[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，尤其涉及适合于观看者的头部所配戴的头戴式显示器的虚像显示装置。

背景技术

作为组装于观看者的头部所配戴的头戴式显示器（以下，也称为HMD）等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等虚像显示装置，期待使图像光广视角化和降低装置重量。尤其是，为了提升配戴感，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，则观看者不可判断外界的状态，会产生不安。进而，通过使外界和图像重叠来观看，可产生如虚拟现实的新的用途。因此，期待不妨碍外界的视场而重叠显示图像光的显示器。

进而，为了使观看者的配戴感提升，使外观的形状良好，一般期望接近眼镜，期望不将图像显示装置置于眼睛的上方，而配置于面部的侧面。

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

在专利文献1~4中，通过设为使用具有非对称的曲面（自由曲面）的2个棱镜而对偏心像差进行校正并形成中间像的中继光学系统，可得到小型且简单的结构的显示光学系统。

但是，现有的这种光学系统因为并非刻意使观看者观看到外界光而设计，所以眼睛前的棱镜小，得不到充分的外界视场。并且，因为使外界光透射的曲面形状不适合，所以对于外界的视度不为0，会产生模糊和／或失真。

另一方面，专利文献5的光学系统因为使外界光透射的面为平行平面，所以可得到几乎不存在失真的清晰的视场。但是，专利文献5的光学系统在半透射半反射镜面使用全息图，由此产生的像差和／或波长选择性对图像光会产生影响而使画质降低。

专利文献1：日本特开2000—66106号公报

专利文献2：日本特开2000—131614号公报

专利文献3：日本特开2000—299853号公报

专利文献4：日本特开2004—341411号公报

专利文献5：日本特开2008—158203号公报

发明内容

本发明的目的在于提供具有使外界光与图像光重叠显示的透视功能且广视角、高性能并且小型轻量的虚像显示装置。

本发明所涉及的虚像显示装置使图像光和外界光同时被观看，具备：产生图像光的图像元件；以及包括3个面以上的非轴对称的曲面的棱镜型像形成光学系统；其中，所述棱镜型像形成光学系统包括在光路上形成中间像的中继光学系统；在通过构成棱镜型像形成光学系统的多个面之中的第1面和第3面观看外界时，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由第3面全反射、由第1面全反射、由第2面反射之后，透射过第1面而到达观看侧。

在上述虚像显示装置中，因为在棱镜型像形成光学系统的光路上形成中间像，并且在棱镜型像形成光学系统中，按第3面、第1面及第2面的顺序由2个面以上全反射的图像光透射过第1面而到达观看者，所以能够使棱镜型像形成光学系统的眼前的部分等薄型而使光学系统整体小型且轻量，并以广视角实现明亮的高性能的显示。进而，关于外界光，能够通过第1面和第3面观看，并将此时的视度基本设为0，所以能够降低透视观看外界光时的外界光的散焦和／或失真，可以确保宽阔的视野。此外，观看者的眼前的棱镜型像形成光学系统的形状为沿着观看者的面部的形状，既重心接近面部，在设计上也优异。

在本发明的具体的方面，在上述虚像显示装置中，棱镜型像形成光学系统具备包括2个面以上的非轴对称的曲面的第1棱镜和包括2个面以上的非轴对称的曲面的第2棱镜，以至少包括第2棱镜的光学系统作为中继光学系统，在从第1棱镜到第2棱镜的光路上形成中间像。在该情况下，在眼前的第1棱镜中，因为按第3面、第1面及第2面的顺序由2个以上的面全反射的图像光透射过第1面而到达观看者，所以能够使眼前的第1棱镜等薄型而使光学系统整体小型且轻量，并以广视角实现明亮的高性能的显示。

在本发明的另一方面，第1棱镜和具有多个面的第2棱镜以分体形成。

在本发明的又一方面，第2棱镜具有多个面，中间像通过图像元件、第2棱镜的多个面和第1棱镜的作为光入射面的第4面形成。