虛像顯示裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供具有透視功能、廣視角高性能且小型輕量的虛像顯示裝置。通過投射透鏡（30）等在棱鏡（10）的內部形成中間像，并且按照第1次的第3面（S13）、第1次的第1面（S11）、第2次的第3面（S13）、第2次的第1面（S11）及第2面（S12）的順序在3個面以上全反射了的影像光（GL），透過第1面（S11）到達觀察者的眼睛（EY），因此，能夠使棱鏡（10）薄型且光學系統(tǒng)整體小型輕量化，能夠實現(xiàn)廣視角且明亮的高性能的顯示。另外，外界光（HL）能夠通過第1面（S11）和第3面（S13）進行觀察，此時的視度大致為0，因此，能夠降低觀察外界光時的散焦和/或失真。另外，棱鏡的形狀為沿觀察者面部的形狀，能夠使重心也靠近臉部、外觀設計也優(yōu)異。
【專利說明】虛像顯示裝置【技術領域】
[0001]本 發(fā)明涉及將由圖像顯示元件等形成影像呈現(xiàn)給觀察者的虛像顯示裝置，尤其涉及適用于在觀察者的頭部佩戴的頭戴式顯示器的虛像顯示裝置。
【背景技術】
[0002]作為在佩戴于觀察者頭部的頭戴式顯示器(下面也稱為HMD)等虛像顯示裝置中所組裝的光學系統(tǒng)，提出了各種各樣的方案(例如參照專利文獻I到4)。
[0003]對于HMD等虛像顯示裝置，期待其將影像光廣視角化和降低裝置重量。尤其是，減薄觀察者的視軸方向的厚度并使重心接近觀察者對于提升佩戴感是重要的。
[0004]另外，若完全覆蓋觀察者的視野而成為僅能看到影像光的狀態(tài)，則觀察者無法判斷外界的狀態(tài)會產(chǎn)生不安。而且，通過使人重疊觀察外界和影像，產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實這樣的新用途。因而，期望不妨礙外界的視野地重疊顯示影像光的顯示器。
[0005]而且，為了提升觀察者的佩戴感并改良外觀的樣式，通常期望其接近眼鏡的形態(tài)，還期望將影像顯示裝置配置于臉頰而不配置在眼睛的上方。
[0006]為了將影像顯示裝置離開觀察者的眼睛的位置以使得其小型化光學系統(tǒng)且不妨礙視野，只要采用使顯示圖像光在光學系統(tǒng)中一次成像并形成中間像的中繼光學系統(tǒng)，并放大地觀察該中間像即可。
[0007]例如在專利文獻I中，作為中繼光學系統(tǒng)提出了如下系統(tǒng):采用端面成為拋物面鏡的平行平面狀的導光板和投射透鏡，在導光板的內部形成中間像。但是，在專利文獻I的光學系統(tǒng)中，投射透鏡大，妨礙了小型輕量化。
[0008]在專利文獻2中，作為中繼光學系統(tǒng)，提出了具有帶曲面的出射反射面的導光棱鏡和投射透鏡的系統(tǒng)。但是，專利文獻2的光學系統(tǒng)未考慮使觀察者能觀察外界。為了應用該光學系統(tǒng)以觀察外界，必須在按整個棱鏡擴展開的反射面上貼附補償棱鏡后并在接合面設置半透半反鏡，影像光在該半透半反鏡反射2次，因此顯著變暗。
[0009]在專利文獻3中，作為中繼光學系統(tǒng)，提出了具備投射透鏡、凹面鏡和導光板的系統(tǒng)。該光學系統(tǒng)中，通過組合波長板和偏振半透半反鏡來提高反射效率。但是，為了應用專利文獻3的光學系統(tǒng)來觀察外界，必須向凹面鏡貼合補償透鏡，整體上變厚。
[0010]在專利文獻4中，作為中繼光學系統(tǒng)，提出了通過使光路彎折而使全長變短的緊湊集合的系統(tǒng)。但是，在專利文獻4的光學系統(tǒng)中，棱鏡中央的凸部和投射透鏡妨礙了視野。另外，影像光在透過半透半反鏡后折返，在半透半反鏡反射后入射到眼睛中，因此觀察到的影像變暗。
[0011]另外，用導光棱鏡形成虛像的方法中，可以考慮設為例如通過將導光棱鏡設為連結多個棱鏡部分而成的構造、或者將導光棱鏡分割為多個棱鏡部分而構成，從而在多個不同曲面上進行光路的折彎。在該情況下，期待各曲面上的自由度增加，成像性能提高。反之，由于光學設計和/或使用環(huán)境等，在曲面與曲面的接縫和/或切縫外界光被向不期望的方向反射，很可能會產(chǎn)生幻影光。[0012]【現(xiàn)有技術文獻】
[0013]【專利文獻】
[0014]【專利文獻I】日本特許2746697號公報
[0015]【專利文獻2】日本特許3787399號公報
[0016]【專利文獻3】日本特許4218553號公報
[0017]【專利文獻4】日本特許4819532號公報

【發(fā)明內容】

[0018]本發(fā)明的目的是提供具有重疊顯示外界光和影像光的透視功能且廣視角、高性能的小型輕量的虛像顯示裝置。
[0019]本發(fā)明涉及的虛像顯示裝置，使人同時觀看到影像光和外界光，具備:產(chǎn)生影像光的影像元件；和一個棱鏡，其包含3個以上的非軸對稱曲面并且作為光學系統(tǒng)的一部分在內部形成中間像，在通過構成棱鏡的多個面中的第I面和第3面而觀看外界時，視度大致為0，第I面和第3面相對于觀察側呈凹 面形狀，來自影像元件的影像光在第3面全反射、在第I面全反射、在第3面再度全反射、在第I面再度全反射并在第2面反射后，透過第I面到達觀察側。這里，影像光是指通過影像元件等形成的可由眼識別為虛像的光，如上所述，在棱鏡的內部中形成中間像。
[0020]在上述虛像顯示裝置中，通過光學系統(tǒng)等在棱鏡的內部形成中間像，并且按照第3面、第I面、第3面、第I面及第2面的順序反射了的影像光，透過第I面而到達觀察者，因此，能夠使棱鏡薄型且使光學系統(tǒng)整體小型且輕量化，同時實現(xiàn)廣視角且明亮的高性能的顯示。另外，對于外界光，能夠通過第I面和第3面觀察到，此時的視度大致為0，因此，能夠降低以透視方式觀察外界光時的外界光的散焦和/或失真。另外，棱鏡的形狀為沿著觀察者面部的形狀，能夠使重心也靠近臉面并使外觀設計性也優(yōu)異。另外，通過設為在第I面以及第3面分別進行多次全反射的構成，能夠減少在沿著棱鏡的導光路的表面間產(chǎn)生不連續(xù)的部分的情況。從而，能夠避免因在棱鏡的不連續(xù)部分發(fā)生非期望的光的反射等而發(fā)生幻影的情況。
[0021 ] 在本發(fā)明的具體的側面中，在上述虛像顯示裝置中，在以構成光學系統(tǒng)的各面的原點為基準，將面形狀的表達式設為對從原點向切線方向延伸的正交坐標X及I進行多項式展開后的展開式時，將表示第k面的多項式的項Xm-Yn的系數(shù)設為Akm,n，滿足下述(I)到
(3)的條件，
[0022]— 5 X 10 —2 < A I2j0 + A 10,2 < — I X 10 —3 以及
[0023]— 5 X 10 —2 < A 32j0 + A 30j2 <—1X10 —3...(I)
[0024]I A 32j0 - A 30j2 I <5X10 —2…(2)
[0025]I A I2,0 — A 32j0 I <5X10 — 3 以及
[0026]I A 10,2 — A 30,2 I < 5X10 — 3...(3)。
[0027]另外，以上，包含各面的正交坐標X及y的本地坐標(x，y，z)以曲面上的某I點作為原點，在面的法線方向上取z軸，在面的切線方向上取X軸和y軸。曲面的原點例如設為光束中心通過的位置，全部的原點在同一平面(基準面)上。
[0028]在本發(fā)明中，通過使第I面和第3面這兩面向觀察者側呈凹面狀，不僅可觀察到影像光和外界光這雙方，而且通過使這些第I面和第3面成為自由曲面，能夠有效地使用這些曲面形狀的自由度，獲得高畫質的光學系統(tǒng)。表征第I面及第3面的功能即曲面的功能的特征是曲面的曲率，原點附近的曲率主要由系數(shù)Akit^PAkth2 (k=l，3)的值確定，因此適切設定系數(shù)Ak2it^P Akch2的值是很重要的。
[0029]條件(I)規(guī)定原點附近的第I面的曲率和第3面的曲率的大小。這些值Alw，Altl,
2,A32j0,A30j2為負，這表示第I面或第3面相對于觀察者為凹面狀。若超過條件(I)的上限則形狀接近平面，即使外界光的觀察沒有問題，也無法有效地進行影像光的像差校正。另外，若超過條件(I)的下限，則曲率過強，難以進行像差校正并且棱鏡的位置靠近面部，有損佩戴感。
[0030]條件(2)規(guī)定第3面的X軸方向的曲率與y軸方向的曲率的差。若超過條件(2)的上限，則在第3面發(fā)生的非點像差過大，像差校正變得困難。
[0031]條件(3)規(guī)定與X軸方向及y軸方向相關的第I面的曲率與第3面的曲率的差，該差影響棱鏡對于外光的視度。棱鏡的光軸上的X軸方向的視度Dx及y軸方向的視度Dy在棱鏡的厚度設為T且折射率設為N時，
[0032]Dx = 2000 (N— I) (A I2,0 —A 32,0 十(2 T (N— I) / N) X A I2 0X A 32,0)
[0033]Dy = 2000 (N — I) (A 10j2 — A 30j2 (.2 ? (N — I) / N) X A10,2X A30,2)。
[0034]一般，遠視視度的誤差若超過±1D，則產(chǎn)生不愉悅感，因此，棱鏡的視度優(yōu)選抑制為±1D。但是，通過外周部的視度和/或像差的平衡，也有在設計上將光軸上的視度設定在±2D的范圍的情況。光軸上的視度如上式那樣，與棱鏡的厚度和/或折射率也有關系，因此無法僅僅由非球面系數(shù)的值確定，但是系數(shù)只要在滿足條件(3)的范圍內，就能夠將光軸上的視度抑制在±2D的范圍。
[0035]通過將第I面及第3面形成為滿足以上條件(I)~(3)的形狀，能夠良好進行外界光和影像光這雙方的像差校正并獲得優(yōu)良畫質。
[0036]在本發(fā)明的另外其他側面，在第2面上形成半透半反鏡并向觀察者呈現(xiàn)影像光，并且在第2面的外側一體地配置有光透射部件，該光透射部件對于外界光的視度大致為0，將外界光和影像光重疊地向觀察者呈現(xiàn)。該情況下，能夠降低透過第2面觀察到的外界光的散焦和/或失真。 [0037]在本發(fā)明的另外其他側面，光透射部件在觀察者側具有第I透射面和第2透射面并且在外界側具有第3透射面，棱鏡的第2面和光透射部件的第2透射面具有大致相同的曲面形狀，第2面和第2透射面一體化。該情況下，能夠將面彼此接合而一體化，能夠在第I面和第3面?zhèn)确謩e形成連續(xù)的表面。
[0038]在本發(fā)明的另外其他側面，還具備使來自影像元件的影像光入射棱鏡的投射透鏡，至少棱鏡的一部分和投射透鏡構成形成中間像的中繼光學系統(tǒng)。
[0039]在本發(fā)明的另外其他側面，投射透鏡包括軸對稱透鏡，并包含至少I個以上的非球面。
[0040]在本發(fā)明的另外其他側面，棱鏡具有第4面，該第4面將從投射透鏡入射到內部的影像光導向第3面。
[0041]在本發(fā)明的另外其他側面，棱鏡具有:具有第I面、第2面和第3面的光出射側的第I棱鏡部分；和光入射側的第2棱鏡部分,第I棱鏡部分和第2棱鏡部分一體形成。該情況下，能夠在將第I棱鏡部件和第2棱鏡部件一體形成而得的棱鏡內部形成中間像，此時，通過在第I棱鏡部分的第I面和第3面進行多次全反射，能夠降低與影像光的導光相關的面的不連續(xù)部的發(fā)生。
[0042]在本發(fā)明的另外其他側面，第2棱鏡部分具有至少一個以上的光學面，由影像元件、投射透鏡和棱鏡中的至少包含第2棱鏡部分的部分形成中間像。該情況下，至少第2棱鏡部分的光學面作為中繼光學系統(tǒng)的一部分有助于中間像的形成。
[0043]在本發(fā)明的另外其他側面，影像元件是從顯示位置出射影像光的影像顯示元件，投射透鏡和棱鏡中的至少包含第2棱鏡部分的部分，作為中繼光學系統(tǒng)使從影像顯示元件的顯示位置出射的影像光在棱鏡的內部成像并形成中間像。該情況下，投射透鏡等作為中繼光學系統(tǒng)發(fā)揮作用，從而能夠使從映像顯示元件的顯示位置上的各點出射的影像光在棱鏡內再次成像并形成中間像。
[0044]在本發(fā)明的另外其他側面，第I棱鏡部分在第3面中具有對經(jīng)過了第2棱鏡部分的影像光進行第I次全反射的第I區(qū)域和進行第2次全反射的第2區(qū)域，由投射透鏡、第2棱鏡部分和第I棱鏡部分中的包含第I區(qū)域的部分形成中間像。在該情況下，除了投射透鏡和第2棱鏡部分外，第I棱鏡部分的一部分也作為中繼光學系統(tǒng)的一部分有助于中間像的形成。
[0045]在本發(fā)明的另外其他側面，第I及第2棱鏡部分使中間像在第3面中的第I區(qū)域的前后以折返了的狀態(tài)形成。在情況下，能夠使裝置整體緊湊化。
[0046]在本發(fā)明的另外其他側面，第2棱鏡部分具有:與投射透鏡相向配置并供從投射透鏡出射的影像光入射并將該影像光導向第3面的第4面；和與第I棱鏡部分的第3面一起夾著第4面的第5面。該情況下，通過第3面和第5面，根據(jù)入射的影像光，第4面能夠確保足夠的大小和/或朝向。在本發(fā)明的另外其他側面，第I面與第3面的間隔在5_以上且15mm以下。該情況下，通過設為5mm以上，能夠使覆蓋眼前的第I棱鏡的尺寸足夠大，通過設為15mm以下，能夠抑制重量增加的情況。
[0047]在本發(fā)明的另外其他側面，第2面相對于第I面的傾斜角在20°以上且40°以下。該情況下，傾斜角處于上述范圍內，從而易于以適當?shù)姆瓷浯螖?shù)和反射角度將影像光導入眼睛。
[0048]在本發(fā)明的另外其他側面，包含棱鏡的光學系統(tǒng)有在佩戴時覆蓋觀察者眼前的一部分的部分和不覆蓋眼前的部分。
[0049]在本發(fā)明的另外其他側面，影像元件具有:信號光形成部，其出射與圖像相對應地調制后的信號光；和掃描光學系統(tǒng)，其通過使從信號光形成部入射的信號光進行掃描從而將該信號光作為掃描光出射。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]圖1是說明實施方式的虛像顯示裝置的外觀的立體圖。
[0051]圖2是說明虛像顯示裝置的主體構造的立體圖。
[0052]圖3 (A)是構成虛像顯示裝置的第I顯示裝置的主體部分的俯視剖視圖，(B)是主體部分的主視圖。
[0053]圖4是說明第I顯示裝置中的棱鏡中的光學面和光路的剖視圖。[0054]圖5是實施例1的光學系統(tǒng)的說明圖。
[0055]圖6 (A)~(F)是實施例1的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0056]圖7 (A)~(F)是實施例1的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0057]圖8是實施例2的光學系統(tǒng)的說明圖。
[0058]圖9 (A)~(F)是實施例2的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0059]圖10 (A)~(F)是實施例2的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0060]圖11是實施例3的光學系統(tǒng)的說明圖。
[0061]圖12 (A)~(F)是實施例3的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0062]圖13 (A)~(F)是實施例3的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0063]圖14是實施例4的光學系統(tǒng)的說明圖。
[0064]圖15 (A)~(F)是實施例4的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0065]圖16 (A)~(F)是實施例4的光學系統(tǒng)的像差的說明圖。
[0066]圖17是變形例的虛像顯示裝置的說明圖。
[0067]圖18 (A)是說明導光裝置及采用它的虛像顯示裝置的其他一例的立體圖，(B)是主視圖。
[0068]附圖標記說明
[0069]AX1-AX5…光軸，AXI…入射側光軸，ΑΧ0...出射側光軸，EY…眼，
[0070]GL...影像光，HL...外界光，II…中間像的像面，PA…部分區(qū)域，
[0071]S11-S14…第1-第4面，S51-S53…第1-第3透射面，SL...照明光，
[0072]SR…基準面，10…棱鏡，IOe…第I側面(頂面)，IOf…第2側面，
[0073]IOs…主體部分，11，12…棱鏡部分，15…半透半反鏡層，
[0074]30…投射透鏡，31，32，33…透鏡，50…光透射部件，
[0075]70...投射透視裝置，80...圖像顯示裝置，81...照明裝置，
[0076]82…影像顯示元件(影像元件)，84…驅動控制部，
[0077]100…虛像顯示裝置，100Α、100Β…顯示裝置，
[0078]103a、103b…光學部分，101…透視部件，
[0079]102…框架，15…鏡面，CC…粘接層，Pl…第I區(qū)域，P2…第2區(qū)域【具體實施方式】
[0080]下面一邊參照圖1等一邊就本發(fā)明涉及的虛像顯示裝置的第I實施方式詳細地進行說明。
[0081]A.虛像顯示裝置的外觀
[0082]如圖1所示，本實施方式的虛像顯示裝置100是具有眼鏡那樣的外觀的頭戴式顯示器，其對于佩戴該虛像顯示裝置100的觀察者或使用者使其能夠觀看虛像的圖像光，并且能夠以透視方式使觀察者觀看或觀察到外界像。虛像顯示裝置100具備:覆蓋觀察者眼前的透視部件101 ;對透視部件101進行支撐的框部102 ;和在從框部102的左右兩端的罩部到后方的鏡腿部分(鏡腿)104的部分所附加的第I及第2內置裝置部105a、105b。這里，透視部件101是覆蓋觀察者的眼前的厚壁的彎曲光學部件(透過眼罩)，其分為第I光學部分103a和第2光學部分103b。組合在圖面上左側的第I光學部件IOla和第I內置裝置部105a而成的第I顯示裝置100A是形成右眼用的虛像的部分，即使單獨也作為虛像顯示裝置發(fā)揮功能。另外，組合在圖面上右側的第2光學部件IOlb和第2內置裝置部105b而成的第2顯示裝置100B，是形成左眼用的虛像的部分，即使單獨也作為虛像顯示裝置發(fā)揮功能。
[0083]B.顯示裝置的構造
[0084]如圖2、圖3 (A)、3 (B)等所示，第I顯示裝置100A具備投射透視裝置70和圖像顯示裝置80。其中，投射透視裝置70具備導光部件即棱鏡10、光透射部件50和成像用的投射透鏡30。棱鏡10和光透射部件50通過接合而一體化，例如以棱鏡10的頂面IOe和框架61的底面6Ie接觸的方式，牢牢固定在框架61的下側。投射透鏡30經(jīng)由容納其的鏡筒62固定在棱鏡10的端部。投射透視裝置70中的棱鏡10和光透射部件50與圖1中的第I光學部分103a相當，投射透視裝置70中的投射透鏡30和圖像顯示裝置80與圖1中的第I內置裝置部105a相當。另外，圖1所示的第2顯示裝置100B具有與第I顯示裝置100A同樣的構造，僅僅是左右顛倒，因此省略對第2顯示裝置100B的詳細說明。
[0085]投射透視裝置70中的棱鏡10是在俯視沿面部彎曲的圓弧狀的部件，可以考慮將其分為接近鼻子的中央側的第I棱鏡部分11和從鼻子離開的周邊側的第2棱鏡部分12。第I棱鏡部分11配置在光出射側，作為具有光學功能的側面而具有第I面S11、第2面S12和第3面S13，第2棱鏡部分12配置在光入射側，作為具有光學功能的側面而具有第4面S14，作為不具有光學功能的側面而具有第5面S15。其中，第2面S12在第I面Sll與第3面S13之間配置。第4面S14在與第3面S13鄰接而相對于第I面Sll隔著第5面S15隔離的狀態(tài)下，與投射透鏡30相向地配置。另外，棱鏡10具有與第I?第5面Sll?S15鄰接并相互相向的第I側面IOe和第2側面IOf0
[0086]棱鏡10中，第I面Sll是以與Z軸平行的出射側光軸AXO為中心軸或基準軸的自由曲面，第2面S12是以包含于與XZ面平行的基準面SR且相對于Z軸傾斜的光軸AXl為中心軸或基準軸的自由曲面，第3面S13是以出射側光軸AXO為中心軸或基準軸的自由曲面。第4面S14是以包含于與XZ面平行的基準面SR且相對于Z軸傾斜的光軸即入射側光軸AXI為中心軸或基準軸的自由曲面。另外，以上的第I?第4面Sll?S14具有如下形狀:夾著沿水平(或橫向)延伸且與XZ面平行且供光軸AXl?AX5等通過的基準面SR，關于鉛垂(或縱向)的Y軸方向對稱。
[0087]棱鏡10用在可見區(qū)域顯現(xiàn)高光透射性的樹脂材料形成，例如通過在模具內注入熱塑性樹脂并使其固化來成形。此外，作為棱鏡10的本體部分IOs是一體形成品，但也可以考慮將本體部分IOs分成第I棱鏡部分11和第2棱鏡部分12。第I棱鏡部分11能夠進行影像光GL的導波及出射，并且能夠進行外界光HL的透視。第2棱鏡部分12能夠進行影像光GL的入射及導波。
[0088]在第I棱鏡部分11中，第I面Sll作為使影像光GL向第I棱鏡部分11外出射的折射面發(fā)揮作用，并且作為以內面?zhèn)仁褂跋窆釭L全反射的全反射面發(fā)揮作用。第I面Sll是配置在眼睛EY正面的面，相對于觀察者呈凹面形狀。此外，第I面Sll也能夠為了防止表面的損傷并防止影像的分辨率降低而用硬涂層來覆蓋本體部分10s。該硬涂層通過在主體部分IOs的基底面上通過浸涂處理或噴涂處理使包含樹脂等的涂敷劑成膜而形成。
[0089]第2面S12具有半透射半反射鏡層15。該半透射半反射鏡層15是具有光透射性的反射膜(即半透射半反射膜)。半透射半反射鏡層(半透射半反射膜)15不是在第2面S12的整體而是其部分區(qū)域PA上形成的。也就是說，半透射半反射鏡層15在使第2面S12擴展的整體部分QA主要關于鉛垂方向收窄了的部分區(qū)域PA上形成。更加詳細而言，該部分區(qū)域PA配置在關于鉛垂的Y軸方向的中央側，關于沿水平基準面S的方向大致整體地配置。半透射半反射鏡層15通過在本體部分IOs的基底面中的部分區(qū)域PA上成膜金屬反射膜和/或電介質多層膜而形成。半透射半反射鏡層15相對于影像光GL的反射率，從使得基于透視對外界光HL的觀察變得容易的觀點出發(fā)，在所預想的影像光GL的入射角范圍內設為10%以上且50%以下。具體實施例的半透射半反射鏡層15對于影像光GL的反射率例如設定為20%，對于影像光GL的透射率例如設定為80%。
[0090]第3面S13作為在內面?zhèn)仁褂跋窆釭L全反射的全反射面發(fā)揮作用。此外，第3面S13為了防止表面的損傷并防止影像的分辨率降低也能夠用硬涂層來覆蓋本體部分10s。第3面S13是在眼睛EY正面配置的面，與第I面Sll同樣地相對于觀察者呈凹面形狀，在通過第I面Sll和第3面S13觀察外界光HL時，視度大致為O。另外，對于第3面S13上的影像光GL的全反射，可以考慮將其分為使經(jīng)第4面S14后的影像光GL全反射(第I次全反射)的第I區(qū)域Pl和使經(jīng)第I面Sll后的影像光GL全反射(第2次全反射)的第2區(qū)域P2。
[0091]第4面S14起到使影像光GL向第2棱鏡部分12內入射的折射面的功能。另外，第4面S14為了防止表面的損傷并防止影像的分辨率降低，也能夠由硬涂層覆蓋主體部分10s，但是也能夠取代硬涂層或者在硬涂層上進一步覆蓋反射防止膜17。
[0092]第5面S15是連結第I面Sll和第4面S14的面，如上所述，是不具有光學功能的面。因而，即使與其他面Sll?S14比較，表面精度差些亦可，例如也可以形成適度粗糙的面以防止漫反射。第5面S15與第3面S13協(xié)同夾著第4面S14，但處于可在第4面S14中相對于影像光GL的入射角度確保足夠范圍的面積的狀態(tài)。
[0093]光透射部件50與棱鏡10 —體地固定。光透射部件50是輔助棱鏡10的透視功能的部件(輔助棱鏡)，作為具有光學功能的側面而具有第I透射面S51、第2透射面S52和第3透射面S53。這里，在第I透射面S51與第3透射面S53之間配置第2透射面S52。第I透射面S51處于棱鏡10的第I面Sll延伸所成的曲面上，第2透射面S52是通過粘接層CC與該第2面S12接合而一體化的曲面，第3透射面S53處于棱鏡10的第3面S13延伸所成的曲面上。其中，第2透射面S52和棱鏡10的第2面S12通過接合而一體化，因此具有大致相同曲率的形狀。
[0094]光透射部件(輔助棱鏡)50由在可視范圍內呈現(xiàn)高的光透過性并具有與棱鏡10的主體部分IOs大致相同的折射率的樹脂材料形成。光透射部件50通過例如熱塑性樹脂的成型而形成。
[0095]投射透鏡30被保持在鏡筒62內，圖像顯示裝置80固定在鏡筒62的一端。棱鏡10的第2棱鏡部分12與保持投射透鏡30的鏡筒62連結，間接地支撐投射透鏡30及圖像顯示裝置80。棱鏡10的光入射側與投射透鏡30等一起被遮光部件63覆蓋。棱鏡10上端部或下端部也被遮光部件63覆蓋。在棱鏡10的周邊，能夠設置防止外光入射棱鏡10的追加遮光部。遮光部能夠由例如遮光性的涂裝和/或光散射層構成。
[0096]投射透鏡30沿著入射側光軸AXI具有例如3個透鏡31、32、33。各透鏡31、32、33是軸對稱透鏡，至少一個以上具有非球面。投射透鏡30為了使從圖像顯示裝置80出射的影像光GL再成像，而使其經(jīng)由棱鏡10的第4面S14入射棱鏡10內。即，投射透鏡30是用于使從影像顯示元件82的像面(顯示位置)OI上的各點出射的影像光或圖像光在棱鏡10內再成像的中繼光學系統(tǒng)。另外，棱鏡10的各面中，部分光入射側的面通過與投射透鏡30協(xié)動而起到中繼光學系統(tǒng)的一部分的功能。
[0097]圖像顯示裝置80具備:出射2維照明光SL的照明裝置81 ;透過型的空間光調制裝置即影像顯示元件82 ;和控制照明裝置81及影像顯示元件82的工作的驅動控制部84。
[0098]圖像顯示裝置80的照明裝置81具備:發(fā)生包含紅、綠、藍這3種色光的光源81a ；和使來自光源81a的光擴散而形成矩形截面的光束的背光導光部81b。影像顯示元件82是由例如液晶顯示器件形成的影像元件，空間地調制來自照明裝置81的照明光SL以形成應該成為運動圖像等顯示對象的影像光。驅動控制部84具備光源驅動電路84a和液晶驅動電路84b。光源驅動電路84a向照明裝置81的光源81a供給電力以使其出射穩(wěn)定的輝度的照明光SL。液晶驅動電路84b通過向影像顯示元件(影像元件)82輸出圖像信號或驅動信號，作為透過率圖案，形成成為運動圖像和/或靜止圖像源的彩色圖像光。另外，能夠使液晶驅動電路84b具有圖像處理功能，也能夠使外接控制電路具有圖像處理功能。
[0099]C.影像光等的光路
[0100]下面，關于虛像顯示裝置100中的影像光GL等的光路進行說明。
[0101]從影像顯示元件(影像元件)82射出的影像光GL —邊通過投影透鏡30而會聚一邊入射在棱鏡10的第2棱鏡部分12所設置的具有比較強的正折射力的第4面S14。
[0102]通過棱鏡10的第4面S14后的影像光GL —邊會聚一邊前行，在通過第I棱鏡部分11時，在具有比較弱的正折射力的第3面S13 (更詳細為第I區(qū)域Pl)全反射(第I次在第3面S13全反射)，并在具有比較弱的負折射力的第I面Sll全反射(第I次在第I面Sll全反射)。
[0103]在第I面Sll反射了的影像光GL在第I棱鏡部分11中，再次入射第3面S13(更詳細為第2區(qū)域P2)并全反射(第2次在第3面S13全反射)，再次入射第I面Sll并全反射(第2次在第I面Sll全反射)。另外，影像光GL在第I次通過第3面S13前后，在棱鏡10中形成中間像。換言之，從影像顯示元件82出射的影像光GL的中間像由投射透鏡30、第2棱鏡部分12和第I棱鏡部分11中的包含第I區(qū)域Pl的部分形成。該中間像的像面II與影像顯示元件82的像面(顯示位置)OI相對應，但因第3面S13而折返。
[0104]在第I面Sll第2次全反射后的影像光GL入射到第2面S12，尤其是入射于半透射半反射鏡層15的影像光GL —邊部分透射該半透射半反射鏡層15 —邊部分反射而再次入射第I面Sll并通過。此外，半透射半反射鏡層15作為相對于在這里反射的影像光GL具有比較強的正折射力的部件發(fā)揮作用。另外，第I面Sll作為相對于在此通過的影像光GL具有負折射力的面發(fā)揮作用。
[0105]通過了第I面Sll的影像光GL作為大致平行光束入射于觀察者的眼睛EY的瞳孔。也就是，觀察者通過作為虛像的影像光GL對在影像顯示元件82上形成的圖像進行觀察。
[0106]另一方面，外界光HL中的入射于比棱鏡10的第2面S12靠+X側的外界光，通過第I棱鏡部分11的第3面S13和第I面SI I，此時正負折射力抵消并且像差被校正。也就是，觀察者透過棱鏡10觀察到失真少的外界像。同樣地，外界光HL中的入射于比棱鏡10的第2面S12靠-X側的外界光、也就是入射于光透射部件50的外界光，在通過在此處所設置的第3透射面S53和第I透射面S51時，正負的折射力抵消并且像差被校正。也就是，觀察者透過光透射部件50觀察到失真少的外界像。而且，外界光HL中的入射于與棱鏡10的第2面S12相對應的光透射部件50的外界光，在通過第3透射面S53和第I面Sll時正負的折射力抵消并且像差被校正。也就是，觀察者透過光透射部件50觀察到失真少的外界像。此夕卜，棱鏡10的第2面S12和光透射部件50的第2透射面S52都具有大致相同的曲面形狀、都具有大致相同的折射率、且兩者之間的間隙用大致相同折射率的粘接層CC來填充。也就是，棱鏡10的第2面S12和/或光透射部件50的第2透射面S52相對于外界光HL不作為折射面起作用。
[0107]但是，入射于半透射半反射鏡層15的外界光HL，一部分透射該半透射半反射鏡層15并且一部分在該半透射半反射鏡層15反射，所以來自與半透射半反射鏡層15相對應的方向的外界光HL相對于半透射半反射鏡層15的透射率減弱。另一方面，影像光GL從與半透射半反射鏡層15相對應的方向入射，所以觀察者沿半透射半反射鏡層15的方向觀察到在影像顯示元件82上所形成的圖像和外界像。
[0108]在棱鏡10內傳播并入射于第2面S12的影像光GL中的沒有在半透射半反射鏡層15反射的光，入射于光透射部件50內，通過在光透射部件50所設置的未圖示的反射防止部防止其返回棱鏡10。也就是，防止了通過第2面S12的影像光GL返回光路上而成為雜散光的情況。另外，從光透射部件50側入射而在半透射半反射鏡層15反射了的外界光HL，返回光透射部件50，通過在光透射部件50所設置的上述未圖示的反射防止部防止其射出到棱鏡10。也就是，防止了在半透射半反射鏡層15反射了的外界光HL返回光路上而成為雜散光的情況。
[0109]D.光學面和光路的規(guī)定方法
[0110]圖4是棱鏡10中的光軸AXl?AX5和本地坐標的說明圖。在以下的說明中，考慮光學系統(tǒng)的評價和表達的方便，從觀察者的眼睛EY朝向圖像顯示裝置80的影像顯示元件82沿逆行方向來規(guī)定光學面和光路。在實際的光學系統(tǒng)中，影像顯示元件82發(fā)出的光依次通過投射透鏡30和棱鏡10而達到眼睛EY，但是在該狀態(tài)下難以進行光學系統(tǒng)的評價。因此，設為來自無限遠光源的光通過處于眼睛EY的位置的光圈進入棱鏡10，通過投射透鏡30在影像顯示元件82成像，進行評價、設計，以下詳述的光學系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也按該順序顯示。另夕卜，對于與棱鏡10接合而一體使用的光透射部件50，它是將棱鏡10的形狀延伸而形成的，省略說明。
[0111]圖示的棱鏡10中，第I面Sll的光軸與出射側光軸AXO—致，第I面Sll的本地坐標(X, y, Z)與整體坐標(X, Y, Z)是并進關系并在第I面Sll上具有原點。即,本地坐標的z方向在出射側光軸AXO上成為前行方向(光線的逆行方向)，本地坐標的y方向與整體坐標的Y方向平行。在以后的各面中，本地坐標的I方向與整體坐標的Y方向平行。
[0112]第2面S12的光軸相對于出射側光軸AXO適當傾斜，第2面S12的本地坐標相對于整體坐標繞Y軸適當旋轉并并進并在第2面S12上具有原點。第2面S12的本地坐標的z方向為出射側光軸AXO與從第2面S12朝向第I面Sll的光束中心的光軸AXl的中間方向。
[0113]第3面S13的光軸與出射側光軸AXO —致，第3面S13的本地坐標與整體坐標是并進關系并在第3面S13的延伸面即第3透射面S53上具有原點。[0114]以上，從第2面S12朝向第I面Sll的光束中心的光軸AXl與從第I面Sll朝向第3面S13的光束中心的光軸AX2的中間方向，與第I面Sll上的光束中心(光軸AXl與AX2的交點)處的第I面Sll的法線方向一致。另外，從第I面Sll朝向第3面S13的光束中心的光軸AX2與從第3面S13朝向第I面Sll的光束中心的光軸AX3的中間方向，與第3面S13上的光束中心(光軸AX2與AX3的交點)處的第3面S13的法線方向一致。
[0115]在從第3面S13再次朝向第I面Sll的光路中，該光路的本地坐標與前行方向(光線的逆行方向)相對應。即，從第3面S13朝向第I面Sll的本地坐標的z方向與光束中心的光軸AX3 —致，該本地坐標的y方向與整體坐標的Y方向平行。另外，通過在第I面Sll將光束中心的光軸AX3進一步折返，從而光束中心的光軸AX4延伸，通過在第3面S13將光束中心的光軸AX4進一步折返，從而光束中心的光軸AX5延伸。
[0116]第4面S14的光軸與將光軸AX3在第I面Sll及第3面S13折返后的光軸AX5 —致，與從圖像顯示裝置80延伸的入射側光軸AXI —致。第4面S14的本地坐標與整體坐標具有并進關系，在第4面S14上具有原點。
[0117]以上，關于沿著光線的逆行方 向研究的結果為，對于光線的前行方向，從像面OI上的中心出射的影像光的光束中心即入射側光軸AXI沿著以上的各光軸AX5~AXl連結到出射側光軸ΑΧ0，到達觀察者的眼睛EY。
[0118]E.光學面的期望的特征
[0119]棱鏡10的第I面Sll的形狀利用第I面Sll的本地坐標(X，y，z)用
[0120]ζ=Σ {Alm,n-(Xm-Yn)1- (4)來表示，
[0121]其中Alnun是多項式展開后的第m.η項的系數(shù)，m、n是O以上的整數(shù)。
[0122]棱鏡10的第2面S12的形狀利用第2面S12的本地坐標(x，y，z)用
[0123]z=X{A2m,n-(Xm-Yn)1- (5)來表示，
[0124]其中AZnbn是多項式展開后的第m.η項的系數(shù)。
[0125]棱鏡10的第3面S13的形狀利用第3面S13的本地坐標(x，y，z)用
[0126]z=X{A3m,n-(Xm-Yn)1- (6)來表示，
[0127]其中ASnbn是多項式展開后的第m.η項的系數(shù)。
[0128]本實施例中，棱鏡10的第I~第3面Sll~S13滿足
[0129]— 5X10 2 <A I2j0 + A 10j2 < — 1X10 3 以及
[0130]— 5X10 —2 <A 32,q+A 3。,2 <— 1X10 —3…(I)
[0131]I A 32j0 - A 30j2 I <5X10 —2…(2)
[0132]I A 12,0 — A 32,0 I < 5X10 —3 以及
[0133]I A 10j2 — A 30j2 I < 5X10 — 3...(3)
[0134]這3個條件。通過設定第I~第3面Sll~S13的形狀以滿足這3個條件，能夠良好進行外界光HL與影像光GL這兩方的像差補正，獲得優(yōu)良畫質。
[0135]棱鏡10的第I面Sll與第3面S13的間隔為5mm以上且15mm以下。另外，第2面S12相對于第I面Sll的傾斜角為20°以上且40°以下。
[0136]本實施方式的虛像顯示裝置100中，通過投射透鏡30等在棱鏡10的內部形成中間像，同時按照第1次的第3面S13、第1次的第I面S11、第2次的第3面S13、第2次的第I面Sll及第2面S12的順序在3個面以上全反射了的影像光GL，透過第I面Sll到達觀察者的眼睛EY，因此，能夠使棱鏡10薄型且使光學系統(tǒng)整體小型且輕量化，同時實現(xiàn)廣視角且明亮的高性能的顯示。另外，對于外界光HL，能夠例如通過第I面Sll和第3面S13進行觀察，此時的視度大致為0，因此，能夠降低以透視方式觀察外界光HL時外界光HL的散焦和/或失真。另外，棱鏡10的形狀為沿著觀察者面部的形狀，能使重心也靠近面部且外觀設計也優(yōu)異。另外，在所述實施方式中，通過設為在第I面Sll及第3面S13分別進行多次全反射的構成，降低在棱鏡10中在與導光相關的面上產(chǎn)生不連續(xù)的部分。從而，能夠避免因在棱鏡的不連續(xù)部分發(fā)生的對非期望光的反射等而發(fā)生幻影的情況。
[0137]實施例
[0138]以下，說明在本發(fā)明涉及的虛像顯示裝置中所組裝的投射透視裝置的實施例。各實施例中使用的記號匯總如下。
[0139]SPH:瞳孔
[0140]FFSk:自由曲面(棱鏡中的k=面編號)
[0141]ASPk:軸對稱非球面(投射光學系統(tǒng)中的k=面編號)
[0142]SPH:球面或平面(保護玻璃表面)
[0143]R:曲率半徑
[0144]T:軸上面間隔
[0145]Nd:光學材料對d線的折射率
[0146]Vd:光學材料的與d線相關的阿貝數(shù)
[0147]TLY:特定面的橫截面(XZ截面)上的光軸的傾斜角度(° ) (TLY有時在特定面的前后變化)
[0148]DCX:特定面的橫截面(XZ截面)上的X軸方向的光軸的偏移量
[0149](實施例1)
[0150]構成實施例1的投射透視裝置中的棱鏡及投射透鏡的光學面的數(shù)據(jù)如下表I所示。另外，例如FFSl是指第I面Sll，F(xiàn)FS2是指第2面S12，F(xiàn)FS3是指第3面S13，另外，ASPl是指投射透鏡的第I透鏡的出射面，ASP2是指第I透鏡的入射面。
[0151](表I)
[0152]
【權利要求】
1.一種虛像顯示裝置，其特征在于，使人同時觀看到影像光和外界光，具備: 產(chǎn)生影像光的影像元件；和 一個棱鏡，其包含3個以上的非軸對稱曲面并且作為光學系統(tǒng)的一部分在內部形成中間像， 在通過構成所述棱鏡的多個面中的第I面和第3面而觀看外界時，視度大致為O， 所述第I面和所述第3面相對于觀察側呈凹面形狀， 來自所述影像元件的影像光在所述第3面全反射、在所述第I面全反射、在所述第3面再度全反射、在所述第I面再度全反射并在第2面反射后，透過所述第I面到達觀察側。
2.根據(jù)權利要求1所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 在以構成所述光學系統(tǒng)的各面的原點為基準，將面形狀的表達式設為對從原點向切線方向延伸的正交坐標X及I進行多項式展開后的展開式時，將表示第k面的多項式的項xm.Yn的系數(shù)設為Akm,n，滿足下述(I)到(3)的條件， —5X10 2 <A I2j0 + A 10j2 < — 1X10 3 以及
—5X10 —2 <A 32j0 + A 30j2 <— 1X10 —3...(I)
IA 32,0 —A 30,2 I < 5X10 —2...(2)
IA I2j0-A 32j0 I < 5X10 — 3 以及
IA 10j2 —A 30,2 I < 5X10 — 3...(3)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 在所述第2面上形成半透半反鏡并向觀察者呈現(xiàn)影像光，并且在所述第2面的外側一體地配置有光透射部件，該光透射部件對于外界光的視度大致為0，將外界光和影像光重疊地向觀察者呈現(xiàn)。
4.根據(jù)權利要求3所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述光透射部件在觀察者側具有第I透射面和第2透射面并且在外界側具有第3透射面，所述棱鏡的第2面和所述光透射部件的第2透射面具有大致相同的曲面形狀，所述第2面和所述第2透射面一體化。
5.根據(jù)權利要求1到4中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 還具備使來自所述影 像元件的影像光入射所述棱鏡的投射透鏡， 至少所述棱鏡的一部分和所述投射透鏡構成形成中間像的中繼光學系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求5所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述投射透鏡包括軸對稱透鏡，并包含至少I個以上的非球面。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述棱鏡具有與所述投射透鏡相向配置的第4面，該第4面供從所述投射透鏡出射的影像光入射并將其導向所述第3面。
8.根據(jù)權利要求1到7中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述棱鏡具有:具備所述第I面、所述第2面和所述第3面的光出射側的第I棱鏡部分；和光入射側的第2棱鏡部分，所述第I棱鏡部分和所述第2棱鏡部分一體形成。
9.根據(jù)權利要求8所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第2棱鏡部分具有至少一個以上的光學面，由所述影像元件、所述投射透鏡和所述棱鏡中的至少包含所述第2棱鏡部分的部分形成中間像。
10.根據(jù)權利要求9所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述影像元件是從顯示位置出射影像光的影像顯示元件， 所述投射透鏡和所述棱鏡中的至少包含所述第2棱鏡部分的部分，作為所述中繼光學系統(tǒng)使從所述影像顯示元件的顯示位置出射的影像光在所述棱鏡的內部成像并形成中間像。
11.根據(jù)權利要求9或10所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第I棱鏡部分在所述第3面中具有對經(jīng)過了所述第2棱鏡部分的影像光進行第I次全反射的第I區(qū)域和進行第2次全反射的第2區(qū)域， 由所述投射透鏡、所述第2棱鏡部分和所述第I棱鏡部分中的包含所述第I區(qū)域的部分形成中間像。
12.根據(jù)權利要求11所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第I及第2棱鏡部分使中間像在所述第3面中的所述第I區(qū)域的前后以折返了的狀態(tài)形成。
13.根據(jù)權利要求8到12中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第2棱鏡部分具有:與所述投射透鏡相向配置并供從所述投射透鏡出射的影像光入射并將其導向所述第3面的第4面；和與所述第I棱鏡部分的所述第3面一起夾著所述第4面的第5面。
14.根據(jù)權利要求1到13中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第I面與所述第3面的間隔在5mm以上且15mm以下。
15.根據(jù)權利要求1到14中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第2面相對于所述第I面的傾斜角在20°以上且40°以下。
16.根據(jù)權利要求1到15中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 包含所述棱鏡的所述光學系統(tǒng)有在佩戴時覆蓋觀察者眼前的一部分的部分和不覆蓋眼前的部分。
17.根據(jù)權利要求1到16中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述影像元件具有:信號光形成部，其出射與圖像相對應地調制后的信號光；和掃描光學系統(tǒng)，其通過使從所述信號光形成部入射的信號光進行掃描從而將該信號光作為掃描光出射。
【文檔編號】G02B27/01GK103984098SQ201410048313
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權日:2013年2月13日
【發(fā)明者】小松朗, 戶谷貴洋, 武田高司, 高木將行, 宮尾敏明 申請人:精工愛普生株式會社