CN113614610B

CN113614610B - 虚像显示装置

Info

Publication number: CN113614610B
Application number: CN202080021858.XA
Authority: CN
Inventors: 中村直树; 大杉史织; 平野成伸; 片野泰男; 龟山健司; 五十岚规和; 长谷川爱乃; 田中伶实; 伊藤昌弘; 须藤芳文; 门马进; 冈崎骏
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: JP7400570B2; US20220057640A1; KR102657863B1; US12099207B2; JP2021119376A; WO2020188487A1; EP3942353A1; CN113614610A; KR20210129164A

Abstract

一种虚像显示装置包括:图像显示元件，配置成显示作为所述虚像表示的图像；传播光学系统，配置为用于使得来自图像显示元件的光传播；以及导光部件，配置成对由所述传播光学系统传播的光进行导光。所述导光部件包括:光束入射部，取入具有来自所述传播光学系统的图像信息的光到所述导光部件；图像提取器，从所述导光部件内部提取包括所述图像信息的光；以及图像射出器，向所述导光部件的外部射出包括所述图像信息的光。所述传播光学系统包括一个或多个光学部件，每个光学部件具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状。

Description

虚像显示装置

技术领域

本发明涉及一种虚像显示装置。

背景技术

近年来，头戴式显示器(HMD)作为虚像显示装置而普及。HMD大致分为透射型和非透射型，透射型与信息终端组合使用，或与扩张现实(AR)组合使用，称为“智能玻璃”(smartglass)备受关注。非透射型广泛用于游戏和虚拟现实(VR)，因能得到高沉浸感而受广泛喜爱。

作为虚像显示装置的一种类型，在图像显示元件上显示作为虚像表示的图像，通过传播光学系统将来自图像显示元件的图像光传播到导光部件，利用导光部件对传播的图像光进行导光，作为反射光向观察者射出，从而能观察到放大的虚像，这样的虚像显示装置为人们所公知。上述智能玻璃属于这种类型，称为“导光型的虚像显示装置”。

就虚像尺寸而言，透射型因与信息终端组合使用或与AR组合使用，期望具有小尺寸和良好的便携性。另一方面，在游戏或VR中使用非透射型时，倾向于能产生沉浸感的宽视角。具有减小的主体尺寸或厚度的HMD倾向于具有窄视角，而具有宽视角的显示区域的HMD倾向于具有增大的主体尺寸或厚度。

在符合这种要求的已知方法中，在导光部件内设置具有特定反射率涂层的多个反射镜，根据相关光束的入射角将各光束分配为反射或透射，以有效地提取图像(例如参照专利文献1)。

在另一种已知方法中，微结构和间隙区域设置在导光部件的一个侧面上，光束在这些部件反射和传播，以有效地提取图像(例如参照专利文献2)。

在又一种已知方法中，以面对方式延伸的全反射部和导光板组合在一起以提取图像(例如参照专利文献3)，所述导光板包括以倾斜方式延伸的多个第一元件面和以与第一元件面形成钝角延伸的多个第二元件面。

在上述每一种方法中，图像显示元件的位置信息由准直光学系统转换为角度信息，将光取入导光部件内。如果准直光学系统是相对于图像显示元件大致远心光学系统时，则准直光学系统的光瞳位置成为导光部件的光束入射部附近。因为引入到导光部件内的光在与导光部件的垂直视场相对应的方向，在导光部件内，相对于光轴发散地传播，因此，设在导光部件内的多个反射镜或微结构反射的光沿离开观察者眼睛的方向射出，不能确保垂直方向视场。

由于这个原因，准直光学系统设为非远心，光瞳位置延伸，在与导光部件的垂直视场对应的方向，在导光部件内，使得光相对光轴会聚，使得设在导光部件内的多个反射镜或微结构反射的光朝观察者眼睛的方向射出。然而，如图1中的开口A1所示，在与导光部件的水平视场对应的方向，必须使得光通过导光部件中的狭窄区域，这导致由于“晕映(vignetting)”造成的光损失的缺点。

作为克服这种缺点的一种方法，在专利文献4中描述了控制照射图像显示元件的光，从而控制从图像显示元件射出的光的方向，提高光利用效率。然而，很难控制在整个水平和垂直方向上的所有像素的光方向。

引文列表

专利文献

【专利文献1】JP-5698297-B

【专利文献2】JP-5421285-B

【专利文献3】JP-5703875-B

【专利文献4】JP-2012-83458-A

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种能够进一步提高光利用效率的导光型的虚像显示装置。

解决问题的方案

示例实施例包括一种虚像显示装置，其包括:图像显示元件，配置成显示作为所述虚像表示的图像；传播光学系统，配置为用于使得来自图像显示元件的光传播；以及导光部件，配置成对由所述传播光学系统传播的光进行导光。所述导光部件包括:光束入射部，取入具有来自所述传播光学系统的图像信息的光到所述导光部件；图像提取器，从所述导光部件内部提取包括所述图像信息的光；以及图像射出器，向所述导光部件的外部射出包括所述图像信息的光。所述传播光学系统包括一个或多个光学元件，每个光学元件具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状。

示例实施例包括一种显示虚像的虚像显示装置，包括虚像光学系统，所述虚像光学系统包括:图像显示元件，配置成显示作为所述虚像表示的图像；光源，配置为照明显示在图像显示元件上的图像；传播光学系统，配置为用于使得来自图像显示元件的光传播；以及导光部件，配置成对由所述传播光学系统传播的光进行导光。所述导光部件包括:光束入射部，取入具有来自所述传播光学系统的图像信息的光到所述导光部件；图像提取器，从所述导光部件内部提取包括所述图像信息的光；以及图像射出器，向所述导光部件的外部射出包括所述图像信息的光。所述传播光学系统包括一个或多个光学元件，每个光学元件具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状。

本发明的效果

根据本发明的一个或多个实施例，具有非旋转对称的曲面形状的光学部件插入到图像显示元件之后的传播光学系统中，以获得能够进一步提高光利用效率的导光型的虚像显示装置。

附图说明

附图旨在描述本发明的示例实施例，而不应被解释为限制其范围。除非明确说明，否则附图不应视为按比例绘制。而且，相同或相似的附图标记在若干视图中表示相同或相似的组件。

图1是从平面方向看的光路图，表示虚像显示装置的基本结构中的缺点。

图2是从正面方向看的光路图，说明基本结构中的缺点。

图3A是从平面方向看的光路图，说明根据本发明的实施例的虚像显示装置的实施例的操作。

图3B是从正面方向看的光路图，说明实施例的操作。

图4是从平面方向看的光路图，说明根据本发明实施例的虚像显示装置的一个实施例。

图5是从正面方向看的一个实施例的光路图。

图6是从平面方向看的光路图，说明根据本发明实施例的虚像显示装置的另一个实施例。

图7是从正面方向看图6所示实施例的光路图。

图8是图6和图7所示实施例中的传播光学系统的示例性数值的表。

图9是说明导光部件的图像提取器的图。

图10是说明导光部件的另一个示例性图像提取器的图。

图11是根据本发明实施例的虚像显示装置的数值实例2的光学配置图。

图12A～图12C是说明数值实例2的横向像差曲线图。

图13是根据本发明实施例的虚像显示装置的数值实例3的光学配置图。

图14A～图14C是说明数值实例3的横向像差曲线图。

图15是根据本发明实施例的虚像显示装置的数值实例4的光学配置图。

图16A～图16C是说明数值实例4的横向像差曲线图。

图17是根据本发明实施例的虚像显示装置的数值实例5的光学配置图。

图18A～图18C是说明数值实例5的横向像差曲线图。

图19是表示计算数值实例2～5的横向像差曲线的位置的图。

具体实施方式

本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”、和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。

在描述附图中表示的实施例时，为了清楚起见采用特定术语。然而，本说明书的公开内容并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解，每个特定元件包括具有相似功能、以相似方式操作并且获得相似结果的所有技术等同物。如上所述，根据本发明的实施例的虚像显示装置包括图像显示元件、传播光学系统和导光部件。

“图像显示元件”显示作为要观察的虚像显示的图像。

“传播光学系统”传播来自图像显示元件的光。

“导光部件”对由传播光学系统传播的光进行导光。由传播光学系统传播的光包括显示在图像显示元件的图像的图像信息。

导光部件包括将“具有图像信息的光”取入导光部件的“光束入射部”、从导光部件内部提取“具有图像信息的光”即“图像光”的“图像提取器”、以及将具有图像信息的光向导光部件外部射出的“图像射出器”。

传播光学系统包括一个或多个“各自具有相对于光轴非旋转对称(或旋转非对称)的曲面形状的光学部件”。在下文中，“具有相对于光轴非旋转对称(或旋转非对称)的曲面形状的光学部件”也称为“曲面光学部件”。

作为图像显示元件，可以使用广泛已知的图像显示元件。

例如，可以使用具有发光功能的有机EL显示器(OLED)或非发光性由照明光照明的液晶显示装置或数字微彩色装置(DMD)，但是图像显示元件不限于这些，只要能够显示图像，也可以应用两维驱动的微机电系统(MEMS)。

将光从图像显示元件传播到导光部件的“传播光学系统”可以具有如下所示的各种结构。

传播光学系统例如使大致平行光入射导光部件的光束入射部。如果使用这种传播光学系统，当使用没有光焦度的板状部件作为导光部件时，从图像射出器射出的光成像在“观察者眼睛的视网膜”上的一点，从而观察者可以看到良好的虚像。

传播光学系统包括中继光学系统和准直光学系统，其中，中继光学系统形成显示在图像显示元件侧的图像显示元件的图像的中间图像，准直光学系统在中间图像的导光部件侧，一个或多个“曲面光学元件”可以包括在中继光学系统和准直光学系统中的至少一方。即使在这种结构中，传播光学系统也可以构成为使得大致平行光入射到导光部件的光束入射部。

为了确保高性能且同时减小透镜直径，同时将光学全长确保某一量级，传播光学系统形成中间图像是有效的，中继光学系统的直径可以做得相对小。另外，包括中继光学系统的结构，可以对应由于机械或电气系统结构等原因需要确保图像显示元件和导光部件之间的间隔的情况。

从图像显示元件侧依次包括中继光学系统、相对于光轴的曲面光学部件、以及准直光学系统，在中继光学系统和准直光学系统之间形成中间图像，因此，曲面光学部件的面位于中间图像附近位置。由于曲面光学部件位于中间图像附近，因此，可以减小由非旋转对称性引起的球面像差或彗形像差。

具有这种结构的传播光学系统用于通过中继光学系统将来自图像显示元件的光转换为中间图像，图像显示元件可以由此从观察者头部前方附近移向耳朵，可以由此减小智能玻璃前部的重量，因此，可以提高智能玻璃的佩戴舒适性。此外，智能玻璃的端部的厚度可以减小，观察者视野的阻塞可以减小。

传播光学系统还可以包括准直光学系统和一个或多个光学元件，一个或多个光学元件在该准直光学系统的图像显示元件侧，每个光学元件相对于光轴具有非旋转对称的曲面形状。由准直光学系统设为平行的光入射到导光部件的光束入射部。

准直光学系统可以是“图像显示元件侧的非远心”，当使用上述“中继光学系统和准直光学系统”时，准直光学系统可以是“中间图像侧的非远心”。

这样，通过将准直光学系统的图像显示元件侧或准直光学系统的中间图像侧设为非远心，到“光学系统的光瞳位置”的距离变长，当在导光部件内传播的光碰到图像提取器时，能有效地进入眼睛，显示广角虚像。

此外，在传播光学系统中使用的“曲面光学部件”在传播光学系统中的配置位置和数量也可以有各种情况，如下所示。

曲面光学部件可以“接近于中间图像”配置。通过将曲面光学部件配置在图像显示元件附近，能起到像场透镜的作用，可以减小由于非旋转对称曲面形状引起的对像差恶化的影响。

当传播光学系统要“形成中间图像”时，曲面光学部件可以“接近于中间图像”配置。即使这样，曲面光学部件也可以起到像场透镜的作用，可以减少由于非旋转对称曲面形状引起的对像差恶化的影响。

另外，当传播光学系统“形成中间图像”时，多个曲面光学部件可以包含在中间图像的前和后的各方。通过在中间图像的前和后的各方配置曲面光学部件，可以减少在“各自的非旋转对称的曲面形状”中产生的像差。

相对于曲面光学元件的光轴非旋转对称的“曲面”可以是例如“环形面”或“圆柱面”。

由于这些曲面光学部件各自具有相对于光轴非旋转对称的“曲面”，因此，显示在图像显示元件上的图像的“观察对象的虚像的纵横比”与显示在图像显示元件上的图像的纵横比”由于上述曲面形状的非旋转对称性而不同。

该“纵横比差”由传播光学系统确定，因此，可以通过向图像显示元件输入“修正纵横比差的修正图像”来消除。

曲面光学部件优选在“与虚像的水平方向(从观察者的眼看为左右方向)对应的方向具有正光焦度”。这样，当使用板状导光部件时，通过使得“与虚像的水平方向对应的方向的光焦度为正”，在入射部的薄的部分，取入“更多的光”，因此能够提高光利用效率，能够实现能够显示明亮的虚像的虚像显示装置。

此外，虚像显示装置优选传播光学系统具有的“相对于光轴具有非旋转对称的曲面形状的光学部件(曲面光学部件)”的、与虚像的垂直方向(与上述水平方向正交的方向)对应的尺寸大于与上述水平方向对应的尺寸。

通过使“与虚像的垂直方向对应的方向的尺寸”大于“与虚像的水平方向对应的方向的尺寸”，可以提高光利用效率，可以实现能够显示明亮虚像的虚像显示装置。

此外，在虚像显示装置中，虚像光学系统可以“包括:显示作为虚像显示的图像的图像显示元件、照明显示在图像显示元件上的图像的光源、导光部件、以及使显示在图像显示元件上并由光源照明的图像的图像信息入射到导光部件的上述各种传播光学系统中的任何一个”。

在下文中，参照附图对根据本发明实施例的虚像显示装置的实施例进行更详细的说明。在每一个实施例中，根据本发明实施例的虚像显示装置假定为“使用板状导光部件的智能玻璃”，作为板状的导光部件，假定为“板状类型”的任何已知导光部件。板状类型的导光部件在下文中称为“导光板”。

图1和图2说明了一个实例，其中虚像显示装置的传播光学系统200包括上述中继光学系统250和准直光学系统280。在这个实例中，传播光学系统200不包括“曲面光学部件”。因此，根据本发明的实施例，传播光学系统200不同于虚像显示装置的实施例中的任何传播光学系统。上述曲面光学部件添加到这种传播光学系统中，由此配置本发明实施例中的传播光学系统之一。

图1和图2是说明传统虚像显示装置的概念图。图1是来自图像显示元件100的图像光的光路图，该图像光对应于水平方向的虚像显示，图2是来自图像显示元件100的图像光的光路图，该图像光对应于垂直方向的虚像显示。导光部件300的光束入射部是“矩形”，该矩形光束入射部在下文中称为“开口”。此外，观察者相对于从导光部件300的图像射出器射出进入观察者的瞳孔的“观察为虚像的光束”的瞳孔定义为“开口B”。

在图1中，导光部件300的光束入射侧的开口A1构成像眼镜镜片那样的导光部件300，当从正面看时，显示眼镜镜片的前后方向的开口A1。开口A1一般具有大约2mm的宽度。在图2中，导光部件300的光束入射侧的开口A2构成像眼镜镜片那样的导光部件300，当从正面看时，显示眼镜镜片的前后方向的开口A2。开口A2一般具有大约20mm的宽度。

因此，图1中的开口A1和图2中的开口A2互相明显不同。如果使光学系统相对于中间图像非远心，使导光部件300的图像射出侧的开口B在使光入射导光部件300之前远离定位，则光不在导光部件300的光束入射部附近会聚，因此，光在导光部件300的光束入射侧的窄开口A1和A2处受到相当大的光晕，从而导致光利用效率降低的缺点。

另外，从各像素发出的来自图像显示元件100的光，即图像光，通常以各向同性的方式发出，中继光学系统250和准直光学系统280如图1所示受到尺寸限制，不能从图像显示元件100取入全部光。因此，如图1左侧的半色调那样不能取入足够的光，导致光利用效率的降低。另一方面，在图2所示的开口A2的情况下，其尺寸是图1所示尺寸的约10倍，与图1所示的情况相比，可以取入更多的光。

[实施例]

图3A和图3B是说明本发明的一个实施例的概念图，其中与图1和图2所示的实例相反，透镜设置在中间图像附近，透镜包括具有非旋转对称的曲面形状的光学部件。“具有非旋转对称的曲面形状的光学部件”是指相对于光轴非轴对称的光学部件，包括圆柱透镜、环形透镜、和自由曲面透镜。在中继光学系统200的中间图像201附近插入具有非旋转对称的曲面形状的光学部件204(以下称为“曲面光学部件204”)。通过具有曲面光学部件204，使从图像显示元件100的最端部发出的光向中间图像201的朝向变化，与图1所示的实例相比，使光容易通过开口A1。并且，与图1所示的实例相比，增加从图像显示元件100到准直光学系统280周边的光量，从而提高光利用效率。

在图1中，从图像显示元件100的上端部发出的光一边发散一边入射到传播光学系统200的中继光学系统(以下称为“中继透镜”)250，在中继透镜250的作用下形成中间图像201，然后，由准直光学系统(以下称为“准直透镜”)280转换为平行光束并进入开口A1。

通常，来自图像显示元件100的各像素的光各向同性地辐射，如图1中从图像显示元件100的上端部扇形地延伸的虚线所示。但是在图1中所示的例子中，由于对中继透镜250和准直透镜280的尺寸的限制，不可能“全部取入”从具有这种透镜的图像显示元件100各向同性地辐射的光。

从图1所示的图像显示元件100的上端各向同性地辐射的由虚线表示的光通量中，只有在中继透镜250的左侧以半色调表示的部分取入到传播光学系统200中，能通过开口A1和B，从而导致光利用效率的降低。

当将导光板像眼镜镜片一样使用时，图2对应于“从正面看时眼镜镜片的垂直方向”。

比较图1和图2可以看出，当从图像显示元件100发射的光的范围由开口A1、A2和B限制时，从图像显示元件100到中继光学系统250和准直光学系统280传播的光的方向在图像显示元件100后和中间图像201后之间是不同的，如半色调所示。因此，使用从图像显示元件100的上端通常各向同性地辐射的虚线内的光的各自不同区域中的光，需要从图像显示元件100以大的角度射出光，以便包含各自区域的光，这导致光利用效率降低的缺点。

图3A和图3B是表示根据本发明的虚像显示装置的实施例的操作的图。为了避免复杂性，不易混淆的部件用相同的参考符号表示。

在图3A和图3B中，传播光学系统200除了中继透镜250和准直透镜280之外还包括曲面光学部件204。

如图所示，在中继透镜250的中间图像201附近插入具有“相对于光轴方向非旋转对称的曲面形状”的曲面光学部件204，使从图像显示元件100的最上端部向中间图像201射出的光的朝向在图1和图2的各自截面上能独立地变化。从而使从图像显示元件100的上端射出的光的朝向在图1和图2的各自截面能接近相同的方向，能减少因使用在图1和图2从图像显示元件100的上端各向同性地放射的虚线内的光的各自不同区域的光而引起的光使用效率降低。

[虚像显示装置的实施例]

下面描述本发明的虚像显示装置的实施例。

如上所述，根据本发明的虚像显示装置的每个实施例基本上包括图像显示元件、传播光学系统和导光部件。导光部件包括将具有来自传播光学系统的图像信息的光取入到导光部件中的光束入射部，从导光部件内部提取具有图像信息的光的图像提取器，以及将具有图像信息的光射出到导光部件外部的图像射出器，传播光学系统包括一个或多个光学部件，各光学部件具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状。

即，上述“形成中间图像”不一定是必需的。

图4和图5所示的实施例是未形成中间图像的形态的实例。

在图4中，作为板状导光部件的导光板300中的光束入射部301的开口的窄侧(开口A1)在图中为垂直方向。在图5中，作为板状导光部件的导光板301中的光束入射部301的开口的宽侧(开口A2)在图中为垂直方向。

如图4和图5所示，虚像显示装置1000通过传播光学系统200将来自图像显示元件100的光转换为近似平行光，使光入射导光板300，使其入射观察者的瞳孔(开口B)。

传播光学系统200包括具有相对于光轴方向非旋转对称的曲面形状的曲面光学部件204。曲面光学部件204配置在“图像显示元件100的附近”，起着像场透镜那样的作用，降低因非旋转对称的曲面形状引起的对像差劣化的影响。

作为板状导光部件的导光板300包括用于从传播光学系统200取得图像信息的光束入射部301、用“具有角度q的多个面”构成的图像提取器303和图像射出器304。

由传播光学系统200传播的光从光束入射部301入射，在导光板300内被导光。

具有图像信息的光由具有“准直光学系统”的传播光学系统200将图像显示元件100的位置信息转换为角度信息，角度信息入射到导光板300。

在图4和图5中，具有图像信息的光通过传播光学系统200从导光板300的光束入射部301入射，在导光板300内被导光，由具有楔形部分角度q的图像提取器303反射，作为具有图像信息的光从图像射出器304射出。从图像射出器304看可以确认虚像。

在此，描述图像提取器303。

在图9中，多个图像提取器303设置在导光板300的侧面，在图10中，多个图像提取器303设置在导光板300的内部。在图9中，图像提取器303包括倾斜部303a和平坦部303b，碰撞到倾斜部303a的光从图像射出器304射出，而未碰撞到倾斜部303a的光通过平坦部303b在导光板300内部传播，直到碰撞到下一个倾斜部303a，在碰撞到倾斜部303a之后，从图像射出器304射出。

为了提高光利用效率，最好在倾斜部303a设置铝等反射涂层，以此方式，可以向多个倾斜部303a照射光，从而扩张眼框。

在图10的例子中，图像提取器303设置有具有反射和透射性能的涂层。在导光板300内传播的光在图像提取器303处分支以反射和透射，反射光从图像射出器304射出，透射光在下一图像提取器303处分支以反射和透射，反射光从图像射出器304射出。这样，能扩张眼框。

图6和图7说明虚像显示装置1000的另一个实施例。在该实施例中，中继透镜250设置在传播光学系统200中，来自图像显示元件100的光一时作为中间图像201成像。具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的曲面光学部件204设置在靠近中间图像201的前面。

形成中间图像201的光通过准直透镜280从导光板300的光束入射部301入射，如图4和图5那样，在导光板300内导光，从图像射出器304向观察者的瞳孔射出。

在下文中，描述图6和图7所示实施例的一个具体实例。

图8表示从图像显示元件100通过传播光学系统200和导光板300到达观察者的瞳孔和视网膜的数据(面编号、曲率半径、面间隔、材料、折射率)。

传播光学系统200包括中继光学系统250和准直光学系统280，在中继光学系统250内设置曲面光学部件204。

中继透镜250包括从图像显示元件100侧依次排列的三个透镜和曲面光学部件204。曲面光学部件204包括在图像侧的环形面(面编号7)。在准直透镜280的图像显示元件100侧的二个透镜是接合透镜。

导光部件(导光板300)的数据如下：

最小厚度:0.5mm

长度:44mm

宽度:50mm

入射部:2.3mm×50mm

q＝30度

折射率(Nd)＝1.53(材料:塑料)

视角:50度

眼框:5mm或更大

眼睛间隙:15毫米或更大

“眼框”是可以确认为虚像的视野的宽度，“眼睛间隙”是从能确认虚像的图像射出器304到眼球(瞳孔:开口B)的距离。

参照图1至图7所描述的内容也适用于使图左右反转。此外，可以以“用两眼确认一个导光部件”的方式进行配置，也可以将一个导光部件分成两个并用各自眼睛确认，可以使导光部件变得更小，也可以实现单眼系统。

当试图实现广角智能玻璃时，虚像变为大屏幕，虚像的亮度趋于暗，有助于在水平方向上显示虚像的光必须朝导光部件薄的方向入射，导致在导光部件的光束入射部因光的“晕映”引起光使用效率降低的缺点。然而，在根据本发明的虚像显示装置的各实施例中，具有相对于光轴方向非旋转对称的曲面形状的光学部件设置在光学系统中，因此，对于从图像显示元件各向同性地发出的光，相对导光部件的厚的方向和薄的方向，可以控制光的朝向。因此，能够控制入射到导光部件的入射部的薄的部分的光的朝向，而不会过度增加来自图像显示元件的光的发散角，从而“提高光使用效率”。

为了进一步提高光利用效率，同时进一步减小包括曲面光学部件204的传播光学系统的直径，希望满足以下条件式：

0.1＜TLA/TL＜0.5

在此，TLA表示从相对于光轴非旋转对称的曲面形状的面到最靠近导光部件300侧的准直透镜280的面的距离。TL表示从中继透镜250的图像显示元件100侧的面到最靠近导光部件300侧的准直透镜280的面的距离。这些距离是在光轴上确定的值。

如果TLA/TL的值为0.5或更大，则非旋转对称的曲面形状的面离导光部件300太远，具有非旋转对称的曲面形状的曲面光学部件204和准直透镜280的直径太大。如果TLA/TL的值为0.1或更小，则非旋转对称的曲面形状的面离导光部件300太近，非旋转对称的曲面形状的面所产生的效果变小，从而使导光部件300的入射范围太大。

0.3＜TLC/TLR＜0.6

TLC表示准直透镜280的厚度，TLR表示中继透镜250的厚度。各厚度是在光轴上确定的值。

如果TLC/TLR的值为0.6或更大，则准直透镜280变厚，具有非旋转对称的曲面形状的曲面光学部件204和准直透镜280的直径太大。如果TLC/TLR的值为0.3或更小，则准直透镜280太薄，因此，难以校正准直透镜280内的各种像差。

为了进一步改善传播光学系统的性能，希望满足以下条件表达式：

-0.5＜Pos1/Y＜0.5

Y表示图像显示元件100的对角线方向的尺寸。Pos1表示当将中间图像201的位置作为基准时具有非旋转对称的曲面形状的面的位置，将具有非旋转对称的曲面形状的面位于比中间图像201的位置更接近图像显示元件100侧的位置时设为负值。该位置为在光轴上确定的值。

如果Pos1/Y的值为0.5或更大或-0.5或更小，则具有非旋转对称的曲面形状的面与中间图像201之间的距离增加，难以防止非旋转对称球面像差或彗形像差的产生。

为了进一步减小传播光学系统的尺寸，希望满足以下条件表达式：

-3.0＜β_relay＜-1.0

β_relay表示中继透镜250的横向放大倍率。

如果图像显示元件100的显示部分变大，则包括印刷电路板(PCB)的电气部件和其它部件也相应地变大，尺寸减小困难。但是，为了使得场角宽广，需要中间图像相对较大，因此，希望中继透镜250的横向放大倍率满足上述条件式。

-0.5＜f_pmax/f_pmin＜0.5

f_pmax表示曲面光学部件204的最强正光焦度(positive power)的截面的焦距，f_pmin表示曲面光学部件204的最弱正光焦度的截面的焦距。

如果f_pmax/f_pmin的值为0.5或更大，则在两个横截面中的焦距为正或负，两个横截面之间的焦距差很小，因此，配置具有非旋转对称的面的效果较差，导光部件300和准直透镜280的尺寸减小很困难。如果f_pmax/f_pmin的值为-0.5或更小，则具有最强正光焦度的截面的正光焦度弱，导光部件300和准直透镜280的尺寸减小很困难。

-0.5＜f_y/f_x＜0.5

f_y表示图像显示元件100的长边方向的截面中的曲面光学部件204的焦距，f_x表示图像显示元件100的短边方向的截面中的曲面光学部件204的焦距。

如果f_y/f_x的值为0.5或更大，则在两个横截面中的焦距为正或负，两个横截面之间的焦距差很小，因此，配置具有非旋转对称的面的效果较差，导向部件300和准直透镜280的尺寸减小不可能。如果f_y/f_x的值为-0.5或更小，则在长边方向的正光焦度弱，导光部件300和准直透镜280的尺寸减小不可能。

为了在确保传播光学系统的全长的同时提高传播光学系统的性能，希望在中继透镜250和准直透镜280之间配置中间图像201。从图像显示元件100侧开始依次配置中继前组和中继后组，构成中继透镜250，在中继透镜250中，光学部件互相之间的间隔希望中继前组和中继后组之间的间隔最大。

通过中继前组和中继后组确保合适的间隔，可以在确保传播光学系统的整个长度的同时校正各种像差。

为了改善传播光学系统的性能，希望满足以下条件表达式：

0.4＜TLRa/TLR＜0.7

TLR表示中继透镜250的厚度，TLRa表示中继前组和中继后组之间的间隔。厚度和间隔是在光轴上确定的值。

如果TLRa/TLR的值为0.7或更大，则中继前组和中继后组之间的间隔太大，由中继前组或中继后组构成的空间太小，因此，各种像差难以校正。如果TLRa/TLR的值为0.4或更小，则中继前组和中继后组之间的间隔太小，因此，难以确保传播光学系统200全长的同时校正中继透镜250内的各种像差。

为了改善传播光学系统的性能，希望满足以下条件表达式：

0.4＜f_r/f_rf＜0.8

f_r表示中继组的焦距，f_rf表示中继前组的焦距。

中继前组在中继光学系统250中主要具有成像功能，重要的是实现合适的光焦度配置。如果f_r/f_rf的值为0.8或更大，则中继前组的焦距过短，在中继前组中产生的像差不能充分校正，因此，难以校正传播光学系统200整体的各种像差。如果f_r/f_rf的值为0.4或更小，则中继前组的焦距过长，在中继透镜250中产生的像差不能充分校正，因此，难以校正所有的像差。

[虚像显示装置的数值实施例]

在下文中，给出根据本发明的虚像显示装置的实施例的特定数值实例。在下列各实例中，图像显示元件100的尺寸在垂直X方向为2.97mm，水平Y方向为5.28mm，对角线方向为6.06mm。在各数值实例中，第一至第十三面构成中继光学系统250，第十四面和第十五面构成具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的曲面光学部件204，第十六至第二十一面构成准直透镜280，第二十二面和第二十三面的平行平板构成导光部件300，与第二十三面之间的距离为眼睛间隙。

图11、图13、图15和图17显示各数值实例的光学配置的概略。图12、图14、图16和图18显示各数值实例的像差图。图19显示像差的测量点。如图19所示，在横向方向有三个测量点(a)、(b)和(c)，在纵向方向有三个测量点1、2和3。各像差图表示在X和Y方向对于三个测量点(a)、(b)和(c)的各点在三个测量点1、2和3执行的测量结果。

[数值实施例2]

图11说明数值实施例2的光学配置，图12是光学配置的像差图。

场角:垂直(X)，17.4度；水平(Y)，38.3度；对角线，40.9度。

虚像距离:0.6m。

非球面系数

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	-1.86404E-03	1.42016E-04	-1.16227E-05	4.27844E-08
4	0.000	-2.92352E-03	3.78372E-04	-2.75538E-05	4.13654E-07
						7	0.000	-1.83980E-03	1.56088E-04	-5.27314E-06	6.10456E-08
8	-25.182	-1.85868E-03	6.42986E-05	0.00000E+00	0.00000E+00
						11	0.000	2.55256E-03	1.42898E-05	-8.57411E-07	1.51822E-07
12	0.000	7.49146E-04	1.14044E-05	2.28411E-06	1.63091E-09
						13	0.000	-3.62920E-03	1.56426E-04	-4.68515E-06	7.57761E-08
16	0.000	-2.17160E-04	3.92759E-07	8.32430E-09	-1.00005E-10
						18	0.000	-5.18021E-07	-5.89067E-06	1.07591E-07	-8.91752E-10
21	-0.170	3.25687E-05	-3.54680E-08	7.37095E-09	-6.15931E-11

条件运算式

TLA/TL	0.28
		TLC/TLR	0.43
Pos1/Y	-0.36
		β_relay	-2.52
f_pmax/f_pmin	0.00
		f_y/f_x	0.00
TLRa/TLR	0.54
		f_r/f_rf	0.75

[数值实施例3]

图13说明数值实施例3的光学配置，图14是光学配置的像差图。

场角：垂直(X)，14.7度；水平(Y)，31.9度；对角线，34.5度。

虚像距离：0.5米。

非球面系数

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	-2.04003E-03	1.57639E-04	-1.15670E-05	2.25986E-07
4	0.000	-3.34217E-03	3.56572E-04	-2.38184E-05	5.44305E-07
						7	0.000	-1.98713E-03	1.22250E-04	-4.50872E-06	8.25923E-08
8	-18.323	-1.64363E-03	4.92674E-05	0.00000E+00	0.00000E+00
						11	0.000	1.64283E-03	-3.86742E-08	-2.07879E-07	1.96355E-08
12	0.000	7.61438E-04	2.01077E-06	-2.68587E-07	2.52182E-08
						13	0.000	-4.40737E-03	1.33244E-04	-3.02266E-06	3.38248E-08
16	0.000	-8.81003E-05	-5.35037E-05	2.04585E-06	-5.34107E-08
						18	0.000	1.12564E-04	-3.96109E-06	5.43565E-08	-3.79570E-10
21	-0.329	1.86524E-05	-6.56429E-07	1.09212E-08	-9.43424E-11

条件运算式

TLA/TL	0.30
		TLC/TLR	0.47
Posl/Y	-0.30
		β_relay	-1.68
f_pmax/f_pmin	0.00
		f_y/f_x	0.00
TLRa/TLR	0.53
		f_r/f_rf	0.63

[数值实施例4]

图15说明数值实施例4的光学配置，图16说明光学配置的像差图。

场角：垂直(x)，14.6度：水平(Y)，31.9度：对角线，35.0度。

虚像距离：3m。

非球面系数

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	-2.11869E-03	1.54855E-04	-1.20888E-05	9.61201E-08
4	0.000	-3.13844E-03	3.33470E-04	-2.43840E-05	4.48462E-07
						7	0.000	-2.20112E-03	1.31503E-04	-4.50844E-06	5.16797E-08
8	-16.483	-1.51146E-03	4.65667E-05	0.00000E+00	0.00000E+00
						11	0.000	1.88090E-03	-1.21797E-05	1.28368E-07	4.99799E-09
12	0.000	2.67201E-03	-4.05754E-05	-8.23356E-07	2.64914E-08
						13	0.000	-3.73580E-03	9.52096E-05	-2.16178E-06	8.73577E-09
16	0.000	-3.69405E-04	-3.83950E-05	1.56136E-06	-5.23428E-08
						18	0.000	8.18820E-05	-3.01989E-06	3.83630E-08	-2.07529E-10
21	-0.348	1.52156E-05	-5.85543E-07	8.96290E-09	-7.91705E-11

条件运算式

TLA/TL	0.29
		TLC/TLR	0.40
Pos1/Y	-0.23
		β_relay	-1.54
f_pmax/f_pmin	0.27
		f_y/f_x	0.27
TLRa/TLR	0.61
		f_r/f_rf	0.52

[数值实施例5]

图17说明数值实施例5的光学配置，图18是光学配置的像差图。

场角：垂直(X)，17.7度；水平(Y)，33.9度；对角线，37.8度。

虚像距离：1m。

非球面系数

	K	A4	A6	A8	A10
						3	0.000	-8.86352E-04	6.47164E-05	2.02060E-06	-1.90339E-07
4	0.000	-3.55932E-03	3.11788E-04	-7.54133E-06	-6.97683E-08
						7	0.000	-3.89265E-03	6.77320E-05	-9.88174E-07	-8.04133E-08
8	-50.365	-1.92658E-03	9.30719E-06	0.00000E+00	0.00000E+00
						11	0.000	1.40363E-03	-1.03534E-05	1.25719E-07	7.32487E-09
12	0.000	-3.80516E-04	-1.07816E-04	2.60675E-06	1.25972E-08
						13	0.000	-5.58289E-03	1.13652E-04	-2.26208E-06	2.19595E-08
16	0.000	-6.40944E-05	-6.17750E-06	-2.92187E-08	7.05621E-10
						18	0.000	-2.19029E-04	6.00350E-06	-5.54935E-08	1.59459E-10
21	0.055	-2.36160E-05	4.15573E-07	-2.57232E-09	6.44594E-12

条件运算式

TLA/TL	0.32
		TLC/TLR	0.47
Pos1/Y	0.08
		β_relay	-2.14
f_pmax/f_pmin	-0.12
		f_y/f_x	-0.12
TLRa/TLR	0.51
		f_r/f_rf	0.57

在每个像差图中，假定用焦距为17mm的理想透镜形成图像，进行计算。在每个数值例子中，高电平地校正像差。从本发明的例子中可以明显看出，通过在本发明的各个例子中构成传播光学系统，以30度或更大的水平场角能确保非常好的图像性能。

在上述实施例中，实现能够获得30度以上的宽视角并提高光利用效率的虚像显示装置。

虽然本发明的优选实施例已经在上文中进行了描述，但本发明绝不局限于这种特定实施例。在本发明要点的范围内，可以在权利要求中所陈述的范围内进行各种修改和变更，只要在上述描述中没有特别限制。

非旋转对称的曲面形状的面可以是给定横截面中的球面，也可以是非球面或自由曲面，以便提高设计自由度。

上述实施例是示例性的，并不限制本发明，因此，根据上述教导，许多其他的修改和变化是可能的，例如，在本发明的范围内，不同的说明性实施例的要素和/或特征可以相互组合和/或相互替代。

本专利申请以2019年3月20日提交日本专利局的第2019-053317号日本专利申请以及2020年2月6日提交的第2020-018516号专利申请为基础，并对其享有优先权，本专利申请的全部内容在此以引用方式并入。

附图标记列表

100 图像显示元件

200 传播光学系统

201 中间图像

204 曲面光学部件

300 导光板

301 光束入射部

303 图像提取器

304 图像射出器

Claims

1.一种虚像显示装置，包括:

图像显示元件(100)，配置成显示作为所述虚像表示的图像；

传播光学系统(200)，配置为用于使得来自图像显示元件(100)的光传播；以及

导光部件，配置成对由所述传播光学系统(200)传播的光进行导光，

所述导光部件包括:

光束入射部(301)，取入具有来自所述传播光学系统(200)的图像信息的光到所述导光部件；

图像提取器(303)，从所述导光部件内部提取包括所述图像信息的光；以及

图像射出器(304)，向所述导光部件的外部射出包括所述图像信息的光，

其中，

光束入射部(301)包括具有在虚像的水平方向上的宽度(A1)和在垂直于该虚像的水平方向的虚像的垂直方向上的宽度(A2)的开口，在虚像的水平方向上的宽度(A1)比在虚像的垂直方向上的宽度(A2)窄，

所述传播光学系统(200)包括一个或多个折射透镜，每个折射透镜具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状，该曲面在虚像的水平方向上具有正光焦度。

2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统使平行光入射所述导光部件的光束入射部。

3.根据权利要求1所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统包括在面对所述图像显示元件的一侧形成显示在所述图像显示元件上的所述图像的中间图像的中继光学系统，以及在面对所述中间图像的所述导光部件的一侧形成准直光学系统，以及

其中，每个具有相对所述光轴非旋转对称的曲面形状的一个或多个折射透镜设置在所述中继光学系统和所述准直光学系统中的至少一方。

4.根据权利要求1所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统进一步包括准直光学系统，并且每个具有相对所述光轴非旋转对称的曲面形状的一个或多个折射透镜设置在面对所述准直光学系统的所述图像显示元件的一侧。

5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统在面对所述图像显示元件的一侧是非远心。

6.根据权利要求3所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统的准直光学系统在面对中间图像的一侧是非远心。

7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，

其中，每个具有相对所述光轴非旋转对称的曲面形状的一个或多个折射透镜配置在所述图像显示元件附近。

8.根据权利要求3所述的虚像显示装置，

其中，每个具有相对所述光轴非旋转对称的曲面形状的一个或多个折射透镜配置在所述中间图像附近。

9.根据权利要求3所述的虚像显示装置，

其中，每个具有相对所述传播光学系统的所述光轴非旋转对称的曲面形状的一个或多个折射透镜包括配置在所述中间图像的前侧的至少一个折射透镜和配置在所述中间图像的后侧的至少一个折射透镜。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统从面向所述图像显示元件的一侧依次包括中继光学系统、具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜、以及准直光学系统，

其中，所述传播光学系统包括所述中继光学系统和所述准直光学系统之间的中间图像，满足以下条件表达式:

0.1＜TLA/TL＜0.5

在此，TLA表示从相对于所述光轴非旋转对称的曲面形状的面到准直光学系统的最靠近导光部件的面的距离，TL表示从所述中继光学系统的最靠近图像显示元件的面到所述准直光学系统的最靠近导光部件的面的距离。

11.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统从面向所述图像显示元件的一侧依次包括中继光学系统、具有相对于所述光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜、以及准直光学系统，

0.3＜TLC/TLR＜0.6

在此，TLC表示准直光学系统的厚度，TLR表示所述中继光学系统的厚度。

12.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，其中，所述传播光学系统从面向所述图像显示元件的一侧依次包括中继光学系统、具有相对于所述光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜、以及准直光学系统，

-0.5＜Pos1/Y＜0.5

在此，Y表示所述图像显示元件的对角线方向的尺寸，Pos1表示当将中间图像的位置作为基准时具有非旋转对称的曲面形状的面的位置，如果具有非旋转对称的曲面形状的面位于所述中间图像的面对所述图像显示元件的一侧，则Pos1为负值。

13.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

-3.0＜β_relay＜-1.0

在此，β_relay表示所述中继光学系统的横向放大倍率。

14.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

-0.5＜f_pmax/f_pmin＜0.5

在此，f_pmax表示在具有非旋转对称的曲面形状中最强正光焦度的横截面中的具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜的焦距，f_pmin表示在具有非旋转对称的曲面形状中最弱正光焦度的横截面中的具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜的焦距。

15.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

-0.5＜f_y/f_x＜0.5

f_y表示图像显示元件的长边方向的截面中的具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜的焦距，f_x表示图像显示元件的短边方向的截面中的具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状的折射透镜的焦距。

16.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，所述传播光学系统包括所述中继光学系统和所述准直光学系统之间的中间图像，

其中，所述中继光学系统从面向所述图像显示元件的一侧依次包括具有正光焦度的中继前组和中继后组，所述中继前组和所述中继后组之间的间隔是所述中继光学系统中最大的间隔。

17.根据权利要求16所述的虚像显示装置，

其中，虚像显示装置满足以下条件表达式:

0.4＜TLRa/TLR＜0.7

在此，TLR表示所述中继光学系统的厚度，TLRa表示所述中继前组和所述中继后组之间的间隔。

18.根据权利要求16所述的虚像显示装置，

其中，虚像显示装置满足以下条件表达式:

0.4＜f_r/f_rf＜0.8

在此，f_r表示中继组的焦距，f_rf表示所述中继前组的焦距。

19.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，相对所述光轴为非旋转对称的所述一个或多个折射透镜的各个曲面具有环形面形状。

20.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，相对所述光轴为非旋转对称的所述一个或多个折射透镜的各个曲面具有圆柱形面形状。

21.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，校正由于具有相对光轴非旋转对称的曲面形状的一个或多个折射透镜引起的所述虚像的纵横比的差异的校正图像输入到所述图像显示元件。

22.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，每个具有相对所述传播光学系统的光轴非旋转对称的曲面形状的所述一个或多个折射透镜在对应于所述虚像的垂直方向的方向具有负光焦度。

23.根据权利要求1～9中任一项所述的虚像显示装置，

其中，每个具有相对所述传播光学系统的光轴非旋转对称的曲面形状的所述一个或多个折射透镜在与所述虚像的垂直方向对应的方向的尺寸大于与所述虚像的水平方向对应的方向的尺寸。

24.一种显示虚像的虚像显示装置，包括虚像光学系统，其包括:

图像显示元件，配置成显示作为所述虚像表示的图像；

光源，配置成照明显示在所述图像显示元件的图像；

传播光学系统，配置为用于使得来自图像显示元件的光传播；以及

导光部件，配置成对由所述传播光学系统传播的光进行导光，

所述导光部件包括:

光束入射部，取入具有来自所述传播光学系统的图像信息的光到所述导光部件；

图像提取器，从所述导光部件内部提取包括所述图像信息的光；以及

图像射出器，向所述导光部件的外部射出包括所述图像信息的光，

其中，

所述传播光学系统包括一个或多个折射透镜，每个折射透镜具有相对于光轴非旋转对称的曲面形状，该曲面在虚像的水平方向上具有正光焦度。