CN102004312A - 图像显示装置和头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
一种图像显示装置，包括：(A)成像装置；(B)光学系统，其将从成像装置射出的光转换成平行光；(C)光学装置，被光学系统转换成平行光的光束进入光学装置，在光学装置中光束被引导，并且光束被从光学装置射出；和(D)支撑构件，其相对于光学装置转动地支撑至少成像装置，其中由至少成像装置与支撑构件构成的组件的重心处于偏离支撑构件的中心转轴的位置，并且至少成像装置受重力而相对于光学装置转动，由此成像装置被水平地保持。
Description
技术领域
本发明涉及用来使观察者能够观察由成像装置形成的二维图像的图像显示装置，以及头戴式显示器(HMD)，该头戴式显示器结合了该图像显示装置并且包括将配戴在观察者头部的眼镜形状的框架。
背景技术
由日本专利文件JP-A-2006-162767公知一种虚拟图像显示装置(图像显示装置)，其中虚拟图像光学系统容许观察者观看由成像装置形成的作为放大的虚拟图像的二维图像。
如概要图1所示，图像显示装置100包括：成像装置111，其具有以二维矩阵排布的多个像素；准直光学系统112，其用于准直从成像装置111的像素射出的光；和光学装置(导光装置)120，被准直光学系统112准直过的光入射到光学装置120上。入射光被引导并从光学装置射出。光学装置120包括：导光板121、第一偏转构件130(例如，单层反光膜)和第二偏转构件140(例如，具有多层层叠结构的多层反光膜)。入射光在导光板121中以全反射传播，然后从导光板121射出。第一偏转构件130对入射到导光板121上的光进行反射，以使入射到导光板121上的光在导光板121中被全反射，而第二偏转构件140把在导光板121中全反射传播的光从导光板121射出。例如，如果头戴式显示器由这种图像显示装置100构成，则可实现装置的尺寸和重量上的减小。
而且，由日本专利文件JP-A-2007-94175公知一种采用全息衍射光栅的虚拟图像显示装置(图像显示装置)，其中虚拟图像光学系统容许观察者观看由成像装置形成的作为放大的虚拟图像的二维图像。
如概要图6A和6B所示，图像显示装置300基本包括：成像装置111，其用于显示图像；准直光学系统112；和光学装置(导光装置)320，被成像装置111显示的光入射到光学装置320上。入射光被引导至观察者的眼睛41。这里，光学装置320包括：导光板321；和设置在导光板321上的第一和第二衍射光栅构件330和340。第一和第二衍射光栅构件330和340各由反射式体全息衍射光栅构成。从成像装置111中的像素射出的光进入准直光学系统112，在准直光学系统112中光被转换成平行光，该平行光进入导光板321。平行光入射到导光板321上，并从导光板321的第一表面322射出。另一方面，第一和第二衍射光栅构件330和340安装到导光板321的第二表面323，该第二表面323平行于导光板321的第一表面322。
由例如日本专利文件JP-A-2000-312319公知一种头戴式显示器，其采用姿态传感器(attitude sensor)检测头戴式显示器倾斜离开水平平面的角度，并且通过图像处理或者控制驱动装置(例如电机)始终水平地保持显示图像。通过使用具有这种机构的头戴式显示器，即使观察者的头部倾斜，也可让观察者观察水平的图像。
同时，在日本未经审查的专利申请公布文件2000-312319中所公开的技术，需要旋转传动机构，例如姿态传感器和电机，因此存在例如整个头戴式显示器的重量增加、制造成本增加并且功率消耗增加等问题。并且，当显示图像是通过图像处理旋转该显示图像而得以水平地保持的时候，由于在这种处理中显示图像被旋转，因此不仅需要一种具有大显示区域的成像装置，而且字符等也被偏斜地显示。因此，为了显示漂亮的字符，需要增大成像装置的分辨率。
发明内容
因此，期望提供一种头戴式显示器，其容许即使配戴该头戴式显示器的观察者的头部倾斜，观察者仍可观察水平地保持的图像，而不引起重量增加、制造成本增加和功率消耗增加，并且无需通过图像处理旋转显示图像；以及提供一种适用于该头戴式显示器的图像显示装置。
根据本发明的一个实施例，提供一种图像显示装置，包括：
(A)成像装置；
(B)光学系统，其将从成像装置射出的光转换成平行光；
(C)光学装置，被光学系统转换成平行光的光束进入光学装置中，在光学装置中光束被引导，然后光束从光学装置射出；和
(D)支撑构件，其相对于光学装置转动地支撑至少成像装置。这里，由至少成像装置与支撑构件构成的组件的重心处于偏离支撑构件的转动中心轴的位置，并且至少成像装置受重力而相对于光学装置转动，由此成像装置被水平地保持。
根据本发明的第一实施例，提供一种头戴式显示器，包括：(a)框架，其形状像眼镜，用于配戴在观察者的头部，和(b)图像显示装置，其安装到框架，并且图像显示装置由上述的本发明实施例的成像装置构成。根据本发明的第一实施例的头戴式显示器，可包括本发明的实施例的一个图像显示装置(单眼型)或者两个图像显示装置(双眼型)。在光学装置与框架之间没有相对运动。即，光学装置相应于框架静止地布置。
根据本发明的第二实施例，提供一种头戴式显示器，包括：
(a)框架，其形状像眼镜，用于戴在观察者的头部，和
(b)成像装置，其通过支撑构件转动地安装到框架。这里，成像装置与支撑构件构成的组件的重心处于偏离支撑构件的转动中心轴的位置，并且成像装置受重力而相对于框架转动，由此成像装置被水平地保持。根据本发明的第二实施例的头戴式显示器，可包括一个图像显示装置(单眼型)或者两个图像显示装置(双眼型)。
在根据本发明的实施例的图像显示装置中，或者在根据本发明的第一实施例的头戴式显示器中的图像显示装置中，由至少成像装置与支撑构件构成的组件的重心处于偏离支撑构件的转动中心轴的位置，并且至少成像装置受重力而相对于光学装置转动，由此成像装置被水平地保持。并且，在根据本发明的第二实施例的头戴式显示器中，成像装置与支撑构件构成的组件的重心处于偏离支撑构件的中心转轴的位置，并且成像装置受重力而相对于框架转动，由此成像装置被水平地保持。因此，即使配戴头戴式显示器的观察者的头部倾斜，观察者仍可通过简单的配置和结构来观察被水平地保持的图像。并且，不会使重量增加、制造成本增加和功率消耗增加，也无需通过图像处理旋转显示图像，无需具有大显示区域的成像装置，也无需增加成像装置的分辨率。
附图说明
图1是实例1的图像显示装置的概要图。
图2A和2B是示意地显示构成实例1的图像显示装置的导光板中的光的传播的视图和显示导光板等的布置状态的概要图。
图3是从上面看实例1的头戴式显示器的示意图。
图4是从侧面看实例1的头戴式显示器的示意图。
图5是实例2的图像显示装置的概要图。
图6A和6B是实例3的图像显示装置的概要图。
图7是实例4的图像显示装置的概要图。
图8是显示构成实例5的图像显示装置的导光板等的布置状态的概要图。
图9A和9B是示意地显示构成实例6的图像显示装置的导光板中的光的传播的视图和显示导光板等的布置状态的概要图。
图10是从侧面看实例6的头戴式显示器的示意图。
图11A和11B是示意地显示构成实例7的图像显示装置的导光板中的光的传播的视图和显示导光板等的布置状态的概要图。
图12是从侧面看实例8的头戴式显示器的示意图。
图13A和13B是示意图，显示即使配戴该实施例的头戴式显示器的观察者的头部倾斜，观察者仍可观察水平保持的图像。
图14A和14B是概要图，显示分别构成实例1和实例5的图像显示装置的导光板等的变型的布置状态。
图15是从侧面看实例1的头戴式显示器的一种形式的示意图。
具体实施方式
在下文中，虽然对本发明将在实施例的基础上参考附图进行说明，但是本发明不限于这些实施例，并且这些实施例中的各种数值和材料为示意性的。说明将按以下顺序给出。
1.关于根据本发明的实施例的图像显示装置和根据本发明的第一与第二实施例的头戴式显示器的总体说明。
2.实例1(根据本发明的实施例的图像显示装置，和根据本发明的第一实施例的头戴式显示器)
3.实例2(实例1的变型)
4.实例3(实例1的另一变型)
5.实例4(实例1的又一变型)
6.实例5(实施例1至4的变型)
7.实例6(实施例1至5的变型)
8.实例7(实例6的另一变型)
9.实例8(根据本发明的第二实施例的头戴式显示器，及其它)
【关于根据本发明的实施例的图像显示装置和根据本发明的第一与第二实施例的头戴式显示器的总体说明】
在根据本发明的实施例的图像显示装置和根据本发明的第一实施例的头戴式显示器中的图像显示装置(在下文中，这些一般简单地称为“根据本发明的实施例的图像显示装置”)中，图像显示装置可进行配置，以使支撑构件相对于光学装置和光学系统转动地支撑成像装置。在这种配置中，图像显示装置可如此实现：支撑构件包括第一筒状构件、第二筒状构件和转动构件，转动构件布置在第一筒状构件与第二筒状构件之间来使第一筒状构件和第二筒状构件相对转动，成像装置布置在第一筒状构件中，光学系统布置在第二筒状构件中，并且光学装置安装到第二筒状构件。
成像装置在第一筒状构件中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将成像装置安装到第一筒状构件的内表面来执行。并且，光学装置在第二筒状构件中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将光学装置安装到第二筒状构件的内表面来执行。并且，第二筒状构件到光学装置的安装，可通过以适当的安装构件或者安装方法将第二筒状构件安装到光学装置来执行。支撑构件，更具体地，第二筒状构件可安装到框架。此安装也可以适当的安装构件或者安装方法来执行。并且，支撑构件，更具体地，第二筒状构件可固定到框架(具体地，边撑部分、前部、或者边缘部分)，或者可拆离式地安装到框架(具体地，边撑部分、前部、或者边缘部分)。
或者，根据本发明的实施例的图像显示装置可进行配置，以使支撑构件相对于光学装置转动地支撑成像装置和光学系统。在这种配置中，根据本发明的实施例的图像显示装置可如此实现：支撑构件包括第一筒状构件、第二筒状构件和转动构件，转动构件布置在第一筒状构件与第二筒状构件之间来使第一筒状构件和第二筒状构件相对转动，成像装置和光学系统布置在第一筒状构件中，光学装置安装到第二筒状构件。
成像装置和光学系统在第一筒状构件中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将成像装置和光学系统安装到第一筒状构件的内表面来执行。并且，第二筒状构件到光学装置的安装，可通过以适当的安装构件或者安装方法将第二筒状构件安装到光学装置来执行。支撑构件，更具体地，第二筒状构件可安装到框架。此安装也可以适当的安装构件或者安装方法来执行。并且，支撑构件，更具体地，第二筒状构件可固定到框架(具体地，边撑部分、前部、或者边缘部分)，或者可拆离式地安装到框架(具体地，边撑部分、前部、或者边缘部分)。
在根据本发明的实施例的图像显示装置中，由至少成像装置与支撑构件构成的组件的重心偏离(偏心于)支撑构件的中心转轴的位置。具体地，成像装置等可由支撑构件支撑，使组件的重心不位于支撑构件的中心转轴上。并且，在根据本发明的第二实施例的头戴式显示器中，成像装置的重心偏离(偏心于)支撑构件的中心转轴的位置。具体地，成像装置可由支撑构件支撑，使成像装置的重心不位于支撑构件的中心转轴上。即，更具体地，根据本发明的实施例的图像显示装置，可如此实现：支撑构件的重心与支撑构件的中心转轴一致，成像装置的重心位置偏离支撑构件的中心转轴；亦可如此实现：成像装置的重心与支撑构件的中心转轴一致，支撑构件的重心位置偏离支撑构件的中心转轴；亦可如此实现：成像装置与支撑构件构成的整个组件的重心位置偏离支撑构件的中心转轴。进一步，根据本发明的第二实施例的头戴式显示器，可具体地如此实现：支撑构件的重心与支撑构件的中心转轴一致，成像装置的重心位置偏离支撑构件的中心转轴；亦可如此实现：成像装置的重心与支撑构件的中心转轴一致，支撑构件的重心位置偏离支撑构件的中心转轴；亦可如此实现：成像装置与支撑构件构成的整个组件的重心位置偏离支撑构件的中心转轴。
在根据本发明的实施例的图像显示装置中，构成支撑构件的第一筒状构件和第二筒状构件可由例如塑料或者金属制成，并且第一筒状构件和第二筒状构件的尺寸(直径和长度)可考虑成像装置、光学系统、光学装置、整个头戴式显示器等的尺寸来确定。第一筒状构件与第二筒状构件可经由转动构件而布置成嵌套状。第一筒状构件和第二筒状构件可布置成使第一筒状构件覆盖第二筒状构件；并且第一筒状构件和第二筒状构件亦可布置为：使第二筒状构件覆盖第一筒状构件。布置在第一筒状构件与第二筒状构件之间的转动构件，可由例如球轴承、止推轴承、滚子轴承和滑动轴承构成。
在根据本发明的第二实施例的头戴式显示器中，支撑构件可由第一筒状构件和第二筒状构件构成，第一筒状构件和第二筒状构件由例如塑料或者金属制成，并且第一筒状构件和第二筒状构件的尺寸(直径和长度)可考虑成像装置、整个头戴式显示器等的尺寸来确定。与以上相似，第一筒状构件与第二筒状构件可通过在第一筒状构件与第二筒状构件之间布置转动构件来相对转动。第一筒状构件和第二筒状构件可经由转动构件布置成嵌套状。第一筒状构件与第二筒状构件可布置成使第一筒状构件覆盖第二筒状构件；并且第一筒状构件和第二筒状构件亦可布置为：使第二筒状构件覆盖第一筒状构件。成像装置可布置在第一筒状构件中，并且成像装置在第一筒状构件中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将成像装置安装到第一筒状构件的内表面来执行。并且，成像装置通过支撑构件安装到框架以便对框架可转动。具体地，第二筒状构件可安装到框架，更具体地，第二筒状构件到框架的安装，可通过以适当的安装构件或者安装方法将第二筒状构件安装到框架来执行。支撑构件可固定到框架(更具体地，边撑部分、前部、或者边缘部分)，和可以可拆离式地安装到框架(更具体地，边撑部分、前部、或者边缘部分)。
为了阻止第一筒状构件与第二筒状构件之间的过度的相对旋转，转动构件可包括适当的转动控制构件(某种制动器)，或者适当的转动控制构件(某种制动器)可布置在第一筒状构件与第二筒状构件之间。
在根据本发明的实施例的图像显示装置中，从成像装置的中心射出并穿过光学系统在成像装置一侧的节点的中心光束在一点处进入光学装置，该点被定义为光学装置中心点。进一步，穿过光学装置中心点且平行于光学装置的轴方向的轴，被定义为X轴；而穿过光学装置中心点且与光学装置的法向轴一致的轴，被定义为Y轴。
在根据本发明的实施例的图像显示装置中，中心光束可配置为以除0度外的角度(θ)相交XY平面。由此，当图像显示装置安装到眼镜形状的框架的安装部分时，对图像显示装置的安装角度几乎没有限制，从而可获得设计上的高自由度。在这种情况下，从易于图像显示装置的操作、设置和安装的观点来看，中心光束优选地包括在YZ平面内。并且，光学系统的光轴可配置为包括在YZ平面内、并且以除0度外的角度相交XY平面，或者光学系统的光学轴可配置为平行于YZ平面、平行于XY平面、并且穿过平移自成像装置的中心的一个位置。假定XY平面与水平平面一致，则中心光束与XY平面相交的角度θ可为仰角。即，中心光束从XY平面下方朝向XY平面地入射在XY平面上。在这种情况下，优选是XY平面以除0度外的角度相交垂直平面，并且也优选XY平面以角度θ相交垂直平面。另外，虽然θ的最大值未限制，但最大值可为5度。这里，水平平面是这样一个平面，它包括当观察者观看水平放置的物体(例如，水平方向、在无限远处的物体、地平线或者水平线)时的视线(“观察者的水平视线”)，和包括处于水平位置的观察者的双眼。并且，垂直平面是垂直于此水平平面的平面。或者，当观察者观看水平放置的物体(例如，水平方向、在无限远处的物体、地平线或者水平线)时，从光学装置射出并进入观察者的眼睛的中心光束可形成俯角。例如，5度至45度可作为相应于水平平面的俯角的例子。
在根据本发明的实施例等包括上述的优选配置和实施例的图像显示装置中，光学装置包括：
(a)导光板，入射光在导光板中以全反射传播后，从导光板射出；
(b)第一偏转构件，其将入射到导光板上的光进行偏转，以使入射到导光板上的光在导光板中被全反射；和
(c)第二偏转构件，其对导光板中以全反射传播的光进行多次偏转，以便把在导光板中以全反射传播的光从导光板中射出。
术语“全反射”是指在导光板中的全内反射或全反射。这也适用于下文。第一偏转装置的中心点相当于光学装置中心点。
这里，第一偏转构件可对入射到导光板上的光进行反射，第二偏转构件可对在导光板中以全反射传播的光进行多次透射和反射。在这种情况中，第一偏转构件可用作反射镜，第二偏转构件可用作半透射镜。
在此配置中，第一偏转构件，可由例如以金属包括合金制成的反光膜(某种镜)构成并且配置来对入射到导光板上的光进行反射，或者由衍射光栅(例如，全息衍射光栅膜)构成而用于将入射到导光板上的光进行衍射。第二偏转构件可由层叠有多个介电层叠膜的多层层叠结构半镜、偏振光分束器、或者全息衍射光栅膜构成。虽然第一偏转构件和第二偏转构件布置(结合)在导光板中，但是第一偏转构件对入射到导光板上的平行光进行反射或者衍射，以使入射的平行光在导光板中被全反射。另一方面，第二偏转构件对在导光板中以全反射传播的平行光进行多次反射或者衍射，并且将平行光从导光板射出。
或者，第一偏转构件可对入射到导光板上的光进行衍射，而第二偏转构件可对在导光板中以全反射传播的光进行多次衍射。在这种情况中，第一偏转构件和第二偏转构件各可由衍射光栅元件构成。并且，衍射光栅元件可由反射式衍射光栅元件或者透射式衍射光栅元件构成。或者，衍射光栅元件中的一个可由反射式衍射光栅元件构成，而另一个衍射光栅元件可由透射式衍射光栅元件构成。示例的反射式衍射光栅元件可包括反射式体全息衍射光栅。为了方便，由反射式体全息衍射光栅构成的第一偏转构件有时称作“第一衍射光栅构件”，由反射式体全息衍射光栅构成的第二偏转构件有时称作“第二衍射光栅构件”。
当根据本发明的实施例的图像显示装置进行彩色图像显示时，为了衍射或反射具有P种不同的波段(或波长)的P种光束(例如，对应于红、绿、篮，P＝3)，在第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件中可层叠P层衍射光栅层，而各层衍射光栅层由反射式体全息衍射光栅构成。各层衍射光栅层形成有相应于一个波段(或波长)的干涉条纹。或者，为了衍射或反射具有P种不同的波段(或波长)的P种光束，第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件可由设置有P种干涉条纹的一层衍射光栅层构成。或者，例如，观看角度可被分为三部分，并且第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件可通过对应于观看角度的各部分层叠衍射光栅层而构成。通过采用这些结构，当具有多波段(或者波长)的光束通过第一衍射光栅构件或者第二衍射光栅构件被衍射或者反射时，就可以提高衍射效率、增大可接受的衍射角度、并且优化衍射角度。
构成第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的实例材料，可包括光聚合物材料。由反射式体全息衍射光栅构成的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的材料和基本结构，可与本领域中反射式体全息衍射光栅的相同。反射式体全息衍射光栅是指仅对+1级衍射的光进行衍射和反射的全息衍射光栅。尽管衍射光栅构件形成有从衍射光栅构件的内部延伸到外部的干涉条纹，但是干涉条纹的形成方法可与本领域中所采用的相同。具体地，例如，将构成衍射光栅构件的材料(例如光聚合物材料)在第一预定方向以对象光进行辐照，并且将该材料同时地在第二预定方向以参考光进行辐照，由此，对象光和参考光形成的干涉条纹可被记录在构成衍射光栅构件的材料中。通过适当地选取第一预定方向、第二预定方向、和对象光与参考光的波长，就可在衍射光栅构件的表面上以理想的节距和理想的倾斜角布置干涉条纹。这里，干涉条纹的倾斜角是指在衍射光栅构件(或衍射光栅层)的表面与干涉条纹之间形成的角度。当第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件被构成为具有层叠了P层衍射光栅层(各层由反射式体全息衍射光栅构成)的层叠结构时，P层衍射光栅层被单独形成且然后以例如紫外线固化树脂粘接剂被层叠(接合)。或者，P层衍射光栅层可这样构成：形成一层粘接剂光聚合物材料的衍射光栅层，然后在其上依次接合粘接剂光聚合物材料层。
或者，根据本发明的实施例的图像显示装置可如此实现：光学装置由半透射镜构成，从成像装置射出的光进入半透射镜，并从半透射镜中朝向观察者的眼睛射出。从成像装置射出的光，可在空气中传播后，或者在透光构件例如玻璃板或者塑料板(具体地，由与形成导光板的材料类似的材料所形成的构件，其将在下面说明)中传播后，进入半透射镜。半透射镜可经由透光构件或者经由不同于透光构件的构件而安装到成像装置。
根据本发明的实施例包括上述的优选实施例与配置的图像显示装置可实现为使成像装置具有以二维矩阵排布的多个像素。为了方便，具有此配置的成像装置，被称为具有第一配置的成像装置。
在具有第一结构的成像装置中，例如，成像装置可由包括反射式空间光调节器和光源的成像装置、包括透射式空间光调节器和光源的成像装置、或者包括光发射元件(例如有机电致发光(EL)元件、无机EL元件、或者发光二极管(LED))的成像装置而构成。特别地，优选成像装置包括反射式空间光调节器和光源。例如，空间光调节器可由光阀、透射式或反射式液晶显示器例如硅基液晶(LCOS)或者数字微镜装置(DMD)、和光源构成，光源可由光发射元件构成。并且，反射式空间光调节器可包括液晶显示器和偏振分束器，偏振分束器对来自光源的部分光进行反射和导向至液晶显示器，并把被液晶显示器反射的部分光透射和导向至光学系统。构成光源的光发射元件可包括：例如，红光发射元件、绿光发射元件、蓝光发射元件和白光发射元件，或者白光可通过将使用光管的红光发射元件、绿光发射元件和蓝光发射元件射出的红光、绿光和蓝光进行色彩混合和亮度均衡而获得。光发射元件可由半导体激光元件、固态激光器或LED构成。像素的数量可根据图像显示装置的规格而确定。例如，像素的具体数量可为320*240、432*240、640*480、1024*768或者1920*1080。通过在下侧布置光源，可使成像装置的重心位置偏离支撑构件的中心转轴。
或者，在根据本发明的实施例的包括上述的优选实施例与配置的图像显示装置中，成像装置可包括光源和扫描构件，扫描构件对从光源射出的平行光进行扫描。为了方便，具有这种结构的成像装置，被称为具有第二配置的成像装置。
具有第二结构的成像装置中的光源，可包括光发射元件作为光源，更具体地，红光发射元件、绿光发射元件、蓝光发射元件和白光发射元件，或者白光可通过将使用光管的红光发射元件、绿光发射元件和蓝光发射元件射出的红光、绿光和蓝光进行色彩混合和亮度均衡而获得。光发射元件可由半导体激光元件、固态激光器或LED构成。具有第二结构的成像装置中的像素的数量(虚拟像素)，也可根据图像显示装置的规格而确定。例如，像素(虚拟像素)的具体数量为320*240、432*240、640*480、1024*768或者1920*1080。当进行彩色图像显示时，光源例如包括红光发射元件、绿光发射元件和蓝光发射元件，优选使用正交棱镜进行色彩合成。扫描构件可由微机电系统(MEMS)构成，微机电系统具有在二维方向可旋转的微镜或者检流计反射镜，扫描构件水平地和垂直地扫描从光源射出的光。通过在底端布置光源，可使成像装置的重心位置偏离支撑构件的中心转轴。
在具有第一配置的成像装置或具有第二配置的成像装置中，被光学系统(一种将射出的光转换成平行光束的光学系统，可被称为“平行光发射光学系统”，具体地，例如准直光学系统或中继光学系统)转换成多束平行光束的光被引入导光板。光束要成为平行光束的原因，是基于这样的事实：当这种光束已进入导光板，甚至在该光束已经经由第一偏转构件和第二偏转构件而从导光板中射出去后，均需要存储光波面信息。为了产生多束平行光束，例如，成像装置的光学发射部分可位于对应平行光发射光学系统的焦距的地方(位置)。平行光发射光学系统，在光学装置的光学系统中用作将像素的位置信息转换成角度信息。例如，平行光发射光学系统可由总体上具有正的屈光度的光学系统构成，具有正的屈光度的光学系统包括凸透镜、凹透镜、表面可调节的棱镜或者全息透镜中的单独一个或者这些的组合。具有开口的遮光构件，可布置在平行光发射光学系统与导光板之间，以使防止不需要的光从平行光发射光学系统射出和进入导光板。
导光板具有平行于导光板的轴(X轴)延伸的两个平行表面(第一和第二表面)。假定光入射到导光板上的表面为入射表面，光从导光板射出的表面为出射表面，入射表面和出射表面都可被定义为第一表面，或者入射表面可被定义为第一表面，而出射表面可被定义为第二表面。例如，导光板可由：玻璃材料，包括光学玻璃例如石英玻璃或者BK7；或者塑料材料(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、非晶态聚丙烯树脂、或者苯乙烯树脂(包括AS树脂))而构成。导光板不限于平板，而可以是弯曲的。
根据本发明的第二实施例的头戴式显示器中的成像装置，可包括例如由透射式空间光调节器和光源所构成的成像装置，具体地，光源为透射式液晶显示器。像素的数量可根据成像装置的规格而确定。例如，像素的具体数量可为320*240、432*240、640*480、1024*768或者1920*1080。
通过例如根据本发明的实施例的图像显示装置，头戴式显示器可如此构造，以使装置的重量和尺寸上的减小可实现、装置被配戴时的不舒适感可显著减轻、并且制造成本可缩减。
在根据本发明的第一和第二实施例包括上述的优选实施例与配置的头戴式显示器中，框架可包括：布置在观察者的前方的前部；和两个边撑部分，其经由铰接件转动地安装到前部的相对端部。端盖部分安装到各边撑部分的顶端部分。
在本发明的实施例包括上述的各种配置和实施例的头戴式显示器中，可容纳鼻垫。即，当观察者观看本发明的实施例的整个头戴式显示器时，框架与鼻垫构成的组件具有与普通眼镜基本相同的结构。并且，边缘部分可设置或者可不设置。构成框架的材料可与构成普通眼镜的材料相同，例如金属、合金、或者塑料、及其组合。鼻垫也可具有公知的配置和结构。
在本发明的实施例的头戴式显示器中，从设计或者易于容纳的观点来看，期望从一个或两个成像装置延伸的布线(信号线、电源线等)经由边撑部分和端盖部分的内部而从端盖部分的顶端部分延伸到外部，并且安装到外部电路(控制电路)。并且，头戴式显示器可实施为使各成像装置包括耳机部分，以及用于各图像成像设备的耳机部分的布线经由边撑部分和端盖部分的内部，从端盖部分的顶端部分延伸至耳机部分。耳机部分可包括，例如，内耳式耳机部分和耳道式耳机部分。更具体地，优选是，用于耳机部分的布线从端盖部分的顶端部分延伸至耳机部分，以便围绕在耳廓(外耳)的后面。
本发明的实施例的头戴式显示器可用于：例如电影标题的显示；戏剧、歌舞剧(kabuki)、能剧(Noh play)、狂言(kyogen)、歌剧、演唱会、芭蕾、各种剧场、娱乐场、艺术博物馆、旅游胜地、游乐胜地、景观导览等的各种说明的显示；在各种装置的运行、操纵、维修、拆装等中的符号、标记、标识、标志、设计等的各种说明的显示；有关人、物体等的符号、标记、标识、标志、设计等的各种说明的显示；和闭合字幕的显示。
【实例1】
实例1涉及根据本发明的实施例的图像显示装置，和根据本发明的第一实施例的头戴式显示器。实例1的图像显示装置的概要图显示在图1中，在构成实例1的图像显示装置的导光板中的光的传播示意地显示在图2A中，显示构成实例1的图像显示装置的导光板等的布置状态的概要图显示在图2B中。并且，实例1的头戴式显示器从上面看的示意图显示在图3中，该头戴式显示器从侧面看的示意图显示在图4中。
在实例1或者实施例2至7(见下文)中，图像显示装置100、200、300或者400包括：
(A)成像装置111或211；
(B)光学系统(平行光发射光学系统)112或254，其将从成像装置111或211射出的光转换成平行光；
(C)光学装置120或320，被光学系统112或254转换成平行光的光束进入光学装置120或320中并被引导而从光学装置120或320中射出；和
(D)支撑构件500或600，其相对于光学装置120或320转动地支撑至少成像装置111或211。
并且，实例1的或者实施例2至7(见下文)的头戴式显示器包括：
(a)框架10，其形状像眼镜，用于戴在观察者的头部，和
(b)图像显示装置100、200、300和400，其安装到框架10。此外，尽管在实施例的头戴式显示器中具体地采用了包括两个图像显示装置的双眼型显示器，但是也可采用包括一个图像显示装置的单眼型显示器。成像装置111或211显示单色的图像。
在实例1或者实施例2至7(见下文)中，由至少成像装置与支撑构件500或600构成的组件的重心CG在偏离支撑构件500或600的中心转轴AX的位置，并且至少成像装置111或211受重力而相对于光学装置120或320转动，由此成像装置111或211被水平地保持。在图2A、8、12、14A和14B中，支撑构件500或600的中心转轴AX以虚线显示，穿过重心CG并且平行于中心转轴AX的轴以点划线显示。
在实例1或者实施例2至4(见下文)中，支撑构件500相对于光学装置120或320和光学系统112或254转动地支撑成像装置111或211。支撑构件500包括第一筒状构件501、第二筒状构件502和转动构件503，转动构件503布置在第一筒状构件501与第二筒状构件502之间来使第一筒状构件501和第二筒状构件502相对转动。并且，成像装置111或211布置在第一筒状构件501中，光学系统112或254布置在第二筒状构件502中，并且光学装置120或320安装到第二筒状构件502。
第一筒状构件501和第二筒状构件502由例如塑料或金属制成。第一筒状构件501和第二筒状构件502的尺寸(直径和长度)可考虑成像装置111或211、光学系统112或254、光学装置120或320、整个头戴式显示器等的尺寸来适当地确定。第一筒状构件501和第二筒状构件502经由球轴承构成的转动构件503而布置成嵌套状。
成像装置111或211在第一筒状构件501中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将成像装置111或211安装到第一筒状构件501的内表面来执行。具体地，成像装置通过这样的方法而安装：将容纳成像装置111或211的壳体113A或213A配合到第一筒状构件501的内表面。并且，光学系统112或254在第二筒状构件502中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将光学系统112或254安装到第二筒状构件502的内表面来执行。具体地，光学系统通过这样的方法而安装：将容纳光学系统112或254的壳体113B或213B配合到第二筒状构件502的内表面。支撑构件500，更具体地，第二筒状构件502安装到框架10。具体地，支撑构件500，更具体地，第二筒状构件502固定到框架10(更具体地，边撑部分13)。此外，支撑构件可以可拆离式地安装到边撑部分13。在光学装置120或320与框架10之间没有相对运动。即，光学装置120或320相应于框架10静止地布置。
在实例1或实施例2至7(见下文)中，由至少成像装置111或211与支撑构件500或600构成的组件的重心CG偏离(偏心于)支撑构件500或600的中心转轴AX的位置。具体地，成像装置111或211等可由支撑构件500或600支撑，而使组件的重心CG不位于支撑构件500或600的中心转轴AX上。
在实例1或实施例2至7(见下文)中，从成像装置111或211的中心射出并穿过光学系统112或254在成像装置一侧的节点的中心光束CL在一点处进入光学装置120或320，该点被定义为光学装置中心点O，穿过光学装置中心点O且平行于光学装置120或320的轴方向的轴，被定义为X轴，穿过光学装置中心点O且与光学装置120或320的法向轴一致的轴，被定义为Y轴。
在实例1或者实施例2至7(见下文)中，光学装置120或320包括：
(a)导光板121或321，入射光在导光板中以全反射传播后，从导光板射出；
(b)第一偏转构件130或330，其将入射到导光板121或321上的光进行偏转，以使入射到导光板121或321上的光在导光板121或321中被全反射；和
(c)第二偏转构件140或340，其对导光板121或321中以全反射传播的光进行多次偏转，以便把在导光板121或321中以全反射传播的光从导光板121或321射出。第一偏转构件130或330的中心点相当于光学装置中心点O。光学装置120或320为透视型(半透射)。
这里，在实例1中，第一偏转构件130和第二偏转构件140布置在导光板121中。第一偏转构件130对入射到导光板121上的光进行反射，第二偏转构件140把在导光板121中以全反射传播的光进行多次透射和反射。即，第一偏转构件130用作反射镜，第二偏转构件140用作半透射镜。更具体地，设置在导光板121中的第一偏转构件130由反光膜(某种镜)构成，该反射膜由铝制成并且配置来对入射到导光板121上的光进行反射。另一方面，设置在导光板121中的第二偏转构件140由层叠了多层介电层叠膜的多层层叠结构构成。介电层叠膜包括，例如，由高介电常数材料制成的TiO2膜，和由低介电常数材料制成的SiO2膜。层叠了多层介电层叠膜的多层层叠结构在日本专利文件JP-T-2005-521099中公开。尽管在附图中显示六层介电层叠膜，但是介电层叠膜的数量不限于此。由与导光板121的材料相同的材料制成的薄片夹放在介电层叠膜之间。第一偏转构件130对入射到导光板121上的平行光进行反射(或衍射)，以使入射到导光板121上的平行光在导光板121中被全反射。另一方面，第二偏转构件140对在导光板121中以全反射传播的平行光进行多次反射(或衍射)，并且将平行光从导光板121朝向观察者的眼睛41而射出。
导光板121的提供第一偏转部分130的部分124被切除，从而在导光板121上形成斜面，在该斜面上将形成第一偏转构件130，反光膜通过真空淀积而形成在该斜面上，并且导光板121的切除部分124然后被接合到第一偏转构件130。并且，多层层叠结构被构成，与导光板121的材料相同的材料
(例如玻璃)制成的多层膜以及多层介电膜(例如，由真空淀积形成)层叠在多层层叠结构中，导光板121的部分125被切除从而形成斜面，在该斜面处第二偏转构件140将形成，多层层叠结构接合到该斜面，并且导光板的外部由例如抛光成形。这样，可获得具有设置在导光板121中的第一偏转构件130和第二偏转构件140的光学装置120。
在实例1或者实施例2至7(见下文)中，由光学玻璃或塑料材料形成的导光板121或321具有平行于导光板121或321的全内反射光传播方向(X轴)延伸的两个平行表面(第一表面122或322与第二表面123或323)。第一表面122或322与第二表面123或323相互面对。平行光从用作光入射表面的第一表面122或322进入，在导光板121中以全反射传播，然后从用作光出射表面的第一表面122或322射出。然而，本发明不限于此，并且光入射表面可由第二表面123或323构成，而光出射表面可由第一表面122或322构成。
在实例1或下面将说明的实例3中，成像装置111为具有第一配置的成像装置，并且具有以二维矩阵排布的多个像素。具体地，成像装置111包括反射式空间光调节器150和光源153，光源153由用于发射白光的光发射二极管构成。整个成像装置111容纳在壳体113A中(在图1中以点划线显示)，光学系统112容纳在壳体113B中(在图1中以点划线显示)，开口(未显示)设置在壳体113B中，光通过开口从光学系统112(平行光发射光学系统或准直光学系统)被射出。反射式空间光调节器150包括：液晶显示器(LCD)151，其由用作光阀的硅基液晶(LCOS)构成；和偏振分束器152，其将来自光源153的部分反光和导向至液晶显示器151，并且把被液晶显示器151反射的部分光透射和导向至光学系统112。液晶显示器151包括以二维矩阵排布的多个(例如640*480)像素(液晶单元)。偏振分束器152具有与本领域中的偏振分束器相同的配置和结构。从光源153射出的非偏振光入射到偏振分束器152上。P偏振光分量穿过偏振分束器152，并且被发射至系统的外部。另一方面，S偏转光分量被偏振分束器152反射，进入液晶显示器151，在液晶显示器151中被反射，然后从液晶显示器151射出。这里，在从液晶显示器151射出的光中，从用于显示白色的像素射出的光包含许多P偏振光分量，从用于显示黑色的像素射出的光包含许多S偏振光分量。因此，从液晶显示器151射出且入射到偏振分束器152上的光中的P偏振光分量，穿过偏振分束器152，并被引导至光学系统112。另一方面，S偏转光分量被偏振分束器152反射，然后返回光源153。光学系统112由例如凸透镜构成。为了产生平行光，成像装置111(具体地，液晶显示器151)布置在对应于光学系统112的焦距的地方(位置)。光源153布置在液晶显示器151的下侧。
框架10由前部11、两个边撑部分13和端盖部分14构成，前部11布置在观察者前方，两个边撑部分13经由铰接件12转动地安装到前部11的两端，端盖部分14(被称为端单元(tip cell)、耳罩(earmuff)和耳垫(ear pad))安装到各边撑部分13的顶端部分。并且，鼻垫(未显示)安装到框架。壳体11313或213B可以可拆离式地通过安装构件18而安装到边撑部分13。框架10由金属或者塑料制成。支撑构件500或600可被安装而通过安装构件18而固定到边撑部分13。支撑构件可以通过安装构件18而可拆离式地安装到拥有和配戴眼镜的观察者所拥有的眼镜的框架的边撑部分。
从一个成像装置111A延伸的布线(信号线、电源线等)15，经由边撑部分13和端盖部分14的内部，并从端盖部分14的顶端部分延伸至外部。各成像装置11lA或111B包括耳机部分16和用于耳机部分的布线17，从各成像装置111A或111B延伸的布线17，经由边撑部分13和端盖部分14的内部，并从端盖部分14的顶端部分延伸至耳机部分16。更具体地，用于耳机部分的布线17从端盖部分14的顶端部分延伸至耳机部分16，以便围绕在耳廓(外耳)的后面。通过采用这种配置，可形成简洁的头戴式显示器，而不会给人的印象为耳机部分16和耳机部分的布线17是随便布置的。
在实例1的图像显示装置100中，成像装置111与支撑构件500构成的组件的重心CG在偏离支撑构件500的中心转轴AX的位置，并且成像装置111受重力而相对于光学装置120转动，由此成像装置111被水平地保持。因此，即使配戴头戴式显示器的观察者的头部倾斜，通过简单的配置和结构，观察者仍可观察被水平地保持的图像。图13A和13B示意地显示，即使配戴本实施例的头戴式显示器的观察者的头部倾斜，观察者仍可观察被水平地保持的图像。并且，不会使重量增加、制造成本增加和功率消耗增加，也无需通过图像处理旋转显示图像，无需带大显示区域的成像装置，也无需增加成像装置的分辨率。
【实例2】
实例2是实例1的变型。图5是根据实例2的头戴式显示器中的图像显示装置200的概念视图。如图5所示，实例2中的成像装置211由具有第二配置的成像装置构成。即，成像装置包括光源251和扫描构件253，扫描构件253扫描从光源251射出的平行光。更具体地，成像装置211包括：
(a)光源251；
(b)准直光学系统252，其将从光源251射出的光转换成平行光；
(c)扫描构件253，其扫描从准直光学系统252射出的平行光；和
(d)中继光学系统254，其将扫描构件253扫描过的平行光进行中继和发射。光源251、准直光学系统252和扫描构件253容纳在壳体213A中(在图5中以点划线显示)，平行光发射光学系统(中继光学系统254)容纳在壳体213B中(在图5中以点划线显示)，开口(未显示)设置在壳体213B中，光通过该开口从中继光学系统254射出。支撑构件500通过安装构件18而可拆离式地安装到边撑部分13。光源251布置在准直光学系统252和扫描构件253的下方。
光源251包括用于发射白光的光发射元件。从光源251射出的光进入准直光学系统252，并作为平行光射出去，准直光学系统252总体上具有正的屈光度。平行光被全反射镜256反射，被扫描构件253水平地和垂直地扫描，并且被转换成某种二维图像，由此产生虚拟像素(像素的数量可制成与实例1的相同)，扫描构件253由MEMS构成，MEMS可在二维方向旋转微镜以便二维地扫描入射的平行光。来自虚拟像素的光，穿过中继光学系统(平行光发射光学系统)254，然后被转换成平行光的光束进入光学装置120，中继光学系统254由本领域的中继光学系统构成。
被中继光学系统254转换成平行光的光束进入光学装置120，并且在光学装置120中光束被引导，然后从光学装置120射出。由于光学装置120具有与实例1中采用的光学装置相同的配置和结构，因此省略对其的详细说明。并且，由于实例2的头戴式显示器与实例1的头戴式显示器，如上述除了成像装置211不同外，具有基本相同的配置和结构，因此省略对其的详细说明。
【实例3】
实例3也是实例1的变型。图6A是根据实例3的头戴式显示器中的图像显示装置300的概念视图。图6B是反射式体全息衍射光栅的一部分的放大的示意截面视图。在实例3中，成像装置110具有第一配置的成像装置构成，类似实例1。光学装置320，除了第一偏转构件和第二偏转构件的配置和结构外，具有与实例1的光学装置120相同的基本配置和结构。
在实例3中，第一偏转构件和第二偏转构件布置在导光板321的一个表面(具体地，导光板321的第二表面323)上。第一偏转构件将入射到导光板321上的光进行衍射，第二偏转构件对在导光板321中以全反射传播的光进行多次衍射。这里，第一和第二偏转构件各由衍射光栅元件构成，具体地，反射式衍射光栅元件，更具体地，反射式体全息衍射光栅。在以下说明中，为了方便，由反射式体全息衍射光栅构成的第一偏转构件，有时称为“第一衍射光栅构件330”，由反射式体全息衍射光栅构成的第二偏转构件有时称为“第二衍射光栅构件340”。
在实例3或下面将说明的实例4中，在第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340的每一个中，层叠了一层衍射光栅层。由光聚合物材料制成的各层衍射光栅层形成有对应一个波段(或波长)的干涉条纹，并且干涉条纹通过本领域的方法而形成。形成在衍射光栅层(衍射光学元件)上的干涉条纹，以固定的间距线性地延伸并且平行于Z轴方向。第一衍射光栅构件330的轴和第二衍射光栅构件340的轴平行于X轴，并且法向轴平行于Y轴。
图6B是反射式体全息衍射光栅的放大的部分截面示意视图。反射式体全息衍射光栅形成有干涉条纹，并且干涉条纹具有倾斜角
这里，倾斜角
是指在反射式体全息衍射光栅的表面与干涉条纹之间形成的角度。干涉条纹形成为从反射式体全息衍射光栅的内部延伸到外部。干涉条纹满足布拉格条件。这里，布拉格条件用来满足下列表达式A。在表达式A中，m是正整数，λ表示波长，d表示光栅表面的间距(包括干涉条纹的虚拟面之间在法线方向的距离)，Θ表示干涉条纹上的入射角的补角。当光以入射角
进入衍射光栅构件时，补角Θ、倾斜角ψ和入射角
具有由表达式B给出的关系：
M*λ＝2*d*sin(Θ)(A)
如上述，第一衍射光栅构件330布置(接合)在导光板321的第二表面323上，并且对从第一表面322入射到导光板321上的平行光进行衍射和反射，以使入射到导光板321上的平行光在导光板321中被全反射。并且，如上述，第二衍射光栅构件340布置(接合)在导光板321的第二表面323上，并且对在导光板321中以多次全反射传播的平行光进行衍射和反射，并且使平行光从导光板321穿过第一表面322射出。
平行光在导光板321中也以全反射传播，然后被射出。在这种情况中，由于导光板321薄并且在导光板321中的光路长，因此在光束到达第二衍射光栅构件340之前，光束所进行的全反射的次数根据视角而变化。更具体地，在入射在导光板321上的平行光束中，朝向第二衍射光栅构件340倾斜入射在导光板321上的平行光束的反射次数小于离开第二衍射光栅构件340倾斜入射在导光板321上的平行光束的反射次数。这是因为，在导光板321中传播的光入射在导光板321的内表面上时，在第一衍射光栅构件330处衍射和反射并朝向第二衍射光栅构件340倾斜入射在导光板321上的平行光束与沿相反方向倾斜入射在导光板321上的平行光束相比，相对导光板321的法向之间形成的角度更小。形成于第二衍射光栅构件340内部的干涉条纹的形状和形成于第一衍射光栅构件330内部的干涉条纹的形状，关于垂直于导光板321的轴的假想平面对称。
下面将说明的实例4中的导光板321，具有与上述的导光板321相同的配置和结构。
如上述，除了光学装置320不同外，实例3的头戴式显示器具有与实例1的头戴式显示器基本相同的配置和结构，因此省略对其的详细说明。
【实例4】
实例4是实例3的变型。图7是根据实例4的头戴式显示器中的图像显示装置的概念视图。在实例4的图像显示装置400中，光源251、准直光学系统252、扫描构件253、平行光发射光学系统(中继光学系统254)等具有与实例2中所采用的(具有第二配置的成像装置)各部件相同的配置和结构。并且，实例4中的光学装置320具有与实例3中的光学装置320相同的配置和结构。除了上述不同外，由于实例4的头戴式显示器具有与实例1的头戴式显示器基本相同的配置和结构，因此省略对其的详细说明。
【实例5】
实例5是实施例1至4的变型。在实施例1至4中，支撑构件600相对于光学装置120或320和光学系统112或254转动地支撑成像装置111或211。另一方面，在实例5中，如显示导光板等的布置状态的概要图8所示，支撑构件600相对于光学装置120或320转动地支撑成像装置111或211和光学系统112或254。支撑构件600包括第一筒状构件601、第二筒状构件602和转动构件603，转动构件603布置在第一筒状构件601与第二筒状构件602之间来使得第一筒状构件601和第二筒状构件602相对转动，成像装置111或211和光学装置112或254布置在第一筒状构件601中，光学装置120或320安装到第二筒状构件602。
成像装置111或211和光学系统112或254在第一筒状构件601中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将成像装置111或211和光学系统112或254安装到第一筒状构件601的内表面来执行。具体地，成像装置和光学系统通过这样的方法而安装：将容纳成像装置111或211和整个光学系统112或254的壳体配合到第一筒状构件601的内表面。具体地，第二筒状构件602到光学装置120或320的安装，可通过以适当的安装构件或者安装方法将第二筒状构件602安装到光学装置来执行。支撑构件600，更具体地，第二筒状构件602安装到框架10。此安装也可以适当的安装构件或者安装方法来执行。并且，支撑构件600，更具体地，第二筒状构件602可固定到框架(具体地，边撑部分13)，或者可以可拆离式地安装到框架10(更具体地，边撑部分13)。
除了上述方面外，由于实例5的图像显示装置和头戴式显示器可制成为与实施例1至4的图像显示装置和头戴式显示器相同的配置和结构，因此省略对其的详细说明。
【实例6】
实例6是实施例1至5的变型。在构成实例6的图像显示装置的导光板中的光传播通常如图9A中所示，构成实例6的图像显示装置的导光板等的布置状态在图9B中作为概要图显示，并且实例6的头戴式显示器从侧面看的示意视图显示在图10中。
在实施例1至5中，图像显示装置100或300被进行设计，以使从成像装置111的中心射出并穿过光学系统112或254的在成像装置一侧的节点的中心光束CL，垂直于导光板121或321地入射到导光板121或321上。即，中心光束CL设计为以零入射角进入导光板121或321。此时，要显示的图像的中心与导光板121或321的第一表面122或322的垂直方向一致。
在图像显示装置100所代表的这类图像显示装置中，如图2A和2B中所示，从成像装置111的中心射出的、在准直光学系统112的光学轴上的中心光束CL被准直光学系统112转换成基本上平行的光，然后垂直于导光板121地进入导光板121的第一表面(入射表面)122。然后，光沿传播方向A运行，同时在第一表面122与第二表面123之间被第一偏转构件130全反射。随后，中心光束CL被第二偏转构件140反射和衍射，并被从导光板121的第一表面122垂直地射出，然后到达观察者的眼睛41。
当观察者在透视型头戴式显示器中观看水平放置的物体时，为了防止光学装置120或320成为障碍，需要将光学装置120或320平移和布置到观察者的水平视线的下方。在这种情况中，整个图像显示装置100或300被布置在观察者的视线的下方。同时，在这种配置中，如图15中所示，需要将整个成像装置100倾斜角度θ″。在这种情况中，从与用于配戴在观察者的头部的形状像眼镜的框架的安装部分(边撑部分)的关系的角度而言，图像显示装置100可倾斜的角度θ″可能受到限制，或者设计自由度可能变低。因此，期望提供一种图像显示装置，其容许高自由度的布置和在设计上具有高自由度，以使其不会成为观察者的水平视线的障碍。
在实例6中，中心光束CL以除0度外的角度(θ)相交XY平面。中心光束CL被包括在YZ平面中。在实例6或下面将说明的实例7中，光学系统112或254的光轴被包括在YZ平面内并且以除0度外的角度，具体地，以角度θ相交XY平面(参考图9A和9B)。在实例6或下面将说明的实例7的头戴式显示器中，假定XY平面与水平平面一致，则中心光束CL相交XY平面的角度θ为仰角。即，中心光束CL从XY平面的下方朝向XY平面地入射在XY平面上。XY平面以除0度外的角度，具体地，以角度θ相交垂直平面。
在实例6中，θ＝5度。更具体地，在这种配置中，中心光束CL(在图10中以虚线显示)被包括在水平平面中。光学装置120或320相应于垂直平面倾斜角度θ。换句话说，光学装置120或320相应于水平平面倾斜角度(90-θ)。并且，从光学装置120或320射出的中心光束CL′(在图10中以点划线显示)相应于水平平面倾斜角度2θ。即，当观察者观看水平方向和无穷远处的物体时，从光学装置120或320射出并进入观察者的眼睛的中心光束CL′形成俯角θ′(＝2θ)(参考图10)。中心光束CL′与光学装置120或320的法向形成的角度是θ。在图9A或下面将说明的图11A中，，中心光束CL′从光学装置120或320射出的一点以O′表示，穿过点O′并且平行于X轴、Y轴和Z轴的轴以X′轴、Y′轴和Z′轴表示。此外，从成像装置111或211的中心射出的中心光束CL不限于该中心光束被包括在水平平面内的这种形式，而可实现为使中心光束以除0度外的期望的角度(俯角)相交水平平面。并且，当观察者观看水平方向和无穷远处的物体时，可实现使从光学装置120或320射出并且进入观察者的眼睛的中心光束CL′形成仰角。
在实例6的图像显示装置、或者构成实例6的头戴式显示器的图像显示装置中，中心光束以除0度外的角度(θ)相交XY平面。这里，若从光学装置射出并且进入观察者的眼睛的中心光束CL′形成俯角θ′，则满足关系θ′＝2θ。另一方面，在图15所示的实例中，若希望获得相同的俯角时，需要将整个成像装置倾斜角度θ″。这里，θ″与θ之间的关系是θ″＝2θ。最终，在图15中所示的实例中，光学装置应当相应于垂直平面倾斜2θ。另一方面，在实例6中，光学装置只要相应于垂直平面倾斜θ，并且成像装置只要保持水平。由此，当图像显示装置安装到眼镜形状的框架的安装部分时，对图像显示装置的安装角度几乎没有限制，从而可获得设计上的高自由度。并且，由于光学装置相应于垂直平面的倾斜小于图15所示实例的情况，因此户外日光被光学装置反射并且进入观察者的眼睛的现象几乎不会发生。因此，可显示更高质量的图像。
【实例7】
实例7是实例6的变型。在构成实例7的图像显示装置的导光板中的光传播示意地显示在图11A中，并且显示构成实例7的图像显示装置的导光板等的布置状态的概要图显示在图11B中。这里，在实例7中，光学系统(平行光发射光学系统或准直光学系统)112的光轴平行于YZ平面、平行于XY平面、并且穿过平移自成像装置111的中心的一个位置。通过采用这种配置，中心光束CL被包括在YZ平面内，并且以仰角θ相交XY平面。
【实例8】
实例8涉及根据本发明的第二实施例的头戴式显示器。图12是实例8的头戴式显示器从侧面看的示意图，如图12所示，实例8的头戴式显示器包括：
(a)框架10，其形状像眼镜，用于戴在观察者的头部，和
(b)成像装置711，其通过支撑构件700转动地安装到框架10，
成像装置711与支撑构件700构成的组件的重心CG在偏离支撑构件700的中心转轴AX的位置，并且成像装置711受重力而相应于框架10转动，由此成像装置711被水平地保持。尽管在实例8(双眼型)中设置了两个成像装置711，但是也可采用包括一个图像显示装置的单眼型。并且，成像装置711为由透射式空间光调节器和光源构成的成像装置，该透射式空间光调节器显示单色的(白色的)图像，而该光源具体地为透射式液晶显示器。像素的数量与实例1的相同。
在实例8的头戴式显示器中，成像装置711的重心CG偏离(偏心于)支撑构件700的中心转轴AX的位置。具体地，成像装置711由支撑构件700支撑，而使成像装置711的重心CG不位于支撑构件700的中心转轴AX上。
即使在实例8中，支撑构件700也由例如塑料或金属制成的第一筒状构件701和第二筒状构件702构成。第一筒状构件701和第二筒状构件702的尺寸(直径和长度)可考虑成像装置711、整个头戴式显示器等的尺寸来适当地确定。与实例1相似的转动构件703布置在第一筒状构件701与第二筒状构件702之间，并且第一筒状构件701和第二筒状构件702可相对转动。第一筒状构件701与第二筒状构件702经由转动构件703而布置成嵌套状。成像装置711可布置在第一筒状构件701中，并且成像装置711在第一筒状构件701中的布置，可通过以适当的安装构件或者安装方法将成像装置711安装到第一筒状构件701的内表面来执行。具体地，成像装置通过这样的方法而安装：将成像装置711的壳体配合进第一筒状构件701的内表面。并且，成像装置711通过支撑构件700而安装到框架10，以便对框架10可转动。具体地，第二筒状构件702可安装到框架10，更具体地，第二筒状构件702可被固定到、或者通过适当的安装构件或者安装方法而可拆离式地安装到边缘部分、前部11、或者边撑部分13。
在实例8的头戴式显示器中，成像装置711与支撑构件700构成的组件的重心CG在偏离支撑构件700的中心转轴AX的位置，并且成像装置711受重力而相应于框架10转动，由此成像装置711被水平地保持。因此，即使配戴头戴式显示器的观察者的头部倾斜，通过简单的配置和结构，观察者仍可观察被水平地保持的图像。并且，不会使重量增加、制造成本增加和功率消耗增加，也无需通过图像处理旋转显示图像，无需带大显示区域的成像装置，也无需增加成像装置的分辨率。
尽管已基于优选实施例对本发明进行说明，但是本发明不限于这些实施例。在实施例中已进行说明的图像显示装置、支撑构件和头戴式显示器，仅仅是图示性的，并且可被适当地更改。例如，在实例1或者实例5中说明的支撑构件中的第一筒状构件和第二筒状构件的结构也可更改为如图14A和14B所示。即，可采用一种结构，在该结构中，面向观察者的第二筒状构件502或602设置有底板504或604，从底板504或604的中心部分朝向内部设置有突出部分505或605，并且第一筒状构件501或601经由转动构件503或603而围绕突出部分505或605转动。如果构成支撑构件的两个构件相互可转动，则这些构件的形状可不是筒状的。并且，表面浮雕型(surface relief-type)全息图(参考美国专利申请公开文件2004/0062505A1)可布置在导光板中。实例3或4的光学装置320也可实现为使衍射光栅元件由透射式衍射光栅元件构成，或者第一偏转构件和第二偏转构件中的任何一个由反射式衍射光栅元件构成，而另一个由透射式衍射光栅元件构成。或者，反射式闪耀衍射光栅元件也可用作衍射光栅元件。
本申请包括2009年8月31日向日本专利局提交的日本优先权专利申请文件JP 2009-199568中所公开内容相关的主题，其全部内容引用结合于此。
本领域技术人员应当理解，在附加的权利要求或其等同形式的范围之内，依据设计需要与其它因素，可进行各种修改、组合、子组合和替代。
Claims (14)
1.一种图像显示装置，包括：
(A)成像装置；
(B)光学系统，其将从所述成像装置射出的光转换成平行光；
(C)光学装置，被所述光学系统转换成所述平行光的光束进入所述光学装置中，在所述光学装置中所述光束被引导并从所述光学装置射出；和
(D)支撑构件，其相对于所述光学装置转动地支撑至少所述成像装置，
其中，由至少所述成像装置与所述支撑构件构成的组件具有的重心处于偏离所述支撑构件的中心转轴的位置，并且至少所述成像装置受重力而相对于所述光学装置转动，由此所述成像装置被水平地保持。
2.根据权利要求1的所述图像显示装置，
其中所述支撑构件相应于所述光学装置和所述光学系统转动地支撑所述成像装置。
3.根据权利要求2的所述图像显示装置，
其中，所述支撑构件包括第一筒状构件、第二筒状构件和转动构件，所述转动构件布置在所述第一筒状构件与所述第二筒状构件之间来使所述第一筒状构件和所述第二筒状构件相对转动，
所述成像装置布置在所述第一筒状构件中，
所述光学系统布置在所述第二筒状构件中，和
所述光学装置安装到所述第二筒状构件。
4.根据权利要求1的所述图像显示装置，
其中，所述支撑构件相对于所述光学装置转动地支撑所述成像装置和所述光学系统。
5.根据权利要求4的所述图像显示装置，
其中，所述支撑构件包括第一筒状构件、第二筒状构件和转动构件，所述转动构件布置在所述第一筒状构件与所述第二筒状构件之间来使所述第一筒状构件和所述第二筒状构件相对转动，
所述成像装置和所述光学装置布置在所述第一筒状构件中，和
所述光学装置安装到所述第二筒状构件。
6.一种头戴式显示器，包括：
(a)框架，其形状像眼镜，用于戴在观察者的头部；和
(b)安装到所述框架的图像显示装置，所述图像显示装置包括
(A)成像装置；
(B)光学系统，其将从所述成像装置射出的光转换成平行光；
(C)光学装置，被所述光学系统转换成所述平行光的光束进入所述光学装置，在所述光学装置中所述光束被引导并从所述光学装置射出；和
(D)支撑构件，其相对于所述光学装置转动地支撑至少所述成像装置，
其中，由至少所述成像装置与所述支撑构件构成的组件的重心处于偏离所述支撑构件的所述中心转轴的位置，并且至少所述成像装置受重力而相对于所述光学装置转动，由此所述成像装置被水平地保持。
7.根据权利要求6的所述头戴式显示器，
其中所述支撑构件相应于所述光学装置和所述光学系统转动地支撑所述成像装置。
8.根据权利要求7的所述头戴式显示器，
其中，所述支撑构件包括第一筒状构件、第二筒状构件和转动构件，所述转动构件布置在所述第一筒状构件与所述第二筒状构件之间来使所述第一筒状构件和所述第二筒状构件相对转动，
所述成像装置布置在所述第一筒状构件中，
所述光学系统布置在所述第二筒状构件中，和
所述光学装置安装到所述第二筒状构件。
9.根据权利要求6的所述头戴式显示器，
其中，所述支撑构件相对于所述光学装置转动地支撑所述成像装置和所述光学系统。
10.根据权利要求9的所述头戴式显示器，
其中，所述支撑构件包括第一筒状构件、第二筒状构件和转动构件，所述转动构件布置在所述第一筒状构件与所述第二筒状构件之间来使所述第一筒状构件和所述第二筒状构件相对转动，
所述成像装置和所述光学装置布置在所述第一筒状构件中，和
所述光学装置安装到所述第二筒状构件。
11.根据权利要求6的所述头戴式显示器，
其中所述框架由前部和两个边撑部分构成，所述前部布置在观察者的前方，所述两个边撑部分通过铰接件转动地安装到所述前部的两端。
12.一种头戴式显示器，包括：
(a)框架，其形状像眼镜，用于戴在观察者的头部，和
(b)成像装置，其通过支撑构件转动地安装到所述框架，
其中，所述成像装置与所述支撑构件构成的组件的重心处于偏离所述支撑构件的所述中心转轴的位置，并且所述成像装置受重力而相对于所述框架转动，由此所述成像装置被水平地保持。
13.一种图像显示装置，包括：
(A)成像装置；
(B)光学系统，其将从所述成像装置射出的光转换成平行光；
(C)光学装置，被所述光学系统转换成平行光的光束进入所述光学装置并被引导而从所述光学装置射出；和
(D)支撑构件，其相对于所述光学装置转动地支撑所述成像装置，
其中，所述成像装置受重力而相对于所述光学装置转动。
14.根据权利要求13的所述图像显示装置，
其中所述支撑构件包括
第一构件，
第二构件，和
转动构件，其布置在所述第一构件与所述第二构件之间来使所述第一构件和所述第二构件相对转动，
其中，所述成像装置安装到所述第一构件，和
其中，所述光学装置安装到所述第二构件。
Applications Claiming Priority (2)
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| JP2009199568A JP5333067B2 (ja) | 2009-08-31 | 2009-08-31 | 画像表示装置及び頭部装着型ディスプレイ |
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