(57)【要約】【課題】広画角・高性能であり、かつ、小型軽量な虚像表示装置を提供すること。【解決手段】第１プリズム１０及び第２プリズム３０の内部において、非軸対称反射面である第３面Ｓ１３及び第６面Ｓ１６をそれぞれ有することで、収差を補正し、高性能な映像表示が可能となっている。さらに、第１プリズム１０において、複数の反射面（第２面Ｓ１２及び第３面Ｓ１３）を有することで、装置の小型軽量化を図ることができる。さらに、第２面Ｓ１２や第５面Ｓ１５のように、映像光ＧＬを入射させる光入射面として機能するだけでなく、映像光ＧＬを全反射させる全反射面としても機能する面を有することで、光学系の小型化をさらに図ることができるものとなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像光を生じさせる映像素子と、
映像光を観察者側に射出させる第１導光部材と、前記映像素子と前記第１導光部材との間に配置される第２導光部材とを含む導光装置とを備え、
前記導光装置において、前記第１導光部材と第２導光部材とは、１つ以上の非軸対称反射面と１つ以上の全反射面とをそれぞれ有し、
前記映像素子からの映像光は、前記第２導光部材内で複数回反射された後、前記第２導光部材から射出されて前記第１導光部材に入射し、
前記第１導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第１面、第２面及び第３面の少なくとも３つの面を有し、前記全反射面としての前記第２面から入射させた映像光を、前記非軸対称反射面としての前記第３面で反射し、前記第２面で全反射し、前記第１面で透過させて、観察者の目に到達させる、虚像表示装置。
【請求項２】
前記第１導光部材の光入射面としての前記第２面と、前記第２導光部材の光射出面との間にクリアランスがある、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記第１導光部材の光入射面としての前記第２面と、前記第２導光部材の光射出面との間のクリアランスは、０．１ｍｍ以上であり、
前記第１導光部材の射出面と、観察者の瞳との間隔は、１０ｍｍ以上である、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記導光装置は、中間像を形成せずに虚像を作る、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記第２導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第４面、第５面及び第６面の少なくとも３つの面を有し、前記全反射面としての前記第５面から入射させた映像光を、前記非軸対称反射面としての前記第６面で反射し、前記第５面で全反射し、前記第４面で透過させて、前記第１導光部材に入射させる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記第２導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第４面、第５面、第６面及び第７面の少なくとも４つの面を有し、前記第７面から入射させた映像光を、前記非軸対称反射面としての前記第６面で反射し、前記反射面としての前記第５面で反射し、前記第４面で透過させて、前記第１導光部材に入射させる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記導光部材を構成する各面の原点を基準とし、接線方向に直交座標ｘとｙとを取り、ｙを所定の対称平面に直交する方向として、ｘとｙとに対し面形状ｚの表現式を多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘｍ・ｙｎの係数をＡｋｍ，ｎとして、下記（１）の条件を満足する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
１０−３  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−１      及び
１０−３  ＜  Ａ６０，２  ＋  Ａ６２，０  ＜  １０−１      …    （１）
【請求項８】
前記多項式の前記係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（２）の条件を満足する、請求項７に記載の虚像表示装置。
１０−４  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２    及び
１０−４  ＜  ｜Ａ６２，０−Ａ６０，２｜  ＜  １０−２      …    （２）
【請求項９】
前記第２導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第４面、第５面及び第６面の少なくとも３つの面を有し、前記第６面から入射させた映像光を、前記全反射面としての前記第４面で全反射し、前記非軸対称反射面としての前記第５面で反射し、前記第４面で透過させて、前記第１導光部材に入射させる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記導光部材を構成する各面の原点を基準とし、接線方向に直交座標ｘとｙとを取り、ｙを所定の対称平面に直交する方向として、ｘとｙとに対し面形状ｚの表現式を多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘｍ・ｙｎの係数をＡｋｍ，ｎとして、下記（３）の条件を満足する、請求項１乃至４及び９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
１０−３  ＜    Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−１      及び
１０−３  ＜  −Ａ５０，２  −  Ａ５２，０  ＜  １０−１      …    （３）
【請求項１１】
前記多項式の前記係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（４）の条件を満足する、請求項８に記載の虚像表示装置。
１０−４  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２    及び
１０−４  ＜  ｜Ａ５２，０−Ａ５０，２｜  ＜  １０−２      …    （４）
【請求項１２】
前記第１導光部材において、前記非軸対称反射面としての前記第３面は、アルミ蒸着面である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記第１導光部材及び前記第２導光部材を含む光学系全体は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
前記映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、前記信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する、請求項１から１３まで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、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（特許文献１〜７参照）。
【０００３】
ＨＭＤ等の虚像表示装置については、装置重量を低減することが望まれている。光学系を小型化し、重量を軽減するには、反射面を用いて光路を折り曲げることが有利であるため、プリズムを用いた様々な光学系が開発されている。その際、反射面や屈折面を非軸対称な曲面とし、その形状自由度を活用して効果的な収差の補正を行うことが重要である。
【０００４】
例えば特許文献１や特許文献２、特許文献３では、１個のプリズムを使用する光学系が示されている。このタイプの光学系は、非常に簡素な構成であり、使用するプリズムが１個であることで軽量化に有利であるが、１個のプリズム内に収差の補正に有効な反射面がせいぜい２面であり、形状の自由度が少なく、光学性能が不十分である。
【０００５】
特許文献４及び特許文献５では、ビデオカメラ等に適用される２個のプリズムを使用する結像光学系が示されている。従来より、結像光学系は、光線の進行方向を逆転させれば、虚像を作る表示光学系として使用できることが知られている。しかし、例示された結像光学系では、２個のプリズムの間に絞りが設けられており、ＨＭＤ用の表示光学系として用いることはできない。
【０００６】
特許文献６及び特許文献７では、２個のプリズムを用い、さらに絞りが第１プリズムの物体側に配置された光学系が示されている。
しかし、例示された結像光学系とＨＭＤ用の表示光学系とでは、瞳の位置や表示素子の大きさなどについて、仕様が異なっており、直接流用することは容易ではない。仮に、上記特許文献６や特許文献７の構成の結像光学系をＨＭＤ用の表示光学系として直接流用すると、表示光学系を構成するプリズムから瞳の位置までの距離を１０ｍｍ以上離す必要があるため、プリズムが非常に大きくなってしまい、小型のＨＭＤとしては、実用的でないものとなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３４８６４６８号公報
【特許文献２】特許３５３７２３０号公報
【特許文献３】特許３５９９８２８号公報
【特許文献４】特許４２２５６０６号公報
【特許文献５】特許４３３１２９０号公報
【特許文献６】特開平１０−６８８８７号公報
【特許文献７】特開２００１−１６６２０９号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、広画角・高性能であり、かつ、小型軽量な虚像表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、映像光を観察者側に射出させる第１導光部材と、映像素子と第１導光部材との間に配置される第２導光部材とを含む導光装置とを備える表示装置である。導光装置において、第１導光部材と第２導光部材とは、１つ以上の非軸対称反射面と１つ以上の全反射面とをそれぞれ有し、映像素子からの映像光は、第２導光部材内で複数回反射された後、第２導光部材から射出されて第１導光部材に入射し、第１導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第１面、第２面及び第３面の少なくとも３つの面を有し、上記全反射面としての第２面から入射させた映像光を、上記非軸対称反射面としての第３面で反射し、第２面で全反射し、第１面で透過させて、観察者の目に到達させる。
【００１０】
上記虚像表示装置では、第１及び第２導光部材において、１つ以上の非軸対称反射面をそれぞれ有することで、光軸に対し傾いた反射面を有する光学系において十分な収差の補正が可能となっており、広画角で、かつ、高性能な映像表示が可能となっている。さらに、第１導光部材において、映像光の導光に寄与する面として、複数の反射面を有することで、光学系の小型化を図ることができ、延いては装置全体の小型化及び軽量化を図ることができる。この際、例えば第１導光部材を構成する各面のうち第２面のように、映像光を入射させる光入射面であるだけでなく、映像光を全反射させる全反射面としても機能する面を有することで、光学系の小型化をさらに図ることができるものとなっている。
【００１１】
本発明の具体的な側面では、第１導光部材の光入射面としての第２面と、第２導光部材の光射出面との間にクリアランスがある。このクリアランスがあることによって第１導光部材の第２面での全反射を行うことができる。
【００１２】
本発明の別の側面では、第１導光部材の光入射面としての第２面と、第２導光部材の光射出面との間のクリアランスは、０．１ｍｍ以上である。クリアランスが０．１ｍｍ以上あることによって第１導光部材の第２面での全反射をより確実に行うことができる。また、第１導光部材の射出面と観察者の瞳の間に１０ｍｍ以上の間隔が開いている。この間隔を設けることにより、観察者の顔と第１導光部材が接触することを防ぎ、導光部材が汚れることを防止している。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、導光装置は、中間像を形成せずに虚像を作る。この場合、中間像を形成しない発散型の光路で観察者に拡大表示させるものとすることで、中間像を形成させる場合に比べて光学系の設計が簡単となる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、第２導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第４面、第５面及び第６面の少なくとも３つの面を有し、全反射面としての第５面から入射させた映像光を、非軸対称反射面としての第６面で反射し、第５面で全反射し、第４面で透過させて、第１導光部材に入射させる。この場合、第６面が非軸対称反射面であることにより収差の補正を図ることができるとともに、全反射面としての第５面が、光路の折り曲げの機能と光線束の入口（入射面）の機能とを兼ねることで、装置の小型化を図ることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、第２導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第４面、第５面、第６面及び第７面の少なくとも４つの面を有し、第７面から入射させた映像光を、非軸対称反射面としての第６面で反射し、反射面としての第５面で反射し、第４面で透過させて、第１導光部材に入射させる。この場合、第６面を非軸対称反射面とすることにより収差の補正を図るとともに、第７面も非軸対称面とすることにより、設計上の自由度を増やし、光学性能を向上させることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、上記第７面からの入射光を第６面で反射するタイプにおいて、導光部材を構成する各面の原点を基準とし、接線方向に直交座標ｘとｙとを取り、ｙを所定の対称平面に直交する方向として、ｘとｙとに対し面形状ｚの表現式を多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘｍ・ｙｎの係数をＡｋｍ，ｎとして、下記（１）の条件を満足する。
１０−３  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−１      及び
１０−３  ＜  Ａ６０，２  ＋  Ａ６２，０  ＜  １０−１      …    （１）
【００１７】
本願発明では、第１及び第２導光部材を構成する面のうち複数の面を自由曲面等の非軸対称な曲面とすることにより、十分な収差の補正を施すことが可能となり、高画質の光学系を得ることに成功した。この際、曲面のはたらきを基本的に特徴付けるのは、曲面の湾曲度すなわち曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２の値によって決まるので、係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２の値を適切に設定することが重要である。
条件（１）は、原点近傍における第３面の曲率と第６面の曲率の大きさを規定している。条件（１）の下限を超えると、曲率が弱くなり過ぎ、全系の焦点距離が長くなり、収差補正が困難になる。また、条件（１）の上限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、各面で発生する収差が増え、収差補正が難しくなる。条件（１）を満足することで、収差の補正を十分に行い、優れた画質をもたらすことができる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、多項式の係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（２）の条件を満足する。
１０−４  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２    及び
１０−４  ＜  ｜Ａ６２，０−Ａ６０，２｜  ＜  １０−２      …    （２）
条件（２）は、第３面及び第６面のｘ軸方向の曲率とｙ軸方向の曲率との差を規定している。条件（２）の下限の値以下になると、第３面及び第６面で発生する非点収差が小さくなり過ぎ、光軸に対し反射面が傾いていることによって生じる非点収差を補正すること困難になる。また、条件（２）の上限の値以上になると、第３面及び第６面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、他の収差とのバランスが取れず、収差補正が困難になる。条件（２）を満足することで、他の面において発生する収差をバランス良く補正することが可能になる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、第２導光部材は、映像光の導光に寄与する面として、第４面、第５面及び第６面の少なくとも３つの面を有し、第６面から入射させた映像光を、全反射面としての第４面で全反射し、非軸対称反射面としての第５面で反射し、第４面で透過させて、第１導光部材に入射させる。この場合、第５面を非軸対称反射面とすることにより収差の補正を図ることができるとともに、全反射面としての第４面が、光路の折り曲げの機能と光線束の出口（射出面）の機能とを兼ねることで、装置の小型化を図ることができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、上記第６面からの入射光を第４面で全反射するタイプにおいて、導光部材を構成する各面の原点を基準とし、接線方向に直交座標ｘとｙとを取り、ｙを所定の対称平面に直交する方向として、ｘとｙとに対し面形状ｚの表現式を多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘｍ・ｙｎの係数をＡｋｍ，ｎとして、下記（３）の条件を満足する。
１０−３  ＜    Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−１      及び
１０−３  ＜  −Ａ５０，２  −  Ａ５２，０  ＜  １０−１      …    （３）
【００２１】
本願発明では、第１及び第２導光部材を構成する面のうち複数の面を自由曲面等の非軸対称な曲面とすることにより、十分な収差の補正を施すことが可能となり、高画質の光学系を得ることに成功した。この際、曲面のはたらきを基本的に特徴付けるのは、曲面の湾曲度すなわち曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２の値によって決まるので、係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２の値を適切に設定することが重要である。
条件（３）は、原点近傍における第３面の曲率と第５面の曲率の大きさを規定している。条件（３）の下限を超えると、曲率が弱くなり過ぎ、全系の焦点距離が長くなり、収差補正が困難になる。また、条件（３）の上限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、各面で発生する収差が増え、収差補正が難しくなる。条件（３）を満足することで、収差の補正を十分に行い、優れた画質をもたらすことができる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、多項式の係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（４）の条件を満足する。
１０−４  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２    及び
１０−４  ＜  ｜Ａ５２，０−Ａ５０，２｜  ＜  １０−２      …    （４）
条件（４）は、第３面及び第５面のｘ軸方向の曲率とｙ軸方向の曲率との差を規定している。条件（４）の下限の値以下になると、第３面及び第５面で発生する非点収差が小さくなり過ぎ、反射面が傾くことによって生じる非点収差を補正すること困難になる。また、条件（４）の上限の値以上になると、第３面及び第５面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、他の収差とのバランスが取れず、収差補正が困難になる。条件（４）を満足することで、他の面において発生する収差をバランス良く補正することが可能になる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、第１導光部材において、非軸対称反射面としての第３面は、アルミ蒸着面である。この場合、所望の反射率を有する非軸対称反射面を簡易かつ確実に形成させることができる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、第１導光部材及び第２導光部材を含む光学系全体は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる。
【００２５】
本発明のさらに別の側面では、映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態に係る虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面視の断面図である。
【図２】虚像表示装置中の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図３】虚像表示装置を装着した様子を概念的に示す正面図である。
【図４】実施例１の光学系を説明する図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。
【図７】実施例２の光学系を説明する図である。
【図８】実施例２の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。
【図１１】実施例３の光学系を説明する図である。
【図１２】実施例３の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。
【図１５】実施例４の光学系を説明する図である。
【図１６】実施例４の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図１７】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。
【図１９】変形例の虚像表示装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図１等を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
【００２８】
図１に示す本実施形態の虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に適用されるものであり、画像表示装置８０と、導光装置２０とを一組として備える。
【００２９】
虚像表示装置１００は、観察者に画像光によって虚像を形成させることで画像を認識させるものである。画像表示装置８０と、導光装置２０とは、通常観察者の左右の眼のうちのいずれか一方の前方、又は両眼の前方に配置されるが、ここでは右眼用の場合を示し、左眼用の虚像表示装置については右眼用の虚像表示装置に関して左右逆転させるだけであるので図示及び説明を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば図３に示すように、一般の眼鏡のフレームに小型の装置を取り付けたような外観を有するものとなっている。
【００３０】
以下、図１を参照して、画像表示装置８０と導光装置２０とに関する機能、動作等の詳細について説明する。なお、図１は、虚像表示装置１００における光学系の光軸ＡＸを含む基準面ＳＲについての断面を示すものとなっている。
【００３１】
画像表示装置８０は、照明光を射出する照明装置８１と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子８２と、照明装置８１及び映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。
【００３２】
画像表示装置８０の照明装置８１は、赤、緑、及び青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、この光源からの光を拡散させて矩形断面の光線束にするバックライト導光部８１ｂとを有する。映像表示素子（映像素子）８２は、例えば液晶表示デバイスで形成され、複数の画素で構成されており、照明装置８１からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部８４は、光源駆動回路８４ａと、液晶駆動回路８４ｂとを備える。光源駆動回路８４ａは、照明装置８１に電力を供給して安定した輝度の照明光を射出させる。液晶駆動回路８４ｂは、映像表示素子（映像素子）８２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの映像光又は画像光を形成する。ここで、液晶駆動回路８４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。なお、画像表示装置８０における投射光軸（射出光軸）を導光装置２０に対する入射側光軸ＡＸＩとする。
【００３３】
導光装置２０は、画像表示装置８０から射出された映像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出するプリズム型の部材であり、第１導光部材である第１プリズム１０と、第２導光部材である第２プリズム３０とを備える。
【００３４】
なお、第１プリズム１０及び第２プリズム３０において、各プリズム１０，３０の本体１０ｓ，３０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料でそれぞれ形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより成形する。なお、本体１０ｓ，３０ｓの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。
【００３５】
第１プリズム１０は、一部に曲面を有する三角柱状のプリズム型の部材であり、導光装置２０を構成する導光部材のうち、先端側の部分を構成する第１導光部材であり、装着時においては、相対的に鼻に近い側に配置される。
【００３６】
第１プリズム１０は、導光における光学的な機能を有する側面、すなわち導光に寄与する面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、これらの面が互いにある程度の角度を有する状態で対向しつつ連続的に隣接することで、三角柱状のプリズムの側面を形成している。
【００３７】
第２プリズム３０は、一部に曲面を有する四角柱状のプリズム型の部材であり、導光装置２０を構成する導光部材のうち、根元側の部分すなわち映像表示素子（映像素子）８２と第１プリズム１０（第１導光部材）との間の部分を構成する第２導光部材であり、装着時においては、相対的に鼻から遠い側に配置される。第２プリズム３０は、映像表示素子８２からの映像光を入射させるとともに、映像光を内部で導光し、第１プリズム１０に向けて射出する。
【００３８】
第２プリズム３０は、導光における光学的な機能を有する側面、すなわち導光に寄与する面として、第４面Ｓ１４と、第５面Ｓ１５と、第６面Ｓ１６と、連結面ＣＳとを有する。このうち、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とが連続的に隣接し、第５面Ｓ１５と第６面Ｓ１６とが連続的に隣接している。なお、連結面ＣＳは、第４面Ｓ１４と第６面Ｓ１６とを繋ぐ面であるが、導光における光学的な機能を有しない側面である。これらの面が互いにある程度の角度を有する状態で対向しつつ連続的に隣接することで、四角柱状のプリズムの側面を形成している。
【００３９】
ここで、導光装置２０において、第１プリズム１０と第２プリズム３０との間には、わずかなクリアランスＣＲが設けられている。より具体的には、第１プリズム１０の光入射面である第２面Ｓ１２と第２プリズム３０の光射出面である第４面Ｓ１４とは、互いに対向する面となっており、平行又は略平行に延びているが、その間にわずかなクリアランスＣＲが形成された状態で配置されている。このクリアランスＣＲがあることで、後述する第２面Ｓ１２での映像光の全反射が可能なものとなる。
【００４０】
以下、第１プリズム１０を構成する各面について詳しく説明する。第１プリズム１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯを中心軸とする平面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲ（図示の断面）に含まれる光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２との２等分線に直交する平面であり、第３面Ｓ１３は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれる光軸ＡＸ２と光軸ＡＸ３との２等分線を中心軸とする自由曲面である。なお、以上の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、ＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ３等が通る基準面ＳＲに対し面対称な形状を有している。
【００４１】
第１プリズム１０において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを導光装置２０外に射出させる屈折面として機能する。なお、第１面Ｓ１１は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。
【００４２】
第２面Ｓ１２は、映像光ＧＬを第１プリズム１０内に入射させる光入射面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。なお、第２面Ｓ１２は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。
【００４３】
第３面Ｓ１３は、非軸対称な曲面形状を有しており、映像光ＧＬを内面側で反射させる非軸対称反射面として機能する。第３面Ｓ１３は、本体１０ｓの表面上に無機材料で形成される光反射膜ＲＭ１を成膜することで形成される。ここでは、一例として、無機材料としてアルミを用いるものとする。すなわち、非軸対称反射面である第３面Ｓ１３は、アルミ蒸着によって成膜されたアルミ蒸着面である。
【００４４】
以下、第２プリズム３０を構成する各面について詳しく説明する。第３プリズム３０において、第４面Ｓ１４は、基準面ＳＲに含まれる光軸ＡＸ４を中心軸とする平面であり、第５面Ｓ１５は、基準面ＳＲに含まれる一対の光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線に直交する平面であり、第６面Ｓ１６は、基準面ＳＲに含まれる一対の光軸ＡＸ５，ＡＸ６の２等分線を中心軸とする自由曲面である。
【００４５】
第２プリズム３０において、第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを第１プリズム１０に向けて射出させる光射出面として機能する。なお、第４面Ｓ１４は、本体３０ｓの表面に施されたハードコート層２２７によって形成される面である。
【００４６】
第５面Ｓ１５は、画像表示装置８０からの映像光ＧＬを第２プリズム３０内に入射させる光入射面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。なお、第５面Ｓ１５は、本体３０ｓの表面に施されたハードコート層２２７によって形成される面である。
【００４７】
第６面Ｓ１６は、映像光ＧＬを内面側で反射させる反射面として機能する。より具体的には、第６面Ｓ１６は、本体３０ｓの表面上に例えばアルミ蒸着によって光反射膜ＲＭ２を成膜することで形成される。
【００４８】
なお、以上の第４〜第６面Ｓ１４〜Ｓ１６は、ＸＺ面に平行で光軸ＡＸ４〜ＡＸ６等が通る基準面ＳＲに対し面対称な形状を有している。
【００４９】
以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬの光路について説明する。映像表示素子（映像素子）８２から射出された映像光ＧＬは、導光装置２０のうち第２プリズム３０に設けた第５面Ｓ１５に入射する。
【００５０】
第２プリズム３０の第５面Ｓ１５に入射してこれを通過した映像光ＧＬは、発散しつつ進み、正の屈折力を有する第６面Ｓ１６で反射される。
【００５１】
第６面Ｓ１６で反射された映像光ＧＬは、第５面Ｓ１５に再度入射する。ここで、第６面Ｓ１６と第５面Ｓ１５とが適度な角度を有しており、第６面Ｓ１６によって反射された映像光ＧＬは、全反射する。第５面Ｓ１５において全反射された映像光ＧＬは、第４面Ｓ１４から第１プリズム１０に向けて射出される。
【００５２】
第２プリズム３０から射出された映像光ＧＬは、第１プリズム１０に設けた第２面Ｓ１２に入射し、正の屈折力を有する第３面Ｓ１３で反射される。
【００５３】
第３面Ｓ１３で反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に再度入射する。また、既述のように、第２面Ｓ１２と第４面Ｓ１４との間には、クリアランスＣＲが設けられており、空気層が形成されている。これにより、第２面Ｓ１２は、映像光ＧＬを全反射する。第２面Ｓ１２において全反射された映像光ＧＬは、第１面Ｓ１１から観察者の眼ＥＹに向けて射出される。なお、第２面Ｓ１２における全反射が維持できる等の映像光ＧＬの導光の状態維持が可能であれば、クリアランスＣＲの部分に例えば空気に近い低屈折率の材料を充填させるものとしてもよい。すなわち、第２面Ｓ１２と第４面Ｓ１４との間に空気層を形成する場合に限らず、物を挟んだ状態とすることで設けた空間もクリアランスＣＲに含むものとする。
【００５４】
第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳又はその等価位置に略平行光線束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより、映像表示素子（映像素子）８２上に形成された画像を観察することになる。なお、映像光ＧＬは、第５面Ｓ１５に入射して第１面Ｓ１１から射出されるまでの間において、導光装置２０中で中間像を形成することなくダイレクトに観察者の眼に向けて導光される。
【００５５】
図２は、第１プリズム１０及び第２プリズム３０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ６やローカル座標を説明する図である。以下の説明では、光学系の評価や表現の便宜を考慮して、観察者の眼ＥＹから画像表示装置８０の映像表示素子８２に向けて逆進方向に関して、光学面や光路を規定する。実際の光学系では、映像表示素子８２から発した光は、導光装置２０すなわち第２プリズム３０及び第１プリズム１０の内部を順次通り、眼ＥＹに至るのであるが、その状態では光学系の評価がやり難い。そのため、眼ＥＹの位置にある絞りを通して無限遠の光源からの光が、第１プリズム１０及び第２プリズム３０を通って映像表示素子８２に結像するものとして、評価・設計を行なっており、以下に詳述する光学系のデータもその順で表示している。
【００５６】
まず、図示の導光装置２０のうち第１プリズム１０において、第１面Ｓ１１の光軸ＡＸ１は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、全体座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と並進関係にあって、第１面Ｓ１１上に原点を有する。つまり、ローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯ上にあって進行方向（光線の逆進方向）となっており、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。以後の各面においても、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。
【００５７】
第２面Ｓ１２の光軸は、射出側光軸ＡＸＯに対して適宜傾けられたものとなっており、第２面Ｓ１２のローカル座標は、全体座標に対してＹ軸の周りに適宜回転するとともに並進したものとなっており、第２面Ｓ１２上に原点を有する。第２面Ｓ１２のローカル座標のｚ軸は、射出側光軸ＡＸＯ（光軸ＡＸ１）と、第２面Ｓ１２から第３面Ｓ１３に向けての光線束中心の光軸ＡＸ２との２等分線となっている。
【００５８】
第３面Ｓ１３のローカル座標の原点は、この第３面Ｓ１３上にある。また、第３面Ｓ１３のローカル座標のｚ方向は、第２面Ｓ１２から第３面Ｓ１３に向けての光線束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から光入射面としての第２面Ｓ１２に向けての光線束中心の光軸ＡＸ３との２等分線となっている。
【００５９】
次に、図示の導光装置２０のうち第２プリズム３０において、第４面Ｓ１４のローカル座標の原点は、この第４面Ｓ１４上にある。また、第４面Ｓ１４のローカル座標のｚ方向は、第２面Ｓ１２のｚ軸の方向と平行になっている。また、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。
【００６０】
第５面Ｓ１５のローカル座標の原点は、この第５面Ｓ１５上にある。また、第５面Ｓ１５のローカル座標のｚ方向、すなわち第５面Ｓ１５の光軸は、第４面Ｓ１４から第５面Ｓ１５に向けての光線束中心の光軸ＡＸ４と、第５面Ｓ１５から第６面Ｓ１６に向けての光線束中心の光軸ＡＸ５との２等分線となっている。
【００６１】
第６面Ｓ１６のローカル座標の原点は、この第６面Ｓ１６上にある。また、第６面Ｓ１６のローカル座標のｚ方向、すなわち第６面Ｓ１６の光軸は、第５面Ｓ１５から第６面Ｓ１６に向けての光線束中心の光軸ＡＸ５と、第６面Ｓ１６から光入射面としての第５面Ｓ１５に向けての光線束中心の光軸ＡＸ６との２等分線となっている。なお、光軸ＡＸ６は、導光装置２０全体としての光軸である入射側光軸ＡＸＩに一致する。
【００６２】
第１プリズム１０の第３面Ｓ１３の形状は、第３面Ｓ１３のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ３ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （５）
ここで、Ａ３ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００６３】
また、第２プリズム３０の第６面Ｓ１６の形状は、第６面Ｓ１６のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ６ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （６）
ここで、Ａ６ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００６４】
本実施形態において、第１プリズム１０の第３面Ｓ１３及び第２プリズムの第６面Ｓ１６は、
１０−３  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−１    及び
１０−３  ＜  Ａ６０，２  ＋  Ａ６２，０  ＜  １０−１      …    （１）
１０−４  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２    及び
１０−４  ＜  ｜Ａ６２，０−Ａ６０，２｜  ＜  １０−２      …    （２）
の２条件を満足している。これらの２条件を満たすように第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６の形状を設定することによって、映像光ＧＬの双方の収差の補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。
【００６５】
なお、上記の例において、第３面Ｓ１３及び第６面Ｓ１６以外の他の面（第１面Ｓ１１等）については、平面形状であり、上記の係数は、いずれもゼロとなるだけであるので、詳しい説明を省略する。また、後述する各実施例において、平面形状でないプリズムの各面については、上記第３面Ｓ１３や第６面Ｓ１６の場合と同様に、第ｋ面について多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数Ａｋｍ，ｎが規定できるものとする。
【００６６】
以上のように、本実施形態では、第１及び第２導光部材である第１プリズム１０及び第２プリズム３０の内部において、非軸対称反射面である第３面Ｓ１３及び第６面Ｓ１６をそれぞれ有することで、非軸対称な光学系において十分な収差の補正が可能となっており、高性能な映像表示が可能となっている。さらに、第１プリズム１０において、映像光の導光に寄与する面として、複数の反射面（第２面Ｓ１２及び第３面Ｓ１３）を有することで、光学系の小型化を図ることができ、延いては装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。この際、例えば第１プリズム１０や第２プリズム３０を構成する各面のうち第２面Ｓ１２や第５面Ｓ１５のように、映像光ＧＬを入射させる光入射面として機能するだけでなく、映像光ＧＬを全反射させる全反射面としても機能する面を有することで、光学系の小型化をさらに図ることができるものとなっている。また、中間像を形成しない発散型の光路で観察者に拡大表示させるものとなっており、中間像を形成させる場合に比べて光学系の設計が簡単となる。
【００６７】
なお、装着時の状態としては、図３に一例を概念的に示すように、導光装置２０のうち、第１プリズム１０の一部と第２プリズム３０の全体とが第１保護部材ＣＶ１に覆われ、画像表示装置８０の各部が第１保護部材ＣＶ１に連接される第２保護部材ＣＶ２に覆われ、第２保護部材ＣＶ２がフレーム部ＦＲによって支持されているといった態様となっている。なお、装着におけるフレーム部ＦＲ等の支持、固定については、例えば図示のように、虚像表示装置１００において、フレーム部ＦＲに対して垂直下方に延びる鼻受部ＮＰを設けた構造とすることで、観察者の鼻ＮＳで装置を支持するものとしてもよい。さらに、図示を省略するが、付勢力を付けるためのバネ構造や人体の一部に引っかけるためのフック構造等をフレーム部ＦＲに設けることによって、装着者の額や耳等に取付け固定されるものとしてもよい。なお、図示のように、観察者の眼ＥＹや鼻ＮＳの位置から分かるように、虚像表示装置１００の配置を眼の中心よりもやや下方側となるようにするものとしてもよい。この場合、観察者が目を閉じている際のリラックス状態にある視線角度にすることで、映像に対して観察者の目線の方向（視線）が観察者にとって自然に下方側となった状態で観察するように調整することができる。
【００６８】
図３に示す場合、導光装置２０のうち、眼前部分に配置される第１プリズム１０は、装着時に観察者の眼ＥＹの前すなわち眼前部分のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させるものとなっている。この場合、観察者は、導光部材の周囲から外界を観察できるものとなる。
【００６９】
〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる第１プリズム及び第２プリズムを含んだ導光装置の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。なお、グローバル座標系とは、瞳の位置を示す記号ＥＰを基準位置すなわち全体に対する絶対的な原点として、全体の軸であるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸についての座標系（ＸＹＺ座標系）を意味する。導光部材を構成する各自由曲面に関して、このグローバル座標系を基準として各曲面のローカル座標の原点を相対的な位置関係で示し、また、各曲面の局所座標のｚ軸（ローカルｚ軸）の向きをグローバル座標系のＺ軸に対するＹ軸回りの角度θによって表している。
ＥＰ      ：瞳
ＦＦＳｋ  ：自由曲面（ｋ＝面番号、ただし、一部に平面が含まれる。）
ＰＬＡＮＥ：平面
ＩＭＡＧＥ：映像表示素子の像面
Ｘ        ：各面の局所座標系原点のグローバル座標系におけるＸ座標値
Ｙ        ：各面の局所座標系原点のグローバル座標系におけるＹ座標値
Ｚ        ：各面の局所座標系原点のグローバル座標系におけるＺ座標値
θ        ：各面の局所座標系のグローバル座標系に対するＹ軸回りの回転角度（°）
Ｎｄ      ：光学材料のｄ線に対する屈折率
Ｖｄ      ：光学材料のｄ線に関するアッベ数
【００７０】
（実施例１）
実施例１の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表１に示す。ここでは、眼の位置（記号ＥＰ）から映像光の進行に対して逆行させた光線を追跡して、測定を行っている。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜６）は、第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。つまり、例えばＦＦＳ１は、第１面Ｓ１１を意味し、ＦＦＳ２は、第２面Ｓ１２を意味し、ＦＦＳ３は、第３面Ｓ１３を意味する。
【００７１】
〔表１〕
No  Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  EP      0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  15.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00   1.525   55.95 
4  FFS3   -4.432   0.000  19.981  -85.00   1.525   55.95 
5  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00         
6  FFS4    0.000   0.000  19.400  -50.00   1.525   55.95 
7  FFS5    7.784   0.000  24.428    0.00   1.525   55.95 
8  FFS6   15.772   0.000  21.521   35.00   1.525   55.95 
9  FFS5    7.784   0.000  24.428    0.00         
10  PLANE  15.772   0.000  26.735    0.00   1.458   67.82 
11  IMAGE  15.772   0.000  28.335    0.00         
【００７２】
実施例１を構成する導光部材中の各光学面のうち、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表２に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。なお、表２において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝３又は６）は、上述のように、自由曲面である第３面Ｓ１３又は第６面Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。なお、各面のローカル座標については、図２に示すものに相当するため図示等を省略する。
〔表２〕
m n     FFS3        FFS6
2 0   7.472E-03   6.392E-03
0 2   8.055E-03   9.164E-03
3 0  -1.563E-05  -8.909E-05
1 2  -2.655E-05   4.231E-04
4 0   3.162E-07  -1.390E-04
2 2   3.377E-06   8.994E-06
0 4  -2.358E-06  -1.274E-04
5 0  -1.877E-06   3.730E-05
3 2  -1.648E-06   1.405E-05
1 4   1.341E-06   4.924E-06
6 0  -1.285E-06   1.777E-05
4 2  -1.151E-07   2.212E-07
2 4  -3.189E-07   5.902E-06
0 6  -5.115E-07   5.532E-05
以上の表２及び以下の表において、数値のＥ以後は１０進数の指数部を意味し、例えば「７．４７２Ｅ−０３」とは、７．４７２×１０−０３を意味する。
【００７３】
図４は、実施例１の虚像表示装置の断面図である。虚像表示装置１００の導光装置２０のうち第１プリズム１０は、屈折力を有しない第１面Ｓ１１と、屈折力を有しない第２面Ｓ１２と、正の屈折力を有する第３面Ｓ１３とを有する。ここで、第２面Ｓ１２は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第２面Ｓ１２は、第１面Ｓ１１から逆行する光線束（実際には第３面Ｓ１３からの光）に対して全反射面となっており、第３面Ｓ１３から逆行する光線束（実際には第２プリズム３０からの光）に対して透過面となっている。つまり、第２面Ｓ１２は、光路の折り曲げの機能と、光線束の入射に関する機能（光線束の入口すなわち光線束の入射面）を兼ね備えている。第２プリズム３０は、屈折力を有しない第４面Ｓ１４と、屈折力を有しない第５面Ｓ１５と、正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。ここで、第５面Ｓ１５は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第５面Ｓ１５は、第４面Ｓ１４から逆行する光線束（実際には第６面Ｓ１６からの光）に対して全反射面となっており、第６面Ｓ１６から逆行する光線束（実際には映像表示素子８２からの光）に対して透過面となっている。つまり、第５面Ｓ１５は、光路の折り曲げの機能と、光線束の入射に関する機能（光線束の入射面）を兼ね備えている。実施例１の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１０．０°で、垂直画角が５．８°で、映像表示素子の表示領域の大きさが２．８×１．６２ｍｍで、瞳径が３．０ｍｍで、焦点距離が約１６ｍｍである。
【００７４】
図５（Ａ）〜５（Ｆ）及び図６（Ａ）〜６（Ｆ）は、実施例１の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図５（Ｃ）及び５（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図５（Ｅ）及び５（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図６（Ｃ）及び６（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図６（Ｅ）及び６（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００７５】
（実施例２）
実施例２の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表３に示す。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝３又は６）は、自由曲面である第３面Ｓ１３又は第６面Ｓ１６を意味する。
〔表３〕
No  Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  EP      0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  15.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00   1.525   55.95 
4  FFS3   -4.432   0.000  19.981  -85.00   1.525   55.95 
5  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00         
6  FFS4    0.000   0.000  19.400  -50.00   1.525   55.95 
7  FFS5    2.146   0.000  22.376  -20.00   1.525   55.95 
8  FFS6    4.396   0.000  18.478    5.00   1.525   55.95 
9  FFS5    2.146   0.000  22.376  -20.00         
10  PLANE   6.335   0.000  23.804  -20.00   1.458   67.82 
11  IMAGE   6.882   0.000  25.307  -20.00         
【００７６】
実施例２を構成する導光部材中の各光学面のうち、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表４に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面（ｋ＝３又は６）を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。
〔表４〕
m n     FFS3        FFS6
2 0   1.095E-02   4.286E-03
0 2   1.045E-02   1.057E-02
3 0  -5.805E-05   1.224E-04
1 2  -4.154E-05   3.624E-04
4 0  -1.321E-06  -2.131E-05
2 2  -1.563E-06   2.699E-05
0 4  -3.791E-06  -5.197E-06
5 0  -1.750E-06   2.775E-05
3 2  -2.860E-06   1.873E-05
1 4   1.479E-06  -1.217E-06
6 0  -7.311E-07   1.191E-05
4 2  -8.936E-08  -1.692E-08
2 4  -7.277E-07   5.845E-06
0 6  -9.538E-07   1.296E-05
【００７７】
図７は、実施例２の虚像表示装置の断面図である。また、図８は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００の導光装置２０のうち第１プリズム１０は、屈折力を有しない第１面Ｓ１１と、屈折力を有しない第２面Ｓ１２と、正の屈折力を有する第３面Ｓ１３とを有する。ここで、第２面Ｓ１２は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第２面Ｓ１２は、第１面Ｓ１１から逆行する光線束（実際には第３面Ｓ１３からの光）に対して全反射面となっており、第３面Ｓ１３から逆行する光線束（実際には第２プリズム３０からの光）に対して透過面となっている。つまり、第２面Ｓ１２は、光路の折り曲げの機能と、光線束の入射に関する機能（光線束の入射面）を兼ね備えている。第２プリズム３０は、屈折力を有しない第４面Ｓ１４と、屈折力を有しない第５面Ｓ１５と、正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。ここで、第５面Ｓ１５は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第５面Ｓ１５は、第４面Ｓ１４から逆行する光線束（実際には第６面Ｓ１６からの光）に対して全反射面となっており、第６面Ｓ１６から逆行する光線束（実際には映像表示素子８２からの光）に対して透過面となっている。つまり、第５面Ｓ１５は、光路の折り曲げの機能と、光線束の入射に関する機能を兼ね備えている。なお、図示のように、第６面Ｓ１６は、第４面Ｓ１４と連続的に隣接しており、第５面Ｓ１５とは連結面ＣＳを介して繋がっていて、よりコンパクトな設計とすることが可能になる。実施例２の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１０．０°で、垂直画角が５．８°で、映像表示素子の表示領域の大きさが２．８×１．６２ｍｍで、瞳径が３．０ｍｍで、焦点距離が約１６ｍｍである。
【００７８】
図９（Ａ）〜９（Ｆ）及び図１０（Ａ）〜１０（Ｆ）は、実施例２の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図９（Ｃ）及び９（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図９（Ｅ）及び９（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１０（Ｃ）及び１０（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１０（Ｅ）及び１０（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００７９】
（実施例３）
実施例３の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表５に示す。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝３，６又は７）は、自由曲面である第３面Ｓ１３、第６面Ｓ１６又は第７面Ｓ１７を意味する。
〔表５〕
No  Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  EP      0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  15.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00   1.525   55.95 
4  FFS3   -4.432   0.000  19.981  -85.00   1.525   55.95 
5  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00         
6  FFS4    0.000   0.000  19.400  -50.00   1.525   55.95 
7  FFS5    2.146   0.000  22.376  -18.00   1.525   55.95 
8  FFS6    6.061   0.000  16.572  -11.00   1.525   55.95 
9  FFS7    8.548   0.000  18.250  -56.00         
10  PLANE  10.608   0.000  19.640  -56.00   1.458   67.82 
11  IMAGE  11.935   0.000  20.535  -56.00         
【００８０】
実施例３を構成する導光部材中の各光学面のうち、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表６に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面（ｋ＝３，６又は７）を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。
〔表６〕
m n     FFS3        FFS6        FFS7
2 0   9.488E-03   1.023E-02   1.081E-01
0 2   1.088E-02   8.997E-03   3.414E-02
3 0  -5.447E-05   1.211E-03   2.245E-02
1 2   1.750E-05  -3.987E-04  -1.017E-02
4 0   8.142E-06   8.532E-05   2.710E-03
2 2   5.581E-06  -1.304E-04  -1.143E-03
0 4   3.579E-06  -2.305E-05  -4.166E-04
5 0   2.321E-07   0.000E+00   0.000E+00
3 2  -1.428E-06   0.000E+00   0.000E+00
1 4  -4.629E-07   0.000E+00   0.000E+00
6 0  -2.066E-07   0.000E+00   0.000E+00
4 2   2.986E-07   0.000E+00   0.000E+00
2 4   1.797E-07   0.000E+00   0.000E+00
0 6  -1.927E-07   0.000E+00   0.000E+00
【００８１】
図１１は、実施例３の虚像表示装置の断面図である。また、図１２は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００の導光装置２０のうち第１プリズム１０は、屈折力を有しない第１面Ｓ１１と、屈折力を有しない第２面Ｓ１２と、正の屈折力を有する第３面Ｓ１３とを有する。ここで、第２面Ｓ１２は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第２面Ｓ１２は、第１面Ｓ１１から逆行する光線束（実際には第３面Ｓ１３からの光）に対して全反射面となっており、第３面Ｓ１３から逆行する光線束（実際には第２プリズム３０からの光）に対して透過面となっている。つまり、第２面Ｓ１２は、光路の折り曲げの機能と、光線束の入射に関する機能を兼ね備えている。第２プリズム３０は、屈折力を有しない第４面Ｓ１４と、屈折力を有しない第５面Ｓ１５と、正の屈折力を有する第６面Ｓ１６と、負の屈折力を有する第７面Ｓ１７とを有する。第７面Ｓ１７は、光入射面であり、第５面Ｓ１５は、光路の折り曲げの機能のみを担っている。つまり、実施例１等の第５面Ｓ１５において兼ねられていた機能が、実施例３では、第５面Ｓ１５と第７面Ｓ１７とに分離されていることになる。実施例３の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１０．０°で、垂直画角が５．８°で、映像表示素子の表示領域の大きさが２．８×１．６２ｍｍで、瞳径が３．０ｍｍで、焦点距離が約１６ｍｍである。
【００８２】
図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）及び図１４（Ａ）〜１４（Ｆ）は、実施例３の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１３（Ｃ）及び１３（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１３（Ｅ）及び１３（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１４（Ａ）及び１４（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１４（Ｃ）及び１４（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１４（Ｅ）及び１４（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００８３】
（実施例４）
実施例４の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表７に示す。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝３，５又は６）は、自由曲面である第３面Ｓ１３、第５面Ｓ１５又は第６面Ｓ１６を意味する。
〔表７〕
No  Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  EP      0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  15.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00   1.525   55.95 
4  FFS3   -5.416   0.000  20.155  -75.00   1.525   55.95 
5  FFS2    0.000   0.000  19.200  -50.00         
6  FFS4    0.000   0.000  19.400  -50.00   1.525   55.95 
7  FFS5   -0.027   0.000  24.677  -25.00   1.525   55.95 
8  FFS4    0.000   0.000  19.400  -50.00   1.525   55.95 
9  FFS6    3.912   0.000  18.538 -100.00         
10  PLANE   6.493   0.000  18.083 -100.00   1.458   67.82 
11  IMAGE   8.068   0.000  17.805 -100.00         
【００８４】
実施例４を構成する導光部材中の各光学面のうち、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表６に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面（ｋ＝３，５又は６）を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。
〔表８〕
m n     FFS3        FFS5        FFS6
2 0   3.518E-03  -1.277E-02   9.870E-02
0 2   7.823E-03  -9.797E-03   5.446E-02
3 0   1.192E-04  -7.418E-05   2.237E-03
1 2   1.338E-04   9.163E-05  -3.711E-03
4 0  -7.538E-05  -1.229E-04   3.411E-03
2 2  -1.385E-05  -2.201E-05   1.176E-03
0 4   6.954E-06   9.682E-06   1.825E-03
5 0   4.598E-06   0.000E+00   6.520E-04
3 2   1.416E-06   0.000E+00  -3.560E-04
1 4  -1.171E-06   0.000E+00  -3.270E-04
6 0  -9.077E-07   0.000E+00   3.574E-03
4 2  -6.167E-08   0.000E+00   1.680E-03
2 4  -1.826E-07   0.000E+00  -7.288E-04
0 6  -5.057E-07   0.000E+00  -1.053E-03
【００８５】
図１５は、実施例４の虚像表示装置の断面図である。また、図１６は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００の導光装置２０のうち第１プリズム１０は、屈折力を有しない第１面Ｓ１１と、屈折力を有しない第２面Ｓ１２と、正の屈折力を有する第３面Ｓ１３とを有する。ここで、第２面Ｓ１２は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第２面Ｓ１２は、第１面Ｓ１１から逆行する光線束（実際には第３面Ｓ１３からの光）に対して全反射面となっており、第３面Ｓ１３から逆行する光線束（実際には第２プリズム３０からの光）に対して透過面となっている。つまり、第２面Ｓ１２は、光路の折り曲げの機能と、光線束の入射に関する機能を兼ね備えている。なお、第２面Ｓ１２と第３面Ｓ１３とは連結面ＣＳを介して繋がっている。第２プリズム３０は、屈折力を有しない第４面Ｓ１４と、正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と、負の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。ここで、第４面Ｓ１４は、反射面及び透過面として機能している。具体的には、第４面Ｓ１４は、第１プリズム１０から逆行する光線束（実際には第５面Ｓ１５からの光）に対して透過面となっており、第５面Ｓ１５から逆行する光線束（実際には第６面Ｓ１６からの光）に対して全反射面となっている。つまり、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能と、光線束の射出に関する機能（光線束の出口すなわち光線束の射出面）を兼ね備えている。実施例４の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１０．０°で、垂直画角が５．８°で、映像表示素子の表示領域の大きさが２．８×１．６２ｍｍで、瞳径が３．０ｍｍで、焦点距離が約１６ｍｍである。
【００８６】
図１７（Ａ）〜１７（Ｆ）及び図１８（Ａ）〜１８（Ｆ）は、実施例４の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図１７（Ａ）及び１７（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１７（Ｃ）及び１７（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１７（Ｅ）及び１７（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に２．９°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１８（Ａ）及び１８（Ｂ）は、Ｘ方向に５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｃ）及び１８（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｅ）及び１８（Ｆ）は、Ｘ方向に−５．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００８７】
なお、本実施例において、第１プリズム１０の第３面Ｓ１３及び、第２プリズムの第６面Ｓ１６は、
１０−３  ＜    Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−１      及び
１０−３  ＜  −Ａ５０，２  −  Ａ５２，０  ＜  １０−１      …    （３）
１０−４  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２    及び
１０−４  ＜  ｜Ａ５２，０−Ａ５０，２｜  ＜  １０−２      …    （４）
の２条件を満足している。これらの２条件を満たすように第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６の形状を設定することによって、映像光ＧＬの双方の収差の補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。
【００８８】
以下の表９に、各実施例１〜４について、係数Ａｋｍ，ｎに関する値から条件式（１）〜（４）に関する数値データをまとめた。下記のデータより、例えば実施例１〜３は、条件式（１）及び（２）を満たし、実施例４は、条件式（３）及び（４）を満たしていることが分かる。
〔表９〕
2015106145.tif 000003
【００８９】
〔その他〕
【００９０】
以上各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。
上記の説明では、各実施例の中で、平面としている面（例えば、実施例１のＳ１１面、Ｓ１２面、Ｓ１４面、Ｓ１５面等）を曲面（形状は、球面でも、軸対称面曲面でも、非軸対称曲面でも良い）とすることができる。
【００９１】
上記の説明では、映像表示素子８２における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。
【００９２】
上記の説明では、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２を用いているが、画像表示装置８０としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置８０として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
【００９３】
上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置８０を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。
【００９４】
具体的には図１９に示すように、虚像表示装置１００は、導光装置２０と画像表示装置３８０とを備える。導光装置２０は、第１プリズム１０と第２プリズム３０とを組み合わせたものに相当するため、ここでは説明を省略する。画像表示装置３８０は、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光ＴＬとして射出する装置であり、信号光形成部３８１と走査光学系３８２とを有する。
【００９５】
信号光形成部３８１は、光源を備えており、不図示の制御回路からの制御信号に基づいて変調して形成した信号光ＬＬを射出する。走査光学系３８２は、信号光形成部３８１を経た信号光ＬＬを走査しつつ射出させる。ここで、走査光学系３８２は、ＭＥＭＳミラー等で構成され、信号光形成部３８１による信号光ＬＬの変調に同期させて姿勢を変化させて信号光ＬＬの光路を調整することで光線（走査光ＴＬ）の射出角度を縦横に変化させる２次元走査を行う。以上により、画像表示装置３８０は、映像光ＧＬとなるべき走査光ＴＬを導光装置２０に入射させる。
【００９６】
図示の虚像表示装置１００の動作について説明すると、画像表示装置３８０は、上述のようにして、信号光ＬＬを走査光ＴＬとして、導光装置２０の光入射面としての第３面Ｓ１３に向けて射出する。導光装置２０のうち第２プリズム３０は、光入射面としての第５面Ｓ１５を通過した走査光ＴＬを全反射等により内部で導光させ、第１プリズム１０に向けて射出する。さらに、第１プリズム１０は、光入射面としての第２面Ｓ１２を通過した走査光ＴＬを全反射等により内部で導光させる。この際、例えば第２面Ｓ１２のうち映像光の全反射面として機能する領域部分の面上において走査光ＴＬが走査されることで、走査光ＴＬの軌跡としての映像光ＧＬによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼ＥＹで捉えることで、画像が認識される。
【００９７】
上記の説明では、画像を片眼視する構成にしているが、左右一対の表示装置を備える構成とすることもできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ導光装置２０及び画像表示装置８０を設けてもよい。
【００９８】
上記の説明では、導光部材である第１プリズム１０及び第２プリズム３０の第２面Ｓ１２及び第５面Ｓ１５において、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置１００における全反射については、第２面Ｓ１２又は第５面Ｓ１５上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、上記第２面Ｓ１２又は第５面Ｓ１５の全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第２面Ｓ１２又は第５面Ｓ１５の全体又は一部がコートされていてもよい。
【００９９】
上記の説明では、導光部材である第１プリズム１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、導光部材は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。
【符号の説明】
【０１００】
ＡＸ１−ＡＸ６…光軸、  ＡＸＩ…入射側光軸、  ＡＸＯ…射出側光軸、  ＥＹ…眼、  ＧＬ…映像光、  Ｓ１１−Ｓ１７…第１−第７面、  ＳＬ…照明光、  ＳＲ…基準面（対称平面）、  １０…第１プリズム（第１導光部材）  １０ｓ…本体、  ３０…第２プリズム（第２導光部材）  ３０ｓ…本体、  ２０…導光装置、  ８０…画像表示装置、  ８１…照明装置、  ８２…映像表示素子（映像素子）、  ８４…駆動制御部、  １００…虚像表示装置、  ＯＩ…像面、  ＣＲ…クリアランス、  ３８１…信号光形成部、  ３８２…走査光学系
【図１】
2015106145.tif 000004
【図２】
2015106145.tif 000005
【図３】
2015106145.tif 000006
【図４】
2015106145.tif 000007
【図５】
2015106145.tif 000008
【図６】
2015106145.tif 000009
【図７】
2015106145.tif 000010
【図８】
2015106145.tif 000011
【図９】
2015106145.tif 000012
【図１０】
2015106145.tif 000013
【図１１】
2015106145.tif 000014
【図１２】
2015106145.tif 000015
【図１３】
2015106145.tif 000016
【図１４】
2015106145.tif 000017
【図１５】
2015106145.tif 000018
【図１６】
2015106145.tif 000019
【図１７】
2015106145.tif 000020
【図１８】
2015106145.tif 000021
【図１９】
2015106145.tif 000022