CN113467087B - 虚像显示装置 - Google Patents

Abstract

虚像显示装置。当投射光学***的光轴配置在与基准平面交叉的方向上时，防止图像光的倾斜或旋转，基准平面包含从凹面镜朝向射出光瞳的光轴。虚像显示装置具有：图像光生成装置(11)；投射光学***(21)，其投射从图像光生成装置射出的图像光；折返镜(22)，其对来自投射光学***的图像光进行反射；半透过镜(23)，其反射来自折返镜的图像光的一部分；凹面镜，其将由半透过镜反射后的图像光朝向半透过镜反射而形成射出光瞳，投射光学***的光轴配置在与基准平面交叉的方向上，基准平面包含从折返镜朝向半透过镜的光轴和从凹面镜朝向射出光瞳的光轴，图像光生成装置的显示区域(11a)与折返镜和半透过镜的配置倾斜相对应地倾斜配置。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及作为头戴式显示器等的虚像显示装置，特别涉及通过使用半透过反射面使图像光入射到凹面镜并观察来自凹面镜的反射光的类型的虚像显示装置。

背景技术

作为具有半透过反射面和凹面镜的虚像显示装置，例如存在具有组装了半透过反射面的棱镜部件的虚像显示装置(参照专利文献1)。记载了在该装置中，由棱镜部件的全反射面将入射到棱镜部件的图像光朝向半透过反射面进行全反射，并且通过半透过反射面将图像光朝向配置在棱镜部件前方的聚光反射面进行反射。在该虚像显示装置中，通过附装于投射光学部件的棱镜反射镜使来自显示设备的沿着横向射出的图像光弯折而入射到配置于下方的棱镜部件。

专利文献1：日本特开2020-008749号公报

在上述专利文献1的虚像显示装置中，为了在棱镜部件中使外界侧的面和使用者侧的面平行，需要贴合2个棱镜，光学***变重，并且由于必须将凹面镜配置在棱镜部件的外界侧，所以有时凹面镜部分较厚地突出。

并且，在组合了半透过反射面和凹面镜的虚像显示装置中，基于紧凑化和时尚外观的要求，有时需要将半透过反射面的倾斜调整为期望的程度，或者将投射光学***的光轴弯折到期望的方向以与包含凹面镜的中心光轴的铅直面交叉。在这样的情况下，有可能产生图像光的倾斜或旋转，需要对其进行校正而显示没有倾斜的图像。

发明内容

本发明一个方面的虚像显示装置具有：图像光生成装置；投射光学***，其投射从图像光生成装置射出的图像光；折返镜，其对来自投射光学***的图像光进行反射；半透过镜，其使来自折返镜的图像光的一部分反射或透过；以及凹面镜，其将经过了半透过镜的图像光朝向半透过镜进行反射而形成射出光瞳，投射光学***的光轴配置在与基准平面交叉的方向上，该基准平面包含从折返镜朝向半透过镜的光轴和从凹面镜朝向射出光瞳的光轴，图像光生成装置的显示区域与折返镜和半透过镜的配置的倾斜相对应地倾斜配置。

附图说明

图1是说明第1实施方式的虚像显示装置的佩戴状态的外观立体图。

图2是说明图1的虚像显示装置等的结构的概念性立体图。

图3是图1的虚像显示装置的俯视图和侧视图。

图4是对图像光生成装置的倾斜配置进行说明的立体图。

图5是对第2反射镜等的倾斜和图像光生成装置的倾斜配置之间的关系进行说明的图。

图6是第2实施方式的虚像显示装置的俯视图和侧视图。

图7是第3实施方式的虚像显示装置的后视图和侧视图。

图8是第4实施方式的虚像显示装置的侧视图和俯视图。

图9是第5实施方式的虚像显示装置的侧视图。

图10是第6实施方式的虚像显示装置的侧视图。

图11是说明变形例的虚像显示装置的侧视图。

标号说明

11：图像光生成装置；11a：显示区域；12：光学单元；13：显示控制电路；21：投射光学***；22：折返镜；22a：第1反射镜；22b：第2反射镜；23：半透过镜；23a：平行平板；24：凹面镜；24a：板状体；28：连结部件；100：虚像显示装置；100A、100B：显示装置；100C：支承装置；102：显示驱动部；103：外观部件；122a：单一的反射镜；AX0：投射光轴；AX1、AX2：反射光轴；AXE：射出光轴；EA1、EA2：有效区域；EP：射出光瞳；H：横轴；II：中间像；LP：周边光；LPa、LPb、LPc：光线；MC：凹面反射面；ML：图像光；MS1、MS12、MS2、MS3：平面反射面；MX：轴线；OL：外界光；PI：入射光瞳；PL1、PL2：平面；SP1：基准平面；SP2、SP3：平面；SS：基准面；US：佩戴者。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，参照附图，对本发明第1实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元进行说明。

图1是说明头戴式显示器(以下也称为HMD。)200的外观的立体图，使佩戴它的观察者或佩戴者US看到作为虚像的影像。在图1等中，X、Y和Z是正交坐标系，+X方向对应于佩戴HMD 200或虚像显示装置100的观察者或佩戴者US的双眼EY排列的横向，+Y方向相当于对于佩戴者US而言的与双眼EY排列的横向垂直的朝上方向，+Z方向相当于对于佩戴者US而言的前方或正面方向。±Y方向与铅直轴平行。

HMD 200具有右眼用的第1显示装置100A、左眼用的第2显示装置100B、以及支承显示装置100A和100B的镜腿状支承装置100C。第1显示装置100A由配置在上部的显示驱动部102、和呈眼镜镜片状地覆盖眼前的外观部件103构成。第2显示装置100B也同样地，由配置在上部的显示驱动部102、和呈眼镜镜片状地覆盖眼前的外观部件103构成。支承装置100C经由显示驱动部102支承外观部件103的上端侧。第1显示装置100A和第2显示装置100B在光学上使左右反转，之后，将右眼用的第1显示装置100A作为代表性的虚像显示装置100来进行说明。

图2是说明作为右眼用的显示装置100A的虚像显示装置100的立体图，图3是说明虚像显示装置100的光学结构的图。在图3中，第1区域AR1是图像光生成装置11和光学单元12的俯视图，第2区域AR2是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图。

如图2所示，虚像显示装置100具有图像光生成装置11、光学单元12和显示控制电路13。但是，在本说明书中，从达到光学功能的观点来看，将除了显示控制电路13以外的部分也称为虚像显示装置100。

图像光生成装置11是自发光型的显示设备，例如是有机EL(有机电致发光，Organic Electro-Luminescence)元件，在二维的显示区域11a上形成彩色的静态图像或动态图像。图像光生成装置11被显示控制电路13驱动而进行显示动作。图像光生成装置11的显示区域11a将在后面详细叙述，根据光学单元12中的光路倾斜而倾斜地配置。在图示的例子中，图像光生成装置11具有朝向+X方向即从图像光生成装置11的背后看沿顺时针方向旋转地倾斜的显示区域。图像光生成装置11不限于有机EL元件，能够置换为无机EL元件、LED阵列、有机LED、激光阵列、量子点发光型元件等。图像光生成装置11不限于自发光型的图像光生成装置，也可以由LCD等其他的光调制元件构成，通过由背光源那样的光源对该光调制元件进行照明而形成图像。作为图像光生成装置11，也可以代替LCD而使用LCOS(Liquidcrystal on silicon，硅上液晶，LCoS为注册商标)或数字微镜器件等。

如图2和图3所示，光学单元12具有投射光学***21、折返镜22、半透过镜23和凹面镜24。在此，从图像光生成装置11到折返镜22的光路配置于半透过镜23的上侧。在光学单元12中，作为投射光学***21的光轴的投射光轴AX0相对于与YZ面平行的假想平面、即基准平面SP1配置在交叉的方向上，该基准平面SP1包含：作为从折返镜22朝向半透过镜23的光轴的反射光轴AX2；以及作为从凹面镜24朝向射出光瞳EP的光轴的射出光轴AXE。基准平面SP1包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX。在该光学单元12中，例如反射光轴AX2相对于作为铅直方向的Y方向形成角度，通过折返镜22和半透过镜23形成了倾斜、扭转和弯折的光路。投射光轴AX0、反射光轴AX2以及射出光轴AXE是从图像光生成装置11的显示区域11a射出的图像光ML中的、来自显示区域11a的中心的主光线所通过的轴。

投射光学***21投射从图像光生成装置11射出的图像光ML。投射光学***21使从图像光生成装置11射出的图像光ML以成像的方式会聚并向折返镜22入射。投射光学***21不限于单透镜，在图3所示的例子中包含3个透镜21a、21b、21c，但也可以由2个或4个以上的透镜构成。透镜21a、21b、21c不限于球面透镜，也可以是非球面透镜。作为投射光学***21的光轴的投射光轴AX0与横向X轴方向平行地延伸。

折返镜22按照从图像光生成装置11起的光路顺序，包含第1反射镜22a和第2反射镜22b。折返镜22将来自投射光学***21的图像光ML朝交叉方向进行反射。这里，交叉方向是相对于投射光轴AX0形成大于0°的角度的方向，包含处于扭转关系的方向。在本实施方式的情况下，通过2个反射镜22a、22b，光路向处于扭转关系的垂直方向弯折。在第2反射镜22b的光射出侧，配置有后述的半透过镜23，有时也将半透过镜23称为第3反射镜。在折返镜22的近前，即、相对于图像光ML的行进方向反向的图像光生成装置11侧，配置有虚像显示装置100的入射光瞳PI。

第1反射镜22a是平板状的光学部件，具有平面反射面MS1。第1反射镜22a的平面反射面MS1由金属膜或电介质多层膜构成。该情况下，在平板平面上，通过蒸镀等形成由例如Al、Ag那样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜。第1反射镜22a通过平面反射面MS1使沿横向X方向行进的图像光ML向前方弯折而入射到第2反射镜22b。此时，作为投射光学***21的光轴的投射光轴AX0与从第1反射镜22a朝向第2反射镜22b的反射光轴AX1交叉。反射光轴AX1沿YZ面向+Z方向和-Y方向延伸，向前方斜下方倾斜。第1反射镜22a通过未图示的部件被固定在图1所示的显示驱动部102的框架上。

第1反射镜22a或平面反射面MS1在以沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，成为相对于XY面从上方观察绕Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α1＝45°的状态。平面反射面MS1的法线从上方看在+Z方向和-X方向的中间方向、且相对于+Z方向和-X方向分别成45°的方向上延伸。另外，第1反射镜22a成为绕X轴也朝向第2反射镜22b稍微伏倒地倾斜的状态。

第2反射镜22b是平板状的光学部件，具有平面反射面MS2。第2反射镜22b的平面反射面MS2由金属膜或电介质多层膜构成。该情况下，在平板平面上，通过蒸镀等形成由例如Al、Ag那样的金属形成的单层膜或多层膜所构成的反射膜。第2反射镜22b通过平面反射面MS2使朝前方行进的图像光ML向后方弯折而入射到作为第3反射镜的半透过镜23。此时，从第1反射镜22a朝向第2反射镜22b的反射光轴AX1与从第2反射镜22b朝向半透过镜23的反射光轴AX2交叉。反射光轴AX2沿YZ面向-Z方向和-Y方向延伸，向后方斜下方倾斜。第2反射镜22b通过未图示的部件被固定在图1所示的显示驱动部102的框架上。

第2反射镜22b或平面反射面MS2配置成与XY面所成的角度小于45°，XY面是与作为轴线的射出光轴AXE垂直的平面。更具体而言，在以沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，平面反射面MS2相对于XY面，成为从图像光生成装置11观察即朝向+X方向绕X轴沿逆时针方向倾斜了角度α2＝20～40°左右的状态。平面反射面MS2的法线处于与YZ面平行的面内，成为与-Y方向相比在-Z方向上多倾斜了5°～25°左右的状态。

半透过镜23是作为具有半透过性的表面反射镜发挥作用的平板状的光学部件，具有平面反射面MS3。半透过镜23是反射来自第2反射镜22b的图像光ML的第3反射镜。半透过镜23在具有均匀厚度且具有透过性的平行平板23a的一个面23f上形成金属膜或电介质多层膜来作为平面反射面MS3。平面反射面MS3的反射率和透射率例如被设定为50％左右。另外，能够在平行平板23a的另一个面23r上形成防反射膜。半透过镜23通过平面反射面MS3使向斜后方向行进的图像光ML向前方弯折而入射到凹面镜24。此时，从第2反射镜22b朝向半透过镜23的反射光轴AX2与从半透过镜23朝向凹面镜24的射出光轴AXE交叉。射出光轴AXE与凹面镜24的轴线MX一致，向+Z方向即前方延伸。在此，凹面镜24的轴线MX通常是指凹面镜24的旋转对称轴。例如，在凹面镜24从旋转对称的形状偏离的情况下，凹面镜24的轴线MX是指穿过射出光轴AXE与凹面镜24的交点、且该交点处的相对于凹面镜24的切平面的法线。半透过镜23配置在凹面镜24与配置有眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP之间并覆盖射出光瞳EP。半透过镜23能够直接或间接地固定到图1所示的显示驱动部102的框架上，能够成为适当地设定了相对于凹面镜24等的配置关系的状态。

半透过镜23或平面反射面MS3配置成与XY面所成的角度小于45°，XY面是与作为轴线的射出光轴AXE垂直的平面。更具体而言，在以沿铅直方向延伸的XY面为基准的情况下，平面反射面MS3相对于XY面，成为从图像光生成装置11观察即朝向+X方向绕X轴沿逆时针方向倾斜了角度α3＝20～40°左右的状态。平面反射面MS3的法线NL处于与YZ面平行的面内，成为相对于Z轴沿逆时针倾斜了20°～40°左右的状态。如上所述，半透过镜23配置成使得作为铅直轴的Y轴与半透过镜23所成的角度小于45°。假设由Y轴和半透过镜23所成的角度大于45°，则半透过镜23处于从标准倒下的状态，半透过镜在Z轴方向上的厚度增大，当Y轴和半透过镜23所成的角度小于45°时，半透过镜23成为从标准立起的状态，半透过镜在Z轴方向上的厚度减小。其结果，即，通过如本实施方式那样使Y轴与半透过镜23所成的角度小于45°，能够避免半透过镜23成为以凹面镜24为基准向背面的-Z方向大幅突出的配置，能够避免虚像显示装置100或光学单元12的前后在Z方向上的厚度增大。

凹面镜24是作为半透过性的表面反射镜发挥作用的弯曲光学部件，包含朝向射出光瞳EP具有凹形状的凹面反射面MC。凹面镜24在具有均匀厚度且具有透过性的弯曲板状体24a的一个面24r上形成金属膜或电介质多层膜来作为凹面反射面MC。平面反射面MS3的反射率例如被设定为20～50％左右。另外，能够在板状体24a的另一个面24f上形成防反射膜。凹面反射面MC不限于球面，可以是非球面。凹面镜24反射由半透过镜23反射并朝前方行进的图像光ML，使其在返回半透过镜23的同时部分地透过半透过镜23并会聚在射出光瞳EP处。此时，从半透过镜23朝向凹面镜24的射出光轴AXE与被凹面镜24折返并朝向射出光瞳EP的射出光轴一致。射出光瞳EP位于与配置于折返镜22近前的入射光瞳PI共轭的位置处。

凹面镜24被组装成构成图1所示的外观部件103的一部分。即，通过在凹面镜24的周围以扩展的方式设置具有透过性或不具有透过性的板状部件，能够形成包含凹面镜24的外观部件103。外观部件103不限于眼镜镜片状，可以是各种轮廓或外观。

如上所述，第2反射镜22b不与半透过镜23平行。即，相对于作为半透过镜23的倾斜角度的角度α3，作为第2反射镜22b的倾斜角度的角度α2不同。结果，当考虑投射光学***21的投射光轴AX0时，即，当沿着投射光轴AX0观察时，与图像的横向对应的横轴H旋转，以相对于水平的Z方向形成倾斜角θ。在图像光生成装置11的显示区域11a如图示那样为矩形的情况下，图像的横轴H与其横边对应。当考虑穿过射出光瞳EP的射出光轴AXE时，即，当沿着射出光轴AXE观察时，图像的横轴H相当于与X方向平行地延伸的HD。

参照图4，对使图像光生成装置11的显示区域11a绕投射光轴AX0旋转的倾斜配置进行说明。这里，考虑从显示区域11a中的偏离投射光轴AX0的周边部射出的周边光LP。当从第1反射镜22a朝向第2反射镜22b的光线LPa偏离由从第2反射镜22b朝向半透过镜23的光线LPb、和从半透过镜23朝向凹面镜24的光线LPc形成的面SI时，图像旋转，从避免被观察的虚像的倾斜的观点出发，需要进行使图像光生成装置11或显示区域11a从沿着坐标轴的标准配置绕投射光轴AX0旋转或倾斜的姿势调整。

参照图5，具体说明第2反射镜22b或半透过镜23的倾斜对图像光生成装置11的姿势的影响。在图5中，第1区域BR1是通常的光学单元12的侧视图，第2区域BR2是通常的光学单元12的俯视图。在通常的光学单元12中，不仅第1反射镜22a从上方看成为相对于XY面绕Y轴沿顺时针方向旋转地倾斜了角度α10＝45°的状态，第2反射镜22b也成为从图像光生成装置11的所在侧观察时相对于XY面绕X轴沿逆时针方向旋转地倾斜了角度α20＝45°的状态，并且，半透过镜23也成为相对于XY面从图像光生成装置11的所在侧观察时绕X轴沿逆时针方向旋转地倾斜了α30＝45°的状态。即，如图所示，处于基准状态的第2反射镜22b成为使与凹面镜24的轴线MX垂直的平面SP2绕与轴线MX垂直地延伸的水平轴HX2向+X方向沿逆时针方向倾斜了45°的状态。如图所示，处于基准状态的半透过镜23成为使与凹面镜24的轴线MX垂直的平面SP3绕与轴线MX垂直的水平轴HX3向+X方向沿逆时针方向倾斜了45°的状态。在这样的通常的光学单元12中，不产生像的旋转。

在此，若使图示的第2反射镜22b单独地如双点划线所示那样地绕X轴沿逆时针方向R1进一步倒下地进行旋转，则图像光ML的入射角变小，图像光生成装置11和显示区域11a需要如双点划线所示那样绕X轴沿逆时针方向旋转。例如，在使第2反射镜22b绕X轴沿逆时针方向R1旋转5°的情况下，通过使图像光生成装置11的显示区域11a绕X轴沿逆时针方向旋转10°，能够观察到从射出光瞳EP看没有倾斜的图像。反之，若使第2反射镜22b单独地绕X轴沿顺时针方向进一步立起地旋转，则图像光ML的入射角变大，图像光生成装置11和显示区域11a需要绕X轴沿顺时针方向旋转。另外，在以上的说明中，忽略显示区域11a的上下方向或±Y方向的平移移动。

此外，若使图示的半透过镜23单独地如双点划线所示那样地绕X轴沿逆时针方向R2进一步立起地进行旋转，则图像光ML的入射角变小，图像光生成装置11和显示区域11a需要如双点划线所示那样绕X轴沿逆时针方向旋转。例如，在使半透过镜23绕X轴沿顺时针方向R2旋转5°时，如果第2反射镜22b的姿势没有变化，则通过使图像光生成装置11绕X轴沿逆时针方向旋转10°，能够观察到从射出光瞳EP看没有倾斜的图像。反之，若使半透过镜23单独地绕X轴沿逆时针方向进一步倒下地旋转，则图像光ML的入射角变大，图像光生成装置11和显示区域11a需要绕X轴沿顺时针方向旋转。另外，在以上的说明中，忽略显示区域11a的上下方向或±Y方向的平移移动。

即，如果第2反射镜22b和半透过镜23平行，则结果是，即使不使图像光生成装置11旋转，也能够观察到没有倾斜的图像。在本实施方式中，如图3所示，使半透过镜23的角度α3和第2反射镜22b的角度α2不同(α3>α2)，第2反射镜22b从图5所示的基准状态立起的角度大于半透过镜23从图5所示的基准状态立起的角度。由此，能够实现与光路相关的设计自由度和光学***的空间节省，并为了对其进行补偿，以图像光生成装置11和显示区域11a的横轴H相对于水平的Z方向形成倾斜角θ的方式，使图像光生成装置11的显示区域11a沿顺时针方向旋转。其结果，图像的缺失消失，能够有效地灵活运用显示区域11a的画面整体。

下面，说明投射光学***21的投射光轴AX0的倾斜对图像光生成装置11的姿势的影响。首先，即使相对于图5所示的基准状态使投射光轴AX0以与第1反射镜22a的交点为基点绕Y轴旋转，显示区域11a也只是沿水平的XZ面与投射光轴AX0一起沿横向移动，不会产生绕投射光轴AX0旋转的倾斜。另一方面，若使投射光轴AX0绕不平行于Y轴的轴旋转，则显示区域11a绕投射光轴AX0旋转而产生图像倾斜的趋势。具体地，在以包含由第2反射镜22b反射前后的反射光轴AX1、AX2的平面PL1的法线且穿过来自第1反射镜22a的反射光轴AX1的起点的法线(具体而言，在图5的情况下，相当于包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX的基准平面SP1的法线NL0)为基准，从投射光学***21到第1反射镜22a的投射光轴AX0具有以绕由第1反射镜22a反射后的反射光轴AX1旋转的方式倾斜的成分时，使图像光生成装置11的显示区域11a与该倾斜相对应地旋转。例如，当以图像光生成装置11在-X侧向-Y侧下降的方式使投射光轴AX0旋转时，则是朝向正面沿顺时针方向的旋转，显示区域11a朝向+X方向沿顺时针方向旋转，反之，当以图像光生成装置11在-X侧向+Y侧上升的方式使投射光轴AX0旋转时，则是朝向正面沿逆时针方向的旋转，显示区域11a朝向+X方向沿逆时针方向旋转。

由第2反射镜22b和半透过镜23的相对角度引起的显示区域11a绕投射光轴AX0的旋转或倾斜、与由投射光轴AX0绕反射光轴AX1的旋转而引起的显示区域11a绕投射光轴AX0的旋转或倾斜以彼此相加的方式起作用，所以将它们综合，而以在射出光瞳的位置EP处抵消像的倾斜的方式设定显示区域11a的倾斜状态，由此能够进行倾斜少的图像显示。

参照图3，对折返镜22相对于半透过镜23和凹面镜24的配置关系进行说明。折返镜22配置在半透过镜23和凹面镜24之间。具体而言，第1反射镜22a和第2反射镜22b配置在将半透过镜23的平面反射面MS3假想延长的延长平面P21与铅直圆筒状曲面P11之间所夹的截面为楔形的空间内，该铅直圆筒状曲面P11是将凹面镜24的上端外侧沿铅直Y方向假想延长而得的。进而，为了满足更优选的条件，第1反射镜22a和第2反射镜22b配置在铅直平面P22和2次的近似曲面P12之间，该铅直平面P22是使半透过镜23的平面反射面MS3的上端沿铅直Y方向假想延长而得的，该2次的近似曲面P12是将凹面镜24的上端外侧假想延长而得的。以上，将延长平面P21与铅直圆筒状曲面P11之间所夹的空间称为截面为楔形的空间，但配置折返镜22的空间依赖于半透过镜23和凹面镜24的配置和形状，不限于截面为楔形，该铅直圆筒状曲面P11是将凹面镜24的上端外侧沿铅直Y方向假想延长而得的。在以下说明的其他实施方式和变形例中也同样如此。

投射光学***21和图像光生成装置11相对于半透过镜23和凹面镜24的配置关系也优选与折返镜22相对于半透过镜23和凹面镜24的配置关系相同，但受到投射光学***21的长度等尺寸上的限制。投射光学***21和图像光生成装置11优选配置在半透过镜23的延长平面P21和针对凹面镜24设定的铅直圆筒状曲面P11之间所夹持的截面为楔形的空间内，但在不容易实现该配置的情况下，优选将从图像光生成装置11的显示区域11a延伸到折返镜22的投射光轴AX0配置在延长平面P21和铅直圆筒状曲面P11之间。更优选的是，投射光学***21和图像光生成装置11配置在针对半透过镜23设定的铅直平面P22和针对凹面镜24设定的近似曲面P12之间，但在不容易实现该配置的情况下，优选将从显示区域11a延伸到折返镜22的投射光轴AX0配置在铅直平面P22和近似曲面P12之间。

构成折返镜22的第1反射镜22a和第2反射镜22b以避免遮挡凹面镜24的有效区域EA1和半透过镜23的有效区域EA2的方式配置。例如，对于有效区域EA1，在半透过镜23的附近用虚线表示。具体而言，从侧面看时，第2反射镜22b的位置被配置成，相比由有效区域EA1、有效区域EA2、和半透过镜23所反射的图像光ML的上下最端部的视场角光线所形成的区域，更靠近图像光生成装置11侧。在光学设计上，容易将构成折返镜22的第2反射镜22b朝-Y侧降低，但如果过度降低第2反射镜22b等，就会妨碍从射出光瞳EP的视野。这样，将折返镜22配置成避免遮挡凹面镜24和半透过镜23的有效区域EA1、EA2，能够防止过度降低折返镜22而在折返镜22与凹面镜24或半透过镜23之间产生干涉。即，从佩戴者US的眼睛EY或射出光瞳EP来看，折返镜22配置成不遮挡与影像区域对应的视场角。

若关于光路进行说明，则来自图像光生成装置11的图像光ML在被投射光学***21以成像的方式会聚后，被折返镜22的第1反射镜22a和第2反射镜22b依次反射而入射到半透过镜23。由半透过镜23反射例如50％左右后的图像光ML入射到凹面镜24，由凹面反射面MC以例如50％左右以下的反射率进行反射。由凹面镜24反射后的图像光ML入射到配置有佩戴者US的眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP。在半透过镜23和第2反射镜22b之间形成中间像II。中间像II是将在图像光生成装置11的显示区域11a上形成的图像适当放大后的像。穿过凹面镜24的外界光OL也入射到射出光瞳EP。即，佩戴HMD 200的佩戴者US能够与外界像重叠地观察基于图像光ML的虚像。

在以上说明的第1实施方式的虚像显示装置100中，图像光生成装置11的显示区域11a与折返镜22和半透过镜23的配置的倾斜相对应地倾斜配置，因此，即使因光路的设定而产生图像的倾斜或旋转，通过倾斜配置图像光生成装置11的显示区域11a以对其进行补偿，也能够显示由佩戴者US看来没有倾斜的图像。

[第2实施方式]

以下，说明第2实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第2实施方式的虚像显示装置等是将第1实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图6是说明第2实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。在图6中，第1区域CR1是图像光生成装置11和光学单元12的俯视图，第2区域CR2是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图。

在该情况下，当从上方看时，作为投射光学***21的光轴的投射光轴AX0成为相对于横向X轴方向绕铅直Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α0的状态。与此相对应，第1反射镜22a或平面反射面MS1在以相对于沿铅直方向延伸的XY面绕Y轴倾斜了45°的方向为基准的情况下，成为从上方看时相对于基准面SS绕Y轴沿顺时针方向倾斜了角度α1＝α0/2的状态。

在第2实施方式的虚像显示装置100和光学单元12中，图像光生成装置11和投射光学***21配置成，相对于包含半透过镜23的法线和与凹面镜24的轴线MX一致的射出光轴AXE的基准面(YZ面)的法线(与X轴平行的线)，在光路上游，投射光轴AX0向半透过镜23侧(即-Z侧)倾斜。

如上所述，只是第1反射镜22a以相对于XY面绕Y轴倾斜了45°的方向为基准，从上方看时相对于基准面SS绕Y轴沿顺时针方向进行了旋转，与第1实施方式的情况相同，以图像光生成装置11和显示区域11a的横轴H相对于水平方向形成倾斜角θ的方式，使图像光生成装置11等从背后看时绕投射光轴AX0沿顺时针方向进行了旋转。

[第3实施方式]

以下，说明第3实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第3实施方式的虚像显示装置等是将第1实施方式和第2实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图7是说明第3实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。在图7中，第1区域DR1是图像光生成装置11和光学单元12的后视图，第2区域DR2是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图。

在该情况下，作为投射光学***21的光轴的投射光轴AX0处于从背后朝向正面以横向X轴方向为基准绕水平的Z轴沿顺时针方向倾斜了角度α01的状态，但是从上方看，处于与横向X轴方向平行的状态。

在第3实施方式的虚像显示装置100和光学单元12中，以包含由第2反射镜22b反射前后的反射光轴AX1、AX2的平面PL1的法线且穿过来自第1反射镜22a的反射光轴AX1的起点的法线(具体而言，在图7的情况下，相当于包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX的基准平面SP1的法线NL0)为基准，从投射光学***21到第1反射镜22a的投射光轴AX0绕由第1反射镜22a反射后的反射光轴AX1旋转地倾斜，需要在图像光生成装置11的显示区域11a中使像旋转。具体而言，投射光轴AX0处于从背后朝向正面以横向X轴方向为基准绕水平的Z轴沿顺时针方向倾斜了角度α01的状态，显示区域11a需要朝向+X方向沿逆时针方向追加进行微小旋转。结果，与第1实施方式或第2实施方式的情况相同，以图像光生成装置11的显示区域11a的横轴H相对于水平方向形成倾斜角θ的方式，使图像光生成装置11的显示区域11a从背后看时绕投射光轴AX0沿顺时针方向进行了旋转。

[第4实施方式]

以下，说明第4实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第4实施方式的虚像显示装置等是将第1实施方式和第2实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图8是说明第4实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。在图8中，第1区域ER1是图像光生成装置11和光学单元12的侧视图，第2区域ER2是图像光生成装置11和光学单元12的俯视图。此时，折返镜22仅由单一的反射镜122a构成。反射镜122a的平面反射面MS12的法线沿-X方向、-Y方向以及-Z方向延伸。折返镜22将来自投射光学***21的图像光ML朝交叉方向进行反射。具体而言，投射光学***21的投射光轴AX0沿X方向延伸，从折返镜22朝向半透过镜23的反射光轴AX2沿YZ面被设定在-Y方向和-Z方向之间的斜向上。在该光学单元12中，反射光轴AX2相对于作为铅直方向的Y方向形成角度，通过折返镜22和半透过镜23形成了倾斜、扭转和弯折的光路。

虽然省略了图示，但在如上所述的光学单元12中，关于半透过镜23，以相对于与凹面镜24的轴线MX垂直的平面SP3的角度α3为45°地倾斜的状态为基准。另外，反射镜122a的基准状态如下：以XY面为基准，从上方看时相对于XY面绕Y轴沿顺时针方向旋转了45°，并且从图像光生成装置11或显示区域11a的所在侧看时绕X轴沿顺时针方向旋转了45°。基准状态的反射镜122a的法线成为相对于-X方向、-Y方向以及-Z方向分别倾斜了45°的状态。相对于此，在第4实施方式的虚像显示装置100中，半透过镜23的角度α3被设定为20～40°左右，以相对于基准的45°倾斜的状态配置。结果，从反射镜122a到半透过镜23的反射光轴AX2相对于标准Y轴倾斜角度β2＝90°-2×α3，反射镜122a处于从上述基准状态倾斜的状态，从图像光生成装置11等的所在侧观察，绕X轴沿顺时针方向旋转而立起。当沿着投射光轴AX0观察时，与图像的横向对应的横轴H旋转成与作为原本的长度方向的铅直Y方向形成倾斜角θ。当考虑穿过射出光瞳EP的射出光轴AXE时，即，当沿着射出光轴AXE观察时，图像的横轴H相当于与X方向平行地延伸的HD。

另外，假设光学单元12通常处于半透过镜23倾斜了角度α3＝45°、且反射镜122a相对于各轴方向倾斜了45°的基准状态，即使从背后看使反射镜122a绕前后的Z轴沿顺时针方向或逆时针方向旋转，也只是像的高度位置变化而不产生像的旋转，所以不需要使图像光生成装置11的显示区域11a绕投射光轴AX0旋转。另一方面，若使反射镜122a从上方看绕铅直的Y轴例如沿顺时针方向旋转，则产生像的旋转，需要使图像光生成装置11的显示区域11a与反射镜122a的旋转相应地，绕投射光轴AX0沿从图像光生成装置11的所在侧看时的顺时针方向旋转。具体而言，当反射镜122a绕Y轴倾斜5°时，显示区域11a倾斜7°。

在图8所示的状态下，由于反射光轴AX2相对于标准的Y轴倾斜，因此即便使反射镜122a绕与垂直于横轴H的纵轴V平行的轴旋转，也不需要使图像光生成装置11的显示区域11a绕投射光轴AX0旋转，但在使反射镜122a绕与横轴H平行的轴旋转时，则需要使图像光生成装置11的显示区域11a绕投射光轴AX0旋转。即，在以包含由半透过镜23反射前后的反射光轴AX2和射出光轴AXE的平面PL2的法线且穿过来自反射镜122a的反射光轴AX2的起点的法线(具体而言，在图8的情况下，相当于包含半透过镜23的法线NL和凹面镜24的轴线MX的基准平面SP1的法线NL0)为基准，从投射光学***21到反射镜122a的投射光轴AX0具有以绕由反射镜122a反射后的反射光轴AX2旋转的方式倾斜的成分时，需要在图像光生成装置11的显示区域11a中与该倾斜相对应地使像旋转。

[第5实施方式]

以下，说明第5实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第5实施方式的虚像显示装置等是将第1实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图9是说明第5实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。该情况下，使第1实施方式的虚像显示装置100上下反转。结果，图像光生成装置11、投射光学***21及折返镜22配置在半透过镜23和凹面镜24的下端以下。即，从图像光生成装置11到折返镜22的光路配置在半透过镜23的下侧。

[第6实施方式]

以下，说明第6实施方式的虚像显示装置及组装于其中的光学单元。第6实施方式的虚像显示装置等是将第4实施方式的虚像显示装置等局部地变更而得的，对共同部分省略说明。

图10是说明第6实施方式的虚像显示装置100的光学结构的图。这时，将凹面镜24配置在半透过镜23的下侧。

若关于光路进行说明，则来自图像光生成装置11的图像光ML经过投射光学***21后被构成折返镜22的单一的反射镜122a反射而入射到半透过镜23。例如以50％左右部分地透过半透过镜23的图像光ML入射到凹面镜24并由凹面反射面MC反射。由凹面镜24反射后的图像光ML被半透过镜23部分地反射，入射到配置有佩戴者US的眼睛EY或瞳孔的射出光瞳EP。穿过凹面镜24的外界光OL也入射到射出光瞳EP。

在该情况下，半透过镜23倾斜了角度α3＝45°，反射镜122a基本上是从背后观察绕前后的Z轴沿顺时针方向旋转了45°的状态，但使投射光轴AX0从上方看以-X方向为基准沿顺时针方向倾斜，产生像的旋转，从而需要使图像光生成装置11的显示区域11a与反射镜122a的旋转对应地绕投射光轴AX0旋转。

[变形例及其他]

以上根据实施方式说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种方式来实施，例如还能够进行如下变形。

在上述实施方式的虚像显示装置100中，作为图像光生成装置11，使用了有机EL元件等自发光型的显示设备或LCD等其他光调制元件，但是也可以代替它，构成为使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描器的激光扫描器。即，本发明还能够应用于激光视网膜投射型的头戴式显示器。

在图2、图3等中，第2反射镜22b与凹面镜24分开配置，但也可以通过第2反射镜22b的配置或角度的调整等设计，从凹面镜24向上侧连续地连结第2反射镜22b。

如图11所示，第2反射镜22b经由从凹面镜24的上端起延伸的连结部件28被连结。凹面镜24、第2反射镜22b以及连结部件28具有大致相等的厚度。另外，凹面镜24与连结部件28的边界平滑地变形，第2反射镜22b与连结部件28的边界平滑地变形。该情况下，图1所示的外观部件103可以是包含凹面镜24和第2反射镜22b的一体部件。

在以上的实施方式中，使图像光入射到凹面镜24并被凹面镜24反射的射出光轴AXE在水平方向或X方向上延伸，但是射出光轴AXE也可以设定为从半透过镜23侧看相对于水平方向朝向规定角度下侧。

在凹面镜24的外界侧，能够安装通过限制凹面镜24的透过光来进行调光的调光设备。调光设备例如通过电动的方式调整透射率。作为调光设备，能够使用镜面液晶、电子遮光板、电致变色元件等。调光设备也可以根据外部光照度来调整透射率。在通过调光设备遮挡外界光OL的情况下，能够仅观察不受外界像的作用的虚像。并且，本申请发明的虚像显示装置能够应用于遮挡外部光而仅观看图像光的所谓封闭型的头部佩戴式显示装置(HMD)。该情况下，也可以对应于由虚像显示装置和摄像装置构成的所谓视频透视的产品。

图像光生成装置11的显示区域11a的轮廓不限于矩形，可以是平行四边形、三角形、六边形等各种多边形，也可以是圆形或椭圆形。

以上，以虚像显示装置100被佩戴于头部使用为前提，但上述虚像显示装置100也可以作为不佩戴于头部而像双筒望远镜那样观察的手持显示器来使用。即，在本发明中，头戴式显示器也包含手持显示器。

具体方式中的虚像显示装置具有：图像光生成装置；投射光学***，其投射从图像光生成装置射出的图像光；折返镜，其对来自投射光学***的图像光进行反射；半透过镜，其使来自折返镜的图像光的一部分反射或透过；以及凹面镜，其将经过了半透过镜的图像光朝向半透过镜进行反射而形成射出光瞳，投射光学***的光轴配置在与基准平面交叉的方向上，该基准平面包含从折返镜朝向半透过镜的光轴和从凹面镜朝向射出光瞳的光轴，图像光生成装置的显示区域与折返镜和半透过镜的配置的倾斜相对应地倾斜配置。

在上述虚像显示装置中，图像光生成装置的显示区域与折返镜和半透过镜的配置的倾斜相对应地倾斜配置，因此，即使因光路的设定而产生图像的倾斜或旋转，通过倾斜配置图像光生成装置的显示区域以对其进行补偿，也能够显示没有倾斜的图像。

在具体的方面中，折返镜按照从图像光生成装置起的光路顺序，包含第1反射镜和第2反射镜，第2反射镜和半透过镜以如下状态配置：将相对于与凹面镜的轴线垂直的平面绕水平轴分别倾斜45°的状态作为基准，以形成不同的倾斜角的方式倾斜。该情况下，产生使图像绕图像光生成装置的光轴旋转的作用，为了抵消该作用，使图像光生成装置的显示区域旋转或倾斜。

在另一个方面中，第2反射镜和半透过镜配置成与垂直于轴线的平面所成的角度小于45°。该情况下，半透过镜等在射出光轴方向上的宽度减小，虚像显示装置的薄型化变得容易。

在又一个方面中，折返镜按照从图像光生成装置起的光路顺序，包含第1反射镜和第2反射镜，从投射光学***到第1反射镜的光轴将如下法线作为基准，以绕由第1反射镜反射后的光轴旋转的方式倾斜，该法线是包含由第2反射镜反射前后的光轴的平面的法线，且穿过来自第1反射镜的光轴的起点。该情况下，产生使图像绕图像光生成装置的光轴旋转的作用，为了抵消该作用，使图像光生成装置的显示区域旋转或倾斜。

在又一个方面中，第2反射镜和凹面镜一体地连接。该情况下，第2反射镜和凹面镜的支承变得容易，能够将凹面镜和第2反射镜一体化地形成外观部件。

在又一个方面中，折返镜包含单一的反射镜，半透过镜以如下状态配置：将相对于与凹面镜的轴线垂直的平面绕与轴线垂直的水平轴倾斜45°的状态作为基准，相对于基准倾斜。该情况下，产生使图像绕图像光生成装置的光轴旋转的作用，为了抵消该作用，使图像光生成装置的显示区域旋转或倾斜。

在又一个方面中，折返镜包含单一的反射镜，从投射光学***到单一的反射镜的光轴将如下法线作为基准，以绕由单一的反射镜反射后的光轴旋转的方式倾斜，该法线是包含半透过镜的反射前后的光轴的平面的法线，且穿过来自单一的反射镜的光轴的起点。该情况下，产生使图像绕图像光生成装置的光轴旋转的作用，为了抵消该作用，使图像光生成装置的显示区域旋转或倾斜。

在又一个方面中，从图像光生成装置到折返镜的光路配置在半透过镜的上侧。该情况下，能够对凹面镜的下侧进行灵活的配置。

在又一个方面中，从图像光生成装置到折返镜的光路配置在半透过镜的下侧。该情况下，能够对凹面镜的上侧进行灵活的配置。

在又一个方面中，折返镜以避免遮挡凹面镜和半透过镜的有效区域的方式配置。该情况下，能够防止过度降低折返镜而在折返镜与凹面镜或半透过镜之间产生干涉。

在又一个方面中，当半透过镜和与凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度比第2反射镜和与凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度大时，图像光生成装置的显示区域以投射光轴为旋转轴，将与凹面镜的轴线平行的面作为基准顺时针地配置，当半透过镜和与凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度比第2反射镜和与凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度小时，图像光生成装置的显示区域以投射光轴为旋转轴，将与凹面镜的轴线平行的面作为基准逆时针地配置。

Claims (10)

1.一种虚像显示装置，其具有：

图像光生成装置；

投射光学***，其投射从所述图像光生成装置射出的图像光；

折返镜，其对来自所述投射光学***的所述图像光进行反射；

半透过镜，其使来自所述折返镜的所述图像光的一部分反射或透过；以及

凹面镜，其将经过了所述半透过镜的所述图像光朝向所述半透过镜进行反射而形成射出光瞳，

所述投射光学***的光轴配置在与基准平面交叉的方向上，该基准平面包含从所述折返镜朝向所述半透过镜的光轴和从所述凹面镜朝向射出光瞳的光轴，

所述图像光生成装置的显示区域与所述折返镜和所述半透过镜的配置的倾斜相对应地倾斜配置，

所述折返镜按照从所述图像光生成装置起的光路顺序，包含第1反射镜和第2反射镜，

所述第2反射镜和所述半透过镜以如下状态配置：将相对于与所述凹面镜的轴线垂直的平面绕水平轴分别倾斜45°的状态作为基准，以形成不同的倾斜角的方式倾斜。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，

所述第2反射镜和所述半透过镜配置成与垂直于所述轴线的平面所成的角度小于45°。

3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

从所述投射光学***到所述第1反射镜的光轴将如下法线作为基准，以绕由所述第1反射镜反射后的光轴旋转的方式倾斜，该法线是包含由所述第2反射镜反射前后的光轴的平面的法线，且穿过来自所述第1反射镜的光轴的起点。

4.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

所述第2反射镜和所述凹面镜一体地连接。

5.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，

当所述半透过镜和与所述凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度比所述第2反射镜和与所述凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度大时，所述图像光生成装置的显示区域以所述投射光学***的光轴为旋转轴，将与所述凹面镜的轴线平行的面作为基准顺时针地配置，

当所述半透过镜和与所述凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度比所述第2反射镜和与所述凹面镜的轴线垂直的平面所成的角度小时，所述图像光生成装置的显示区域以所述投射光学***的光轴为旋转轴，将与所述凹面镜的轴线平行的面作为基准逆时针地配置。

6.一种虚像显示装置，其具有：

图像光生成装置；

投射光学***，其投射从所述图像光生成装置射出的图像光；

折返镜，其对来自所述投射光学***的所述图像光进行反射；

半透过镜，其使来自所述折返镜的所述图像光的一部分反射或透过；以及

凹面镜，其将经过了所述半透过镜的所述图像光朝向所述半透过镜进行反射而形成射出光瞳，

所述投射光学***的光轴配置在与基准平面交叉的方向上，该基准平面包含从所述折返镜朝向所述半透过镜的光轴和从所述凹面镜朝向射出光瞳的光轴，

所述图像光生成装置的显示区域与所述折返镜和所述半透过镜的配置的倾斜相对应地倾斜配置，

所述折返镜包含单一的反射镜，

从所述投射光学***到所述单一的反射镜的光轴将如下法线作为基准，以绕由所述单一的反射镜反射后的光轴旋转的方式倾斜，该法线是包含所述半透过镜的反射前后的光轴的平面的法线，且穿过来自所述单一的反射镜的光轴的起点。

7.根据权利要求6所述的虚像显示装置，其中，

所述半透过镜以如下状态配置：将相对于与所述凹面镜的轴线垂直的平面绕与所述轴线垂直的水平轴倾斜45°的状态作为基准，相对于基准倾斜。

8.根据权利要求1或6所述的虚像显示装置，其中，

从所述图像光生成装置到所述折返镜的光路配置在所述半透过镜的上侧。

9.根据权利要求1或6所述的虚像显示装置，其中，

从所述图像光生成装置到所述折返镜的光路配置在所述半透过镜的下侧。

10.根据权利要求1或6所述的虚像显示装置，其中，

所述折返镜以避免遮挡所述凹面镜和所述半透过镜的有效区域的方式配置。

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