[发明专利]虚像显示装置

说明书

本发明提供具有透视功能、广视角高性能且小型轻量的虚像显示装置。通过投射透镜（30）等在棱镜（10）的内部形成中间像，并且按照第1次的第3面（S13）、第1次的第1面（S11）、第2次的第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），透过第1面（S11）到达观察者的眼睛（EY），因此，能够使棱镜（10）薄型且光学系统整体小型轻量化，能够实现广视角且明亮的高性能的显示。另外，外界光（HL）能够通过第1面（S11）和第3面（S13）进行观察，此时的视度大致为0，因此，能够降低观察外界光时的散焦和/或失真。另外，棱镜的形状为沿观察者面部的形状，能够使重心也靠近脸部、外观设计也优异。

技术领域

本发明涉及将由图像显示元件等形成影像呈现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系统，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并使重心接近观察者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，通过使人重叠观察外界和影像，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并改良外观的样式，通常期望其接近眼镜的形态，还期望将影像显示装置配置于脸颊而不配置在眼睛的上方。

为了将影像显示装置离开观察者的眼睛的位置以使得其小型化光学系统且不妨碍视野，只要采用使显示图像光在光学系统中一次成像并形成中间像的中继光学系统，并放大地观察该中间像即可。

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

在专利文献2中，作为中继光学系统，提出了具有带曲面的出射反射面的导光棱镜和投射透镜的系统。但是，专利文献2的光学系统未考虑使观察者能观察外界。为了应用该光学系统以观察外界，必须在按整个棱镜扩展开的反射面上贴附补偿棱镜后并在接合面设置半透半反镜，影像光在该半透半反镜反射2次，因此显著变暗。

在专利文献3中，作为中继光学系统，提出了具备投射透镜、凹面镜和导光板的系统。该光学系统中，通过组合波长板和偏振半透半反镜来提高反射效率。但是，为了应用专利文献3的光学系统来观察外界，必须向凹面镜贴合补偿透镜，整体上变厚。

在专利文献4中，作为中继光学系统，提出了通过使光路弯折而使全长变短的紧凑集合的系统。但是，在专利文献4的光学系统中，棱镜中央的凸部和投射透镜妨碍了视野。另外，影像光在透过半透半反镜后折返，在半透半反镜反射后入射到眼睛中，因此观察到的影像变暗。

另外，用导光棱镜形成虚像的方法中，可以考虑设为例如通过将导光棱镜设为连结多个棱镜部分而成的构造、或者将导光棱镜分割为多个棱镜部分而构成，从而在多个不同曲面上进行光路的折弯。在该情况下，期待各曲面上的自由度增加，成像性能提高。反之，由于光学设计和/或使用环境等，在曲面与曲面的接缝和/或切缝外界光被向不期望的方向反射，很可能会产生幻影光。

【现有技术文献】

【专利文献】

【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