3.684E-04 2.144E-03
1 2 -1.138E-04 -4.989E-05 -1.502E-04 4.815E-04
4 0 1.835E-05 -1.739E-05 4.592E-05 2.578E-04
2 2 -2.448E-05 -1.058E-05 -1.311E-06 9.037E-05
0 4 2.726E-05 1.822E-06 7.530E-06 1.009E-05
5 0 -1.485E-06 6.911E-07 3.290E-06 -5.592E-06
3 2 -8.809E-07 2.346E-07 4.284E-07 6.611E-06
1 4 -1.337E-06 -1.083E-06 -1.572E-06 -5.948E-06
6 0 3.496E-08 -9.389E-09 1.516E-07 -1.078E-06
4 2 3.461E-08 -7.235E-09 6.041E-08 -1.328E-06
2 4 -1.831E-07 3.073E-08 -2.111E-07 -2.688E-07
0 6 3.788E-09 -7.204E-09 8.181E-08 2.214E-07
以上の表２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「−１．２１６Ｅ−０２」とは、−１．２１６×１０^−０２を意味する。

図９は、実施例１の虚像表示装置の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上のものだけ示している。虚像表示装置１００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、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。ここで、第３面Ｓ１３は、反射面及び屈折面として機能している。具体的には、第３面Ｓ１３は、第２面Ｓ１２から逆行する光束（実際には第４面Ｓ１４からの光）に対して全反射面となっており、第４面Ｓ１４から逆行する光束（実際には映像表示素子８２からの光）に対して透過面となっている。つまり、第３面Ｓ１３は、光路の折り曲げの機能と、光束の入射に関する機能を兼ね備えている。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１３．６°で、垂直画角が２４．０°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．１８×９．２２ｍｍで、瞳径が５．０ｍｍで、焦点距離が約２１．７ｍｍである。

（実施例２）
実施例２の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表３に示す。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜４）は、自由曲面である第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち第ｋ面を意味する。なお、図８及び図９に示すように、本実施例では、導光部材１０は、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４とを有している。
〔表３〕
No Type X Y Z θ Nd Vd
1 EP 0.000 0.000 0.000 0.00
2 FFS1 0.000 0.000 20.000 0.00 1.525 55.95
3 FFS2 0.000 0.000 24.000 27.00 1.525 55.95
4 FFS1 0.000 0.000 20.000 0.00 1.525 55.95
5 FFS3 14.956 0.000 25.981 -9.06 1.525 55.95
6 FFS4 18.727 0.000 21.314 38.94
8 SPH 22.113 0.000 17.124 38.94 1.458 67.82
9 IMAGE 22.868 0.000 16.190 38.94

実施例２を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋ_ｍ，ｎを以下の表４に示す。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４〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -3.057E-03 -9.474E-03 -5.294E-04 1.843E-02
0 2 -1.770E-02 -1.656E-02 -6.498E-03 2.818E-03
3 0 2.370E-04 -1.432E-04 -2.323E-04 -8.800E-04
1 2 4.563E-04 1.161E-04 -4.696E-04 -2.425E-03
4 0 -2.057E-05 -1.270E-05 -5.775E-05 -1.116E-03
2 2 -9.470E-05 -3.952E-05 -9.681E-05 -8.609E-04
0 4 -2.572E-05 -5.679E-06 6.216E-06 -1.487E-04
5 0 -4.353E-08 1.958E-06 -2.816E-06 -1.547E-04
3 2 3.821E-06 2.876E-06 -1.579E-06 -1.017E-04
1 4 5.545E-06 1.441E-06 1.347E-05 8.724E-05
6 0 -1.895E-09 -1.204E-07 8.805E-08 8.196E-06
4 2 -1.606E-07 -1.665E-07 -4.215E-07 -3.025E-05
2 4 1.970E-07 -7.036E-08 1.340E-06 7.829E-06
0 6 -1.041E-07 -6.517E-09 3.912E-08 2.776E-06

図１０は、実施例２の虚像表示装置の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上のものだけ示している。また、図１１は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００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、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。なお、図示のように、第４面Ｓ１４は、光入射面である。一方、第３面Ｓ１３は、反射面の機能のみを担っている。つまり、実施例１の第３面Ｓ１３において兼ねられていた機能が、実施例２では、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４とに分担されていることになる。また、この場合、映像光ＧＬの導光部材１０での反射回数は、３回となっており、実施例１の場合よりも１回少ないものとなっている。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１３．６°で、垂直画角が２４．０°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．１８×９．２２ｍｍで、瞳径が５．０ｍｍで、焦点距離が約２１．７ｍｍである。

〔第２実施形態〕
以下、図１２等を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

図１２に示す本実施形態の虚像表示装置２００は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用されるものであり、画像表示装置８０と、導光装置２２０とを一組として備える。

虚像表示装置２００は、観察者に画像光によって虚像を形成させることで画像を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像表示装置８０と、導光装置２２０とは、通常観察者の左右の眼のうちのいずれか一方に設けられるが、ここでは右眼用の場合を示し、左眼用の虚像表示装置については右眼用の虚像表示装置に関して左右逆転させるだけであるので図示及び説明を省略している。なお、虚像表示装置２００は、全体としては、例えば図１３に示すように、一般の眼鏡のフレームに小型の装置を取り付けたような外観を有するものとなっている。

以下、図１２を参照して、導光装置２２０に関する機能、動作等の詳細について説明する。なお、画像表示装置８０については、図１等に示す第１実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。なお、図１２は、虚像表示装置２００における光学系の光軸ＡＸを含む基準面ＳＲについての断面を示すものとなっている。

導光装置２２０は、画像表示装置８０から射出された映像光を観察者の眼ＥＹにむけて射出するプリズム型の部材であり、第１の導光部材である第１プリズム２１０と、第２の導光部材である第２プリズム２３０とを備える。

なお、第１プリズム２１０及び第２プリズム２３０において、各プリズム２１０，２３０の本体２１０ｓ，２３０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料でそれぞれ形成されており、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２１０ｓ，２３０ｓ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。

第１プリズム２１０は、一部に曲面を有する直方体状のプリズム型の部材であり、導光装置２２０を構成する導光部材のうち、相対的に鼻に近い中央側に配置される第１の導光部材である。第１プリズム２１０は、第１ブロック部分２１０ａと、第２ブロック部分２１０ｂと、ハーフミラー層２１５とを有し、これらが一体的に接合されることで、１つの直方体状をなすものとなっている。

第１プリズム２１０を構成する各部について、より具体的に説明すると、まず、第１ブロック部分２１０ａは、一部に曲面を有する柱状の部材であり、第１プリズム２１０の先端側の部分を構成し、装着時においては、相対的に鼻に近い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Ｓ２１１と、第２面Ｓ２１２と、第３面Ｓ２１３とを有している。また、第１ブロック部分２１０ａは、映像光の導光には寄与しない側面として、平面である側面４１を有している。次に、第２ブロック部分２１０ｂは、一部に曲面を有する柱状の部材であり、第１プリズム２１０の根本側すなわち第２プリズム２３０に近い側の部分を構成し、装着時においては、相対的に鼻から遠い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Ｓ２１４と、第５面Ｓ２１５とを有している。また、第２ブロック部分２１０ｂは、映像光の導光には寄与しない側面として、平面である側面４２，４３を有している。最後に、ハーフミラー層２１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）であり、装着時において観察者の眼ＥＹに対して眼前となる位置に配置され、映像光や外界光の一部を透過し一部を反射するスプリッターである。第１ブロック部分２１０ａ及び第２ブロック部分２１０ｂの各面のうち、第２面Ｓ２１２と第４面Ｓ２１４とは、互いに対向して配置されて貼り合わされる面であり、これらの面において、第１ブロック部分２１０ａと第２ブロック部分２１０ｂとは、協働して、ハーフミラー層２１５を挟持している。挟持されたハーフミラー層２１５を有する接合部分は、第１プリズム２１０の内部を通過する映像光や外界光の一部を透過させる又は反射するスプリッター部ＳＳとして機能する。なお、ハーフミラー層２１５の映像光に対する反射率及び透過率については、適宜設定可能であるが、例えば反射率を５０％、透過率を５０％としてもよい。すなわち、一回の通過に際して、映像光のうち半分の成分を透過させ、残りの半分を反射するものとしてもよい。

第１プリズム２１０において、第１ブロック部分２１０ａの各面のうち、第１面Ｓ２１１は、装着時において眼ＥＹの直前の位置に配置される平面であり、観察者の眼ＥＹに向けて映像光を射出させる光射出面である。第２面Ｓ２１２は、第１面Ｓ２１１に対して４５°の角度をなす平面である。第３面Ｓ２１３は、軸対称な曲面形状を有しており、レンズ機能を有するものとなっている。例えば第１プリズム２１０において、第３面Ｓ２１３に相当する部分の表面にアルミ蒸着等によって形成されるミラー膜が施されることで、集光ミラー部ＣＭが形成されている。第３面Ｓ２１３は、この集光ミラー部ＣＭによって映像光を反射する光反射面として機能する。

第１プリズム２１０において、第２ブロック部分２１０ｂの各面のうち、第４面Ｓ２１４は、第２面Ｓ２１２に対応した平坦な斜面となっており、上述のように、第２面Ｓ２１２と協働してハーフミラー層２１５を挟持する面である。第５面Ｓ２１５は、第２プリズム２３０からの映像光を入射させる光入射面である。ここで、第５面Ｓ２１５は、軸対称な球面又は非球面であり（図１に示す例では球面）、映像光を補正するレンズとしての機能を持つ補正レンズ面ＡＳとして機能しており、各種収差のうち、特に、倍率色収差の補正をしている。

なお、第１プリズム２１０は、既述のように、上述した各面のほか、光学的な機能を有しない他の面として、側面４１や側面４２，４３等を有している。例えば側面４１は、第１ブロック部分２１０ａの第２面Ｓ２１２と第３面Ｓ２１３とをつなぐ平面であり、側面４２，４３は、第２ブロック部分２１０ｂの第４面Ｓ２１４と第５面Ｓ２１５とをつなぐ平面である。側面４１は、第１面Ｓ２１１に対して平行な平面であり、側面４２及び側面４３は、第１面Ｓ２１１及び側面４１をそれぞれ延長した平面である。このように各面が繋がっていることで、第１プリズム２１０の外観が直方体状となっている。

以上のように、第１プリズム２１０は、スプリッター部ＳＳや集光ミラー部ＣＭ等を含んだ各部を一体的に接合し、また、各面によって外形形状を画定されて１つの光透過性のプリズム型の部材となっている。なお、上記の場合、装着時において、スプリッター部ＳＳが眼前部分に配置されるものとなっているのに対して、集光ミラー部ＣＭは、相対的に観察者の鼻（図示省略）側に配置されるものとなっている。言い換えると、集光ミラー部ＣＭは、映像表示素子８２との間にスプリッター部ＳＳを挟むように配置されている。

第２プリズム２３０は、三角柱状のプリズム型の部材であり、導光装置２２０を構成する導光部材のうち、相対的に鼻から遠い周辺側であって、映像表示素子（映像素子）８２と第１プリズム２１０（第１の導光部材）との間に配置される第２の導光部材である。第２プリズム２３０は、映像表示素子８２からの映像光を入射させるとともに、映像光を内部で導光し、第１プリズム２１０に向けて射出する。つまり、第２プリズム２３０は、映像光の導光に際して映像表示素子８２から第１プリズム２１０までをつなげる光路を形成する中間導光部材である。なお、第２プリズム２３０は、光射出面である第１面Ｓ２３１と、映像光を内部で反射させる反射面である第２面Ｓ２３２と、光入射面である第３面Ｓ２３３とを有している。第２プリズム２３０において、第１〜第３面Ｓ２３１〜Ｓ２３３は、いずれも平面であり、レンズとしての機能を有しない面となっている。第１面Ｓ２３１は、ＸＹ面に平行な面であり、第３面Ｓ２３３は、ＹＺ面に平行な面である。つまり、第１面Ｓ２３１と第３面Ｓ２３３とは、直交する面となっている。また、第２面Ｓ２３２は、Ｙ方向に平行で第１面Ｓ２３１と第３面Ｓ２３３との双方に対して４５°傾斜した面となっている。なお、第２面Ｓ２３２に相当する部分の表面にアルミ蒸着等によって形成されるミラー膜が施されることで、第２面Ｓ２３２は、映像光を反射する光反射面として機能する。

以下、映像光ＧＬの光路について、光路の順に沿って説明する。まず、上述したように、相対的に観察者の耳（図示省略）側に配置される画像表示装置８０によって照明光ＳＬから形成され射出された映像光ＧＬは、光軸ＡＸに沿って第２プリズム２３０の第３面Ｓ２３３から入射し、第３面Ｓ２３３に対して４５°傾いた第２面Ｓ２３２で反射されて折り曲げられ、第１面Ｓ２３１から第１プリズム２１０に向けて射出される。第２プリズム２３０の第１面Ｓ２３１から射出された映像光ＧＬは、第１プリズム２１０の第２ブロック部分２１０ｂの各面のうち、光入射面であり補正レンズ面ＡＳである第５面Ｓ２１５から入射し、第２ブロック部分２１０ｂの内部を導波して、第４面Ｓ２１４からスプリッター部ＳＳを構成するハーフミラー層２１５に入射する。映像光ＧＬの成分の一部は、ハーフミラー層２１５を通過し、第２面Ｓ２１２から第１ブロック部分２１０ａに入射する。第１ブロック部分２１０ａに入射した映像光ＧＬは、第１ブロック部分２１０ａの内部を導波して、第３面Ｓ２１３で反射され、再び第２面Ｓ２１２に向かう。第２面Ｓ２１２から射出された映像光ＧＬの成分の一部は、ハーフミラー層２１５で反射されて折り曲げられ、再び第２面Ｓ２１２から第１ブロック部分２１０ａに入射し、第１ブロック部分２１０ａの第１面Ｓ２１１に向かい、第１面Ｓ２１１から観察者の眼ＥＹに向けて射出される。第１面Ｓ２１１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線束として入射する。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。

以上に説明した光軸ＡＸに沿った光路について、光路上の各面は、光軸ＡＸに対して光軸対称な面となっている。より具体的には、映像光ＧＬが光軸ＡＸに沿った光路上において透過又は反射する各面のうち、屈折力のある曲面である補正レンズ面ＡＳ及び第３面Ｓ２１３（集光ミラー部ＣＭの光反射面）は、光軸ＡＸについてそれぞれ光軸対称な面である。この場合、映像光ＧＬの導光において、画像の非点収差等の発生を低減することができ、延いては、高画質な画像の表示が可能となる。

また、第１プリズム２１０は、映像光ＧＬの導波に際して、光入射面である第５面Ｓ２１５からスプリッター部ＳＳを経て集光ミラー部ＣＭに到達させるまでの光路において、第１プリズム２１０の内部で映像光ＧＬを反射させることなく直接的に導いている。さらに、第１プリズム２１０は、集光ミラー部ＣＭで反射させて、さらにスプリッター部ＳＳで反射させて光射出面である第１面Ｓ２１１から観察者の眼ＥＹに向けて射出させており、この間においても、集光ミラー部ＣＭでの反射を除き、映像光ＧＬを反射させることなく直接的に導いている。このような光路を辿る簡易な構造のものとすることにより、内部反射に伴って収差等が発生することを低減できる。また、この際に、第１プリズム２１０を小型化し、延いては虚像表示装置２００全体を小型化することも可能となる。この場合、例えば図１３に示すような装着中において観察者に掛かる重量等の負担を軽減することができる。

しかしながら、上記のような簡易な構造においても、例えば倍率色収差といった収差が少なからず生じる場合がある。特に、上記の光学系のように複雑な曲面を有しない簡易な構造のプリズムによって導光を行う構成とした場合、レンズ機能を有するすなわちパワーのある面が限られることで、倍率色収差等の低減を十分に行うことができない可能性がある。これに対して、本実施形態では、第５面Ｓ２１５に曲率を持たせ、補正レンズ面ＡＳとして機能させることで、係る問題を解消している。特に、本実施形態では、主要な導光部材であり補正レンズ面ＡＳを有する第１プリズム２１０と映像光ＧＬを形成して射出する画像表示装置８０との間に従たる導光部材である中間導光部材に相当する第２プリズム２３０を有している。これにより、画像表示装置８０から補正レンズ面ＡＳまでの光路上の距離をある程度以上に確保することで、補正レンズ面ＡＳによる収差補正用のレンズとしての機能を十分に持たせることができるものとなっている。

なお、上記において、第３面Ｓ２１３が屈折力を有する曲面であることにより、映像光ＧＬによる画像は、映像表示素子８２から射出された状態に比べて拡大された画像として視認されるものとなる。

また、導光装置２２０のうち、第１の導光部材である第１プリズム２１０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。具体的には、上述のように、第１ブロック部分２１０ａと第２ブロック部分２１０ｂとによって、第１プリズム２１０は、直方体状となっており、特に眼前部分を構成する面は平行な一対の平面となっている。これにより、観察者の眼ＥＹから第１プリズム２１０越しに外界光ＨＬを見たときに（例えば第１面Ｓ２１１と側面４２とを通過させて外界光ＨＬを見たときに）、視度が０になっている。

なお、装着時の状態としては、図１３に一例を概念的に示すように、導光装置２２０のうち、第１プリズム２１０の一部と第２プリズム２３０の全体とが第１保護部材ＣＶ１に覆われ、画像表示装置８０の各部が第１保護部材ＣＶ１に連接される第２保護部材ＣＶ２に覆われ、第２保護部材ＣＶ２がフレーム部ＦＲによって支持されているといった態様となっている。なお、装着におけるフレーム部ＦＲ等の支持、固定については、例えば図示のように、虚像表示装置２００において、フレーム部ＦＲに対して垂直下方に延びる鼻受部ＮＰを設けた構造とすることで、観察者の鼻ＮＳで装置を支持するものとしてもよい。さらに、図示を省略するが、付勢力を付けるためのバネ構造や人体の一部に引っかけるためのフック構造等をフレーム部ＦＲに設けることによって、装着者の額や耳等に取付け固定されるものとしてもよい。なお、図示のように、観察者の眼ＥＹや鼻ＮＳの位置から分かるように、虚像表示装置２００の配置を眼の中心よりもやや下方側となるようにするものとしてもよい。この場合、観察者が目を閉じている際のリラックス状態にある視線角度にすることで、映像に対して観察者の目線の方向（視線）が観察者にとって自然に下方側となった状態で観察するように調整することができる。

本実施形態の虚像表示装置２００においても、いわゆるながら見の用途に使用する場合に、映像による遮蔽を抑制しつつ情報を提供することが可能となり、かつ、眼の並びに垂直な縦方向に長い画像とすることにより、小型軽量等の要請がある場合でも、表示画面を比較的大きいものに維持し、表示する情報量を十分なものとしやすいものとすることができる。

なお、図１３に示す場合、導光装置２２０のうち、眼前部分に配置される第１プリズム２１０は、装着時に観察者の眼ＥＹの前すなわち眼前部分のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させるものとなっている。この場合、仮に第１プリズム２１０をシースルーとしない構成としても、観察者は、導光部材の周囲から外界を観察できるものとなる。また、説明及び図示を省略するが、第１実施形態において、一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させるものとしてもよい。

なお、映像光を補正するレンズとしての機能を持つ補正レンズ面ＡＳを球面としてもよいが、補正レンズ面ＡＳを非球面とした場合、さらに収差の補正を向上させることが可能になる。また、ハーフミラー層２１５に代えて偏光分離素子を適用する構成にすることも可能である。

〔実施例〕
以下、本実施形態に係る虚像表示装置に組み込まれる導光部材である第１プリズム及び第２プリズムを含んだ導光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：球面
ＡＳＰ：非球面（軸対称非球面）
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）

（実施例３）
実施例３の投射透視装置のうち導光装置を構成する光学面のデータを以下の表５に示す。なお、表中の２つのＳＰＨは、第１プリズム２１０の反射面である第３面Ｓ２１３と、補正レンズ面ＡＳである第５面Ｓ２１５（図１４参照）をそれぞれ意味する。
〔表５〕
No Type R T Nd Vd
1 瞳 ∞ 20.00
2 平面 ∞ 5.00 1.525 55.95
3 平面 ∞ -8.00 1.525 55.95
4 SPH 57.775 16.60 1.525 55.95
5 ASP 13.661 2.00
6 平面 ∞ 5.00 1.517 64.17
7 平面 ∞ -5.00 1.517 64.17
8 平面 ∞ -2.00
9 平面 ∞ -1.60 1.458 67.82
10 像面 ∞

実施例３を構成する導光装置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を以下の表６に示す。
〔表６〕
No Type TLY（面前） TLY（面後）
2 平面 0.0 0.0
3 平面 45.0 45.0
4 SPH 0.0 0.0
5 ASP 0.0 0.0
6 平面 0.0 0.0
7 平面 45.0 45.0
8 平面 0.0 0.0
9 平面 0.0 0.0

実施例２の光学面のうち非球面の係数を以下の表７に示す。
〔表７〕
ASP
K -1
B4 7.312E-07
B6 5.126E-08
B8 -8.765E-10
以上の表７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「７．３１２Ｅ−０７」とは、７．３１２×１０^−０７を意味する。また、記号Ｋ、Ｂｉは、非球面である補正レンズ面ＡＳ（第５面Ｓ１５）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１４は、実施例３の虚像表示装置２００の断面図である。虚像表示装置２００の導光装置２２０において、第１プリズム２１０の補正レンズ面ＡＳ（第５面Ｓ２１５）は、非球面（軸対称非球面）となっている。補正レンズ面ＡＳを非球面とすることで、より収差が低減される。また、導光装置２２０の他の面については、第３面Ｓ２１３を除き、平面である。また、第２プリズム２３０の各面も平面である。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１０°で、垂直画角が６°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．６ｍｍで、瞳径がΦ５ｍｍで、焦点距離が約２７．５ｍｍである。

〔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、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１５に示すように、虚像表示装置１００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。

図示の虚像表示装置１００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、導光装置２０の光入射面としての第３面Ｓ１３に向けて射出する。導光装置２０は、第３面Ｓ１３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。

上記の説明では、画像を片眼視する構成にしているが、左右一対の表示装置を備える構成とすることもできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ導光装置２０及び画像表示装置８０を設けてもよい。この際、右眼側と左眼側とで異なる情報を提供することも可能である。

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。

また、上記第１実施形態では、ハーフミラー層１５において、シースルーを実現するために、映像光ＧＬ及び映像光ＧＬに対するに対する反射率を適宜設定するものとしているが、ハーフミラー層１５に代えて、反射ミラーを形成させることで、シースルーとせず、外界光ＨＬを遮断する構成とすることも可能である。この場合、例えば第２面Ｓ１２の外側に光透過部材５０を配置せず、映像光ＧＬのみを観察者に提示する態様にすることができる。この場合、外界光ＨＬと映像光ＧＬとが重なり合わないため、コントラストの良い映像を提示することができる。また、外界光ＨＬが遮断されるのは、観察者の片方の眼だけとできるので、もう一方の眼によって、常に外界を視認することができる。

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。

ＡＸ１−ＡＸ４…光軸、ＡＸＩ…入射側光軸、ＡＸＯ…射出側光軸（射出軸）、ＥＹ…眼、ＳＰ…基準位置、ＧＬ…映像光、ＨＬ…外界光、Ｓ１１−Ｓ１５…第１−第５面、Ｓ５１−Ｓ５３…透過面、ＳＬ…照明光、ＳＲ…基準面（対称平面）、１０…導光部材、１０ｓ…本体、１５…ハーフミラー層、２０，２２０…導光装置、５０…光透過部材、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、１００，２００…虚像表示装置、１０２…枠部、１０４…テンプル、１０５ｄ…外装部材、１０７…フレーム、１０８…プロテクター、１５，２１５…ハーフミラー層、ＣＣ…接着層、Ｈ１…長辺、Ｈ２…短辺、ＰＢ…保護部材、ＲＭ…光反射膜、ＣＭ…集光ミラー部、ＰＳ…偏光分離素子、ＳＳ…スプリッター部、２１０…第１プリズム（導光部材）、２１０ａ…ブロック部分、２１０ｂ…ブロック部分、２３０…第２プリズム、３８１…信号光形成部、３８２…走査光学系

Claims

観察者の少なくとも左右いずれか一方の眼に対して虚像を視認させる虚像表示装置であって、
映像光を生じさせる映像素子と、
前記映像素子からの映像光を観察者の眼に向けて導光する導光部材と、
を備え、
視認される虚像の表示範囲について、眼の並びに対応する横方向に対して垂直な縦方向の幅を前記横方向の幅よりも大きくし、かつ、前記映像素子から発し、前記導光部材を通過して観察者の瞳の中心を想定した基準位置に至る光軸と、観察者の瞳の中心に関する前記基準位置を通り、観察者の顔の正面方向として想定される方向に平行な視線基準軸とに関して、前記光軸を前記視線基準軸よりも観察者の眼尻側に傾け、前記視線基準軸が表示範囲を通らず、
前記導光部材は、前記映像素子からの映像光の少なくとも一部を透過及び反射させるスプリッター部と、前記スプリッター部を経た映像光を集光するとともに前記スプリッター部へ折り返す集光ミラー部とを有し、前記スプリッター部及び前記集光ミラー部を経た映像光を観察者側に射出させることを特徴とする虚像表示装置。
前記導光部材は、前記視線基準軸に対する前記光軸のなす角を５°以上３０°以下とする角度及び位置から映像光を射出する、請求項１に記載の虚像表示装置。
前記映像素子の中心から観察者の瞳の中心に至る前記光軸は、１つの平面内に含まれ、前記映像素子及び前記導光部材を含む光学系全体は、当該１つの平面に対し面対称な形状をなし、
前記映像素子から射出され前記導光部材を経た映像光を、中間像を形成しない発散型の光路で観察者に拡大表示させる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記映像素子及び前記導光部材を含む光学系全体の観察者に対する姿勢を一体的に変更して、前記導光部材から射出される映像光の角度及び位置を調整する姿勢調整部をさらに備える、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。
前記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、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。
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５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。