CN103984099A - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有***、广视角高性能的小型轻量的虚像显示装置。通过投影透镜（30）等在棱镜（10）内部形成中间像，并且按第1次的第3面（S13）、第1次的第1面（S11）、第2次的第3面、第2次的第1面以及第2面（S12）的顺序在3个面以上全反射了的影像光（GL），透射第1面而到达观察者的眼睛（EY），所以使棱镜小型且轻量，并且以广视角实现明亮高性能的显示。另外，能够通过第1面和第3面观察到外界光（HL），此时的视度大致为0，所以能够降低以透视方式观看外界光时的散焦和/或失真。另外，棱镜的形状为沿着观察者面部的形状，能够使重心也接近面部而设计性优异。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及将由图像显示元件等所形成的影像示出给观察者的虚像显示装置，尤其涉及适用于在观察者的头部佩戴的头戴式显示器的虚像显示装置。

背景技术

作为在佩戴于观察者头部的头戴式显示器（下面也称为HMD）等虚像显示装置中所组装的光学***，提出了各种各样的方案（例如参照专利文献1到4）。

对于HMD等虚像显示装置，期待其将影像光广视角化和降低装置重量。尤其是，减薄观察者的视轴方向的厚度、使重心接近观察者这一点，对于提升佩戴感是重要的。

另外，若完全覆盖观察者的视野而成为仅能看到影像光的状态，则观察者无法判断外界的状态会产生不安。而且，通过使外界和影像重叠被观察，产生虚拟现实这样的新用途。因而，期望不妨碍外界的视野地重叠显示影像光的显示器。

而且，为了提升观察者的佩戴感、改良外观的样式，通常期望其接近眼镜的形态，期望将影像显示装置配置于面部的横侧而不配置在眼睛的上方。

为了使得光学***小型化且不妨碍视野地使得影像显示装置离开观察者的眼睛的位置，可以采用使显示图像光暂时在光学***中成像而形成中间像的中继光学***、放大地观看该中间像。

例如在专利文献1中，作为中继光学***提出了如下***：采用端面成为抛物面镜的平行平面状的导光板和投影透镜，在导光板的内部形成中间像。但是，在专利文献1的光学***中，投影透镜大，妨碍了小型轻量化。

在专利文献2中，作为中继光学***，提出了具有曲面的出射反射面的导光棱镜和投影透镜的***。但是，专利文献2的光学***未考虑使观察者能观看外界。为了应用该光学***以观看外界，必须在扩展于整个棱镜的反射面上贴附补偿棱镜、在接合面设置半透射半反射镜，通过该半透射半反射镜面使得影像光反射2次，因此显著变暗。

在专利文献3中，作为中继光学***，提出了具备投影透镜、凹面镜和导光板的***。该光学***中，通过组合波长板和偏振半透射半反射镜来提高反射效率。但是，为了应用专利文献3的光学***来观看外界，必须向凹面镜贴合补偿透镜，整体上变厚。

在专利文献4中，作为中继光学***，提出了通过使光路弯折而使全长变短地紧凑集中的***。但是，在专利文献4的光学***中，棱镜中央的凸部和/或投影透镜妨碍了视野。另外，影像光在透射半透射半反射镜后折返，通过半透射半反射镜反射后入射到眼睛中，因此观察到的影像变暗。

另外，在用导光棱镜形成虚像的方法中，可以考虑例如连接多个棱镜部分构成导光棱镜、将导光棱镜分割为多个棱镜部分来构成，从而通过多个不同曲面进行光路的弯折。在该情况下，可期待多个曲面处的自由度增加、成像性能提高。但是，由于光学设计和/或使用环境等，有可能在曲面与曲面的接缝和/或切缝处向不期望的方向反射外界光、而产生重影光。

【专利文献1】日本特许2746697号公报

【专利文献2】日本特许3787399号公报

【专利文献3】日本特许4218553号公报

【专利文献4】日本特许4819532号公报

发明内容

本发明的目的是提供具有重叠显示外界光和影像光的***、广视角且高性能，并且小型轻量的虚像显示装置。

本发明涉及的虚像显示装置，使影像光和外界光同时被观看，具备：产生影像光的影像元件；和一个棱镜，其包括3面以上的非轴对称的曲面并且作为光学***的一部分在内部形成中间像，在通过构成棱镜的多个面中的第1面和第3面而观看外界时，视度大致为0，第1面和第3面相对于观察侧呈凹面形状，来自影像元件的影像光在通过第1面全反射、通过第3面全反射、再次通过第1面全反射、通过第2面反射后，透射第1面而到达观察侧。这里，影像光是指通过影像元件等形成的、对于眼睛而言可识别为虚像的光，如上所述，在棱镜的内部形成中间像。

在上述虚像显示装置中，通过光学***在棱镜的内部形成中间像并且按照第1面、第3面、第1面及第2面的顺序被反射了的影像光，透射第1面而到达观察者，因此，能够使棱镜薄型而使光学***整体小型且轻量化，同时以广视角实现明亮的高性能的显示。另外，对于外界光，能够通过第1面和第3面观察到，此时的视度大致为0，因此，能够降低以透视方式观察外界光时的外界光的散焦和/或失真。另外，棱镜的形状为沿着观察者面部的形状，能够使重心也靠近面部使外观设计也优异。另外，通过成为在第1面进行多次全反射的构成，能够减少在棱镜的面产生不连续的部分的情况。从而，能够避免因在棱镜的不连续部分处的非期望的光的反射而发生重影的情况。

在本发明的具体的侧面中，在上述虚像显示装置中，在以构成光学***的各面的原点为基准，将面形状的表达式设为关于从原点向切线方向延伸的正交坐标x及y进行多项式展开所得的展开式时，将表示第k面的多项式的项x^m·yⁿ的系数设为Ak_m，n，满足下述（1）到（3）的条件。

－5×10^－2＜A1_2，0＋A1_0，2＜－1×10^－3以及

－5×10^－2＜A3_2，0＋A3_0，2＜－1×10^－3     …     （1）

｜A3_2，0－A3_0，2｜＜5×10^－2     …     （2）

｜A1_2，0－A3_2，0｜＜2×10^－2以及

｜A1_0，2－A3_0，2｜＜2×10^－2     …     （3）。

另外，以上，包括各面的正交坐标x及y的本地坐标（x，y，z）以曲面上的某1点作为原点，在面的法线方向上取z轴，在面的切线方向上取x轴和y轴。曲面的原点例如设为光束中心通过的位置，设全部的原点在同一平面（基准面）上。

在本发明中，通过使第1面和第3面这两面向观察者侧呈凹面状，不仅可观察到影像光和外界光这双方，而且通过使这些第1面和第3面成为自由曲面，能够有效地使用这些曲面形状的自由度，获得高画质的光学***。表征第1面及第3面的功能即曲面的功能的特征是曲面的曲率，原点附近的曲率主要由系数Ak_2，0和Ak_0，2（k=1，3）的值确定，因此适当设定系数Ak_2，0和Ak_0，2的值是很重要的。

条件（1）规定原点附近的第1面的曲率和第3面的曲率的大小。这些值A1_2，0、A1_0，2、A3_2，0、A3_0，2为负，这表示第1面或第3面相对于观察者为凹面状。若超过条件（1）的上限则形状接***面，即使外界光的观察没有问题，也无法有效地进行影像光的像差校正。另外，若超过条件（1）的下限，则曲率过强，难以进行像差校正并且棱镜的位置靠近面部，有损佩戴使用感。

条件（2）规定第3面的x轴方向的曲率与y轴方向的曲率的差。若超过条件（2）的上限，则在第3面发生的非点像差过大，像差校正变得困难。

条件（3）规定与x轴方向及y轴方向相关的第1面的曲率与第3面的曲率的差，影响棱镜对于外光的视度。棱镜的光轴上的x轴方向的视度Dx及y轴方向的视度Dy在棱镜的厚度设为T且折射率设为N时，用下式给出。

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）。

一般，远视视度的误差若超过±1D，则产生不愉悦感，因此，棱镜的视度优选抑制为±1D。但是，通过外周部的视度和/或与像差的平衡，也有将设计上的光轴上的视度设定在±2D的范围的情况。光轴上的视度如上式那样，与棱镜的厚度和/或折射率也有关系，因此无法仅仅由非球面系数的值确定，但是系数只要在满足条件（3）的范围内，就能够将光轴上的视度抑制在±2D的范围。

通过将第1面及第3面形成为满足以上条件（1）～（3）的形状，能够良好进行外界光和影像光这双方的像差校正，获得优良画质。

在本发明的另外其他侧面，在第2面形成半透射半反射镜，向观察者示出影像光，并且在第2面的外侧一体地配置有光透射部件，使得对于外界光的视度大致为0，将外界光和影像光重叠地向观察者示出。该情况下，能够降低透过第2面观察到的外界光的散焦和/或失真。

在本发明的另外其他侧面，光透射部件在观察者侧具有第1透射面和第2透射面并且在外界侧具有第3透射面，棱镜的第2面和光透射部件的第2透射面具有大致相同的曲面形状，第2面和第2透射面一体化。该情况下，能够将面彼此接合而一体化，能够在第1面和第3面侧分别形成连续的表面。

在本发明的另外其他侧面，虚像显示装置还具备使来自影像元件的影像光入射棱镜的投影透镜，至少棱镜的一部分和投影透镜构成中继光学***。该情况下，由投影透镜等构成的中继光学***在棱镜的内部形成中间像。

在本发明的另外其他侧面，投影透镜包括轴对称透镜，并包括至少1面以上的非球面。

在本发明的另外其他侧面，棱镜具有第4面，该第4面将从投影透镜入射到内部的影像光导向第1面。

在本发明的另外其他侧面，棱镜具有与投影透镜相对配置的第5面，该第5面使得从投影透镜出射的影像光入射并将其导向第4面。

在本发明的另外其他侧面，棱镜具有：具有第1面、第2面和第3面的光出射侧的第1棱镜部分；和光入射侧的第2棱镜部分，第1棱镜部分和第2棱镜部分一体形成。该情况下，能够在将第1棱镜部分和第2棱镜部分一体形成而得的棱镜内部形成中间像，此时，通过在第1棱镜部分的第1面和第3面进行多次全反射，能够降低与影像光的导光相关的面的不连续部的产生。

在本发明的另外其他侧面，第2棱镜部分具有至少一个以上的光学面，由影像元件、投影透镜和棱镜中的至少包括第2棱镜部分的部分形成中间像。该情况下，至少第2棱镜部分的光学面作为中继光学***的一部分有助于中间像的形成。

在本发明的另外其他侧面，影像元件是从显示位置出射影像光的影像显示元件，投影透镜和棱镜中的至少包括第2棱镜部分的部分，作为中继光学***使从影像显示元件的显示位置出射的影像光在棱镜的内部成像来形成中间像。该情况下，投影透镜等作为中继光学***发挥作用，从而能够使从影像显示元件的显示位置上的各点出射的影像光在棱镜内再次成像来形成中间像。

在本发明的另外其他侧面，第2棱镜部分具有第4面，该第4面配置于第1棱镜部分的第3面中的光入射侧，并将从投影透镜入射到内部的影像光导向第1面，第1棱镜部分在第1面具有对经过了第2棱镜部分的第4面的影像光进行第1次全反射的第1区域和进行第2次全反射的第2区域，由投影透镜、第2棱镜部分和第1棱镜部分中的包括第1区域的部分形成中间像。在该情况下，除了投影透镜和第2棱镜部分外，第1棱镜部分的一部分也作为中继光学***的一部分有助于中间像的形成。

在本发明的另外其他侧面，第1及第2棱镜部分在第1面的第1区域前或后、或者跨第1区域的前后形成中间像。该情况下，能够使装置整体紧凑化。

在本发明的另外其他侧面，第2棱镜部分具有：与投影透镜相对配置，使从投影透镜出射的影像光入射并将其导向第4面的第5面；和由第4面和第5面夹着而形成的第6面。该情况下，能够减小棱镜的尺寸进而使装置整体紧凑，另外，能够强化端面的强度以抑制缺损等。

在本发明的另外其他侧面，第1面与第3面的间隔在5mm以上且15mm以下。该情况下，通过设为5mm以上，能够使覆盖眼前的第1棱镜的尺寸足够大，通过设为15mm以下，能够抑制重量增加的情况。

在本发明的另外其他侧面，第2面相对于第1面的倾斜角在20°以上且40°以下。该情况下，倾斜角处于上述范围内，从而易于以适当的反射次数和反射角度将影像光导入眼睛。

在本发明的另外其他侧面，包括棱镜的光学***在佩戴时覆盖观察者眼前中的一部分，使得存在眼前未被覆盖的部分。

在本发明的另外其他侧面，影像元件具有：信号光形成部，其出射与图像相对应地被调制后的信号光；和扫描光学***，其通过使从信号光形成部入射的信号光进行扫描从而使该信号光作为扫描光出射。

附图说明

图1是说明实施方式的虚像显示装置的外观的立体图。

图2是说明虚像显示装置的主体结构的立体图。

图3（A）是构成虚像显示装置的第1显示装置的主体部分的俯视剖视图，（B）是主体部分的主视图。

图4是说明第1显示装置中的棱镜中的光学面和光路的剖视图。

图5是实施例1的光学***的说明图。

图6（A）～（F）是实施例1的光学***的像差的说明图。

图7（A）～（F）是实施例1的光学***的像差的说明图。

图8是实施例2的光学***的说明图。

图9（A）～（F）是实施例2的光学***的像差的说明图。

图10（A）～（F）是实施例2的光学***的像差的说明图。

图11是实施例3的光学***的说明图。

图12（A）～（F）是实施例3的光学***的像差的说明图。

图13（A）～（F）是实施例3的光学***的像差的说明图。

图14是实施例4的光学***的说明图。

图15（A）～（F）是实施例4的光学***的像差的说明图。

图16（A）～（F）是实施例4的光学***的像差的说明图。

图17是实施例5的光学***的说明图。

图18（A）～（F）是实施例5的光学***的像差的说明图。

图19（A）～（F）是实施例5的光学***的像差的说明图。

图20是实施例6的光学***的说明图。

图21（A）～（F）是实施例6的光学***的像差的说明图。

图22（A）～（F）是实施例6的光学***的像差的说明图。

图23是变形例的虚像显示装置的说明图。

图24（A）是说明导光装置及采用它的虚像显示装置的其他一例的立体图，（B）是主视图。

附图标记说明

AX1-AX5…光轴，AXI…入射侧光轴，AXO…出射侧光轴，EY…眼睛，

GL…影像光，HL…外界光，II…中间像的像面，PA…部分区域，

S11-S16…第1-第6面，S51-S53…第1-第3透射面，SL…照明光，

SR…基准面，10…棱镜，10e…第1侧面（顶面），10f…第2侧面，

10s…主体部分，11、12…棱镜部分，15…半透射半反射镜层，

30…投影透镜，31、32、33…透镜，50…光透射部件，

70…投影透视装置，80…图像显示装置，81…照明装置，

82…影像显示元件（影像元件），84…驱动控制部，100…虚像显示装置，

100A、100B…显示装置，103a、103b…光学部分，101…透视部件，

102…框部，15…镜面，CC…粘接层，R1…第1区域，R2…第2区域

具体实施方式

下面一边参照附图一边就本发明涉及的一实施方式的虚像显示装置详细地进行说明。

A.虚像显示装置的外观

如图1所示的实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴式显示器，其对于佩戴该虚像显示装置100的观察者使其能够观看与虚像对应的图像光，并且能够以透视方式使观察者观看或观察到外界像。虚像显示装置100具备：覆盖观察者眼前的透视部件101；对透视部件101进行支撑的框部102；和在从框部102的左右两端的罩部到后方的镜腿部分（镜腿）的部分所附加的第1及第2内置装置部105a、105b。这里，透视部件101是覆盖观察者的眼前的厚壁的弯曲光学部件（透过眼罩），其分为第1光学部分103a和第2光学部分103b。组合在图面上左侧的第1光学部分103a和第1内置装置部105a而成的第1显示装置100A是形成右眼用的虚像的部分，即使单独也作为虚像显示装置发挥功能。另外，组合在图面上右侧的第2光学部分103b和第2内置装置部105b而成的第2显示装置100B，是形成左眼用的虚像的部分，即使单独也作为虚像显示装置发挥功能。

B.显示装置的结构

如图2、图3（A）、3（B）等所示，第1显示装置100A具备投影透视装置70和图像显示装置80。其中，投影透视装置70具备导光部件即棱镜10、光透射部件50和成像用的投影透镜30。棱镜10和光透射部件50通过接合而一体化，例如以棱镜10的顶面10e和框架61的底面61e接触的方式，牢牢固定在框架61的下侧。投影透镜30经由容纳其的镜筒62固定在棱镜10的端部。投影透视装置70中的棱镜10和光透射部件50与图1中的第1光学部分103a相当，投影透视装置70中的投影透镜30和图像显示装置80与图1中的第1内置装置部105a相当。另外，图1所示的第2显示装置100B具有与第1显示装置100A同样的结构，仅仅是左右颠倒，因此省略对第2显示装置100B的详细说明。

投影透视装置70中，棱镜10是在俯视沿面部弯曲的圆弧状的部件，可以考虑将其分为接近鼻子的中央侧的第1棱镜部分11和从鼻子离开的周边侧的第2棱镜部分12。第1棱镜部分11配置在光出射侧，作为具有光学功能的侧面而具有第1面S11、第2面S12和第3面S13，第2棱镜部分12在光入射侧配置，作为具有光学功能的侧面而具有第4面S14和第5面S15。其中，第2面S12配置在第1面S11与第3面S13之间。第4面S14与第1面S11中的光入射侧的一部分相对地配置。另外，棱镜10具有与第1～第5面S11～S15相邻并相互相对的第1侧面10e和第2侧面10f。在这里，在图示的情况下，在第3面S13的光入射侧与第4面S14的光射出侧相交叉而连接来形成边界部BD1，处于在边界部BD1弯曲的状态。此外，在第3面S13的端部与第4面S14的端部不交叉不连续的情况下，需要用于连接第3面S13和第4面S14的追加的面。但是，上述那样的边界部BD1或追加的面这样的不平滑的部分，在棱镜10中仅存1处，通过对边界部BD1附近的倾斜角度进行调整并且/或者使追加的面足够小，能够使其不会成为重影产生的主要原因。第5面S15配置为在第1面S11与第4面S14之间与投影透镜30相对。第5面S15，在夹着不具有光学功能的第6面S16而隔离开的状态下与第4面S14相连，另一方面与第1面S11相交叉而形成边界部BD2，以在边界部BD2弯曲的状态直接相连。

在棱镜10中，第1面S11是以与Z轴平行的出射侧光轴AXO为中心轴或基准轴的自由曲面，第2面S12是以包括于与XZ面平行的基准面SR且相对于Z轴倾斜的光轴AX1为中心轴或基准轴的自由曲面，第3面S13是以出射侧光轴AXO为中心轴或基准轴的自由曲面。第4面S14是以包括于与XZ面平行的基准面SR并相对于Z轴倾斜的一对光轴AX4、AX5的2等分线为中心轴或基准轴的自由曲面，第5面S15是以包括于与XZ面平行的基准面SR且相对于Z轴倾斜的光轴即入射侧光轴AXI为中心轴或基准轴的自由曲面。此外，以上的第1～第5面S11～S15具有下述形状：夹着沿水平（或横向）延伸并且与XZ面平行且光轴AX1～AX5等通过的基准面SR，关于铅垂（或纵向）的Y轴方向对称。

棱镜10用在可见区域显现高光透射性的树脂材料形成，例如通过在模具内注入热塑性树脂并使其固化来成形。棱镜10的主体部分10s是一体形成品，但也可以考虑将主体部分10s分成第1棱镜部分11和第2棱镜部分12。第1棱镜部分11能够进行影像光GL的导波及出射，并且能够进行外界光HL的透视。第2棱镜部分12能够进行影像光GL的入射及导波。

在第1棱镜部分11中，第1面S11作为使影像光GL向第1棱镜部分11外出射的折射面发挥作用，并且作为以内面侧使影像光GL全反射的全反射面发挥作用。第1面S11是配置在眼睛EY正面的面，相对于观察者呈凹面形状。此外，第1面S11也能够为了防止表面的损伤并防止影像的分辨率降低而用硬涂层来覆盖主体部分10s。该硬涂层通过在主体部分10s的基底面上通过浸涂处理和/或喷涂处理使包含树脂等的涂敷剂成膜而形成。此外，关于第1面S11处的影像光GL的全反射，能够考虑分成使经过了第4面S14的影像光GL全反射（第1次全反射）的第1区域R1和使经过了第3面S13的影像光GL全反射（第2次全反射）的第2区域R2。

第2面S12具有半透射半反射镜层15。该半透射半反射镜层15是具有光透射性的反射膜（即半透射半反射膜）。半透射半反射镜层（半透射半反射膜）15不是在第2面S12的整体而是在其部分区域PA上形成的。也就是说，半透射半反射镜层15在使第2面S12扩展的整体部分QA主要关于铅垂方向收窄了的部分区域PA上形成。更加详细而言，该部分区域PA配置在关于铅垂的Y轴方向的中央侧，关于沿水平基准面SR的方向大致整体地配置。半透射半反射镜层15通过在主体部分10s的基底面中的部分区域PA上成膜金属反射膜和/或电介质多层膜而形成。半透射半反射镜层15相对于影像光GL的反射率，从使得基于透视对外界光HL的观察变得容易的观点出发，在所预想的影像光GL的入射角范围内设为10％以上且50％以下。具体实施例的半透射半反射镜层15对于影像光GL的反射率例如设定为20％，对于影像光GL的透射率例如设定为80％。

第3面S13作为在内面侧使影像光GL全反射的全反射面发挥作用。此外，第3面S13为了防止表面的损伤并防止影像的分辨率降低也能够用硬涂层来覆盖主体部分10s。第3面S13是在眼睛EY正面配置的面，与第1面S11同样地相对于观察者呈凹面形状，在通过第1面S11和第3面S13观看外界光HL时，视度大致为0。

第4面S14作为在内面侧使影像光GL全反射的全反射面发挥作用，或者由镜层17覆盖而作为反射面发挥作用。此外，在使第4面S14作为全反射面发挥作用的情况下，为了防止表面的损伤并防止影像的分辨率降低，也能够用硬涂层来覆盖主体部分10s。

第5面S15作为使影像光GL向第2棱镜部分12内入射的折射面发挥作用。另外，第5面S15为了防止表面的损伤并防止影像的分辨率降低，也能够用硬涂层来覆盖主体部分10s，但是也能够取代硬涂层或者在硬涂层上进一步用反射防止膜17覆盖。

第6面S16是连接第4面S14和第5面S15的面，若换言之则是被第4面S14和第5面S15夹着而形成的面，如上所述其是不具有光学功能的面。因而，即使与其他的面S11～S15比较，面精度较差些亦可，例如也可以形成为适度粗糙的面以防止漫反射。另外，在图示的情况下，第4面S14和第5面S15通过第6面S16相连并未成为平滑的状态，如果没有造成光学性影响则第6面S16的局部能够成为各种形状。而且，也可以例如使第4面S14和第5面S15延长并直接相连从而形成边界部，而没有第6面S16。

光透射部件50与棱镜10一体地固定。光透射部件50是辅助棱镜10的***的部件（辅助棱镜），作为具有光学功能的侧面而具有第1透射面S51、第2透射面S52和第3透射面S53。这里，在第1透射面S51与第3透射面S53之间配置第2透射面S52。第1透射面S51处于棱镜10的第1面S11延长所成的曲面上，第2透射面S52是通过粘接层CC与该第2面S12接合而一体化的曲面，第3透射面S53处于棱镜10的第3面S13延长所成的曲面上。其中，第2透射面S52和棱镜10的第2面S12通过接合而一体化，因此具有大致相同曲率的形状。

光透射部件（辅助棱镜）50由在可视范围内呈现高的光透射性并具有与棱镜10的主体部分10s大致相同的折射率的树脂材料形成。光透射部件50通过例如热塑性树脂的成形而形成。

投影透镜30被保持在镜筒62内，图像显示装置80固定在镜筒62的一端。棱镜10的第2棱镜部分12与保持投影透镜30的镜筒62连接，间接地支撑投影透镜30及图像显示装置80。棱镜10的光入射侧与投影透镜30等一起被遮光部件63覆盖。棱镜10上端部或下端部也被遮光部件63覆盖。在棱镜10的周边，能够设置防止外光入射棱镜10的追加遮光部。遮光部能够由例如遮光性的涂装和/或光散射层构成。

投影透镜30沿着入射侧光轴AXI具有例如3个透镜31、32、33。各透镜31、32、33是轴对称透镜，至少一个以上具有非球面。投影透镜30为了使从图像显示装置80出射的影像光GL再成像，而使其经由棱镜10的第5面S15入射棱镜10内。即，投影透镜30是用于使从影像显示元件82的像面（显示位置）OI上的各点出射的影像光或图像光在棱镜10内再成像的中继光学***。另外，棱镜10的各面中，部分光入射侧的面通过与投影透镜30协同工作而起到中继光学***的一部分的功能。

图像显示装置80具备：出射2维照明光SL的照明装置81；透射型的空间光调制装置即影像显示元件82；和控制照明装置81及影像显示元件82的工作的驱动控制部84。

图像显示装置80的照明装置81具备：产生包括红、绿、蓝这3种色的光的光源81a；和使来自光源81a的光扩散而形成矩形截面的光束的背光导光部81b。影像显示元件82是由例如液晶显示器件形成的影像元件，空间性地调制来自照明装置81的照明光SL以形成应该成为动态图像等显示对象的图像光。驱动控制部84具备光源驱动电路84a和液晶驱动电路84b。光源驱动电路84a向照明装置81的光源81a供给电力以使其出射稳定的辉度的照明光SL。液晶驱动电路84b通过向影像显示元件（影像元件）82输出图像信号或驱动信号，作为透射率图形，形成成为动态图像和/或静止图像源的彩色图像光。另外，能够使液晶驱动电路84b具有图像处理功能，也能够使外接控制电路具有图像处理功能。

C.影像光等的光路

下面，关于虚像显示装置100中的影像光GL等的光路进行说明。

从影像显示元件（影像元件）82射出的影像光GL一边通过投影透镜30而会聚一边入射在棱镜10的第2棱镜部分12所设置的具有比较强的正折射力的第5面S15。

通过了棱镜10的第5面S15的影像光GL一边会聚一边行进，在通过第1棱镜部分11时，在具有比较弱的正折射力的第4面S14全反射，在具有比较弱的负折射力的第1面S11（更具体而言是第1区域R1）全反射（第1次在第1面S11全反射）。

在第1面S11反射了的影像光GL，在第1棱镜部分11处入射于第3面S13而全反射，再次入射于第1面S11（更具体而言是第2区域R2）并全反射（第2次在第1面S11全反射）。此外，影像光GL在通过第3面S13前在棱镜10中以弯曲的状态形成中间像。该中间像的像面II是与影像显示元件82的像面（显示位置）OI相对应的面。

在第1面S11进行第2次全反射后的影像光GL入射到第2面S12，尤其是入射于半透射半反射镜层15的影像光GL一边部分透射该半透射半反射镜层15一边部分反射而再次入射第1面S11并通过。此外，半透射半反射镜层15作为相对于在这里反射的影像光GL具有比较强的正折射力的部件发挥作用。另外，第1面S11作为相对于在此通过的影像光GL具有负折射力的面发挥作用。

通过了第1面S11的影像光GL作为大致平行光束入射于观察者的眼睛EY的瞳孔。也就是，观察者通过作为虚像的影像光GL对在影像显示元件82上形成的图像进行观察。

另一方面，外界光HL中的入射于比棱镜10的第2面S12靠+X侧的外界光，通过第1棱镜部分11的第3面S13和第1面S11，此时正负折射力抵消并且像差被校正。也就是，观察者透过棱镜10观察到失真少的外界像。同样地，外界光HL中的入射于比棱镜10的第2面S12靠-X侧的外界光、也就是入射于光透射部件50的外界光，在通过在此处所设置的第3透射面S53和第1透射面S51时，正负的折射力抵消并且像差被校正。也就是，观察者透过棱镜10及光透射部件50观察到失真少的外界像。而且，外界光HL中的入射于与棱镜10的第2面S12相对应的光透射部件50的外界光，在通过第3透射面S53和第1面S11时正负的折射力抵消并且像差被校正。也就是，观察者透过光透射部件50观察到失真少的外界像。此外，棱镜10的第2面S12和光透射部件50的第2透射面S52都具有大致相同的曲面形状、都具有大致相同的折射率、且两者之间的间隙用大致相同折射率的粘接层CC来填充。也就是，棱镜10的第2面S12和/或光透射部件50的第2透射面S52相对于外界光HL不作为折射面起作用。

但是，入射于半透射半反射镜层15的外界光HL，一部分透射该半透射半反射镜层15并且一部分在该半透射半反射镜层15反射，所以来自与半透射半反射镜层15相对应的方向的外界光HL对应于半透射半反射镜层15的透射率减弱。另一方面，影像光GL从与半透射半反射镜层15相对应的方向入射，所以观察者沿半透射半反射镜层15的方向观察到在影像显示元件82上所形成的图像和外界像。

在棱镜10内传播并入射于第2面S12的影像光GL中的没有在半透射半反射镜层15反射的光，入射于光透射部件50内，通过在光透射部件50所设置的未图示的反射防止部防止其返回棱镜10。也就是，防止了通过第2面S12的影像光GL返回光路上而成为杂散光的情况。另外，从光透射部件50侧入射而在半透射半反射镜层15反射了的外界光HL，返回光透射部件50，通过在光透射部件50所设置的上述未图示的反射防止部防止其射出到棱镜10。也就是，防止了在半透射半反射镜层15反射了的外界光HL返回光路上而成为杂散光的情况。

D.光学面和/或光路的规定方法

图4是棱镜10中的光轴AX1～AX5和/或本地坐标的说明图。在以下的说明中，考虑光学***的评价和/或表达的方便，从观察者的眼睛EY朝向图像显示装置80的影像显示元件82沿逆行方向来规定光学面和/或光路。在实际的光学***中，影像显示元件82发出的光依次通过投影透镜30和棱镜10而到达眼睛EY，但是在该状态下难以进行光学***的评价。因此，设为来自无限远的光源的光通过处于眼睛EY的位置的光圈进入棱镜10，通过投影透镜30在影像显示元件82成像，进行评价、设计，以下详述的光学***的数据也按该顺序显示。另外，对于与棱镜10接合而一体使用的光透射部件50，它是将棱镜10的形状延长而形成的，省略说明。

图示的棱镜10中，第1面S11的光轴与出射侧光轴AXO一致，第1面S11的本地坐标（x，y，z）与整体坐标（X，Y，Z）是平移关系并在第1面S11上具有原点。即，本地坐标的z方向在出射侧光轴AXO上成为行进方向（光线的逆行方向），本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。在以后的各面中，本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。

第2面S12的光轴相对于出射侧光轴AXO适当倾斜，第2面S12的本地坐标相对于整体坐标绕Y轴适当旋转且平移，在第2面S12上具有原点。第2面S12的本地坐标的z方向为出射侧光轴AXO与从第2面S12朝向第1面S11的光束中心的光轴AX1的中间方向。

第3面S13的光轴与出射侧光轴AXO一致，第3面S13的本地坐标与整体坐标是平移关系并在第3面S13的延长面即第3透射面S53上具有原点。

通过以上构成，从第2面S12朝向第1面S11的光束中心的光轴AX1与从第1面S11朝向第3面S13的光束中心的光轴AX2的中间方向，与第1面S11上的光束中心（光轴AX1、AX2的交点）处的第1面S11的法线方向一致。另外，从第1面S11朝向第3面S13的光束中心的光轴AX2与从第3面S13朝向第1面S11的光束中心的光轴AX3的中间方向，与第3面S13上的光束中心（光轴AX2、AX3的交点）处的第3面S13的法线方向一致。

在从第3面S13再次朝向第1面S11的光路中，该光路的本地坐标与行进方向（光线的逆行方向）相对应。即，从第3面S13朝向第1面S11的本地坐标的z方向与光束中心的光轴AX3一致，该本地坐标的y方向与整体坐标的Y方向平行。另外，通过在第1面S11将光束中心的光轴AX3进一步折返，从而光束中心的光轴AX4延伸，通过在第3面S13将光束中心的光轴AX4进一步折返，从而光束中心的光轴AX5延伸。

第4面S14的本地坐标的原点位于该第4面S14上。另外，第4面S14的本地坐标的z方向即第4面S14的光轴成为：从第1面S11朝向第4面S14的光束中心的光轴AX4与从第4面S14朝向第5面S15的光束中心的光轴AX5的2等分线。

第5面S15的光轴与光轴AX5一致，也与从图像显示装置80延伸的入射侧光轴AXI一致。第5面S15的本地坐标与整体坐标具有平移关系，在第5面S15上具有原点。

如以上地沿着光线的逆行方向研究的结果为，对于光线的行进方向，从自像面OI上的中心出射的影像光的光束中心即入射侧光轴AXI沿着以上的各光轴AX1～AX5的逆序到达出射侧光轴AXO，而到达观察者的眼睛EY。

E.光学面的期望的特征

棱镜10的第1面S11的形状利用第1面S11的本地坐标（x，y，z）用

z=Σ{A1_m，n·（x^m·yⁿ）}…（4）来表示，

其中A1_m，n是多项式展开后的第m·n项的系数，m、n是0以上的整数。

棱镜10的第2面S12的形状利用第2面S12的本地坐标（x，y，z）用

z=Σ{A2_m，n·（x^m·yⁿ）}…（5）来表示，

其中A2_m，n是多项式展开后的第m·n项的系数。

棱镜10的第3面S13的形状利用第3面S13的本地坐标（x，y，z）用

z=Σ{A3_m，n·（x^m·yⁿ）}…（6）来表示，

其中A3_m，n是多项式展开后的第m·n项的系数。

本实施例中，棱镜10的第1～第3面S11～S13满足

－5×10^－2＜A1_2，0＋A1_0，2＜－1×10^－3以及

－5×10^－2＜A3_2，0＋A3_0，2＜－1×10^－3     …     （1）

｜A3_2，0－A3_0，2｜＜5×10^－2     …     （2）

｜A1_2，0－A3_2，0｜＜2×10^－2以及

｜A1_0，2－A3_0，2｜＜2×10^－2     …     （3）

这3个条件。通过设定第1～第3面S11～S13的形状以满足这3个条件，能够良好进行外界光HL与影像光GL这两方的像差校正，获得优良画质。

棱镜10的第1面S11与第3面S13的间隔为5mm以上且15mm以下。另外，第2面S12相对于第1面S11的倾斜角为20°以上且40°以下。

本实施方式的虚像显示装置100中，通过投影透镜30等在棱镜10的内部形成中间像并且按照第1次的第1面S11、第3面S13、第2次的第1面S11及第2面S12的顺序在3个面以上全反射了的影像光GL，透射第1面S11到达观察者的眼睛EY，因此，能够使棱镜10薄型而使光学***整体小型且轻量化，同时以广视角实现明亮的高性能的显示。另外，对于外界光HL，能够例如通过第1面S11和第3面S13进行观察，此时的视度大致为0，因此，能够降低以透视方式观察外界光HL时外界光HL的散焦和/或失真。另外，棱镜10的形状为沿着观察者面部的形状，能使重心也靠近面部而外观设计优异。另外，在所述实施方式中，通过设为在第1面S11进行多次全反射的构成，减少了在棱镜10中在与导光相关的面产生不连续的部分的问题。从而，能够避免因在棱镜的不连续部分发生的非期望的光的反射等而发生重影的情况。此外，在本实施方式的情况下，在第3面S13与第4面S14之间产生边界部BD1那样弯曲的部分，但这样的部分仅在棱镜10中存在1处，根据需要适当地进行调整，能够使其不至于达到成为产生重影的要因的程度。在本实施方式中，通过使第3面S13和第4面S14成为独立的自由曲面，从而可更高自由度地进行调整，能够比较简单地实现成像性能的提高。

实施例

以下，说明组装入本发明涉及的虚像显示装置中的投影透视装置的实施例。各实施例中使用的标记汇总如下。

SPH:瞳孔

FFSk:自由曲面（棱镜中的k=面编号）

ASPk:轴对称非球面（投影光学***中的k=面编号）

SPH:球面或平面（保护玻璃表面）

R:曲率半径

T:轴上面间隔

Nd:光学材料对d线的折射率

Vd:光学材料的与d线相关的阿贝数

TLY:特定面的横截面（XZ截面）处的光轴的倾斜角度（°）（TLY有时在特定面的前后变化）

DCX:特定面的横截面（XZ截面）处的X轴方向的光轴的偏移量

（实施例1）

构成实施例1的投影透视装置中的棱镜及投影透镜的光学面的数据如以下的表1所示。另外，例如FFS1是指第1面S11，FFS2是指第2面S12，FFS3是指第3面S13，另外，ASP1是指投影透镜的第1透镜的出射面，ASP2是指第1透镜的入射面。

〔表1〕

关于构成实施例1的棱镜中的光学面，其横截面处的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏移量（偏心）DCX如以下的表2所示。

〔表2〕

对于构成实施例1的棱镜中的各光学面，自由曲面的多项式展开后的系数Ak_m，n如以下的表3所示。另外，在表3中，标记m、n是指系数Ak_m，n中的变量或次数。另外，标记FFSk（k=1～5）是指自由曲面即第1～第5面S11～S15中的第k面。另外，系数Ak_m，n是指构成表示作为对象的第k面的多项式的各项x^m·yⁿ的系数。

〔表3〕

在以上的表3及以下的表中，数值E以后的部分是指10进制的指数部，例如“-5.080E-03”是指-5.080×10^-03。

构成实施例1的投影透视装置中的投影透镜的光学面的非球面的系数如以下的表4所示。

〔表4〕

在以上的表4中，标记K、Bi表示用于特定构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面即非球面APS1～APS6的非球面的系数。非球面通过以下的多项式（非球面式）特定。

$z=\frac{(1/R)\×h^2}{1+\sqrt{1-(K+1)\×{(1/R)}^2\×h^2}}+B_4{h}^4+B_6{h}^6+B_8{h}^8+...$

这里，R是各面的曲率半径，h是离光轴的高度，K是对象透镜面的圆锥系数，Bi（i=4，6，8，…）是对象透镜面的高次非球面系数。

图5是实施例1的投影透视装置70的剖视图。而且，对于光束，不仅示出基准面SR上的还示出从基准面SR向Y方向错开的光束。投影透视装置70中，棱镜10具备：具有弱的负折射力的第1面S11；具有比较强的正折射力的第2面S12；具有比较弱的正折射力的第3面S13；具有比较弱的正折射力的第4面S14；和具有比较强的正折射力的第5面S15。投影透镜30具备：具有正折射力的第1透镜31；具有负折射力的第2透镜32；和具有正折射力的第3透镜33，如上所述，全部面为非球面。若对实施例1的光学***的具体规格进行说明，则水平视角为20.1°、垂直视角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳径为5mm且焦点距离约为26mm。

图6（A）～6（F）及图7（A）～7（F）表示实施例1的像差。在各像差图中，横轴表示瞳孔中的位置，纵轴以微米为单位表示像差量。具体地说，图6（A）及6（B）表示X方向为10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图6（C）及6（D）表示X方向为0.0°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图6（E）及6（F）表示X方向为-10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差。图7（A）及7（B）表示X方向为10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图7（C）及7（D）表示X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图7（E）及7（F）表示X方向为-10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差。另外，图示的像差量为了方便而设为使光线逆行时在影像显示元件的像面上的像差量。

实施例2

构成实施例2的投影透视装置中的棱镜及投影透镜的光学面的数据如以下的表5所示。

〔表5〕

关于构成实施例2的棱镜中的光学面，其横截面处的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏移量（偏心量）DCX如以下的表6所示。

〔表6〕

关于构成实施例2的棱镜中的各光学面，自由曲面的多项式展开后的系数如以下的表7所示。另外，在表7中，标记m、n是指系数Ak_m，n中的变量或次数。另外，标记FFSk（k=1～5）是指自由曲面即第1～第5面S11～S15中的第k面。

〔表7〕

构成实施例2的投影透视装置中的投影透镜的光学面的非球面的系数如以下的表8所示。

〔表8〕

在以上的表8中，标记K、Bi表示特定构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面即非球面APS1～APS6的非球面的系数。

图8是实施例2的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70中的棱镜10具备：具有弱的负折射力的第1面S11；具有比较强的正折射力的第2面S12；具有比较弱的正折射力的第3面S13；具有比较弱的正折射力的第4面S14；和具有比较强的负折射力的第5面S15。投影透镜30具备：具有正折射力的第1透镜31；具有负折射力的第2透镜32；和具有负折射力的第3透镜33。若对实施例2的光学***的具体规格进行说明，则水平视角为20.1°、垂直视角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳径为5mm且焦点距离约为26mm。

图9（A）～9（F）及图10（A）～10（F）表示实施例2的像差。具体地说，图9（A）及9（B）表示X方向为10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图9（C）及9（D）表示X方向为0.0°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图9（E）及9（F）表示X方向为-10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差。图10（A）及10（B）表示X方向为10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图10（C）及10（D）表示X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图10（E）及10（F）表示X方向为-10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差。

实施例3

构成实施例3的投影透视装置中的棱镜及投影透镜的光学面的数据如以下的表9所示。

〔表9〕

关于构成实施例3的棱镜中的光学面，其横截面处的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏移量（偏心量）DCX如以下的表10所示。

〔表10〕

关于构成实施例3的棱镜中的各光学面，自由曲面的多项式展开后的系数如以下的表11所示。另外，在表11中，标记m、n是指系数Ak_m，n中的变量或次数。另外，标记FFSk（k=1～5）是指自由曲面即第1～第5面S11～S15中的第k面。

〔表11〕

构成实施例3的投影透视装置中的投影透镜的光学面的非球面的系数如以下的表12所示。

〔表12〕

在以上的表12中，标记K、Bi表示用于特定构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面即非球面APS1～APS6的非球面的系数。

图11是实施例3的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70中的棱镜10具备：具有弱的负折射力的第1面S11；具有比较强的正折射力的第2面S12；具有比较弱的正折射力的第3面S13；具有比较弱的正折射力的第4面S14；和具有比较强的正折射力的第5面S15。投影透镜30具备：具有正折射力的第1透镜31；具有负折射力的第2透镜32；和具有正折射力的第3透镜33。若对实施例3的光学***的具体规格进行说明，则水平视角为20.1°、垂直视角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳径为5mm且焦点距离约为26mm。

图12（A）～12（F）及图13（A）～13（F）表示实施例3的像差。具体地说，图12（A）及12（B）表示X方向为10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图12（C）及12（D）表示X方向为0.0°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图12（E）及12（F）表示X方向为-10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差。图13（A）及13（B）表示X方向为10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图13（C）及13（D）表示X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图13（E）及13（F）表示X方向为-10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差。

实施例4

构成实施例4的投影透视装置中的棱镜及投影透镜的光学面的数据如以下的表13所示。

〔表13〕

关于构成实施例4的棱镜中的光学面，其横截面处的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏移量（偏心量）DCX如以下的表14所示。

〔表14〕

关于构成实施例4的棱镜中的各光学面，自由曲面的多项式展开后的系数如以下的表15所示。另外，在表15中，标记m、n是指系数Ak_m，n中的变量或次数。另外，标记FFSk（k=1～4）是指自由曲面即第1～第4面S11～S14中的第k面。

〔表15〕

构成实施例4的投影透视装置中的投影透镜的光学面的非球面的系数如以下的表16所示。

〔表16〕

在以上的表16中，标记K，Bi表示用于特定构成投影透镜30的3个透镜31、32、33的透镜面即非球面APS1～APS6的非球面的系数。

图14是实施例4的投影透视装置70的剖视图。在此，尤其是投影透视装置70中除了棱镜10外还有反射镜412，棱镜10与反射镜412协同工作而进行影像光GL的导波。投影透视装置70中的棱镜10具备：具有弱的负折射力的第1面S11；具有比较强的正折射力的第2面S12；具有比较弱的正折射力的第3面S13；和具有比较强的正折射力的第4面S14。投影透视装置70中的反射镜412具有作为平坦的反射面的第5面S15。投影透镜30具备具有正折射力的第1透镜31、具有负折射力的第2透镜32和具有正折射力的第3透镜33。在投影透视装置70中，反射镜412在第5面S15对影像光GL进行反射，使其导波到棱镜10的第1面～第4面S11～S14中的光入射面即第4面S14。棱镜10将从第4面S14入射的影像光GL按第1面S11、第3面S13、第1面S11和第2面S12的顺序反射，并将其从第1面S11出射。若对实施例4的光学***的具体规格进行说明，则水平视角为20.1°、垂直视角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳径为5mm且焦点距离约为26mm。

图15（A）～15（F）及图16（A）～16（F）表示实施例4的像差。具体地说，图15（A）及15（B）表示X方向为10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图15（C）及15（D）表示X方向为0.0°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图15（E）及15（F）表示X方向为-10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差。图16（A）及16（B）表示X方向为10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图16（C）及16（D）表示X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图16（E）及16（F）表示X方向为-10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差。

实施例5

构成实施例5的投影透视装置中的棱镜及投影透镜的光学面的数据如以下的表17所示。

〔表17〕

关于构成实施例5的棱镜中的光学面，其横截面处的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏移量（偏心）DCX如以下的表18所示。

〔表18〕

对于构成实施例5的棱镜中的各光学面，自由曲面的多项式展开后的系数如以下的表19所示。另外，在表19中，标记m、n是指系数Ak_m，n中的变量或次数。另外，标记FFSk（k=1～5）是指自由曲面即第1～第5面S11～S15中的第k面。

〔表19〕

构成实施例5的投影透视装置中的投影透镜的光学面的非球面的系数如以下的表20所示。

〔表20〕

在以上的表20中，标记K、Bi表示用于特定构成投影透镜30的2个透镜31、32的透镜面即非球面APS1～APS4的非球面的系数。

图17是实施例5的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70中的棱镜10具备：具有弱的负折射力的第1面S11；具有比较强的正折射力的第2面S12；具有比较弱的正折射力的第3面S13；具有比较弱的正折射力的第4面S14；和具有比较强的正折射力的第5面S15。投影透镜30具备：具有正折射力的第1透镜31；和具有正折射力的第2透镜32。若对实施例5的光学***的具体规格进行说明，则水平视角为20.1°、垂直视角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳径为5mm且焦点距离约为26mm。

图18（A）～18（F）及图19（A）～19（F）表示实施例5的像差。具体地说，图18（A）及18（B）表示X方向为10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图18（C）及18（D）表示X方向为0.0°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图18（E）及18（F）表示X方向为-10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差。图19（A）及19（B）表示X方向为10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图19（C）及19（D）表示X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图19（E）及19（F）表示X方向为-10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差。

实施例6

构成实施例6的投影透视装置中的棱镜及投影透镜的光学面的数据如以下的表21所示。

〔表21〕

关于构成实施例6的棱镜中的光学面，其横截面处的光轴倾斜角度（倾角）TLY和光轴偏移量（偏心）DCX如以下的表22所示。

〔表22〕

对于构成实施例6的棱镜中的各光学面，自由曲面的多项式展开后的系数如以下的表23所示。另外，在表23中，标记m、n是指系数Ak_m，n中的变量或次数。另外，标记FFSk（k=1～5）是指自由曲面即第1～第5面S11～S15中的第k面。

〔表23〕

构成实施例6的投影透视装置中的投影透镜的光学面的非球面的系数如以下的表24所示。

〔表24〕

在以上的表24中，标记K、Bi表示用于特定构成投影透镜30的1个透镜31的透镜面即非球面APS1～APS2的非球面的系数。

图20是实施例6的投影透视装置70的剖视图。投影透视装置70中的棱镜10具备：具有弱的负折射力的第1面S11；具有比较强的正折射力的第2面S12；具有比较弱的正折射力的第3面S13；具有比较弱的正折射力的第4面S14；和具有比较强的正折射力的第5面S15。投影透镜30具备具有正折射力的第1透镜31。若对实施例6的光学***的具体规格进行说明，则水平视角为20.1°、垂直视角为11.4°、影像显示元件的显示区域的大小为9.22×5.18mm、瞳径为5mm且焦点距离约为26mm。

图21（A）～21（F）及图22（A）～22（F）表示实施例6的像差。具体地说，图21（A）及21（B）表示X方向为10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图21（C）及21（D）表示X方向为0.0°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差，图21（E）及21（F）表示X方向为-10°且Y方向为5.7°的方位处的Y及X方向的像差。图22（A）及22（B）表示X方向为10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图22（C）及22（D）表示X方向为0.0°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差，图22（E）及22（F）表示X方向为-10°且Y方向为0.0°的方位处的Y及X方向的像差。

关于各实施例1～6，在下面的表25中汇总了与条件式（1）～（3）相关的数值数据等。该情况下，下述系数都满足条件式（1）～（3）的要件。

表25

实施例1

实施例2

实施例3

实施例4

实施例5

实施例6

A12，0

-5.080E-03

-1.223E-02

-1.357E-04

-1.517E-02

-5.066E-03

-7.481E-03

A10，2

-1.008E-02

-1.580E-02

-1.360E-02

-1.755E-02

-2.813E-02

-2.545E-02

A32，0

-1.168E-02

-1.609E-02

-8.252E-03

-1.683E-02

-8.481E-03

-9.377E-03

A30，2

-1.174E-02

-1.540E-02

-1.210E-02

-1.476E-02

-1.024E-02

-1.165E-02

A12，0+A10，2

-1.516E-02

-2.803E-02

-1.374E-02

-3.272E-02

-3.320E-02

-3.293E-02

A32，0+A30，2

-2.342E-02

-3.149E-02

-2.035E-02

-3.160E-02

-1.872E-02

-2.102E-02

A12，0-A10，2

4.997E-03

3.576E-03

1.346E-02

2.377E-03

2.306E-02

1.797E-02

A12，0-A32，0

6.605E-03

3.863E-03

8.117E-03

1.662E-03

3.415E-03

1.896E-03

A10，2-A30，2

1.662E-03

-4.009E-04

-1.502E-03

-2.785E-03

-1.789E-02

-1.380E-02

另外，关于各实施例1～6，在下面的表26中汇总了第1面S11与第3面S13的间隔及第2面S12相对于第1面S11的倾斜角相关的数值数据。

表26

另外，条件式（3）影响了棱镜相对于外光的视度，在将棱镜的厚度设为T且将折射率设为N（=Nd（各实施例））时，棱镜的光轴上的x轴方向的视度Dx及y轴方向的视度Dy为：

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）

根据上式，在下面的表27中汇总了关于各实施例1～6的视度的数值数据。

表27

其他

以上通过各实施方式说明了本发明，但是本发明不限于所述的实施方式，在不脱离其要旨的范围能够按各种形态来实施，例如还能够进行如下变形。

在所述的说明中，半透射半反射镜层（半透射反射膜）15形成为横长的矩形区域，但是，半透射半反射镜层15的轮廓也能够根据用途以及其他使用方式而适宜变更。另外，半透射半反射镜层15的透射率和/或反射率也能够根据用途以及其他条件而变更。

在所述的说明中，未特别调整影像显示元件82中的显示辉度的分布，在因位置而产生辉度差等情况下，能够将显示辉度的分布不均匀地调整。

在所述的说明中，采用包括透射型的液晶显示器件等的影像显示元件82作为图像显示装置80，但是，图像显示装置80不限于包括透射型的液晶显示器件等的影像显示元件82，也能够采用各种元件。例如，采用反射型的液晶显示器件的构成也可以，也可以取代包括液晶显示器件等的影像显示元件82而采用数字微镜器件等。另外，作为图像显示装置80也能够采用以LED阵列和/或OLED（有机EL）等为代表的自发光型元件。

在所述实施方式中，采用包括透射型的液晶显示器件等的图像显示装置80，也可以取而代之，采用扫描型的图像显示装置。

具体如图23所示，作为虚像显示装置的第1显示装置100A具备导光部20和图像显示装置380。导光部20与所述实施方式的图1中的第1光学部分103a相当，即与将棱镜10和光透射部件50接合而成的部件相当，因此这里省略说明。图像显示装置380是形成强度调制后的信号光并且将该信号光作为扫描光TL出射的装置，具有信号光形成部381和扫描光学***382。

信号光形成部381具备光源，出射根据来自未图示的控制电路的控制信号调制而形成的信号光LL。扫描光学***382对经过了信号光形成部381的信号光LL一边进行扫描一边使其出射。这里，扫描光学***382由MEMS镜等构成，进行2维扫描，即通过与信号光形成部381对信号光LL进行的调制同步地改变姿势来调整信号光LL的光路从而使光线（扫描光TL）的出射角度纵横变化。通过以上构成，图像显示装置380使应该成为影像光GL的扫描光TL入射导光部20并且使其对第2面S12中形成半透射半反射镜层15的部分区域的整体进行扫描。

若对图示的第1显示装置100A的工作进行说明，则图像显示装置380如上所述地，将信号光LL作为扫描光TL向导光部20的第5面S15出射。导光部20使通过第5面S15后的扫描光TL通过全反射等在内部导光、到达半透射半反射镜层15。此时，在半透射半反射镜层15的面上，通过扫描扫描光TL，由作为扫描光TL的轨迹的图像光GL形成虚像，佩戴者用眼睛EY捕捉到该虚像，从而识别图像。另外，在图示的情况下，导光部20中的光入射面即第5面S15成为与扫描光TL的光轴垂直的平面。另外，第4面S14也为平面。

另外，在所述实施方式中，为导光部件即棱镜10和辅助棱镜即光透射部件50覆盖佩戴者的眼睛EY的整个前方的构成，但是不限于此，例如图24（A）及24（B）所示，也可以为：包括具有半透射半反射镜层15的曲面形状即第2面S12的部分仅仅覆盖眼睛EY的一部分，即既有覆盖眼前的部分也有不覆盖的部分的小型结构。另外，该情况下，通过使棱镜10及光透射部件50足够小，即使设为不透视而配置全反射镜以取代半透射半反射镜层15的构成，佩戴者也能够从棱镜10及光透射部件50周围观察到外界。另外，在图示的情况下，在第2面S12的整体或基本整体形成半透射半反射镜层15，但是，也可以仅仅在第2面S12的一部分形成半透射半反射镜层15。另外，在图24（B）的例中，在眼睛EY的大致正面配置了半透射半反射镜层15，但是，也可以从正面错开地配置半透射半反射镜层15，设为能够通过移动视线来观看影像。例如，也可以稍微降低眼睛EY的位置（稍微提高棱镜10及光透射部件50的位置）。该情况下，成为从棱镜10及光透射部件50的下方能看到例如眼睛EY的下半部分的状态。

在所述的说明中，说明了具备一对显示装置100A、100B的虚像显示装置100，但是也可以为单一的显示装置。即，也可以不是与右眼及左眼的双方相对应地各设置一组投影透视装置70及图像显示装置80，而是仅仅对右眼或左眼中的任一方设置投影透视装置70及图像显示装置80而形成单眼观察图像的构成。

在所述的说明中，未说明一对显示装置100A、100B的X方向的间隔，但是两个显示装置100A、100B的间隔不限于固定，也可以通过机械机构等进行间隔的调整。即，两个显示装置100A、100B的X方向的间隔能够根据佩戴使用者的眼宽等进行调整。

在所述的说明中，半透射半反射镜层15是单一的半透射性膜（例如金属反射膜和/或电介质多层膜），但是半透射半反射镜层15也能够置换为平面或曲面的全息元件。

在所述的说明中，具体说明了虚像显示装置100为头戴显示器的情况，但是虚像显示装置100也能够改变为平视显示器。

在所述的说明中，在棱镜10的第1面S11及第3面S13，不在表面上设置镜和/或半透射半反射镜等而是通过与空气的界面使影像光全反射而引导，但是，关于本申请发明的虚像显示装置100中的全反射，也包括在第1面S11或第3面S13上的整体或一部分形成镜涂层和/或半透射半反射镜膜所进行的反射。例如，也包括在图像光的入射角度满足全反射条件的基础上，在所述第1面S11或第3面S13的整体或一部分设置镜涂层等而实质上使全部图像光反射的情况。另外，只要能够获得足够亮度的图像光，也可以用稍微具有透射性的镜来涂敷第1面S11或第3面S13的整体或一部分。

在所述的说明中，棱镜10等沿眼睛EY排列的横向延伸，但是，也能够将棱镜10配置为纵向延伸。该情况下，光学部件110具有不是直列而是并列地平行配置的结构。

Claims (18)

1.一种虚像显示装置，其特征在于，使影像光和外界光同时被观看，具备：

产生影像光的影像元件；和

一个棱镜，其包括3面以上的非轴对称的曲面并且作为光学***的一部分在内部形成中间像，

在通过构成所述棱镜的多个面中的第1面和第3面来观看外界时，视度大致为0，

所述第1面和所述第3面相对于观察侧呈凹面形状，

来自所述影像元件的影像光在所述第1面全反射、在所述第3面全反射、再次在所述第1面全反射并在第2面反射后，透射所述第1面而到达观察侧。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于，

在以构成所述光学***的各面的原点为基准、将面形状的表达式设为关于从原点沿切线方向延伸的正交坐标x及y进行多项式展开所得的展开式时，将表示第k面的多项式的项x^m·yⁿ的系数设为Ak_m，n，则满足下述（1）至（3）的条件，

－5×10^－2＜A1_2，0＋A1_0，2＜－1×10^－3以及

－5×10^－2＜A3_2，0＋A3_0，2＜－1×10^－3     …     （1）

｜A3_2，0－A3_0，2｜＜5×10^－2     …     （2）

｜A1_2，0－A3_2，0｜＜2×10^－2以及

｜A1_0，2－A3_0，2｜＜2×10^－2     …     （3）。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其特征在于，

在所述第2面形成有半透射半反射镜，向观察者示出影像光，并且在所述第2面的外侧一体配置有光透射部件，使得对于外界光的视度大致为0，来将外界光和影像光重叠地向观察者示出。

4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述光透射部件在观察者侧具有第1透射面和第2透射面并且在外界侧具有第3透射面，所述棱镜的第2面和所述光透射部件的第2透射面具有大致相同的曲面形状，所述第2面和所述第2透射面一体化。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

还具备使来自所述影像元件的影像光入射所述棱镜的投影透镜，

至少所述棱镜的一部分和所述投影透镜构成形成中间像的中继光学***。

6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述投影透镜包括轴对称的透镜，包括至少1面以上的非球面。

7.根据权利要求5或6所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述棱镜具有第4面，该第4面将从所述投影透镜入射到内部的影像光导向所述第1面。

8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述棱镜具有与所述投影透镜相对配置的第5面，该第5面使从所述投影透镜出射的影像光入射并将其导向所述第4面。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述棱镜具有：具备所述第1面、所述第2面和所述第3面的光出射侧的第1棱镜部分；和光入射侧的第2棱镜部分，所述第1棱镜部分和所述第2棱镜部分一体形成。

10.根据权利要求9所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述第2棱镜部分具有至少一个以上的光学面，由所述影像元件、所述投影透镜和所述棱镜中的至少包括所述第2棱镜部分的部分来形成中间像。

11.根据权利要求10所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述影像元件是从显示位置出射影像光的影像显示元件，

所述投影透镜和所述棱镜中的至少包括所述第2棱镜部分的部分，作为所述中继光学***，使从所述影像显示元件的显示位置出射的影像光在所述棱镜的内部成像而形成中间像。

12.根据权利要求11所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述第2棱镜部分具有第4面，该第4面配置于所述第1棱镜部分的所述第3面的光入射侧，将从所述投影透镜入射到内部的影像光导向所述第1面，

所述第1棱镜部分在所述第1面具有：对经过了所述第2棱镜部分的所述第4面的影像光进行第1次全反射的第1区域和进行第2次全反射的第2区域，

由所述投影透镜、所述第2棱镜部分和所述第1棱镜部分中的包括所述第1区域的部分形成中间像。

13.根据权利要求12所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述第1及第2棱镜部分，在所述第1面的所述第1区域的前或后，或者跨所述第1区域的前后，形成中间像。

14.根据权利要求12或13所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述第2棱镜部分具有：与所述投影透镜相对配置、使从所述投影透镜出射了的影像光入射并将该影像光导向所述第4面的第5面；和由所述第4面和所述第5面夹着所形成的第6面。

15.根据权利要求1到14中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述第1面与所述第3面的间隔在5mm以上且15mm以下。

16.根据权利要求1到15中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述第2面相对于所述第1面的倾斜角在20°以上且40°以下。

17.根据权利要求1到16中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

包括所述棱镜的所述光学***在佩戴时覆盖观察者的眼前中的一部分，使得存在眼前未被覆盖的部分。

18.根据权利要求1到17中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于，

所述影像元件具有：信号光形成部，其出射与图像相对应地被调制后的信号光；和扫描光学***，其通过使从所述信号光形成部入射的信号光进行扫描而使得该信号光作为扫描光出射。