虛像顯示裝置制造方法

虛像顯示裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供具有透視功能、廣視角高性能的小型輕量的虛像顯示裝置。通過投影透鏡（30）等在棱鏡（10）內部形成中間像，并且按第1次的第3面（S13）、第1次的第1面（S11）、第2次的第3面、第2次的第1面以及第2面（S12）的順序在3個面以上全反射了的影像光（GL），透射第1面而到達觀察者的眼睛（EY），所以使棱鏡小型且輕量，并且以廣視角實現明亮高性能的顯示。另外，能夠通過第1面和第3面觀察到外界光（HL），此時的視度大致為0，所以能夠降低以透視方式觀看外界光時的散焦和/或失真。另外，棱鏡的形狀為沿著觀察者面部的形狀，能夠使重心也接近面部而設計性優異。
【專利說明】虛像顯示裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及將由圖像顯示元件等所形成的影像示出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，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、使重心接近觀察者這一點，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，則觀察者無法判斷外界的狀態會產生不安。而且，通過使外界和影像重疊被觀察，產生虛擬現實這樣的新用途。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、改良外觀的樣式，通常期望其接近眼鏡的形態，期望將影像顯示裝置配置于面部的橫側而不配置在眼睛的上方。
[0006]為了使得光學系統小型化且不妨礙視野地使得影像顯示裝置離開觀察者的眼睛的位置，可以采用使顯示圖像光暫時在光學系統中成像而形成中間像的中繼光學系統、放大地觀看該中間像。
[0007]例如在專利文獻I中，作為中繼光學系統提出了如下系統:采用端面成為拋物面鏡的平行平面狀的導光板和投影透鏡，在導光板的內部形成中間像。但是，在專利文獻I的光學系統中，投影透鏡大，妨礙了小型輕量化。
[0008]在專利文獻2中，作為中繼光學系統，提出了具有曲面的出射反射面的導光棱鏡和投影透鏡的系統。但是，專利文獻2的光學系統未考慮使觀察者能觀看外界。為了應用該光學系統以觀看外界，必須在擴展于整個棱鏡的反射面上貼附補償棱鏡、在接合面設置半透射半反射鏡，通過該半透射半反射鏡面使得影像光反射2次，因此顯著變暗。
[0009]在專利文獻3中，作為中繼光學系統，提出了具備投影透鏡、凹面鏡和導光板的系統。該光學系統中，通過組合波長板和偏振半透射半反射鏡來提高反射效率。但是，為了應用專利文獻3的光學系統來觀看外界，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，提出了通過使光路彎折而使全長變短地緊湊集中的系統。但是，在專利文獻4的光學系統中，棱鏡中央的凸部和/或投影透鏡妨礙了視野。另外，影像光在透射半透射半反射鏡后折返，通過半透射半反射鏡反射后入射到眼睛中，因此觀察到的影像變暗。
[0011]另外，在用導光棱鏡形成虛像的方法中，可以考慮例如連接多個棱鏡部分構成導光棱鏡、將導光棱鏡分割為多個棱鏡部分來構成，從而通過多個不同曲面進行光路的彎折。在該情況下，可期待多個曲面處的自由度增加、成像性能提高。但是，由于光學設計和/或使用環境等，有可能在曲面與曲面的接縫和/或切縫處向不期望的方向反射外界光、而產生重影光。[0012]【專利文獻I】日本特許2746697號公報
[0013]【專利文獻2】日本特許3787399號公報
[0014]【專利文獻3】日本特許4218553號公報
[0015]【專利文獻4】日本特許4819532號公報

【發明內容】

[0016] 本發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、廣視角且高性能，并且小型輕量的虛像顯示裝置。
[0017]本發明涉及的虛像顯示裝置，使影像光和外界光同時被觀看，具備:產生影像光的影像元件；和一個棱鏡，其包括3面以上的非軸對稱的曲面并且作為光學系統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通過第I面全反射、通過第3面全反射、再次通過第I面全反射、通過第2面反射后，透射第I面而到達觀察偵U。這里，影像光是指通過影像元件等形成的、對于眼睛而言可識別為虛像的光，如上所述，在棱鏡的內部形成中間像。
[0018]在上述虛像顯示裝置中，通過光學系統在棱鏡的內部形成中間像并且按照第I面、第3面、第I面及第2面的順序被反射了的影像光，透射第I面而到達觀察者，因此，能夠使棱鏡薄型而使光學系統整體小型且輕量化，同時以廣視角實現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，能夠使重心也靠近面部使外觀設計也優異。另外，通過成為在第I面進行多次全反射的構成，能夠減少在棱鏡的面產生不連續的部分的情況。從而，能夠避免因在棱鏡的不連續部分處的非期望的光的反射而發生重影的情況。
[0019]在本發明的具體的側面中，在上述虛像顯示裝置中，在以構成光學系統的各面的原點為基準，將面形狀的表達式設為關于從原點向切線方向延伸的正交坐標X及y進行多項式展開所得的展開式時，將表示第k面的多項式的項Xm.yn的系數設為Akm, n，滿足下述(I)到(3)的條件。
[0020]— 5 X 10 —2 < Al2,。+ Al0j2 < — I X 10 —3 以及
[0021]— 5X10 —2 < A32,q + A3q,2 <— 1X10 —3...(I)
[0022]I A32j0 - A30j2 I <5X10 —2...(2)
[0023]I Al2j0 - A32j0 I <2X10 —2 以及
[0024]I Al0j2 - A30j2 I <2X10 —2...(3)。
[0025]另外，以上,包括各面的正交坐標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，設全部的原點在同一平面(基準面)上。
[0026]在本發明中，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。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Ak2,^和Akch2 (k=l，3)的值確定，因此適當設定系數Ak2it^P Akch2的值是很重要的。
[0027]條件(I)規定原點附近的第I面的曲率和第3面的曲率的大小。這些值Al2IAltl,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，有損佩戴使用感。
[0028]條件(2)規定第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面發生的非點像差過大，像差校正變得困難。
[0029]條件(3)規定與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，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，用下式給出。
[0030]Dx = 2000 (N — I) (Al2,0 — A32,。+ (2T (N — I) / N) XA12,0XA32,0)
[0031]Dy = 2000 (N — I) (Al0,2 — A30,2 + (2T (N — I) / N) XAl0,2XA30,2)。
[0032]一般，遠視視度的誤差若超過±1D，則產生不愉悅感，因此，棱鏡的視度優選抑制為±1D。但是，通過外周部的視度和/或與像差的平衡，也有將設計上的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的值確定，但是系數只要在滿足條件(3)的范圍內，就能夠將光軸上的視度抑制在±2D的范圍。
[0033]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，獲得優良畫質。
[0034]在本發明的另外其他側面，在第2面形成半透射半反射鏡，向觀察者示出影像光，并且在第2面的外側一體地配置有光透射部件，使得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示出。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。
[0035]在本發明的另外其他側面，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面側分別形成連續的表面。
[0036]在本發明的另外其他側面，虛像顯示裝置還具備使來自影像元件的影像光入射棱鏡的投影透鏡，至少棱鏡的一部分和投影透鏡構成中繼光學系統。該情況下，由投影透鏡等構成的中繼光學系統在棱鏡的內部形成中間像。
[0037]在本發明的另外其他側面，投影透鏡包括軸對稱透鏡，并包括至少I面以上的非球面。
[0038]在本發明的另外其他側面，棱鏡具有第4面，該第4面將從投影透鏡入射到內部的影像光導向第I面。
[0039] 在本發明的另外其他側面，棱鏡具有與投影透鏡相對配置的第5面，該第5面使得從投影透鏡出射的影像光入射并將其導向第4面。
[0040]在本發明的另外其他側面，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棱鏡部分和第2棱鏡部分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部的產生。
[0041]在本發明的另外其他側面，第2棱鏡部分具有至少一個以上的光學面，由影像元件、投影透鏡和棱鏡中的至少包括第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的一部分有助于中間像的形成。
[0042]在本發明的另外其他側面，影像元件是從顯示位置出射影像光的影像顯示元件，投影透鏡和棱鏡中的至少包括第2棱鏡部分的部分，作為中繼光學系統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來形成中間像。該情況下，投影透鏡等作為中繼光學系統發揮作用，從而能夠使從影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來形成中間像。
[0043]在本發明的另外其他側面，第2棱鏡部分具有第4面，該第4面配置于第I棱鏡部分的第3面中的光入射側，并將從投影透鏡入射到內部的影像光導向第I面，第I棱鏡部分在第I面具有對經過了第2棱鏡部分的第4面的影像光進行第I次全反射的第I區域和進行第2次全反射的第2區域，由投影透鏡、第2棱鏡部分和第I棱鏡部分中的包括第I區域的部分形成中間像。在該情況下，除了投影透鏡和第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的一部分有助于中間像的形成。
[0044]在本發明的另外其他側面，第I及第2棱鏡部分在第I面的第I區域前或后、或者跨第I區域的前后形成中間像。該情況下，能夠使裝置整體緊湊化。
[0045]在本發明的另外其他側面，第2棱鏡部分具有:與投影透鏡相對配置，使從投影透鏡出射的影像光入射并將其導向第4面的第5面；和由第4面和第5面夾著而形成的第6面。該情況下，能夠減小棱鏡的尺寸進而使裝置整體緊湊，另外，能夠強化端面的強度以抑制缺損等。
[0046]在本發明的另外其他側面，第I面與第3面的間隔在5mm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，從而易于以適當的反射次數和反射角度將影像光導入眼睛。
[0048]在本發明的另外其他側面，包括棱鏡的光學系統在佩戴時覆蓋觀察者眼前中的一部分，使得存在眼前未被覆蓋的部分。
[0049]在本發明的另外其他側面，影像元件具有:信號光形成部，其出射與圖像相對應地被調制后的信號光；和掃描光學系統，其通過使從信號光形成部入射的信號光進行掃描從而使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結構的立體圖。
[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的光學系統的說明圖。
[0055]圖6 (A)~(F)是實施例1的光學系統的像差的說明圖。
[0056]圖7 (A)~(F)是實施例1的光學系統的像差的說明圖。
[0057]圖8是實施例2的光學系統的說明圖。
[0058]圖9 (A)~(F)是實施例2的光學系統的像差的說明圖。
[0059]圖10 (A)~(F)是實施例2的光學系統的像差的說明圖。
[0060]圖11是實施例 3的光學系統的說明圖。
[0061]圖12 (A)~(F)是實施例3的光學系統的像差的說明圖。
[0062]圖13 (A)~(F)是實施例3的光學系統的像差的說明圖。
[0063]圖14是實施例4的光學系統的說明圖。
[0064]圖15 (A)~(F)是實施例4的光學系統的像差的說明圖。
[0065]圖16 (A)~(F)是實施例4的光學系統的像差的說明圖。
[0066]圖17是實施例5的光學系統的說明圖。
[0067]圖18 (A)~(F)是實施例5的光學系統的像差的說明圖。
[0068]圖19 (A)~(F)是實施例5的光學系統的像差的說明圖。
[0069]圖20是實施例6的光學系統的說明圖。
[0070]圖21 (A)~(F)是實施例6的光學系統的像差的說明圖。
[0071]圖22 (A)~(F)是實施例6的光學系統的像差的說明圖。
[0072]圖23是變形例的虛像顯示裝置的說明圖。
[0073]圖24 (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。
[0074]附圖標記說明
[0075]AX1-AX5...光軸，AXI...入射側光軸，ΑΧ0...出射側光軸，EY…眼睛，
[0076]GL...影像光，HL...外界光，II…中間像的像面，PA…部分區域，
[0077]S11-S16…第1-第6面，S51-S53…第1-第3透射面，SL…照明光，
[0078]SR…基準面，10…棱鏡，IOe…第I側面(頂面),IOf…第2側面，
[0079]IOs…主體部分，11、12…棱鏡部分，15...半透射半反射鏡層，
[0080]30…投影透鏡，31、32、33...透鏡，50...光透射部件，
[0081]70...投影透視裝置，80...圖像顯示裝置，81...照明裝置，
[0082]82…影像顯示元件(影像元件)，84…驅動控制部，100…虛像顯示裝置，
[0083]100Α、100Β…顯示裝置，103a、103b…光學部分，101…透視部件，
[0084]102…框部，15…鏡面，CC…粘接層，Rl…第I區域，R2…第2區域
【具體實施方式】
[0085]下面一邊參照附圖一邊就本發明涉及的一實施方式的虛像顯示裝置詳細地進行說明。
[0086]A.虛像顯示裝置的外觀[0087]如圖1所示的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的觀察者使其能夠觀看與虛像對應的圖像光，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)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光學部分103a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揮功能。另外，組合在圖面上右側的第2光學部分103b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揮功能。
[0088]B.顯示裝置的結構
[0089]如圖2、圖3 (A)、3 (B)等所示，第I顯示裝置100A具備投影透視裝置70和圖像顯示裝置80。其中，投影透視裝置70具備導光部件即棱鏡10、光透射部件50和成像用的投影透鏡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61e接觸的方式，牢牢固定在框架61的下側。投影透鏡30經由容納其的鏡筒62固定在棱鏡10的端部。投影透視裝置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，投影透視裝置70中的投影透鏡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同樣的結構，僅僅是左右顛倒，因此省略對第2顯示裝置100B的詳細說明。
[0090]投影透視裝置70中，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1面311、第2面312和第3面S13，第2棱鏡部分12在光入射側配置，作為具有光學功能的側面而具有第4面S14和第5面S15。其中，第2面S12配置在第I面Sll與第3面S13之間。第4面S14與第I面Sll中的光入射側的一部分相對地配置。另外，棱鏡10具有與第I?第5面Sll?S15相鄰并相互相對的第I側面IOe和第2側面IOf。在這里，在圖示的情況下，在第3面S13的光入射側與第4面S14的光射出側相交叉而連接來形成邊界部BDl，處于在邊界部BDl彎曲的狀態。此外，在第3面S13的端部與第4面S14的端部不交叉不連續的情況下，需要用于連接第3面S13和第4面S14的追加的面。但是，上述那樣的邊界部BDl或追加的面這樣的不平滑的部分，在棱鏡10中僅存I處，通過對邊界部BDl附近的傾斜角度進行調整并且/或者使追加的面足夠小，能夠使其不會成為重影產生的主要原因。第5面S15配置為在第I面Sll與第4面S14之間與投影透鏡30相對。第5面S15，在夾著不具有光學功能的第6面S16而隔離開的狀態下與第4面S14相連，另一方面與第I面Sll相交叉而形成邊界部BD2，以在邊界部BD2彎曲的狀態直接相連。
[0091]在棱鏡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是以包括于與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是以包括于與XZ面平行的基準面SR并相對于Z軸傾斜的一對光軸AX4、AX5的2等分線為中心軸或基準軸的自由曲面，第5面S15是以包括于與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。此外，以上的第I?第5面Sll?S15具有下述形狀:夾著沿水平(或橫向)延伸并且與XZ面平行且光軸AXl?AX5等通過的基準面SR，關于鉛垂(或縱向)的Y軸方向對稱。
[0092]棱鏡10用在可見區域顯現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。棱鏡10的主體部分IOs是一體形成品，但也可以考慮將主體部分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。
[0093]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外出射的折射面發揮作用，并且作為以內面側使影像光GL全反射的全反射面發揮作用。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主體部分10s。該硬涂層通過在主體部分IOs的基底面上通過浸涂處理和/或噴涂處理使包含樹脂等的涂敷劑成膜而形成。此外，關于第I面Sll處的影像光GL的全反射，能夠考慮分成使經過了第4面S14的影像光GL全反射(第I次全反射)的第I區域Rl和使經過了第3面S13的影像光GL全反射(第2次全反射)的第2區域R2。
[0094]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的整體而是在其部分區域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域PA上形成。更加詳細而言，該部分區域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SR的方向大致整體地配置。半透射半反射鏡層15通過在主體部分IOs的基底面中的部分區域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，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%。
[0095]第3面S13作為在內面側使影像光GL全反射的全反射面發揮作用。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主體部分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觀看外界光HL時，視度大致為O。
[0096]第4面S14作為在內面側使影像光GL全反射的全反射面發揮作用，或者由鏡層17覆蓋而作為反射面發揮作用。此外，在使第4面S14作為全反射面發揮作用的情況下，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主體部分10s。
[0097]第5面S15作為使影像光GL向第2棱鏡部分12內入射的折射面發揮作用。另外，第5面S15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用反射防止膜17覆蓋。
[0098]第6面S16是連接第4面S14和第5面S15的面，若換言之則是被第4面S14和第5面S15夾著而形成的面，如上所述其是不具有光學功能的面。因而，即使與其他的面Sll?S15比較，面精度較差些亦可，例如也可以形成為適度粗糙的面以防止漫反射。另外，在圖不的情況下，第4面S14和第5面S15通過第6面S16相連并未成為平滑的狀態,如果沒有造成光學性影響則第6面S16的局部能夠成為各種形狀。而且，也可以例如使第4面S14和第5面S15延長并直接相連從而形成邊界部，而沒有第6面S16。
[0099]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延長所成的曲面上，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延長所成的曲面上。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。
[0100]光透射部件(輔助棱鏡)50由在可視范圍內呈現高的光透射性并具有與棱鏡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形而形成。
[0101]投影透鏡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與保持投影透鏡30的鏡筒62連接，間接地支撐投影透鏡30及圖像顯示裝置80。棱鏡10的光入射側與投影透鏡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。
[0102]投影透鏡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。投影透鏡30為了使從圖像顯示裝置80出射的影像光GL再成像，而使其經由棱鏡10的第5面S15入射棱鏡10內。S卩，投影透鏡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。另外，棱鏡10的各面中，部分光入射側的面通過與投影透鏡30協同工作而起到中繼光學系統的一部分的功能。
[0103]圖像顯示裝置80具備:出射2維照明光SL的照明裝置81 ;透射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。
[0104]圖像顯示裝置80的照明裝置81具備:產生包括紅、綠、藍這3種色的光的光源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。影像顯不兀件82是由例如液晶顯示器件形成的影像元件，空間性地調制來自照明裝置81的照明光SL以形成應該成為動態圖像等顯示對象的圖像光。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，作為透射率圖形，形成成為動態圖像和/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。
[0105]C.影像光等的光路
[0106]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。
[0107]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5面S15。
[0108]通過了棱鏡10的第5面S15的影像光GL —邊會聚一邊行進，在通過第I棱鏡部分11時，在具有比較弱的正折射力的第4面S14全反射，在具有比較弱的負折射力的第I面Sll (更具體而言是第I區域Rl)全反射(第I次在第I面Sll全反射)。
[0109]在第I面Sll反射了的影像光GL，在第I棱鏡部分11處入射于第3面S13而全反射，再次入射于第I面Sll (更具體而言是第2區域R2)并全反射(第2次在第I面Sll全反射)。此外，影像光GL在通過第3面S13前在棱鏡10中以彎曲的狀態形成中間像。該中間像的像面II是與影像顯示元件82的像面(顯示位置)OI相對應的面。
[0110]在第I面Sll進行第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揮作用。
[0111]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。
[0112]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，觀察者透過棱鏡10及光透射部件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。此外，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。
[0113]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對應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。
[0114]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。
[0115]D.光學面和/或光路的規定方法
[0116]圖4是棱鏡10中的光軸AXl?AX5和/或本地坐標的說明圖。在以下的說明中，考慮光學系統的評價和/或表達的方便，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沿逆行方向來規定光學面和/或光路。在實際的光學系統中，影像顯示元件82發出的光依次通過投影透鏡30和棱鏡10而到達眼睛EY，但是在該狀態下難以進行光學系統的評價。因此，設為來自無限遠的光源的光通過處于眼睛EY的位置的光圈進入棱鏡10，通過投影透鏡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的數據也按該順序顯示。另外，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的形狀延長而形成的，省略說明。
[0117]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)是平移關系并在第I面Sll上具有原點。即，本地坐標的z方向在出射側光軸AXO上成為行進方向(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。
[0118]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軸適當旋轉且平移，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。
[0119]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平移關系并在第3面S13的 延長面即第3透射面S53上具有原點。
[0120]通過以上構成，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AXUAX2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、AX3的交點)處的第3面S13的法線方向一致。
[0121]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行進方向(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。
[0122]第4面S14的本地坐標的原點位于該第4面S14上。另外，第4面S14的本地坐標的z方向即第4面S14的光軸成為:從第I面Sll朝向第4面S14的光束中心的光軸AX4與從第4面S14朝向第5面S15的光束中心的光軸AX5的2等分線。
[0123]第5面S15的光軸與光軸AX5 —致，也與從圖像顯示裝置80延伸的入射側光軸AXI 一致。第5面S15的本地坐標與整體坐標具有平移關系，在第5面S15上具有原點。
[0124]如以上地沿著光線的逆行方向研究的結果為，對于光線的行進方向，從自像面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AXl~AX5的逆序到達出射側光軸ΑΧ0，而到達觀察者的眼睛EY。
[0125]E.光學面的期望的特征
[0126]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
[0127]Z= Σ {Alm,n.(xm.yn) }…(4)來表示，
[0128]其中Alnun是多項式展開后的第m.η項的系數，m、n是O以上的整數。[0129]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
[0130]z=X{A2mjn*(xm*yn)}...(5)來表示，
[0131]其中AZnbn是多項式展開后的第m.η項的系數。
[0132]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
[0133]z=X{A3m,n-(Xm-Yn)1- (6)來表示，
[0134]其中ASnbn是多項式展開后的第m.η項的系數。
[0135]本實施例中，棱鏡10的第I?第3面Sll?S13滿足
[0136]— 5X10 —2 < Al2,。+ Al0j2 < — 1X10 —3 以及
[0137]— 5X10 —2 < A32,q + A3q,2 <— 1X10 —3...(I)
[0138]I A32j0 - A30j2 I <5X10 —2...(2)
[0139]I Al2j0 - A32j0 I <2X10 —2 以及
[0140]I Al0j2 - A30j2 I <2X10 —2...(3)
[0141]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這兩方的像差校正，獲得優良畫質。
[0142]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。
[0143]本實施方式的虛像顯示裝置100中，通過投影透鏡30等在棱鏡10的內部形成中間像并且按照第I次的第I面S11、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，透射第I面Sll到達觀察者的眼睛EY，因此，能夠使棱鏡10薄型而使光學系統整體小型且輕量化，同時以廣視角實現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而外觀設計優異。另外，在所述實施方式中，通過設為在第I面Sll進行多次全反射的構成，減少了在棱鏡10中在與導光相關的面產生不連續的部分的問題。從而，能夠避免因在棱鏡的不連續部分發生的非期望的光的反射等而發生重影的情況。此外，在本實施方式的情況下，在第3面S13與第4面S14之間產生邊界部BDl那樣彎曲的部分，但這樣的部分僅在棱鏡10中存在I處，根據需要適當地進行調整，能夠使其不至于達到成為產生重影的要因的程度。在本實施方式中，通過使第3面S13和第4面S14成為獨立的自由曲面，從而可更高自由度地進行調整，能夠比較簡單地實現成像性能的提聞。
[0144]實施例
[0145]以下，說明組裝入本發明涉及的虛像顯示裝置中的投影透視裝置的實施例。各實施例中使用的標記匯總如下。
[0146]SPH:瞳孔
[0147]FFSk:自由曲面(棱鏡中的k=面編號)
[0148]ASPk:軸對稱非球面(投影光學系統中的k=面編號)
[0149]SPH:球面或平面(保護玻璃表面)
[0150]R:曲率半徑
[0151]T:軸上面間隔[0152]Nd:光學材料對d線的折射率
[0153]Vd:光學材料的與d線相關的阿貝數
[0154]TLY:特定面的橫截面(XZ截面)處的光軸的傾斜角度(° ) (TLY有時在特定面的前后變化)
[0155]DCX:特定面的橫截面(XZ截面)處的X軸方向的光軸的偏移量
[0156](實施例1)
[0157]構成實施例1的投影透視裝置中的棱鏡及投影透鏡的光學面的數據如以下的表1所示。另外，例如FFSl是指第I面S11，FFS2是指第2面S12，FFS3是指第3面S13，另外，ASPl是指投影透鏡的第I透鏡的出射面，ASP2是指第I透鏡的入射面。
[0158]〔表1〕
[0159]
【權利要求】
1.一種虛像顯示裝置，其特征在于，使影像光和外界光同時被觀看，具備: 產生影像光的影像元件；和 一個棱鏡，其包括3面以上的非軸對稱的曲面并且作為光學系統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面來觀看外界時，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I面全反射、在所述第3面全反射、再次在所述第I面全反射并在第2面反射后，透射所述第I面而到達觀察側。
2.根據權利要求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的各面的原點為基準、將面形狀的表達式設為關于從原點沿切線方向延伸的正交坐標X及I進行多項式展開所得的展開式時，將表示第k面的多項式的項Xm.Yn的系數設為Akm,n，則滿足下述(I)至(3)的條件，
—5X10 2 < Al2j0 jT Al0,2 ^ — 1X10 3 以及
—5X10 —2 < A32,q + A3q,2 <— 1X10 —3...(I) I A32j0 — A30j2 I < 5X10 —2...(2)
I Al2j0 -A32j0 I < 2X10 —2 以及
I Al0j2 — A30j 2 I < 2X10 —2...(3)。
3.根據權利要求1或2所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 在所述第2面形成有半透射半反射鏡，向觀察者示出影像光，并且在所述第2面的外側一體配置有光透射部件，使得對于外界光的視度大致為0，來將外界光和影像光重疊地向觀察者示出。
4.根據權利要求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影透鏡， 至少所述棱鏡的一部分和所述投影透鏡構成形成中間像的中繼光學系統。
6.根據權利要求5所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述投影透鏡包括軸對稱的透鏡，包括至少I面以上的非球面。
7.根據權利要求5或6所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述棱鏡具有第4面，該第4面將從所述投影透鏡入射到內部的影像光導向所述第I面。
8.根據權利要求7所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述棱鏡具有與所述投影透鏡相對配置的第5面，該第5面使從所述投影透鏡出射的影像光入射并將其導向所述第4面。
9.根據權利要求1到8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。
10.根據權利要求9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、所述投影透鏡和所述棱鏡中的至少包括所述第2棱鏡部分的部分來形成中間像。
11.根據權利要求10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， 所述投影透鏡和所述棱鏡中的至少包括所述第2棱鏡部分的部分，作為所述中繼光學系統，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而形成中間像。
12.根據權利要求11所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第2棱鏡部分具有第4面，該第4面配置于所述第I棱鏡部分的所述第3面的光入射側，將從所述投影透鏡入射到內部的影像光導向所述第I面， 所述第I棱鏡部分在所述第I面具有:對經過了所述第2棱鏡部分的所述第4面的影像光進行第1次全反射的第I區域和進行第2次全反射的第2區域， 由所述投影透鏡、所述第2棱鏡部分和所述第I棱鏡部分中的包括所述第I區域的部分形成中間像。
13.根據權利要求12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，在所述第I面的所述第I區域的前或后，或者跨所述第I區域的前后，形成中間像。
14.根據權利要求12或13所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第2棱鏡部分具有:與所述投影透鏡相對配置、使從所述投影透鏡出射了的影像光入射并將該影像光導向所述第4面的第5面；和由所述第4面和所述第5面夾著所形成的第6面。
15.根據權利要求1到14中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 所述第I面與所述第3面的間隔在5mm以上且15mm以下。
16.根據權利要求1到15中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 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。
17.根據權利要求1到16中任一項所述的虛像顯示裝置，其特征在于， 包括所述棱鏡的所述光學系統在佩戴時覆蓋觀察者的眼前中的一部分，使得存在眼前未被覆蓋的部分。
18.根據權利要求1到17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被調制后的信號光；和掃描光學系統，其通過使從所述信號光形成部入射的信號光進行掃描而使得該信號光作為掃描光出射。
【文檔編號】G02B27/01GK103984099SQ201410049739
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月13日 優先權日:2013年2月13日
【發明者】小松朗, 戶谷貴洋, 高木將行, 武田高司, 宮尾敏明 申請人:精工愛普生株式會社