CN106371203A - 图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像显示装置。图像显示装置包括使通过入射表面(105)从原始图像入射的光束在反射表面之中的一部分(104、103)处反射、使反射的光束形成中间图像并然后使光束在反射之中的另一部分(101、102)处反射并且从出射表面(101)向着沿第一方向定位的出射光瞳(100)出射的光学系统(107)。光学元件包含第一光学部分(401)、关于第一光学部分沿与第一方向正交的第二方向设置的第二光学部分(402)和与设置在装置中的保持部分连接的连接部分(201、202)。连接部分在第一光学部分的侧面上形成，以包含于第二光学部分的最大宽度(W2)内。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及诸如头部安装显示器(HMD)和投影仪的图像显示装置。
背景技术
希望分别具有放大在诸如液晶元件的图像形成元件上形成的原始图像的显示光学系统并且向观察者呈现放大的观察图像的图像显示装置是紧凑的且具有宽的视角。特别地，安装于用他/她的左眼和右眼观察图像的观察者的头部上的HMD包括左右成对的图像形成元件和左右成对的显示光学系统，因此，减小其尺寸是重要的。
日本专利公开No.10-153748和No.2000-105338分别公开了使用偏心地布置具有光焦度的反射表面的偏心棱镜作为显示光学系统的图像显示装置。
并且，美国专利No.5861995公开了用于在图像显示装置中定位和保持构成显示光学系统的棱镜的保持结构。
HMD中的显示光学系统的视角的增大增加最大光学有效面积(具有光学功能的光学表面的必要面积)，这导致显示光学系统的尺寸的增加。左右显示光学系统中的每一个的尺寸的增加导致其间的物理干涉。
人的瞳孔间距离即人的左眼和右眼之间的距离一般为约60mm。各显示光学系统的瞳孔间方向宽度是它沿排列左眼和右眼的瞳孔间方向的尺寸，它需要至少小于人的瞳孔间距离。
并且，当图像显示装置具有用于调整左右显示光学系统之间的距离以使该距离匹配观察者的瞳孔间距离的瞳孔间距离调整机构时，各显示光学系统的瞳孔间方向宽度限定左右显示光学系统之间的最小可调整距离，使得希望瞳孔间方向宽度尽可能地小。
但是，诸如构成各显示光学系统的棱镜的光学元件需要具有与图像显示装置中的保持部分(或支撑部件)连接的连接部分，使得光学元件保持于图像显示装置中的固定位置处。如果连接部分与光学元件中的图像观察所需要的光学部分的最大宽度相比沿瞳孔间方向进一步向外突出，那么布置各显示光学系统所需要的瞳孔间方向空间以与突出对应的量增大，这导致增大整个图像显示装置的尺寸和限制瞳孔间距离可调整量。
发明内容
本发明提供能够呈现宽视角观察图像并且可减少构成显示光学系统且包含连接部分的光学元件的瞳孔间方向宽度的图像显示装置。
本发明作为其一个方面提供一种图像显示装置，该图像显示装置包括：被配置为形成原始图像的图像形成元件；和由光学元件形成并且被配置为将来自原始图像的光束引导到出射光瞳的显示光学系统，所述光学元件的被入射表面、多个反射表面和出射表面包围的内部填充有光学介质。显示光学系统被配置为完成以下过程：使从原始图像通过透过入射表面入射的光束在反射表面之中的一部分处反射，使反射光束在显示光学系统中形成中间图像，以及使光束在反射表面之中的另一部分处反射并且从出射表面向着沿第一方向定位的出射光瞳出射。光学元件包含：上面形成入射表面和反射表面之中的一部分的第一光学部分；关于第一光学部分沿与第一方向正交的第二方向设置且上面形成反射表面之中的另一部分和出射表面的第二光学部分；和被配置为与保持部分连接的连接部分，保持部分作为与连接部分不同的部分被设置用于在图像显示装置中保持光学元件。第一光学部分具有与第一和第二方向正交的宽度方向上的侧面，并且，连接部分在侧面上形成以包含于第二光学部分的宽度方向的最大宽度内。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征和方面将变得清晰。
附图说明
图1示出本发明的实施例中的坐标系。
图2示出作为本发明的实施例的图像显示装置的构成以及其中的中心视角主光线。
图3示出实施例的图像显示装置中的光束和中间图像。
图4示出实施例1的图像显示装置中的光学表面之间的击点距离(hit point distances)。
图5是实施例(数值例1)中的棱镜的外部示图。
图6是实施例(数值例1)中的棱镜的宽度。
图7示出作为数值例1的图像显示装置。
图8示出作为数值例2的图像显示装置。
图9是数值例2的棱镜的外部示图。
图10示出数值例2中的棱镜的宽度。
图11示出作为数值例3的图像显示装置。
图12示出作为数值例4的图像显示装置。
具体实施方式
以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。
将描述作为图像显示装置的HMD，该图像显示装置是本发明的实施例。首先将参照图1描述实施例(以及后面描述的特定数值例)中的坐标系和术语。
在图1中，附图标记301表示观察者的右眼，302表示观察者的左眼。坐标系具有沿观察者的视轴方向延伸的z轴以及与z轴正交且沿排列左眼302和右眼301的瞳孔间方向延伸的x轴。坐标系还具有沿与x轴和z轴正交的方向延伸的y轴。在以下的描述中，作为瞳孔间方向的沿x轴延伸的方向被称为“水平方向”，并且，y轴延伸的方向被称为“垂直方向”。
并且，关于由观察者观察的观察图像(呈现图像)的视角，水平方向的视角被称为“水平视角”，并且，垂直方向的视角被称为“垂直视角”。另外，关于x轴的旋转角由“a”表示。
在图1中，附图标记107表示将在后面详细描述的显示光学系统；左右显示光学系统107沿水平方向被布置，以分别与观察者的左眼302和右眼301对应。
图2和图3示出实施例的图像显示装置的构成。这些附图仅示出图1所示的左右显示光学系统107中的一个。图2示出在图像显示装置中前进的中心视角主光线C；将在后面描述中心视角主光线C。图3示出在图像显示装置中前进的光线束(以下，称为“光束”)。
在图2和图3中，附图标记106表示诸如液晶元件(LCD)或有机电致发光(EL)元件的图像形成元件(图像显示元件)。图像形成元件106形成原始图像。
显示光学系统107具有作为光学表面的第一表面101、第二表面102、第三表面103、第四表面104和第五表面105。第一表面101用作反射表面和透射表面。第二表面102用作反射表面，并且，第三表面103用作反射表面。第四表面104用作反射表面，并且，第五表面105用作透射表面。显示光学系统107由一个棱镜(光学元件)形成，所述一个棱镜(光学元件)的被第一表面101～第五表面105包围的内部被诸如玻璃或塑料的光学介质填充。作为棱镜中的反射表面的第二表面102、第三表面103和第四表面104分别具有由金属沉积等形成的高反射率反射膜。
在诸如使用互相偏心的多个反射表面的本实施例中的显示光学系统107的光学系统中，折叠光路使得能够实现整个光学系统的小型化。但是，各反射表面与折射表面相比对偏心误差具有更高的灵敏度，使得需要用于调整反射表面的相对位置关系的高度精确的位置调整(组装调整)。相反，如本实施例这样使具有光焦度的光学系统形成为一个棱镜能够不需要这种组装调整。
附图标记100表示显示光学系统107的出射光瞳。他/她的眼睛位于出射光瞳100的位置处的观察者可观察作为在图像形成元件106上形成的原始图像的放大图像的呈现图像(观察图像)。
在如上面构成的图像显示装置中，从图像形成元件106上的原始图像发射并且包含中心视角主光束C的光束透过第五表面105以入射到显示光学系统107。中心视角主光束C是从形成原始图像的图像形成元件106的原始图像形成区域的中心发射并且穿过出射光瞳100的中心的光线。
从第五表面105入射到显示光学系统107的光束依次被第四表面104、第三表面103、第一表面101和第二表面102反射，透过第一表面101以从显示光学系统107出射并然后到达出射光瞳100。第一表面101处的反射是内部全反射。
虽然本实施例描述了第一表面101通过利用增加光利用效率的内部全反射来用作反射表面和透射表面的情况，但是第一表面101可通过使用半透射膜用作反射表面和透射表面。
并且，本实施例中的显示光学系统107使从第五表面105前进到第四表面104的光束的光路的至少一部分与从第三表面103前进到第一表面101的光束的光路的至少一部分相交。光路的这种相交使得能够在提供需要的光路长度的同时减小整个显示光学系统107的尺寸。
并且，如图3所示，显示光学系统107使来自原始图像的光束在其中形成中间图像(由虚线表示)。在图3中，在第一到第五表面101～105中，图像形成元件106附近的第五表面105、第四表面104和第三表面103使光束形成中间图像。显示光学系统107通过第二表面102和第一表面101将来自中间图像的光束引导到出射光瞳100。
在其中形成这种中间图像的显示光学系统107使得能够关于图像形成元件106的(即原始图像形成区域的)尺寸增加设定显示视角的自由度。
并且，显示光学系统107可关于光学功能被分割成形成中间图像且由第五表面105、第四表面104和第三表面103构成的中继光学系统以及形成中间图像的虚拟图像且由第二表面102和第一表面101构成的观察光学系统。这种分割使得能够在增加视角的同时减小观察光学系统的光焦度，这使得能够减少观察光学系统的光焦度负担，特别是减小具有正光焦度的第二表面102的光焦度负担。因此，显示光学系统107能够容易地提供足够的眼睛视距(relief)，该眼睛视距是观察者的眼睛与显示光学系统107之间的距离，并可因此实现使得能够舒服地用宽视角进行图像观察的图像显示装置。
另外，如图3所示，中继光学系统形成中间图像以抵消在观察光学系统中产生的诸如像场弯曲的像差，这减少观察光学系统上的像差校正的负担并由此可实现能够呈现像差被充分校正了的高质量观察图像的图像显示装置。当多个光学表面具有光焦度的一个棱镜在其中形成中间图像时，棱镜内的光束的较少的反射次数增加各光学元件上的光焦度负担，这使得难以校正像差。因此，必须三次或更多次地反射光束。本实施例中的显示光学系统107四次或更多次地反射光束，并因此使得能够呈现像差被充分校正了的观察图像。
本实施例中的显示光学系统107被配置为满足以下条件。图4示出在该条件中使用的击点距离L12、L13和L45。光学表面(第一到第五表面101～105)中的两个表面上的中心视角主光束C的击点之间的距离被称为这两个表面之间的“击点距离”。在图4中，击点距离L12代表第一表面101与第二表面102之间的击点距离，击点距离L13代表第一表面101与第三表面103之间的击点距离，击点距离L45代表第四表面104与第五表面105之间的击点距离。
首先，击点距离L12和L45满足由下式(1)和(2)表达的条件。
0.62≤L12/f≤5.00 (1)
1.80≤L45/L12≤5.00 (2)
在式(1)的条件中，为了使得在作为提供宽视角的显示光学系统107的棱镜中被第一表面101反射的光束被第二表面102反射，需要L12/f的值等于或大于下限作为条件。不满足该条件产生光束的渐晕(换句话说，图像缺少)，或者过度地减薄第一表面101与第二表面102之间的棱镜的一部分以降低该部分的机械强度。另一方面，L12/f的值大于式(1)的条件的上限过度增加第二表面102的光学有效面积，这导致中继光学系统的尺寸的增加并由此使得难以实现整个显示光学系统107的小型化。
在式(2)的条件中，为了使得图像显示所需要的光束在提供宽的视角并且满足式(1)的条件的显示光学系统107中以上述的次序传播，需要L45/L12的值等于或大于下限作为条件。不满足式(2)的该条件产生光束的渐晕，这使得难以呈现不包含图像缺少的良好的观察图像。并且，不满足式(2)的条件使得难以提供形成中间图像的中继光学系统的必要的光路长度，这导致各光学元件上的光焦度负担的增加，并由此使得难以充分地校正像差。另一方面，L45/L12的值大于式(2)的条件的上限过度增加第四表面104的光学有效面积，这导致中继光学系统的尺寸的增加，并由此使得难以实现整个显示光学系统107的小型化。
希望将式(1)和(2)的条件中的至少一个变为由下式(3)表达的条件或由下式(4)表达的条件。
0.70≤L12/f≤3.00 (3)
2.00≤L45/L12≤4.00 (4)
满足式(3)和(4)的条件中的至少一个使得能够实现总体小型化的良好地平衡的图像显示装置，该图像显示装置可在棱镜中提供足够的空间并且可呈现像差被充分校正的良好的观察图像。
并且，除了式(1)(或式(3))和式(2)(或式(4))以外，希望显示光学系统107(击点距离L13和L45)满足由下式(5)表达的条件。
0.48≤L45/L13≤5.00 (5)
满足式(5)的条件使得能够实现中继光学系统和观察光学系统被良好地尺寸平衡且有效地利用棱镜中的空间的显示光学系统，这使得能够实现能够呈现良好的观察图像的小型化图像显示装置。L45/L13的值比式(5)的条件的下限低使得中继和观察光学系统相互过度远离，尽管折叠光路，这也增加显示光学系统107的尺寸。并且，L45/L13的值比式(5)的条件的下限低过度扩展向着观察光学系统前进的光束，这使得难以实现观察光学系统的小型化并因此使得难以实现整个显示光学系统107的小型化。另一方面，L45/L13的值比式(5)的条件的上限高过度增加第四表面104的光学有效面积，这使得难以实现整个显示光学系统107的小型化。
更希望将式(5)的条件改为由下式(6)表达的条件。
0.60≤L45/L13≤3.00 (6)
满足式(6)的条件使得能够实现其中继光学系统和观察光学系统进一步被良好地平衡尺寸且进一步有效地利用棱镜中的空间的显示光学系统，这实现能够呈现良好观察图像的进一步小型化的图像显示装置。
上述的实施例使得能够实现视角比常规图像显示装置宽且能够呈现高质量观察图像的小型化图像显示装置。例如，本实施例的图像显示装置使得能够提供50°或更大(更希望57°或更大)的水平视角和30°或更大(更希望37°或更大)的垂直视角。
图5和图6示出构成显示光学系统107的棱镜的外部构成。附图标记401表示作为构成中继光学系统的棱镜的第一光学部分的中继光学部分。中继光学部分401在其上面具有用作入射表面的第五表面105和用作显示光学系统107中的多个反射表面之中的一部分的第四表面104和第三表面103。
附图标记402表示作为构成观察光学系统的棱镜的第二光学部分的观察光学部分。观察光学部分在其上面具有包含于多个反射表面之中的另一部分中的第二表面102和包含于反射表面的其他部分中且用作出射表面的第一表面101。从观察光学部分402的第一表面101出射的光束向着沿作为视轴方向的相反方向的第一方向(z轴方向)被定位的出射光瞳100前进。
附图标记201和202分别表示分别被配置为与作为与连接部分不同的部分设置的用于在图像显示装置中保持棱镜的诸如框架的保持部分(或支撑部件)连接的右连接部分和左连接部分。保持部分被设置在沿宽度方向与中继光学部分401不同的位置处。保持部分不是光学元件，并且，不是用于在显示光学系统107中形成光路的光学元件。连接部分201和202中的每一个具有用于关于保持部分定位棱镜的突出(轴套)和孔。
从图6可以理解，使来自原始图像的光束形成中间图像的观察光学部分402关于放大中间图像的中继光学部分401沿作为第二方向的垂直方向被设置，以向观察者的眼睛呈现放大的观察图像。中继光学部分401的水平方向(以下，也称为“宽度方向”)的最大宽度W1比观察光学部分402的宽度方向的最大宽度W2小。
例如，希望满足由下式(7)表达的条件。
0.50≤W1/W2≤0.95 (7)
更希望满足由下式(8)表达的条件。
0.63≤W1/W2≤0.91 (8)
为了满足以上的条件，本实施例在中继光学部分401上形成左右侧面作为其沿宽度方向(瞳孔间方向)的侧面，并且，在中继光学部分401的左右侧面上形成与棱镜一体化的左右连接部分202和201，使得左右连接部分202和201包含于观察光学部分402的宽度方向的最大宽度W2内。即，本实施例形成左右连接部分202和201，使得右连接部分201的右端与左连接部分202的左端之间的宽度W′等于或小于观察光学部分402的最大宽度W2。以下，宽度W′被称为“左右连接部分202和201的最大宽度”。观察光学部分402的最大宽度W2意指通过加算图像观察所需要的光学有效宽度(即，第一表面101或第二表面102的有效宽度)的最大值与整形棱镜从而通过金属沉积等形成高反射率反射膜所需要的余量获得的宽度方向的尺寸。
上述的实施例为了实现宽视角使光束在棱镜中形成中间图像，并且设置连接部分201和202，这些连接部分201和202中的每一个具有用于使图像显示装置(HMD)中的保持部分保持棱镜的足够强度，以包含于观察光学部分402的最大宽度W2内。因此，当如图1所示的那样左右布置棱镜(显示光学系统107)时，可以避免分别包含连接部分202和201的这些左右棱镜之间的干涉和允许调整左右棱镜之间的距离的瞳孔间距离调整机构的可调整量的限制。本实施例允许左右棱镜相互接近地移动到其间的距离变为0的位置。
对于显示光学系统107提供50°或更大的宽水平视角且中继光学部分401的最大宽度W1与观察光学部分402的最大宽度W2之间的差值足以形成连接部分201和202的情况，本实施例的构成是特别有效的。
下面将描述根据上述的实施例的数值例。
[数值例1]
表1A表示数值例1的光学数据，图7示出该数值例的光路的截面图。在本数值例中，图像形成元件106具有18.4mm×11.5mm的尺寸。显示光学系统107的出射光瞳100具有约7.6mm的水平直径和约5.2mm的垂直直径。出射光瞳100的中心被设定于观察者的眼球的旋转中心位置处。显示光学系统107的焦距为约16mm。显示光学系统(棱镜)107提供60°的水平视角和40°的垂直视角，并且在正z轴方向的无限远距离处显示观察图像。
在表1A所示的光学数据中，沿从虚拟图像向作为图像形成元件106的物体的方向即所谓的逆光线跟踪方向依次对光学表面赋予表面号S。附图标记S1表示光阑表面(出射光瞳100)，SI是图像形成元件106的原始图像形成表面(原始图像形成区域)。在本数值例中，光学表面S2～S7是分别具有单个对称面为图7的y-z截面(纸面)的表面对称形状的非旋转对称(旋转不对称)表面。
附图标记X、Y、Z(单位：mm)表示原点(0，0，0)被设定于S1的中心处的坐标系中的各光学表面的表面顶点的位置(x,y,z)，在图7的纸面中取相互正交的y轴和z轴，x轴取为与图7的纸面正交。附图标记A(单位：°)表示图7中的逆时针方向被定义为正方向时的各光学表面关于x轴的旋转角。附图标记R表示曲率半径。TYP的列表示表面形状类型，SHP表示球面，FFS表示由下式(9)表达的非旋转对称形状，这里，z代表表面的下垂量，c代表顶点曲率，k代表圆锥常数(在本数值例中为0)且
z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ j = 2 66 C j x m y m - - - ( 9 )
式(9)的右侧的第二项由下式(10)表达，这里，Cj代表非球面系数。
Σ j = 2 66 C j x m y n = C 2 X + C 3 Y + C 4 X 2 + C 5 X Y + C 6 Y 2 + C 7 X 3 + C 8 X 2 Y + C 9 XY 2 + C 10 Y 3 + C 11 X 4 + C 12 X 3 Y + C 13 X 2 Y 2 + C 14 XY 3 + C 15 Y 4 + C 16 X 5 + C 17 X 4 Y + C 18 X 3 Y 2 + C 19 X 2 Y 3 + C 20 XY 4 + C 21 Y 5 + C 22 X 6 + C 23 X 5 Y + C 24 X 4 Y 2 + C 25 X 3 Y 3 + C 26 X 2 Y 4 + C 27 XY 5 + C 28 Y 6 + C 29 X 7 + C 30 X 6 Y + C 31 X 5 Y 2 + C 32 X 4 Y 3 + C 33 X 3 Y 4 + C 34 X 2 Y 5 + C 35 XY 6 + C 36 Y 7 + C 37 X 8 + C 38 X 7 Y + C 39 X 6 Y 2 + C 40 X 5 Y 3 + C 41 X 4 Y 4 + C 42 X 3 Y 5 + C 43 X 2 Y 6 + C 44 XY 7 + C 45 Y 8 + ... - - - ( 10 )
在TYP的栏中添加到FFS的数值表示表面形状与在表1B中列出的非球面系数Cj对应。没有列出的非球面系数Cj为0。
在表1A中，Nd和νd分别代表光学表面之后的介质对d线的折射率和Abbe数。当介质为空气时，仅示出其为1.000的折射率Nd，并且，省略其Abbe数。光学表面S2与第一表面(透射表面)101对应，光学表面S3与第二表面(反射表面)102对应，光学表面S4与第一表面(反射表面)101对应，光学表面S5与第三表面(反射表面)103对应，光学表面S6与第四表面(内部全反射表面)104对应，并且光学表面S7与第五表面(透射表面)105对应。
[表1A]
S TYP R X Y Z A Nd Vd
1 SPH ∞ 0 0 0 0 1.00000
2 FFS1 ∞ 0 2.231 33.565 -3.270 1.53151 55.7
3 FFS2 ∞ 0 4.759 48.479 -19.928 1.53151 55.7
4 FFS1 ∞ 0 2.231 33.565 -3.270 1.53151 55.7
5 FFS3 ∞ 0 92.469 -27.324 81.407 1.53151 55.7
6 FFS4 ∞ 0 28.976 30.249 11.397 1.53151 55.7
7 FFS5 ∞ 0 31.244 62.217 -45.987 1.00000
I SPH ∞ 0 29.651 63.755 -17.474
[表1B]
系数 FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
C4 -9.0936E-03 -1.3105E-02 -1.3713E-02 5.8141E-03 -2.2773E-02
C6 -5.1745E-03 -9.6901E-03 2.4693E-03 6.3888E-03 -5.2465E-02
C8 -3.0703E-04 -1.8810E-05 -7.9663E-05 5.1313E-05 -2.4952E-03
C10 -9.1877E-05 3.9002E-05 4.1887E-05 1.5174E-04 -6.4656E-04
C11 -2.2738E-06 -2.1152E-06 -9.0780E-06 2.2403E-06 2.4717E-04
C13 -9.3240E-06 -2.0863E-06 7.5845E-07 -3.0725E-07 -9.0284E-05
C15 1.9002E-06 7.5704E-07 -3.8378E-07 -2.6912E-06 -1.2941E-04
C17 2.4301E-07 1.4354E-09 -8.9511E-08 -1.1484E-07 1.6225E-05
C19 -3.9825E-07 9.6476E-10 1.4203E-08 -4.6483E-08 -1.8856E-05
C21 2.9997E-09 6.0571E-08 -1.6390E-09 -1.2207E-09 -1.0965E-05
C22 1.6149E-08 -7.4246E-11 -5.1129E-09 -7.5758E-09 -2.3771E-06
C24 7.4596E-09 -8.3705E-10 4.8888E-10 -1.8013E-09 -1.5635E-06
C26 -8.4565E-09 1.0080E-09 3.0281E-12 -3.5117E-10 -9.0751E-07
C28 2.1565E-10 1.9324E-09 -1.0984E-13 -1.5069E-11 4.6250E-07
C30 6.0909E-11 -2.4641E-12 1.5474E-11 5.3979E-10 -3.5705E-08
C32 1.1048E-09 3.7419E-11 -2.8655E-12 -1.9790E-11 -1.4158E-07
C34 8.3556E-10 6.2012E-11 -7.4247E-16 -2.3905E-11 2.8982E-08
C36 4.7962E-12 2.7818E-11 -5.1860E-15 9.0549E-14 7.9518E-09
C37 -1.1286E-11 7.1352E-13 3.4918E-12 -1.2625E-12 7.7556E-09
C39 1.1866E-12 8.4567E-13 7.4296E-13 -9.4370E-12 1.4205E-08
C41 7.0678E-11 2.5944E-13 -8.6412E-14 1.6233E-12 1.9692E-09
C43 -7.8099E-12 -5.3314E-13 -2.4518E-16 4.6303E-13 4.2408E-09
C45 1.3334E-13 -2.3306E-13 7.6962E-17 5.5773E-15 7.8790E-10
上述的图5和图6示出本数值例的棱镜的外部构成。在本数值例中，观察光学部分402的最大宽度W2由第二表面102限定并且为54mm。中继光学部分401的最大宽度W1为44mm。连接部分201和202的最大宽度W′为小于W2＝54mm的53mm。
[数值例2]
表2A表示数值例2的光学数据，图8示出该数值例的光路的截面图。在本数值例中，图像形成元件106具有18.4mm×11.5mm的尺寸。显示光学系统107的出射光瞳100具有约4.6mm的水平直径和约4.3mm的垂直直径。出射光瞳100的中心被设定于观察者的眼球的旋转中心位置处。显示光学系统107的焦距为约16mm。显示光学系统(棱镜)107提供60°的水平视角和40°的垂直视角，并且在正z轴方向的无限远距离处显示观察图像。光学数据的含义与数值例1相同。表2B列出本数值例中的非球面系数。
[表2A]
S TYP R X Y Z A Nd Vd
1 SPH ∞ 0 0 0 0 1.00000
2 FFS1 ∞ 0 -7.056 35.838 -2.028 1.53151 55.7
3 FFS2 ∞ 0 -2.389 48.210 -25.749 1.53151 55.7
4 FFS1 ∞ 0 -7.056 35.838 -2.028 1.53151 55.7
5 FFS3 ∞ 0 92.922 -31.003 82.072 1.53151 55.7
6 FFS4 ∞ 0 26.325 32.432 20.538 1.53151 55.7
7 FFS5 ∞ 0 33.370 59.803 -34.348 1.00000
I SPH ∞ 0 35.147 62.629 -14.833
[表2B]
系数 FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
C4 -6.8451E-03 -1.2356E-02 -9.4712E-03 6.0193E-03 -2.3544E-02
C6 -4.0294E-03 -9.6787E-03 4.6624E-04 7.4419E-03 -5.0623E-02
C8 -1.5921E-04 -9.2675E-06 -1.1840E-05 1.0618E-04 2.0467E-04
C10 -5.1724E-05 7.4669E-06 2.4067E-05 1.6358E-04 2.2357E-03
C11 -5.7359E-07 -1.7164E-06 -1.0949E-05 9.4530E-07 2.3249E-04
C13 -2.1106E-06 -1.6309E-06 1.9452E-07 -3.2183E-06 1.7606E-04
C15 3.4726E-07 -3.5587E-07 -2.2225E-07 -2.7931E-06 -3.1708E-04
C17 -4.9518E-08 6.4858E-09 -1.1479E-07 -7.6155E-08 6.0359E-06
C19 -1.0727E-07 4.4520E-09 3.6990E-09 -2.6755E-08 -2.5646E-05
C21 1.8424E-08 3.1596E-08 -6.2258E-10 1.5210E-10 -3.3272E-05
C22 -2.3160E-09 -6.6793E-10 -2.0244E-09 2.6843E-09 -1.1259E-06
C24 -8.9880E-11 -1.5009E-09 1.3689E-10 -1.0052E-09 -2.7990E-06
C26 -6.3442E-09 -9.7100E-10 -1.5934E-11 -6.1837E-11 -4.2181E-07
C28 -1.3951E-10 7.9695E-11 9.0132E-14 3.2019E-11 1.8541E-06
C30 -3.1019E-11 1.8889E-11 5.7185E-12 -3.5404E-11 7.5580E-09
C32 2.7669E-10 6.4758E-11 3.7458E-13 8.4752E-12 -1.5692E-07
C34 -6.7295E-12 5.0292E-11 -1.2735E-14 1.2266E-12 8.2962E-08
C36 1.3918E-13 -8.6286E-12 -1.9605E-15 2.1375E-13 3.4569E-08
C37 3.7983E-12 -2.1219E-13 9.5414E-13 -2.3837E-12 5.1296E-09
C39 -4.1545E-12 3.4353E-13 3.7668E-13 -3.9777E-12 -3.9827E-09
C41 1.6648E-11 -1.4694E-12 -9.8650E-15 6.7951E-14 3.5384E-08
C43 3.7216E-12 -1.7234E-13 4.4395E-17 7.3488E-15 -4.8737E-09
C45 -7.0994E-16 7.3533E-13 3.0533E-17 1.3887E-15 -6.9394E-09
图9和图10示出本数值例的棱镜的外部构成。在本数值例中，观察光学部分402的最大宽度W2由第二表面102限定并且为58mm。中继光学部分401的最大宽度W1为40mm。连接部分201和202的最大宽度W′为小于W2＝58mm的49mm。
[数值例3]
表3A表示数值例3的光学数据，图11示出该数值例的光路的截面图。在本数值例中，图像形成元件106具有18.4mmm×11.5mm的尺寸。显示光学系统107的出射光瞳100具有约5.6mm的水平直径和约5.6mm的垂直直径。出射光瞳100的中心被设定于观察者的眼球的旋转中心位置处。显示光学系统107的焦距为约16mm。显示光学系统(棱镜)107提供60°的水平视角和40°的垂直视角，并且在正z轴方向的无限远距离处显示观察图像。光学数据的含义与数值例1相同。表3B列出本数值例中的非球面系数。
[表3A]
S TYP R X Y Z A Nd Vd
1 SPH ∞ 0 0 0 0 1.00000
2 FFS1 ∞ 0 -3.582 33.665 -4.006 1.53151 55.7
3 FFS2 ∞ 0 -1.271 45.680 -27.065 1.53151 55.7
4 FFS1 ∞ 0 -3.582 33.665 -4.006 1.53151 55.7
5 FFS3 ∞ 0 96.589 -29.229 82.112 1.53151 55.7
6 FFS4 ∞ 0 28.728 31.024 14.197 1.53151 55.7
7 FFS5 ∞ 0 32.805 61.050 -54.707 1.00000
I SPH ∞ 0 32.321 64.719 -13.391
[表3B]
系数 FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
C4 -1.0187E-02 -1.3291E-02 -1.0403E-02 6.1508E-03 -1.8379E-02
C6 -3.4197E-03 -9.7005E-03 1.0965E-03 5.8720E-03 -4.5737E-02
C8 -1.8947E-04 -3.0804E-06 -3.9526E-05 9.0294E-05 -1.7396E-03
C10 -8.3002E-05 1.1332E-05 2.9574E-05 1.6241E-04 -1.9243E-03
C11 2.8158E-06 -1.8251E-06 -8.7532E-06 1.7595E-07 1.1335E-04
C13 -5.7816E-06 -1.6667E-06 3.9075E-07 -2.9951E-06 -8.6981E-05
C15 9.9144E-07 2.0657E-07 -2.7673E-07 -2.5019E-06 -1.7115E-04
C17 2.6047E-08 8.9490E-09 -1.0259E-07 -7.1156E-08 1.9174E-05
C19 -1.1731E-07 2.6523E-08 7.8831E-09 -1.3947E-08 -8.1353E-06
C21 1.6846E-08 3.9174E-08 -7.3000E-10 -1.9598E-09 -3.3100E-05
C22 -1.0578E-09 -6.5069E-10 9.0733E-10 4.0796E-09 -1.6309E-07
C24 3.5119E-09 -1.1893E-09 -8.1073E-11 -8.4333E-10 1.1436E-06
C26 2.9691E-09 -1.5799E-09 -1.0057E-11 -9.5676E-11 -1.1842E-06
C28 -2.4327E-11 2.2092E-10 1.0059E-12 -4.9928E-12 -7.3602E-07
C30 -2.8973E-11 3.2758E-12 -9.6683E-13 -3.2831E-11 -1.3962E-08
C32 1.9428E-10 6.1132E-11 4.8615E-13 1.2634E-11 -7.3124E-08
C34 2.7238E-11 9.2837E-11 1.0814E-14 3.0879E-12 1.2332E-07
C36 1.8004E-13 -4.8682E-12 -2.8688E-16 2.2522E-13 -2.4479E-08
本数值例的棱镜的外部构成与图5和图6所示的数值例1类似。在本数值例中，观察光学部分402的最大宽度W2由第二表面102限定并且为52mm。中继光学部分401的最大宽度W1为35mm。连接部分201和202的最大宽度W′为小于W2＝52mm的51mm。
[数值例4]
表4A表示数值例4的光学数据，图12示出该数值例的光路的截面图。在本数值例中，图像形成元件106具有18.4mm×11.5mm的尺寸。显示光学系统107的出射光瞳100具有约5.4mm的水平直径和约3.7mm的垂直直径。出射光瞳100的中心被设定于观察者的眼球的旋转中心位置处。显示光学系统107的焦距为约13mm。显示光学系统(棱镜)107提供70°的水平视角和47°的垂直视角，并且在正z轴方向的无限远距离处显示观察图像。光学数据的含义与数值例1中的相同。表4B列出本数值例中的非球面系数。
[表4A]
S TYP R X Y Z A Nd Vd
1 SPH ∞ 0 0 0 0 1.00000
2 FFS1 ∞ 0 -20.741 33.112 -9.649 1.53151 55.7
3 FFS2 ∞ 0 -9.323 46.071 -35.803 1.53151 55.7
4 FFS1 ∞ 0 -20.741 33.112 -9.649 1.53151 55.7
5 FFS3 ∞ 0 112.506 -31.436 81.024 1.53151 55.7
6 FFS4 ∞ 0 36.198 38.454 22.172 1.53151 55.7
7 FFS5 ∞ 0 41.891 59.957 -66.718 1.00000
I SPH ∞ 0 30.599 67.180 -8.399
[表4B]
系数 FFS1 FFS2 FFS3 FFS4 FFS5
C4 -6.7645E-03 -1.1720E-02 -1.0383E-02 5.2598E-03 -5.9234E-03
C6 -2.9748E-03 -8.6794E-03 -3.7987E-04 5.6805E-03 7.1259E-03
C8 -1.6780E-04 5.6510E-07 -2.5958E-05 7.9397E-05 -3.6276E-03
C10 -2.2562E-05 8.4617E-06 1.9042E-05 1.4523E-04 -1.2279E-03
C11 3.5292E-06 -8.2249E-07 -3.0234E-06 -3.7614E-07 2.6478E-05
C13 6.1945E-06 -1.6333E-06 3.0387E-07 -3.4019E-06 -2.4306E-05
C15 -1.1178E-07 -1.8190E-06 -1.4282E-07 -2.6383E-06 -5.3137E-04
C17 -9.8369E-08 -2.6627E-09 -2.3139E-08 -2.5585E-08 2.3421E-05
C19 -2.0918E-07 3.6157E-08 4.2398E-09 9.7571E-09 2.4262E-05
C21 5.4070E-09 4.6281E-08 -5.6364E-10 1.2606E-08 3.2047E-05
C22 -4.4957E-10 -4.8906E-10 1.6069E-10 3.3085E-10 -1.9043E-07
C24 2.6898E-09 -5.3081E-10 7.3716E-11 -2.2723E-10 -9.7584E-07
C26 1.0683E-09 -4.2148E-10 1.0535E-12 -6.7541E-11 -1.1353E-06
C28 -2.6910E-12 -5.1552E-11 2.9939E-13 -1.0143E-11 -5.9893E-07
本数值例的棱镜的外部构成与图5和图6所示的数值例1类似。在本数值例中，观察光学部分402的最大宽度W2由第二表面102限定并且为65mm。中继光学部分401的最大宽度W1为57mm。连接部分201和202的最大宽度W′为小于W2＝65mm的64mm。
表5统一列出数值例1～4中的L12/f、L45/L12、L45/L13和W1/W2的值。所有这些值满足对应的条件，这导致分别提供宽视角的小型化图像显示装置。
[表5]
L12/f L45/L13 L45/L12 W1/W2
例子1 0.808 0.827 3.070 0.8148
例子2 0.844 0.765 2.679 0.6897
例子3 0.774 0.787 3.143 0.6731
例子4 1.244 0.667 2.303 0.8769
虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有修改以及等同的结构和功能
本申请要求在2015年7月23日提交的日本专利申请No.2015-146002的权益，在这里通过引用并入其全部内容。

Claims (12)

1.一种图像显示装置，包括：
图像形成元件(106)，被配置为形成原始图像；和
显示光学系统(107)，由光学元件形成并且被配置为将来自原始图像的光束引导到出射光瞳(100)，所述光学元件的被入射表面(105)、多个反射表面(101～104)和出射表面(101)包围的内部填充有光学介质，
其中，显示光学系统被配置为：
使从原始图像通过透过入射表面入射的光束在反射表面之中的一部分(104、103)处反射；
使反射光束在显示光学系统中形成中间图像；和
使所述光束在反射表面之中的另一部分(101、102)处反射并且从出射表面(101)向着沿第一方向定位的出射光瞳出射，
其中，光学元件包含：
上面形成入射表面和反射表面之中的一部分的第一光学部分(401)；
关于第一光学部分沿与第一方向正交的第二方向设置且上面形成反射表面之中的另一部分和出射表面的第二光学部分(402)；和
被配置为与保持部分连接的连接部分(201、202)，所述保持部分作为与连接部分不同的部分被设置用于在图像显示装置中保持光学元件，以及
其特征在于：
第一光学部分具有与第一和第二方向正交的宽度方向上的侧面；以及
连接部分形成在所述侧面上以包含于第二光学部分的宽度方向的最大宽度(W2)内。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，第一光学部分的最大宽度(W1)比第二光学部分的最大宽度小。
3.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，显示光学系统(107)具有作为多个反射表面的四个或更多个反射表面。
4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，在光学元件中，第二光学部分(402)关于第一光学部分(401)沿与宽度方向正交的垂直方向被设置。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，出射表面(101)还用作包含于反射表面的其他部分中的反射表面。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，显示光学系统(107)的视角为50°或更大。
7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，显示光学系统(107)被设置为用于观察者的右眼和左眼(301、302)中的每一个，并且，宽度方向与布置右眼和左眼的方向对应。
8.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，满足以下的条件：
0.50≤W1/W2≤0.95
其中，W1代表第一光学部分的宽度方向的最大宽度，并且，W2代表第二光学部分的宽度方向的最大宽度。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的图像显示装置，其中，
显示光学系统具有：用作出射表面和反射表面之中的一个的第一表面(101)，分别用作反射表面之中的另一个的第二表面(102)、第三表面(103)和第四表面(104)，以及，用作入射表面的第五表面(105)；
显示光学系统(107)被配置为使从第五表面前进到第四表面的光束的光路的至少一部分与从第三表面前进到第一表面的光束的光路的至少一部分相交；以及
显示光学系统满足以下条件中的至少一个：
0.62≤L12/f≤5.00
1.80≤L45/L12≤5.00
其中，当从形成原始图像的图像形成元件的图像形成区域的中心发射并且穿过出射光瞳的中心的光线被称为中心视角主光线(C)并且光学表面上的中心视角主光线的击点之间的距离被称为击点距离时，L45代表第四表面与第五表面之间的击点距离，L12代表第一表面与第二表面之间的击点距离，并且，f代表显示光学系统的焦距。
10.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，保持部分被设置在沿宽度方向与第一光学部分不同的位置处。
11.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，保持部分不是光学元件。
12.根据权利要求1所述的图像显示装置，其中，保持部分不是用于在显示光学系统(107)中形成光路的光学元件。
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