CN105334627A - 影像投射装置和使用它的头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够在小空间中实现透视功能和光利用效率提高的影像投射装置和头戴式显示器。影像投射装置(001)包括：具有生成影像的显示元件(003)和对显示元件进行照明的照明光学系统(002)的影像生成部(041)；经由目镜部对用户的眼睛投射影像生成部生成的影像的投射部(043)；和通过壳体部连接影像生成部与投射部的支承部(042)，支承部具有被壳体部包围的、在与来自投射部的影像的投射方向平行的方向上透光的至少1个透明区域(011)。此外，头戴式显示器(450)搭载影像投射装置，在照明光学系统中具有出射多个波段的光的光源，具备控制光源的输出的控制器(440)。

Description

影像投射装置和使用它的头戴式显示器

技术领域

本发明涉及对眼睛投射影像的影像投射装置和使用它的头戴式显示器。

背景技术

作为可穿戴设备的头戴式显示器，因为可以时常在视野的一部分中得到互联网上的网络信息等这一点上而能够展开各种应用。头戴式显示器中，因为在视野的一部分中总是显示影像，所以也易于得到影像以外的外界信息、即透视功能是必要的。

例如专利文献1中，公开了构成目镜窗保持部的部件在从目镜窗起朝向根部10mm以上的范围中，除了一部分突起外，对用户的视轴方向的投影截面的宽度设为4mm以下而具有环视(seearound)功能，并且构成目镜窗的部件对用户的视轴方向的投影截面的宽度设为4mm以下而具有透视功能的显示装置。

此外，为了使照明光学系统的亮度分布均匀化而提高光利用效率，例如在专利文献2中，公开了在光导管的侧壁面的入射口一侧的区域设置有衍射部的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006-3879号公报

专利文献2：日本特开2009-244360号公报

发明内容

发明要解决的课题

在头戴式显示器中，要求易于得到影像以外的外界信息(透视功能)且小型、省电。

但是，专利文献1的结构中，被目镜窗保持部遮挡的区域透射率差，外界像被遮挡，妨碍透视功能。此外，为了使光轴向用户的眼睛的方向折射而使用了全反射的光学元件，但因为光源的面积比显示元件大，所以照明光学系统的光利用效率降低。

此外，专利文献2中记载的光导管，能够提高来自光源的光的利用效率，但尺寸难以小型化。即，能够应用于现有的投影仪等大型装置但是难以应用于头戴式显示器这样的小型装置。

本发明的目的在于提供一种能够在小空间中实现透视功能和照明光学系统的光利用效率提高的影像投射装置和头戴式显示器。

用于解决课题的技术方案

本发明的影像投射装置，包括：影像生成部，其具有生成影像的显示元件和对显示元件进行照明的照明光学系统；投射部，其经由目镜部对用户的眼睛投射影像生成部生成的影像；和支承部，其通过壳体部连接影像生成部与投射部，支承部在影像生成部与投射部之间具有被壳体部包围的、在与来自投射部的影像的投射方向平行的方向上透光的至少1个透明区域。

此外，本发明的头戴式显示器搭载了上述影像投射装置，照明光学系统具有出射多个波段的光的光源，头戴式显示器包括控制从上述影像投射装置投射的影像并控制光源的输出的控制器。

发明效果

根据本发明，能够实现具有容易辨认的透视功能、小型且省电的影像投射装置和头戴式显示器。

附图说明

图1是表示实施例1的影像投射装置的结构的图。

图2是说明阻断外部光的结构的图。

图3是表示外部光到来的方向的图。

图4是表示从位于前方的物体到达眼睛的光线的截面图。

图5是表示阻断物的高度与到达眼睛的光线的通过区域比率的关系的图。

图6是表示实施例2的影像投射装置的结构的图。

图7是说明阻断外部光的结构的图。

图8是表示光源的出射面的结构的图。

图9是表示光学系统的物点和成像点的图。

图10是表示光学积分器的结构的图。

图11是表示光学积分器的长度L与散射角θd的关系的图。

图12是表示光学积分器的第一变形例的图。(实施例3)

图13是表示光学积分器的第二变形例的图。

图14是表示光源的第一变形例的图。

图15是表示光源的第二变形例的图。

图16是表示头戴式显示器的佩戴状态的图(实施例4)。

图17是表示头戴式显示器的功能结构的框图。

图18是表示光源的输出控制的流程图。

具体实施方式

以下用附图说明本发明的实施方式。

【实施例1】

图1是表示实施例1的影像投射装置001的结构的图，(a)是外观立体图，(b)是从眼睛的上方(y方向)观察的顶面图(截面图)，(c)是从眼睛一侧(z方向)观察的侧面图。其中，在图中为了说明方向而标记了x、y、z轴。

影像投射装置001由生成影像的影像生成部041、对眼睛投射影像的投射部043和连接影像生成部041与投射部043的支承部042构成，用户(佩戴者)能够从投射部043的出射部(目镜部)015观看影像。对各部的结构进行说明。

影像生成部041中，具有光源002和生成影像的显示元件003以及保护板044。光源002例如使用白色背光LED。显示元件003例如是按每个像素具有红、绿、蓝的滤色片的液晶元件，显示元件003的区域004表示显示影像的区域(影像显示区域)。此处，设光源002的发光面尺寸比影像显示区域004大。对显示元件003照射照明光的光源002称为照明光学系统。

保护板044是光学上透明的平板，防止尘埃和水滴等从外部进入。进而，在保护板044上形成红色至蓝色的波段(波长430nm～670nm的范围)的防反射膜，从而能够降低光效率的损失。

影像生成部041因光源002发出的光通过影像显示区域004而生成影像。影像生成部041生成的影像从保护板044出射，通过支承部042内的空间，在投射部043中传播。

投射部043具备透镜单元005，透镜单元005具有透镜部013、反射部014和出射部(目镜部)015。透镜部013是具有焦距F的透镜。通过将从显示元件003的影像显示区域004到透镜部013的光学等效距离A设定为比焦距F近而使对眼睛020投射的影像成为虚像。从眼睛020到透镜部013的距离Li能够使用焦距F和距离A按一般的透镜的式(1)计算出。

1/Li＝1/F-1/A(1)

其中，因为是虚像，所以距离Li的符号为负。

反射部014是使从透镜部013行进而来的影像的行进方向曲折而向眼睛020投射的反射镜。其中，虚线006表示影像光的行进，虚线075、076表示影像光的传播范围。出射部015是平面，是对眼睛020出射的最后的光学面。其中，透镜部013、出射部015和保护板044优选为了不会附着固定尘埃、水滴、手油而施加硬涂膜。

支承部042是连接影像生成部041与投射部043的机构，以避开影像从影像生成部041向投射部043传播的空间(虚线075、076包围的区域)的方式构成。

如图1(a)、(c)所示，影像投射装置001的顶面和底面(y方向)被壳体部016和壳体部017覆盖。该壳体部016、017连接支承影像生成部041与投射部043，并且具有阻断从影像投射装置001的上下方向侵入装置内部(显示元件003等)的外部光的功能。

此外，如图1(b)所示，影像投射装置001的侧面由壳体部007、008、009、010构成。其中，壳体部007、008是主要形成影像生成部041的机构，壳体部009、010是主要形成投射部043的机构。然后，如(a)、(c)所示，从眼睛一侧(z方向)观察时，在壳体部007、008与壳体部009、010之间形成有在z方向透过的透明区域011。通过形成该透明区域011而提高了透视功能。此处，设透明区域011是空洞，但也可以设置树脂或玻璃等的保护用透明板或透明膜。这样的情况下，优选对透明板或透明膜进行硬涂膜而提高对脏污的耐性。

此处，对于外部光的影响和阻断它的理由进行说明。

图3是表示外部光到来的方向的图。外部光指的是太阳光和室内的荧光灯等，对于佩戴了头戴式显示器055的用户052，从箭头051表示的所有方向到来。

这样的外部光051可能在头戴式显示器055的前端搭载的影像投射装置001的内部，特别从透明区域011入射。而且，外部光侵入影像生成部041的显示元件003(影像显示区域004)时，会发生影像显示区域004变亮而难以看见原本的影像的问题。进而，因外部光对影像显示区域004入射，正在显示的影像对原本的传播方向以外的方向出射，佩戴者052以外的人也可能看见该影像。因此，不能够保证用户正在观看的影像的保密性。

本实施例中，为了阻断从眼睛的前方到来的外部光，并且确保影像的保密性，而如下所述地构成。

图2是说明影像投射装置001中的阻断外部光的结构的图。在图1(b)的顶面图(截面图)中添加了外部光的线等。

在外部光中，将从线022与线024之间的范围到来的作为问题。除此以外的从线022的纸面右侧(+x方向)到来的光，因为被壳体部007阻断所以可以不作为问题。此外，从线024的纸面下侧(-z方向)到来的光，因为被佩戴者的脸阻断，所以也可以不作为问题。

本实施例的影像投射装置001中，设定各壳体部007～010的端部位置045～050以使外部光不会对影像显示区域004入射。对这些端部位置的设定方法进行说明。

首先，对从佩戴者的前方(+z方向)到来的外部光(箭头025)进行叙述。从眼睛020向壳体部007、009的透明区域011一侧作切线030、031，设切点为045、047。以连接该切点045、047的线023不与影像显示区域004交叉的方式设定壳体部007、009的端部位置045、047。此外，壳体部008的端部位置050设定在切线030的光源002一侧(纸面右侧)。这样设定时，能够避免线022与线023的范围的外部光(箭头025)对影像显示区域004入射。

接着，对从佩戴者的左侧(-x方向)到来的外部光(箭头026)进行叙述。设定未被佩戴者的脸阻断的外部光的最大角度，以该设定的极限角度作与壳体部008的端部位置050相切的切线024。以与该切线024相切的方式设定壳体部010的端部位置049。这样设定时，能够避免线023与线024的范围的外部光(箭头026)对影像显示区域004入射。

通过如上所述地设定壳体部007～010，影像投射装置001能够完全阻断线022与线024所示的范围的外部光(箭头025、026)。此外，满足该条件时的透明区域011是被图2的线031与线022夹着的形状，靠近出射部(目镜部)015一侧的x方向的开口宽度(从端部位置049到050的距离)大于远离出射部(目镜部)015一侧的x方向的开口宽度(从端部047到045的距离)。

接着，对本实施例的影像投射装置001中的透视功能进行说明。

图4是表示从位于影像投射装置001的前方(z方向)的物体060到达眼睛020的光线的截面图。(a)表示影像投射装置001的投射部043上的截面，(b)表示影像投射装置001的支承部042上的截面。影像投射装置001与眼睛020隔开规定距离地配置，来自物体060的光线被影像投射装置001遮挡一部分并到达眼睛020。光线065是能够从物体060对眼睛020入射的最大角度的范围。虚线061示出了眼睛020的法线方向。

在(a)中，因影像投射装置001的投射部043而产生物体060的光线被阻断的区域063。投射部043中不存在透明区域。但是，将投射部043的高度(y方向)设定为比人眼睛020的瞳孔(4mm程度)小，从而通过投射部043的上下(y方向)的光线062到达眼睛020。因此，佩戴者能够辨认物体060整体。这样，通过将投射部043的高度设定为小于物体060与眼睛020所成的最大角度的线065，能够确保透视功能。

在(b)中，影像投射装置001的支承部042中存在透明区域011。虽然会产生物体060的光线被支承部042阻断的区域064，但通过支承部042的上下的光线062和通过透明区域011的光线066到达眼睛020。因此，与(a)的阻断区域063相比，(b)的阻断区域064小。这样，通过在支承部042中形成透明区域011，能够得到更加易于辨认物体060的效果。

图5是表示阻断物的高度与到达眼睛的光线的通过区域比率的关系的图。设想图4(a)的情况，设眼睛(瞳孔)020的大小是一般值4mm，从眼睛到阻断物(投射部043)的距离是50mm的情况下，对于来自物体060的光线未被阻断物(投射部043)的高度Hd遮挡而到达眼睛的光线的通过区域比例进行了计算。图中，横轴表示宽度Hd，纵轴表示到达眼睛的光线的比率。关于光线的比率，设物体060是点，设不存在投射部043的情况下到达眼睛的光线为基准(100％)时，用通过区域比率示出了未被阻断而到达的光线。通过区域比率越高，则越易于辨认。

阻断物的高度Hd越大，通过区域比率越低，高度Hd大于3.76mm时，通过区域比率成为零而不能够辨认。因此，优选阻断物(投射部043)的高度与3.76mm相比尽可能地减小。

基于该结果，在图4(b)的情况下，优选尽可能地增大支承部042的透明区域011的高度。例如，更加优选使支承部042的高度大于投射部043，扩大透明区域011的高度。

影像投射装置001的投射部043因为对眼睛传达影像，所以存在高度的制约，缩小存在极限。另一方面，对于支承部042，能够通过扩大设置透明区域011而提高辨认性能(透视功能)。

为了确保能够没有问题地辨认的水平的通过区域比率50％，只要使透明区域011的上下的壳体部016、017的高度合计小于1.8mm即可。

如上所述，本实施例的影像投射装置001，通过在支承部042中设置透明区域011，能够提高透视功能的易辨认性。进而，通过适当地设定透明区域011的配置(壳体部的端部位置)，能够阻断从透明区域011入射的外部光，并且确保保密性以使他人不会看见佩戴者正在观看的影像信息。

【实施例2】

在实施例2中，对实现了透视功能的提高和照明光学系统的光利用效率的提高的影像投射装置进行说明。

图6是表示实施例2的影像投射装置101的结构的图，(a)是外观立体图，(b)是从眼睛的上方(y方向)观察的顶面图(截面图)，(c)是从眼睛一侧(z方向)观察的侧面图。

影像投射装置101由生成影像的影像生成部191、对眼睛投射影像的投射部193和连接影像生成部191与投射部193的支承部192构成，用户(佩戴者)能够从投射部193的出射部(目镜部)115观看影像。对各部的结构进行说明。

影像生成部191中，具有光源102、光学积分器103、透镜105、偏振元件106、偏振元件195、偏振棱镜元件107、波片108、反射元件109、显示元件110、保护板194、温度检测部471、光量检测部472。

光源102是出射红、绿、蓝的波段的光的光源，出射光的区域是出射面099。从光源102出射的红、绿、蓝色的光，强度被光学积分器103积分而形成均匀的光。光源102和光学积分器103的结构在后文中叙述。

从光学积分器103出射的光，被透镜105变换为与x轴大致平行的光，被偏振元件106选择为垂直偏振(与纸面垂直的y方向的偏振)的光，对偏振棱镜元件107入射。

在偏振棱镜元件107中，使垂直偏振光反射而对波片108入射，并且使水平偏振光(与纸面平行的z方向的偏振光)透射。用波片108使垂直偏振光变换为圆偏振光并对反射元件109行进。在反射元件109上，光反射并向波片108行进。对波片108再次入射的圆偏振的光被变换为水平偏振的光，再次向偏振棱镜元件107行进。此处使用的波片108具有所谓1/4波片的功能。此外，因为红、绿、蓝的波段的光行进，所以优选是具有对任意波长都具有1/4波片的功能的宽带1/4波片。

再次向偏振棱镜元件107行进的水平偏振光，透过偏振棱镜元件107并作为照明光向显示元件110照射。其中，到使从光源102出射的光对显示元件110照射为止的光学系统是照明光学系统。

此处的显示元件110，例如使用没有滤色片的反射型的液晶元件。因此，与具有滤色片的液晶元件相比能够使像素尺寸成为1/3，所以能够实现高分辨率的影像。显示元件110的区域111表示显示影像的影像显示区域。其中，彩色影像能够通过从光源102以眼睛不能察觉的速度依次发出红、绿、蓝色的光而生成。

影像显示区域111具有按每个像素将入射的水平偏振变换为垂直偏振或水平偏振的功能。作为影像有效的情况下变换为垂直偏振，无效的情况下变换为水平偏振。在影像显示区域111中成为影像的垂直偏振的光和无效而不起到影像作用的水平偏振的光，一起向偏振棱镜元件107入射。

在偏振棱镜元件107中，是垂直偏振的光反射而向偏振元件195行进，使水平偏振的光透射。用该偏振棱镜元件107使具有影像信息的光与无效的光分离。在偏振元件195中，也仅选择垂直偏振。偏振棱镜元件107具有分离为水平和垂直偏振的功能，但不能够完全分离，会使微量的水平偏振的光反射。因此，通过使用偏振元件195，能够大幅除去作为影像无效的水平偏振的光，所以能够实现高对比度。其中，通过使偏振元件106、195与偏振棱镜元件107贴合而一体化，能够削减搭载的部件个数，减少部件保持部，易于使装置小型化。

作为影像有效的光即垂直偏振的光，向保护板194行进。保护板194是具有防止尘埃和水滴等从外部进入的功能的光学上透明的平板，通过形成红至蓝波段的防反射膜而降低光效率的损失。通过保护板194后的影像光通过支承部192内的空间，向投射部193传播。

投射部193具备透镜单元112，透镜单元112具有透镜部113、反射部114和出射部(目镜部)115。透镜部113是具有焦距F的透镜。通过将从显示元件110的影像显示区域111到透镜部113的光学等效距离A设定为比焦距F近，而使对眼睛020投射的影像成为虚像。

反射部114是使从透镜部113行进而来的影像的行进方向曲折而向眼睛020投射的反射镜。其中，虚线104表示影像光的行进。出射部115是平面，是对眼睛020出射的最后的光学面。其中，透镜部113、出射部115、保护板194优选为了不会附着固定尘埃、水滴、手油而实施硬涂膜。

支承部192是连接影像生成部191与投射部193的机构，以避开影像从影像生成部191向投射部193传播的空间的方式构成。

如图6(a)、(c)所示，影像投射装置101的顶面和底面被壳体部116和壳体部117覆盖。该壳体部116、117连接支承影像生成部191与投射部193，并且具有阻断从影像投射装置101的上下方向侵入装置内部(显示元件110等)的外部光的功能。

此外，如图6(b)所示，影像投射装置101的侧面由壳体部120～126构成。其中的壳体部120、121、126是主要形成影像生成部191的机构，壳体部123、124是主要形成投射部043的机构，壳体部122、125是主要形成支承部192的结构。然后，如(a)、(c)所示，从眼睛一侧观察时，分别以在z方向透过的方式在壳体部123(124)与壳体部125之间形成了透明区域130、在壳体部122与壳体部125之间形成了透明区域131、在壳体部122与壳体部121(120)之间形成了透明区域132。通过这样增加形成透明区域130、131、132而进一步提高透视功能。

温度检测部471是检测光源102附近的温度的热敏电阻，光量检测部472是检测光源102正在输出的光量的光检测器。用LED实现红、绿、蓝波段的光的情况下，为了输出红波段的光而使用与绿、蓝不同的材料，所以输出的光量的温度特性不同。因此，用温度检测部471检测温度，用光量检测部472检测光量，从而进行从光源102输出的光量和由红、绿、蓝合成的颜色的控制。

接着，对阻断外部光和确保保密性进行说明。

图7是说明影像投射装置101中的阻断外部光的结构的图。在图6(b)的顶面图(截面图)中添加了外部光的线等。

在外部光中，将从线150与线155之间的范围到来的光作为问题。除此以外的从线150的纸面右侧(+x方向)行进的光，因为被壳体部120阻断，所以可以不作为问题。此外，从线155的纸面下侧(-z方向)到来的光，因为被佩戴者的脸阻断，所以也可以不作为问题。

本实施例的影像投射装置101中，设定各壳体部120～125的端部位置160～166以使外部光不对影像显示区域111入射。对这些端部位置的设定方法进行说明。

首先，对从佩戴者的前方(+z方向)到来的外部光(箭头156、157)进行叙述。从眼睛020向各壳体部120～125的透明区域130、131、132一侧作切线140～143，设与壳体部120的切点为164，与壳体部122的切点为166、163，与壳体部125的切点为162，与壳体部124的切点为161，与壳体部123的切点为160。

以连接切点164、166的线151不与影像显示区域111交叉的方式设定端部位置164、166。此外，壳体部121的端部位置165设定在切线140的光源102一侧(纸面右侧)。这样设定时，能够避免线150与线151的范围的外部光(箭头156)对影像显示区域111入射。此外，以连接切点160、163的线153不与影像显示区域111交叉的方式设定端部位置160、163。这样设定时，能够避免线152与线153的范围的外部光(箭头157)对影像显示区域111入射。

接着，对从佩戴者的左侧(-x方向)到来的外部光(箭头158)进行叙述。设定未被佩戴者的脸阻断的外部光的最大角度，以该设定的极限角度与壳体部125的端部位置162相切地作切线155。壳体部124、125的端部位置161、162，以分别连接的切线154即使考虑偏振棱镜元件107上的反射也不与影像显示区域111交叉的方式设定。这样设定时，能够避免线154与线155的范围的外部光(箭头158)对影像显示区域111入射。其中，壳体部121上设置的开口部167优选以外部光不会对影像显示区域111入射的方式配置。

通过如上所述地设定壳体部120～126，影像投射装置101能够完全阻断线150与线155所示的范围的外部光(箭头156、157、158)。此外，满足该条件时的透明区域130～132是被图7的线143与线150夹着的形状，靠近出射部(目镜部)115一侧的x方向的开口宽度(从端部位置161到165的距离)大于远离出射部(目镜部)115一侧的x方向的开口宽度(从端部位置160到164的距离)。

本实施例的影像投射装置101，因为追加了壳体部122、125，装置的纵深方向(z方向)的尺寸减小。即，能够使远离眼睛020一侧的壳体部向z方向的突出量171与实施例1(图2)中的壳体部007的突出量070相比小，能够得到装置小型化的效果。

此外，壳体部120～125的其他端部位置以不伸出切线140～141、142～143的区域的方式设定。通过这样设定，能够确保切线140～141、切线142～143各范围的角度的视野。此外，因为外部光不会对影像显示区域111入射，从外部不能看见影像显示区域111的影像信息，因此也可以确保保密性。

接着，对照明光学系统中的光源102的结构和彩色边纹修正进行说明。

图8是表示光源的出射面的结构的图。在光源102的出射面099上，配置出射红(R)、绿(G)、蓝(B)波段的光的光源体180、181、182。它们分别使用例如LED发光元件。设包围各光源体180～182的矩形区域为发光面185。

各光源体180～182的位置设为连接其中心时形成90度以下的三角形(该情况下为大致正三角形)。这是因为，发光面185的面积与发光的立体角的平方的积是能量守恒的，所以优选发光面积较小。此外，因为红、绿、蓝发光位置不同，所以即使发光面积相同，为了以均匀的亮度对显示元件照明，也优选一边的长度较小。因此，使光源体的配置成为任1角都为90度以下的三角形，设定发光面185的宽度Sx与高度Sy大致相等。

图9是表示光学系统的物点和成像点的图，用它说明彩色边纹的发生。从光源体201、202出射的光因照明用透镜203变为大致平行，对相当于显示元件的物点204入射。物点像被投射用透镜205投射，经过相当于眼睛的晶状体的透镜206，在相当于视网膜的像点207成像。像点212表示虚像的成像点，轴209表示眼睛的法线。光量213表示从光源体201到达像点207的光量，光量214表示从光源体202到达像点207的光量。设光源体201、202配置在相对于轴209对称的位置。

一般而言，从光源体201、202出射并通过物点204到达的光量213、214，在光源体的位置接近物点的情况下较大，远离物点时减小。

(a)是存在于轴209上的物点2041的情况，因为从光源体201、202到物点的距离相等，所以像点207处的光量213、214相等。

(b)是位于轴209的纸面上侧的物点2042的情况，光源体201距离物点2042近，所以在像点207处光量213大于光量214。

(c)是位于轴209的纸面下侧的物点2043的情况，光源体202距离物点2043近，所以在像点207处光量214大于光量213。

即，光源体201、202发出不同波长的光的情况下，在眼睛中，在纸面上下方向偏离轴209的物点2042、2043看起来是不同颜色。将这样的现象称为“彩色边纹”。

为了修正该彩色边纹，本实施例中，在光源102的出射侧配置光学积分器103。

图10是表示光学积分器103的结构的图。光学积分器103是长L、高H、宽W的四方柱状的树脂体，具有6个面221～226，其中，面221是具有光的散射功能的面，其他面222～226是不引起散射的平坦的面。符号228表示树脂成型时的浇口(gate)。

面221是光学积分器103的出射面，配置在透镜105一侧。面226是光学积分器103的入射面，配置在光源102一侧。浇口228配置在面222上，使其尽可能小，从而减少对后述的积分功能的影响，使光的损失最小。

从光源102出射的光，从入射面226进入光学积分器103，在面222至面225上反复内反射并到达出射面221。到达出射面221的光线被其散射功能变换角度而向透镜105出射。

此处，对从光学积分器103出射的光在光学积分器内的反射次数(积分次数)进行估算。设表示出射面221的散射功能的散射角(半高半角)为θd，从出射面221出射时到达眼睛的光的角度为θ，光学积分器103的折射率为N时，光学积分器103内的积分次数Ip能够用式(2)表达。

Ip＝(π·L²/(W·H))·tan²(θ/N+θd)(2)

即，积分次数Ip通过用光学积分器221的截面积(W·H)除按出射时的光的角度θ与散射时的半高半角θd形成的角度(θ/N+θd)行进了距离L时的面积而计算。其中，出射时的光的角度θ，因为在对光学积分器103内部入射时因折射而被变换角度，所以分母中有折射率N。

如上所述，发光面积与发光的立体角的平方的积是能量守恒的。例如，设从影像投射装置101到达眼睛的光的半高半角θd是3度，显示元件110的大小是3×3mm。作为光源的LED中，如果发光面尺寸是1mm以下程度，则能够容易地获得，所以设出射面为1×1mm时，从光学积分器103出射的光的角度θ是约9度。对于积分次数Ip，通过积分大致20次以上，可以认为光被充分均匀化。即，因为来自光源的各波长的光的光路长在光学积分器103中被均匀化，所以图9中叙述的彩色边纹的问题得以解决。

图11是表示用于使积分次数Ip＝20的光学积分器103的长度L与散射角(半高半角)θd的关系的图。

可知出射面221的散射角θd越大，光学积分器103的必要长度L越短。不对出射面221附加散射功能的情况(θd＝0)下，长度L需要25mm以上。超过该25mm的长度，是作为头戴式显示器的影像投射装置在外形上不能容许的大小。通过对出射面221附加散射功能，能够缩短必要的长度L。在完全散射即θd＝60度的情况下，长度L也需要3.1mm以上。这表示即使不配置光学积分器103而仅配置完全散射板，也因为没有积分功能而不能够改善彩色边纹。通过附加用内反射实现的积分功能和散射功能双方，能够在小空间中实现使均匀化后的光以规定角度出射的照明光学系统。

超过临界角度的角度的光不能在光学积分器103中进行内反射。因此，θd超过40度时光学积分器103的必要长度在3.1mm程度饱和。从而，光学积分器103的优选条件是长度L＝3.1mm且散射角θd＝40度。

其中，用树脂成型制造光学积分器103的情况下，需要浇口228。这样的浇口228因为在成型后不施加研磨处理就不进行内反射，所以不能得到符合上述计算的效果。因此，如果将未处理的浇口228的尺寸设为例如0.9mm见方程度，则光学积分器103的长度加上浇口部分最低也是约4.0mm。当然，也能够不用成型而是仅用研磨制造，该情况下，因为不需要浇口，所以如上所述3.1mm的长度即可。

照明光的光利用效率，由从光源出射的光中能够使用的角度的平方决定。上述实施例1的影像投射装置001中，不存在使来自光源002的光聚光的透镜，所以仅能够使用至上述半角3度的光。与此相对，实施例2的影像投射装置101中，能够使用至半角9度的光，所以与实施例1相比较能够实现约9倍高效率的光学系统。

如上所述，实施例2的影像投射装置101在支承部192上设置了多个透明区域130～132，所以能够进一步提高透视功能的易辨认性。此外，通过适当地设定透明区域130～132的配置，能够阻断从透明区域入射的外部光，并且确保保密性以使他人不会看见佩戴者正在观看的影像信息。

进而，在实施例2中，通过设置具有用内反射实现的积分功能和散射功能双方的光学积分器103，能够实现小型且高性能的光学积分器，提高照明光学系统的光利用效率。

【实施例3】

在实施例3中，对实施例2的影像投射装置101中的光学积分器103和光源102的变形例进行说明。

图12是表示光学积分器的第一变形例的图。光学积分器300具有入射面301和出射面302，使出射面302具有散射功能，并且在入射面301上设置使入射光线的角度曲折的角度变换面303～305。来自光源102的入射光313～315(相当于图8的来自各光源体180～182的出射光)因角度变换面303～305而分别向出射面302的中心行进。由此，光源体位置偏差引起的角度误差被补偿，光更易于积分(能够减少积分次数)。因此，即使考虑浇口306也能够使光学积分器300的长度L比4mm短。

图13是表示光学积分器的第二变形例的图。光学积分器350具有入射面351和出射面352，使出射面352具有散射功能，并且在入射面351上配置使入射光线的角度曲折的凹透镜353～355。通过使凹透镜353～355的各中心偏离来自光源102的入射光313～315的各中心而能够利用透镜的偏心，对入射光的角度进行变换而向出射面352的中心行进。由此补偿光源体位置偏差引起的角度误差。此外，如果利用凹透镜使光的角度发散的功能，则可以用比图12的光学积分器300短的距离得到积分效果，所以能够进一步缩短光学积分器350的长度L。这样复杂的结构，能够通过模拟确认效果。

图14是表示光源的第一变形例的图。对于光源102的出射面500，使图8的出射面099上的光源体180的位置偏移，L型地配置各光源体180、181、182。连接各光源体的中心时成直角三角形，仍然成为1角是90度以下的三角形。出射面500和出射面099的发光面185的大小、宽度Sx、高度Sy都不变。即，因为由发光面积与发光的立体角的平方的积表达的能量也守恒，所以出射面500的光源体的配置的光效率与出射面099是相同程度。

图15是表示光源的第二变形例的图。光源102的出射面550相对于图14的出射面500追加了光源体183。四角型地配置各光源体180、181、182、183，但发光面185的大小、宽度Sx、高度Sy都不变。该情况下，光效率是相同程度并且能够使照明光更亮。其中，光源体183例如出射白色波段的光时，能够最亮。此外，光源体183出射例如黄色波段的光时，能够扩大色彩还原范围。

【实施例4】

在实施例4中，对搭载了影像投射装置101的头戴式显示器450进行说明。

图16是表示头戴式显示器450的佩戴状态的图，是从头顶观察用户正在佩戴的状态。此外，图17是表示头戴式显示器450的功能结构的框图。

头戴式显示器450中，除影像投射装置101之外，还具备取得外部信息479的拍摄单元449、电力供给单元435、与外部服务器478通信的通信单元433、声音传感元件439和触摸传感单元458等操作输入单元475、控制器440、加速度传感元件445、位置传感元件446等取得外部信息479的传感单元490、数据表476等。

电力供给单元435是电池这样的能够充电的电源。电源供给单元435经由控制器440对装置供给必要的电力。此时，控制器440也具有根据状况对必要的装置供给电力的选择功能。通信单元433是能够访问互联网上的信息和佩戴者(用户)430持有的电子设备等外部服务器478的通信装置。触摸传感元件458是触控面板这样的传感元件，声音传感元件439是麦克风等检测佩戴者430的声音的元件。

操作输入单元475通过使用声音传感元件439进行的声音识别和使用触摸传感元件458得到的手指的位置信息等，进行佩戴者430操作头戴式显示器450用的输入。加速度传感元件445利用压电元件和静电电容等原理检测加速度。位置传感元件446是GPS这样的检测位置的元件。控制器440是控制上述各装置、各单元的主芯片。

头戴式显示器450能够在佩戴者430的视野437中观看从影像投射装置101投射的影像459。为了可以在视野437中看见影像459，而具备调整影像投射装置101的投射方向的角度调整机构432。由此，佩戴者430能够将影像459的位置调整至喜好的位置。其中，角度调整机构432例如能够用铰链等容易地实现。

图16中，示出了在右眼睛441一侧佩戴影像投射装置101的状态，但也能够同样在左眼睛442一侧佩戴。因此，控制器440具有基于用加速度传感元件445得到的信息，使影像的上下左右反转而总是对佩戴者430显示正确的影像的功能。头戴式显示器450通过耳443、444和固定部451～453等固定在头部使用，所以两手是自由的。

接着，对头戴式显示器450的几个使用例进行说明。

(1)设想佩戴者430正在步行时前方通路中存在高低差等的情况。控制器440能够对用拍摄单元449取得的影像信息(438所示的范围)进行处理，识别出通路中存在高低差，用影像投射装置101在影像459中显示“注意有高低差”这样的消息，对佩戴者430进行通知。此时，控制器440使光源102发光，对显示元件110发送规定的消息的影像信号。

(2)作为与佩戴者430相关的外部信息479即社交网络信息，例如设想发生了通勤使用的电车因事故而停运等信息的情况。能够从通信单元433对控制器440传达外部信息，用影像投射装置101对佩戴者430通知“通勤电车因事故而延迟”这样的消息。此时，控制器440具有根据佩戴者430的要求随时监视互联网上的信息的功能。

(3)佩戴者430想要利用拍摄单元449拍摄照片的情况下，控制器440能够从使用声音传感元件439进行的声音识别、或者使用触摸传感元件458得到的手指的位置信息等操作输入单元475检测佩戴者430的要求，驱动拍摄单元449拍摄照片。该情况下，拍摄的照片信息能够使用通信单元433发送至互联网上的佩戴者430所持有的云网络上。当然，也能够在影像459中投射已拍摄的影像。该情况下，控制器440优选总是优选处理来自操作输入单元475的输入信号。

(4)佩戴者430在电车中打盹的情况下，控制器440能够从加速度传感元件445检测头的摇动，或者从拍摄单元449检测出位于电车中，关闭影像投射装置101的电源并且节电。

(5)佩戴者430位于与平常不同的地区的情况下，控制器440能够根据传感单元490的位置信息检测出位于与平常不同的位置。然后，能够根据拍摄单元449的信息判别是旅行还是出差，从通信单元433得到旅行的指南、附近的餐饮信息等，对佩戴者430通知。

如上所述，控制器440具有判断用户的状况、将从外部取得的信息作为影像信息从影像投射装置101对用户提供的功能。

此外，控制器440也具有监视位于影像投射装置101内的温度检测部471的温度信息和来自光量检测部472的光量信息，将光源102的输出控制为最佳的功能。

图18是表示光源102的输出控制的流程图。此处，为了显示彩色影像，设想光源102是与显示元件110同步地发出红、绿、蓝波段的光的场序彩色(FSC：fieldsequentialcolor)方式。以下，为了调整红、绿、蓝色的各光量，说明(a)～(c)3种控制方法。

(a)方法是分别测定红、绿、蓝色的各光量的情况。在S600的初始设定中，以成为规定颜色的照明光的方式设定从光源102出射的红、绿、蓝色的光量的初始值I0(R)、I0(G)、I0(B)，保存在数据表476中。

在S601中，使用没有波长依赖性的光检测器作为光量检测部472，与按FSC方式红、绿、蓝依次发光的时序同步地依次测定各色光的光量。设测定得到的光量为Ia(R)、Ia(G)、Ia(B)。光量因温度变化等而变化的情况下，在S602中，求出与初始值I0(R)、I0(G)、I0(B)的差量ΔI(R)、ΔI(G)、ΔI(B)。在S603中，根据差量分别调整各色光源103的输出使其等于光量初始值。

其中，光量检测部472是能够按每个波段检测光量的彩色光检测器的情况下，通过同时测定各光量Ia(R)、Ia(G)、Ia(B)而进一步提高控制的精度。

(b)方法是仅测定红色光量的情况。这是因为光源102中特别是红色光量的温度依赖性因发光材料的影响而较大，所以测定红色光量作为代表。在S610的初始设定中，在数据表476中保存红色光量的初始值I0(R)、和红、绿、蓝色的光量的温度依赖性数据I(R)-T、I(G)-T、I(B)-T。

在S611中，用光量检测部472仅测定红色的光量Ia(R)，在S612中求出与初始值I0(R)的差量ΔI(R)。在S613中，根据差量调整红色光的输出使其等于红色的初始值。

在S614中，参考红色的温度依赖性数据I(R)-T，根据S612中求出的差量ΔI(R)求出温度变化ΔT。在S615中，参考绿色的温度依赖性数据I(G)-T和蓝色的温度依赖性数据I(B)-T，根据S614中求出的温度变化ΔT调整绿色光和蓝色光的输出。

该方法中，仅测定红色光的光量即可，所以结构简单。其中，测定光的颜色只要具有温度依赖性，也可以是红色光以外。

(c)方法是不测定光量而是改为仅测定温度变化的情况。在S620的初始设定中，在数据表476中保存光源102的附近温度的初始值T0、和红、绿、蓝色的光量的温度依赖性数据I(R)-T、I(G)-T、I(B)-T。

在S621中，用温度检测部471测定光源102附近的温度Ta。在S622中，求出从初始值T0的温度变化ΔT。在S623中，参考各色的温度依赖性数据I(R)-T、I(G)-T、I(B)-T，根据S622中求出的温度变化ΔT分别调整各色光源103的输出。

该方法仅测定温度即可，所以与光量测定相比较结构更简便。

如上所述，用控制器440将影像投射装置101的光源102的输出控制为最佳，具有抑制显示的影像的颜色变动的效果。

根据实施例4的头戴式显示器450，能够用影像投射装置101在佩戴者的视野的一部分中提供各种影像信息。此时，能够通过透视功能提高辨认性，并且确保佩戴者正在观看的影像信息的保密性，所以安全并且易用性优良。

符号说明：

001，101：影像投射装置、

002，102：光源、

003，110：显示元件、

005，112：透镜单元、

007～010，120～126：壳体部、

011，130，131，132：透明区域、

015，115：出射部(目镜部)、

040，194：保护板、

041，191：影像生成部、

042，192：支承部、

043，193：投射部、

103，300，350：光学积分器、

105：透镜、

107：偏振棱镜元件、

180，181，182，183：光源体、

221，302，352：出射面(散射功能)、

303，304，305：角度变换面、

353，354，355：凹透镜、

430：佩戴者(用户)、

440：控制器、

450：头戴式显示器、

471：温度检测部、

472：光量检测部、

476：数据表。

Claims (13)

1.一种对用户的眼睛投射影像的影像投射装置，其特征在于，包括：

影像生成部，其具有生成影像的显示元件和对该显示元件进行照明的照明光学系统；

投射部，其经由目镜部对用户的眼睛投射该影像生成部生成的影像；和

支承部，其通过壳体部连接所述影像生成部与所述投射部，

该支承部在所述影像生成部与所述投射部之间具有被所述壳体部包围的、在与来自所述投射部的影像的投射方向平行的方向上透光的至少1个透明区域。

2.如权利要求1所述的影像投射装置，其特征在于：

所述支承部的所述壳体部配置成阻断通过所述透明区域向所述显示元件入射的外部光。

3.如权利要求2所述的影像投射装置，其特征在于：

在所述透明区域的从所述影像生成部向所述投射部去的方向上的开口的宽度中，靠近所述目镜部一侧的开口的宽度大于远离所述目镜部一侧的开口的宽度。

4.如权利要求1所述的影像投射装置，其特征在于：

所述影像生成部中的所述照明光学系统包括：

出射多个波段的光的光源；

四方柱状的光学积分器，其使从该光源出射的光在其中内反射来对光强度进行积分而形成均匀的光；和

透镜部，其将从该光学积分器出射的光变换为大致平行的光，

所述光学积分器的所述透镜部一侧的出射面具有使光散射的散射功能。

5.如权利要求4所述的影像投射装置，其特征在于：

所述光源具有出射红、绿、蓝波段的光的3个光源体，

各所述光源体的中心点配置在任1个角都为90度以下的三角形的顶点位置。

6.如权利要求4所述的影像投射装置，其特征在于：

令从所述光学积分器出射的光的角度为θ，

所述光学积分器的所述散射功能的半高半角为θd，

所述光学积分器的长度为L、宽度为W、高度为H、折射率为N，

所述光学积分器中的要求的积分次数为Ip时，

满足(π·L2/(W·H))·tan2(θ/N+θd)≥Ip的关系。

7.如权利要求6所述的影像投射装置，其特征在于：

所述光学积分器的长度L为3.1mm至4mm，散射功能的半高半角θd为40度。

8.如权利要求5所述的影像投射装置，其特征在于：

在所述光学积分器的入射面上设置有角度变换面，使得从所述光源入射来的红、绿、蓝波段的光分别向着所述光学积分器的出射面的中心行进。

9.如权利要求5所述的影像投射装置，其特征在于：

在所述光学积分器的入射面上设置有凹透镜，使得从所述光源入射来的红、绿、蓝波段的光分别向着所述光学积分器的出射面的中心行进。

10.一种搭载了对用户的眼睛投射影像的影像投射装置的头戴式显示器，其特征在于：

所述影像投射装置包括：

影像生成部，其具有生成影像的显示元件和对该显示元件进行照明的照明光学系统；

投射部，其经由目镜部对用户的眼睛投射该影像生成部生成的影像；和

支承部，其通过壳体部连接所述影像生成部与所述投射部，

所述照明光学系统具有出射多个波段的光的光源，

所述支承部在所述影像生成部与所述投射部之间具有被所述壳体部包围的、在与来自所述投射部的影像的投射方向平行的方向上透光的至少1个透明区域，并且，

所述头戴式显示器包括控制从所述影像投射装置投射的影像的控制器。

11.如权利要求10所述的头戴式显示器，其特征在于，包括：

检测所述光源的各波段的光量的光量检测部；和

保存所述光源的各波段的光量的初始设定值的数据表，

所述控制器对所述光量检测部检测出的各波段的光量与所述数据表中保存的各波段的光量的初始设定值进行比较，根据其差量控制所述光源的输出。

12.如权利要求10所述的头戴式显示器，其特征在于：

所述照明光学系统包括出射红色波段的光的光源，

所述头戴式显示器包括：

检测所述光源的红色波段的光量的红色光量检测部；和

数据表，其保存所述光源的红色波段的光量的初始设定值和各波段的出射光量的温度依赖性数据，

所述控制器对所述红色光量检测部检测到的红色波段的光量与所述数据表中保存的红色波段的光量的初始设定值进行比较，根据其差量控制红色波段的光源的输出，并且参考所述数据表中保存的红色波段的出射光量的温度依赖性数据求出所述光源的温度变化，参考所述数据表中保存的红色以外的各波段的出射光量的温度依赖性数据，根据所述温度变化控制红色以外的各波段的光源的输出。

13.如权利要求10所述的头戴式显示器，其特征在于，包括：

检测所述光源附近的温度的温度检测部；和

数据表，其保存所述光源附近的温度的初始值和各波段的出射光量的温度依赖性数据，

所述控制器对所述温度检测部检测出的温度与所述数据表中保存的温度的初始设定值进行比较来求出温度变化，参考所述数据表中保存的各波段的出射光量的温度依赖性数据，根据所述温度变化控制所述光源的输出。