CN102023383A - 眼镜型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及眼镜型图像显示装置。为了提供可以容易地在透视显示与非透视显示之间切换而不使用电气机构或机械机构的眼镜型图像显示装置，该装置设置有由眼镜框支撑的图像输出单元和设置在眼镜镜片上的平面镜，其中图像输出单元在观看者的视野中输出二维电子图像的图像光，并且平面镜朝向观看者的眼球反射该图像光，使得观看者可以看到作为虚像的电子图像。平面镜为垂直长矩形的形状，并且在图像光的输出方向上的投影截面的水平宽度是从作为亮适应瞳孔直径的1mm到作为暗适应瞳孔直径的7mm。

Description

眼镜型图像显示装置

技术领域

本发明涉及眼镜型图像显示装置。

背景技术

通常，建议将例如包括保持于眼镜的镜腿(temple)侧的图像输出单元和被保持为邻近眼镜镜片的目镜光学单元的装置作为眼镜型图像显示装置。这种眼镜型图像显示装置被构造为使得从图像输出单元输出的要显示的电子图像的图像光通过目镜光学单元入射到观看者的眼球上，由此观看者可以看到图像。在这种眼镜型图像显示装置中，通常将电子图像和透过眼镜镜片的背景图像进行叠加并显示在眼球上，因此观看者可以在他/她的视野中看到作为半透明图像的电子图像(即，“透视图像(see-through image)”)。

作为实现透视图像的方法，已知的是针对目镜光学单元使用半反射镜(halfmirror)和透镜或凹面镜的装置，以及具有设置在眼镜镜片上的全息光学元件的装置(例如参见JP2006209144(A))。

但是，当按照透视方式显示电子图像时，如果环境太明亮，则背景图像的图像光强度会太高，而电子图像的光强度会受到它的影响而使得难以观看。因此，如果为了提高可见度而增加电子图像的亮度，则需要比正常亮度大10倍的亮度。因此消耗了更多电力，这在经济上是效率低的。因此，在这样的环境中，建议降低叠加在电子图像上的背景图像的透射性，换言之，降低透视的程度，以提供容易看到的图像。

例如，建议一种具有电切换装置(参见例如JP2830291(B2))或具有机械机构的眼镜型图像显示装置，该电切换装置采用液晶快门作为用于在透视与非透视之间切换的装置，借助所述机械机构，可以根据环境亮度来安装或卸下由作为透明材料和有色材料的混合物的材料制成的遮光构件，从而调节背景光(例如参见JP2001166703(A))。

发明内容

但是，当使用液晶快门作为电切换装置时，液晶快门需要的构件的成本高。另外，需要用于控制切换的控制结构，这增加了装置的尺寸。此外，对于采用遮光构件的机械机构装置，观看者需要根据情况来安装或卸下该装置。另外，如果安装遮光构件，则在宽的范围上阻挡了外部视野。

根据以上内容，本发明的目的在于提供一种眼镜型图像显示装置，其能够根据环境亮度容易地在透视显示与非透视显示之间切换，而不使用电气机构或机械机构。

实现上述目的的本发明的第一方面是一种眼镜型图像显示装置，该眼镜型图像显示装置包括：

图像输出单元，其用于输出待显示的图像的图像光；和

反射单元，其设置在观看者的至少一个眼球的视野中，该反射单元适于朝向观看者的眼球反射从图像输出单元输出的图像光，使得观看者可以看到所述图像的虚像，其中反射单元在到眼球的图像光的输出方向上的投影截面的宽度的最小值小于人的暗适应(dark-adapt)瞳孔直径并且大于人的亮适应(light-adapt)瞳孔直径。

本发明的第二方面在于根据第一方面的眼镜型图像显示装置，其中反射单元在图像光的输出方向上的投影截面的宽度的最小值不大于3.8mm但不小于1mm。

本发明的第三方面在于根据第一方面的眼镜型图像显示装置，其中反射单元在图像光的输出方向上的投影截面的宽度h满足以下方程：

w·d/f+1mm≤h，

其中w是从观看者的瞳孔位置到反射单元的中心点的距离，f是为了在观看者的眼球中形成虚像而提供的投影透镜的焦距，并且d是图像输出单元的图像显示元件的对应于投影截面的宽度方向的宽度。

应该注意，在本说明书中，“暗适应”被定义为人眼适应非常黑暗的环境中的黑暗的状态，并且“亮适应”被定义为人眼适应非常明亮的环境中的光亮的状态。人的暗适应瞳孔直径为大约7mm，并且人的亮适应瞳孔直径为大约1mm。应该注意，人的瞳孔直径根据环境的亮度从1mm到7mm变化，并且平均瞳孔直径在正常环境中为4mm。

根据本发明，反射单元在到眼球的图像光的输出方向上的投影截面的宽度的最小值小于暗适应瞳孔直径并且大于亮适应瞳孔直径，并且因此可以根据环境亮度容易地切换透视显示与非透视显示，而不使用电气机构或机械机构。

附图说明

图1是示意性例示根据本发明第一实施方式的眼镜型图像显示装置的主要部件的局部配置图；

图2是例示用于实施本发明的反射单元的示例的图；

图3是当观看者佩戴图1的眼镜型图像显示装置时观看者的右眼侧的正视图；

图4(a)是例示根据正常环境中的瞳孔直径的变化而在透视显示与非透视显示之间切换的原理图；

图4(b)是例示根据非常明亮的环境中瞳孔直径的变化而在透视显示与非透视显示之间切换的原理图；

图5(a)是例示图1的眼镜型图像显示装置的平面镜(plane mirror)的尺寸与在暗适应下的瞳孔直径尺寸之间的关系的图；

图5(b)是例示图1的眼镜型图像显示装置的平面镜的尺寸与在亮适应下的瞳孔直径尺寸之间的关系的图；

图6(a)是示出图1的眼镜型图像显示装置的透视显示图像的图；

图6(b)是示出图1的眼镜型图像显示装置的非透视显示图像的图；

图7是例示根据本发明第二实施方式的眼镜型图像显示装置的配置和使用状态的图；

图8是示出图6的眼镜型图像显示装置的光学系统的图；

图9是例示根据本发明第三实施方式的眼镜型图像显示装置的配置和使用状态的图；

图10是例示观看者看到的便携式数字装置的显示屏幕的视角的图；

图11是例示在非常明亮的环境中非透视区域的视角的图；

图12(a)是例示根据本发明第四实施方式的眼镜型图像显示装置的平面镜的尺寸与在正常环境中的瞳孔直径尺寸之间的关系的图；和

图12(b)是例示根据本发明第四实施方式的眼镜型图像显示装置的平面镜的尺寸与在亮适应下的瞳孔直径尺寸之间的关系的图。

具体实施方式

下面将参照附图来例示本发明的实施方式。

(第一实施方式)

图1是示意性例示根据本发明第一实施方式的眼镜型图像显示装置的主要部件的局部配置图。在该图中，还示出了当观看者佩戴眼镜型图像显示装置1时他/她的右眼的眼球2。眼镜型图像显示装置1具有这样的配置，其中图像输出单元5和构成反射单元的平面镜6被添加到主要由眼镜镜片3和眼镜框4构成的眼镜。

眼镜框4包括庄头(endpiece)7、镜腿9和铰链8，庄头7固定到眼镜镜片3或眼镜镜片3的框架，并位于眼镜的前表面上的两端处，镜腿9通过铰链8与庄头7可折叠地连接。通过在观看者的耳朵上悬挂镜腿9并靠着观看者的鼻子放置鼻垫10，可以相对于观察者的眼球2固定眼镜型图像显示装置1的位置，该鼻垫10固定到眼镜镜片3或其框架。

图像输出单元5例如通过眼镜框4的镜腿9来支撑，具有诸如液晶元件或有机EL元件的紧凑图像显示元件以及设置在图像显示元件的前面的透镜，并通过眼镜镜片3与镜腿9之间的空间向平面镜6输出待显示的电子图像的图像光。

平面镜6例如保持在至少一个眼球(图中的右眼)的视野中并靠近眼镜镜片3，并且例如保持在眼镜镜片3的透镜部分的表面。调节平面镜6的反射表面的角度，使得从图像输出单元5输出的图像光朝向观看者的眼球2反射，并且由此观看者可以看到作为虚像显示的电子图像。作为平面镜6，如图2所示，可以使用(a)前表面反射镜、(b)后表面反射镜、(c)嵌入在眼镜镜片中的反射镜等。作为前表面反射镜和后表面反射镜，可以使用前表面和后表面被分别用典型的反射镜涂层(例如，金属沉积或介电多层膜)处理的反射镜。此时，如果使用不透明反射镜，则在亮适应下可以实现完全非透视显示，并且如果使用透明的半反射镜，则即使在亮适应下的非透视状态中也可以部分地透射背景光。如果使用嵌入在眼镜镜片中的反射镜，则通过在眼镜镜片与空气之间的折射可以减小倾斜的角度。

图3是当观看者佩戴图1的眼镜型图像显示装置时观看者的右眼侧的正视图。当面对瞳孔11时，平面镜6被设置得更靠近图像输出单元5。另外，平面镜6是垂直长矩形的形状，并且在到眼球的图像光的输出方向上的投影截面的水平宽度是从1mm到7mm，优选地是从1mm到3.8mm。

下面，描述根据周围环境在透视显示与非透视显示之间的切换。图4是例示根据瞳孔直径的变化而在透视显示与非透视显示之间切换的原理图。图4示出了瞳孔11和从上方看到的包括平面镜6的外部光的光学系统，瞳孔11的尺寸通过眼球内的虹膜12而改变。在该图中，不被平面镜6阻挡而到达瞳孔11的外部光由虚线箭头表示。此外，图4(a)示出了在正常环境中的状态，而图4(b)示出了在非常明亮的环境中并且瞳孔直径最小的状态。

在图4(a)中示出的正常环境的情况下，瞳孔11的直径是4mm，并且瞳孔11与平面镜6之间的距离是大约10mm。如果平面镜6的水平宽度为3.8mm或更小，如图4(a)所示，则来自外部视野的光可以穿过瞳孔中的任何地方，该外部视野比明晰视觉(distinct vision)的距离(通常为250mm)更远，明晰视觉的距离是从瞳孔11到人可以舒服地看见物体处的距离。在该情况下，观看者可以看到外部视野(outside view field)以及在电子图像的视角内的作为透视图像的电子图像。

另一方面，当周围环境明亮并且瞳孔直径最小时，如图4(b)所示，瞳孔直径由于亮适应而收缩到1mm。此时，由于平面镜的水平宽度(即到眼球的图像光的输出方向上的投影截面的宽度)大于1mm，所以如观看者所看到的，在平面镜6的前面存在这样的区域，在该区域内来自外部视野的光被平面镜6阻挡并且没有到达瞳孔11。因为该情况，在观看者的视野中产生外部光不能穿过瞳孔11的非透视区域13。在非透视区域13中，仅可以看到电子图像，并且可以在不被明亮的外部视野阻挡的情况下获得优良的可见度。

图5是例示图1的眼镜型图像显示装置的平面镜的尺寸与瞳孔直径尺寸之间的关系的图。图5(a)示出了暗适应下的状态(瞳孔直径最大)，而图5(b)示出了亮适应下的状态(瞳孔直径最小)。

在非常暗的环境中，优选地按照透视方式与外部视野一起显示电子图像。在该情况下，由于暗适应瞳孔直径为大约7mm，所以瞳孔直径大于平面镜的3.8mm的水平宽度，如图5(a)所示，并且由此实现透视显示。应该注意，在该情况下，如果平面镜6的水平宽度小于7mm(其为暗适应的人瞳孔直径11)，则可以实现透视显示。

另一方面，在非常明亮的环境中，当按照透视方式显示电子图像时，电子图像的亮度比来自外部视野的外部光弱，这导致非常不清晰的显示。因而，优选地阻挡外部光，使得按照非透视方式显示图像。在该情况下，如图5(b)所示，人的瞳孔直径由于亮适应而为大约1mm。因此，通过提供大于1mm的平面镜6的水平宽度，可以在明晰视觉的距离中实现非透视显示。

图6是示出图1的眼镜型图像显示装置的显示图像的图。图6(a)示出了在正常环境中的透视显示，而图6(b)示出了在非常明亮的环境中的非透视显示。如图6(a)所示，在正常环境中，由图像输出单元5输出的图像光所形成的电子图像15被平面镜6反射并入射到眼球上，该电子图像15叠加在外部视野上，并以透视方式显示在佩戴有眼镜型图像显示装置1的观看者的视野中。另一方面，如图6(b)所示，在非常明亮的环境中，瞳孔11由于亮适应而变得更小，来自外部背景的背景光被平面镜6阻挡而不入射在瞳孔上。因此，按照非透视方式仅显示来自图像输出单元5的电子图像15。

如上所述，根据本实施方式，相对于平面镜6，在到眼球2的图像光的输出方向上的投影截面是垂直长矩形的形状，并且投影截面的水平宽度在1mm到7mm的范围中，这样，可以根据非常暗的环境(暗适应)和非常明亮的环境(亮适应)在透视显示和非透视显示之间切换。此外，如果投影截面的水平宽度在1mm到3.8mm的范围中，则可以在正常环境中以透视显示方式显示电子图像，并且在非常明亮的环境中以非透视显示方式显示电子图像。换言之，可以通过根据环境亮度在透视显示和非透视显示之间进行切换来获得清晰的显示。

应该指出，尽管本实施方式例示的眼镜型图像显示装置1配置为对右眼显示电子图像，但它可以配置为对左眼显示电子图像。

(第二实施方式)

图7是例示根据本发明第二实施方式的眼镜型图像显示装置的配置和使用状态的图。除了眼镜型图像显示装置1的示意性配置以外，图7还示出了从图像输出单元5输出并到达眼球2的瞳孔11的图像光的光路。

如图7所示，除了图1的眼镜型图像显示装置1的配置以外，根据本实施方式的眼镜型图像显示装置还包括连接到镜腿9的偏转棱镜21以及连接到偏转棱镜21的输出表面的投影透镜22。偏转棱镜21和投影透镜22可以一体地模制。此外，该装置被配置为使得从图像输出单元5沿镜腿9输出的图像光入射在偏转棱镜21的入射表面上，并偏转大约60度，通过投影透镜22输出到设置在眼镜镜片3上的平面镜6，并由平面镜6朝向瞳孔11反射。

此外，图像输出单元5被连接为使得其位置可以沿镜腿9在眼镜的前后方向上调节，由此可以根据佩戴该装置的观看者的屈光度进行调节。应该注意，通过连接平面镜6的中心点与瞳孔11的中心点而形成的角度优选地为从60度到90度。

图8是示出图7的眼镜型图像显示装置的光学系统的图。从设置在图像输出单元5处的显示元件23输出的图像光被扩散，并入射在偏转棱镜21上而被偏转，并由投影透镜22会聚，使得图像光的光通量的宽度在平面镜6处最小并被反射到瞳孔11。此时，平面镜6充当孔径光阑(aperture stop)，因此即使它小于瞳孔11、显示元件23和投影透镜22，观看者也可以看到电子图像的全部画面而不失去其一部分。其他配置和功能与第一实施方式的配置和功能相同，因而，对相同的配置元件分配相同的附图标记，并省略其描述。

根据本实施方式，除了第一实施方式的效果以外，由于图像输出单元5被配置为使得其位置可以沿镜腿9调节，图像输出单元5沿镜腿9输出图像光，并且偏转棱镜21朝向平面镜6偏转图像光，因而可以通过调节图像输出单元5的位置来相对于待显示的电子图像调节屈光度。

(第三实施方式)

图9是例示根据本发明第三实施方式的眼镜型图像显示装置的配置和使用状态的图。在本实施方式中，针对左眼球2l和右眼球2r分别设置图像输出单元5l和5r、偏转棱镜21l和21r、投影透镜22l和22r、以及平面镜6l和6r。除了在每个眼球的正前方分别设置的平面镜6l和6r以外，还针对左眼设置图1的针对右眼的眼镜型图像显示装置的各种配置。

在该情况下，在观看者面对前方的状态中，从在左侧的图像输出单元5l输出的电子图像和从在右侧的图像输出单元5r输出的电子图像叠加，并在视野中和在观看者的前方显示，因此，除了第二实施方式的效果以外，还可以例如通过对右眼和左眼显示不同图像，在观看者的视野中显示三维图像。

(第四实施方式)

在本发明的第四实施方式中，通过眼镜型图像显示装置显示与便携式数字装置(例如通常使用的蜂窝电话)的屏幕类似的图像，该图像被设置在距离眼球300mm的位置。图10是例示观看者看到的便携式数字装置的显示屏幕31的视角的图。

通常使用的便携式数字装置的显示屏幕31为大约2.4英寸并且为垂直长矩形的形状，并且如果与眼球的距离为300mm，则视角为针对所述垂直长矩形的短边的大约7度和针对所述垂直长矩形的长边的大约9.3度。

图11是例示在非常明亮的环境中和亮适应下的非透视区域的视角的图。在该图中，瞳孔直径为1mm，并且，为了保证与上述便携式数字装置的显示屏幕的短边相对应的覆盖7度视角的非透视区域，平面镜6的在图像光的输出方向上的投影截面的宽度的最小值由下面的公式确定：

10mm×tan(3.5°)×2+1mm＝2.2mm

如在第一实施方式中已描述的，当在到眼球2的图像光的输出方向上观看反射平面镜6时，如果在水平方向的投影截面的宽度(作为矩形的平面镜的短边)是从1mm到3.8mm，则可以根据正常环境和非常明亮环境之间的变化而在透视显示和非透视显示之间切换。因此，当对应于平面镜6的显示屏幕的短边的宽度被设置为不大于3.8mm但不小于2.2mm时，类似于便携式数字终端的实际可用尺寸的显示屏幕可以在正常环境中按照透视方式显示，并在非常明亮的环境中按照非透视方式显示。

换言之，重要的是进行设置以使得在亮适应下的非透视区域的视角大于由眼镜型图像显示单元显示的显示屏幕31的视角。非透视区域的视角θ由下面示出的公式表示：

θ＝2×arctan{(h-1)/2w}

其中h(mm)是反射单元在到眼球的图像光的输出方向上的投影截面的宽度的最小值，w(mm)是从瞳孔位置到反射单元的中央的距离，并且亮适应瞳孔直径为1mm。

另一方面，用于比较的显示屏幕的视角ω由下面示出的公式表示：

ω＝2×arctan(d/2f)

其中d(mm)是在与上面示出的h的方向相对应的方向上的显示元件的宽度，并且f(mm)是投影透镜的焦距。

为了使非透视区域的视角θ大于视角ω，它们之间的关系表示为

ω≤θ，

因而，获得下面示出的公式，

d/2f≤(h-1)/2w

w·d/f+1≤h

另外，为了实现在正常环境中的透视显示，h应该满足h≤3.8mm。将它与上面公式组合，获得下面的公式：

w·d/f+1mm≤h≤3.8mm

通过设置反射单元的宽度以使得满足上面的公式，可以实现在正常环境中的透视显示和在明亮环境中覆盖显示屏幕区域的非透视显示，并且保证了优良的可见度。

图12例示了本发明的平面镜6的尺寸与瞳孔直径尺寸之间的关系。图12(a)示出了在正常环境中的状态，而图12(b)示出了在亮适应下的状态。优选的是，通过透视显示可以在正常环境中尽可能多地消除盲区。因而在图12(a)中，如果平面镜6的尺寸为3.8mm或更小，则可以在比明晰视觉的距离更远的范围中实现透视显示。

另一方面，在非常明亮的环境中，如果电子图像按照透明方式显示，则电子图像的亮度会比来自外部视野的外部光弱，从而导致非常不清晰的显示。因此，优选的是阻挡外部光以按照非透视方式显示。如果平面镜6的在图像光的输出方向上的投影截面的宽度为2.2mm或更大，则可以实现在7度视角(其为实际显示尺寸)范围内的透视显示。

在本实施方式中，平面镜6的在图像光的输出方向上的投影截面的宽度不大于3.8mm但不小于2.2mm，由此如第一实施方式的图6所示，可以根据周围环境在透视显示与非透视显示之间进行切换。此时，可以保证把相当于便携式数字装置的显示区域作为在观看者的视野中的显示屏幕。

应该注意，本发明不限于上述实施方式，并且可以做出各种修改和变化。例如，尽管眼镜型图像显示装置的图像输出单元连接到镜腿，但是它例如可以连接到庄头。

此外，在各个实施方式中，作为反射单元的平面镜为垂直长矩形的形状。但是，它可以是横向长矩形。另外，反射单元不限于平面镜，可以使用凹面镜来构造光学系统。在该情况下，可以省略图像输出单元的透镜。此外，待显示的二维图像的形状不限于垂直长矩形，并且它可以是与反射单元的形状无关的横向长形状。

本申请要求于2009年9月10日提交的日本专利申请No.2009-209749的优先权，其内容以引用的方式并入本文。

Claims (3)

1.一种眼镜型图像显示装置，该眼镜型图像显示装置包括：

图像输出单元，其用于输出待显示的图像的图像光；和

反射单元，其设置在观看者的至少一个眼球的视野中，该反射单元被设置为朝向所述观看者的所述眼球反射从所述图像输出单元输出的所述图像光，使得所述观看者能够看到所述图像的虚像，其中，

所述反射单元在到所述眼球的所述图像光的输出方向上的投影截面的宽度的最小值小于人的暗适应瞳孔直径并且大于人的亮适应瞳孔直径。

2.根据权利要求1所述的眼镜型图像显示装置，其中，所述反射单元在所述图像光的所述输出方向上的所述投影截面的宽度的最小值不大于3.8mm但不小于1mm。

3.根据权利要求1所述的眼镜型图像显示装置，其中，所述反射单元在所述图像光的所述输出方向上的所述投影截面的宽度h满足以下方程：

w·d/f+1mm≤h，

其中w是从所述观看者的瞳孔位置到所述反射单元的中心点的距离，f是为了在所述观看者的所述眼球中形成所述虚像而提供的投影透镜的焦距，并且d是所述图像输出单元的图像显示元件的对应于所述投影截面的宽度方向的宽度。

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