JP2015072437A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【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】導光部材１０が複数の非軸対称な曲面を含むことで、装置全体として広画角であり、かつ、小型軽量なものしている。また、映像光についての中間像の像面ＩＩの位置上でのボケ量が大きくなる（例えば、映像素子の像面の位置上でのボケ量よりも１０倍より大きくなっている）ように曲面形成等がなされている。これにより、中間像の近くにおいて、導光部材の表面の傷や埃、汚れ等があったり、導光部材１０の内部にゴミや気泡等があったりする場合においても、これらが拡大されて目立ってしまって映像品質を落とす、といった事態を回避し、高性能なものとなっている。
【選択図】図４

Description

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。

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１〜３参照）。

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。

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。

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。

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。

しかし、リレー光学系を用いて中間像を形成する場合、その中間像の近くにおいて、光学部材の表面の傷や埃、汚れなどがあると、観察者にはこれらが拡大されて見えることになるため、非常に映像品質を落とすという問題がある。また、プリズム等の光学部材の内部に中間像が形成されている場合であっても、光学部材の材料の中にあるゴミや気泡等がある、或いは、経年劣化により光学部材中に局所的に変色等が生じると、これらが拡大され、表示品質を落としてしまう可能性もある。

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、重いため、顔の横に設置することができず、ＨＭＤ全体が大きくなる。また、中間像が導光板の表面に掛かっているため、傷や汚れが拡大表示されてしまう。

特許文献２では、リレーレンズ光学系を用い、軽量化した光学系が提案されている。この光学系の場合、中間像は、レンズの間の空間に形成されるため、ゴミや傷等が見えることは考えにくい。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、外観を大きく損なうことになる。また、投射レンズも、構成枚数が多く、全長も長くなっている。さらに、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。

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、瞳孔間距離の個人差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。

特開平２−２９７５１６号公報 特開平７−１３４２６４号公報 特開平７−１５１９９３号公報

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。

本発明に係る第１の虚像表示装置は、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、観察者の眼に到達し、観察者に映像を提示する。本虚像表示装置は、観察者の眼が配置される位置として想定される入射瞳の位置から、虚像の任意の１点に向けて、映像光の進行方向に対して逆行させた光束に関して、映像素子の近傍を除く全範囲の各位置における光束の広がり幅が、映像素子上の光束の広がり幅より大きくなっている。なお、本明細書において、光束とは、光線の集まり（光線束）を意味する。
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、光束の広がり幅とは、映像光の進行に対して入射瞳より逆行させた光線を追跡し、当該光線の各面上での広がり度合についての分布を算出した結果に基づいて特定されるものとする。また、映像光の進行に対して逆行させた光束に関して、映像素子の近傍を除く全範囲とは、光束の広がり幅が急速に狭くなる映像素子上やのその近辺領域以外の部分を意味し、例えば導光部材において光束が通過する範囲全体、或いは、導光部材と映像素子との間に投射レンズ等の光学系を含む場合であれば導光部材に加え当該投射レンズの一部において光束が通過する範囲全体を言う。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。

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、広画角で高性能の表示を実現することができる。また、映像素子近傍以外の場所における光束の広がり幅が、映像素子の近傍での光束の広がり幅より大きくなっている。これにより、例えば中間像の近く等において、導光部材の表面の傷や埃、汚れ等があったり、導光部材の内部にゴミや気泡等があったりする場合においても、これらが拡大されて目立ってしまい映像品質を落とす、といった事態を回避することができる。

本発明の別の側面では、導光部材が、映像光と外界光とを視認させ、第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、シースルーで外界光を観察する際の外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。

本発明のさらに別の側面では、入射瞳の位置から映像光の進行に対して逆行する光線を入射させ、映像素子上に結像した光束の広がりを評価するに際して、光軸に直交する任意の位置の面上における光束の広がり幅Ｗが、入射瞳の位置から逆光線追跡されたｎ本の光線についての各像面上での位置（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…，（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）に対し、以下の式

ただし、

で与えられるものとする場合に、映像素子の近傍を除く全範囲における光束の広がり幅Ｗａと、映像素子の像面の位置上での光束の広がり幅Ｗｂとについて、全ての画角範囲内において、
１０Ｗｂ＜Ｗａ
が成り立つ。この場合、導光部材の全体において、ゴミや気泡等が発生による画像の劣化を抑制することができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、複数の画素で構成される映像表示素子であり、映像素子の像面の位置上での広がり幅は、画素のサイズに対応した値である。

本発明のさらに別の側面では、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ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡｋ_ｍ，ｎとして、下記（１）から（３）までの条件を満足する。
−１０^−１ ＜ Ａ１_０，２ ＋ Ａ１_２，０ ＜ １０^−２ 及び
−１０^−１ ＜ Ａ３_０，２ ＋ Ａ３_２，０ ＜ １０^−２ … （１）
｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜ ＜ １０^−１ 及び
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜ ＜ １０^−１ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜ ＜ １０^−２ 及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜ ＜ １０^−２ … （３）
ここで、各面の直交座標ｘ及びｙを含むローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、曲面上のある１点を原点としており、面の法線方向にｚ軸、面の接線方向にｘ軸とｙ軸とをとっており、当該ローカル座標において、曲面形状が規定されている。曲面の原点は、例えば光束中心が通る位置とする。

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Ａｋ_２，０及びＡｋ_０，２（ｋ＝１，３）の値によって決まるので、係数Ａｋ_２，０及びＡｋ_０，２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ため、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（１）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。

条件（２）は、第１面と第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（２）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。

条件（３）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）（Ａ１_２，０−Ａ３_２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_２，０×Ａ３_２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_０，２−Ａ３_０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_０，２×Ａ３_０，２）
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。

第１面及び第３面を、条件（１）〜（３）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。

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。

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。

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、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。

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、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。この場合、導光部材に加え、投射レンズにおいても、非軸対な収差を補正する機能を持たせることができる。

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。

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。

本発明に係る第２の虚像表示装置は、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、映像光の光束を光軸方向に沿った方向のうちの１つである第１方向について切断したときの光軸方向に関して映像光が最も集光する第１集光位置と、第１方向に直交する第２方向について切断したときの光軸方向に関して映像光が最も集光する第２集光位置とが、中間像の像面の光軸方向に関する位置からそれぞれ離間しており、第１集光位置から第２集光位置までの距離の長さが、第１集光位置における第１方向に関する光束の幅と第２集光位置における第２方向に関する光束の幅とを合わせた長さよりも大きい。

上記虚像表示装置では、第１方向について最も集光する第１集光位置と第２方向について最も集光する第２集光位置とが、互いに十分な距離をもって集光度合いの高い位置のうち代表的に特定された中間像の像面の位置からそれぞれ離間している。これは、いわば非点隔差が発生していることに相当する。この場合、結果として中間像の位置上での光束の広がりがある程度存する構成となり、例えば中間像の近くにおいて、導光部材の表面の傷や埃、汚れ等があったり、導光部材の内部にゴミや気泡等があったりする場合においても、これらが拡大されて目立ってしまい映像品質を落とす、といった事態を回避することができることになる。

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。 （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。 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。 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。 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。 中間像の位置の近傍における部分光束について概念的に示す斜視図である。 （Ａ）は、光束の広がり幅に関して一例を示すグラフであり、（Ｂ）は、（Ａ）に関する一部拡大図であり、（Ｃ）は、（Ａ）に関する他の一部拡大図である。 実施例１の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例１の光学系のうち映像素子の基準位置上での収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例１の光学系のうち中間像の位置上での収差を説明する図である。 実施例２の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例２の光学系のうち映像素子の基準位置上での収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例２の光学系のうち中間像の位置上での収差を説明する図である。 実施例３の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例３の光学系のうち映像素子の基準位置上での収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例３の光学系のうち中間像の位置上での収差を説明する図である。 実施例４の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例４の光学系のうち映像素子の基準位置上での収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例４の光学系のうち中間像の位置上での収差を説明する図である。 実施例５の光学系を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例５の光学系のうち映像素子の基準位置上での収差を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、実施例５の光学系のうち中間像の位置上での収差を説明する図である。 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。 変形例の虚像表示装置を説明する図である。 （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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

投射レンズ３０は、構成要素として、入射側光軸ＡＸＩに沿って３つの光学素子（レンズ）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。

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。

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。

なお、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。

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。

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。

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。

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。

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。

第２導光部分１２において、第５面Ｓ１５は、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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、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。なお、図示の中間像の像面ＩＩは、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４までにかけての映像光の光路上において形成されるが、これ以外の位置に形成される場合もあり、本実施形態では、第２面Ｓ１２から第５面Ｓ１５までにかけての映像光の光路上において形成されるものとする。この場合、中間像の像面ＩＩを挟んで光学系の前段側と後段側とでのサイズ的なバランスを維持して光学系全体として小さくすることができる。

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。

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。

ここで、本実施形態の導光部材１０等を含む光学部材のように、リレー光学系として用いて中間像を形成する場合に関して、一般には、その中間像の近くにおいて、光学部材の表面に傷や埃、汚れなどがあったり、光学部材の内部にゴミや気泡等があったり、或いは、経年劣化により光学部材中に局所的に変色等が生じたりすると、通過する映像光に大きな影響を与え、観察者にはこれらが拡大されて見えることになり、映像品質が落ちてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、かかる事態を回避すべく、導光部材１０の光路中における中間像の像面ＩＩの位置での光束の広がり（映像光を構成する各部分光束の広がり具合）を十分大きくする構成となっている。すなわち、中間像やその付近であっても、映像光を構成する各部分光束が集光しすぎないようにしている。これにより、導光部材１０の光路中のうち少なくとも中間像の像面ＩＩの付近においてゴミ等が発生しても、眼の位置において目立たないようにして画像に与える影響を抑制することができる。なお、広がり量等に関して詳しくは、後述する。

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。

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。

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。

図５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。

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。

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に向けての光束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。

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。

以上により、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ１１上の光束中心（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に向けての光束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ１３上の光束中心（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。

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。

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に向けての光束中心の光軸ＡＸ３と、第４面Ｓ１４から第５面Ｓ１５に向けての光束中心の光軸ＡＸ４との２等分線となっている。

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に向けての光束中心の光軸ＡＸ４と、第５面Ｓ１５から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ５との２等分線となっている。

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｛Ａ１_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （４）
ここで、Ａ１_ｍ，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。

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｛Ａ２_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （５）
ここで、Ａ２_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

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｛Ａ３_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （６）
ここで、Ａ３_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

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 ＜ Ａ１_０，２ ＋ Ａ１_２，０ ＜ １０^−２ 及び
−１０^−１ ＜ Ａ３_０，２ ＋ Ａ３_２，０ ＜ １０^−２ … （１）
｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜ ＜ １０^−１ 及び
｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜ ＜ １０^−１ … （２）
｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜ ＜ １０^−２ 及び
｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜ ＜ １０^−２ … （３）
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。

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。

また、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補正のために設けられたものである。

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｛Ａ４_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （７）
ここで、Ａ４_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

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｛Ａ５_ｍ，ｎ・（ｘ^ｍ・ｙ^ｎ）｝ … （８）
ここで、Ａ５_ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。

なお、本実施形態では、上式（７）及び（８）で表される第４面Ｓ１４の曲面形状が、方向によって曲率の符号が異なる曲率異符号点を少なくとも１つ含む曲率異符号面となっている。

以下、像面ＯＩの位置の広がり幅と、中間像の像面ＩＩを含む光路のうち近傍を除く全範囲における光束の光路中の各位置における広がり幅とについて示し、これらに基づいて広がり幅を比較する。ここで、広がり幅とは、光軸に直交する任意の位置の面上における光束の広がり具合を示す指標であり、例えば映像表示素子８２における１つの画素として射出され１つの映像画素として認識されるべき部分光線束（部分光束）についての中間像の像面ＩＩの位置上や映像表示素子８２の像面ＯＩ等の各位置上での広がり具合を示す量を意味する。なお、映像表示素子８２から射出される光に基づく画像にボケがないようにするにあたっては、光線の１つの部分光束についての映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅が、画素のサイズに対応した値すなわち画素ピッチの幅以下であることが望ましい。光束断面の範囲の広がり具合が画素のサイズ以下に収まっていれば、映像光は、実質的にボケのない画像となる。

各位置上での広がり幅は、映像光の進行に対して逆行させた光線についての分布を算出した結果に基づいて特定されるものとする。すなわち、瞳の位置である眼ＥＹの位置から映像光の進行に対して逆行するように入射させ、入射させた光線を追跡し、各位置上での広がり度合に基づいて比較を行うことで、映像光の広がり幅を規定するものとする。数値を求める具体的な一例として、ここでは、入射させた光線について、各位置での光束の広がり幅を表す指標として、眼ＥＹの位置から逆光線追跡されたｎ本（ｎ：自然数）の光線の各位置（ｘ_１，ｙ_１）、（ｘ_２，ｙ_２）、…、（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）に対し、広がり幅Ｗを、以下の式

ただし、

で与えるものとする。ここで、上記ｎ本の光線は、偏って選択されたものとならないように、入射瞳面の範囲内から平均的に抽出されるものとする。上式（９）は、光線の平均的な位置に対する各光線のｘ方向及びｙ方向についてのズレの度合を示す標準偏差に相当する値の一種となっている。上式（９）で表される広がり幅Ｗのうち、例えば図５において破線で示す範囲ＰＰ（映像表示素子８２やその周辺の投射レンズ３０のうち映像表示素子８２側に配置されたレンズの辺り）のような導光部材１０から離間した映像表示素子８２の像面ＯＩの近傍を除く全範囲における光束の広がり具合を示す広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での光束の広がり具合を示す広がり幅Ｗｂに対し、全ての画角範囲内において、
１０Ｗｂ＜Ｗａ
が成り立つものとなっている。すなわち、映像素子から観察者の瞳に至る全範囲で光束の広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅Ｗｂの１０倍よりも大きくなっている。光路上の広がり幅が大きくなっていることによって、仮に、導光部材１０中の中間像の位置やその付近にある程度の大きさのゴミや傷等が生じても、それらが作る虚像はぼけている。すなわち、各部分光束が集中せず、ある程度の広がりを持っている状態が維持されている。これにより、像面ＩＩの位置やその付近にゴミや傷等があったとしても、画像の観察時に受ける影響を抑制するものとなる。

ここで、上述した虚像表示装置１００では、導光部材１０を薄型でありながら所望の収差補正をすべく非軸対称な曲面を複数有する構成とすることに伴って、第１方向（ｘ方向）についての映像光の集光位置と第２方向（ｙ方向）についての映像光の集光位置とが、中間像の像面ＩＩの位置からそれぞれ離間しているとみることもできる。いわば、非点隔差に相当するものが発生している。この結果として、虚像表示装置１００は、中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅が小さくならない構成となっている。

以下、映像光ＧＬの集光位置の観点から、中間像の像面ＩＩの位置とその近辺における光学系の特徴について説明する。図６は、中間像の像面ＩＩの位置やその近傍における部分光束の様子について示す図であり、図５等に示す光軸ＡＸ２，ＡＸ３について展開して概念的に示した斜視図である。なお、図６は、光軸ＡＸ３（あるいは光軸ＡＸ２）の近傍について示すものであり、像面ＩＩについては、この光軸に垂直な面として示されているものとする。すなわち、像面ＩＩは、ｘｙ面に平行な面である。また、図６では、光軸ＡＸ３（ＡＸ２）の軸上の位置によって各面の位置を示すものとする。例えば、像面ＩＩの位置は、光軸ＡＸ３上の位置ＰＸによって示されているものとする。

以下、図６を参照してより具体的に説明すると、例えば中間像の像面ＩＩの位置ＰＸにおいて、映像光ＧＬのうち光軸ＡＸ３の付近を通過する成分の１つである部分光束が、断面ＤＸに示すような状態にあるものとする。すなわち、映像光ＧＬの各部分光束は、像面ＩＩにおいて完全に一点に像を結ぶものではなく、ある程度の広がりを持った状態で集光している。これは、上記のような非軸対称な光学系において不可避的に発生する非点収差に相当する収差が存在するためである。従って、中間像の像面ＩＩは、光路中のうち、映像光ＧＬを構成する各部分光束が最も集光する位置を示すものとも言える。言い換えると、中間像の像面ＩＩにおける断面ＤＸの広がり具合が、映像表示素子８２の近傍を除く全ての他の光路上において、最小の値（面積）をとるものとなっている。これは、上式（９）の値が極小値をとることに相当する。

また、この場合、各部分光束において、光軸方向に沿った方向のうちの１つである第１方向（ｘ方向）について切断したときに最も幅が狭くなる、すなわちｘ方向について最も集光する位置が、中間像の像面ＩＩの位置ＰＸとは一致せず、ずれた位置となる。同様に、第１方向（ｘ方向）に直交する第２方向（ｙ方向）について切断したときにｙ方向について最も集光する位置も、像面ＩＩの位置ＰＸからずれた位置となる。ここでは、図示のように、第１集光位置Ｐ１が中間像の像面ＩＩの位置ＰＸよりも眼ＥＹの位置（図５等参照）に近い側にあり、第２集光位置Ｐ２が中間像の像面ＩＩの位置ＰＸよりも映像表示素子８２の像面ＯＩの位置（図５等参照）に近い側にあるものとする。また、像面ＩＩの位置ＰＸに示す光軸ＡＸ３の付近での映像光ＧＬの部分光束の断面ＤＸに対応して、図示のように、第１集光位置Ｐ１での映像光ＧＬの部分光束の断面を断面Ｄ１とし、第２集光位置Ｐ２での映像光ＧＬの部分光束の断面を断面Ｄ２とした場合、断面Ｄ１が、第１方向（ｘ方向）について短い縦長の形状を有し、断面Ｄ２が、第２方向（ｙ方向）について短い横長の形状を有しているものとする。なお、図示のように、断面Ｄ１のｘ方向についての幅を幅ＸＤ１とし、ｙ方向についての幅を幅ＹＤ１とする。同様に、断面Ｄ２のｘ方向についての幅を幅ＸＤ２とし、ｙ方向についての幅を幅ＹＤ２とする。この場合、映像表示素子８２の近傍を除く全ての光路上において、断面Ｄ１のｘ方向の幅ＸＤ１が、部分光束の断面についてｘ方向の最小の値をとり、断面Ｄ２のｙ方向の幅ＹＤ２が、部分光束の断面についてｙ方向の最小の値をとるものとなる。

さらに、ここでは、第１集光位置Ｐ１から第２集光位置Ｐ２までの光軸ＡＸ３（ＡＸ２）に沿った距離の長さｄが、幅ＸＤ１の値と幅ＹＤ２の値との和よりも大きいものとなっている。すなわち、
ｄ＞ＸＤ１＋ＹＤ２
であるものとする。このように、非点隔差に相当する値を示す長さｄが、第１方向（ｘ方向）に関する光束の幅の最小値である幅ＸＤ１の値や第２集光位置Ｐ２における第２方向（ｙ方向）に関する光束の幅の最小値である幅ＹＤ２の値に対して十分大きな値となっていることは、中間像の位置上での広がり幅がある程度存することを意味する。すなわち、中間像の近くにおいて、例えば導光部材１０の表面の傷や埃、汚れ等があったり、導光部材１０の内部にゴミや気泡等があったりする場合においても、これらが拡大されて目立ってしまい映像品質を落とす、といった事態を回避することができることになる。

以上のように、本実施形態では、映像光についての中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅が大きくなる（例えば、映像素子の像面の位置上での広がり幅よりも１０倍より大きくなっている）ように曲面形成等がなされている。これにより、中間像の近くにおいて、導光部材の表面の傷や埃、汚れ等があったり、導光部材１０の内部にゴミや気泡等があったりする場合においても、これらが拡大されて目立ってしまって映像品質を落とす、といった事態を回避することができるものとなっている。

図７は、上述した光路上の各位置における光束の広がり具合を示す広がり幅Ｗ等に関して具体的な一例を示すグラフである。図７は、上述した虚像表示装置の一実施例において像高０に位置における広がり幅Ｗ等に関して示すものであり、図７（Ａ）は、光路全体における広がり幅Ｗと、Ｘ方向に関する広がり幅Ｗｘと、Ｙ方向に関する広がり幅Ｗｙとを示している。また、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のうち映像表示素子８２の像面ＯＩ及びその近辺について一部拡大して示すものであり、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のうち中間像の像面ＩＩ及びその近辺について一部拡大して示すものである。図７（Ａ）〜７（Ｃ）において、横軸は、映像光の光軸上の光路に沿った位置を示している。具体的には、眼ＥＹの位置をゼロとして、眼ＥＹの位置から映像表示素子８２の像面ＯＩまでの位置を示している。縦軸は、各位置における光線のボケ量すなわち広がり具合を示しており、ここでは、既述のように、眼ＥＹの位置から光線を逆行させたものに関して示すものとする。また、横軸の位置の単位は、ｍｍであり、縦軸の広がり幅の単位はμｍである。なお、図７（Ｂ）及び７（Ｃ）において、広がり幅の目盛りについては、拡大率に合せて図７（Ａ）のものから適宜変更されている。図中において、実線で示す曲線ＣＸは、各位置における広がり幅Ｗの値を示し、破線で示す曲線Ｃ１は、広がり幅Ｗのうちｘ方向に関する成分（ｘ方向の広がり幅Ｗｘ）についての値を示し、一点鎖線で示す曲線Ｃ２は、広がり幅Ｗのうちｙ方向に関する成分（ｙ方向の広がり幅Ｗｙ）についての値を示す。すなわち、曲線ＣＸは、上述した広がり幅Ｗについての上式（９）から求まる値を各位置において算出した結果を示す曲線であり、曲線Ｃ１は、上述した上式（９）の広がり幅Ｗのうち、ｙ成分を削除した式から求まる値を各位置において算出した結果を示す曲線であり、曲線Ｃ２は、上述した上式（９）の広がり幅Ｗのうち、ｘ成分を削除した式から求まる値を各位置において算出した結果を示す曲線である。この場合、曲線ＣＸは、映像表示素子８２の近傍に対応する左側の一部を除いて広がり幅Ｗａの値の推移を示すものとなっており、映像表示素子８２の像面ＯＩを示す部分において広がり幅Ｗｂの値を示すものとなる。また、この場合、各曲線ＣＸ，Ｃ１，Ｃ２の極小点ＭＮ，ＭＮ１，ＭＮ２は、図６に示す中間像の位置ＰＸ、第１集光位置Ｐ１及び第２集光位置Ｐ２にそれぞれ対応して、各位置において極小値をそれぞれとるものとなっている。例えば、曲線ＣＸの極小点ＭＮは、広がり幅Ｗａが最小値Ｗｍｉｎをとる位置を示しており、曲線Ｃ１，Ｃ２の極小点ＭＮ１，ＭＮ２は、広がり幅Ｗｘ，Ｗｙの最小値Ｗｘｍｉｎ，Ｗｙｍｉｎをとる位置をそれぞれ示している。これらを比較すると、映像表示素子８２の像面ＯＩの近傍を除く全範囲の各位置における光束の広がり幅Ｗａと、映像表示素子８２の像面ＯＩ位置上での光束の広がり幅Ｗｂとについて、
１０Ｗｂ＜Ｗａ
が成り立っていることが分かる。具体的には、広がり幅Ｗａのうち最小値Ｗｍｉｎをとる極小点ＭＮの位置である中間像の像面ＩＩにおいても、広がり幅Ｗａのうち最小値Ｗｍｉｎの値が１７０μｍ程度となっている（図７（Ｃ）参照）。これに対して、映像表示素子８２の像面ＯＩでは、広がり幅Ｗｂの値が４．３μｍ程度となっている（図７（Ｂ）参照）。つまり、広がり幅Ｗａと広がり幅Ｗｂとでは常に１０倍以上の優位に大きな差があると言える。このように、例えば導光部材１０全体といった映像表示素子８２の像面ＯＩの近傍を除く範囲において、十分な広がり幅を有するすなわち広がり幅Ｗｂの値に対して広がり幅Ｗａの最小値Ｗｍｉｎの値が十分大きな値であることで、導光部材１０のどこにゴミや気泡等が発生しても、これによる画像の劣化を抑制することができる。なお、中間像の像面ＩＩの位置での広がり幅Ｗａの値である最小値Ｗｍｉｎが、広がり幅Ｗｂの値に対して十分大きな値であることで、導光部材１０のうち特に集光しやすい傾向にある中間像の像面ＩＩの位置においてゴミや気泡等が発生しても、これによる画像の劣化を抑制することができることが示されていることになる。

また、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。特に、第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３以外の面である第４面Ｓ１４等が、方向によって曲率が異なっている点が存在する曲面となっていることにより、導光部材１０を小型のものとし、延いては虚像表示装置１００全体の小型化、軽量化を図ることができるものとなっている。

また、以上では、導光部材１０において、２面以上の非軸対称な曲面を有するものとなっており、上記の例では、第１面や第３面を含めた各面が非軸対称な曲面となっている。ただし、光学的機能を十分果たすものであれば、全ての面を非軸対称な曲面とする必要はなく、詳しくは後述するが、例えば第２面Ｓ１２と、光入射面等の第４面Ｓ１４以降の面とが非軸対称な曲面であり、第１面Ｓ１１や第３面Ｓ１３が平面（あるいは略平面）である場合（実施例４）も想定され得る。

〔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

（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

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

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Ａｋ_ｍ，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Ａｋ_ｍ，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Ａｋ_ｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘ^ｍ・ｙ^ｎ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。

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。

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。

図８は、実施例１の投射透視装置７０の断面図である。ただし、光束については、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。

図９（Ａ）〜９（Ｉ）は、実施例１の光学系のうち映像表示素子８２の基準位置である像面ＯＩの位置上での収差を示している。つまり、各図で示す収差量は、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。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。なお、縦軸の１目盛りの大きさは１０ミクロンである。具体的には、図９（Ａ）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（Ｂ）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（Ｃ）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９（Ｄ）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９（Ｅ）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９（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。図９（Ｇ）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（Ｈ）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（Ｉ）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）〜１０（Ｉ）は、実施例１の光学系のうち中間像の位置上での収差を示している。なお、Ｘ方向の方位及びＹ方向の方位については、図９（Ａ）〜９（Ｉ）の場合に対応している。また、図９と同様に、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。なお、縦軸の１目盛りの大きさは１００ミクロンである。

例えば、図９に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗｂの値と図１０に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗａの値とを比較した場合に、中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅Ｗｂの１０倍よりも大きくなっている。

（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

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

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Ａｋ_ｍ，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

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。

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。なお、本実施例では、第５面Ｓ１５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。

図１２（Ａ）〜１２（Ｉ）は、実施例２の光学系のうち映像表示素子８２の基準位置である像面ＯＩの位置上での収差を示している。つまり、各図で示す収差量は、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。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１２（Ａ）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１２（Ｂ）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１２（Ｃ）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１２（Ｄ）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１２（Ｅ）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１２（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。図１２（Ｇ）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１２（Ｈ）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１２（Ｉ）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１３（Ａ）〜１３（Ｉ）は、実施例２の光学系のうち中間像の位置上での収差を示している。なお、Ｘ方向の方位及びＹ方向の方位については、図１２（Ａ）〜１２（Ｉ）の場合に対応している。

例えば、図１２に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗｂの値と図１３に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗａの値とを比較した場合に、中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅Ｗｂの１０倍よりも大きくなっている。

（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

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

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Ａｋ_ｍ，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

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。

図１４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１４の実施例３は、図８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。なお、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。

図１５（Ａ）〜１５（Ｉ）は、実施例３の光学系のうち映像表示素子８２の基準位置である像面ＯＩの位置上での収差を示している。つまり、各図で示す収差量は、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。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１５（Ａ）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１５（Ｂ）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１５（Ｃ）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１５（Ｄ）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１５（Ｅ）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１５（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。図１５（Ｇ）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１５（Ｈ）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１５（Ｉ）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１６（Ａ）〜１６（Ｉ）は、実施例３の光学系のうち中間像の位置上での収差を示している。なお、Ｘ方向の方位及びＹ方向の方位については、図１５（Ａ）〜１５（Ｉ）の場合に対応している。

例えば、図１５に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗｂの値と図１６に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗａの値とを比較した場合に、中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅Ｗｂの１０倍よりも大きくなっている。

（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１７参照）は、光軸に対して非対称な非球面となっている。また、表１５において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋ_ｍ，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の最初のレンズ面である第１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。

図１７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となっている。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。

図１８（Ａ）〜１８（Ｉ）は、実施例４の光学系のうち映像表示素子８２の基準位置である像面ＯＩの位置上での収差を示している。つまり、各図で示す収差量は、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。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１８（Ａ）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１８（Ｂ）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１８（Ｃ）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（Ｄ）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（Ｅ）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（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。図１８（Ｇ）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１８（Ｈ）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１８（Ｉ）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１９（Ａ）〜１９（Ｉ）は、実施例４の光学系のうち中間像の位置上での収差を示している。なお、Ｘ方向の方位及びＹ方向の方位については、図１８（Ａ）〜１８（Ｉ）の場合に対応している。

例えば、図１８に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗｂの値と図１９に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗａの値とを比較した場合に、中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅Ｗｂの１０倍よりも大きくなっている。

実施例４の場合、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが互いに平行な平面の構成となっていることで、シースルーの観点で見た場合に、外界光について、視度０とすることができ、特に、倍率を裸眼状態と異ならない状態に維持して視認させることができる。この際、投射レンズ３０が、少なくとも１面の非軸対称非球面（レンズ面３１ａ）を含んでいる。これにより、導光部材１０に加え、投射レンズ３０においても、収差補正の機能を持たせて、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とが平行な平面であっても必要な収差の補正をすることができる。

（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 ∞

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

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Ａｋ_ｍ，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２０参照）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。
〔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

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。

図２０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。

図２１（Ａ）〜２１（Ｉ）は、実施例５の光学系のうち映像表示素子８２の基準位置である像面ＯＩの位置上での収差を示している。つまり、各図で示す収差量は、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。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２１（Ａ）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（Ｂ）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（Ｃ）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２１（Ｄ）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２１（Ｅ）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２１（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。図２１（Ｇ）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（Ｈ）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（Ｉ）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）〜２２（Ｉ）は、実施例５の光学系のうち中間像の位置上での収差を示している。なお、Ｘ方向の方位及びＹ方向の方位については、図２１（Ａ）〜２１（Ｉ）の場合に対応している。

例えば、図２１に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗｂの値と図２１に示す収差でのスポットダイアグラムに関して上述した広がり幅Ｗの式（９）に従って算出した値すなわち広がり幅Ｗａの値とを比較した場合に、中間像の像面ＩＩの位置上での広がり幅Ｗａが、映像表示素子８２の像面ＯＩの位置上での広がり幅Ｗｂの１０倍よりも大きくなっている。

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〕

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〕

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）（Ａ１_２，０−Ａ３_２，０＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_２，０×Ａ３_２，０）
Ｄｙ＝２０００（Ｎ−１）（Ａ１_０，２−Ａ３_０，２＋（２Ｔ（Ｎ−１）／Ｎ）×Ａ１_０，２×Ａ３_０，２）
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〕

また、以下の表２４に、各実施例１〜５について、広がり幅Ｗに関連する数値として、映像表示素子８２の像面ＯＩの各位置（例えば実施例１では、図９（Ａ）〜９（Ｆ）に対応する位置）上での広がり幅Ｗｂと、中間像の像面ＩＩの各位置（例えば実施例１では、図１０（Ａ）〜１０（Ｆ）に対応する位置）上での広がり幅Ｗａとについての値をまとめた。いずれの実施例においても、広がり幅Ｗａが広がり幅Ｗｂの１０倍より大きくなっていることが分かる。すなわち、比率Ｗａ／Ｗｂの値が１０よりも大きくなっている。また、各実施例において、広がり幅Ｗｂの値が十分小さくボケに伴う光束断面の範囲の広がり具合が画素のサイズ以下に収まっていることで、実質的にボケのない画像が形成される。
〔表２４〕

図２３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。

〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

具体的には図２４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。

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。

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。

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２５（Ａ）及び２５（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２５（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。

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。

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。

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。

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。

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。

ＡＸ１−ＡＸ５…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、 ２０…導光装置、 ３０…投射レンズ、 ３１，３２，３３…レンズ、 ３１ａ…レンズ面、 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）、 ＯＩ…像面、 ８４…駆動制御部、 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…接着層、 ＣＸ，Ｃ１，Ｃ２…曲線、 Ｄ１…断面、 Ｄ２…断面、 ＤＸ…断面、 Ｐ１…第１集光位置、 Ｐ２…第２集光位置、 Ｗ，Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｘ，Ｗｙ…広がり幅、 ＸＤ１，ＸＤ２，ＹＤ１，ＹＤ２…幅

Claims (11)

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、観察者の眼に到達し、観察者に映像を提示する虚像表示装置であって、
   観察者の眼が配置される位置として想定される入射瞳の位置から、映像の任意の１点に向けて、映像光の進行方向に対して逆行させた光束に関して、前記映像素子の近傍を除く全範囲の各位置における光束の広がり幅が、前記映像素子上の光束の広がり幅より大きくなっている、虚像表示装置。
2. 前記導光部材は、観察者が前記第１面と前記第３面とを透過して外界を視認したときに、外界光に対する視度を略０とするような面形状で構成されている、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記入射瞳の位置から映像光の進行に対して逆行する光線を入射させ、前記映像素子上に結像した光束の広がりを評価するに際して、光軸に直交する任意の位置の面上における光束の広がり幅Ｗが、前記入射瞳の位置から逆光線追跡されたｎ本の光線についての各像面上での位置（ｘ_１，ｙ_１），（ｘ_２，ｙ_２），…，（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）に対し、以下の式
   

   

   ただし、
   

   

   で与えられるものとする場合に、
   前記映像素子の近傍を除く全範囲の各位置における光束の広がり幅Ｗａと、前記映像素子の像面の位置上での光束の広がり幅Ｗｂとについて、全ての画角範囲内において、
   １０Ｗｂ＜Ｗａ
   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。
4. 前記映像素子は、複数の画素で構成される映像表示素子であり、
   前記映像素子の像面の位置上での広がり幅は、前記画素のサイズに対応した値である、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。
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ｘ^ｍ・ｙ^ｎの係数をＡｋ_ｍ，ｎとして、下記（１）から（３）までの条件を満足する、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 ＜ Ａ１_０，２ ＋ Ａ１_２，０ ＜ １０^−２ 及び
   −１０^−１ ＜ Ａ３_０，２ ＋ Ａ３_２，０ ＜ １０^−２ … （１）
   ｜Ａ１_２，０−Ａ１_０，２｜ ＜ １０^−１ 及び
   ｜Ａ３_２，０−Ａ３_０，２｜ ＜ １０^−１ … （２）
   ｜Ａ１_２，０−Ａ３_２，０｜ ＜ １０^−２ 及び
   ｜Ａ１_０，２−Ａ３_０，２｜ ＜ １０^−２ … （３）
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。
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備え、
   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１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 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備え、
   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１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 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８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 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９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 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、
    映像光の光束を光軸方向に沿った方向のうちの１つである第１方向について切断したときの光軸方向に関して映像光が最も集光する第１集光位置と、前記第１方向に直交する第２方向について切断したときの光軸方向に関して映像光が最も集光する第２集光位置とが、前記中間像の像面の光軸方向に関する位置からそれぞれ離間しており、
    前記第１集光位置から前記第２集光位置までの距離の長さが、前記第１集光位置における前記第１方向に関する光束の幅と前記第２集光位置における前記第２方向に関する光束の幅とを合わせた長さよりも大きい、虚像表示装置。

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