專利名稱：圖像中繼光學系統(tǒng)以及具備其的虛像顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在頭部佩戴使用的頭戴式顯示器等中使用的圖像中繼光學系統(tǒng)以及具備其的虛像顯示裝置。
背景技術：
近年來，作為像頭戴式顯示器那樣可進行虛像的形成和觀察的虛像顯示裝置，提出了各種通過導光板將來自顯示元件的圖像光導向觀察者的瞳孔的類型的裝置。作為此類虛像顯示裝置用的導光板，存在具備可傳播導光角度不同的多個光模式的導光管的 導光板(參照專利文獻I)。在上述專利文獻I的光學系統(tǒng)中，以多個光模式所形成的像互相位置偏離為前提，而用在每個光模式設定為不同的入射角度的校準光來照明液晶面板。而且，通過在各光模式改變顯示內容并依次實行各光模式的顯示，而將各光模式的圖像整合以得到整體圖像。該情況下，必須用ー個液晶面板來在以時間差改變構成整體圖像的中央圖像和左右圖像的同時進行顯示，虛像顯示裝置變復雜且觀察圖像也變暗。與以上裝置不同地，還存在一種虛像顯示裝置，可通過與光入射面附帯地設置凹的反射面并與光出射面附帯地設置凹的反射面的導光部件來進行虛像的觀察，且不需要以時間差來整合圖像(參照專利文獻2)，由兩個傾斜的反射面來構成無焦系統(tǒng)，不能改善失真等像差。因此，校準用的投射光學系統(tǒng)變復雜或需要圖像處理。現(xiàn)有技術文獻專利文獻I :日本特表2008-535001號公報；專利文獻2 :美國專利第7477453號公報。

發(fā)明內容
發(fā)明所要解決的問題本發(fā)明鑒于上述背景技術而研制，其目的是提供可簡易地顯示像差較小的大且明亮的虛像的圖像中繼光學系統(tǒng)以及組裝有該系統(tǒng)的虛像顯示裝置。用于解決問題的手段為解決上述問題，本發(fā)明涉及的圖像中繼光學系統(tǒng)，其具備(a)光耦合部件，其由透光性的材料形成，且使圖像光入射；和(b)導光部件，其由透光性的材料形成，其導引來自光耦合部件的圖像光而向外部出射，其中，(C)光耦合部件以圖像光的入射順序至少具有第一光入射面、耦合部件反射面和第一光出射面，(d)第一光入射面、耦合部件反射面和第一光出射面中的至少ー個是曲面，(e)導光部件以圖像光的入射順序至少具有第二光入射面、相對地平行延伸的第一及第ニ全反射面、導光部件反射面和第二光出射面，(f)導光部件反射面是曲面，(g)第二光出射面是平坦面。在上述圖像中繼光學系統(tǒng)中，在使圖像光向導光部件入射前設有光耦合部件，在光耦合部件設置的第一光入射面和耦合部件反射面及第一光出射面中的至少ー個是曲面，但是，由于是曲面，因此可進行減小像差的大且明亮的虛像的顯示。在本發(fā)明的具體的方面，在上述圖像中繼光學系統(tǒng)中，耦合部件反射面是將圖像光全部反射的全反射的反射鏡，導光部件反射面是將導光部件內的圖像光平行光束化的凹的收斂面。這里，全反射包括通過例如設置反射膜等來將光大體100%反射。該情況下，耦合部件反射面處的光的損失減小。此外，可通過導光部件反射面處的平行光束化來形成大體無限遠的虛像。在本發(fā)明的具體的方面，在上述圖像中繼光學系統(tǒng)中，在光稱合部件中，第一光入射面是作為全反射面發(fā)揮功能的面，耦合部件反射面是凹的收斂面，第一光出射面是凸的收斂面，在導光部件中，第二光入射面是凸的收斂面。該情況下，通過在光耦合部件和導光部件設置的各收斂面，可進行失真等的補償，可形成減小像差的明亮的虛像。此外，由第一光入射面處的全反射來減小光的損失。在本發(fā)明的其他方面，在光耦合部件中，第一光入射面是凸的收斂面，耦合部件反射面是凹的收斂面，第一光出射面是凸的收斂面，在導光部件中，第二光入射面是凸的收斂 面。該情況下，通過在光耦合部件和導光部件設置的各收斂面，可進行失真等的補償，可形成減小像差的明亮的虛像。此外，由第一光入射面處的全反射來減小光的損失。在本發(fā)明的其他方面，在光耦合部件中，第一光入射面是凸的收斂面，耦合部件反射面是凹的收斂面，第一光出射面是凸的收斂面，在導光部件中，第二光入射面是作為第一全反射面發(fā)揮功能的面，具有與第二光入射面相對的凹的收斂面且具有將來自該第二光入射面的圖像光向第一全反射面反射的全反射的相對反射面，具有在光耦合部件的第一光出射面和導光部件的第二光入射面之間配置的收斂性的透鏡。該情況下，通過在光耦合部件和導光部件設置的各收斂面，可進行失真等的補償。此外，可通過在第一光出射面和第二光入射面之間配置的收斂性的透鏡來進行圖像光的光束的調整。這樣，可形成減小像差的明亮的虛像。在本發(fā)明的其他方面，在光耦合部件中，第一光入射面是作為全反射面發(fā)揮功能的面，耦合部件反射面是全反射的凹的收斂面，第一光出射面是凸的收斂面，在導光部件中，第二光入射面是凸的收斂面，具有與光耦合部件的第一光入射面相對地配置的收斂性的透鏡。該情況下，通過在光耦合部件和導光部件設置的各收斂面，可進行失真等的補償。此外，在光耦合部件和耦合部件反射面中，減小光的損失。再有，通過與光耦合部件的第一光入射面相對地配置的收斂性的透鏡而可進行圖像光的光束的調整。這樣，可形成減小像差的明売的虛像。在本發(fā)明的其他方面，導光部件的導光部件反射面是半透射的反射鏡，具有透光部件，其具有與半透射的反射鏡接合的曲面且能進行經第二光出射面和導光部件反射面的外界像的透視。該情況下，通過在半透射型反射鏡的背后接合的透光部件，可進行良好的透明觀察。在本發(fā)明的其他方面，光耦合部件的折射率和分散(dispersion)中的至少ー個與導光部件的折射率和分散不同。該情況下，通過調整光耦合部件和導光部件之間的折射率和分散，也可補償包括圖像光的色差等的各種像差。此外，本發(fā)明涉及的虛像顯示裝置具備上述圖像中繼光學系統(tǒng)；和圖像形成裝置，其形成導向圖像中繼光學系統(tǒng)的圖像光。該情況下，通過使用上述圖像中繼光學系統(tǒng)，虛像顯示裝置可簡單地表示像差較小的大且明亮的虛像。


圖I是表示第一實施方式涉及的圖像中繼光學系統(tǒng)以及組裝有該系統(tǒng)的虛像顯示裝置中的單眼側的俯視圖。圖2是表示虛像顯示裝置的整體的俯視圖。圖3是表示透光部件的立體圖。圖4是表示第二實施方式涉及的虛像顯示裝置的俯視圖。圖5是表示第三實施方式涉及的虛像顯示裝置的俯視圖。
圖6是表示第四實施方式涉及的虛像顯示裝置的俯視圖。圖7是表示變形例的圖像中繼光學系統(tǒng)的俯視圖。附圖標記說明I圖像形成裝置 12 (收斂性的)透鏡 20圖像中繼光學系統(tǒng)21光耦合部件 21a第一光入射面 21b稱合部件反射面 21c第一光出射面 22導光部件22a第二光入射面 22b、22c全反射面 22d導光部件反射面 22e第二光出射面22f相對(對向、對置)反射面 23透光部件(架設部件) 24半反射層 25(收斂性的)透鏡 31照明裝置 32液晶顯示器件 32a出射面100虛像顯示裝置 EY眼 GL’外界光 GL1、GL2、GL3、GG圖像光 WP楔形部件
具體實施例方式第一實施方式下面在參照附圖的同時說明本發(fā)明的第一實施方式涉及的虛像顯示裝置用的圖像中繼光學系統(tǒng)以及組裝有該系統(tǒng)的虛像顯示裝置。A.圖像中繼光學系統(tǒng)以及虛像顯示裝置的結構圖I所示的本實施方式涉及的虛像顯示裝置100適用于頭戴式顯示器，具備圖像形成裝置10和圖像中繼光學系統(tǒng)20并使兩者為一組。虛像顯示裝置100使觀察者識別虛像所形成的圖像光，并且通過透明來使觀察者觀察到外界像。雖然圖I僅表示左眼用，但是，作為整體，如圖2所示，與觀察者的右眼和左眼對應地各設置ー組圖像形成裝置10和圖像中繼光學系統(tǒng)20。右眼用和左眼用是左右對稱，因此，這里，僅對圖I所示的左眼用進行說明，省略對右眼用詳細說明。如圖I所示，圖像形成裝置10具有出射ニ維照明光的照明裝置31 ;作為透射型空間光調制裝置的液晶顯示器件32 ;和在照明裝置31和液晶顯示器件32之間配置的出射角調整部件33。液晶顯示器件32將來自照明裝置31的照明光空間調制而形成應成為動圖像等顯示對象的圖像光。出射角調整部件33根據(jù)畫面內的位置來使照明光的出射角度分布變化，進行調整以使從液晶顯示器件32的出射面32a出射的圖像光高效地向觀察者的眼EY入射。圖像中繼光學系統(tǒng)20具備光耦合部件21 ;導光部件22 ;和透光部件23。光耦合部件21是由透光性的材料形成，且在使來自圖像形成裝置10的圖像光適當?shù)厥諗康耐瑫r進行傳播并向導光部件22出射圖像光的部件。導光部件22是由透光性的材料形成，且導引來自光耦合部件21的圖像光而最終成為平行光束化的圖像光來向外部出射的部件。透光部件23由與導光部件22相同折射率的透光性的材料形成，且與導光部件22的內側接合，使觀察者可進行外界像的透視。此外，如圖2所示，透光部件23在與觀察者的左右眼EY、EY對應地設置的ー對導光部件22、22之間配置，并與這兩者接合。這樣，將ー對導光部件22、22和透光部件23連接為ー個而一體化。即，透光部件23是從ー個導光部件22架設到另一導光部件22的架設部件。如圖I所示，光耦合部件21是沿Y方向延伸的柱狀的導光體，具有第一光入射面21a、耦合部件反射面21a和第一光出射面21c。這些面21a、21b、21c在考慮圖像光的路徑的情況下以圖像光的入射順序排列。再有，在第一光入射面21a和耦合部件反射面21b之間，存在用于將兩者連接的面即光學上不使用的連接面CF1，在耦合部件反射面21b和第一光出射面21c之間存在連接面CF2。此外，第一光入射面21a和第一光出射面21c相鄰地直接連接。該光學利用的面中的、第一光入射面21a是與液晶顯示器件32的出射面32a相對地延伸的平坦面，是將從圖像形成裝置10出射的圖像光取入光耦合部件21內的面。再有，第一光入射面21a具有延長面ES，該延長面ES作為圖像光從圖像形成裝置10進入的 區(qū)域外的延長區(qū)域上的面。耦合部件反射面21b是凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)，通過具有用鋁蒸鍍等形成的反射膜ML而成為幾乎將從第一光入射面21a取入的圖像光都反射的全反射的反射鏡。即，由反射膜ML將圖像光幾乎100%反射。第一光出射面21c是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)，并將圖像光向位于光路下游側的導光部件22出射。導光部件22是在YZ方向上延伸的板狀的導光體，且具有第二光入射面22a、第一全反射面22b及第ニ全反射面22c、導光部件反射面22d和第二光出射面22e。這些面22a、22b、22c、22d、22e在考慮圖像光的路徑的情況下以圖像光的入射順序排列。再有，在第二光入射面22a和第二全反射面22c之間存在連接面CF3，其他面將相鄰的面彼此直接連接。該光學利用的面中的第二光入射面22a是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)，與光耦合部件21的第一光出射面21c相對配置，并使從光耦合部件21出射的圖像光入射。第一全反射面22b及第ニ全反射面22c是相對向并以平行的狀態(tài)在Z方向上延伸的面，將從第二光入射面22a入射的圖像光通過全反射而在導光部件22內從入口側導向內側。導光部件反射面22d是凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)，使圖像光平行光束化并彎折。此外，導光部件反射面22d成為附帶有作為具有透光性的反射面(即半透射反射膜)的半反射層24的半透射型反射鏡。第二光出射面22e是沿位于第二全反射面22c的延長上的平坦面即YZ面延伸的面，將經導光部件反射面22d的圖像光向觀察者的眼出射。即，圖像光從第二光出射面22e向導光部件22的外部出射并到達觀察者的眼EY。這里，如上所述，光耦合部件21和導光部件22皆具有凹和/或凸的曲面(具體為，第一光出射面21c、第二光入射面22a等)，從而可改變圖像光的收斂、發(fā)散狀態(tài)。這里，將由曲率、曲率中心、非球面系數(shù)等確定的上述曲面的形狀適當調整以向圖像光施加適于其配置的反射、折射作用。這樣，可減少以失真為代表的像差的發(fā)生。此外，在光耦合部件21和導光部件22中，使折射率和/或分散的特性中的至少ー個互不相同，從而使向圖像光施加的反射、折射作用不同。這樣，也可應對色差的產生。如圖I 圖3所示，透光部件23具有與導光部件22的主體相同的折射率，且具有第一面23a、第二面23b和第三面23c。第一和第二面23a、23b沿YZ面在第一和第二全反射面22b、22c的延長平面上延伸。此外，第三面23c成為沿導光部件22的導光部件反射面22d配置的曲面。S卩，透光部件23成為具有由第二面23b和第三面23c夾持的楔形部件WP的部件，第三面23c成為與導光部件22的半反射層24接合的接合面。透光部件23與導光部件22同樣地在可視區(qū)域表現(xiàn)出該透光性，因此可進行經導光部件22的第二光出射面22e和導光部件反射面22d的外界像的透視。例如，觀察者可通過半反射層24的反射率的調整來觀察使減小為20%的圖像光GL和減小為80%的外界光GL’重疊的光。B.圖像光的光路下面，對圖像光的光路進行說明。這里，畫出從圖I所示的圖像形成裝置10出射的各圖像光的成分中的、從液晶顯示器件32的中央部和兩端側出射的圖像光GL1、GL2、GL3的光路來進行說明。對于其他圖像光的成分的光路，由于是圖像光GL1、GL2、GL3的中間的光且與圖像光GLl、GL2、GL3的情況相同，因此省略說明。首先，從液晶顯示器件32的出射面32a上的中央部出射的圖像光GLl在從出射面 32a上的一點發(fā)散的狀態(tài)下向光耦合部件21出射，井向作為平坦面的第一光入射面21a入射。通過第一光入射面21a并在光f禹合部件21內傳播的圖像光GLl由I禹合部件反射面21b反射。此時，耦合部件反射面21b是凹的收斂面，從而使圖像光GL2成為大體平行光束化的狀態(tài)，且使傳播方向彎折而再次射向第一光入射面21a。這里，圖像光GLl通過耦合部件反射面21b的反射作用而使對于第一光入射面21a的角度和/或入射位置從最初的入射時變化。該情況下，圖像光GLl在包括延長面ES的第一光入射面21a中以不需要反射膜等地進行全反射那樣的角度即臨界角以上的角度入射。即，該情況下的第一光入射面21a作為將圖像光GLl全反射的全反射面發(fā)揮功能。通過該全反射，圖像光GLl幾乎不損失光量地向第一光出射面21c傳播，受到由第一光出射面21c收斂的作用，從第一光出射面21c向導光部件22出射。通過以上過程，從光耦合部件21出射的圖像光GLl向導光部件22的第二光入射面22a入射。其次，從第二光入射面22a取入導光部件22內的圖像光GLl受到由第二光入射面22a收斂的作用。即，第一光出射面21c和第二光入射面22a皆是凸的收斂面，通過這些面的折射作用，圖像光GLl從大體平行光束化的狀態(tài)變?yōu)槭諗康臓顟B(tài)。經第二光入射面22a的圖像光GLl首先由關于Z方向相對而平行地延伸的即與YZ平面平行的第一和第二全反射面22b、22c中的、位于+X側的第一全反射面22b全反射，然后，由位于-X側的第二全反射面22c全反射。這樣，在由全反射面22b、22c全反射期間內，收斂狀態(tài)的圖像光GLl第一次成像且再次成為發(fā)散的狀態(tài)而射向導光部件反射面22d。這里，導光部件反射面22d是凹的收斂面。因此，圖像光GLl通過導光部件反射面22d的反射作用來使光路彎折并且從發(fā)散的狀態(tài)下的光變?yōu)槠叫泄馐臓顟B(tài)而射向第二光出射面22e。圖像光GLl從第二出射面22e的中央側相對于+Z方向垂直即在-X方向上朝向觀察者的眼EY作為構成虛像的平行光束出射。從液晶顯示器件32的出射面32a中的+Z側的端出射的圖像光GL2和從液晶顯示器件32的出射面32a中的-Z側的端出射的圖像光GL3也具有與上述圖像光GLl的情況相同的光路。即，圖像光GL2、GL3在分別從出射面32a上的一點發(fā)散的狀態(tài)下向光耦合部件21出射,經光I禹合部件21和導光部件22的各面而第一次在導光部件22內成像后，向觀察者的眼EY作為虛像光出射。圖像光GL2在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為銳角的角度出射。圖像光GL3在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為鈍角的角度出射。除了圖像光GLl之外，該圖像光GL2、GL3和其他圖像光成分的任一個皆在具有凹凸的曲面形狀的第一光入射面21a、第一光出射面21c、第二光入射面22a等中以不同的程度受到折射、反射作用。這里，通常，在從傾斜方向出射圖像光或使用反射光學系統(tǒng)的情況下，特別易于發(fā)生失真等像差。因此，在本實施方式那樣的光學系統(tǒng)中，像差發(fā)生的可能性高。與之相対，在圖像中繼光學系統(tǒng)20中，各圖像光成分皆在第一光出射面21c、第二光入射面22a等中以不同的程度受到折射、反射作用。因此，圖像中繼光學系統(tǒng)20可進行產生的失真的補償。另外，此時，也可一并進行色差的補償。另外，任一圖像光的光束皆在導光部件22內第一次成像后,成為發(fā)散的狀態(tài),而后射向導光部件反射面22d。因此，各圖像光通過作為凹的收斂面的導光部件反射面22d而在從圖像中繼光學系統(tǒng)20出射時被平行光束化。即，導光部件反射面22d是在導光部件22 中使形成為中間像的各圖像光平行光束化的面。由導光部件反射面22d平行光束化的圖像光在觀察者的眼EY的位置中合成而作為虛像被識別。再有，如上所述，圖像光在比導光部件反射面22d更靠光路上游側已進行失真等的補償?shù)臓顟B(tài)下向導光部件反射面22d入射，因此經過導光部件反射面22d的圖像光成為已進行修正的良好狀態(tài)。此外，在因導光部件反射面22d處的反射而產生像差的情況下，可在比導光部件反射面22d更靠光路上游側的光學系統(tǒng)中預先對該像差相加來進行補償。此外，如上所述，也可調整光耦合部件21和導光部件22的折射率及分散來一井補償圖像光的色差。此外，該情況下，通過圖像中繼光學系統(tǒng)20具有曲面，在眼EY側，可使從圖像光GL2到圖像光GL3出射的圖像光的角度Φ較大。再有，由于可擴大已平行化的圖像光的光束寬度，因此，其結果，可擴大作為有效瞳徑的艾林直徑PP。再有，在第一光入射面21a和第一全反射面22b及第ニ全反射面22c的任一全反射中，圖像光的成分中的圖像光GL2成為最大的全反射角度，與之相対，圖像光GL3成為最小的全反射角度。因此，條件最嚴格的圖像光GL3以滿足全反射條件的角度傳播，從而可不需要反射膜等地使全部圖像光全反射。此外,如上所述,導光部件反射面22d是半透射型的半反射面，透光部件23由透光性的材料構成。因此，觀察者可經透光部件23和導光部件反射面22d來識別圖像光和外界光 GL’。如上所述，在本實施方式的圖像中繼光學系統(tǒng)20中，在使圖像光向導光部件22入射前設置有光耦合部件21，且在光耦合部件21設置的第一光入射面21a、耦合部件反射面21b和第一光出射面21c中存在曲面，因此可顯示減小像差的較大且明亮的虛像。另外，該情況下，通過成為光耦合部件21和導光部件22這兩部分構成，而在兩者間夾持空氣層地設置折射率差，且可増大折射所形成的作用。第二實施方式下面，通過圖4來說明將第一實施方式變形的第二實施方式。本實施方式涉及的圖像中繼光學系統(tǒng)以及虛像顯示裝置除了光耦合部件21和導光部件22之外具有與圖I所示的實施例相同的結構，因此對于作為圖像形成裝置10等的功能部分的各要素省略說明。再有，對透光部件省略圖示。如圖4所示，在本實施方式中，在圖像中繼光學系統(tǒng)20的光耦合部件21中，第一光入射面21a是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)，耦合部件反射面21b是凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)，第一光出射面21c是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)。此外，在導光部件22中，第二光入射面22a是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)。通過這些部件，圖像光可適當?shù)厥艿椒瓷?、折射作用。該情況下，從圖像形成裝置10出射的各圖像光GL1、GL2、GL3從第一光入射面21a向光耦合部件21入射，在耦合部件反射面21b中通過全反射來反射從而大體平行光束化，且沒有返回第一光入射面21a側地直接射向第一光出射面21c，受到由第一光出射面21c收斂的作用，從第一光出射面21c出射。其次，各圖像光GL1、GL2、GL3向導光部件22的第二光入射面22a入射，受到收斂的作用，由關于Z方向相對而平行地延伸的第一及第ニ的全反射面22b、22c全反射，從在 此間收斂的狀態(tài)第一次成像并再次成為發(fā)散的狀態(tài)而射向導光部件反射面22d。各圖像光GL1、GL2、GL3通過作為凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)的導光部件反射面22d處的反射作用而使光路彎折并且從發(fā)散的狀態(tài)變?yōu)槠叫泄馐臓顟B(tài)而射向第二光出射面 22e。通過以上構成，圖像光GLl在通過第二光出射面22e時從第二光出射面22e的中央側相對于+Z方向垂直即在-X方向上向觀察者的眼EY出射。圖像光GL2在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為銳角的角度出射。圖像光GL3在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為鈍角的角度出射。如上所述，在本實施方式的情況下，通過光耦合部件21和導光部件22的各曲面，可進行減小像差的大且明亮的虛像的顯示。第三實施方式下面，通過圖5來說明將第一實施方式變形的第三實施方式。本實施方式涉及的圖像中繼光學系統(tǒng)以及虛像顯示裝置除了光耦合部件21和導光部件22之外具有與圖I所示的實施例相同的結構，因此對于作為圖像形成裝置10等的功能部分的各要素省略說明。再有，對透光部件省略圖示。如圖5所不,在本實施方式中，在圖像中繼光學系統(tǒng)20的光稱合部件21中，第一光入射面21a是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)，耦合部件反射面21b是凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)，第一光出射面21c是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)。此外，在導光部件22中，第二光入射面22a是作為第一全反射面發(fā)揮功能的平面。即，在導光部件22中，第二光入射面22a和第一全反射面22b在同一平面上連續(xù)而成為一體的面。另外，導光部件22作為與第二光入射面22a相對的面而在第二光入射面22a和第二全反射面22c之間具有相對反射面22f。相對反射面22f是凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)，且是具有反射面ML并將來自第二光入射面22a的圖像光向第一全反射面反射的全反射的反射面。再有，圖像中繼光學系統(tǒng)20在光耦合部件21的第一光出射面21c和導光部件22的第二光入射面22a之間配置有收斂性的透鏡25 (具體地，為凸的球面或非球面)。通過這些部件，圖像光適當?shù)厥艿椒瓷?、折射作用。該情況下，從圖像形成裝置10出射的各圖像光GL1、GL2、GL3從第一光入射面21a向光耦合部件21入射，在耦合部件反射面21b中通過全反射來反射，再射向第一光出射面21c，并從第一光出射面21c出射。其次，各圖像光GL1、GL2、GL3向透鏡25入射并通過受到折射作用而大體平行光束化以向導光部件22入射。其次，各圖像光GL1、GL2、GL3向導光部件22的第二光入射面22a入射，通過在相對反射面22f處的反射，而受到收斂的作用，井向第二光入射面22a側折回。此時，通過各圖像光GL1、GL2、GL3相對于第二光入射面22a即第一全反射面22b的角度變化，而使各圖像光GL1、GL2、GL3由第一全反射面22b全反射。各圖像光GL1、GL2、GL3由關于Z方向相 對而平行地延伸的第一及第ニ全反射面22b、22c重復進行全反射，從在其間收斂的狀態(tài)第一次成像并再次成為發(fā)散的狀態(tài)而射向導光部件反射面22d。各圖像光GL1、GL2、GL3通過作為凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)的導光部件反射面22d處的反射作用而使光路彎折并從發(fā)散的狀態(tài)變?yōu)槠叫泄馐臓顟B(tài)而射向第二光出射面22e。通過以上構成，圖像光GLl在通過第二光出射面22e時從第二光出射面22e的中央側相對于+Z方向垂直即在-X方向上向觀察者的眼EY出射。圖像光GL2在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為銳角的角度出射。圖像光GL3在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為鈍角的角度出射。如上所述，在本實施方式的情況下，通過光稱合部件21和導光部件22的各曲面，可進行減小像差的大且明亮的虛像的顯示。第四實施方式下面，通過圖6來說明將第一實施方式變形的第四實施方式。本實施方式涉及的圖像中繼光學系統(tǒng)以及虛像顯示裝置除了光耦合部件21和導光部件22之外具有與圖I所示的實施例相同的結構，因此對于作為圖像形成裝置10等的功能部分的各要素省略說明。再有，對透光部件省略圖示。如圖6所不，在本實施方式中，在圖像中繼光學系統(tǒng)20的光稱合部件21中，第一光入射面21a是作為全反射面發(fā)揮功能的平面，耦合部件反射面21b是全反射的凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)，第一光出射面21c是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)。即，在光耦合部件21中，第一光入射面21a具有延長面ES1，該延長面是圖像光從外部進入的區(qū)域外的延長區(qū)域上的面，包含延長面ESl的第一光入射面21a作為圖像光的全反射面發(fā)揮功能。此外，耦合部件反射面21b是全反射，可將由延長面ESl反射的圖像光反射。此外，在導光部件22中，第二光入射面22a是凸的收斂面(具體地，為凸的球面或非球面)。再有，圖像中繼光學系統(tǒng)20在圖像形成裝置10和光耦合部件21之間與光耦合部件21的第一光入射面21a相對地配置有收斂性的透鏡12(具體地，為凸的球面或非球面)。通過這些部件，圖像光適當?shù)厥艿椒瓷?、折射作用。該情況下，從圖像形成裝置10出射的各圖像光GL1、GL2、GL3由收斂性的透鏡12大體平行光束化，從第一光入射面21a向光耦合部件21入射，且在耦合部件反射面21b中通過全反射來反射，從而在受到收斂的作用的同時射向包含延長面ES的第一光入射面21a。此時，通過各圖像光GL1、GL2、GL3相對于第一光入射面21a的角度變化，而使各圖像光GL1、GL2、GL3由第一光入射面21a全反射。由第一光入射面21a全反射的各圖像光GL1、GL2、GL3在耦合部件反射面21b中再次被通過全反射來進行反射，幾乎不損失光量地射向第一光出射面21c，受到由第一光出射面21c收斂的作用，并從第一光出射面21c出射。其次，各圖像光GL1、GL2、GL3向導光部件22的第二光入射面22a入射，受到收斂的作用，由關于Z方向相對地平行延伸的第一和第二的全反射面22b、22c全反射，從在其間收斂的狀態(tài)第一次成像并再次成為發(fā)散的狀態(tài)而射向導光部件反射面22d。各圖像光GL1、GL2、GL3通過作為凹的收斂面(具體地，為凹的球面或非球面)的導光部件反射面22d的反射作用來使光路彎折并且從發(fā)散的狀態(tài)下的光變?yōu)槌蔀槠叫泄馐臓顟B(tài)而射向第二光出射面22e。通過以上的結構，圖像光GLl在通過第二光出射面22e時從第二光出射面22e的中央側相對于+Z方向垂直即在-X方向上向觀察者的眼EY出射。圖像光GL2在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為銳角的角度出射。圖像光GL3在通過第二光出射面22e時以相對于沿第二光出射面22e的+Z方向為鈍角的角度出射。如上所述，在本實施方式的情況下，通過光耦合部件21和導光部件22的各曲面， 可進行減小像差的大且明亮的虛像的顯示。變形例除此之外，如例如圖7所示，有效活用形成圖像光GG那樣的光路的成分，可減小導光部件22的厚度。具體地，圖像光GG首先通過導光部件22的導光部件反射面22d，且由透光部件23的第一面23a全反射。由第一面23a全反射的圖像光GG再次通過導光部件反射面22d，且由位于第二全反射面22c的延長上的第二光出射面22e全反射。由第二光出射面22e全反射的圖像光GG第三次射向第二光出射面22d，此次由導光部件反射面22d反射而到達觀察者的眼EY。通過也使用形成以上那樣的光路的圖像光GG，而提高圖像光的利用效率，從而可實現(xiàn)導光部件22的薄型化。其他根據(jù)以上實施方式來說明本發(fā)明，但是，本發(fā)明不限于上述實施方式，在不脫離其主旨的范圍內可用各種方式來實施，例如，也可進行以下那樣的變形。在上述的說明中，使用透射型液晶顯示器件，但是，不限于透射型液晶顯示器件，可使用各種器件。例如，也可采用使用反射型液晶面板的構成，亦可使用數(shù)字微型反射鏡器件等來代替液晶顯示器件32。此外，也可采用使用以LED陣列和/或OLED (有機EL)等為代表的自發(fā)光型元件的構成。再有，也可采用將激光光源和多角鏡此外的掃描器組合的激光掃描器的構成。在上述說明中，虛像顯示裝置100與右眼和左眼兩者對應地各具備ー組圖像形成裝置10和圖像中繼光學系統(tǒng)20，但是，也可采用僅對右眼或左眼中任ー個設置圖像形成裝置10和圖像中繼光學系統(tǒng)20的圖像而単眼觀看圖像的構成。在上述說明中，對透明型虛像顯示裝置進行說明，但是，在不需要觀察外界像的情況下，可使導光部件反射面22d的光反射率大體為100%。在上述說明中，實施方式的虛像顯示裝置100是頭戴式顯示器來進行具體說明，但是，實施方式的虛像顯示裝置100也可改變?yōu)轭^戴式顯示器。在上述說明中，在第一和第二全反射面22b、22c中，可在表面上不施加反射鏡或半反射鏡地通過與空氣的界面而使圖像光全反射以進行導引，但是，對于本申請發(fā)明的全反射，也包括在第一和第二全反射面22b、22c上整體或一部分形成反射涂層或半反射膜而進行的反射。例如，圖像光的入射角度滿足全反射條件，而且在全反射面22b、22c的整體或一部分施行反射涂層等，實質上將全部的圖像光反射的情況也包括。此 外，如果能得到足夠的亮度的圖像光，則也可通過具有一些透射性的反射鏡來將全反射面22b、22c的整體或一
部分覆蓋。
權利要求
1.ー種圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在于，具備 光耦合部件，其由透光性的材料形成，且使圖像光入射；和 導光部件，其由透光性的材料形成，其導引來自所述光耦合部件的圖像光而向外部出射； 所述光耦合部件以圖像光的入射順序至少具有第一光入射面、耦合部件反射面和第一光出射面， 所述第一光入射面、所述耦合部件反射面和所述第一光出射面中的至少ー個是曲面，所述導光部件以圖像光的入射順序至少具有第二光入射面、相對地平行延伸的第一及第二全反射面、導光部件反射面和第二光出射面， 所述導光部件反射面是曲面， 所述第二光出射面是平坦面。
2.根據(jù)權利要求I所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干， 所述耦合部件反射面是將圖像光全部反射的全反射的反射鏡， 所述導光部件反射面是將所述導光部件內的圖像光平行光束化的凹的收斂面。
3.根據(jù)權利要求I所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干， 在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是作為全反射面發(fā)揮功能的面，所述耦合部件反射面是凹的收斂面，所述第一光出射面是凸的收斂面， 在所述導光部件中，所述第二光入射面是凸的收斂面。
4.根據(jù)權利要求2所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干， 在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是凸的收斂面，所述耦合部件反射面是凹的收斂面，所述第一光出射面是凸的收斂面， 在所述導光部件中，所述第二光入射面是凸的收斂面。
5.根據(jù)權利要求2所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干， 在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是凸的收斂面，所述耦合部件反射面是凹的收斂面，所述第一光出射面是凸的收斂面， 在所述導光部件中，所述第二光入射面是作為所述第一全反射面發(fā)揮功能的面，具有與所述第二光入射面相對的凹的收斂面且具有將來自該第二光入射面的圖像光向所述第一全反射面反射的全反射的相對反射面， 具有在所述光耦合部件的所述第一光出射面和所述導光部件的所述第二光入射面之間配置的收斂性的透鏡。
6.根據(jù)權利要求2所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干， 在所述光耦合部件中，所述第一光入射面是作為全反射面發(fā)揮功能的面，所述耦合部件反射面是全反射的凹的收斂面，所述第一光出射面是凸的收斂面， 在所述導光部件中，所述第二光入射面是凸的收斂面， 具有與所述光耦合部件的所述第一光入射面相對地配置的收斂性的透鏡。
7.根據(jù)權利要求I至6中任ー項所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干， 所述導光部件的所述導光部件反射面是半透射的反射鏡， 具有透光部件，其具有與所述半透射的反射鏡接合的曲面且能進行經所述第二光出射面和所述導光部件反射面的外界像的透視。
8.根據(jù)權利要求I至7中任ー項所述的圖像中繼光學系統(tǒng)，其特征在干，所述光耦合部件的折射率和分散中的至少ー個與所述導光部件的折射率和分散不同。
9.ー種虛像顯示裝置，其特征在于，具備根據(jù)權利要求I至8中任ー項所述的圖像中繼光學系統(tǒng)；和圖像形成裝置，其形成導向所述圖像中繼光學系統(tǒng)的所述圖像光。
全文摘要
本發(fā)明提供可簡易地顯示像差較小的大且明亮的虛像的圖像中繼光學系統(tǒng)以及組裝有該系統(tǒng)的虛像顯示裝置。在圖像中繼光學系統(tǒng)(20)中，在使圖像光向導光部件(22)入射前設有光耦合部件(21)，在光耦合部件(21)設置的第一光入射面(21a)和耦合部件反射面(21b)及第一光出射面(21c)中的、耦合部件反射面(21b)和第一光出射面(21c)是曲面，因此可進行減小像差的大且明亮的虛像的顯示。
文檔編號G02B27/01GK102692706SQ20121007646
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權日2011年3月22日
發(fā)明者宮尾敏明, 小松朗, 戶谷貴洋, 武田高司, 高木將行 申請人:精工愛普生株式會社