(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】虚像表示装置１００の光学系が、第１面位置における第１方向ＤＡ１の幅ＷＡｘ及び第２方向ＤＡ２の幅ＷＡｙと、これらにそれぞれ対応する第２面位置における第１方向ＤＢ１の幅ＷＢｘ及び第２方向ＤＢ２の幅ＷＢｙとについて、所定の条件式（１）及び（２）が成り立つような構成としている。これにより、自由曲面を有する導光部材１０を含むＨＭＤ用の光学系において、映像光ＧＬの導光を精密に制御し高い性能を維持しつつ眼ＥＹに向けて適切な状態で射出させることを可能にしている。【選択図】図５
2015072436.tif 000002
【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、
２面以上の非軸対称な曲面を含むとともに光学系の一部として内部に中間像が形成される導光部材とを備え、
前記導光部材を構成する複数面のうち第１面と第３面とは、対向するように配置され、
前記映像素子からの映像光は、前記第３面で全反射され、前記第１面で全反射され、第２面で反射された後、前記第１面を透過して、観察側に到達し、
前記映像素子の表示画面全体から発し、観察者の眼の瞳の位置として想定される瞳配置位置に到達する有効範囲内にある全光線束に対し、
前記映像素子の表示画面全体の範囲を示す領域の光線束断面のうち、長辺方向の全幅に対応する第１方向の長さが最小になる断面の面位置をＡ面位置とし、
前記映像素子の表示画面全体の範囲を示す領域の光線束断面のうち、短辺方向の全幅に対応する第２方向の長さが最小になる断面の面位置をＢ面位置として、
前記Ａ面位置における光線束の断面において、前記第１方向の幅をＷＡｘとし、前記第２方向の幅をＷＡｙとし、
前記Ｂ面位置における光線束の断面において、前記第１方向の幅をＷＢｘとし、前記第２方向の幅をＷＢｙとするとき、下記条件式（１）及び（２）
ＷＡｘ＜ＷＡｙ              …  （１）
ＷＢｙ＜ＷＢｘ              …  （２）
が成り立つ、虚像表示装置。
【請求項２】
前記導光部材の曲面上の１点において、直交する２つの方向にｘ軸及びｙ軸を取り、ｘ軸の方向の曲率をＫｘとし、ｙ軸の方向の曲率をＫｙとするとき、下記条件式（３）
０．００５＜｜Ｋｘ−Ｋｙ｜      …  （３）
を満たす点を有する曲面が少なくとも１面ある、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
観察者の瞳の直径として想定される長さである基準値をＨとするとき、
前記Ａ面位置における光線束の断面の幅ＷＡｘ及び幅ＷＡｙと、前記Ｂ面位置における光線束の断面の幅ＷＢｘ及び幅ＷＢｙとについて、下記条件式（４）及び（５）
ＷＡｘ＜Ｈ＜ＷＡｙ              …  （４）
ＷＢｙ＜Ｈ＜ＷＢｘ              …  （５）
が成り立つ、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】
前記導光部材は、映像光と外界光とを視認させ、
前記第１面と前記第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっている、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】
前記光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標ｘ及びｙに関して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、下記条件式（６）から（８）までを満足する、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。
−１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＋  Ａ１２，０  ＜  １０−２        及び
−１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−２    …  （６）
｜Ａ１２，０−Ａ１０，２｜  ＜  １０−１                          及び
｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−１                  …    （７）
｜Ａ１２，０−Ａ３２，０｜  ＜  １０−２                          及び
｜Ａ１０，２−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２                  …    （８）
【請求項６】
前記第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、前記第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記映像素子からの映像光を前記導光部材に入射させる投射レンズをさらに備え、
少なくとも前記導光部材の一部と前記投射レンズとは、中間像を形成するリレー光学系を構成する、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。
【請求項８】
前記投射レンズは、軸対称なレンズによって構成されており、少なくとも１面以上の非球面を含んでいる、請求項７に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記投射レンズは、少なくとも１面の非軸対称非球面を含んでいる、請求項７に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記導光部材を含む前記光学系は、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９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
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１０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１〜４参照）。
【０００３】
ＨＭＤ等の虚像表示装置については、映像光を広画角化することと、装置重量を低減することとが望まれている。特に、観察者の視軸方向の厚みを薄くし、重心を観察者に近づけることが、装着感を向上させるために重要である。
【０００４】
また、観察者の視界を全て覆ってしまい、映像光のみが見える状態にしてしまうと、観察者に外界の状態が判らず、不安を与えてしまう。さらに、外界と映像を重ねて見せることによって、仮想現実の様な新しい用途が生み出される。このため、外界の視界を妨げず、映像光を重ねて表示するディスプレイが望まれている。
【０００５】
さらに、観察者の装着感を向上させ、見た目のフォルムを良くするためには、映像表示装置を眼の上方に置かないで顔の横に配置することが、望ましくなる。
【０００６】
光学系を小型化し、なおかつ視界を妨げないように、映像表示装置を観察者の眼の位置から離すためには、表示画像光を一度光学系の中で結像させて中間像を形成し、この中間像を拡大して見せるリレー光学系を用いることがよい。
【０００７】
例えば特許文献１では、端面が放物面鏡になっている平行平面状の導光板と、投射レンズとを用い、導光板の内部に中間像を形成するリレー光学系が提案されている。しかし、特許文献１の光学系の場合、投射レンズが大きく、小型軽量化を妨げている。
【０００８】
特許文献２では、リレーレンズ光学系を用いることで、投射レンズを小型・軽量化した光学系が提案されている。しかし、この光学系では、観察者の眼の前に、大きなハーフミラーと凹面鏡が必要になり、外観を大きく損なっている。また、外界を観察するには、凹面鏡もハーフミラーにする必要があり、映像光は、ハーフミラーで２回反射され、さらにハーフミラーを透過するため、大変暗くなってしまう。
【０００９】
さらに、光学系を小さくするためには、光学系を通る光線束（光束）の幅を小さくすることが有効である。一方、観察者の瞳の位置における光線束幅が十分にないと、映像の視野が欠けたり、瞳孔間距離の違いによって観察できない人が生じたりしてしまう。この点を考慮して、特許文献３では、リレー光学系を構成し、その中間像の位置に拡散板を置き、光線を拡散させることによって、瞳における光線束幅を広げている。しかし、接眼レンズ系によって、拡散板の上の像を拡大しているので、拡散板上のゴミや傷なども拡大され、映像品質を損なってしまうおそれがある。
【００１０】
また、特許文献４では、接眼光学系と観察者の眼との間に、光線束を広げるために、プリズムアレイを挿入している。しかし、このプリズムアレイは、厚みが必要なため、接眼光学系と眼との距離が長くなり、光学系が大きくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許２７４６６９７号公報
【特許文献２】特許３３１１１２２号公報
【特許文献３】特許３５７３４７４号公報
【特許文献４】特開平８−１２９１４６号公報
【発明の概要】
【００１２】
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。
【００１３】
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、２面以上の非軸対称な曲面を含むとともに光学系の一部として内部に中間像が形成される導光部材とを備え、導光部材を構成する複数面のうち第１面と第３面とは、対向するように配置され、映像素子からの映像光は、第３面で全反射され、第１面で全反射され、第２面で反射された後、第１面を透過して、観察側に到達し、映像素子の表示画面全体から発し、観察者の眼の瞳の位置として想定される瞳配置位置に到達する有効範囲内にある全光線束に対し、映像素子の表示画面全体の範囲を示す領域の光線束断面のうち、長辺方向の全幅に対応する第１方向の長さが最小になる断面の面位置をＡ面位置（第１面位置）とし、映像素子の表示画面全体の範囲を示す領域の光線束断面のうち、短辺方向の全幅に対応する第２方向の長さが最小になる断面の面位置をＢ面位置（第２面位置）として、Ａ面位置における光線束の断面において、第１方向の幅をＷＡｘとし、第２方向の幅をＷＡｙとし、Ｂ面位置における光線束の断面において、第１方向の幅をＷＢｘとし、第２方向の幅をＷＢｙとするとき、下記条件式（１）及び（２）
ＷＡｘ＜ＷＡｙ              …  （１）
ＷＢｙ＜ＷＢｘ              …  （２）
が成り立つ。ここで、映像光とは、映像素子等によって形成され眼にとって虚像として認識可能な光であり、上記のように導光部材の内部において中間像を形成している。また、ここで、導光部材における２面以上の非軸対称な曲面とは、特定の面を指すものではなく、例えば、第１面や第３面は、非軸対称な曲面であっても良いし、平面である場合も想定され得る。
【００１４】
上記虚像表示装置では、光学系等によって導光部材の内部に中間像が形成されるとともに、第３面、第１面、及び第２面の順に反射された映像光が、第１面を透過して観察者に到達するので、導光部材を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。この場合、第２面にパワーを持たせ、中間像を形成しているのだが、この第２面が傾いているために必然的に、映像光に大きな非点収差が生じてしまう。本発明では、第４面、第５面等を非軸対称な形状をすることによって、この非点収差を総合的に補正している。その結果、射出瞳に相当する場所に対して共役な所に収差が生じ、第１方向の共役点と第２方向の共役点とに分かれ、Ａ面位置とＢ面位置とにおいて、光線束の幅に関し、上式（１）及び（２）が成り立つ状態となる。映像光の収差を補正するよう、適正に設定された第１面から第５面までの曲面形状により、広画角で高性能な画像の形成をし、かつ、小型で軽量な虚像表示装置を実現することができる。
【００１５】
本発明の具体的な側面では、導光部材の曲面上の１点において、直交する２つの方向にｘ軸及びｙ軸を取り、ｘ軸の方向の曲率をＫｘとし、ｙ軸の方向の曲率をＫｙとするとき、下記条件式（３）
０．００５＜｜Ｋｘ−Ｋｙ｜      …  （３）
を満たす点を有する曲面が少なくとも１面ある。この場合、上式（３）を満たす曲面が存在することで、小型で軽量な虚像表示装置としつつ、収差を補正することができる。
【００１６】
本発明の別の側面では、観察者の瞳の直径として想定される長さである基準値をＨとするとき、Ａ面位置における光線束の断面の幅ＷＡｘ及び幅ＷＡｙと、Ｂ面位置における光線束の断面の幅ＷＢｘ及び幅ＷＢｙとについて、下記条件式（４）及び（５）
ＷＡｘ＜Ｈ＜ＷＡｙ              …  （４）
ＷＢｙ＜Ｈ＜ＷＢｘ              …  （５）
が成り立つ。この場合、徒に導光部材を大きくしたり、光学系を構成するレンズのパワーを大きくしたりすることなく、光学性能を向上させることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、上記虚像表示装置において、光学系を構成する各面の原点を基準として、面形状の表現式を原点から接線方向に延びる直交座標ｘ及びｙに関して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、下記条件式（６）から（８）までを満足する。
−１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＋  Ａ１２，０  ＜  １０−２        及び
−１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−２    …  （６）
｜Ａ１２，０−Ａ１０，２｜  ＜  １０−１                          及び
｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−１                  …    （７）
｜Ａ１２，０−Ａ３２，０｜  ＜  １０−２                          及び
｜Ａ１０，２−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２                  …    （８）
なお、以上において、各面の直交座標ｘ及びｙを含むローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、光学系の一部である導光部材における各曲面について示した上記の場合と同様に定義される。
【００１８】
本願発明では、導光部材に非球面を使用し、この曲面形状の自由度を有効に使用して高画質の光学系を得ることに成功した。曲面の働きを基本的に特徴付けるのは、曲面の曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２（ｋ＝１，３）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。
【００１９】
条件（６）は、原点近傍における第１面の平均曲率と第３面の平均曲率との大きさを規定している。条件（１）の上限を超えると、第１面及び第３面が、観察者に対し凸形状になる為、全体的な形状が大きくなり、収差補正が困難になる。また、条件（６）の下限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、収差補正が難しくなるとともに、導光部材の位置が顔に近くなってしまい、装用感を損なってしまう。
【００２０】
条件（７）は、第１面及び第３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（８）の上限を超えると、第１面及び第３面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、収差補正が困難になる。
【００２１】
条件（７）は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に関する、第１面の曲率と第３面の曲率との差を規定しており、外光に対する導光部材の視度に影響を与える。導光部材の光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙについては、導光部材の厚さをＴ、屈折率をＮとすると、
Ｄｘ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１２，０−Ａ３２，０）+（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１２，０×Ａ３２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１０，２−Ａ３０，２）+（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１０，２×Ａ３０，２）
で与えられる。
一般に、遠方視度の誤差は、±１Ｄを超えると不愉快に感じるため、導光部材の視度は、±１Ｄの範囲に抑えることが望ましい。
【００２２】
第１面及び第３面を、条件（６）〜（８）を満たす形状とすることによって、外界光と映像光との双方の収差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。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する。この場合、第２面越しに観察する外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、映像素子からの映像光を導光部材に入射させる投射レンズをさらに備え、少なくとも導光部材の一部と投射レンズとが、中間像を形成するリレー光学系を構成する。
【００２５】
本発明のさらに別の側面では、投射レンズが、軸対称なレンズによって構成されており、少なくとも１面以上の非球面を含んでいる。
【００２６】
本発明のさらに別の側面では、投射レンズが、少なくとも１面の非軸対称非球面を含んでいる。
【００２７】
本発明のさらに別の側面では、導光部材を含む光学系が、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。
【００２８】
本発明のさらに別の側面では、映像素子が、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】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態である虚像表示装置の外観を簡単に説明する斜視図である。
【図２】（Ａ）は、虚像表示装置の外観斜視図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置からフレームや外装部材を取り除いた内部構造を示す斜視図である。
【図３】虚像表示装置のうち第１表示装置の構造を説明するため外装部材等を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図４】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５】（Ａ）は、映像表示素子の表示画面全体の領域を示す図であり、（Ｂ）は、眼の瞳の大きさに対する第１面位置での光線束断面形状について模式的に示す図であり、（Ｃ）は、眼の瞳の大きさに対する第２面位置での光線束断面形状について模式的に示す図であり、（Ｄ）は、眼の瞳について示す図である。
【図６】第１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７】実施例１の光学系を説明する図である。
【図８】（Ａ）は、実施例１の第１面位置での光線束断面形状について示す図であり、（Ｂ）は、実施例１の第２面位置での光線束断面形状について示す図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。
【図１１】実施例２の光学系を説明する図である。
【図１２】（Ａ）は、実施例２の第１面位置での光線束断面形状について示す図であり、（Ｂ）は、実施例２の第２面位置での光線束断面形状について示す図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。
【図１５】実施例３の光学系を説明する図である。
【図１６】（Ａ）は、実施例３の第１面位置での光線束断面形状について示す図であり、（Ｂ）は、実施例３の第２面位置での光線束断面形状について示す図である。
【図１７】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。
【図１９】実施例４の光学系を説明する図である。
【図２０】（Ａ）は、実施例４の第１面位置での光線束断面形状について示す図であり、（Ｂ）は、実施例４の第２面位置での光線束断面形状について示す図である。
【図２１】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。
【図２２】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。
【図２３】実施例５の光学系を説明する図である。
【図２４】（Ａ）は、実施例５の第１面位置での光線束断面形状について示す図であり、（Ｂ）は、実施例５の第２面位置での光線束断面形状について示す図である。
【図２５】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例５の光学系の収差を説明する図である。
【図２６】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例５の光学系の収差を説明する図である。
【図２７】虚像表示装置の一実施例について光学系の各面を示す斜視図である。
【図２８】変形例の虚像表示装置を説明する図である。
【図２９】（Ａ）は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の別の一例について説明する斜視図であり、（Ｂ）は、正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図１等を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置の一実施形態について詳細に説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂと、両光学部材１０１ａ，１０１ｂを支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方のつる部分（テンプル）１０４にかけての部分に付加された第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、図面上で左側の第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
【００３２】
図２（Ａ）は、虚像表示装置１００の表側の外観を説明する斜視図であり、図２（Ｂ）は、虚像表示装置１００を部分的に分解した表側の斜視図である。
【００３３】
図示のように、虚像表示装置１００に設けた枠部１０２は、上側に配置されるフレーム１０７と下側に配置されるプロテクター１０８とを備える。枠部１０２のうち、図２（Ａ）に示す上側のフレーム１０７は、ＸＺ面内でＵ字状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、左右の横方向（Ｘ方向）に延びる正面部１０７ａと、前後の奥行き方向（Ｚ方向）に延びる一対の側面部１０７ｂ，１０７ｃとを備える。フレーム１０７、すなわち正面部１０７ａと側面部１０７ｂ，１０７ｃとは、アルミダイカストその他の各種金属材料で形成された金属製の一体部品である。正面部１０７ａの奥行き方向（Ｚ方向）の幅は、第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂに対応する導光装置２０の厚み又は幅よりも十分に厚いものとなっている。フレーム１０７の左側方、具体的には正面部１０７ａにおける向かって左端部から側面部１０７ｂにかけての部分である側方端部６５ａには、第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとがアライメントされネジ止めによって直接固定されることにより、支持されている。また、フレーム１０７の右側方、具体的には正面部１０７ａにおける向かって右端部から側面部１０７ｃにかけての部分である側方端部６５ｂには、第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとがアライメントされネジ止めにより直接固定されることによって、支持されている。なお、第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとは、嵌合によって互いにアライメントされ、第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとは、嵌合によって互いにアライメントされる。
【００３４】
図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すプロテクター１０８は、アンダーリム状の部材であり、図２（Ａ）に示すフレーム１０７の下方に配置されて固定されている。プロテクター１０８の中央部１０８ｇは、フレーム１０７の中央部１０７ｇに嵌合及びネジ止めによって固定される。プロテクター１０８は、２段のクランク状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、金属材料又は樹脂材料から一体的に形成されている。プロテクター１０８の第１先端部１０８ｉは、第１像形成本体部１０５ａを覆うカバー状の外装部材１０５ｄのうち外部材１０５ｅに設けた凹部１０５ｉに嵌合した状態で固定される。また、プロテクター１０８の第２先端部１０８ｊは、第２像形成本体部１０５ｂを覆うカバー状の外装部材１０５ｄのうち外部材１０５ｅに設けた凹部１０５ｊに嵌合した状態で固定される。
【００３５】
フレーム１０７は、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂを支持するだけでなく、外装部材１０５ｄと協働して第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂの内部を保護する役割を有する。なお、フレーム１０７及びプロテクター１０８は、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂに連結される根元側を除いた導光装置２０の長円状の周囲部分と離間するか又は緩く接している。このため、中央の導光装置２０と、フレーム１０７及びプロテクター１０８を含む枠部１０２との間に熱膨張率の差があっても、枠部１０２内での導光装置２０の膨張が許容され、導光装置２０に歪み、変形、破損が生じることを防止できる。
【００３６】
フレーム１０７に付随して、鼻受部４０が設けられている。鼻受部４０は、観察者の鼻に当接することによって枠部１０２を支持する役割を有する。つまり、枠部１０２は、鼻に支持される鼻受部４０と耳に支持される一対のテンプル部１０４とによって、観察者の顔前に配置されることになる。鼻受部４０は、枠部１０２を構成する一方のフレーム１０７の正面部１０７ａの中央部１０７ｇにおいて、枠部１０２を構成する他方のプロテクター１０８の中央部１０８ｇに挟まれるようにして、ねじ止めによって固定されている。
【００３７】
図３に示すように、第１表示装置１００Ａは、投影用の光学系である投射透視装置７０と、映像光を形成する画像表示装置８０とを備えると見ることができる。投射透視装置７０は、第１像形成本体部１０５ａによって形成された画像を虚像として観察者の眼に投射する役割を有する。投射透視装置７０は、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０と、結像用の投射レンズ３０とを備える。つまり、第１光学部材１０１ａ又は導光装置２０は、導光部材１０と光透過部材５０とで構成され、第１像形成本体部１０５ａは、画像表示装置８０と投射レンズ３０とで構成される。
【００３８】
以下、図３及び図４等を参照して、第１像形成本体部１０５ａを構成する画像表示装置８０と投射レンズ３０とについて説明する。
【００３９】
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。
【００４０】
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、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。なお、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。
【００４１】
投射レンズ３０は、構成要素として３つの光学素子３１〜３３を備える投射光学系であり、これらの光学素子３１〜３３を収納して支持する鏡筒３９を含む。光学素子３１〜３３は、例えば軸対称な非球面レンズであり、導光部材１０の一部と協働して導光部材１０の内部に映像表示素子８２の表示像に対応する中間像を形成する。鏡筒３９は、前端側に矩形枠状の係合部材３９ａを有する。係合部材３９ａは、導光部材１０の第２導光部分１２側の先端部と嵌合することで、鏡筒３９に対する導光部材１０の位置決めを可能にしている。
【００４２】
以下、図４を参照して、投射透視装置７０等の機能、動作等の詳細について説明する。投射透視装置７０のうち、プリズム型の導光装置２０の一部である導光部材１０は、平面視において顔面に沿うように例えば湾曲した円弧状の部材である。導光部材１０のうち、第１導光部分１１は、鼻に近い中央側つまり光射出側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、第２導光部分１２は、鼻から離れた周辺側つまり光入射側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第４面Ｓ１４と、第５面Ｓ１５とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが連続的に隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが連続的に隣接する。また、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置され、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とは大きな角度を成して隣接している。
【００４３】
導光部材１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯをローカルｚ軸とする自由曲面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面（図示の断面）に含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１をローカルｚ軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、射出側光軸ＡＸＯをローカルｚ軸とする自由曲面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な上記基準面に含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ３，ＡＸ４の２等分線に平行な光軸をローカルｚ軸とする自由曲面であり、第５面Ｓ１５は、ＸＺ面に平行な上記基準面に含まれるとともにＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線に平行な光軸をローカルｚ軸とする自由曲面である。光軸ＡＸ５の第５面Ｓ１５側の延長上には、入射側光軸ＡＸＩが配置されている。なお、以上の第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ５等が通る基準面（図示の断面）を挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して対称な形状を有している。
【００４４】
ここでは、特に、導光部材１０を構成する複数の面のうち、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３までの面以外の面であって、少なくとも１つの自由曲面について、方向によって曲率の符号が異なっている点を少なくとも１つ含むものとなっている。これにより、映像光の導光を精密に制御しつつ、導光部材１０の小型化を可能にしている。なお、詳しくは実施例において後述するが、図示の場合では、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３までの面よりも画像表示装置８０側すなわち映像表示素子（映像素子）８２側にある第４面Ｓ１４が、原点において、方向によって曲率の符号が異なる曲面形状となっている。以下、方向によって曲率の符号が異なっている点（第４面Ｓ１４の原点）を曲率異符号点Ｐ１（図６参照）と呼び、曲率異符号点Ｐ１を含む曲面（第４面Ｓ１４）を曲率異符号曲面と呼ぶ。
【００４５】
導光部材１０のうち本体１０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、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。本体１０ｓは、一体形成品とされているが、導光部材１０は、既に説明したように機能的に第１導光部分１１と第２導光部分１２とに分けて考えることができる。第１導光部分１１は、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。第２導光部分１２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。
【００４６】
第１導光部分１１において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１導光部分１１外に射出させる屈折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。第１面Ｓ１１は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、例えば観察者に対し凹面形状を成している。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。
【００４７】
第２面Ｓ１２は、本体１０ｓの表面であり、当該表面にハーフミラー層１５が付随している。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）である。ハーフミラー層（半透過反射膜）１５は、第２面Ｓ１２の全体ではなく、第２面Ｓ１２を主にＹ軸に沿った鉛直方向に関して狭めた部分領域ＰＡ上に形成されている（図３参照）。ハーフミラー層１５は、本体１０ｓの下地面のうち部分領域ＰＡ上に、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＨＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。
【００４８】
第３面Ｓ１３は、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。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に例えば観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が略０になっている。なお、第３面Ｓ１３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。
【００４９】
第２導光部分１２において、第４面Ｓ１４は、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。第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを第２導光部分１２内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第４面Ｓ１４は、外部から導光部材１０に映像光ＧＬを入射させる光入射面と、導光部材１０の内部において映像光ＧＬを伝搬させる反射面としての機能を兼用している。なお、第４面Ｓ１４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。
【００５０】
第２導光部分１２において、第５面Ｓ１５は、既述のように、本体１０ｓの表面上に無機材料で形成される光反射膜ＲＭを成膜することで形成され、反射面として機能する。
【００５１】
光透過部材５０は、既述のように導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっている。光透過部材５０は、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）であり、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。第１透過面Ｓ５１は、導光部材１０の第１面Ｓ１１を延長した曲面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、当該第２面Ｓ１２に対して接着層ＣＣによって接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、導光部材１０の第３面Ｓ１３を延長した曲面上にある。このうち第２透過面Ｓ５２と導光部材１０の第２面Ｓ１２とは、薄い接着層ＣＣを介しての接合によって一体化されるため、略同じ曲率の形状を有する。
【００５２】
光透過部材（補助光学ブロック）５０は、可視域で高い光透過性を示し、光透過部材５０の本体部分は、導光部材１０の本体１０ｓと略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。なお、光透過部材５０は、本体部分を導光部材１０の本体１０ｓに接合した後、接合された状態で本体１０ｓとともにハードコートによる成膜がなされて形成されるものである。つまり、光透過部材５０は、導光部材１０と同様、本体部分の表面にハードコート層２７が施されたものとなっている。第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３とは、本体部分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。
【００５３】
以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等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、投射レンズ３０によって収束されつつ、導光部材１０に設けた正の屈折力を有する第４面Ｓ１４に入射する。
【００５４】
導光部材１０の第４面Ｓ１４を通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第２導光部分１２を経由する際に、比較的弱い負の屈折力を有する第５面Ｓ１５で反射され、第４面Ｓ１４に内側から再度入射して反射される。
【００５５】
第２導光部分１２の第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第１導光部分１１において、図示の例では比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３に入射して全反射され、図示の例では比較的弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１に入射して全反射される。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３を通過する前後において、導光部材１０中に中間像を形成する。この中間像の像面ＩＩは、映像表示素子８２の像面ＯＩに対応するものである。
【００５６】
第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して図示の例では負の屈折力を有するものとして作用する。
【００５７】
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。
【００５８】
一方、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第１導光部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、導光部材１０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、つまり、光透過部材５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光部材１０の第２面Ｓ１２と光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層ＣＣで充填されている。つまり、導光部材１０の第２面Ｓ１２や光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。
【００５９】
ただし、ハーフミラー層１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層１５の透過率に弱められる。その一方で、ハーフミラー層１５に対応する方向からは、映像光ＧＬが入射するので、観察者は、ハーフミラー層１５の方向に映像表示素子（映像素子）８２上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。
【００６０】
導光部材１０内で伝搬されて第２面Ｓ１２に入射した映像光ＧＬのうち、ハーフミラー層１５で反射されなかったものは、光透過部材５０内に入射するが、光透過部材５０に設けた不図示の反射防止部によって導光部材１０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ１２を通過した映像光ＧＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材５０側から入射してハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬは、光透過部材５０に戻されるが、光透過部材５０に設けた上述の不図示の反射防止部によって導光部材１０に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。
【００６１】
以上のように、例えば第４面Ｓ１４のような斜入射を前提とし曲率異符号点Ｐ１を含む曲率異符号曲面を有する面を含む構成とすることによって、導光部材１０のサイズが大きくなることを抑制しつつ、光学系全体としての映像光ＧＬの導光を精密に制御し高い性能を維持することが可能となる。しかし、第４面Ｓ１４のように横方向（第１方向）と縦方向（第２方向）とで曲率が異なる非軸対称な自由曲面を含む光学系で構成した場合、方向によって光線束の収束の度合に違いが生じ、いわば非点収差を制御しつつ虚像を形成していることにもなる。これに対して、本実施形態に係る虚像表示装置１００を構成する光学系は、図４に示す映像表示素子８２の像面ＯＩの位置から中間像の像面ＩＩまでの間において、有効範囲内にある映像光ＧＬの全光線束の光線束断面形状について、縦長になっている位置と横長とになっている位置とが存在するような構成としている。これにより、収差抑制のために方向によって曲率の異なる曲面を有する導光部材１０を経た映像光ＧＬが、観察者の眼ＥＹに射出される際には的確な状態となり、良好な画像を視認させることが可能になっている。ここで、投射レンズ３０は、軸対称な光学系であるが、導光部材１０は、非軸対称な光学系であるため、投射レンズ３０と導光部材１０の一部とを、像面ＯＩの位置から像面ＩＩの位置までを構成する１つの光学系として捉えた場合、全体として非軸対称な光学系になっていることになる。従って、像面ＯＩから像面ＩＩまでの間においての光学系が、軸対称な光学系部分を含めて上述した非点収差の影響について考慮された構成となっていることが重要となる。
【００６２】
以下、図４及び図５を参照して、像面ＯＩから像面ＩＩにかけての虚像表示装置１００の光学系における映像光ＧＬの光線束の断面形状について詳しく説明する。
【００６３】
まず、図４において、映像表示素子８２の像面ＯＩにおいて、眼ＥＹの位置として想定される瞳配置位置ＩＥに到達する有効範囲内にある映像光ＧＬの全光線束による表示画面全体は、図５（Ａ）に示すように、横長の領域となっている。ここでは、横長の領域で示される像面ＯＩにおいて、長辺Ｗｘが延びる方向を長辺方向Ｓ１とし、短辺Ｗｙが延びる方向を短辺方向Ｓ２とする。言い換えると、図示において、長辺Ｗｘは、長辺方向Ｓ１についての像面ＯＩの全幅を示し、短辺Ｗｙは、短辺方向Ｓ２についての像面ＯＩの全幅を示している。なお、長辺方向Ｓ１は、図４におけるＸＺ面に平行な方向であり、短辺方向Ｓ２は、図４におけるＹＺ面に平行な方向である。
【００６４】
ここで、図４において、第１面位置Ａは、有効範囲内にある映像光ＧＬの光線束断面について、像面ＯＩの長辺方向Ｓ１に対応する第１方向の幅が最小になる位置（Ａ面位置）であり、第２面位置Ｂは、有効範囲内にある映像光ＧＬの光線束断面について、短辺方向Ｓ２に対応する第２方向の幅が最小になる位置（Ｂ面位置）である。本実施形態では、位置Ａにおける光線束の断面と位置Ｂにおける光線束の断面とで、縦横比が異なる形状となっている。なお、図示の場合では、位置Ａが相対的に中間像の像面ＩＩに近い側にあり、位置Ｂが相対的に映像表示素子８２の像面ＯＩに近い側にあるものとなっている。
【００６５】
まず、図５（Ｂ）に示すように、位置Ａにおいて、有効範囲内にある映像光ＧＬの全光線束の光線束断面形状は、縦長の領域となっている。より具体的には、位置Ａの光線束の光線束断面ＡＩにおいて、図５（Ａ）の長辺方向Ｓ１に対応する第１方向ＤＡ１の幅をＷＡｘとし、図５（Ａ）の短辺方向Ｓ２に対応する第２方向ＤＡ２の幅をＷＡｙとすると、
ＷＡｘ＜ＷＡｙ              …  （１）
が成り立っている。なお、位置Ａの規定の仕方より、幅ＷＡｘは、光路上における映像光ＧＬの光線束断面のうち長辺方向Ｓ１の全幅であるＷｘ（図５（Ａ）参照）に対応する長さとして最小のものとなっている。
【００６６】
一方、図５（Ｃ）に示すように、位置Ｂにおいて、有効範囲内にある映像光ＧＬの全光線束の光線束断面形状は、横長の領域となっている。より具体的には、位置Ｂの光線束の光線束断面ＢＩにおいて、図５（Ａ）の長辺方向Ｓ１に対応する第１方向ＤＢ１の幅をＷＢｘとし、図５（Ａ）の短辺方向Ｓ２に対応する第２方向ＤＢ２の幅をＷＢｙとすると、
ＷＢｙ＜ＷＢｘ              …  （２）
が成り立っている。なお、位置Ｂの規定の仕方より、幅ＷＢｙは、光路上における映像光ＧＬの光線束断面のうち短辺方向Ｓ２の全幅であるＷｙ（図５（Ａ）参照）に対応する長さとして最小のものとなっている。
【００６７】
上式（１）及び（２）に示すように、本実施形態の場合、映像表示素子８２の像面ＯＩに近い側の位置Ｂでは、光線束断面ＢＩの形状が、像面ＯＩの形状と同じく横長となっているのに対して、中間像の像面ＩＩに近い側の位置Ａでは、光線束断面ＡＩの形状が、像面ＯＩの形状とは異なり縦長となっている。言い換えると、像面ＯＩから像面ＩＩまでの間の位置において、長辺方向Ｓ１に対応する方向と短辺方向Ｓ２に対応する方向とに関して、全体の光線束における全幅の比率の大小が入れ替わっている箇所が存在している。
【００６８】
上記のように、例えば導光部材１０を構成する自由曲面の曲率が、縦方向と横方向とで異なっており、また、これらの面に対し、映像光の成分が斜めに入射して反射するような構成の場合、非点収差が発生することに相当する。仮に、瞳の非点収差が発生しない状況にあるとすれば、上記の第１面位置Ａと第２面位置Ｂとが一致する、すなわち第１方向の幅が最小になる位置と第２方向の幅が最小になる位置とは略同一の位置となる。このような場合、例えば当該略同一の位置において略円形の光線束断面が形成されることになる。しかし、このような非軸対称な面を有さない光学系によって、小型軽量にするといった形状的制限の下にあり、かつ、斜め方向から入射する光を反射させる必要があるといった状況下でのＨＭＤの構成において、広画角・高性能なものを実現することは非常に難しい。これに対して、本実施形態では、上記のような非軸対称な光学系を用いて光線束の制御を行うことで、形状的制限がある等の状況下にあっても広画角・高性能な画像を形成させることを可能とし、この際に、非軸対称な光学系の使用に伴う非点収差の発生を加味して、上式（１）及び（２）に示すように位置Ａと位置Ｂとにおいて、光線束断面の形状が異なったものになる構成としている。以上により、本実施形態の虚像表示装置１００では、光学系全体として、小型でありながら収差を抑制した画像を眼に向けて射出することを可能にしている。
【００６９】
また、上記構成の場合、中間像の像面ＩＩの位置に関して、第１方向（横方向）についての結像位置は、第２方向（縦方向）についての結像位置よりも光路下流側、すなわち観察者の眼ＥＹが配置されるべき瞳配置位置ＩＥに近い側となる。
【００７０】
さらに、ここでは、図５（Ｄ）に示す眼ＥＹの瞳ＰＵの直径の大きさについての基準値Ｈに対して、図５（Ｂ）及び５（Ｃ）に示すように、
ＷＡｘ＜Ｈ＜ＷＡｙ              …  （４）
ＷＢｙ＜Ｈ＜ＷＢｘ              …  （５）
が成り立つものとしている。
【００７１】
なお、図５（Ｄ）に例示する眼ＥＹの瞳ＰＵの大きさ、すなわち瞳孔径は、通常、２ｍｍから７ｍｍ程度の間で変化する。ここでは、平均的な瞳孔径を取り、瞳ＰＵの大きさの基準値Ｈを５ｍｍとする。なお、基準値Ｈについては、虚像表示装置１００全体の光学系の構成や瞳の位置が動くことを配慮して、例えば瞳ＰＵの大きさの１倍から２倍程度の範囲で適宜定めることができる。瞳ＰＵの大きさを基準とすることで、徒に導光部材を大きくしたり、光学系を構成するレンズのパワーを大きくしたりすることなく、光学性能を向上させることができる。
【００７２】
図６は、導光部材１０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ４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、投射レンズ３０と導光部材１０と順次通り、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、導光部材１０に入り、投射レンズ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。なお、導光部材１０に接合されて一体として使用される光透過部材５０については、導光部材１０の形状を延長したものであり、説明を省略している。
【００７３】
図示の導光部材１０において、第１面Ｓ１１の光軸は、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。
【００７４】
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方向は、射出側光軸ＡＸＯと、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光線束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。
【００７５】
第３面Ｓ１３の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第３面Ｓ１３のローカル座標は、全体座標と並進関係にあって、第３面Ｓ１３の延長面すなわち第３透過面Ｓ５３上に原点を有する。
【００７６】
以上により、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光線束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光線束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ１１上の光線束中心（光軸ＡＸ１，ＡＸ２の交点）における第１面Ｓ１１の法線方向と一致している。また、第１面Ｓ１１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から第４面Ｓ１４に向けての光線束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ１３上の光線束中心（光軸ＡＸ２，ＡＸ３の交点）における第３面Ｓ１３の法線方向と一致している。
【００７７】
第３面Ｓ１３から次の第４面Ｓ１４に向かう光路において、そのローカル座標は、進行方向（光線の逆進方向）に対応するものとなっている。つまり、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４にかけてのローカル座標のｚ方向は、光線束中心の光軸ＡＸ３と一致しており、このローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。
【００７８】
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、すなわち第４面Ｓ１４の光軸は、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光線束中心の光軸ＡＸ３と、第４面Ｓ１４から第５面Ｓ１５に向けての光線束中心の光軸ＡＸ４との２等分線となっている。
【００７９】
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４面Ｓ１４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。
【００８０】
導光部材１０の第１面Ｓ１１の形状は、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ１ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝    …      （９）
ここで、Ａ１ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
ｍ，ｎは、０以上の整数
で表される。
【００８１】
導光部材１０の第２面Ｓ１２の形状は、第２面Ｓ１２のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ２ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （１０）
ここで、Ａ２ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００８２】
導光部材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）｝      …    （１１）
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。
【００８３】
本実施形態において、導光部材１０の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、
−１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＋  Ａ１２，０  ＜  １０−２        及び
−１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  １０−２    …  （６）
｜Ａ１２，０−Ａ１０，２｜  ＜  １０−１                          及び
｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−１                  …    （７）
｜Ａ１２，０−Ａ３２，０｜  ＜  １０−２                          及び
｜Ａ１０，２−Ａ３０，２｜  ＜  １０−２                  …    （８）
の３条件を満足している。これらの３条件を満たすように第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３の形状を設定することによって、外界光ＨＬと映像光ＧＬとの双方の収差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。
【００８４】
導光部材１０の第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔は５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。また、第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角が２０°以上４０°以下となっている。
【００８５】
なお、導光部材１０の第４面Ｓ１４又は第５面Ｓ１５は、光路の調整や収差のより精密な補正のために設けられたものである。
【００８６】
導光部材１０の第４面Ｓ１４の形状は、第４面Ｓ１４のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ４ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （１２）
ここで、Ａ４ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００８７】
導光部材１０の第５面Ｓ１５の形状は、第５面Ｓ１５のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ５ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （１３）
ここで、Ａ５ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００８８】
本実施形態では、上式（１２）及び（１３）で表される第４面Ｓ１４や第５面Ｓ１５の曲面形状が、方向によって曲率が異なる非軸対称点を少なくとも１つ含むものとなっている。より詳しくはある曲面上の１点において、直交する２つの方向のうちの一方向である直交座標ｘの方向（ｘ方向）の曲率をＫｘとし、当該直交する２つの方向のうちの他方向である直交座標ｙの方向（ｙ方向）の曲率をＫｙとするとき、
０．００５＜｜Ｋｘ−Ｋｙ｜      …  （３）
を満たす非対称性を有している。上記（１）及び（２）に加え、上式（３）を満たす曲面を有することにより、光を制御して、虚像表示装置１００を小型で軽量なものとしつつ、収差を補正することができるようにすることができる。
【００８９】
本実施形態の虚像表示装置１００のように、眼の並ぶ横方向（特定方向）に偏って延びる光学系の場合、当該横方向とこれに直交する縦方向とでは、結像条件等が大きく異なる。これに対して、本実施形態では、導光部材１０のうち、少なくとも第４面Ｓ１４や第５面Ｓ１５が、第１面Ｓ１１等と同様にそれぞれ映像光ＧＬを反射する或いは透過させるといった導光に寄与する主要面（主面）のうちの１つであり、かつ、上記のように眼の並ぶ横方向に対応するｘ方向（第１方向Ｄ１）とこれに直交する縦方向に対応するｙ方向（第２方向Ｄ２）とによって曲率が異なっている非軸対称曲面となっている。さらに、虚像表示装置１００の光学系は、第１面位置Ａにおける第１方向ＤＡ１の幅ＷＡｘ及び第２方向ＤＡ２の幅ＷＡｙと、これらにそれぞれ対応する第２面位置Ｂにおける第１方向ＤＢ１の幅ＷＢｘ及び第２方向ＤＢ２の幅ＷＢｙとについて、上式（１）及び上式（２）が成り立つように光線束を制御している。これにより、小型で広画角なＨＭＤの作製を可能としつつ収差の発生を抑制するために、例えば上記第４面Ｓ１４のように方向により曲率の異なる非対称面となるような自由曲面を有する導光部材１０を含む光学系において、映像光ＧＬの導光を精密に制御し高い性能を維持しつつ眼ＥＹに向けて適切な状態で射出させることを可能にしている。
【００９０】
なお、本実施形態の虚像表示装置１００では、投射レンズ３０等によって導光部材１０の内部に中間像が形成されるとともに、第３面Ｓ１３、第１面Ｓ１１、及び第２面Ｓ１２の順に２面以上で全反射された映像光ＧＬが、第１面Ｓ１１を透過して観察者の眼ＥＹに到達するので、導光部材１０を薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにしつつ、広画角で明るい高性能の表示を実現することができる。また、外界光ＨＬについては、例えば第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて観察することができ、その際の視度を略０とするので、シースルーで外界光ＨＬを観察する際の外界光ＨＬのデフォーカスや歪みを低減できる。また、導光部材１０の形状を、観察者の顔に沿う形とでき、重心も顔に近く、デザインにも優れたものとできる。
【００９１】
〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる投射透視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。
ＳＰＨ    ：瞳
ＦＦＳｋ  ：自由曲面（導光部材中のｋ＝面番号）
ＡＳＰｋ  ：軸対称非球面（投射光学系中のｋ＝面番号）
ＳＰＨ    ：球面又は平面（保護ガラス表面）
Ｒ        ：曲率半径
Ｔ        ：軸上面間隔
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
ＴＬＹ    ：特定面の横断面（ＸＺ断面）における光軸の傾斜角度（°）
（ＴＬＹについては、特定面の前後で変化する場合がある）
ＤＣＸ    ：特定面の横断面（ＸＺ断面）におけるＸ軸方向の光軸のズレ量
【００９２】
（実施例１）
実施例１の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表１に示す。なお、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、また、ＡＳＰ１は、投射レンズの第１レンズの射出面を意味し、ＡＳＰ２は、第１レンズの入射面を意味する。
〔表１〕
No    Type          R          T          Nd          Vd
1    SPH          ∞        20.00
2    FFS1         −         5.50        1.525      55.95
3    FFS2         −        -5.50        1.525      55.95
4    FFS1         −        10.00        1.525      55.95
5    FFS3         −       -20.00        1.525      55.95
6    FFS4         −        10.00        1.525      55.95
7    FFS5         −       -10.00        1.525      55.95
8    FFS4         −        -0.50 
9    ASP1        -6.137     -6.00        1.525      55.95
10    ASP2         6.711     -0.50
11    ASP3         6.613     -1.20        1.585      29.90
12    ASP4       -17.825     -6.00
13    ASP5        -7.024     -6.00        1.525      55.95
14    ASP6        32.129     -3.91
15    SPH          ∞        -1.60        1.458      67.82
16    像面
【００９３】
実施例１を構成する導光部材中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸを以下の表２に示す。なお、第４面Ｓ１４に関しては、２度目の通過における角度の傾斜を考慮している。
〔表２〕
No   Type      TLY（面前）  DCX（面後）  TLY（面後）
2    FFS1        0            0            0
3    FFS2      -28            0           28
4    FFS1        0            0            0
5    FFS3        0           23.17       -44.19
6    FFS4       53            0           53
7    FFS5      -35            0          -35
8    FFS4        0           10          -17.78
【００９４】
実施例１を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面の多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表３に示す。なお、表３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＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。なお、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。
〔表３〕
m  n          FFS1          FFS2          FFS3          FFS4          FFS5
2  0       -6.070E-03    -1.115E-02    -5.518E-03     7.456E-03     7.176E-03
0  2       -6.428E-03    -1.033E-02    -5.843E-03    -1.928E-02    -1.403E-02
3  0        0.000E+00     1.034E-04     0.000E+00     2.404E-04     1.204E-03
1  2       -2.437E-04    -8.469E-05    -2.014E-04     7.842E-04     2.030E-04
4  0        8.234E-07    -3.110E-06     6.185E-07     1.602E-05     1.512E-04
2  2       -1.084E-05     7.972E-06    -8.142E-06     9.630E-05     2.067E-05
0  4        3.564E-05     1.023E-05     2.678E-05    -1.340E-04    -2.956E-05
5  0        5.154E-08    -3.707E-08     3.520E-08    -5.360E-07     1.381E-05
3  2        1.671E-06    -1.035E-07     1.141E-06    -3.882E-06     2.044E-05
1  4        0.000E+00    -5.741E-07     0.000E+00     4.412E-05     4.589E-06
6  0       -7.659E-10     2.404E-08    -4.755E-10    -6.913E-09    -1.274E-06
4  2       -3.089E-08    -3.373E-09    -1.918E-08    -6.764E-07    -5.177E-07
2  4        4.831E-08     7.923E-08     3.000E-08    -8.697E-06    -1.726E-06
0  6       -5.048E-07    -1.852E-07    -3.134E-07     5.804E-05     3.361E-06
以上の表３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「−６．０７０Ｅ−０３」とは、−６．０７０×１０−０３を意味する。
【００９５】
実施例１の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表４に示す。
〔表４〕
ASP1        ASP2        ASP3        ASP4        ASP5        ASP6
K         0           0           0           0           0           0
B4   1.969E-04  -2.830E-03  -2.165E-03   4.007E-04   7.860E-04  -7.467E-05
B6   5.824E-06   1.443E-04   7.601E-05  -1.350E-04  -1.371E-05   9.941E-07
B8   3.833E-07  -4.093E-06  -4.139E-06   7.564E-07   2.842E-07  -2.326E-07
以上の表４において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定するための係数を示している。非球面は、以下の多項式（非球面式）によって特定される。
2015072436.tif 000003
ここで、Ｒは各面の曲率半径であり、ｈは光軸からの高さであり、Ｋは対象レンズ面の円錐係数であり、Ｂｉ（ｉ＝４，６，８，…）は対象レンズ面の高次非球面係数である。
【００９６】
図７は、実施例１の投射透視装置７０の断面図である。ただし、光線束については、基準面ＳＲ上だけでなく、基準面ＳＲからＹ方向に外れたものも示している。投射透視装置７０のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的強い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的弱い負の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。ここで、第４面Ｓ１４は、反射面及び屈折面として機能している。具体的には、第４面Ｓ１４は、第３面Ｓ１３から逆行する光線束（実際には第５面Ｓ１５からの光）に対して全反射面となっており、第５面Ｓ１５から逆行する光線束（実際には投射レンズ３０からの光）に対して透過面となっている。つまり、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能と、光線束の収束に関する機能を兼ね備えている。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。
【００９７】
なお、図８（Ａ）は、実施例１の第１面位置Ａでの光線束断面ＡＩの形状について示す図であり、８（Ｂ）は、実施例１の第２面位置Ｂでの光線束断面ＢＩの形状について示す図である。図示のように、光線束断面ＡＩの形状は、上式（１）を満たす縦長の形状となっており、光線束断面ＢＩの形状は、上式（２）を満たす横長の形状となっている。
【００９８】
図９（Ａ）〜９（Ｆ）及び図１０（Ａ）〜１０（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９（Ａ）及び９（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°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５．７°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−１０°でＹ方向に５．７°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１０°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−１０°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。
【００９９】
（実施例２）
実施例２の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表５に示す。
〔表５〕
No    Type    R          T          Nd          Vd
1    SPH     ∞       22.00 
2    FFS1    −        5.50        1.525      55.95
3    FFS2    −       -5.50        1.525      55.95
4    FFS1    −       10.00        1.525      55.95
5    FFS3    −      -20.00        1.525      55.95
6    FFS4    −       14.00        1.525      55.95
7    FFS5    −      -10.00        1.525      55.95
8    FFS6    −       -2.00
9    ASP1   -20.674   -7.00        1.525      55.95
10    ASP2     9.056   -0.50
11    ASP3     7.190   -1.00        1.585      29.90
12    ASP4    54.244  -19.37
13    ASP5   -10.384   -8.15        1.525      55.95
14    ASP6   -23.928   -4.98
15    SPH     ∞       -1.60        1.458      67.82 
16    像面
【０１００】
実施例２を構成する導光部材中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸを以下の表６に示す。
〔表６〕
No   Type      TLY（面前）  DCX（面後）  TLY（面後）
2    FFS1        0          0              0
3    FFS2      -29          0             29
4    FFS1        0          0              0
5    FFS3        0         24.171        -39.58
6    FFS4       50          0             50
7    FFS5      -50          0            -50
8    FFS6        0          0              0
【０１０１】
実施例２を構成する導光部材中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表７に示す。なお、表７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＝１〜６）は、自由曲面である第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。図１１に示すように、本実施例では、導光部材１０が第４面Ｓ１４に連続的に隣接する第６面Ｓ１６を有しているものとする。なお、図示のように、第６面Ｓ１６は、光入射面であり、光線束の収束に関する機能を有する。一方、第４面Ｓ１４は、光路の折り曲げの機能を担っている。つまり、実施例１の第４面Ｓ１４において兼ねられていた機能が、実施例２では、第４面Ｓ１４と第６面Ｓ１６とに分離されていることになる。
〔表７〕
m  n        FFS1        FFS2        FFS3        FFS4        FFS5        FFS6
2  0    -4.110E-03   -1.005E-02  -3.798E-03  -3.374E-03  -2.584E-03   3.105E-02
0  2    -6.261E-03   -1.022E-02  -5.949E-03  -2.723E-02   5.720E-03   3.039E-02
3  0     1.513E-05    8.269E-06   1.513E-05   4.878E-05   5.891E-06   5.084E-05
1  2    -8.802E-06   -4.719E-05  -8.802E-06   1.315E-03   1.092E-04  -4.205E-04
4  0    -3.283E-07   -2.484E-06  -3.283E-07   1.997E-05   8.630E-06   3.586E-05
2  2     1.110E-05   -2.325E-07   1.110E-05   5.553E-05   1.338E-05  -7.045E-05
0  4    -1.231E-05   -3.745E-06  -1.231E-05   1.172E-04   4.272E-06  -6.522E-05
5  0    -7.697E-08    7.994E-08  -7.697E-08  -7.495E-07   3.889E-07   1.241E-05
3  2    -1.577E-06   -5.251E-08  -1.577E-06  -1.319E-05  -6.510E-07   5.310E-06
1  4    -1.721E-07    6.772E-08  -1.721E-07  -2.496E-05  -1.061E-06  -1.205E-06
6  0     1.800E-09    2.414E-09   1.800E-09  -1.502E-07   1.016E-09   1.206E-06
4  2     1.544E-08    3.116E-08   1.544E-08  -1.443E-07   2.158E-09   3.052E-06
2  4     2.672E-08    7.908E-09   2.672E-08   1.848E-06   7.531E-08   2.561E-06
0  6     3.158E-07    9.774E-10   3.158E-07   3.779E-06   1.021E-07   9.437E-07
【０１０２】
実施例２の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表８に示す。
〔表８〕
ASP1        ASP2        ASP3        ASP4        ASP5        ASP6
K          0           0           0           0           0           0
B4  -2.343E-05  -2.140E-03  -6.380E-04  -1.244E-04   2.638E-04   1.289E-04
B6   1.019E-06  -6.197E-06  -1.496E-05  -6.791E-06   7.578E-07   9.812E-06
B8   5.340E-08  -9.118E-08  -1.696E-07  -2.134E-08   1.763E-08  -1.069E-07
以上の表８において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定する係数を示している。
【０１０３】
図１１は、実施例２の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と、比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。
【０１０４】
なお、図１２（Ａ）は、実施例２の第１面位置Ａでの光線束断面ＡＩの形状について示す図であり、１２（Ｂ）は、実施例２の第２面位置Ｂでの光線束断面ＢＩの形状について示す図である。図示のように、光線束断面ＡＩの形状は、上式（１）を満たす縦長の形状となっており、光線束断面ＢＩの形状は、上式（２）を満たす横長の形状となっている。また、図示において、光線束断面を構成する複数の円形状の輪郭ＣＯは、１つの円形状の輪郭ＣＯが１画素に対応する光の成分についての光線束断面の外縁を示している。
【０１０５】
図１３（Ａ）〜１３（Ｆ）及び図１４（Ａ）〜１４（Ｆ）は、実施例２の収差を示す。具体的には、図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°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５．７°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−１０°でＹ方向に５．７°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１０°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−１０°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。
【０１０６】
（実施例３）
実施例３の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表９に示す。
〔表９〕
No    Type       R           T       Nd         Vd
1    SPH       ∞         20.00
2    FFS1      −          5.50     1.525     55.95 
3    FFS2      −         -5.50     1.525     55.95 
4    FFS1      −          9.00     1.525     55.95 
5    FFS3      −        -17.00     1.525     55.95 
6    FFS4      −          7.00     1.525     55.95 
7    FFS5      −          2.00     1.525     55.95 
8    ASP1       7.697      4.00     1.525     55.95 
9    ASP2      -4.907      0.50         
10    ASP3      -5.158      1.50     1.585     29.90 
11    ASP4       5.276      2.84         
12    ASP5       6.501      6.00     1.525     55.95 
13    ASP6      -10.192     9.51         
14    SPH       ∞          1.60     1.458     67.82 
15    像面
【０１０７】
実施例３を構成する導光部材中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸを以下の表１０に示す。
〔表１０〕
No   Type      TLY（面前）  DCX（面後）  TLY（面後）
2    FFS1        0            0            0
3    FFS2      -26            0           26
4    FFS1        0            0            0
5    FFS3        0           19.893504   -29.394622
6    FFS4       60            0           60
7    FFS5        0            0            0
【０１０８】
実施例３を構成する導光部材中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１１に示す。なお、表１１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＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。
〔表１１〕
m  n      FFS1         FFS2        FFS3        FFS4        FFS5
2  0  -1.254E-02   -1.211E-02  -1.191E-02  -2.323E-03  -7.675E-02
0  2  -1.031E-02   -1.364E-02  -9.899E-03   4.233E-04  -6.169E-02
3  0   5.751E-04    1.604E-04   5.751E-04  -3.570E-04  -1.002E-03
1  2   2.984E-05    7.274E-05   2.984E-05   5.402E-04   1.477E-03
4  0  -1.456E-05   -1.762E-05  -1.456E-05   1.163E-04  -1.143E-03
2  2   3.029E-05    1.938E-06   3.029E-05  -1.986E-04  -3.046E-03
0  4   5.757E-06    3.553E-06   5.757E-06   2.752E-04  -1.033E-03
5  0  -2.015E-07    1.015E-06  -2.015E-07   4.365E-08   8.729E-05
3  2  -2.008E-06   -5.253E-07  -2.008E-06   6.700E-06  -1.739E-05
1  4   2.748E-06    6.960E-07   2.748E-06  -6.458E-05  -2.971E-05
6  0   6.781E-09   -3.238E-08   6.781E-09  -1.541E-06   7.581E-05
4  2   7.881E-08    4.590E-08   7.881E-08   8.640E-07   2.208E-04
2  4  -1.309E-07   -6.944E-08  -1.309E-07   2.069E-05   2.278E-04
0  6  -4.681E-07   -1.134E-07  -4.681E-07  -2.282E-06   6.185E-05
【０１０９】
実施例３の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表１２に示す。
〔表１２〕
ASP1        ASP2        ASP3        ASP4        ASP5        ASP6
K         0           0           0           0           0           0
B4  -2.434E-03   2.595E-03   2.499E-03  -5.821E-03  -1.978E-03   2.139E-04
B6   3.219E-05  -4.997E-05   7.246E-05   2.617E-04   1.853E-05  -5.137E-06
B8   2.641E-06   5.850E-06  -1.484E-06  -8.002E-06  -6.175E-07  -1.059E-07
以上の表１２において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ６の非球面を特定するための係数を示している。
【０１１０】
図１５は、実施例３の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。ここで、第５面Ｓ１５は、光線束の収束に関して実施例１の第４面Ｓ１４の一部の機能（実施例２の第６面Ｓ１６の機能）を有する。つまり、図１５の実施例３は、図７に示す実施例１の第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち、第５面Ｓ１５が省略されたものとみることができる。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。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２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。本実施例では、第４面Ｓ１４の原点において、ｘ方向についての曲率の符号とｙ方向についての曲率の符号とが逆転している。
【０１１１】
なお、図１６（Ａ）は、実施例３の第１面位置Ａでの光線束断面ＡＩの形状について示す図であり、１６（Ｂ）は、実施例３の第２面位置Ｂでの光線束断面ＢＩの形状について示す図である。図示のように、光線束断面ＡＩの形状は、上式（１）を満たす縦長の形状となっており、光線束断面ＢＩの形状は、上式（２）を満たす横長の形状となっている。
【０１１２】
図１７（Ａ）〜１７（Ｆ）及び図１８（Ａ）〜１８（Ｆ）は、実施例３の収差を示す。具体的には、図１７（Ａ）及び１７（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°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５．７°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−１０°でＹ方向に５．７°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１０°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−１０°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。
【０１１３】
（実施例４）
実施例４の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表１３に示す。
〔表１３〕
No    Type       R           T       Nd         Vd
1    SPH       ∞         20.00         
2    平面      ∞          5.80     1.525     55.95 
3    FFS1      -          -5.80     1.525     55.95 
4    平面      ∞         10.00     1.525     55.95 
5    平面      ∞        -22.70     1.525     55.95 
6    FFS2      -          11.90     1.525     55.95 
7    FFS3      -         -11.90     1.525     55.95 
8    FFS2      -          -3.20                     
9    FFS4      -          -6.00     1.525     55.95 
10    ASP1      11.067     -1.29                     
11    ASP2       9.431     -1.50     1.585     29.90 
12    ASP3     -61.649     -6.75                     
13    ASP4     -16.964     -5.50     1.525     55.95 
14    ASP5      12.848     -3.00                     
15    SPH       ∞         -1.60     1.458     67.82 
16    像面
実施例４を構成する導光部材中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸを以下の表１４に示す。
〔表１４〕
No   Type      TLY（面前）  DCX（面後）  TLY（面後）
2    平面        6            0           -6
3    FFS1      -23.8          0           23.8
4    平面        6            0           -6
5    平面        6           21.1        -55.25
6    FFS2       57            0           57
7    FFS3      -33.06         0           33.06
8    FFS2      -57           11.04       -11.75
実施例４を構成する導光部材中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１５に示す。なお、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち、第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３は、平面であり、互いに平行となっている。さらに、投射レンズ３０を構成するレンズのうち第１レンズ３１のレンズ面３１ａ（図１９参照）は、光軸に対して非対称な非球面（非軸対称非球面）となっている。また、表１５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＝１〜４）は、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち平面でない自由曲面である第２面Ｓ１２、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５と、第１レンズ３１のレンズ面３１ａとを意味する。すなわち、記号ＦＦＳ１が第２面Ｓ１２に相当し、記号ＦＦＳ２が第４面Ｓ１４に相当し、記号ＦＦＳ３が第５面Ｓ１５に相当し、記号ＦＦＳ４がレンズ面３１ａに相当する。
〔表１５〕
m  n      FFS1         FFS2        FFS3        FFS4
2  0  -8.000E-03    1.281E-03  -1.232E-02   3.377E-02
0  2  -7.104E-03   -2.261E-02  -1.810E-02  -5.713E-02
3  0  -7.472E-06    1.253E-04   5.624E-06   4.621E-03
1  2  -3.912E-05    4.613E-04  -9.222E-06   1.954E-03
4  0   7.734E-07   -1.083E-06   5.367E-06  -1.747E-04
2  2   1.827E-07   -2.670E-06   1.341E-05   5.794E-05
0  4  -3.075E-07    1.216E-04   9.966E-07   5.078E-05
5  0  -2.648E-08    5.502E-08   5.965E-07  -4.209E-05
3  2  -4.661E-08   -1.212E-06   7.145E-07  -1.351E-05
1  4  -7.936E-09   -7.680E-06   5.860E-07  -5.436E-06
6  0  -5.229E-09    2.269E-09   2.790E-08   2.173E-06
4  2  -1.021E-08    3.050E-08   3.560E-08   3.457E-06
2  4  -4.325E-09    3.383E-07   3.763E-08   3.162E-06
0  6   1.946E-09    1.015E-07   9.005E-08   2.207E-06
実施例４の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表１６に示す。
〔表１６〕
ASP1        ASP2        ASP3        ASP4        ASP5
K        -1          -1          -1          -1          -1
B4  -2.302E-04  -1.562E-03  -1.273E-03   1.885E-04   3.482E-04
B6  -4.106E-06   6.061E-06  -4.546E-06   3.211E-06   4.031E-07
B8   1.065E-07   1.246E-07  -1.173E-07   3.480E-08   2.487E-08
以上の表１６において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する３つのレンズ３１，３２，３３のレンズ面のうち上述したレンズ３１の最初のレンズ面３１ａすなわち記号ＦＦＳ４の面を除いたレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ５の非球面を特定するための係数を示している。
【０１１４】
図１９は、実施例４の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち導光部材１０は、屈折力を有しない第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、屈折力を有しない第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５とを有する。投射レンズ３０は、正の屈折力を有する第１レンズ３１と、負の屈折力を有する第２レンズ３２と、正の屈折力を有する第３レンズ３３とを有している。なお、上述のように、第１レンズ３１のレンズ面３１ａは、光軸に対して非対称な非球面（非軸対称非球面）となっている。この場合、導光部材１０に加え、投射レンズ３０においても、非軸対な収差を補正する機能を持たせることができる。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２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。この場合、対向して配置される第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが、平行な平面形状であることで、観察者が第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３を透過して外界を見た視度を完全に０とすることができる。
【０１１５】
なお、図２０（Ａ）は、実施例４の第１面位置Ａでの光線束断面ＡＩの形状について示す図であり、２０（Ｂ）は、実施例４の第２面位置Ｂでの光線束断面ＢＩの形状について示す図である。図示のように、光線束断面ＡＩの形状は、上式（１）を満たす縦長の形状となっており、光線束断面ＢＩの形状は、上式（２）を満たす横長の形状となっている。
【０１１６】
図２１（Ａ）〜２１（Ｆ）及び図２２（Ａ）〜２２（Ｆ）は、実施例４の収差を示す。具体的には、図２１（Ａ）及び２１（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２１（Ｃ）及び２１（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２１（Ｅ）及び２１（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図２２（Ａ）及び２２（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°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２２（Ｃ）及び２２（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２２（Ｅ）及び２２（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°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。
【０１１７】
（実施例５）
実施例５の投射透視装置のうち導光部材及び投射レンズを構成する光学面のデータを以下の表１７に示す。
〔表１７〕
No    Type       R           T       Nd         Vd
1    SPH       ∞         20.00         
2    FFS1      −          5.00     1.525     55.95 
3    FFS2      −         -5.00     1.525     55.95 
4    FFS1      −          8.50     1.525     55.95 
5    FFS3      −        -12.00     1.525     55.95 
6    FFS4      −          9.00     1.525     55.95 
7    FFS5      −         -6.20     1.525     55.95 
8    FFS6      −         -2.00         
9    ASP1    -46.932      -1.50     1.585     29.90 
10    FFS7      −         -3.23         
11    ASP2     -6.165      -4.00     1.525     55.95 
12    ASP3    -19.763      -3.00         
13    SPH       ∞         -1.44     1.458     67.82 
14    像面      ∞
【０１１８】
実施例５を構成する導光部材中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度（ティルト）ＴＬＹと、光軸ズレ量（ディセンター）ＤＣＸを以下の表１８に示す。
〔表１８〕
No   Type      TLY（面前）  DCX（面後）  TLY（面後）
2    FFS1        0.00         0.0          0.00 
3    FFS2      -24.00         0.0         24.00 
4    FFS1        0.00         0.0          0.00 
5    FFS3        0.00        15.361       -5.87 
6    FFS4       35.00         0.0         35.00 
7    FFS5      -37.00         0.0        -37.00 
8    FFS6        0.00         0.0          0.00
【０１１９】
実施例５を構成する導光部材中の各光学面について自由曲面の多項式展開した係数を以下の表１９に示す。なお、表１９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＝１〜６）は、自由曲面である第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６のうち第ｋ面を意味する。また、記号ＦＦＳ７は、投射レンズ３０を構成する２つのレンズ３１，３２のうち第１レンズ３１のもう１つのレンズ面である第２レンズ面３１ｂ（図２３参照）に相当する。レンズ面３１ｂは、光軸に対して非対称な非球面となっている。また、表１３及び表１４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。
〔表１９〕
m  n      FFS1         FFS2        FFS3        FFS4
2  0  -9.590E-03   -1.493E-02  -9.015E-03   1.106E-02
0  2  -3.895E-02   -1.718E-02  -3.174E-02  -4.225E-02
3  0  -3.944E-05    1.514E-04  -3.155E-05  -1.006E-03
1  2   7.919E-05   -5.479E-04   6.335E-05  -1.529E-03
4  0   1.802E-05   -9.117E-06  -1.873E-05   6.325E-05
2  2  -1.154E-04   -1.375E-06   2.347E-05  -1.241E-04
0  4   2.027E-06   -8.306E-06  -3.121E-05   3.387E-04
5  0  -1.163E-06    6.691E-07   1.423E-07   1.841E-05
3  2   3.615E-07   -9.426E-07  -3.074E-06   7.113E-06
1  4  -8.107E-06   -3.125E-07   2.872E-06   8.646E-05
6  0   5.687E-08   -1.366E-08   6.812E-09  -5.296E-06
4  2  -8.370E-08    2.463E-08   1.030E-08  -1.413E-07
2  4  -5.216E-07   -2.612E-08  -2.164E-07   1.999E-05
0  6   4.183E-08   -6.074E-08  -4.753E-08  -3.325E-06
m  n      FFS5         FFS6        FFS7
2  0  -2.012E-02    4.113E-03  -4.696E-02
0  2  -2.602E-02    1.450E-01   8.928E-02
3  0   1.762E-04   -6.809E-03   1.596E-03
1  2   3.957E-04    4.988E-03   5.628E-03
4  0   4.907E-07   -2.072E-04  -1.046E-04
2  2   1.606E-05    7.518E-04  -2.569E-04
0  4   1.968E-04   -4.126E-03   4.836E-03
5  0   6.181E-07    2.409E-05   5.063E-05
3  2  -2.044E-06   -2.596E-05  -2.063E-04
1  4   5.215E-06    2.987E-04  -3.074E-04
6  0   8.272E-08   -1.343E-05  -2.780E-05
4  2  -2.522E-06   -3.140E-05  -1.312E-04
2  4   2.747E-05    5.979E-05  -4.072E-04
0  6  -9.104E-05    4.539E-04  -1.536E-03
【０１２０】
実施例５の投射透視装置のうち投射レンズを構成する光学面の非球面の係数を以下の表２０に示す。
〔表２０〕
ASP1        ASP2        ASP3
K        -1          -1          -1
B4   1.730E-05   3.985E-04   3.628E-04
B6  -4.292E-05  -1.324E-05  -2.023E-05
B8   4.667E-07   1.089E-07   3.764E-07
以上の表２０において、記号Ｋ、Ｂｉは、投射レンズ３０を構成する２つのレンズ３１，３２のレンズ面のうち上述したレンズ３１の第２レンズ面３１ｂすなわち記号ＦＦＳ７の面を除いたレンズ面である非球面ＡＰＳ１〜ＡＰＳ３の非球面を特定するための係数を示している。
【０１２１】
図２３は、実施例５の投射透視装置７０の断面図である。投射透視装置７０のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、比較的弱い正の屈折力を有する第４面Ｓ１４と、比較的強い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５と比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６とを有する。投射レンズ３０は、負の屈折力を有する第１レンズ３１と、正の屈折力を有する第２レンズ３２とを有している。実施例５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２０．１°で、垂直画角が１１．４°で、映像表示素子の表示領域の大きさが９．２２×５．１８ｍｍで、瞳径が５ｍｍで、焦点距離が約２６ｍｍである。本実施例では、第４面Ｓ１４の原点において、ｘ方向についての曲率の符号とｙ方向についての曲率の符号とが逆転している。
【０１２２】
なお、図２４（Ａ）は、実施例５の第１面位置Ａでの光線束断面ＡＩの形状について示す図であり、２４（Ｂ）は、実施例５の第２面位置Ｂでの光線束断面ＢＩの形状について示す図である。図示のように、光線束断面ＡＩの形状は、上式（１）を満たす縦長の形状となっており、光線束断面ＢＩの形状は、上式（２）を満たす横長の形状となっている。
【０１２３】
図２５（Ａ）〜２５（Ｆ）及び図２６（Ａ）〜２６（Ｆ）は、実施例５の収差を示す。具体的には、図２５（Ａ）及び２５（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２５（Ｃ）及び２５（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図２５（Ｅ）及び２５（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°でＹ方向に５．７°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図２６（Ａ）及び２６（Ｂ）は、Ｘ方向に１０°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２６（Ｃ）及び２６（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２６（Ｅ）及び２６（Ｆ）は、Ｘ方向に−１０°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。
【０１２４】
以下の表２１に、各実施例１〜５について、条件式（１）〜（３）に関する数値データをまとめた。
〔表２１〕
2015072436.tif 000004
また、以下の表２２に、各実施例１〜５について、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔及び第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角に関する数値データをまとめた。
〔表２２〕
2015072436.tif 000005
また、条件式（３）は、外光に対する導光部材の視度に影響を与えており、導光部材の光軸上のｘ軸方向の視度Ｄｘ及びｙ軸方向の視度Ｄｙは、導光部材の厚さをＴ、屈折率をＮとすると、
Ｄｘ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１２，０−Ａ３２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１２，０×Ａ３２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１０，２−Ａ３０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１０，２×Ａ３０，２）
で与えられる。上式に基づいて、以下の表２３に、各実施例１〜５についての視度に関する数値データをまとめた。
〔表２３〕
2015072436.tif 000006
【０１２５】
また、以下の表２４に、各実施例１〜５についての光線束の断面についての幅ＷＡｘ、ＷＡｙ等に関する数値データをまとめた。いずれの実施例においても、条件式（１）及び（２）、さらには条件式（４）及び（５）が満たされている。
〔表２４〕
2015072436.tif 000007
【０１２６】
図２７は、虚像表示装置の一実施例（実施例１に相当）について光学系の各面について示す斜視図である。図示のように、虚像表示装置１００の導光部材１０のうち光学的な機能を有する面である各面Ｓ１１〜Ｓ１５や、投射レンズ３０を構成するレンズ面は、Ｘ方向のみならずＹ方向に関しても曲率を有する曲面となっており、特に、導光部材１０を構成する面の多くは、Ｘ方向とＹ方向とで曲率が異なる自由曲面となっていることが分かる。このような形状を有することで、上述したような所望の映像光の光路の調整や収差の補正が可能となっている。なお、斜視図による図示を省略するが、実施例１以外の各実施例においても、同様に導光部材１０を構成する面の多くは、Ｘ方向のみならずＹ方向に関しても曲率を有する自由曲面となっている。ただし、既述のように、これらの面のうち、一部の面については、平面として存在し得る。
【０１２７】
〔その他〕
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。
【０１２８】
上記の説明では、曲率異符号曲面において、ローカル座標の原点が曲率異符号点となっているものとしているが、これ以外の点が曲率異符号点となっている曲率異符号曲面であってもよい。
【０１２９】
上記の説明では、ハーフミラー層（半透過反射膜）１５が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層１５の輪郭は用途その他の仕様に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層１５の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
具体的には図２８に示すように、虚像表示装置としての第１表示装置１００Ａ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、上記実施形態の図１における第１光学部分１０３ａに相当する、すなわち導光部材１０と光透過部材５０とを接合し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。
【０１３４】
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に入射させるとともに第２面Ｓ１２のうちハーフミラー層１５が形成される部分領域の全体に対してスキャンさせる。
【０１３５】
図示の第１表示装置１００Ａ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４面Ｓ１４に向けて射出する。導光装置２０は、第４面Ｓ１４を通過した走査光ＴＬを全反射等により内部で導光させ、ハーフミラー層１５に到達させる。この際、ハーフミラー層１５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。
【０１３６】
また、上記実施形態では、導光部材１０と補助光学ブロックである光透過部材５０とが装着者の眼ＥＹの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図２９（Ａ）及び２９（Ｂ）に示すように、ハーフミラー層１５を有する曲面形状である第２面Ｓ１２を含んだ部分が眼ＥＹの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。また、この場合、導光部材１０及び光透過部材５０を十分小さくすることで、シースルーとせず、ハーフミラー層１５に代えて全反射をするミラーを配置させた構成としても、装着者が導光部材１０及び光透過部材５０の周囲から外界を観察できる。なお、図示の場合、第２面Ｓ１２の全体又は略全体にハーフミラー層１５が形成されているが、第２面Ｓ１２の一部にのみハーフミラー層１５が形成されていてもよい。また、図２９（Ｂ）の例では、眼ＥＹの略正面にハーフミラー層１５が配置されるものとなっているが、ハーフミラー層１５を正面よりずらして配置し、視線を動かすことで映像を視認可能にするものとしてもよい。例えば、眼ＥＹの位置をやや下げる（導光部材１０及び光透過部材５０の位置をやや上げる）ものとしてもよい。この場合、例えば眼ＥＹの下半分が導光部材１０及び光透過部材５０の下から見える状態となる。
【０１３７】
上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを備える虚像表示装置１００について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設け、画像を片眼視する構成にしてもよい。
【０１３８】
上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔について説明していないが、両表示装置１００Ａ，１００Ｂの間隔は固定に限らず、機械機構等によって間隔の調整が可能である。つまり、両表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔は、着用者の眼幅等に応じて調整することができる。
【０１３９】
上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（例えば金属反射膜や誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。
【０１４０】
上記の説明では、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。
【０１４１】
上記の説明では、導光部材１０の第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３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１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３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１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３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１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部がコートされていてもよい。
【０１４２】
上記の説明では、導光部材１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材１０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１０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。なお、映像光（画像光）を導光させる方向に応じて、上述の説明の場合と比較して縦方向及び横方向に関する構成を適宜入れ替えるものとすることができる。
【符号の説明】
【０１４３】
ＡＸ１−ＡＸ４…光軸、  ＡＸＩ…入射側光軸、  ＡＸＯ…射出側光軸、  ＥＹ…眼、  ＧＬ…映像光、  ＨＬ…外界光、  ＩＩ…中間像の像面、  ＰＡ…部分領域、  Ｓ１１−Ｓ１６…第１−第６面、  Ｓ５１−Ｓ５３…第１−第３透過面、  ＳＬ…照明光、  ＳＲ…基準面、  １０…導光部材、  １０ｓ…本体部分、  １１，１２…導光部分、  １５…ハーフミラー層、  ３０…投射レンズ、  ３１，３２，３３…レンズ、  ５０…光透過部材、  ７０…投射透視装置、  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、  映像表示素子（映像素子）の像面ＯＩ、  １００…虚像表示装置、  １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、  １０３ａ，１０３ｂ…光学部分、  １０１…透視部材、  １０２…フレーム、  １５…ミラー面、  ＣＣ…接着剤、  Ａ…位置（Ａ面位置）、  Ｂ…位置（Ｂ面位置）、  ＡＩ…光線束断面（光線束の断面）、  ＢＩ…光線束断面（光線束の断面）、  ＷＡｘ，ＷＡｙ，ＷＢｘ，ＷＢｙ…幅、  Ｈ…基準値、  ＩＥ…瞳配置位置
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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