(57)【要約】【課題】広い画角に亘って解像度その他の光学性能を高めること。【解決手段】虚像表示装置１００は、画像形成部である表示デバイス１１と、ミラー部材２１，２２を含み、表示デバイス１１からの画像光ＧＬが入射する映像光学系１１２と、映像光学系１１２から射出された画像光ＧＬを射出瞳ＥＰの位置に向けて反射する部分反射型ミラー部２３を有する前方カバー部材５０とを備え、前方カバー部材５０の透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上の位置まで広がる。【選択図】図３
2020034722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成部と、
ミラー部材を含み、前記画像形成部からの画像光が入射する映像光学系と、
前記映像光学系から射出された画像光を射出瞳の位置に向けて反射する部分反射型ミラー部を有する前方カバー部材とを備え、
前方カバー部材の透過領域は、前記射出瞳を基準として画面中心より上方２５°以上の位置まで広がる、虚像表示装置。
【請求項２】
前記前方カバー部材の前記透過領域は、前記射出瞳を基準として画面中心より上方３５°以上の位置まで広がる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記前方カバー部材の前記透過領域は、水平方向から上方１５°以上の位置まで広がる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記映像光学系は、前記射出瞳を基準として画面中心より上方２５°以上の位置に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記映像光学系は、前記前方カバー部材よりも前記射出瞳側に配置される内側ミラー部材を有し、前記内側ミラー部材は、前記射出瞳を基準として画面中心より上方２５°以上の位置に配置されている、請求項４に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記前方カバー部材は、前記透過領域よりも上側において外光を遮断する遮光領域を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記前方カバー部材は、前記映像光学系を構成する外側ミラー部材を有し、前記外側ミラー部材は、前記遮光領域と協働して光を遮断する、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記部分反射型ミラー部と前記遮光領域とは上下に離間し、前記透過領域は、前記部分反射型ミラー部と前記遮光領域との間に延びている、請求項６及び７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記前方カバー部材は、前記映像光学系を構成する外側ミラー部材を有し、前記外側ミラー部材は、前記透過領域の一部となっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記映像光学系は、前記前方カバー部材よりも前記射出瞳側に配置される内側ミラー部材を有し、前記透過領域は、前記内側ミラー部材の下端位置よりも上方に広がっている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記部分反射型ミラー部は、前記内側ミラー部材の前記下端位置よりも下方に広がっている、請求項１０に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記前方カバー部材の前記透過領域は、前記射出瞳を基準として、画面中心より上方６５°の位置、又は水平方向から上方５５°の位置を上限として広がる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記透過領域は、前記部分反射型ミラー部のまわりに外光透視領域を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
前記外光透視領域は、光学的パワーを実質的に有しない、請求項１３に記載の虚像表示装置。
【請求項１５】
前記外光透視領域の透過率は、前記部分反射型ミラー部の透過率以上である、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１６】
前記画像形成部と、前記映像光学系と、前記前方カバー部材とを支持するフレームを含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１７】
前記前方カバー部材に連結され、前記画像形成部と前記映像光学系とを覆う上部カバー部材を含む、請求項１６に記載の虚像表示装置。
【請求項１８】
前記映像光学系は、前記ミラー部材として前記画像形成部からの画像光を反射する第１ミラー部材と、前記第１ミラー部材で反射された画像光を反射する第２ミラー部材とを含み、
前記画像形成部と前記第２ミラー部材とが上下に隣接して前記上部カバー部材の前記射出瞳側に固定され、前記第１ミラー部材が前方カバー部材から独立して前記フレームに固定されている、請求項１７に記載の虚像表示装置。
【請求項１９】
前記映像光学系は、前記ミラー部材として前記画像形成部からの画像光を反射する第１ミラー部材と、前記第１ミラー部材で反射された画像光を反射する第２ミラー部材とを含み、
前記画像形成部と前記第２ミラー部材とが上下に隣接して前記上部カバー部材の前記射出瞳側に固定され、前記第１ミラー部材が前方カバー部材の一部として前記フレームに固定されている、請求項１７に記載の虚像表示装置。
【請求項２０】
前記映像光学系は、前記ミラー部材として前記画像形成部からの画像光を反射する第３ミラー部材と、前記第３ミラー部材で反射された画像光を反射する第１ミラー部材と、前記第１ミラー部材で反射された画像光を反射する第２ミラー部材とを含み、
前記第２ミラー部材と前記第３ミラー部材とが上下に隣接して前記上部カバー部材の前記射出瞳側に固定され、前記第１ミラー部材が前方カバー部材の一部として前記フレームに固定され、前記画像形成部が前記第１ミラー部材の上方に隣接して前記フレームに固定されている、請求項１７に記載の虚像表示装置。
【請求項２１】
前記映像光学系は、レンズを有するとともに、前記ミラー部材として前記画像形成部から射出され前記レンズを通過した画像光を反射する第１ミラー部材と、前記第１ミラー部材で反射された画像光を反射する第２ミラー部材とを含み、
前記画像形成部と前記レンズとが前記第２ミラー部材の上方に隣接して前記上部カバー部材の前記射出瞳側に固定され、前記第１ミラー部材が前方カバー部材から独立して又は前方カバー部材の一部として前記フレームに固定されている、請求項１７に記載の虚像表示装置。
【請求項２２】
前記部分反射型ミラー部の反射面は、前記射出瞳の位置を覆うとともに前記射出瞳の位置に向かって凹形状を有する非球面又は自由曲面である、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミラー部材を含むヘッドマウントディスプレイ及びその他の虚像表示装置に関し、特にシースルー視が可能な虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、ミラー又は導光体のような光学素子によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。
【０００３】
特許文献１に記載の光学系は、４個の偏芯曲面ミラーで構成され、第１の偏芯曲面ミラーは、回転楕円面又は回転楕円面をベースとする非球面であり、第２の偏芯曲面ミラーは、双曲面又は双曲面をベースとする非球面である。複数の偏芯曲面ミラーは、例えば顔を基準として垂直方向に配置される。光学系を偏芯曲面ミラーで構成することにより、導光体を用いる場合に比較して軽量化の達成が容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１８９８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の光学系において、複数の偏芯曲面ミラーを垂直方向に配置する縦展開とした場合、眼前の偏芯曲面ミラーに続く偏芯曲面ミラー等が目の上方に配置される。このため、眼前の偏芯曲面ミラーに透過性を持たせてシースルーを確保する場合、眼前の偏芯曲面ミラーの支持体、眼前の偏芯曲面ミラーに続く偏芯曲面ミラー等によって上方のシースルー視野が阻害される可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面における虚像表示装置は、画像形成部と、ミラー部材を含み、画像形成部からの画像光が入射する映像光学系と、映像光学系から射出された画像光を射出瞳の位置に向けて反射する部分反射型ミラー部を有する前方カバー部材とを備え、前方カバー部材の透過領域は、射出瞳を基準として画面中心より上方２５°以上の位置まで広がる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態の虚像表示装置を説明する側断面図である。
【図２】第１実施形態の虚像表示装置を説明する正面図である。
【図３】図１等に示す装置の構成要素の配置関係等を説明する側断面図である。
【図４】前方カバー部材を説明する正面図である。
【図５】図１等に示す装置の光学系を説明する側断面図である。
【図６】表示デバイスに形成された表示像の強制的歪曲を説明する図である。
【図７】第１ミラー部材の反射面等の構造を説明する拡大断面図である。
【図８】第２ミラー部材の屈折面、反射面等の構造を説明する拡大断面図である。
【図９】部分反射型ミラー部の反射面等の構造を説明する拡大断面図である。
【図１０】透過領域のうち外光透視領域の断面構造を説明する図である。
【図１１】外光透視領域の断面構造の変形例を説明する図である。
【図１２】第２実施形態の虚像表示装置を説明する側断面図である。
【図１３】第３実施形態の虚像表示装置を説明する側断面図である。
【図１４】第４実施形態の虚像表示装置を説明する側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔第１実施形態〕
以下、図１〜３等を参照して本発明に係る第１実施形態の虚像表示装置について説明する。
【０００９】
図１〜３において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、Ｘ方向は、虚像表示装置１００を装着した観察者ＵＳの両眼の並ぶ横方向に対応し、Ｙ方向は、観察者ＵＳにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、Ｚ方向は、観察者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。
【００１０】
図示の虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイであり、観察者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。虚像表示装置１００は、表示デバイス１１と、投射光学系１２とを備える。投射光学系１２は、第１ミラー部材２１と、第２ミラー部材２２と、部分反射型ミラー部２３とを備える。ここで、第２ミラー部材２２は、屈折面２２ｅａ，２２ｅｂとミラー面２２ｒとを複合した屈折反射光学部材３０である。部分反射型ミラー部２３は、外観部材である前方カバー部材５０の一部である。前方カバー部材５０は、表示デバイス１１、第１ミラー部材２１、及び第２ミラー部材２２よりも外側又は外界側においてこれら表示デバイス１１等に対して位置決めされた状態で配置されている。前方カバー部材５０は、メガネレンズ状の輪郭を有し、観察者ＵＳの眼を覆って外側に凸の湾曲した形状を有する。図１及び３では、右眼用の虚像表示装置１００のみを示しているが、左眼用の虚像表示装置１００も同様の構造を有し、両眼用の虚像表示装置１００を組み合わせることで、全体として眼鏡のような外観を有する虚像表示装置２００となる。なお、両眼用の虚像表示装置２００については、右眼用又は左眼用の部分のうち一方を省略することができ、この場合、片眼型のヘッドマウントディスプレイとなる。
【００１１】
フレーム８０は、メガネと類似した構造を有し、本体部材８１の側方端部に連結されるツル部８２を備え、本体部材８１の中央から延びる金具の先端にノーズパッド８３を備える。
【００１２】
光路について説明すると、表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、第１ミラー部材２１に入射して反射面２１ｒによって１００％に近い高い反射率で反射される。第１ミラー部材２１で反射された画像光ＧＬは、第２ミラー部材２２に入射して屈折面２２ｅａで屈折されミラー面２２ｒによって１００％に近い高い反射率で反射される。ミラー面２２ｒで反射された画像光ＧＬは、屈折面２２ｅｂを経て第２ミラー部材２２外に射出される。第２ミラー部材２２からの画像光ＧＬは、部分反射型ミラー部２３に入射して反射面２３ｒによって５０％程度以下の反射率で反射される。部分反射型ミラー部２３で反射された画像光ＧＬは、観察者ＵＳの瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰに入射する。
【００１３】
図３を参照して、虚像表示装置１００は、フレーム８０の本体部材８１に固定された上部カバー部材７０を有する。上部カバー部材７０は、前方カバー部材５０に連結され、表示デバイス（画像形成部）１１と映像光学系１１２とを覆う。上部カバー部材７０の上側壁部７１は、本体部材８１に対して接着材や締結具によって固定されている。上部カバー部材７０の裏面壁部７２には、画像形成部である表示デバイス１１と、映像光学系１１２のうち第２ミラー部材２２とが上下に隣接して固定されている。表示デバイス１１（画像形成部）と第２ミラー部材２２とは、それらの背面側で接着材や締結具によって裏面壁部７２に固定されている。映像光学系１１２のうち第１ミラー部材２１は、前方カバー部材５０から独立した状態でフレーム８０に直接的に固定されている。第１ミラー部材２１は、上側壁部７１に固定することもでき、この場合、上側壁部７１を介してフレーム８０に間接的に固定さされることになる。部分反射型ミラー部２３は、前方カバー部材５０の一部として、フレーム８０の本体部材８１に直接固定されている。つまり、フレーム８０の本体部材８１は、表示デバイス（画像形成部）１１と、映像光学系１１２のうち第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２と、前方カバー部材５０に設けた部分反射型ミラー部２３とを直接的又は間接的に支持し、相互にアライメントしている。
【００１４】
図３及び４に示すように、前方カバー部材５０の透過領域５１は、シースルー視を確保する観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上の位置まで広がっている。つまり、射出瞳ＥＰの中央から斜め上方に向けてＹＺ面に平行に延びる仮想的な第１基準線ＵＬ１を考えて、この第１基準線ＵＬ１に達するまで前方カバー部材５０の透過領域５１が形成されている。第１基準線ＵＬ１は、画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α１が２５°となっており、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°に対応する第１基準線ＵＬ１以上の位置まで広がっている。ここで、透過領域５１の光透過性の判断基準である透過率については、可視光線を基準とするものであり、透過領域５１を通過する可視光線域全体の光線について、散乱光を除いた透過光線が１％でもあれば光透過性を有することになるが、透過領域５１の透過率は、実用的には１０％以上、好ましくは２０％以上とする。透過領域５１は、部分反射型ミラー部２３を一部に有して部分反射型ミラー部２３の上下左右である周囲に広がっており、透過領域５１の上側には、外光を遮断する遮光領域５２が形成されている。この遮光領域５２は、日光が眼に直接入るのを抑制する庇又は日除けの役割を有する。透過領域５１のうち部分反射型ミラー部２３を除いた外光透視領域５５は、部分反射型ミラー部２３を囲むように部分反射型ミラー部２３のまわりに形成されている。外光透視領域５５は、部分反射型ミラー部２３のような光学的な反射面２３ｒを有しないものとすることができる。透過領域５１の一部５５ａは、遮光領域５２と、その下側に離間して配置される部分反射型ミラー部２３との間に帯状に延びており、部分反射型ミラー部２３の上側領域における外界の透視を可能にしている。透過領域５１、つまり外光透視領域５５や部分反射型ミラー部２３は、外界光ＯＬを少なくとも部分的に通過させるので、観察者ＵＳは、外界のシースルー視が可能になる。外光透視領域５５や部分反射型ミラー部２３は、シースルー視に関して光学的パワーを実質的に有しないものであり、外光透視領域５５や部分反射型ミラー部２３越しに観察される外界像の歪みを抑えることができる。
【００１５】
以上では、ＹＺ断面で配置関係を説明しているが、近似的にはＸ方向にも同様の関係が成り立っていることが望ましい。具体的には、射出瞳ＥＰの中央から斜め上方に向けてＸ軸に平行に延びる仮想的な第１基準面ＵＰ１を考えて、この第１基準面ＵＰ１よりも下側において前方カバー部材５０の透過領域５１が配置されていることが望ましい。第１基準面ＵＰ１は、画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α１が２５°となっており、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°に対応する第１基準面ＵＰ１以上の位置まで広がっている（図３参照）。
【００１６】
前方カバー部材５０の透過領域５１は、下側又は−Ｙ側に関して下端まで透過性を確保するものとなっているが、透過領域５１の透過性は、画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対して下側に４０°又は５０°まで確保すれば足る。つまり、透過領域５１が画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏよりも下側に４０°以上広がる場合、射出側光軸ＡＸｏよりも下側において安定視野に対応する４０°より所定だけ大きな誘導視野に対応する５０°を超える領域では、透過性を確保しなくてもよい。この場合、透過領域５１の下端側に遮光性の領域が形成される。なお、透過領域５１は、１０°下向きの射出側光軸ＡＸｏに対して下側又は−Ｙ側に６５°程度の広がりを有するものである場合、眼球の動きにも対応できより好ましい。透過領域５１は、射出側光軸ＡＸｏが水平方向に延びるものである場合、誘導視野に対応する射出側光軸ＡＸｏに対して下側に４０°程度の広がりを有することが好ましく、射出側光軸ＡＸｏに対して下側に７５°程度の広がりを有することがより好ましいことになる。
【００１７】
透過領域５１は、射出側光軸ＡＸｏの左右横側又は±Ｘ側に安定視野に対応する±５０°程度の広がりを有することが望ましい。透過領域５１は、射出側光軸ＡＸｏの左右横側又は±Ｘ側に±１００°程度の広がりを有するものである場合、眼球の動きにも対応できより好ましい。なお、斜め方向の視野は、縦及び横の中間的広がりがあることが望ましく、一般的には、透過領域５１として、横長の楕円状の領域をカバーするようなものであることが望ましいと言える。
【００１８】
透過領域５１のうち外光透視領域５５は、部分反射型の部分反射型ミラー部２３の透過率以上の透過率を有するものとすることができる。つまり、外光透視領域５５の透過率は、例えば１００％に近い透過率とできるが、これに限らず、部分反射型ミラー部２３の透過率と略等しいレベルまで下げることができる。具体的には、部分反射型ミラー部２３の透過率が５０％である場合、外光透視領域５５の透過率は、５０％〜９５％程度であって、例えば７０％とできる。なお、外光透視領域５５の透過率は、部分反射型ミラー部２３の透過率よりも低くすることができ、例えば３０％程度の透過率としてもよい。外光透視領域５５の透過率については、一様とできるが、不均一とすることもでき、例えば部分反射型ミラー部２３の位置から遮光領域５２に向けて徐々に透過率が低下するものであってもよい。外光透視領域５５は、例えばＮＤフィルターのように単なる減光を行うものとすることができるが、半透過ミラーのように反射を伴うものであってもよい。遮光領域５２は、黒色の樹脂や金属の遮光体を被膜することで形成されるが、これに限らず、表面に微細形状を形成して乱反射を生じさせるようなものであってもよい。
【００１９】
上記第１基準線ＵＬ１については、画面中心の方向又は射出側光軸ＡＸｏを基準とするのではなく、水平方向を基準とすることができる。つまり、この場合、第１基準線ＵＬ１は、水平方向に対応する中心軸ＨＸに対する角度β１が１５°となっており、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として水平方向から上方１５°に対応する第１基準線ＵＬ１以上の位置まで広がっている。以上の関係は、近似的にはＸ方向にも成り立っていることが望ましく、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として水平方向から上方１５°に対応する第１基準面ＵＰ１以上の位置まで広がっている。
【００２０】
以上の実施形態では、画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏは、水平方向の中心軸ＨＸに対して１０°下向きに設定されている。これは、人間の視線が水平方向より下側に約１０°傾いた若干の伏し目状態で安定するからである。なお、射出瞳ＥＰに対して水平方向の中心軸ＨＸは、虚像表示装置１００を装着した観察者ＵＳが直立姿勢でリラックスして正面に向いて水平方向又は水平線を注視した場合を想定したものとなっている。虚像表示装置１００を装着する個々の観察者ＵＳの眼の配置、耳の配置等を含む頭部の形状や姿勢は、様々であるが、観察者ＵＳの平均的な頭部形状又は頭部姿勢を想定することで、着目する虚像表示装置１００について、平均的な中心軸ＨＸを設定することができ、これを典型定又は代表的な中心軸ＨＸとして、角度β１に対応する第１基準線ＵＬ１や第１基準面ＵＰ１を決定することができる。
【００２１】
前方カバー部材５０の透過領域５１は、シースルー視をより広くする観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方３５°以上の位置まで広げることが望ましい。つまり、射出瞳ＥＰの中央から斜め上方に向けてＹＺ面に平行に延びる仮想的な第２基準線ＵＬ２を考えて、この第２基準線ＵＬ２に達するまで前方カバー部材５０の透過領域５１が形成されることが望ましい。第２基準線ＵＬ２は、画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α２が３５°となっており、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方３５°に対応する第２基準線ＵＬ２以上の位置まで広がることが望ましいことになる。ここで、画面中心より上方３５°は、誘導視野に対応する。この場合も、透過領域５１は、部分反射型ミラー部２３の上下左右である周囲に広がっており、透過領域５１の上側には、遮光領域５２が形成されている。以上では、ＹＺ断面で配置関係を説明しているが、近似的にはＸ方向にも同様の関係が成り立っていることが望ましい。具体的には、射出瞳ＥＰの中央から斜め上方に向けてＸ軸に平行に延びる仮想的な第２基準面ＵＰ２を考えて、この第２基準面ＵＰ２よりも下側には、前方カバー部材５０の透過領域５１が配置されていることが望ましい。第２基準面ＵＰ２は、画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α２が３５°となっており、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方３５°に対応する第２基準面ＵＰ２以上の位置まで広がっている。
【００２２】
上記第２基準線ＵＬ２については、画面中心の方向又は射出側光軸ＡＸｏを基準とするのではなく、水平方向を基準とすることができる。つまり、この場合、第２基準線ＵＬ２は、水平方向に対応する中心軸ＨＸに対する角度β２が２５°となっており、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として水平方向から上方２５°に対応する第２基準線ＵＬ２以上の位置まで広がっている。以上の関係は、近似的にはＸ方向にも成り立っていることが望ましく、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として水平方向から上方２５°に対応する第２基準面ＵＰ２以上の位置まで広がっている。
【００２３】
好ましい実施例において、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として内側ミラー部材である第２ミラー部材２２の下縁を投影する線ＵＬ４によって規定される境界線ＢＬ４より下側に形成されている。これにより、第２ミラー部材２２によって透過領域５１の視界が遮られることを回避できる。なお、第１ミラー部材２１は、射出瞳ＥＰを基準として見た場合、第２ミラー部材２２の陰に配置され、透過領域５１のシースルー視に関する視界確保について考慮する必要がない。
【００２４】
別の観点として、前方カバー部材５０の透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として、水平方向から上方５５°の位置、又は画面中心より上方６５°の位置を上限として広がっていれば足る。これは、人の視界の上限が、水平視の上側に５５°程度以下となっており、水平視の上側に４５°以上離れている物体は気にならないことによる。
【００２５】
映像光学系１１２は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上、好ましくは３５°以上の位置に配置されることが望ましい。具体的には、前方カバー部材５０よりも射出瞳ＥＰ側に配置される内側ミラー部材である第２ミラー部材２２と、前方カバー部材５０よりも射出瞳ＥＰ側に配置される内側ミラー部材である第１ミラー部材２１とは、射出瞳ＥＰの中央から延びるとともに画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α３が２５°となっている第３基準線ＵＬ３を考えて、この第３基準線ＵＬ３を下限としてこれ以上の上側に配置されることが望ましい。以上では、ＹＺ断面で配置関係を説明しているが、近似的にはＸ方向にも同様の関係が成り立っていることが望ましい。具体的には、第２ミラー部材（内側ミラー部材）２２等は、射出瞳ＥＰの中央から延びるとともに画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α３が２５°となっている第３基準面ＵＰ３を考えて、この第３基準面ＵＰ３を下限としてこれ以上の上側に配置されることが望ましい。
【００２６】
なお、詳細な説明を省略するが、映像光学系１１２を構成する第１ミラー部材（内側ミラー部材）２１及び第２ミラー部材（内側ミラー部材）２２は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として水平方向より上方１５°以上、好ましくは２５°以上の位置に配置されることが望ましい。
【００２７】
透過領域５１の上端は、水平方向に対応する中心軸ＨＸを基準として、第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２をあわせた下端位置ＰＯ２２、つまり第２ミラー部材（内側ミラー部材）２２の下端位置ＰＯ２２よりも上方に広がっている。また、部分反射型ミラー部２３の上端は、水平方向に対応する中心軸ＨＸを基準として、第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２をあわせた下端位置ＰＯ２２よりも低い位置に設定されている。以上により、部分反射型ミラー部２３の上端と遮光領域５２の下端との間に十分な縦幅の透過帯を確保できる。
【００２８】
図５を参照して、表示デバイス１１は、画像形成部であり、投射光学系１２よりも観察者ＵＳの頭部寄りに対応する上寄り又は＋Ｙ寄りに配置されている。表示デバイス（画像形成部）１１は、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）、無機ＥＬ、ＬＥＤアレイ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等に代表される自発光型の表示素子であり、２次元の表示面１１ａにカラーの静止画又は動画を形成する。表示デバイス１１は、不図示の駆動制御回路に駆動されて表示動作を行う。表示デバイス１１として有機ＥＬのディスプレイを用いる場合、有機ＥＬ制御部を備える構成とする。表示デバイス１１として量子ドットディスプレイを用いる場合、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の光を量子ドットフィルムに通すことにより、緑や赤の色を出す構成とする。表示デバイス１１は、自発光型の表示素子に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。表示デバイス１１として、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, LCoS は登録商標）や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。
【００２９】
図６に示すように、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成される表示像ＤＡは、仮想的な格子の歪みから分かるように台形歪を持たせた修正画像となっている。後述するように、投射光学系１２が偏芯光学系であることから、台形歪のようなディスト―ションを取りきることは容易でない。よって、投射光学系１２にディスト―ションが残存していても、表示面１１ａに形成する表示像ＤＡに予め歪を持たせておくことで、投射光学系１２を経て射出瞳ＥＰの位置で観察される虚像の投影像ＩＧの画素配列を格子パターンとすることができ輪郭を矩形とすることができる。これにより、観察者ＵＳはディスト―ションの少ない投影像ＩＧを観察することができ、投射光学系１２におけるその他の収差の補正が容易になる。表示面１１ａに形成する表示像（修正画像）ＤＡは、画像処理によって強制的なディスト―ションを形成したものとできる。表示面１１ａが矩形である場合、強制的なディスト―ションを形成することで余白が形成されるが、このような余白に付加情報を表示させることもできる。表示面１１ａに形成する表示像（修正画像）ＤＡは、画像処理によって強制的なディスト―ションを形成したものに限らず、例えば表示面１１ａに形成された表示画素の配列を強制的なディスト―ションに対応するものしてもよい。この場合、ディスト―ションを補正する画像処理は不要となる。さらに、表示面１１ａに収差を補正する湾曲を持たせることもできる。
【００３０】
図５に戻って、投射光学系１２は、非共軸光学系又は偏芯光学系である。投射光学系１２の偏芯方向は、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２等の配置によって規定される。具体的には、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２、及び部分反射型ミラー部２３は、偏芯方向をＹＺ面内に設定したものとなっている。つまり、第１ミラー部材２１、第２ミラー部材２２、及び部分反射型ミラー部２３を通過する光軸ＡＸは、観察者の一対の瞳ＥＹが並ぶ横方向つまりＸ方向に対して交差して略縦方向に延びる平面に沿って配置され、より具体的にはＸ方向に対して直交して縦方向に延びるＹＺ平面に沿って配置される。光軸ＡＸを縦のＹＺ平面に沿って配置することで、横方向の画角を広くし易くなる。光軸ＡＸを含む面がＺ軸の周りに時計方向又は反時計方向（つまり左右）に数１０°程度傾いても、略縦方向に延びていれば、画角への影響はあまり大きくならない。また、第１ミラー部材２１は、第２ミラー部材２２よりも観察者ＵＳの頭部側に対応する上側又は＋Ｙ側に配置され、第２ミラー部材２２は、部分反射型ミラー部２３よりも観察者ＵＳの頭部寄りに対応する上寄り又は＋Ｙ寄りに配置されている。ここで、上寄り又は＋Ｙ寄りとは、各ミラー部材２１，２２，２３と光軸ＡＸとの交点又は接点を基準として考える。
【００３１】
第１ミラー部材２１は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品であり、表示デバイス１１からの画像光ＧＬを反射する。第１ミラー部材２１は、薄板状の板状体２１ｂの一方の表面２１ｓ上にミラー膜２１ｃを形成した構造を有する内面反射型の光学素子である（図７参照）。第１ミラー部材２１の反射面２１ｒは、例えば自由曲面であり、板状体２１ｂの表面２１ｓに対応する形状を有する。反射面２１ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面２１ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第１ミラー部材２１の板状体２１ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。ミラー膜２１ｃは、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜Ｌ１１又は多層膜Ｌ１２で形成されるが、誘電体多層膜Ｌ１３とすることもできる。ミラー膜２１ｃは、蒸着等の手法を含む積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。なお、板状体２１ｂの他方の表面２１ｔには反射防止膜Ｌ１４を形成することができる。
【００３２】
第２ミラー部材２２は、レンズ及びミラーとして機能するプリズム状の部材である屈折反射光学部材３０であり、第１ミラー部材２１からの画像光ＧＬを屈折させつつ反射する。第２ミラー部材２２又は屈折反射光学部材３０は、一対の屈折面２２ｅａ，２２ｅｂを有する屈折部材２２ｂと、当該屈折部材２２ｂの非屈折面２２ｄ上に形成されてミラー面２２ｒとして機能するミラー層２２ｃとを有する（図８参照）。第２ミラー部材２２の屈折部材２２ｂは、例えばシクロオレフィン系ポリマー、ポリカーボネートのような樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。屈折部材２２ｂは、色収差の発生を抑える観点で、アッベ数が５０以上の材料で形成されることが望ましい。ミラー層２２ｃは、例えばＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜Ｌ２１又は多層膜Ｌ２２で形成されるが、誘電体多層膜Ｌ２３とすることもできる。ミラー膜２２ｃは、積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。
【００３３】
第２ミラー部材２２の屈折面２２ｅａ，２２ｅｂは、例えば自由曲面であるが、非球面とすることもできる。屈折面２２ｅａは、ミラー面２２ｒでの反射前における画像光ＧＬが通過する入射面となっており、屈折面２２ｅｂは、ミラー面２２ｒでの反射後における画像光ＧＬが通過する出射面となっている。つまり、第１ミラー部材２１からの光線は、屈折面２２ｅａで屈折されて第２ミラー部材２２中に入射し、ミラー面２２ｒで反射されて第２ミラー部材２２外に射出される際に、屈折面２２ｅｂで屈折される。入射側の屈折面２２ｅａは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ２１ａに関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ２１ａに直交する第２方向Ｄ２２ａ又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。出射側の屈折面２２ｅｂは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ２１ｂに関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ２１ｂに直交する第２方向Ｄ２２ｂ又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。各屈折面２２ｅａ，２２ｅｂには、反射防止膜Ｌ２４が形成されている。
【００３４】
第２ミラー部材２２のミラー面２２ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー層２２ｃの内面又は屈折部材２２ｂの非屈折面２２ｄに対応する形状を有する。ミラー面２２ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。ミラー面２２ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ３１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ３１に直交する第２方向Ｄ３２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。
【００３５】
部分反射型ミラー部２３は、凹の表面ミラーとして機能する板状の部品であり、第２ミラー部材２２からの画像光ＧＬを反射する。部分反射型ミラー部２３は、瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰの位置を覆うとともに射出瞳ＥＰの位置に向かって凹形状を有する。部分反射型ミラー部２３と第１ミラー部材（外側ミラー部材）２１とは、上下方向に関して離間して配置されている。部分反射型ミラー部２３は、薄板状の板状体２３ｂの一方の表面２３ｓ上にミラー膜２３ｃを形成した構造を有する内面反射型の光学素子である（図９参照）。部分反射型ミラー部２３の反射面２３ｒは、例えば自由曲面であり、板状体２３ｂの表面２３ｓに対応する形状を有する。反射面２３ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面２３ｒは、ＹＺ面内にある偏芯方向に対応する第１方向Ｄ４１に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、第１方向Ｄ４１に直交する第２方向Ｄ４２又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。
【００３６】
部分反射型ミラー部２３は、反射に際して一部の光を透過させる透過型の反射素子であり、部分反射型ミラー部２３のミラー膜２３ｃは、半透過性を有する。これにより、外界光ＯＬが部分反射型ミラー部２３を通過するので、外界のシースルー視が可能になり、外界像に虚像を重ねることができる。この際、板状体２３ｂが数ｍｍ程度以下に薄ければ、学的パワーを実質的に有しない状態となり、外界像の倍率変化を小さく抑えることができる。ミラー膜２３ｃの画像光ＧＬや外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＧＬの輝度確保や、シースルーによる外界像の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。部分反射型ミラー部２３の板状体２３ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。ミラー膜２３ｃは、例えば膜厚を調整した複数の誘電体層からなる誘電体多層膜Ｌ３１で形成される（図９参照）。ミラー膜２３ｃは、膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜Ｌ３２又は多層膜Ｌ３３であってもよい。ミラー膜２２ｃは、積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。なお、板状体２３ｂの他方の表面２３ｔには反射防止膜Ｌ３４を形成することができる。
【００３７】
第２ミラー部材２２と射出瞳ＥＰの位置とのＺ方向の距離と、部分反射型ミラー部２３と射出瞳ＥＰの位置との光路上の距離とは、１４ｍｍ以上に設定されており、メガネレンズを配置する空間が確保されている。
【００３８】
第２ミラー部材２２と部分反射型ミラー部２３との間には中間像ＩＩが形成されている。中間像ＩＩは、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を適宜拡大したものとなっている。
【００３９】
以上において、第１ミラー部材２１の反射面２１ｒ、第２ミラー部材２２の屈折面２２ｅａ，２２ｅｂ、第２ミラー部材２２のミラー面２２ｒ、及び部分反射型ミラー部２３の反射面２３ｒを自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、非共軸光学系又は偏芯光学系である投射光学系１２の収差を低減することが容易になる。なお、自由曲面は回転対称軸をもたない面であり、自由曲面の面関数としては、各種多項式を用いることができる。また、非球面は、回転対称軸をもつ面であるが、放物面や多項式で表される球面以外の面である。
【００４０】
図１０に示すように、透過領域５１のうち部分反射型ミラー部２３の周囲の外光透視領域５５は、薄板状の板状体５５ｂの一方の表面５５ｓ上に減光層５５ｃを形成した構造を有する。板状体５５ｂは、前方カバー部材５０の本体を射出成形等によって一体成形する場合、部分反射型ミラー部２３の板状体２３ｂと共通する部分となる。減光層５５ｃは、例えばＮＤフィルターＬ４１、ミラー膜Ｌ４２等とすることができる。減光層５５ｃをＮＤフィルターＬ４１とする場合、吸光性の樹脂膜を表面５５ｓ上に塗布することができ、吸光性の無機物質を表面５５ｓ上に蒸着することもできる。板状体５５ｂは、板状体２３ｂとの２色成形によって形成することができ、この場合、板状体５５ｂのバルク透過率を板状体２３ｂのバルク透過率よりも自在に低くすることができる。減光層５５ｃをミラー膜Ｌ４２とする場合、部分反射型ミラー部２３のミラー膜２３ｃと同様に作製することができる。なお、板状体５５ｂの他方の表面５５ｔには反射防止膜Ｌ４３を形成することができる。
【００４１】
図１１に示すように、外光透視領域５５は、減光層を形成していない薄板状の板状体５５ｂからなる構造とすることができる。板状体５５ｂは、吸光性を有しない材料で形成されるが、吸光性を有する材料で形成されてもよい。なお、板状体５５ｂの表面５５ｓ，５５ｔには反射防止膜Ｌ４３，Ｌ４４を形成することができる。
【００４２】
以上で説明した第１ミラー部材２１及び部分反射型ミラー部２３は、内面反射型の裏面ミラーに限られるものではなく、板状体２１ｂ，２３ｂの表面にミラー膜２１ｃ，２３ｃを形成した表面ミラーとすることができる。
【００４３】
以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００によれば、前方カバー部材５０の透過領域５１が射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上の位置まで広がるので、観察者ＵＳにとって上方のシースルー視野が確保され、外界の知覚度を高めることが容易になる。
【００４４】
以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００によれば、映像光学系１１２が射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上の位置に配置されているので、観察者ＵＳにとって上方のシースルー視野の確保が容易になり、外界の知覚度を高めることが容易になる。
【００４５】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
【００４６】
図１２に示すように、第２実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態と同様に、投射光学系１２として、第１ミラー部材２１と、第２ミラー部材２２と、部分反射型ミラー部２３とを備えるが、外側ミラー部材である第１ミラー部材２１は、前方カバー部材５０の一部となっている。ここで、第１ミラー部材（外側ミラー部材）２１は、遮光領域５２と協働して光を遮断する。一方、内側ミラー部材である第２ミラー部材２２は、屈折反射光学部材となっておらず、通常のミラーである。つまり、第２ミラー部材（内側ミラー部材）２２は、板状体１２２ｂ上にミラー膜２２ｃを形成した構造を有する。第２ミラー部材２２の反射面１２２ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー膜２２ｃの表面に対応する形状を有する。反射面１２２ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。第２ミラー部材２２の板状体１２２ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。ミラー膜２２ｃは、例えば金属で形成されるが、誘電体多層膜とすることもできる。
【００４７】
上部カバー部材７０の裏面壁部７２には、画像形成部である表示デバイス１１と、映像光学系１１２のうち第２ミラー部材２２とが上下に隣接して固定されている。映像光学系１１２のうち第１ミラー部材２１は、部分反射型ミラー部２３とともに前方カバー部材５０の一部として、フレーム８０の本体部材８１に固定されている。ただし、第１ミラー部材２１は、前方カバー部材５０の透過領域５１と同じ高さ領域かそれ以上の高さ領域に設けられている。第１ミラー部材２１は、図示を省略するが、光線の有効領域を考慮して、例えば中心側を除いた扇状又は円形の輪郭を有する。
【００４８】
光路について説明すると、表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、外側ミラー部材である第１ミラー部材２１に入射して反射面２１ｒによって反射される。第１ミラー部材２１で反射された画像光ＧＬは、内側ミラー部材である第２ミラー部材２２に入射して反射面１２２ｒで反射される。第２ミラー部材２２で反射された画像光ＧＬは、部分反射型ミラー部２３に入射して反射面２３ｒによって部分的に反射される。部分反射型ミラー部２３で反射された画像光ＧＬは、観察者ＵＳの瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰに入射する。
【００４９】
前方カバー部材５０において、透過領域５１は、部分反射型ミラー部２３の周囲、第１ミラー部材２１の下方（又は及び下方及び横方向）に広がっている。つまり、部分反射型ミラー部２３と遮光領域５２とは上下に離間し、透過領域５１は、部分反射型ミラー部２３と遮光領域５２との間に延びている。透過領域５１は、シースルー視を確保する観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より角度α１＝２５°で上方に向かう第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１の位置以上の位置まで広がっている。
【００５０】
上記第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１については、画面中心の方向又は射出側光軸ＡＸｏを基準とするのではなく、水平方向に対応する中心軸ＨＸを基準とすることができる。つまり、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として中心軸ＨＸより角度β１＝１５°で上方に向かう第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１の位置以上の位置まで広がっている。
【００５１】
透過領域５１は、シースルー視をより広くする観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より角度α２＝３５°で上方に向かう第２基準線ＵＬ２又は第２基準面ＵＰ２の位置以上の位置まで広げることが望ましい。第２基準線ＵＬ２又は第２基準面ＵＰ２については、画面中心の方向又は射出側光軸ＡＸｏを基準とするのではなく、水平方向に対応する中心軸ＨＸを基準とすることができる。つまり、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として中心軸ＨＸより角度β２＝２５°で上方に向かう第２基準線ＵＬ２又は第２基準面ＵＰ２の位置以上の位置まで広げることが望ましい。
【００５２】
透過領域５１については、第１ミラー部材２１の周囲まで広げて第１ミラー部材２１と共通する領域とすることができる。つまり、第１ミラー部材（側ミラー部材）２１は、透過領域５１の一部となっている。この場合、透過領域５１の透過率は、部分反射型ミラー部２３の透過率と等しくできるが、若干の差を持たせてもよい。具体的には、例えば部分反射型ミラー部２３の反射率は、３０％程度に設定される。これに応じて、第１ミラー部材２１の反射率は、例えば２０％程度に設定され、透過領域５１において、第１ミラー部材２１から部分反射型ミラー部２３にかけての透過率を２０％から３０％に徐々に増加させる。この場合、透過領域５１によるシースルー視野を水平を基準として上方４０°以上に広げることができる。
【００５３】
映像光学系１１２を構成する第２ミラー部材２２等は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上、好ましくは３５°以上の位置に配置されることが望ましい。具体的には、第２ミラー部材２２等は、射出瞳ＥＰの中央から延びるとともに画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α３が２５°となっている第３基準線ＵＬ３又は第３基準面ＵＰ３を下限としてこれ以上の上側に配置されることが望ましい。なお、詳細な説明を省略するが、映像光学系１１２を構成する第２ミラー部材２２等は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として水平方向より上方１５°以上、好ましくは２５°以上の位置に配置されることが望ましい。
【００５４】
前方カバー部材５０において、第１ミラー部材２１の下側等の周辺領域Ａ１には、遮光領域５２を設けることができる。第１ミラー部材２１の上方にも遮光領域５２を設けることができる。
【００５５】
第１ミラー部材２１の反射面２１ｒ、第２ミラー部材２２の反射面１２２ｒ、及び部分反射型ミラー部２３の反射面２３ｒは、表面反射型の光学素子であり、金属その他のミラー膜からなる場合、その表面に増反射膜や保護膜を形成することができる。
【００５６】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
【００５７】
図１３に示すように、第３実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態と同様に、投射光学系１２として、第１ミラー部材２１と、第２ミラー部材２２と、部分反射型ミラー部２３とを備えるが、表示デバイス（画像形成部）１１と第１ミラー部材２１との間の光路上に内側ミラー部材である第３ミラー部材２４をさらに備える。
【００５８】
第３ミラー部材２４は、表面ミラーとして機能する板状の部品である。つまり、第３ミラー部材２４は、板状体２４ｂ上にミラー膜２４ｃを形成した構造を有する。第３ミラー部材２４の反射面２４ｒは、例えば自由曲面であり、ミラー膜２４ｃの表面に対応する形状を有する。反射面２４ｒは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。第３ミラー部材２４の板状体２４ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。ミラー膜２４ｃは、例えば金属で形成されるが、誘電体多層膜とすることもできる。
【００５９】
上部カバー部材７０の裏面壁部７２には、映像光学系１１２のうち第３ミラー部材２４と第２ミラー部材２２とが上下に隣接して固定されている。表示デバイス１１は、第１ミラー部材２１の上方に隣接してフレーム８０の本体部材８１に直接固定されている。第１ミラー部材２１は、部分反射型ミラー部２３とともに前方カバー部材５０の一部として、フレーム８０の本体部材８１に固定されている。第１ミラー部材２１は、前方カバー部材５０の透過領域５１と同じ高さ領域かそれ以上の高さ領域に設けられている。具体的には、表示デバイス１１、第１ミラー部材２１、及び部分反射型ミラー部２３が円弧に沿って縦に配列された状態となっている。
【００６０】
光路について説明すると、表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、内側ミラー部材である第３ミラー部材２４に入射して反射面２４ｒによって反射され、外側ミラー部材である第１ミラー部材２１に入射して反射面２１ｒによって反射される。第１ミラー部材２１で反射された画像光ＧＬは、内側ミラー部材である第２ミラー部材２２に入射して屈折面２２ｅで屈折されミラー面２２ｒによって反射される。ミラー面２２ｒで反射された画像光ＧＬは、再度屈折面２２ｅを経て第２ミラー部材２２外に射出される。第２ミラー部材２２からの画像光ＧＬは、部分反射型ミラー部２３に入射して反射面２３ｒによって部分的に反射される。部分反射型ミラー部２３で反射された画像光ＧＬは、観察者ＵＳの瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰに入射する。
【００６１】
前方カバー部材５０において、透過領域５１は、部分反射型ミラー部２３の周囲、第１ミラー部材２１の下方及び横方向に広がっている。透過領域５１は、シースルー視を確保する観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より角度α１＝２５°で上方に向かう第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１の位置以上の位置まで広がっている。
【００６２】
上記第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１については、画面中心の方向又は射出側光軸ＡＸｏを基準とするのではなく、水平方向に対応する中心軸ＨＸを基準とすることができる。つまり、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として中心軸ＨＸより角度β１＝１５°で上方に向かう第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１の位置以上の位置まで広がっている。
【００６３】
透過領域５１については、第１ミラー部材２１と共通する領域とすることができる。この場合、透過領域５１の透過率は、第１ミラー部材２１の透過率と等しくなる。具体的には、例えば第１ミラー部材２１を含む透過領域５１の反射率は、２０％程度に設定され、これに応じて、部分反射型ミラー部２３の反射率は、３０％程度に設定される。この場合、第１ミラー部材２１を含む透過領域５１の外光透過率は８０％となる。
【００６４】
映像光学系１１２を構成する第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上、好ましくは３５°以上の位置に配置されることが望ましい。具体的には、第１ミラー部材２１等は、射出瞳ＥＰの中央から延びるとともに画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α３が２５°となっている第３基準線ＵＬ３又は第３基準面ＵＰ３を下限としてこれ以上の上側に配置されることが望ましい。なお、詳細な説明を省略するが、映像光学系１１２を構成する第１ミラー部材２１等は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として水平方向より上方１５°以上、好ましくは２５°以上の位置に配置されることが望ましい。
【００６５】
前方カバー部材５０において、第１ミラー部材２１の下側等の周辺領域には、遮光領域Ａ１を設けることができる。第１ミラー部材２１の上方にも遮光領域５２を設けることができる。
【００６６】
〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
【００６７】
図１４に示すように、第４実施形態の虚像表示装置１００は、第１実施形態と同様に、投射光学系１２として、第１ミラー部材２１と、第２ミラー部材２２と、部分反射型ミラー部２３とを備えるが、表示デバイス（画像形成部）１１と第１ミラー部材２１との間の光路上にレンズ４０をさらに備える。
【００６８】
レンズ４０は、一対のレンズ面４１，４２を有し、表示デバイス１１からの画像光ＧＬを屈折させる。両レンズ面４１，４２は、例えば自由曲面であるが、非球面とすることもできる。両レンズ面４１，４２は、ＹＺ面内にある偏芯方向に関して光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、偏芯方向に直交するＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。レンズ４０は、例えばポリカーボネート、シクロオレフィン系ポリマーのような樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。レンズ面４１，４２において、反射防止膜を形成することもできる。レンズ４０の材料は、色収差の発生を抑える観点で、アッベ数が５０以上の材料で形成されることが望ましい。
【００６９】
以上のレンズ４０において、レンズ面４１，４２を自由曲面又は非球面とすることで、収差低減を図ることができ、特に自由曲面を用いた場合、非共軸光学系又は偏芯光学系である投射光学系１２の収差を低減することが容易になる。
【００７０】
上部カバー部材７０の裏面壁部７２には、画像形成部である表示デバイス１１と、映像光学系１１２のうちレンズ４０とが、第２ミラー部材２２の上方に隣接して上部カバー部材の射出瞳側に設けた裏面壁部７２に固定されている。第１ミラー部材２１は、前方カバー部材５０から独立してフレーム８０の本体部材８１に直接固定されている。部分反射型ミラー部２３は、前方カバー部材５０の一部として、フレーム８０の本体部材８１に固定されている。なお、第１ミラー部材２１は、前方カバー部材５０の一部としてフレーム８０の本体部材８１に固定することもできる。
【００７１】
光路について説明すると、表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、レンズ４０を通過し、内側ミラー部材である第１ミラー部材２１に入射して反射面２１ｒによって反射される。第１ミラー部材２１で反射された画像光ＧＬは、内側ミラー部材である第２ミラー部材２２に入射して屈折面２２ｅａで屈折されミラー面２２ｒによって反射される。ミラー面２２ｒで反射された画像光ＧＬは、屈折面２２ｅｂを経て第２ミラー部材２２外に射出される。第２ミラー部材２２からの画像光ＧＬは、部分反射型ミラー部２３に入射して反射面２３ｒによって部分的に反射される。部分反射型ミラー部２３で反射された画像光ＧＬは、観察者ＵＳの瞳ＥＹが配置される射出瞳ＥＰに入射する。
【００７２】
前方カバー部材５０において、透過領域５１は、部分反射型ミラー部２３の周囲に広がっている。透過領域５１は、シースルー視を確保する観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より角度α１＝２５°で上方に向かう第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１の位置、好ましくは射出瞳ＥＰを基準として画面中心より角度α２＝３５°で上方に向かう第２基準線ＵＬ２又は第２基準面ＵＰ２の位置以上の位置まで広がっている。
【００７３】
上記第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１については、画面中心の方向又は射出側光軸ＡＸｏを基準とするのではなく、水平方向に対応する中心軸ＨＸを基準とすることができる。つまり、透過領域５１は、射出瞳ＥＰを基準として中心軸ＨＸより角度β１＝１５°で上方に向かう第１基準線ＵＬ１又は第１基準面ＵＰ１の位置、好ましくは射出瞳ＥＰを基準として中心軸ＨＸより角度β２＝２５°で上方に向かう第２基準線ＵＬ２又は第２基準面ＵＰ２の位置以上の位置まで広がっている。
【００７４】
映像光学系１１２を構成する第１ミラー部材２１及び第２ミラー部材２２は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として画面中心より上方２５°以上、好ましくは３５°以上の位置に配置されることが望ましい。具体的には、第１ミラー部材２１等は、射出瞳ＥＰから延びるとともに画面中心に対応する射出側光軸ＡＸｏに対する角度α３が２５°となっている第３基準線ＵＬ３又は第３基準面ＵＰ３を下限としてこれ以上の上側に配置されることが望ましい。なお、詳細な説明を省略するが、映像光学系１１２を構成する第１ミラー部材２１等は、シースルー視を妨げない観点で、射出瞳ＥＰを基準として水平方向より上方１５°以上、好ましくは２５°以上の位置に配置されることが望ましい。
【００７５】
〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７６】
前方カバー部材５０の外周部については、透過率を低下させたり、遮光したりすることができる。
【００７７】
上記実施形態の虚像表示装置１００では、表示デバイス１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示素子を用いているが、これに代えて、レーザー光源とポリゴンミラー等であるスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。
【００７８】
第２ミラー部材２２のミラー面２２ｒは、ミラー層２２ｃによって形成されるものに限らず、全反射条件を満たす全反射面であってもよい。この場合、ミラー層２２ｃが不要となる。
【００７９】
第２ミラー部材２２を屈折反射光学部材３０とするだけでなく、第１ミラー部材２１を屈折反射光学部材３０とすることもできる。
【００８０】
部分反射型ミラー部２３の外界側には、部分反射型ミラー部２３の透過光を制限することで調光を行う調光デバイスを取り付けることができる。調光デバイスは、例えば電動で透過率を調整する。調光デバイスとして、ミラー液晶、電子シェード等を用いることができる。調光デバイスは、外光照度に応じて透過率を調整するものであってもよい。調光デバイスによって外界光ＯＬを遮断する場合、外界像の作用を受けていない虚像のみを観察できる。
【００８１】
また、本願発明の虚像表示装置は、虚像表示装置と撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。
【００８２】
部分反射型ミラー部２３のミラー膜２３ｃについては、半透過性を有するものに限らず、ワイヤーグリッド素子のように特定偏光成分を反射するようなものであってもよい。部分反射型ミラー部２３のミラー膜２３ｃについては、体積ホログラムやその他のホログラム素子で構成することもでき、回折格子で構成することもできる。
【００８３】
以上では、虚像表示装置１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記虚像表示装置１００は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。
【符号の説明】
【００８４】
１１…表示デバイス、１２…投射光学系、２１…第１ミラー部材、２１ｒ…反射面、２２…第２ミラー部材、２２ｅａ，２２ｅｂ…屈折面、２２ｒ…ミラー面、１２２ｒ…反射面、２３…部分反射型ミラー部、２３ｒ…反射面、２４…第３ミラー部材、２４ｒ…反射面、３０…屈折反射光学部材、４０…レンズ、５０…前方カバー部材、５１…透過領域、５２…遮光領域、５５…外光透視領域、５５ｂ…板状体、５５ｃ…減光層、５５ｓ，５５ｔ…表面、７０…上部カバー部材、７１…上側壁部、７２…裏面壁部、８０…フレーム、８１…本体部材、１００…虚像表示装置、１１２…映像光学系、２００…虚像表示装置、Ａ１…遮光領域、ＡＸ…光軸、ＡＸｏ…射出側光軸、ＤＡ…表示像、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…瞳、ＧＬ…画像光、ＨＸ…中心軸、ＩＧ…投影像、ＩＩ…中間像、ＯＬ…外界光、ＵＳ…観察者
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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