CN102162924A - 图像观察设备和图像观察系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了图像观察设备和图像观察系统。图像观察设备包括：第一和第二图像形成元件；光学系统，把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向射出光瞳位置，包括作为单个表面的光学表面，该光学表面反射来自第一图像形成元件的光通量并透射来自第二图像形成元件的光通量，并且在该光学表面上合成来自第一和第二图像形成元件的光通量，第一和第二图像形成元件分别形成对应于自射出光瞳位置的不同视场的第一和第二原始图像，将从射出光瞳的中心延伸到该不同视场的中心的轴定义为第一轴，在从第一图像形成元件通过第一轴到达射出光瞳位置的光线形成的截面中，第一和第二原始图像使得该不同视场在与第一轴垂直的方向上相对于彼此平移。

Description

图像观察设备和图像观察系统

本申请是申请日为2008年6月20日、优先权日为2007年6月20日、申请号为200810125345.4、发明名称为“图像观察设备和图像观察系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种诸如头戴式显示器(HMD)之类的图像观察设备，其把来自多个图像形成元件的光通量引向观察者的眼睛以使得能够进行图像观察。

背景技术

期望用于HMD等的观察光学系统是小型的。也期望观察光学系统能够提供具有宽视角的图像以增加现实感觉。

优选大的显示元件(图像形成元件)使观察光学系统能够提供具有宽视角的图像。然而，很难总是获得具有对观察光学系统的显示视角的所要求规范的合适显示区域尺寸的显示元件。

美国专利第5,982,343号和6,008,778号以及日本专利特开第11-326820号公开了这样的观察光学系统，其实现期望的宽视角显示，同时使用具有比期望的显示视角更小的显示区域尺寸的显示元件。这些光学系统使得能够观察通过合成显示在多个显示元件上并对应于不同的视场的多个原始图像而产生的一个图像。

美国专利第5,982,343号中公开的观察光学系统设置有V形反射镜。V形反射镜在其一个反射表面把来自显示在显示元件上的原始图像的光向着光瞳反射，并且在其其它反射表面把来自显示在另一显示元件上的另一原始图像的光向所述光瞳反射。

美国专利第6,008,778号中公开的观察光学系统设置有形状关于包括通过合成显示在两个显示元件上的两个原始图像产生的一个图像的视场中心的截面对称的棱镜。该观察光学系统使用棱镜的两个进入表面，所述两个进入表面各自面对着一个显示元件，作为各自反射来自另一显示元件的光的两个反射表面。

日本专利特开第11-326820号中公开的观察光学系统也设置有形状关于包括通过合成显示在两个显示元件上的两个原始图像产生的一个图像的视场中心的截面对称的棱镜。来自显示在一个显示元件上的一个原始图像的光从面对着该一个显示元件的进入表面进入棱镜，被透射/全反射表面全反射，被反射表面反射，然后经过透射/全反射表面朝着光瞳被透射。类似地，来自显示在另一显示元件上的另一原始图像的光从面对着所述另一显示元件的另一进入表面进入棱镜，被透射/全反射表面全反射，被所述另一反射表面反射，然后经过透射/全反射表面朝着光瞳被透射。

合成来自一个原始图像的光和来自另一原始图像的光并使它们向着同一光瞳行进的两个反射表面彼此相邻布置。

上述专利文献中公开的各观察光学系统在彼此相邻布置的两个反射表面处合成来自两个显示元件的光通量。具体来说，来自显示在一个显示元件上的一个原始图像的光通量被一个反射表面朝着光瞳反射，来自显示在另一显示元件上的另一原始图像的光通量被与该一个反射表面相邻的另一反射表面朝着光瞳反射。

换句话说，当以从光瞳的反向光线追踪考虑朝向这两个显示元件的两个光路时，来自光瞳的光路通过彼此相邻布置的两个反射表面被分离成朝向这两个显示元件的两条光路。

这些观察光学系统通过使用小显示区域尺寸的显示元件可以提供比通常获得的视角更宽的视角。而且，它们可以通过使用更小型的光学系统(在视轴方向上很薄的光学系统)提供与常规视角类似的视角。

然而，这些观察光学系统包括两个反射表面之间的接合线，在反向光线追踪中，这些反射表面把来自光瞳的光路分离成朝向显示元件的光路。接合线部分可能散射光从而引起耀斑等。

发明内容

本发明提供一种图像观察设备，它包括合成多个原始图像以使得能够观察一个合成图像的观察光学系统，并且它可以抑制光散射、耀斑等的产生。

根据一个方面，本发明提供一种图像观察设备，包括：各自形成原始图像的第一图像形成元件和第二图像形成元件；以及光学系统，其被配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者眼睛所位于的射出光瞳位置。该光学系统包括作为单个表面的光学表面，所述光学表面反射来自第一图像形成元件的光通量并且透射来自第二图像形成元件的光通量。第一图像形成元件和第二图像形成元件分别形成第一原始图像和第二原始图像，所述第一原始图像和第二原始图像对应于自射出光瞳位置的不同的视场。

根据另一方面，本发明提供一种图像观察系统，包括图像观察设备和使第一和第二图像形成元件形成第一和第二原始图像的驱动器。

根据下文参考附图描述的实施例，本发明的其它方面将变得清晰。

附图说明

图1是示出作为本发明第一实施例(实施例1)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图2是用于说明实施例1中的原始图像的重叠显示的水平截面图。

图3A到3C是用于说明实施例1中的重叠显示中的射出光瞳状态的水平截面图。

图4是用于说明原始图像在垂直方向上合成的情况的垂直截面图。

图5是示出作为本发明第二实施例(实施例2)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图6A是示出作为本发明第三实施例(实施例3)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图6B是示出实施例3的修改示例的水平截面图。

图7是示出作为本发明第四实施例(实施例4)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图8A到8E示出实施例4中从显示元件的光路。

图9是示出作为本发明第五实施例(实施例5)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图10A到10C是示出通过来自原始图像的重叠区域中的图像高度位置的光通量互补形成的射出光瞳的水平截面图。

图11是示出作为本发明第六实施例(实施例6)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图12是示出通过来自原始图像的重叠区域中的图像高度位置的光通量互补形成的射出光瞳的水平截面图。

图13是示出作为本发明第七实施例(实施例7)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图14是示出实施例7的修改示例的水平截面图。

图15是示出作为本发明第八实施例(实施例8)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图16是示出作为本发明第九实施例(实施例9)的HMD的显示单元的配置的水平截面图。

图17是示出实施例1的修改示例的水平截面图。

图18示出各实施例1到9的HMD。

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。

[实施例1]

图1示出显示单元的水平截面配置，该显示单元用于作为本发明第一实施例(实施例1)的图像观察设备的HMD。

如图18所示，本实施例的HMD 100被安装在观察者的头H上，并且把图像光引向他/她的眼睛。然而，图1示出用于把图像光引向一只眼睛的显示单元。如图18所示为右和左眼各自提供图1所示的显示单元可以实现双眼HMD。这也适用于下述实施例。仅提供用于把图像光引向一只眼睛的一个显示单元可以实现单眼HMD。

在图1和18中，参考数字1指示第一光学元件，2指示第二光学元件。第一和第二光学元件1和2构成观察光学系统。第一和第二光学元件1和2各自形成为透光构件，其中填充有诸如光学玻璃或光学树脂之类的媒介。

参考数字3指示第一显示元件，4指示第二显示元件。这些第一和第二显示元件3和4是由液晶板或有机EL板构成的图像形成元件。第一和第二光学元件1和2以及第一和第二显示元件3和4构成用于一只眼睛的显示单元。

如图1所示，第一和第二显示元件3和4连接到驱动单元(驱动器)10。图像提供设备20，诸如个人计算机、DVD播放器和电视调谐器，连接到驱动单元10。驱动单元10基于从图像提供设备20输入的图像信号，驱动第一和第二显示元件3和4以使它们分别显示(形成)原始图像。HMD和驱动单元10构成图像观察系统。

第一显示元件3显示第一原始图像IA，其对应于基于来自图像提供设备20的图像信号形成的一个图像(单个图像)左半部分。第二显示元件4显示第二原始图像IB，其对应于该一个图像的右半部分。

第一和第二光学元件1和2把来自第一和第二显示元件3和4的光通量(图像光)引向观察光学系统的射出光瞳S所形成的位置或区域。射出光瞳S所形成的位置或区域在下文中称为射出光瞳位置。观察者的一只眼睛E位于该射出光瞳位置。观察光学系统合成作为与第一原始图像IA相对应的放大虚像的第一图像IA’和作为与第二原始图像IB相对应的放大虚像的第二图像IB’，以形成作为单个放大虚像的合成图像IC，合成图像IC被观察者观察。

射出光瞳位置也可以称为观察位置(或观察区域)，观察者的一只眼睛E位于该观察位置以使观察者能够在全部视场中观察合成图像IC。

在第一光学系统1中，参考符号S2指示作为单个(或简单)表面的光路合成表面A，表面S2(A)被形成为偏心表面。光路合成表面S2还被形成为半反射镜表面(半透射反射表面)。单个(光学)表面意味着一个无接合线而连续形成的(光学)表面。

光路合成表面S2把来自第一显示元件3的光通量朝着射出光瞳S(即射出光瞳位置)反射并且把来自第二显示元件4的光通量朝着射出光瞳S透射。

当射出光瞳S被定义为观察光学系统的进入光瞳并且光线从进入光瞳向第一和第二显示元件3和4被追踪时，即当光线以反向光线追踪而被追踪时，光路合成表面S2充当分离表面，它使来自进入光瞳的部分有效光通量向着第一显示元件3行进，并且使剩余部分的有效光通量向着第二显示元件4行进。

第一光学元件1的光路合成表面S2和第二光学元件2的表面S2’具有相同的曲率半径。第一和第二光学元件1和2被如下合成。表面S2和S2’彼此靠近地布置，以便它们可以被认为是同一表面。表面S2和S2’通过粘合剂相互接合。粘合剂的折射率等于或接近于形成第一和第二光学元件的材料的折射率。彼此分离的表面S2和S2’在下文中被视为一个接合表面。

在该实施例中，术语“等于(或相同)”不仅意味着完全相同，而且意味着在可以认为光学上相同的范围内具有差异。

接下来，将对观察光学系统中的光路及其光学效果进行描述。

来自显示在第一显示元件3上的第一原始图像IA的光通量从表面S3进入第一光学元件1，被半反射镜表面S2反射，然后经过表面S1透射以从第一光学元件1射出。由于表面S1具有正的折光力，经其透射的光通量被折射，以便向射出光瞳S会聚以到达射出光瞳S。眼睛E位于射出光瞳位置的观察者辨认通过表面S3和S1的折光力形成的第一原始图像IA的放大虚像。

来自显示在第二显示元件4上的第二原始图像IB的光通量从表面S5进入第二光学元件2，然后被表面S4朝着第二光学元件2的表面S2’与第一光学元件1的半反射镜表面S2相互接合的接合表面反射。然后，光通量经过表面(S2’和S2)透射以进入第一光学元件1。

从第二显示元件4进入了第一光学元件1的光通量被折射，以便通过表面S1朝着射出光瞳S会聚并且从第一光学元件1射出以到达射出光瞳S。观察者辨认通过表面S5和S1的折光力形成的第二原始图像IB的放大虚像。

提供在作为光路合成表面S2的表面S2(S2’)的向后和向前位置各自具有折光力的表面S3、S5和S1，使得表面之间的光焦度能够共享，这可以抑制各种像差的产生。

开始于第一显示元件3、通过构成第一光学系统部分的表面S3、然后到达表面S2的光通量的光路在下文中被称为第一光路。开始于第二显示元件4、通过构成第二光学系统部分的表面S5和S4、然后到达表面S2的光通量的光路在下文中称为第二光路。第一和第二光路通过在表面S2的反射和透射被汇集到第三光路中作为一个光路。第三光路通过构成与来自第一和第二光路的光通量共用的第三光学系统部分的表面S1，从而到达射出光瞳S。

当从射出光瞳S的中心延伸到用于观察合成图像IC的视场中心的轴是视轴CL时，Y-Z截面被定义为其中视轴CL对应于Z轴的截面。X轴被定义为垂直于图纸的轴。X轴、Y轴和Z轴在射出光瞳S的中心处互相正交。在本实施例中，Y轴方向对应于水平方向(合成图像的长边方向)，X轴方向对应于垂直方向(合成图像的短边方向)。

与视轴CL(Z轴)相同的光线被定义为中心视角主光线。包括中心视角主光线在半反射镜表面S2处被弯折之前和之后的部分的截面被定义为y-z截面。在这种情况下，半反射镜表面S2的转动偏心仅通过围绕X轴的转动表达。即，偏心表面S2的本地坐标系中的y-z截面与整个观察光学系统的全局坐标系中的y-z截面相同。Y-Z截面是偏心表面S2的偏心倾斜截面。

在本实施例中，第一和第二图像IA’和IB’被合成以显示在偏心表面S2的偏心倾斜截面上。即，观察光学系统合成来自“对应于不同视场的多个(第一和第二)原始图像”的光通量，以形成对应于一个合成视场的一个合成图像。

如图1所示，Y-Z截面中+Y方向和-Y方向上的视场形成合成视场，其用于观察与显示在第一和第二显示元件3和4上的第一和第二原始图像IA和IB相对应的第一和第二图像IA’和IB’的合成图像IC。

如上文所述，本实施例形成在Y-Z截面上的Y轴方向上平移的两个视场，并且使得能够通过这两个视场的合成视场观察第一和第二图像IA’和IB’的合成图像IC。这可以使第一和第二显示元件3和4小型化，并且可以实现一种观察光学系统，其能够进行宽视角显示，同时减小第一和第二光学元件1和2各自光学表面的尺寸。换句话说，本实施例可以实现能够进行宽视角显示的小型HMD。

图2示出基于相互部分重叠的第一和第二原始图像IA和IB的合成图像通过具有类似于图1所示的观察光学系统的配置的观察光学系统来显示的情况。尽管图1示出不重叠第一和第二原始图像IA和IB而显示合成图像的情况，但是第一和第二原始图像IA和IB可以相互部分重叠，如图2所示。上述术语“对应于不同视场的多个(第一和第二)原始图像”包括这样的相互部分重叠的多个原始图像。

图3A到3C示出在多个原始图像相互部分重叠的情况下的射出光瞳S的分割示例。图3A示出形成从中心视角稍微平移的视角的光通量。图3B示出形成中心视角的光通量。图3C示出形成在与图3A中平移方向相反的方向上从中心视角稍微平移的视角的光通量。

在这些图中，射出光瞳S左侧(图中的上侧：在下文中称为上侧)的光通量是来自第一显示元件3的光通量。射出光瞳S右侧(图中的下侧：在下文中称为下侧)的光通量是来自第二显示元件4的光通量。

在图3A所示的视角中，来自第一显示元件3的光通量到达射出光瞳S中从射出光瞳S的上端延伸到比射出光瞳S的中心(在下文中称为光瞳中心)更下侧的位置的区域。来自第二显示元件4的光通量到达射出光瞳S中来自第一显示元件3的光通量所没有到达的另一区域。

在图3B所示合成图像的视角中心的附近，来自第一显示元件3的光通量到达射出光瞳S中包括光瞳中心和比它更上侧的区域的区域。来自第二显示元件4的光通量到达射出光瞳S中包括光瞳中心和比它更下侧的区域的另一区域。

在图3C所示的视角中，来自第二显示元件4的光通量到达射出光瞳S中从射出光瞳S的下端延伸到比光瞳中心更上侧的位置的区域。来自第一显示元件3的光通量到达射出光瞳S中来自第二显示元件4的光通量所没有到达的另一区域。

在该显示单元中，显示在第一和第二显示元件3和4上的第一和第二原始图像IA和IB包括部分重叠区域。然而，观察光学系统通过根据视角改变分别用射出光瞳S中来自第一和第二原始图像IA和IB的光通量形成的区域的比例，用那些光通量互补地形成射出光瞳S，以便在射出光瞳S处不产生光通量的缺乏或重叠。具体来说，分别设置表面S3和S5的有效区域以便可以形成这样的射出光瞳S。

在图17中，示出一种观察光学系统，其中孔径光阑St1布置于表面S3和第一显示元件3之间，孔径光阑St2布置于表面S5和第二显示元件4之间。孔径光阑St1和St2根据视角改变分别用射出光瞳S中来自第一和第二显示元件3和4的光通量形成的区域的比例，以便在射出光瞳S处不产生光通量的缺乏或重叠，从而使得能够互补地形成射出光瞳S。

如上文所述互补地形成射出光瞳S可以大部分地消除进入运动中的观察者眼睛瞳孔的光量的变化，从而使观察者能够观察具有基本上恒定亮度的合成图像。

上文描述了显示在水平方向上合成的合成图像的情况。然而，在垂直方向上合成的合成图像可以如图4所示地显示。

图4示出显示在垂直方向上合成的合成图像的观察光学系统的垂直截面，Y轴方向对应于垂直方向。第一和第二显示元件3和4关于观察光学系统(第一和第二光学元件1和2)布置在垂直方向上。该配置合成来自与垂直方向上的不同视场相对应的第一和第二原始图像IA和IB的光通量，以提供对应于一个合成视场的一个合成图像IC。尽管在该配置中第一和第二光路在表面S2处彼此相邻，但是第一和第二光路可以相互部分重叠。

如上文所述，视场在水平方向上被分割(换句话说，原始图像被合成)的观察光学系统和视场在垂直方向上被分割的观察光学系统包括在本发明的实施例中。

根据该实施例，由于整个偏心表面(即光路合成表面A(S2))形成为半反射镜表面，因此由光路的合成即图像的合成引起的接合线可以被消除。因此，可以抑制不必要的散射光、耀斑等的产生。

[实施例2]

图5示出用于作为本发明第二实施例(实施例2)的HMD的显示单元的水平截面配置。

本实施例中与实施例1中的相同或具有相同功能的构成元件通过与实施例1中相同的参考数字或符号指示。这也适用于稍后描述的其它实施例。尽管图5没有示出X、Y和Z轴，该图中所示的截面对应于图1所示的Y-Z截面。这也适用于稍后描述的其它实施例，除非另外描述。

在该实施例中，光路合成表面A(S2)(它是第一光学元件1的单个光学表面)由偏振分光表面形成。偏振分光表面S2反射具有第一偏振方向(在本实施例中为S偏振光)的光通量，并且透射具有不同于第一偏振方向的第二偏振方向(本实施例中的P偏振光)的光通量。偏振分光表面S2例如通过在第一光学元件1的外表面上淀积多层膜而形成。在本实施例中，实施例1中描述的第一和第二光路在偏振分光表面S2处彼此相邻。

进一步，在本实施例中，λ/2片(半波片)5布置在第二显示元件4和第二光学元件2的表面S5之间。当S偏振光从第一和第二显示元件3和4二者中射出时，λ/2片5把来自第二显示元件4的S偏振光转换成P偏振光。

来自第一显示元件3的S偏振光从表面S3进入第一光学元件1，被偏振分光表面S2反射，然后经过表面S1透射，以从第一光学元件1射出而到达射出光瞳S。在作为S偏振光从第二显示元件4射出之后被λ/2片5转换成P偏振光的光从表面S5进入第二光学元件2，被表面S4反射，然后经过偏振分光表面S2透射，以进入第一光学元件1。进入了第一光学元件1的P偏振光经过表面S1从其射出，以到达射出光瞳S。

如实施例1中，他/她的眼睛E位于射出光瞳位置的观察者辨认显示在第一显示元件3上的第一原始图像的放大虚像，该放大虚像通过表面S3和S1的折光力形成。观察者也通过眼睛E辨认显示在第二显示元件4上的第二原始图像的放大虚像，该放大虚像通过表面S5和S1的折光力形成。

本实施例可以提高光使用效率以在采用显示元件诸如使用偏振光的液晶板的情况下提供明亮的图像。

第一和第二显示元件3和4可以使偏振方向相互正交的光通量从其射出。在这种情况下，λ/2片5可以被去掉。

[实施例3]

图6A示出用于作为本发明第三实施例(实施例3)的HMD的显示单元的水平截面配置。

在本实施例中，反射膜形成于光路合成表面S2的部分区域(反射膜形成区域)上。来自第一显示元件3的光通量被反射膜形成区域反射以被引向射出光瞳S。光路合成表面S2的另一部分区域(非反射膜形成区域)是其上不形成反射膜的区域。来自第二显示元件4的光通量经过非反射膜形成区域透射以被引向射出光瞳S。来自第一和第二显示元件3和4的光通量在其上前进的光路与实施例1中的相同。在本实施例中，实施例1中描述的第一和第二光路在表面S2处彼此相邻。

同样在本实施例中，如实施例1所述，显示单元可以使第一和第二显示元件3和4显示第一和第二原始图像以便它们相互部分重叠，并且使观察光学系统用来自第一显示元件3的被光路合成表面A(S2)反射的光通量和来自第二显示元件4的经过其透射的光通量互补地形成射出光瞳S。

在这种情况下，期望反射膜形成区域和非反射膜形成区域形成于同一表面上。即，当表面S2具有像曲面或衍射光学表面的光焦度时，期望该光焦度在反射膜形成区域和非反射膜形成区域之间的边界附近和缓地改变。例如，如果反射膜形成区域和非反射膜形成区域形成在具有不同光焦度的不连续表面上，则射出光瞳的互补形成是很难的，很容易引起问题，诸如产生来自显示元件的光通量不能到达的区域。

进一步，如图6B所示，可以使用这样一种配置，其中在反射膜形成区域和非反射膜形成区域之间形成半透射反射区域，以逐渐改变反射膜形成区域和非反射膜形成区域之间的表面S2的反射率。这可以更有效地抑制可能在反射膜形成区域和非反射膜形成区域之间的边界上轻微产生的光的散射。

本实施例可以获得比实施例2更低成本的观察光学系统，并提供比实施例1中更明亮的图像。

[实施例4]

接下来，将对作为本发明第四实施例(实施例4)的HMD(或显示单元)的配置进行描述。在本实施例中，来自显示元件的光通量被下述光路合成表面内部全反射，而来自另一显示元件的光通量经过光路合成表面透射。这也适用于稍后描述的实施例5。

首先，图7和8A到8E示出使用相同原始图像以分割方式形成射出光瞳的示例，以便说明本实施例(和实施例5)的基本原理。

图7示出本实施例的HMD的配置。图8A到8E分别示出本实施例中从各显示元件的光路。

参考数字6指示布置于第一光学元件1的表面S3和射出光瞳S之间的透镜。设置透镜6在自射出光瞳S的反向光线追踪中形成向着作为图像平面的显示元件远心的光学系统。在反向光线追踪中，通过进入光瞳(射出光瞳S)中心并在第一和第二显示元件3和4上的不同图像高度位置形成图像的各视角的主光线从透镜6的表面S2相互平行地射出。术语“平行”包括主光线在可以被认为是光学上平行的范围内不完全平行的状态。

第一光学元件1和第二光学元件2具有各自形成为平面表面的光学表面。作为第一光学元件1的单个光学表面的光路合成表面(反向光线追踪中的光路分离表面)A(S4)被这样布置以便用反向光线追踪中各视角的主光线形成比光路合成表面S4的临界角稍小的角。第一光学元件1的光路合成表面S4和第二光学元件2的表面S6相互平行并且以其间的微小间距(空气间隙)彼此面对着布置。

下文中将在反向光线追踪中描述光路。如图8B所示，发自进入光瞳的上侧区域(实际HMD中水平方向上的左侧区域)的各视角的主光线相互平行地从表面S3进入第一光学元件1，经过表面S4透射，然后从表面S6进入第二光学元件2。

然后，主光线经过表面S7从第二光学元件2射出以到达第二显示元件4。从进入光瞳中除了其中心以外的位置射出并且在各图像高度位置形成图像的光线通过透镜6的图像形成效应会聚，以向着表面S4行进。因此，如图8B所示，来自进入光瞳上侧区域的全部光线到达表面S4，入射角小于要经过其透射的主光线的入射角。

另一方面，如图8A所示，来自进入光瞳下侧区域(实际HMD中水平方向上的右侧区域)的光线到达表面S4，入射角大于主光线的入射角，入射角大于临界角。因此，光线被表面S4内部全反射，然后经过表面S5从第一光学元件1射出以到达第一显示元件3。

在示出光线的实际行进的前向光线追踪中，只有来自第二显示元件4的光通量到达射出光瞳S的上侧区域，只有来自第一显示元件3的光通量到达射出光瞳S的下侧区域。

因此，眼睛E位于射出光瞳位置的观察者可以总是观察第一和第二原始图像的放大合成图像。即，不仅当如图8C所示眼睛E的瞳孔Ea位于射出光瞳S中心附近时，而且当如图8D和8E所示当瞳孔Ea位于射出光瞳S的上侧和下侧区域中时，观察者可以以来自第一和第二显示元件3和4的光通量观察合成图像。

当在反向光线追踪中以稍小于临界角的入射角入射到表面S4的光线从表面S4向着表面S6行进时，所述光线被平移。假设以下条件：透镜6的焦距为20mm，表面S4和S6之间的空气间隙为0.1mm，形成第一光学元件1的媒介的折射率为2，并且只有以关于表面S4的法线80°以内的角度从表面S4射出的光线被引向第二显示元件4。在该条件下，这些光线各自在表面S4和S6之间沿着平行于表面S4和S6的方向被平移大约1mm。

在这种情况下，进入光瞳中的某一区域的宽度小于0.5mm，其中反向光线追踪中来自该区域的光线(在下文中称为非到达光线)不到达第一和第二显示元件3和4中任一。这样的微小区域不会引起问题，因为观察者不关心由于微小区域引起的光量变化。

因此，期望表面S4和S6之间的空气间隙更小，并且形成各光学元件的媒介折射率更高。观察几十cd/m2图像的观察者的瞳孔直径实际上大约为3到4mm，以便上述宽度大约为1mm的非到达光线的区域不会引起任何问题。因此，期望把表面S4和S6之间的空气间隙设置为0.2mm或更小，并且把形成各光学元件的媒介折射率设置为1.5或更高。

进一步，例如，期望为第二显示元件4提供限制发自它的光通量出射角的功能。限制出射角的功能通过使用限制光通量传播的光遮蔽构件、限制发射光出射角的光源等实现。

即使在如上文所述观察光学系统被配置为不使用部分光线的情况下，只有具有很小宽度的没有光线到达的区域(非光线到达区域)在光线从第二显示元件4到达的射出光瞳S的上侧区域和光线从第一显示元件3到达的射出光瞳S的下侧区域之间产生。因此，图像观察没有问题。

包括来自显示元件之一的光通量的内部全反射的本实施例去掉了实施例1到3中形成的反射膜，这可以减少观察光学系统的成本。进一步，本实施例消除了在反射膜的光吸收，即使以与实施例1到3中来自显示元件的相同的光量，也可以提供更明亮的图像。

[实施例5]

图9示出用于作为本发明第五实施例(实施例5)的HMD的显示单元的配置。在本实施例中，第一和第二原始图像相互部分重叠，如实施例1中参考图2所述的。

图10A到10C示出本实施例中来自原始图像重叠区域中各图像高度位置的光通量互补地形成射出光瞳S。本实施例使用实施例4中描述的原理以使第一和第二显示元件3和4显示在Y-Z截面的方向上视角互不相同的图像，从而使得观察光学系统的厚度能够减小。

进一步，本实施例如实施例4中那样在一个光路合成表面处使用内部全反射和透射，以使当合成从两个显示元件3和4中之一和另一到光路合成表面的光通量时这些光通量中的主光线的入射角互不相同。

在该实施例中，第一光学元件1的表面S2是光路合成表面A。第一光学元件1的光路合成表面S2(A)和第二光学元件2的表面S4相互平行并且其间具有微小的空气间隙而相互面对着布置。

在来自进入光瞳(前向光线追踪中的射出光瞳S)的全部光通量在反向光线追踪中被表面S2内部全反射的视角范围内，显示仅对应于显示在第一显示元件3上的原始图像的图像。另一方面，在来自进入光瞳的全部光通量在反向光线追中经过表面S2透射的视角范围内，显示仅对应于显示在第二显示元件4上的原始图像的图像。进一步，在来自进入光瞳的部分光通量在反向光线追踪中被表面S2内部全反射而剩余部分经过其透射的视角范围内，显示对应于重叠显示在第一和第二显示元件3和4上的相同部分原始图像的图像。

如上文所述，对于在图中所示的截面方向上互不相同的视角，使用显示在两个显示元件上的两个原始图像，可以实现比当使用显示在一个显示元件上的一个原始图像时更薄的宽视角观察光学系统。

而且，第二光学元件2形成光路，其用于使来自第二显示元件4的光通量经过表面S6进入第二光学元件2，被表面S4全反射，被表面S5反射，然后经过表面S4从第二光学元件2向着第一光学元件1射出。使用多个反射表面折叠光路的这种配置可以进一步减小观察光学系统的厚度。使用表面S4作为内部全反射表面和透射表面可以减少观察光学系统中的光量损失。

在本实施例中，由于到表面S2的主光线入射角本身互不相同，因此到达射出光瞳S的光通量具有取决于视角而互不相同的宽度。然而，只有来自第二显示元件4的光通量到达的区域和只有来自第一显示元件3的光通量到达的区域互补地形成射出光瞳S，从而使得能够在射出光瞳S的全部区域中毫无问题地观察图像。

同样在本实施例中，如在实施例4中那样，期望为第二显示元件4提供限制发自其的光通量的出射角的功能，以把各光学元件的折射率设置为高到某种程度，并且把表面S2和S4之间的空气间隙设置为微小。这仅在光通量从两个显示元件3和4到达的射出光瞳S中产生很小宽度的非光线到达区域，从而使得能够毫无问题地观察图像。

同样在本实施例中，如在实施例4中那样，来自显示元件之一的光通量被内部全反射。这去掉了反射膜，从而使得观察光学系统能够减少成本并且提供明亮图像。

[实施例6]

图11示出用于作为本发明第六实施例(实施例6)的HMD的显示单元的配置。同样在本实施例中，第一和第二原始图像(即，稍后描述的在光路合成表面A(S2)的第一和第二光路)相互部分重叠。

图12示出本实施例中来自原始图像重叠区域中各图像高度位置的光通量互补地形成射出光瞳S。

本实施例是实施例5的修改示例。在本实施例中，在反向光线追踪中作为单个光学表面的光路分离表面S2(前向光线追踪中的光路合成表面)上，有这样的区域，包括在光路分离表面S2处内部全反射的光通量部分和经过光路分离表面S2透射的光通量部分的光通量从进入光瞳(前向光线追踪中的射出光瞳S)进入该区域。

第一光学元件1和第二光学元件2在来自进入光瞳的光通量进入的区域中的特定区域(在下文中称为接合区域)处接合，该特定区域是经过光路分离表面S2透射的光通量部分所进入的区域。换句话说，在本实施例中，进入光路分离表面S2上的第一和第二光学元件1和2的非接合区域的全部光通量到达第一显示元件3，进入光路分离表面S2上的第一和第二光学元件1和2的接合区域的全部光通量到达第二显示元件4。

期望，在如图12所示在反向光线追踪中来自进入光瞳的有效光通量包括被光路分离表面S2内部全反射的光通量部分和经过其透射的光通量部分的视角范围是显示在第一和第二显示元件3和4上的部分原始图像彼此相同的重叠显示区域。这使得能够互补形成射出光瞳S，以便形成的射出光瞳S基本上填充预定的射出光瞳形成区域。

本实施例也可以提供明亮的图像，而不形成实施例1到3中描述的反射膜。进一步，本实施例可以在形成光学元件的媒介折射率和面对表面的布置方面放松实施例4和5中描述的条件。

注意，在表面S2上的非接合区域的边缘不会产生由于散射而不必要的光，所述表面S2是第一光学元件1与第二光学元件2接合的表面，但是不必要的光可能在表面S2上的接合区域的边缘处产生。为了避免不必要的光的产生，期望提供对接合区域边缘的光遮蔽。

[实施例7]

图13示出用于作为本发明第七实施例(实施例7)的HMD的显示单元的配置。在本实施例中，第一光学元件1使用多个偏心反射曲面以折叠光路。

在本实施例中，构成第一光学元件1并且包括作为单个光学表面的光路合成表面A(S1)的所有光学表面都为曲面。该配置减少不是用于图像形成和像差校正的表面的数量，从而使得能够形成高性能同时表面数量减少的观察光学系统。

为了实现宽视角显示而不增加第一光学元件1的厚度，在自进入光瞳(前向光线追踪中的射出光瞳S)的反向光线追踪中必须提高主要提供图像形成效应的凹反射表面S2的光焦度。然而，凹反射表面S2的光焦度的提高使得很难使来自第一显示元件3的光通量被用作透射表面和反射表面的表面S1的部分内部全反射。特别地，该问题在图13的上侧视角中很容易发生。

为了解决该问题，本实施例在反向光线追踪中采用一种配置，其适合于宽视角，同时向表面S2提供增大的光焦度。具体来说，本实施例这样配置，以便上侧视角范围的部分光通量(从进入光瞳到达表面S1以经过其透射，然后被表面S2反射以再次入射到表面S1的光通量)不被表面S1内部全反射。在上侧视角范围的光通量通过，部分光通量不被内部全反射的区域中，第二光学元件2在表面S1与第一光学元件1接合，以便上侧视角范围的光通量经过表面S1透射以被引向第二显示元件4。

本实施例进一步这样配置，在表面S1上第二光学元件2没有与之接合的区域，在反向光线追踪中来自进入光瞳的光通量经过表面(光路分离表面)S1透射，被表面S2反射，然后被表面S1内部全反射以被引向第一显示元件3。该配置使得能够实现宽视角显示同时使用薄且小的光学系统以及实现能够减少光量损失的明亮观察光学系统。

在反向光线追踪中来自进入光瞳的全部光通量被表面S1内部全反射的视角范围内，所述全部光通量到达第一显示元件3。另一方面，在来自进入光瞳的全部光通量被引向在表面S1与第一光学元件1接合的第二光学元件2的视角范围内，所述全部光通量到达第二显示元件4。

进一步，在反向光线追踪中来自进入光瞳的部分光通量被表面S1内部全反射并且剩余部分被引入第二光学元件2的视角范围内，所述部分光通量到达第一显示元件3，所述剩余部分到达第二显示元件4。

在反向光线追踪中，在所述部分光通量到达第一显示元件3并且所述剩余部分到达第二显示元件4的视角范围内，相同的原始图像显示在第一和第二显示元件3和4上。在除了上述视角范围以外的视角范围内，互不相同的原始图像显示在第一和第二显示元件3和4上。这使得能够互补形成射出光瞳S以便形成的射出光瞳S基本上填充预定的射出光瞳形成区域。

在下文中在前向光线追踪中描述光路和光学效应，其中光线从显示元件到达射出光瞳S。

来自第一显示元件3的光通量从表面S3进入第一光学元件1，然后以等于或大于表面S1的临界角的入射角入射到表面S1，以被其内部全反射。被表面S1内部全反射的光通量被表面S2反射，以小于临界角的入射角入射到表面S1以从第一光学元件1射出，然后到达射出光瞳S。观察者可以观察显示在第一显示元件3上的原始图像的放大虚像，该放大虚像通过第一光学元件1的各表面的光焦度形成。

来自第二显示元件4的光通量从表面S5进入第二光学元件2，被表面S4反射，然后从表面S2进入第一光学元件1。进入了第一光学元件1的光通量被表面S2反射，以小于临界角的入射角入射到表面S1以从第一光学元件1射出，然后到达射出光瞳S。观察者可以观察显示在第二显示元件4上的原始图像的放大虚像，该放大虚像通过表面S5、S4、S2和S1的光焦度形成。

这些光学效应可以使他/她的眼睛位于射出光瞳位置的观察者用来自第一和第二显示元件3和4的光通量，观察显示在第一和第二显示元件3和4上的不同原始图像的放大合成图像。

在本实施例中，在自进入光瞳(射出光瞳S)的反向光线追踪中，光路分离表面S1从反射表面S2(在显示元件侧)向后布置。在前向光线追踪中，该配置在第一光学元件1中的表面S1、表面S2和表面S1折叠自第一显示元件3的光路和自第二显示元件4的光路，导致薄的观察光学系统。

在本实施例中，为了如图4所示在垂直方向上合成图像，期望把与包括光路折叠方向的截面(Y-Z截面)垂直的截面(X-Z截面)中的焦距设置为比Y-Z截面中的焦距更短。即，期望把X-Z截面中的光焦度设置为比Y-Z截面中的更强。这是因为折叠光路的Y-Z截面中比X-Z截面中有更多限制，因此上述配置可以很容易提供更宽的视角。

本实施例通过把第一和第二光学元件1和2接合采用与实施例6相近的配置。然而，第一和第二光学元件1和2可以以其间的微小距离(空气间隙)布置，以提供与实施例5中类似的效应。进一步，光路合成表面S1可以是半反射镜表面或偏振分光表面，以提供与实施例1和2中类似的效应。然而，使用如本实施例中描述的内部全反射，可以实现成本降低和很高的光使用效率。

如本实施例中那样使用偏心曲面引起非旋转对称偏心像差。为了校正该像差，期望至少使用一个非旋转对称表面。

[实施例8]

上述实施例通过把光通量引向射出光瞳S各自为观察者提供放大虚像，而不形成原始图像的中间图像。相反，图15所示的本发明第八实施例(实施例8)的HMD在形成原始图像的中间图像之后把光通量引向射出光瞳S。图15仅示出到达射出光瞳S中心的主光线以简化对于图像合成的描述。

来自显示在第一显示元件3上的原始图像的光通量从表面S1经由透镜7进入第一光学元件1。被作为第一光学元件1的单个光学表面的光路合成表面S2内部全反射的光通量经过表面S3从第一光学元件1射出，形成中间图像IM，然后到达凹面镜9。被凹面镜9反射的光通量到达射出光瞳S。中间图像IM的放大虚像通过凹面镜9的正的光焦度而被提供给观察者。

另一方面，来自显示在第二显示元件4上的原始图像的光通量通过透镜8和第二光学元件2，然后经过光路合成表面S2透射以进入第一光学元件1。第二光学元件2的表面S5和光路合成表面S2被布置为其间具有小的空气层(空气间隙)。进入了第一光学元件1的光通量经过表面S3从第一光学元件1射出。

从第一光学元件1射出的光通量形成中间图像IM，然后到达凹面镜9。被凹面镜9反射的光通量到达射出光瞳S。中间图像IM的放大虚像通过凹面镜9的正的光焦度被提供给观察者。该配置可以使观察者观察对应于显示在第一和第二显示元件3和4上的原始图像的放大合成图像。

本实施例使用凹面镜9作为眼睛(目镜)光学系统，并把中继光学系统中的第一光学元件1布置在原始图像和其中间图像IM之间，第一光学元件1包括光路合成表面S2(A)并被来自第一和第二显示元件3和4的光通量共享。然而，本发明的可替换实施例不局限于此。

例如，可以采用用于提供合成图像的配置，其中包括光路合成表面的共享的光学元件被布置在眼睛光学系统中，来自多个原始图像的光通量通过多个中继光学系统被引向眼睛光学系统中的光路合成表面。

[实施例9]

上述实施例各自通过在第一光学元件1内部形成的光路合成表面反射光通量，并且使用两个显示元件(两个原始图像)。然而，本发明的可替换实施例不局限于此。

图16示出用于作为本发明第九实施例(实施例9)的HMD的显示单元的配置。

第一光学元件11和第二光学元件12分别被形成为半反射镜片。半反射镜片由薄的透光衬底和形成于射出光瞳侧表面(半反射镜表面)的半透射反射膜构成，该表面是衬底的单个光学表面。

第一光学元件11为共享的光学元件，来自第一到第三显示元件13到15的光通量通过反射或透射经过它。第二光学元件12为另一共享的光学元件，来自第二和第三显示元件14和15的光通量通过反射或透射经过它。在本实施例中，第一光学元件11的半反射镜表面在下文中称为光路合成表面A，第二光学元件12的半反射镜表面在下文中称为光路合成表面B。

来自第一显示元件13的光通量被第一光学元件11的光路合成表面A反射以经过透镜6被引向射出光瞳S。来自第二显示元件14的光通量被第二光学元件12的光路合成表面B反射，然后经过第一光学元件11透射以经过透镜6被引向射出光瞳S。

来自第三显示元件15的光通量经过第一和第二光学元件11和12透射以经过透镜6被引向射出光瞳S。图16仅示出到达射出光瞳S中心的主光线以简化关于图像合成的描述。

本实施例中的第一和第二显示元件13和14对于第一光学元件11对应于本发明中的第一和第二图像形成元件。本实施例中的第二和第三显示元件14和15对于第二光学元件12对应于本发明中的第一和第二图像形成元件。

来自第二和第三显示元件14和15的光通量比来自第一显示元件13的光通量多通过半反射镜片(11、12)一次。因此，期望第二和第三显示元件14和15以第一显示元件13两倍高的显示亮度显示原始图像。

下列光学元件可以代替上述半反射镜片使用。在构成第一光学元件11的透光衬底上，仅在反射来自第一显示元件13的光通量的区域中形成反射膜。进一步，在构成第二光学元件12的透明衬底上，仅在反射来自第二显示元件14的光通量的区域中形成反射膜。当使用这些光学元件时，第二和第三显示元件14和15可以以与第一显示元件13的显示亮度相同的显示亮度显示原始图像。

本实施例使用两个光路合成表面A和B以合成与显示在三个显示元件13到15上的原始图像相对应的三个图像。这可以提供与各显示元件(各原始图像)的尺寸相比更宽的视角。使用两个或更多光路合成表面以该方式提供更宽的视角可以适用于上述实施例1到8。

上述实施例各自把来自第一和第二图像形成元件的光通量经过在没有接合线的同一表面(单个光学表面)反射和透射而引向射出光瞳位置，其中这些图像形成元件形成对应于互不相同的视场的原始图像。因此，上述实施例中的每一个都可以实现小型图像观察设备，其能够提供宽显示视角，同时抑制光散射、耀斑等的产生。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不局限于公开的示例性实施例。应给予下列权利要求的范围最宽的解释以包括所有修改以及等同结构和功能。

Claims (9)

1.一种图像观察设备，包括：

第一图像形成元件和第二图像形成元件，其各自形成原始图像；以及

光学系统，其被配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者的眼睛所位于的射出光瞳位置，

其中，所述光学系统包括作为单个表面的光学表面，所述光学表面反射来自第一图像形成元件的光通量，并且透射来自第二图像形成元件的光通量，并且，所述光学系统在该光学表面上合成来自第一图像形成元件的光通量和来自第二图像形成元件的光通量，

其中，所述第一图像形成元件和第二图像形成元件分别形成第一原始图像和第二原始图像，所述第一原始图像和第二原始图像对应于自射出光瞳位置的不同的视场，以及

其中，当将从射出光瞳的中心延伸到所述不同的视场的中心的轴定义为第一轴时，在从第一图像形成元件通过第一轴到达光学系统的射出光瞳位置的光线所形成的截面中，第一原始图像和第二原始图像被形成为使得所述不同的视场在与第一轴垂直的方向上相对于彼此平移。

2.根据权利要求1的图像观察设备，其中，在所述光学表面上，来自第一图像形成元件的光通量的光路和来自第二图像形成元件的光通量的光路彼此相邻或者至少彼此部分重叠。

3.根据权利要求1的图像观察设备，其中所述光学表面是半透射反射表面。

4.根据权利要求1的图像观察设备，其中所述光学表面反射具有第一偏振方向的光通量，并且透射具有不同于第一偏振方向的第二偏振方向的光通量。

5.根据权利要求1的图像观察设备，其中所述光学系统包括：

第一光学元件，它包括所述光学表面并且在所述光学表面反射来自所述第一图像形成元件的光通量；和

第二光学元件，它把来自所述第二图像形成元件的光通量向所述光学表面反射。

6.根据权利要求1的图像观察设备，其中所述光学系统包括：

第一光学元件，它包括所述光学表面并且在所述光学表面反射来自所述第一图像形成元件的光通量；和

第二光学元件，它透射向着所述光学表面行进的来自所述第二图像形成元件的光通量。

7.一种图像观察系统，其特征在于包括：

根据权利要求1的图像观察设备；和

驱动器，它使第一和第二图像形成元件形成第一和第二原始图像。

8.一种图像观察设备，包括：

第一图像形成元件和第二图像形成元件，其各自形成原始图像；以及

光学系统，其被配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者的眼睛所位于的射出光瞳位置，

其中，所述光学系统包括：

第一光学元件，包括作为单个表面的光学表面，所述光学表面全反射来自第一图像形成元件的光通量并且透射来自第二图像形成元件的光通量；以及

第二光学元件，它把来自所述第二图像形成元件的光通量向所述光学表面反射，

其中，所述第一图像形成元件和第二图像形成元件分别形成第一原始图像和第二原始图像，所述第一原始图像和第二原始图像对应于自射出光瞳位置的不同的视场，以及

其中，当将从射出光瞳的中心延伸到所述不同的视场的中心的轴定义为第一轴时，在从第一图像形成元件通过第一轴到达光学系统的射出光瞳位置的光线所形成的截面中，第一原始图像和第二原始图像被形成为使得所述不同的视场在与第一轴垂直的方向上相对于彼此平移。

9.一种图像观察设备，包括：

第一图像形成元件和第二图像形成元件，其各自形成原始图像；以及

光学系统，其被配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者的眼睛所位于的射出光瞳位置，

其中，所述光学系统包括：

第一光学元件，包括作为单个表面的光学表面，所述光学表面全反射来自第一图像形成元件的光通量并且透射来自第二图像形成元件的光通量；以及

第二光学元件，它透射向着所述光学表面行进的来自所述第二图像形成元件的光通量，

其中，所述第一图像形成元件和第二图像形成元件分别形成第一原始图像和第二原始图像，所述第一原始图像和第二原始图像对应于自射出光瞳位置的不同的视场，以及

其中，当将从射出光瞳的中心延伸到所述不同的视场的中心的轴定义为第一轴时，在从第一图像形成元件通过第一轴到达光学系统的射出光瞳位置的光线所形成的截面中，第一原始图像和第二原始图像被形成为使得所述不同的视场在与第一轴垂直的方向上相对于彼此平移。

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