[发明专利]虚像显示装置

说明书

技术领域

本发明涉及将通过图像显示元件等形成的图像提供给观看者的虚像显示装置，尤其涉及适于在观看者的头部配戴的头戴式显示器的虚像显示装置。

背景技术

作为组入于在观看者的头部配戴的头戴式显示器（以下，也称为HMD）等的虚像显示装置的光学系统提出各种方案（参照专利文献1～4）。

关于HMD等的虚像显示装置，期待使图像光广视场角化和降低装置重量。尤其是，为了使配戴感舒适，重要的是使观看者的视轴方向的厚度变薄，并使重心接近观看者。

并且，若完全覆盖观看者的视场，成为仅能看到图像光的状态，则观看者判断不了外界的状态，会产生不安。而且，通过使外界和图像重叠观看，可产生如虚拟现实的各种新的用途。因此，期待不妨碍外界的视场地重叠显示图像光的显示器。

而且，为了使观看者的配戴感舒适、并使外观的形态良好，一般期望接近眼镜的形态，期望不将图像显示装置置于眼睛的上方而配置于面部的横向。

为了使光学系统小型化，并且不会妨碍视场地使图像显示装置离开观看者的眼睛的位置，可以采用使显示图像光暂时在光学系统之中成像而形成中间像，并使该中间像放大地观看的中继光学系统。

例如在专利文献1中，提出采用端面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的中继光学系统。可是，在专利文献1的光学系统的情况下，投影透镜大，妨碍小型轻量化。

在专利文献2中，提出采用具备曲面的射出反射面的导光棱镜和投影透镜的中继光学系统。可是，专利文献2的光学系统未兼顾到使观看者看到外界。为了应用该光学系统而使外界可见，需要在扩展到棱镜整体的反射面贴附补偿棱镜并在接合面设置半透射半反射镜，因为图像光在该半透射半反射镜面反射2次，所以变得非常暗。

在专利文献3中，提出包括投影透镜、凹面镜和导光板的中继光学系统。该光学系统中，通过使波长板和偏振半透射半反射镜组合，提高反射效率。可是，为了应用专利文献3的光学系统而使外界可见，需要在凹面镜贴合补偿透镜，整体性地变厚。

在专利文献4中，提出通过使光路弯曲，缩短全长、紧凑集中的中继光学系统。可是，在专利文献4的光学系统的情况下，棱镜中央的凸部和／或投影透镜会妨碍视场。并且，因为图像光在透射了半透射半反射镜之后，折返并以半透射半反射镜反射而入射于眼睛，所以看到的图像变暗。

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

本发明目的在于提供具备使外界光和图像光重叠显示的透视功能、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图像光和外界光同时被观看；具备使图像光产生的图像元件和包括3个面以上的非轴对称的曲面并作为光学系统的一部分在内部形成中间像的1个棱镜；当通过构成棱镜的多个面之中的第1面和第3面而观看外界时，视度基本为0；第1面和第3面相对于观看侧呈凹面形状；来自图像元件的图像光在以第3面全反射、以第1面全反射、以第2面反射之后，透射第1面而到达观看侧。在此，所谓图像光是指通过图像元件等形成而对于眼睛可以识别为虚像的光，如所述地在棱镜的内部形成中间像。

在所述虚像显示装置中，因为通过光学系统等在棱镜的内部形成中间像，并且按第3面、第1面及第2面的顺序反射的图像光透射第1面而到达观看者，所以能够使棱镜薄型而使光学系统整体小型且轻量，并实现广视角而明亮的高性能的显示。并且，关于外界光，能够通过第1面和第3面而观看，因为使此时的视度基本为0，所以能够降低当透视地观看外界光时的外界光的散焦和／或失真。并且，棱镜的形状为按照观看者的面部的形状，重心也能够接近面部，在设计性方面也能够优异。

在本发明的具体的侧面中，在所述虚像显示装置中，以构成光学系统的各面的原点为基准，当设面形状的表达式为关于从原点延伸于切线方向的正交坐标x及y进行了多项式展开所得的表达式时，以表示第k面的多项式的项x^m·yⁿ的系数为Ak_m,n，满足下述（1）～（3）的条件，

－5×10^－2＜A1_2,0＋A1_0,2＜－1×10^－3以及