CN106716230A - 图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不仅确保穿透性，而且能够不受眼睛的移动、眼宽的变化影响地视觉确认图像，能够以高品质显示较大尺寸的图像，小型且佩戴性、外观优异的图像显示装置。本发明的显示装置(100)具备：光源光学系统(15)；反射镜(16)，其使从光源光学系统(15)射出的光反射；光扫描设备(17)，其对由反射镜(16)反射的光进行扫描；扩瞳光学系统(12)，其放大从光扫描设备(17)射出的光的光束直径；修正光学系统(13)，其供从扩瞳光学系统(12)射出的光射入，并对在出瞳(G)的位置生成的像进行修正；以及全息反射镜(14)(偏转光学系统)，其使从修正光学系统(13)射出的光偏转而将其引导至出瞳(G)的位置，并使外界光的一部分透过。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及图像显示装置。
背景技术
近年来，作为一种可穿戴式信息设备，提供有头戴式显示器等佩戴在观察者的头部来使用的方式的图像显示装置。例如，在下述的专利文献1中公开有具备光源、调制来自光源的光来显示影像的显示元件、以及将来自显示元件的影像光引导至观察者的瞳孔的观察光学系统的影像显示装置。在该影像显示装置中，在观察者的眼前配置有全息光学元件，全息光学元件使来自外界的光透过。由此，观察者能够在来自显示元件的影像的基础之上视觉确认外界的像。以下，有时将能够同时视觉确认来自显示元件的影像与外界的像的双方的图像显示装置称为穿透式的图像显示装置。在该影像显示装置中，由于仅全息光学元件具有光功率，所以难以修正由全息光学元件引起的像差、失真。因此，难以以高分辨率来显示广阔的视角的图像、即较大尺寸的图像。
另外，在专利文献1中，虽然列举了液晶显示元件作为显示元件的例子，但是在使用液晶显示元件那样的具有二维的外形的设备的情况下，存在显示元件大型化的问题。因此，为了使显示元件小型化，在下述的专利文献2、3中公开有具备驱动反射镜并对光进行二维扫描的扫描单元的图像显示装置。然而，在专利文献2的装置中，在扫描的激光的直径较细的情况下，存在眼睛移动时激光偏离瞳孔的位置，而无法看见图像的问题。另外，由于右眼与左眼的间隔、即眼宽因人而异，从而存在若使用者发生变化，则无法看见图像的问题。
另一方面，在专利文献3中公开有如下的图像显示装置，即通过在将被扫描的光引导至眼前的导光板的光射出区域中设置光偏转单元，并使图像光在整个光射出区域扩散射出，从而即使眼睛移动也能够看见图像。以下，将这样通过扩散图像光从而放大出瞳的功能称为扩瞳功能。然而，在专利文献3的装置中，由于导光板还向除了图像显示所需要的观察者的眼前的区域之外延伸，并成为向脸的侧方伸出的形状，所以装置大型化且在外观上不佳。
在专利文献4中公开有在由配置于眼前的反射镜构成接目光学系统的情况下的具有扩瞳功能的影像显示装置。具体而言，在该影像显示装置中，在凹面反射镜与眼睛之间配置有衍射光栅，通过将由凹面反射镜反射的光被分割为多个光束来发挥扩瞳功能。然而，在该结构中，由于在观察者的眼前配置有衍射光栅，所以穿透性受损。
专利文献1：日本特开2012-13908号公报
专利文献2：国际公开第2009/041055号
专利文献3：日本特开2011-70141号公报
专利文献4：日本特开平7-72422号公报
如上所述，在专利文献1-4的现有的图像显示装置中，存在难以进行高分辨率且较大尺寸的图像显示、因眼睛的移动、眼宽的变化而无法看见图像、图像显示装置大型化而在外观上不佳、穿透性受损等各种问题。
发明内容
本发明的一个方式是为了解决上述的课题而完成的，其目的之一在于提供一种不仅确保穿透性，而且能够不受眼睛的移动、眼宽的变化影响地视觉确认图像，能够以高品质显示较大尺寸的图像，小型且佩戴性、外观优异的图像显示装置。
为了实现上述的目的，本发明的一个方式的图像显示装置的特征在于具备：光源光学系统，其射出光；反射镜，其使从上述光源光学系统射出的光反射；光扫描设备，其对由上述反射镜反射的光进行扫描并形成图像光；扩瞳光学系统，其放大从上述光扫描设备射出的光的光束直径；修正光学系统，其供从上述扩瞳光学系统射出的光射入，并对上述图像光的形状以及像差进行修正；以及偏转光学系统，其使从上述修正光学系统射出的光偏转而将其引导至上述出瞳的位置，并使外界光的一部分透过。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，通过利用光扫描设备对从光源光学系统射出的光进行扫描从而生成图像光。由于设置有反射从光源光学系统射出的光的反射镜，所以光源光学系统与光扫描设备之间的光路被折回。由此，实现生成图像的光学系统的小型化，并且通过使图像显示装置的重心位于后侧(靠近观察者的耳朵的一侧)而使佩戴感优异。另外，由于扩瞳光学系统位于光扫描设备与修正光学系统之间的光路上，所以能够成为不位于观察者的眼前的结构。由此，不仅具有能够减少眼睛的移动、眼宽变动的影响的扩瞳功能，而且能够确保穿透性。
另外，通过扩瞳光学系统的作用使向偏转光学系统射入的光的直径变大。此时，即使优化偏转光学系统的设计，仅通过偏转光学系统也无法完全修正像差、失真，尤其有在图像的尺寸，即视角较大的情况下图像的品质降低的担忧。在这一点上，由于本发明的一个方式的图像显示装置具有修正图像光的形状以及像差的修正光学系统，所以修正例如由偏转光学系统引起的像差、失真，从而得到高品质的图像。由此，根据本发明的一个方式，能够提供一种不仅确保穿透性，而且能够不受眼睛的移动、眼宽的变化地视觉确认图像，能够以高品质显示较大尺寸的图像，小型且佩戴性、外观优异的图像显示装置。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述偏转光学系统由全息反射镜构成。
即使是以充分大的入射角射入的光，全息反射镜也能够将该光反射至正面侧，能够将反射的光引导至出瞳。因此，通过由全息反射镜构成偏转光学系统，能够将偏转光学系统以相对于出瞳的光轴近乎垂直的角度配置，能够使位于图像显示装置的眼前的部位变薄。其结果，能够实现外观优异的图像显示装置。
对于本发明的一个方式的图像显示装置而言，也可以构成为上述修正光学系统具备多个透镜，上述多个透镜中的至少一个透镜具有靠近上述出瞳一侧的厚度较厚而远离上述出瞳的一侧的厚度较薄的楔形状。
根据该结构，能够使修正光学系统的光轴向沿着观察者的头部的方向弯曲。其结果，也能够将图像显示装置整体的光学系统设为沿着头部的配置，从而能够实现外观、佩戴感优异的图像显示装置。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述扩瞳光学系统的截面形状是梯形，上述扩瞳光学系统以上述梯形的配置为相互平行的两边中的短边位于靠近上述出瞳的一侧而长边位于远离上述出瞳的一侧的朝向配置。
根据该结构，通过扩瞳光学系统能够使光学系统的光轴向沿着观察者的头部的方向弯曲。其结果，能够实现外观、佩戴感优异的图像显示装置。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述反射镜以使从上述光源光学系统射入并由上述反射镜反射的光的光路相对于向上述反射镜射入的光的光路位于远离上述出瞳的一侧的方式倾斜配置。
根据该结构，能够将光扫描设备配置于比光源光学系统更远离观察者的头部的位置。其结果，能够使图像显示装置的位于头上侧部的部分的厚度变薄，从而能够实现外观、佩戴感优异的图像显示装置。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述光源光学系统具备光源部、传播来自上述光源部的光的光纤、以及供从上述光纤射出的光射入的准直透镜。
根据该结构，能够将光扫描设备配置于比光源光学系统更远离观察者的头部的位置。其结果，能够使图像显示装置的位于头上侧部的部分的厚度变薄，从而能够实现外观、佩戴感优异的图像显示装置。
附图说明
图1是表示使用者佩戴了本发明的一个实施方式的图像显示装置的状态的图。
图2是图像显示装置整体的立体图。
图3是表示图像显示装置的结构的俯视图。
图4是表示图像显示装置的各部分的位置关系的俯视图。
具体实施方式
以下，使用图1～图4对本发明的一个实施方式进行说明。
本实施方式的图像显示装置是使用者佩戴在头上来使用的头戴式显示器的一个例子。
在以下的说明中，将头戴式显示器(Head Mounted Display)缩写为HMD。
图1是表示使用者佩戴了本实施方式的HMD的状态的图。
图2是本实施方式的HMD的立体图。
此外，在以下的全部的附图中，为了清晰观察各结构要素，有时根据结构要素改变尺寸的比例尺来表示。
如图1所示，本实施方式的HMD300是使用者以戴眼镜的感觉佩戴在头部来使用的装置。本实施方式的HMD300是穿透式(透过式)的HMD。根据本实施方式的HMD300，使用者能够视觉确认由图像显示部生成的图像，并且还能够视觉确认HMD300的外部的景色等外界的像。
如图2所示，HMD300具备：具有类似于眼镜的形状的显示装置100；以及具有使用者能够用手把持的程度的大小的控制装置(控制器)200。显示装置100与控制装置200以能够通过有线或者无线进行通信的方式连接。在本实施方式中，构成显示装置100的左眼用图像显示部110A以及右眼用图像显示部110B各自与控制装置200经由电缆150以能够通过有线进行通信的方式连接，从而对图像信号、控制信号进行通信。
显示装置100具备主框架120、子框架130、左眼用图像显示部110A、以及右眼用图像显示部110B。控制装置200具备显示部210、以及操作按钮部250。显示部210例如显示给使用者的各种信息、指示等。主框架120具备镜缘部121、以及用于供使用者挂在耳朵上的一对镜腿部122A、122B。子框架130是支承左眼用图像显示部110A以及右眼用图像显示部110B的部件。
图3是表示显示装置100的各部分的结构的俯视图。并且，在图3中，图示出从头上方观察佩戴显示装置100的使用者的状态。
右眼用图像显示部110B与左眼用图像显示部110A具有相同的结构，双方的图像显示部内的各结构要素配置为左右对称。因此，以下作为图像显示部110仅对右眼用图像显示部110B详细地进行说明，并省略左眼用图像显示部110A的说明。
如图3所示，图像显示部110具备图像生成部11、扩瞳光学系统12、修正光学系统13以及全息反射镜14。图像生成部11射出包含图像信息的光。扩瞳光学系统12放大从后述的光扫描设备17射出的光的光束直径。修正光学系统13供从扩瞳光学系统12射出的光射入，并对由图像生成部11生成的包含图像信息的光的像的形状以及像差进行修正。全息反射镜14使从修正光学系统13射出的光偏转而将其引导至出瞳G的位置，并使外界光的一部分透过。
本实施方式的全息反射镜14与权利要求书的偏转光学系统对应。
图像生成部11具备光源光学系统15、反射镜16以及光扫描设备17。光源光学系统15射出由内部的半导体激光器生成的光。反射镜16对从光源光学系统15射出的光进行反射，使光的光路折回。光扫描设备17对由反射镜16反射后的光进行扫描。
光源光学系统15具备光源部25、拾取透镜26、光纤27以及准直透镜28。光源部25具备包括例如射出红色光的半导体激光器、射出绿色光的半导体激光器、以及射出蓝色光的半导体激光器在内的多个固体光源(省略图示)。从各半导体激光器射出的各色光根据图像信号而被调制，调制后的各色光被合成，并作为图像光从光源部25射出。拾取透镜26将从光源部25射出的光传递至后段的光纤27。光纤27将从光源部25经由拾取透镜26射入的光引导至后段的光学系统。准直透镜28使从光纤27射入的光平行化。
从光源光学系统15射出的光通过由反射镜16反射而光路被折回，并被引导至光扫描设备17。在本实施方式的情况下，反射镜16以使由反射镜16反射的光的光路L2相对于向反射镜16射入的光的光路L1位于远离出瞳G的一侧的方式倾斜配置。换句话说，反射镜16以从反射面延伸的法线V向远离观察者的头部H的方向延伸的朝向倾斜配置。由此，从光源光学系统15到光扫描设备17的光路向从靠近观察者的头部H的位置向远离的方向折回。
光扫描设备17例如具备MEMS反射镜(省略图示)。光扫描设备17与光源光学系统15的调制动作配合来改变MEMS反射镜的姿势，并对光进行二维扫描。这样一来，光扫描设备17射出包含图像信息的光。
从光扫描设备17射出的光向扩瞳光学系统12射入。扩瞳光学系统12具备多个平行平板(省略图示)、以及多个半透半反镜(省略图示)。多个平行平板经由半透半反镜接合。扩瞳光学系统12以使一对端面相对于平行平板的厚度方向倾斜的方式被切割。上述一对端面分别成为光入射端面12a以及光射出端面12b。由此，扩瞳光学系统12的水平截面形状呈梯形。扩瞳光学系统12以梯形的相互平行的两边中的短边位于靠近出瞳G的一侧、长边位于远离出瞳G一侧的朝向配置。
在扩瞳光学系统12中，从光入射端面12a射入的光通过多个半透半反镜反复进行透过以及反射之后，从光射出端面12b射出。从光射出端面12b射出的光的宽度相对于射入至光入射端面12a的光的宽度来说被放大。另外，光朝向光入射端面12a射入的入射角度与光从光射出端面12b射出的射出角度一致。因此，例如相对于光入射端面12a垂直地射入的光从光射出端面12b垂直地射出，相对于光入射端面12a以规定的入射角度射入的光以与入射角度相等的射出角度从光射出端面12b射出。由此，当光透过扩瞳光学系统12时，光路向梯形的短边侧弯曲。
修正光学系统13设置于扩瞳光学系统12与全息反射镜14之间。修正光学系统13供从扩瞳光学系统12射出的光射入，并对因全息反射镜14而产生的像的像差、失真进行修正。修正光学系统13从光射入侧依次具备第一修正透镜21、第二修正透镜22以及第三修正透镜23。在本实施方式中，修正光学系统13虽然由第一修正透镜21、第二修正透镜22以及第三修正透镜23这3片透镜构成，但是对修正透镜的片数不做特殊限定。
构成修正光学系统的3片修正透镜中的、第一修正透镜21与第三修正透镜23具有靠近出瞳G(即观察者的头部H)的一侧的厚度较厚而远离出瞳G的一侧的厚度较薄的楔形状。在本实施方式中，虽然示出了2片修正透镜具有楔形状的例子，但是具有楔形状的修正透镜的片数不一定非要限定于2片，只要至少1片透镜具有楔形状即可。
全息反射镜14使从修正光学系统13射出的光朝向出瞳G进行反射从而生成图像，另一方面使外界光的一部分透过。全息反射镜14具有体积全息图，从而能够通过体积全息图图案的变更将光的入射角与反射角调整为任意的。因此，即使全息反射镜14大致平行地配置于观察者的脸的前面，也能够对从修正光学系统13以较大的入射角射入的光进行出瞳，即将其引导至观察者的瞳孔。另外，在修正光学系统13与全息反射镜14之间的光路上生成中间像。
图4是表示显示装置100的各部分的位置关系的俯视图。
如图4所示，假设通过全息反射镜14的中心C1的切面F。全息反射镜14配置为出瞳G的光轴AX1与垂直于切面F的轴AX2所成的角度θ1在5°以下。以该角度为前提，优化全息反射镜14与修正光学系统13的光学设计。例如若使用通常的半透半反镜作为偏转光学系统，则需要将偏转光学系统相对于光轴AX1倾斜45°。与此相对地，在本实施方式的情况下，由于全息反射镜14能够如此地配置为相对于出瞳G的光轴AX1接近垂直的角度，所以能够使位于观察者的眼前的图像显示部110轻薄化。
设定从出瞳G到全息反射镜14的中心C1的距离T1为30mm以上。因此，在佩戴了显示装置100的状态下，从观察者的瞳孔到全息反射镜14的中心C1的距离为30mm以上。根据该结构，确保用于使从修正光学系统13射出的直径较大的光倾斜射入至全息反射镜14的空间。由此，能够将广阔的视角范围的光引导至观察者的眼中，由此能够看到较大尺寸的图像。
修正光学系统13配置为出瞳G的光轴AX1与修正光学系统13的光轴AX3所成的角度θ2为55°以上。根据该结构，能够将修正光学系统13分离配置于全息反射镜14的斜后方。由此，观察者能够在戴有普通(视力矫正用)的眼镜的基础之上再佩戴显示装置100。
另外，修正光学系统13配置于与出瞳G的光轴AX1所成的角度θ3为50°的范围的外侧。这样一来，不在相对于出瞳G的光轴AX1处于50°以内的范围内配置包括修正光学系统13在内的其他光学系统。由此，能够充分地确保观察者的视野，得到良好的穿透性。
在本实施方式的HMD300中，由于在图像生成部11中设置有对从光源光学系统15射出的光进行反射的反射镜16，所以光源光学系统15与光扫描设备17之间的光路折回。由此，实现图像生成部11的小型化，进而实现显示装置100整体的小型化。
另外，全息反射镜14占据观察者的头部H的前侧，修正光学系统13、扩瞳光学系统12、光扫描设备17以及光源光学系统15占据靠近观察者的耳朵的侧头部侧。全息反射镜14能够充分地轻型化，与此相对，在其他光学部件的轻型化中存在极限。除了全息反射镜14之外的光学系统位于靠近观察者的耳朵的侧头部的位置，从而显示装置100的重心来到靠近耳朵的位置。因此，能够得到以下效果，即在观察者佩戴显示装置100的情况下，例如即使在晃动了头部时等显示装置100也容易被稳定地保持在头部。
扩瞳光学系统12由于位于光扫描设备17与修正光学系统13之间的光路上，所以构成为不位于观察者的眼前的结构。由此，不仅具有能够减少眼睛的移动、眼宽变动的影响的扩瞳功能，而且能够确保良好的穿透性。另外，通过扩瞳光学系统12的作用使向全息反射镜14射入的光的直径变大，但是即使优化全息反射镜14的光学设计也不能完全修正像差、失真，尤其是有在图像的尺寸较大、即视角较大的情况下图像的品质降低的担忧。在这一点上，由于本实施方式的HMD300具备修正光学系统13，所以对由全息反射镜14引起的像差、失真进行修正，从而得到高品质的图像。这样，根据本实施方式，能够提供一种不仅确保穿透性而且能够不受眼睛的移动、眼宽的变化影响地视觉确认图像，能够以较高品质来显示较大的尺寸的图像，小型且佩戴性、外观优异的HMD。
如上所述，在本实施方式的HMD300中，通过对扩瞳光学系统12的朝向、构成修正光学系统13的一部分的修正透镜的形状等进行改进，从而使光学系统整体的光路成为沿着观察者的脸的形态。另外，由于在修正光学系统13与全息反射镜14之间的光路上生成中间像，所以光在该光路上汇聚，从而减少光与头部H干扰的担忧。其结果，能够使显示装置100的外形沿着脸，能够使显示装置100的外观美观。
此外，本发明的技术范围不限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内增加各种变更。
例如在上述实施方式中，虽然使用全息反射镜作为偏转光学系统，但是不限定于全息反射镜，例如也可以使用菲涅耳透镜、棱镜等偏转光学系统。另外，图像显示装置的各部分的具体的结构不限定于上述实施方式，能够适当地进行变更。
符号说明：
12…扩瞳光学系统；13…修正光学系统；14…全息反射镜(偏转光学系统)；15…光源光学系统；16…反射镜；17…光扫描设备；25…光源部；27…光纤；28…准直透镜。

Claims (6)

1.一种图像显示装置，其特征在于，具备：
光源光学系统，其射出光；
反射镜，其使从所述光源光学系统射出的光反射；
光扫描设备，其对由所述反射镜反射的光进行扫描并形成图像光；
扩瞳光学系统，其放大从所述光扫描设备射出的光的光束直径；
修正光学系统，其供从所述扩瞳光学系统射出的光射入，并对所述图像光的形状以及像差进行修正；以及
偏转光学系统，其使从所述修正光学系统射出的光偏转而将其引导至所述出瞳的位置，并使外界光的一部分透过。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述偏转光学系统由全息反射镜构成。
3.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述修正光学系统具备多个透镜，
所述多个透镜中的至少一个透镜具有靠近所述出瞳的一侧的厚度较厚而远离所述出瞳的一侧的厚度较薄的楔形状。
4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述扩瞳光学系统的截面形状呈梯形，
所述扩瞳光学系统以所述梯形的配置为相互平行的两边中的短边位于靠近所述出瞳的一侧而长边位于远离所述出瞳的一侧的朝向配置。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述反射镜以使从所述光源光学系统射入并由所述反射镜反射的光的光路相对于向所述反射镜射入的光的光路位于远离所述出瞳的一侧的方式倾斜配置。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述光源光学系统具备光源部、传播来自所述光源部的光的光纤、以及供从所述光纤射出的光射入的准直透镜。
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