显示装置和光学单元的制作方法

1.本发明涉及能够进行虚像的观察的透视型的显示装置以及光学单元，尤其涉及使图像光入射到透视镜并观察来自透视镜的反射光的类型的显示装置以及光学单元。


背景技术：

2.作为透视型的显示装置，存在由斜向入射型的2片反射镜形成锯齿(zigzag)的光路并使来自显示元件的图像光经由锯齿的光路入射到使用者的眼睛的显示装置(参照专利文献1)。
3.专利文献1：日本特开平09-43536号公报


技术实现要素：

4.发明要解决的课题
5.在上述专利文献1的透视型的显示装置中，需要较大地确保观察外界的区域，因此，光学部件的配置受到限制，存在失真增大的趋势，成像性能容易劣化。
6.用于解决课题的手段
7.本发明的一个侧面中的显示装置具有：影像元件；投射透镜，其使来自所述影像元件的图像光通过；棱镜反射镜，其使从所述投射透镜射出的所述图像光从光入射面入射，被内反射面反射，从光射出面射出；以及透视镜，其将从所述棱镜反射镜射出的所述图像光朝向光瞳位置反射，所述棱镜反射镜和所述透视镜配置成沿着基准面弯折光路而形成离轴光学系统，在所述内反射面与所述透视镜之间形成中间像，关于所述基准面，所述光射出面在前侧具有屈光力相对高的区域，在后侧具有屈光力相对低的区域。
附图说明
8.图1是说明第1实施方式的显示装置的佩戴状态的外观立体图。
9.图2是说明显示装置的内部构造的侧方剖视图。
10.图3示出显示装置的侧方剖视图和俯视结构图。
11.图4是说明棱镜反射镜的光射出面等的部分放大剖视图。
12.图5是说明显示像的畸变校正的图。
13.图6是说明比较例的光学系统的侧方剖视图。
14.图7是说明图6的光学系统中的显示像的畸变校正的图。
15.图8是说明变形例的棱镜反射镜的部分放大剖视图。
16.图9是说明第2实施方式的显示装置的侧方剖视图。
17.图10是说明图9的光学系统中的显示像的畸变校正的图。
18.图11示出图9所示的显示装置的变形例。
19.图12示出图9所示的显示装置的另一变形例。
20.图13示出图9所示的显示装置的又一变形例。
21.标号说明
22.11：影像元件、11a：显示面；12：成像光学系统；13：显示控制电路；16：光学单元；21：投射透镜；22：棱镜反射镜；22a：光入射面；22b：内反射面；22c：光射出面；23：透视镜；23a：反射面；23e：上端；28：光学元件；28f：前端；28r：后端；51：壳体；100a、100b：显示装置；100c：支承装置；102：显示驱动部；103：外观部件；112：离轴光学系统；128：楔形棱镜；ax：光轴；da0：显示像；da1：修正图像；er：视圈；ey：眼睛；ib：拐点；ig1：投影像；im：中间像；ipa、ipb：中间光瞳；l1、l2：光线；ml：图像光；pp：光瞳位置；r1：前侧区域；r2：后侧区域；us：佩戴者。
具体实施方式
23.(第1实施方式)
24.以下，参照图1～3等，对本发明第1实施方式的显示装置以及组装于该显示装置的光学单元进行说明。
25.图1是说明头戴显示器(以下，也称作hmd)200的佩戴状态的图，hmd 200使佩戴该头戴显示器的观察者或者佩戴者us识别作为虚像的影像。在图1中，x、y以及z是垂直坐标系， x方向与佩戴了hmd 200或显示装置100的观察者或佩戴者us的双眼ey排列的横向对应， y方向相当于对于佩戴者us而言的与双眼ey排列的横向垂直的上方向， z方向相当于对于佩戴者us而言的前方向或者正面方向。
±
y方向与铅垂轴或铅垂方向平行。
26.hmd 200具有右眼用的第1显示装置100a、左眼用的第2显示装置100b、以及支承显示装置100a、100b的镜腿状的一对支承装置100c。第1显示装置100a由配置于上部的显示驱动部102和以镜片状覆盖眼前的外观部件103构成。第2显示装置100b也同样地由配置于上部的显示驱动部102和以镜片状覆盖眼前的外观部件103构成。支承装置100c通过显示驱动部102支承外观部件103的上端侧。第1显示装置100a和第2显示装置100b在光学上左右反转，以下，将右眼用的第1显示装置100a作为代表性的显示装置100来说明。
27.图2是说明显示装置100的光学构造的侧方剖视图。如图所示，显示装置100具有影像元件11、成像光学系统12和显示控制电路13。但是，在本说明书中，从实现光学功能的观点出发，除了显示控制电路13以外的装置也称为显示装置100。影像元件11和显示控制电路13被支承在图1所示的显示驱动部102的外框即壳体51内，成像光学系统12的一部分也被支承在显示驱动部102的壳体51内。
28.影像元件11是自发光型的显示设备。显示元件11例如是有机el(有机电致发光、organic electro-luminescence)显示器，在二维的显示面11a上形成彩色的静态图像或动态图像。影像元件11沿着相对于xy面绕x轴稍微旋转而倾斜的xy面配置。影像元件11被显示控制电路13驱动而进行显示动作。影像元件11不限于有机el显示器，例如可替换为使用微led显示器、或者无机el、有机led、激光器阵列、量子点发光型元件等的显示设备。影像元件11不限于自发光型的图像光生成装置，也可以由lcd以及其他光调制元件构成，通过由背照灯这样的光源对该光调制元件进行照明来形成图像。影像元件11还可以使用lcos(liquid crystal on silicon，lcos是注册商标)、数字微镜器件等来替代lcd。
29.成像光学系统12具有投射透镜21、棱镜反射镜22和透视镜23作为光学单元10。在本实施方式中，从影像元件11到棱镜反射镜22的光路配置于比透视镜23的上端23e靠上侧
的位置。更详细而言，影像元件11、投射透镜21和棱镜反射镜22配置于比透视镜23的上端23e靠上侧的位置。但是，投射透镜21、棱镜反射镜22等也可以在不遮挡入射到眼睛ey的图像光ml的光路的范围内，配置于比透视镜23的上端23e局部下降的位置。即，投射透镜21、棱镜反射镜22等能够在不遮挡入射到眼睛ey的图像光ml的光路的范围内配置于比透视镜23的上端23e局部下降的位置。
30.投射透镜21使从影像元件11射出的图像光ml通过，入射到棱镜反射镜22。投射透镜21将从影像元件11射出的图像光ml会聚为接近平行光束的状态。投射透镜21是单透镜，具有入射面21a和射出面21b。棱镜反射镜22具有光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c，使从投射透镜21射出的图像光ml入射到光入射面22a、被内反射面22b全反射，从光射出面22c射出。此时，棱镜反射镜22以在相对于使入射方向反转后的方向(从棱镜反射镜22观察的光源的方向)倾斜的方向上折回的方式射出从前方入射的图像光ml。在如本实施方式那样在纵向上发生偏心的光学系统的情况下，关于光路的前方包含位于相对于 z方向成上下45
°
左右的范围内的光路，相对于该前方(即，使入射方向反转后的方向)倾斜的方向包含位于相对于与 z方向及-y方向成45
°
的中间方向成上下45
°
左右的范围内的光路。透视镜23将从棱镜反射镜22射出的图像光ml朝向光瞳位置pp反射。光瞳位置pp成为供来自显示面11a上的各点的图像光ml以规定的发散状态或平行状态从与显示面11a上的各点的位置对应的角度方向以重叠的方式入射的位置。
31.投射透镜21以及棱镜反射镜22与影像元件11一起收纳于壳体51。壳体51由遮光性的材料形成，支承使影像元件11进行动作的显示控制电路13。壳体51由金属材料、树脂材料形成。在树脂材料的情况下，能够在内面侧涂布黑色的遮光材料。壳体51经由由遮光性的材料形成的保持部件或镜筒(未图示)而支承影像元件11、投射透镜21和棱镜反射镜22。壳体51具有开口51a，能够使得显示驱动部102朝向外部射出图像光ml。射出到显示驱动部102外的图像光ml入射到透视镜23的内侧。
32.在图示的例子中，在壳体51中配置有显示控制电路13，但也可以在壳体51外配置显示控制电路13。关于影像元件11，无需配置于壳体51中，也可以在壳体51上设置影像元件11用的开口，以使显示面11a隔着该开口面向壳体51的内部的方式将影像元件11固定于壳体51的外部。
33.壳体51经由支承板61而支承透视镜23。在该情况下，经由壳体51而将透视镜23稳定地支承于棱镜反射镜22等。透视镜23和支承板61相当于图1所示的外观部件103。
34.成像光学系统12由于透视镜23为凹面镜而成为离轴光学系统112。在本实施方式的情况下，投射透镜21、棱镜反射镜22和透视镜23非轴对称地配置，具有非轴对称的光学面。成像光学系统12为离轴光学系统112是指，在构成成像光学系统12的光学要素21、22、23中，在光线向多个反射面或折射面入射的前后，光路整体上弯折。在该成像光学系统12即离轴光学系统112中，以光轴ax沿着与纸面对应的离轴面(与yz面平行的面)延伸的方式进行光轴ax的弯折。在该成像光学系统12中，在与yz面平行的离轴面内进行光轴ax的弯折，由此，沿着该离轴面排列有光学要素21、22、23。成像光学系统12包含光轴部分ax1、ax2、ax3，该光轴部分ax1、ax2、ax3沿着作为在纵向上延伸的基准面的离轴面(与yz面平行的面)配置，并在反射面的前后相互倾斜。整体上的光轴ax沿着从影像元件11的中心射出的主光线的光路延伸，并通过相当于视点的视圈er或光瞳的中心。在以与yz面平行的横截面观察的
情况下，光轴ax利用多个光轴部分ax1、ax2、ax3成为z字状的配置。即，在与yz面平行的离轴面上，从投射透镜21到内反射面22b的光路p1、从内反射面22b到透视镜23的光路p2和从透视镜23到光瞳位置pp的光路p3成为呈z字状地按照2个阶段折回的配置。成像光学系统12成为纵向排列。作为基准面的离轴面(与yz面平行的面)与纵向的y方向平行地延伸。在该情况下，构成显示装置100的光学要素21、22、23在纵向上改变高度位置而排列，能够防止显示装置100的横宽的增大。
35.成像光学系统12中的从投射透镜21到内反射面22b的光路p1成为与z方向接近平行的状态。即，在光路p1中，光轴部分ax1以与z方向或正面方向大致平行的方式延伸。其结果是，投射透镜21配置成在z方向或正面方向上被棱镜反射镜22和影像元件11夹着。光路p1中的光轴部分ax1优选在朝向z方向将向下设为负时，平均地收敛在-30
°
～ 30
°
左右的范围内。将光路p1的光轴部分ax1设为朝向z方向朝下-30
°
以上的状态，由此，能够避免投射透镜21、影像元件11与透视镜23发生干扰。此外，将光路p1的光轴ax部分设为朝向z方向朝上 30
°
以下的状态，由此，能够防止投射透镜21、影像元件11向上部突起而在外观上变得显眼。在从内反射面22b到透视镜23的光路p2中，光轴部分ax2优选在朝向z方向将向下设为负时，平均地收敛于-70
°
～-45
°
左右的范围内。将光路p2的光轴部分ax2设为朝向z方向朝下-70
°
以上的状态，能够避免透视镜23的整体倾斜过度增大，能够在透视镜23的内侧确保配置内透镜的空间。此外，将光路p2的光轴ax设为朝向z方向朝下-45
°
以下的状态，由此，能够避免棱镜反射镜22成为相对于透视镜23向-z方向或背面方向大幅突出的配置，能够避免成像光学系统12的厚度增加。从透视镜23到光瞳位置pp的光路p3成为与z方向接近平行的状态，但在附图的例子中，光轴部分ax3在朝向z方向将向下设为负时，成为-10
°
左右。即，在光轴部分ax3延长的射出光轴ex相对于前方的 z方向朝下倾斜10
°
左右而延伸。这是因为，人的视线在向水平方向的下侧倾斜大约10
°
的稍微低头状态下稳定。另外，相对于光瞳位置pp在水平方向上延伸的中心轴hx假定为佩戴了显示装置100的佩戴者us以直立姿势放松而朝向正面注视水平方向或水平线的情况。佩戴显示装置100的各个佩戴者us的包含眼睛的配置、耳朵的配置等在内的头部的形状、姿势是各种各样的，但设想佩戴者us的平均的头部形状或者头部姿势，由此能够针对所关注的显示装置100设定平均的中心轴hx。根据以上的结果，在棱镜反射镜22的内反射面22b上，沿着光轴ax的光线的反射角为10
°
～60
°
左右。此外，在透视镜23中，沿着光轴ax的光线的反射角为20
°
～45
°
左右。
36.参照图3，对成像光学系统12的详细内容进行说明。在图3中，区域ar1表示成像光学系统12的侧方剖视图，区域ar2是说明成像光学系统12的俯视结构的示意图。
37.构成投射透镜21的光学面即入射面21a和射出面21b在与yz面平行且与光轴ax交叉的纵向的第1方向d11、d12上隔着光轴ax具有非对称性，在与第1方向d11、d12垂直的横向的第2方向d02或x方向上隔着光轴ax具有对称性。关于入射面21a的纵向的第1方向d11和关于射出面21b的纵向的第2方向d12形成规定的角度。
38.投射透镜21例如由树脂形成，但是也可以为玻璃制。投射透镜21的入射面21a和射出面21b例如为自由曲面。入射面21a和射出面21b不限于自由曲面，也可以设为非球面。在投射透镜21上，设入射面21a和射出面21b为自由曲面或非球面，由此，能够实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，容易提高偏心系统的光学性能，因此，容易减少作为非共轴的离轴光学系统112的成像光学系统12的像差。另外，自由曲面是不具有旋转对称轴的
面，作为自由曲面的面函数，可以使用各种多项式。此外，非球面是具有旋转对称轴的由多项式表示的面，是除了抛物面、球面以外的面。虽然省略详细的图示，但在入射面21a和射出面21b上形成有防反射膜。
39.棱镜反射镜22是具有使反射镜和透镜复合而得到的功能的折射反射光学部件，使来自投射透镜21的图像光ml折射并反射。更详细而言，在棱镜反射镜22中，图像光ml经过作为折射面的光入射面22a入射到内部，被作为反射面的内反射面22b向非正面方向全反射，经过作为折射面的光射出面22c射出到外部。光入射面22a和光射出面22c是由曲面构成的光学面，与仅是反射面的情况或使它们为平面的情况相比，有助于提高分辨率。构成棱镜反射镜22的光学面即光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c在与yz面平行且与光轴ax交叉的纵向的第1方向d21、d22、d23上隔着光轴ax具有非对称性，在与第1方向d21、d22、d23垂直的横向的第2方向d02或x方向上隔着光轴ax具有对称性。
40.棱镜反射镜22例如由树脂形成，但也可以为玻璃制。关于棱镜反射镜22的主体的折射率，参考图像光ml的反射角而设定为实现内表面上的全反射的值。棱镜反射镜22的主体的折射率、阿贝数优选还考虑与投射透镜21的关系而设定。特别是，增大棱镜反射镜22、投射透镜21的阿贝数，由此，整体上减少残留的色散。
41.棱镜反射镜22的光学面、即光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c例如为自由曲面。光入射面22a、内反射面22b和光射出面22c不限于自由曲面，也可以为非球面。在棱镜反射镜22中，光学面22a、22b、22c为自由曲面或非球面，由此，能够实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，容易提高偏心系统的光学性能。即，容易减少作为非共轴的离轴光学系统112的成像光学系统12的像差，能够提高分辨率。关于内反射面22b，不限于通过全反射来反射图像光ml的情况，也可以设为由金属膜或电介质多层膜构成的反射面。在该情况下，在内反射面22b上通过蒸镀等形成通过例如由如al、ag的金属形成的单层膜或多层膜构成的反射膜，或者粘贴由金属形成的片状的反射膜。虽然省略详细的附图，但在光入射面22a和光射出面22c上形成有防反射膜。
42.棱镜反射镜22的与作为基准面的离轴面(与yz面平行的面)垂直的横向即
±
x方向上的宽度w2比与作为基准面的离轴面平行的前后的
±
z方向上的宽度w1大。在该情况下，能够较大得确保横向上的视场角。另外，棱镜反射镜22的横向即
±
x方向上的宽度w2比与离轴面平行的上下方向即
±
y方向上的宽度w3大。这里，宽度w1、w2、w3是实际的轮廓，但也能够以光学面22a、22b、22c的有效区域为基准。
43.透视镜23是作为凹表面镜发挥功能的弯曲的板状光学部件，反射来自棱镜反射镜22的图像光ml。即，透视镜23将来自显示驱动部102的射出区域的图像光ml朝向光瞳位置pp反射。透视镜23覆盖配置眼睛ey或瞳孔的光瞳位置pp并且朝向光瞳位置pp具有凹形状，朝向外界具有凸形状。透视镜23是覆盖视野中的、画面的整个有效区域的凹面透射镜。透视镜23是具有会聚功能的准直器，使从显示面11a的各点射出的图像光ml的主光线、即在显示驱动部102的射出区域的附近通过成像而暂时扩展的图像光ml的主光线会聚到光瞳位置pp。透视镜23是具有在板状体23b的正面或背面上形成有反射镜膜23c的结构的反射镜板。透视镜23的反射面23a具有透过性。透视镜23、反射面23a在与yz面平行且与光轴ax交叉的纵向的第1方向d31上隔着光轴ax具有非对称性，在与第1方向d31垂直的横向的第2方向d02或x方向上隔着光轴ax具有对称性。
44.透视镜23的反射面23a例如为自由曲面。反射面23a不限于自由曲面，也可以设为非球面。将透视镜23设为自由曲面或非球面，由此能够实现像差减少，特别是在使用自由曲面的情况下，能够减少作为离轴光学系统或非共轴光学系统的成像光学系统12的像差。无论在反射面23a是自由曲面和非球面中的哪一种面的情况下，透视镜23都具有曲面式的原点比透视镜23的有效区域向投射透镜21侧或影像元件11侧偏移的形状。在该情况下，能够在不对光学系统的设计造成过大负担的情况下，设定实现z字状光路的透视镜23的倾斜面。
45.透视镜23是在反射时使一部分的光透过的透过型反射元件，透视镜23的反射面23a或反射镜膜23c由具有半透过性的反射层形成。由此，由于外界光ol通过透视镜23，因此可以透视外界，能够将虚像与外界像重叠。此时，如果支承反射镜膜23c的板状体23b减薄至几mm左右以下，则能够将外界像的倍率变化抑制得较小。从确保图像光ml的亮度、容易进行基于透视的外界像的观察的观点出发，反射镜膜23c相对于图像光ml、外界光ol的反射率优选在所设想的图像光ml的入射角范围内为10％以上且50％以下。作为透视镜23的基材的板状体23b例如由树脂形成，但也可以设为玻璃制。板状体23b由与从周围支承该板状体23b的支承板61相同的材料形成，具有与支承板61相同的厚度。反射镜膜23c例如由电介质多层膜形成，该电介质多层膜由调整膜厚后的多个电介质层构成。反射镜膜23c也可以是调整了膜厚的al、ag等金属的单层膜或多层膜。反射镜膜23c能够通过层叠来形成，但也能够通过粘贴片状的反射膜来形成。在板状体23b的外侧面23o形成有防反射膜。
46.针对光路进行说明，来自影像元件11的图像光ml入射到投射透镜21，以大致准直的状态射出。通过投射透镜21后的图像光ml入射到棱镜反射镜22，从光入射面22a折射并通过，被内反射面22b以接近100％的高反射率反射，再次被光射出面22c折射。来自棱镜反射镜22的图像光ml入射到透视镜23，被反射面23a以50％左右以下的反射率反射。被透视镜23反射后的图像光ml入射到配置佩戴者us的眼睛ey或瞳孔的光瞳位置pp。通过透视镜23或其周围的支承板61后的外界光ol也入射到光瞳位置pp。即，佩戴有显示装置100的佩戴者us能够以与外界像重叠的方式观察由图像光ml形成的虚像。
47.在该成像光学系统12中，在棱镜反射镜22的光入射面22a的附近配置有关于纵向的中间光瞳ipa(参照图3的区域ar1)。纵向的中间光瞳ipa是指如下部位：来自从影像元件11的显示面11a的中心起在
±
y方向上延伸的纵向的线段上的各个点的图像光ml沿纵向扩展，相互的重叠增加。在棱镜反射镜22的内部配置有关于纵向的中间光瞳ipb(参照图3的区域ar2)。横向的中间光瞳ipb是指如下部位：来自从影像元件11的显示面11a的中心起在
±
x方向上延伸的横向的线段上的各个点的图像光ml沿横向扩展，相互的重叠增加。中间光瞳ipa、ipb配置于视圈er或光瞳位置pp的共轭点。
48.中间像im形成在棱镜反射镜22与透视镜23之间。中间像im形成于比透视镜23靠近棱镜反射镜22的位置。这样，通过在比透视镜23靠近棱镜反射镜22的位置形成中间像im，能够减少透视镜23的放大的负担，从而抑制观察到的虚像的像差。中间像im是形成于比视圈er靠光路上游且与显示面11a共轭的位置的实像，具有与显示面11a上的显示像对应的图案，但不需要清晰地成像，也可以表示像面弯曲、失真等各种像差。
49.图4是棱镜反射镜22的侧方截面。在yz截面上，棱镜反射镜22的光射出面22c成为屈光力或光焦度在作为前侧的 z侧和作为后侧的-z侧不同的折射面。这里，通过最小二乘法等使圆弧或球面与要关注的区域拟合，根据通过该拟合得到的曲率和棱镜反射镜22的主
体的折射率来决定屈光力。
50.在图3所示的离轴型的成像光学系统12中，以偏心的状态配置有透视镜23，入射到透视镜23的上部(头顶部侧)和下部(地面侧)的光线向反射面23a的入射角不同，因此，基于斜向入射的光线放大率产生差异。具体而言，入射到透视镜23的上部的光线l1的斜向入射状态增强，入射到透视镜23的下部的光线l2的斜向入射状态减弱。因此，如果没有特别设计，则关于入射到透视镜23的上部的光线l1，与入射到透视镜23的下部的光线l2相比，光线角度差容易相对变小，成为在纵向上产生放大率的差异的失真较大的光学系统。这里，将形成于影像元件11的显示面11a上的显示像设为预先具有畸变的修正图像，由此，能够减少观察到的虚像的畸变，如果原来的失真较大，则无法避免某种程度的分辨率劣化即画质劣化。
51.另一方面，在本实施方式的情况下，如图4所示，棱镜反射镜22的光射出面22c在yz截面上具有：具有正屈光力的前侧区域r1；和具有负屈光力的后侧区域r2。但是，在图示的例子中，后侧区域r2接近平坦，具有较弱的负屈光力。前侧区域r1、后侧区域r2被包含于隔着包含光轴ax的yz面在光射出面22c上呈对称地延伸的区域ra1、ra2。这里，屈光力是在yz截面上观察时的单一面的屈光力，在近似为球面的情况下，在将到光射出面22c的内侧的光线的光轴的交点或像位置的距离设为s、将棱镜反射镜22的主体的折射率设为n、将到光射出面22c的外侧(即空气中)的光线的光轴的交点或像位置的距离设为s’的情况下，用n/s 1/s’给出屈光力。另外，在虚像形成于光射出面22c的外侧的情况下，距离s为负值。如果光射出面22c的着眼部位朝向外侧为凹面，则焦距表示为负，屈光力也为负。另一方面，如果光射出面22c的着眼部位朝向外侧为凸面，则焦距表示为正，屈光力也为正。在前侧区域r1与后侧区域r2之间存在几乎不具有屈光力的中间区域r3，在中间区域r3上，与屈光力的符号的切换对应地存在拐点ib。根据以上可知，在本实施方式的情况下，光射出面22具有屈光力相对高的前侧区域r1，并且具有屈光力相对低的后侧区域r2。即，在光射出面22c上，前侧区域r1的屈光力比后侧区域r2的屈光力大。其结果是，后侧区域r2相对于通过后侧区域r2的光线的收敛程度比前侧区域r1相对于通过前侧区域r1的光线的收敛程度弱。这样，在前侧区域r1的屈光力比后侧区域r2的屈光力大的情况下，在成像光学系统12中，能够抑制沿着纵向的yz截面产生的倍率差，能够抑制失真的产生，因此关于观察到的虚像，能够提高画质。这里，在光射出面22c的前侧区域r1与后侧区域r2之间设有屈光力之差的理由在于光射出面22c配置于距中间光瞳ipa比较远的位置，在于能够对入射到透视镜23的上部的光线l1和入射到透视镜23的下部的光线l2产生不同的折射作用。并且，在光射出面22c上，使前侧区域r1的屈光力比后侧区域r2的屈光力大，由此产生如抵消在透视镜23的上部(头顶部侧)斜向入射状态增强而光线被放大并被赋予倍率这样的、透视镜23的入射位置引起的影响的作用，容易使入射到透视镜23的上部的光线l1在显示面11a上的光线角度差变得比较大。
52.在棱镜反射镜22的光入射面22a与光射出面22c的连接处，端部的面彼此在接近平行的状态下高度不同。因此，在光入射面22a与光射出面22c之间，设置有形成阶梯差的平坦的连接面22j。光入射面22a和连接面22j的边界j1成为以钝角α1连接的凹陷dp，光射出面22c与连接面22j的边界j2成为以钝角α2连接的突起pr。即，棱镜反射镜22在沿着基准面的yz截面上，在光入射面22a与光射出面22c的边界具有钝角的凹陷dp。
53.以上，前侧区域r1具有正的屈光力，后侧区域r2具有负的屈光力，但本发明不限于此。例如，能够设为前侧区域r1和后侧区域r2均具有正的屈光力、并且前侧区域r1的屈光力
比后侧区域r2的屈光力大的状态。在该情况下，前侧区域r1的凸状较大，后侧区域r2成为接近平面的凸状。
54.如图5所示，将形成于影像元件11的显示面11a上的显示像设为预先具有梯形畸变那样的畸变的修正图像da1。即，成像光学系统12为离轴光学系统112，因此，不容易完全去除梯形畸变那样的失真。因此，使显示于影像元件11的图像具有抵消由投射透镜21、棱镜反射镜22和透视镜23形成的畸变的相反畸变，由此，能够将经由成像光学系统12在光瞳位置pp观察到的虚像的投影像ig1的像素排列设为与原来的显示像da0对应的格子图案，能够使轮廓为矩形。即，影像元件11校正由投射透镜21、棱镜反射镜22和透视镜23形成的失真。其结果是，能够允许透视镜23产生的失真，并且作为包含影像元件11在内的整体，能够抑制像差。由此，棱镜反射镜22等光学要素的配置、尺寸的自由度提高，能够实现显示装置100的小型化并容易地确保显示装置100的光学性能。另外，图示的修正图像da1的纵横比为17：9，投影像ig1或显示像da0的纵横比为16：9，两个纵横之差比较小。即，实施方式的成像光学系统12的失真变得比较小。其结果是，即使使形成于显示面11a的显示像畸变来校正失真，也能够抑制分辨率降低的产生。
55.图6是示出比较例的成像光学系统912的侧方剖视图。该成像光学系统912是具有与图3等所示的成像光学系统12共用的光学要素21、22、23并与成像光学系统12类似的光学系统，但棱镜反射镜22的光射出面22c成为均匀的凸面。即，光射出面22c成为屈光力在作为前侧的 z侧和作为后侧的-z侧大致相等的折射面。在该情况下，入射到透视镜23的上部的光线l1由于斜向入射状态较强而导致光线角度差相对变小，从而na减少，光线的分布变粗，倍率相对增加。
56.图7是说明在图6所示的比较例的成像光学系统912中形成于影像元件11的显示面11a上的显示像的图。在该情况下，也将形成于影像元件11的显示面11a上的显示像设为预先使其具有畸变的修正图像da2。但是，由于光射出面22c是均匀的凸面，所以，图7所示的修正图像da2的畸变比图5所示的修正图像da2的畸变大，纵向即y方向上的倍率差的分布变大。因此，在比较例的成像光学系统912中，与图3等所示的实施方式的成像光学系统12相比，畸变校正的负担增加，观察到的虚像的分辨率下降，产生画质的劣化。另外，图示的修正图像da2的纵横比为20：9，投影像ig1或显示像da0的纵横比为16：9，两个纵横之差较大。即，比较例的成像光学系统912的失真比实施方式的成像光学系统12的失真大。
57.图8是与图4对应的放大侧方剖视图，示出了对棱镜反射镜22的形状施加了变更的例子。在该情况下，在光入射面22a与光射出面22c的连接处设有s字截面的连接面22k。连接面22k是平滑地连结光入射面22a和光射出面22c的曲面，在接近光入射面22a的位置具有拐点ib2，在接近光射出面22c的位置具有凹面区域22m。
58.以上所说明的第1实施方式的显示装置100具有：影像元件11；投射透镜21，其使来自影像元件11的图像光ml通过；棱镜反射镜22，其使从投射透镜21射出的图像光ml从光入射面22a入射，被内反射面22b反射，并从光射出面22c射出；以及透视镜23，其将从棱镜反射镜22射出的图像光ml朝向光瞳位置反射，棱镜反射镜22和透视镜23配置成沿着基准面即yz面将光路弯折而形成离轴光学系统112，在内反射面22b与透视镜23之间形成中间像im，关于基准面，在内反射面22b与透视镜23之间包含光射出面22c作为折射面，光射出面22c在前侧具有屈光力相对较高的前侧区域r1，在后侧具有屈光力相对较低的后侧区域r2。由此，能
够在距中间光瞳ipa较远的位置调整光线的角度，能够针对通过前侧的光线l1抑制产生成像倍率的相对增加，从而减少投影像的失真，抑制画质的劣化。
59.(第2实施方式)
60.以下，对本发明第2实施方式的显示装置等进行说明。另外，第2实施方式的显示装置部分地变更了第1实施方式的显示装置，对共同部分省略说明。
61.参照图9，对第2实施方式的显示装置100进行说明。在本实施方式的显示装置100的情况下，投射透镜21由2个透镜要素21p、21q构成，在棱镜反射镜22与透视镜23之间配置有板状的光学元件28。光学元件28的折射率与棱镜反射镜22的折射率不同。由此，能够在光学元件28与棱镜反射镜22等之间调整折射、色散的程度，例如容易实现消色差。光学元件28的设置于入射侧的第1面28a为平坦，但成为自由曲面，在与yz面平行的纵向上隔着光轴ax具有非对称性，在与yz面垂直的x方向即横向上隔着光轴ax具有对称性。在第1面28a上形成有防反射膜。设置于光学元件28的射出侧的第2面28b为平面，形成有防反射膜。光学元件28是厚度在作为前侧的 z侧增加的楔形棱镜128。即，在将光学元件28的前端28f的厚度设为ta、光学元件28的后端28r的厚度设为tb的情况下，ta》tb的关系成立。另外，关于前端28f、后端28r的厚度，在第1面28a和第2面28b的有效区域中考虑，对沿着光轴ax方向的尺寸进行比较。
62.光学元件28通过与棱镜反射镜22组合而有助于成像，配置于比中间像im靠棱镜反射镜22侧或影像元件11侧的位置。
63.在以上的说明中，将光学元件28的入射侧的第1面28a设为自由曲面、将射出侧的第2面28b设为平面，但也可以将第1面28a设为平面、将第2面28b设为自由曲面。并且，能够将第1面28a和第2面28b均设为自由曲面，能够将第1面28a和第2面28b均设为平面。
64.棱镜反射镜22的光射出面22c是屈光力在作为前侧的 z侧和作为后侧的-z侧不同的折射面。当在光射出面22c上，前侧区域r1是具有正屈光力的面并且后侧区域r2是具有负屈光力的面时，能够使入射到透视镜23的上部的光线l1在显示面11a上的光线角度差变得比较大，能够去除支配性的失真成分。另一方面，根据上述的对光线角度差或倍率差的考虑，产生如下的倾向：针对入射到透视镜23的下部的光线l2，中间像im的位置以接近透视镜23的方式偏移，针对入射到透视镜23的上部的光线l1，中间像im的位置以远离透视镜23的方式偏移。其结果是，即使能够去除支配性的失真成分，也会产生由内反射面22b、投射透镜21根据光射出面22c的修正来调整成像的状态，在与yz面平行的纵向、与其垂直的横向上产生倍率差，产生失真的去除变得不充分的倾向。针对这样的失真减少，延长入射到透视镜23的上部的光线l1的光路是有效的。因此，在棱镜反射镜22的与光射出面22c相对的位置配置前端28f厚、后端28r薄的楔形棱镜128，由此，给出梯形校正那样的效果，能够进一步减少作为整体的失真。
65.针对楔形棱镜128的意义更加详细地进行说明。例如，在图3所示的第1实施方式的成像光学系统12中，在以避开入射到透视镜23的上部的光线l1作为中间像im会聚的点的方式配置光射出面22c的情况下，光射出面22c成为在 z侧位于 y侧那样的倾斜面。在这样的情况下，关于入射到透视镜23的上部的光线l1，光路长度相对减少，其会聚点向远离透视镜23的方向偏移，在入射到透视镜23的上部的光线l1与入射到透视镜23的下部的光线l2之间，倍率差即畸变增加，光学性能即分辨率的提高变得不容易。与此相对，如第2实施方式的
成像光学系统12那样与棱镜反射镜22的光射出面22c相对地配置厚度在作为前侧的 z侧增加的楔形棱镜128，由此针对入射到透视镜23的上部的光线l1能够使光路长度相对地延伸，能够使其会聚点向接近透视镜23的方向偏移。特别是，在楔形棱镜128的折射率比棱镜反射镜22的折射率高的情况下，使上述的光线l1的会聚点向接近透视镜23的方向偏移的效果提高，其结果是，提高成像光学系统12的分辨率变得容易。在本实施方式的情况下，透镜要素21q相对于棱镜反射镜22为高折射率，透镜要素21p相对于透镜要素21q为低折射率。
66.影像元件11、投射透镜21和棱镜反射镜22被支承并固定在壳体51内。壳体51的开口51a被光学元件28密封。即，壳体51以气密或液密的方式密封内部的从影像元件11到棱镜反射镜22的光路空间os，保护影像元件11、投射透镜21等不受灰尘、水滴以及外部空气的影响。
67.以上说明的第2实施方式的显示装置100具有配置在棱镜反射镜22与透视镜23之间的楔形棱镜128，因此，能够抑制由于棱镜反射镜22等引起的失真的产生。
68.图10是说明在图6所示的比较例的成像光学系统912中形成于影像元件11的显示面11a上的显示像的图。在第2实施方式的情况下，将形成于影像元件11的显示面11a上的显示像设为预先使其具有畸变的修正图像da1。但是，通过与棱镜反射镜22的光射出面22c相对地配置楔形棱镜128，图10所示的修正图像da1成为畸变或失真比图5所示的修正图像da1少的图像。因此，在第2实施方式的显示装置100的成像光学系统12中，针对观察到的虚像，分辨率提高，能够进一步减少画质的劣化。
69.图11示出图9所示的显示装置100的变形例。在该情况下，棱镜反射镜22的光射出面22c为平坦，但在楔形棱镜128的第1面28a上，前侧区域r1为关于纵向的yz面具有正屈光力的面，后侧区域r2为关于纵向的yz面具有负屈光力的面。即，第1面28a是前侧区域r1的屈光力比后侧区域r2的屈光力大的折射面。另外，楔形棱镜128的第2面28b为平面。
70.虽然省略图示，但能够在形状上调换图11的楔形棱镜128的第1面28a和第2面28b。即，能够设第1面28a为平面，在第2面28b上，在前侧区域形成关于纵向的yz面具有正屈光力的面，在后侧区域形成关于纵向的yz面具有负屈光力的面。在该情况下，第2面28b是屈光力或光焦度在作为前侧的 z侧和作为后侧的-z侧不同的折射面。或者，能够在第1面28a和第2面28b双方上，在前侧区域形成关于纵向的yz面具有正屈光力的面，在后侧区域形成关于纵向的yz面具有负屈光力的面。
71.图12示出图9所示的显示装置100的另一变形例。在该情况下，棱镜反射镜22的光射出面22c为平坦，但楔形棱镜128的第1面28a关于纵向的yz面，整体上为凸面。以这样的方式在楔形棱镜128上形成凸面，由此，能够使楔形棱镜128具有屈光力，能够调整成像状态。并且，在楔形棱镜128的第1面28a上，前侧区域r1成为关于纵向的yz面具有较强的正屈光力的面，后侧区域r2成为关于纵向的yz面具有较弱的正屈光力的面。即，第1面28a是前侧区域r1的屈光力比后侧区域r2的屈光力大的折射面。另外，楔形棱镜128的第2面28b为平面。
72.虽然省略图示，但能够在形状上调换图12的楔形棱镜128的第1面28a和第2面28b。即，能够将第1面28a设为平面，在第2面28b上，在前侧区域形成关于纵向的yz面具有较强的正屈光力的面，在后侧区域形成关于纵向的yz面具有较弱的正屈光力的面。在该情况下，第2面28b是屈光力或光焦度在作为前侧的 z侧和作为后侧的-z侧不同的折射面。或者，能够在第1面28a和第2面28b双方中，在前侧区域形成关于纵向的yz面具有较强的正屈光力的
面，在后侧区域形成关于纵向的yz面具有较弱的正屈光力的面。
73.图13示出图9所示的显示装置100的又一变形例。在该情况下，棱镜反射镜22的光射出面22c关于纵向的yz面，整体为凸面，楔形棱镜128的第1面28a关于纵向的yz面，整体为凹面。以这样的方式在楔形棱镜128上形成凹面，由此，能够使楔形棱镜128具有屈光力，能够调整成像状态。并且，光射出面22c在前侧区域r1上成为关于纵向的yz面具有较强的正屈光力的面，在后侧区域r2上成为关于纵向的yz面具有较弱的正屈光力的面。即，光射出面22c具有屈光力为正且相对较高的前侧区域r1、以及屈光力为正且相对较低的后侧区域r2。光射出面22c是前侧区域r1的屈光力比后侧区域r2的屈光力大的折射面。另外，楔形棱镜128的第2面28b成为平面。通过将楔形棱镜128的第1面28a设为凹面、第2面28b设为平面，能够使楔形棱镜128轻量化。
74.虽然省略图示，但能够在形状上调换图13的楔形棱镜128的第1面28a和第2面28b。即，能够将第1面28a设为平面、第2面28b设为凹面。或者，能够将第1面28a和第2面28b双方设为凹面。
75.(变形例及其他)
76.以上结合实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，例如也能够进行如下的变形。
77.在上述实施方式的显示装置100中，作为影像元件11，使用了有机el元件等自发光型的显示设备、lcd及其他光调制元件，但也可以代替这些而使用将激光光源和作为多面反射镜等的扫描仪组合而成的激光扫描仪。即，也能够将本发明应用于激光视网膜投影型的头戴显示器。
78.也能够在透视镜23的外界侧安装通过限制透视镜23的透过光来进行调光的调光器件。调光器件例如以电动的方式调整透射率。作为调光器件，可以使用镜面液晶、电子遮光件等。调光器件也可以根据外部光照度来调整透射率。
79.以上，虽然以显示装置100佩戴于头部来使用为前提，但上述显示装置100也能够不佩戴于头部而作为如双筒镜那样窥视的手持显示器来使用。即，在本发明中，头戴显示器也包含手持显示器。
80.具体方式中的显示装置具有：影像元件；投射透镜，其使来自影像元件的图像光通过；棱镜反射镜，其使从投射透镜射出的图像光从光入射面入射进来，被内反射面反射，并从光射出面射出；以及透视镜，其将从棱镜反射镜射出的图像光朝向光瞳位置反射，棱镜反射镜和透视镜配置成沿着基准面将光路弯折而形成离轴光学系统，在内反射面与透视镜之间形成中间像，关于基准面，在内反射面与透视镜之间包含折射面，折射面在前侧具有屈光力相对较高的区域，在后侧具有屈光力相对较低的区域。
81.在上述显示装置中，关于基准面，在内反射面与透视镜之间包含光学面，该光学面在前侧具有屈光力相对较高的区域，在后侧具有屈光力相对较低的区域，因此，能够在距中间光瞳较远的位置调整光线的角度，针对通过上述前侧的光线抑制产生成像倍率的相对增加，从而减少投影像的失真，抑制画质的劣化。
82.在具体方面中，在屈光力高的区域与屈光力低的区域之间具有拐点。
83.在具体方面中，屈光力高的区域具有正的屈光力，屈光力低的区域具有负的屈光力。屈光力高的区域抑制成像倍率的相对增加，屈光力低的区域抑制成像倍率的相对减少。
84.在具体方面中，屈光力高的区域和屈光力低的区域具有正的屈光力。在该情况下，能够使光学面整体上具有正的屈光力，并针对通过上述前侧的光线和通过上述后侧的光线抑制产生成像的倍率差。
85.在具体方面中，折射面是棱镜反射镜的光射出面。在该情况下，能够使棱镜反射镜自身具有减少投影像的失真的功能。
86.在具体方面中，还具有光学元件，该光学元件配置在棱镜反射镜与透视镜之间，具有折射面。在该情况下，在棱镜反射镜中，使配置于射出侧的光学元件具有减少投影像的失真的功能。
87.在具体方面中，光学元件的折射率与棱镜反射镜的折射率不同。能够在光学元件与棱镜反射镜等之间调整折射、色散的程度，例如容易实现消色差。
88.在具体方面中，光学元件是厚度在前侧增加的楔形棱镜。楔形棱镜抑制因棱镜反射镜等引起的失真的产生。
89.在具体方面中，楔形棱镜的折射率比棱镜反射镜的折射率高。在该情况下，容易提高棱镜反射镜的形状的自由度并提高分辨率。
90.在具体方面中，楔形棱镜具有凸面或凹面。以这样的方式在楔形棱镜上形成凸面或凹面，由此能够使楔形棱镜具有屈光力，能够调整成像状态。
91.在具体方面中，棱镜反射镜在沿着基准面的截面上，在光入射面与光射出面的边界具有钝角的凹陷。
92.在具体方面中，基准面在纵向上延伸。在该情况下，构成显示装置的光学要素在纵向上排列，能够防止显示装置的横宽的增大。
93.在具体方面中，从影像元件到棱镜反射镜的光路配置于比透视镜的上端靠上侧的位置。在该情况下，光学单元为上置，能够使显示装置贴合于面部。
94.在具体方面中，棱镜反射镜的与基准面垂直的横向上的宽度比与基准面平行的前后方向上的宽度大。在该情况下，能够较大得确保横向上的视场角。
95.在具体方面中，影像元件校正由投射透镜、棱镜反射镜和透视镜形成的失真。在该情况下，棱镜反射镜等光学要素的配置、尺寸的自由度提高，能够实现显示装置的小型化并容易地确保显示装置的光学性能。
96.具体方式中的显示装置具有：影像元件；投射透镜，其使来自影像元件的图像光通过；棱镜反射镜，其使从投射透镜射出的图像光从光入射面入射进来，被内反射面反射，并从光射出面射出；以及透视镜，其将从棱镜反射镜射出的图像光朝向光瞳位置反射，棱镜反射镜和透视镜配置成沿着基准面将光路弯折而形成离轴光学系统，在内反射面与透视镜之间形成中间像，具有配置在棱镜反射镜与透视镜之间的楔形棱镜。
97.具体方式中的光学单元具有：投射透镜，其使来自影像元件的图像光通过；棱镜反射镜，其使从投射透镜射出的图像光从光入射面入射进来，被内反射面反射，并从光射出面射出；以及透视镜，其将从棱镜反射镜射出的图像光朝向光瞳位置反射，棱镜反射镜和透视镜配置成沿着基准面将光路弯折而形成离轴光学系统，在内反射面与透视镜之间形成中间像，关于基准面，在内反射面与透视镜之间包含折射面，折射面在前侧具有屈光力相对较高的区域，在后侧具有屈光力相对较低的区域。