CN110703440A - 头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及头戴式显示器。该头戴式显示器确保视场角，并且使光学系统小型化。头戴式显示器(100)具有显示器件(11)、投射光学部件(12)、棱镜部件(13)。棱镜部件(13)具有供来自投射光学部件(12)的图像光(GL)入射的第1棱镜(13a)和配置在比第1棱镜(13a)靠出射光瞳侧的第2棱镜(13b)。第1棱镜(13a)具有入射面、第1反射面(13g)、第1接合面(13h)，第2棱镜(13b)具有经由半透过反射面(31)与第1接合面(13h)接合的第2接合面(13i)、第2反射面(13j)、会聚反射面(13k)，半透过反射面(31)使经由会聚反射面(13k)被第2反射面(13j)全反射后的图像光(GL)以透过第2反射面(13j)的方式进行反射。

Description

头戴式显示器
技术领域
本发明涉及通过佩戴在头部而能够进行虚像观察的头戴式显示器。
背景技术
在专利文献1中公开了如下的图像显示装置：该图像显示装置具有棱镜状的部件，该棱镜状的部件具有入射来自图像显示元件的光的入射面和反射从入射面入射的光的相互偏芯的2个曲面反射面，该图像显示装置使被两个曲面反射面反射后的光从一个曲面反射面射出。在其变形例中，组合一对棱镜且在边界配置半反射镜而进行光路的分割或合成(参照图4等)。
但是，在专利文献1的图像显示装置中，偏芯的光学面是基本要素，不容易形成抑制了像差的图像。
专利文献1：日本特开平11-337863号公报
发明内容
本发明的一个方式的头戴式显示器具有：显示元件；投射光学部件，其接受从显示元件射出的图像光并进行投射；以及棱镜部件，其入射从投射光学部件射出的图像光并向出射光瞳的位置射出，棱镜部件具有供来自投射光学部件的图像光入射的第1棱镜和配置在比第1棱镜靠出射光瞳侧的第2棱镜，第1棱镜具有供图像光入射的入射面、使从入射面入射的图像光进行全反射的第1反射面、与第2棱镜接合的第1接合面，第2棱镜具有经由半透过反射面与第1接合面接合的第2接合面、使经由第2接合面从第1棱镜入射的图像光进行全反射的第2反射面、使被第2反射面全反射后的图像光朝向第2反射面反射的会聚反射面，半透过反射面使经由会聚反射面被第2反射面全反射后的图像光以透过第2反射面的方式进行反射。
附图说明
图1A是说明第1实施方式的头戴式显示器的侧剖视图。
图1B是说明第1实施方式的头戴式显示器的主视图。
图2是说明实施例1的头戴式显示器的侧剖视图。
图3是说明第2实施方式的头戴式显示器的图。
标号说明
11：显示器件；12：投射光学部件；13：棱镜部件；13a：第1棱镜；13b：第2棱镜；13f：入射面；13g：第1反射面；13h：第1接合面；13i：第2接合面；13j：第2反射面；13k：会聚反射面；31、231：半透过反射面；232：波长板；80：框架；100：头戴式显示器；AX：光轴；EP：出射光瞳；EY：瞳孔；GL：图像光；II：中间像；OL：外界光。
具体实施方式
〔第1实施方式〕
下面，参照附图对本发明的第1实施方式的头戴式显示器进行说明。
在图1A和1B中，X、Y和Z是正交坐标系，X方向对应于佩戴了头戴式显示器100的观察者US的双眼排列的横向，Y方向相当于与观察者US的双眼排列的横向正交的上方向，Z方向相当于观察者US的前方向或正面方向。另外，Y方向相当于后述棱镜部件13延伸的方向，Z方向相当于棱镜部件13的厚度方向，X方向成为与这两个方向正交的方向。
图示的头戴式显示器100使观察者US识别作为虚像的影像。头戴式显示器100具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13。显示器件11和投射光学部件12收纳在框架80的壳体中，棱镜部件13以露出的状态被框架80支承。另外，在附图中仅示出右眼用的头戴式显示器100，但是，能够组合具有相同构造或左右反转的相同构造的左眼用的虚像显示装置，该情况下，能够成为整体具有例如眼镜或泳镜这样的外观的头戴式显示器100。能够省略右眼用或左眼用的虚像显示装置中的一方，该情况下，成为单眼型的头戴式显示器。
显示器件11例如是以有机EL、LED阵列、有机LED、量子点发光型无机EL等为代表的自发光型的显示元件，在二维的显示面11a中形成彩色的静态图像或动态图像。显示器件11被未图示的驱动控制电路驱动而进行显示动作。显示器件11不限于自发光型的显示元件，也可以由LCD等其他光调制元件构成，通过光源对该光调制元件进行照明，由此形成图像。
投射光学部件12是接受从显示器件11的显示面11a射出的图像光GL并进行投射的投影透镜。投射光学部件12包含多个球面或非球面的要素透镜(未图示)，这些要素透镜沿着与YZ面平行且在相对于上下方向倾斜的倾斜方向上延伸的光轴AX排列。投射光学部件12在后级的棱镜部件13中形成中间像II，该中间像II是对形成在显示器件11的显示面11a中的图像进行适当放大而得到的。通过在棱镜部件13中形成中间像II，从而容易使包含棱镜部件13等的光学系统的尺寸小型化。此外，通过以不涉及后述入射面13f的方式形成中间像II，能够避免入射面13f的表面的异物影响成像，能够防止形成像不均。进而，通过以不涉及后述第1接合面13h或半透过反射面31的方式在从第1接合面13h分开的位置形成中间像II，也能够避免异物、气泡影响成像，能够抑制形成像不均。中间像II的像面如后面详细叙述的那样弯曲。投射光学部件12不限于仅由透镜元件构成，能够包含使光路折曲的折曲反射镜、具有各种功能的滤光器等。
棱镜部件13配置在投射光学部件12的正下方。棱镜部件13入射从投射光学部件12射出的图像光GL并向出射光瞳EP的位置射出。棱镜部件13具有供来自投射光学部件12的图像光GL入射的第1棱镜13a、以及整体配置在比第1棱镜13a靠出射光瞳EP侧或瞳孔EY侧的第2棱镜13b。第1棱镜13a和第2棱镜13b均是在X轴方向上延伸的三角棱镜。
第1棱镜13a具有供图像光GL入射的入射面13f、使从入射面13f入射的图像光GL进行全反射的第1反射面13g、经由半透过反射面31与第2棱镜13b接合的第1接合面13h。这里，入射面13f在与光轴AX正交的方向上延伸。入射面13f在图示的例子中是平面，但是，也能够具有光焦度。入射面13f向+Y方向与+Z方向的中间方向倾斜。另一方面，第1反射面13g是沿着铅垂的XY面没有倾斜地延伸的平面。第1反射面13g针对沿着光路入射的相对较大的入射角的图像光GL使用内表面的全反射，由此作为高反射率的反射镜即全反射面发挥功能。第1接合面13h是相对于光轴AX倾斜的平面，是相对于Y方向和Z方向也倾斜的平面。在第1接合面13h中沿着其表面形成有半透过反射面31。
第2棱镜13b具有经由半透过反射面31与第1棱镜13a的第1接合面13h接合的第2接合面13i、与第1棱镜13a的第1反射面13g相对地平行配置的第2反射面13j、与第2反射面13j相邻地配置在下部的会聚反射面13k。第2接合面13i与第1接合面13h对应地成为平面。第2反射面13j使来自第2接合面13i的图像光GL朝向会聚反射面13k全反射，并使来自会聚反射面13k的图像光GL朝向第2接合面13i全反射。第2反射面13j针对沿着光路从第1棱镜13a最初入射的入射角相对较大的图像光GL和从会聚反射面13k逆行入射的入射角相对较大的图像光GL使用内表面的全反射，由此作为高反射率的反射镜即全反射面发挥功能，但是，第2反射面13j针对沿着光路从前方的第2接合面13i侧或半透过反射面31侧入射的入射角相对较小的图像光GL，作为使图像光GL透过的通过面或折射面发挥功能。即，第2反射面13j使在会聚反射面13k、第2反射面13j和半透过反射面31依次反射而整体向-Z方向行进的图像光GL通过。由于第1反射面13g和第2反射面13j平行，因此，如果忽略半透过反射面31，则棱镜部件13具有作为平行平板发挥功能的部分。
被第1接合面13h和第2接合面13i夹着的半透过反射面31使从第1棱镜13a向第2棱镜13b入射的图像光GL的一部分通过。此外，半透过反射面31对如下的图像光GL的一部分进行反射并使其穿过第2反射面13j而向出射光瞳EP的位置射出，该图像光GL是通过该半透过反射面31后被第2反射面13j全反射，并经由后述的会聚反射面13k逆行而被第2反射面13j再次全反射而返回来的图像光。
如上所述，半透过反射面31具有向第2反射面13j的法线方向即-Z方向送出从会聚反射面13k返回来的图像光GL的作用。半透过反射面31的法线相对于与上下方向或铅垂方向相当的Y轴呈45°以上、更加优选为大于45°的角度θ。即，半透过反射面31的法线相对于Y轴呈45°以上、更加优选为大于45°的角度θ，具体而言，呈60°左右的角度。另一方面，半透过反射面31相对于第1棱镜13a的第1反射面13g呈45°以下、更加优选为小于45°的角度φ，由此，不会使通过半透过反射面31的图像光GL直接入射到会聚反射面13k，而是经由作为全反射面发挥功能的第2反射面13j入射到会聚反射面13k。同样，不会使被会聚反射面13k反射后的图像光GL直接入射到半透过反射面31，而是经由作为全反射面发挥功能的第2反射面13j入射到半透过反射面31。这样，通过设置反射面13g、13j并使半透过反射面31的法线以相对于铅垂方向大于45°的方式倾斜、即，使半透过反射面31相对于第1反射面13g呈小于45°的角度，由此，尽管在出射光瞳EP侧或瞳孔EY的前方的与沿Z方向延伸的光轴AX交叉的方向上引导图像光GL并通过非偏芯型的会聚反射面13k进行准直，也能够降低棱镜部件13的Z方向的厚度。
第1棱镜13a的第1反射面13g和第2棱镜13b的第2反射面13j相互平行，半透过反射面31具有半透过性。由此，外界光OL通过平行平板状的棱镜部件13，因此，能够进行外界的透视观察。关于半透过反射面31的针对图像光GL、外界光OL的反射率，在确保图像光GL的亮度、容易基于透视对外界光进行观察的观点中，在假设的图像光GL的入射角范围内设为10％～50％左右。特别是在设半透过反射面31的透过率为50％左右的情况下，能够使半透过反射面31的反射率和半透过反射面31的透过率大致相等。该情况下，能够使光利用效率最大。
会聚反射面13k是内表面反射型的反射镜。会聚反射面13k是非偏芯型的反射面，整体为球面状。具体而言，会聚反射面13k能够形成为具有光焦度的球面、非球面等，会聚反射面13k的对称轴沿着光轴AX方向延伸，在+Y方向与-Z方向的中间方向上倾斜。会聚反射面13k不限于球面等，也可以形成为自由曲面等其他非轴对称面。
如上所述，会聚反射面13k具有球面或近似球面的形状。会聚反射面13k的曲率半径(包含近似的曲率半径的情况)Rm成为从会聚反射面13k到中间像II的物理距离Di的2倍即2×Di。在利用其空气换算值Rm/n考虑曲率半径Rm的情况下，从会聚反射面13k到中间像II的空气换算长度为Da＝Di/n，Rm/n＝Da×2成立。这里，n是第2棱镜13b等的折射率。由此，能够对来自中间像II的图像光GL进行准直，能够使与远方的虚像对应的图像光GL入射到出射光瞳EP侧或瞳孔EY。此时，优选为，关于会聚反射面13k而配置在与光圈对应的位置的出射光瞳EP在考虑实质的主光线的情况下配置在从会聚反射面13k分开曲率半径的空气换算值Rm/n左右的光学距离的位置。即，在容易抑制像差并得到性能的观点中，优选从出射光瞳EP到会聚反射面13k的空气换算长度L形成为L≈Rm/n。由此，从会聚反射面13k大致垂直射出的图像光GL入射到出射光瞳EP，因此，能够将慧差、像散等降低到大致零。这里，具体而言，空气换算长度L相对于上述空气换算值Rm/n设为15％以下的误差。在会聚反射面13k为球面的情况下，会聚反射面13k的曲率半径Rm成为该球面的曲率半径，在会聚反射面13k为非球面或自由曲面的情况下，会聚反射面13k的曲率半径Rm成为使球面与其拟合的情况下的近似的曲率半径。此外，使形成在棱镜部件13中的中间像II在会聚反射面13k侧凸出，并且，使中间像II整体呈近似球面的形状，具有会聚反射面13k的曲率半径Rm的一半即(1/2)×Rm左右的近似的曲率半径，由此，能够进一步降低像差。
根据以上说明的头戴式显示器100，第1棱镜13a具有使来自入射面13f的图像光GL进行全反射的第1反射面13g，第2棱镜13b具有使从第1棱镜13a入射的图像光GL进行全反射的第2反射面13j、使被第2反射面13j全反射后的图像光朝向第2反射面13j反射的会聚反射面13k，通过第1棱镜13a和第2棱镜13b之间的半透过反射面31后的图像光GL通过会聚反射面13k返回到半透过反射面31，返回到半透过反射面31的图像光GL以透过第2反射面13j的方式通过半透过反射面31进行反射，因此，能够增大半透过反射面31的倾斜角而减薄棱镜部件13的厚度。由此，能够使头戴式显示器100的显示的视场角与以往相同或更宽，并且能够使光学系统小型化。另外，从会聚反射面13k到出射光瞳EP的光学距离或光路长度、即会聚反射面13k相对于出射光瞳EP的空气换算长度下的位置根据头戴式显示器100的视场角而变化。这里，从会聚反射面13k到出射光瞳EP的光学距离是在考虑折射率的情况下对从出射光瞳EP到棱镜部件13的距离即出瞳距离(Eye Relief)、棱镜部件13的厚度等进行相加而得到的。头戴式显示器100的视场角例如设定为45°。例如调整棱镜部件13的厚度，以使得能够实现与这种视场角对应的从会聚反射面13k到出射光瞳EP的光学距离。
图2是说明具体的实施例1的头戴式显示器100A的光学结构的剖视图。该头戴式显示器100A具有与图1A所示的头戴式显示器100相同的基本构造，具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13。在图2的头戴式显示器100A的情况下，投射光学部件12包含第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j。这些第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j由球面或非球面构成。
〔第2实施方式〕
下面，对本发明的第2实施方式的头戴式显示器进行说明。另外，第2实施方式的头戴式显示器是对第1实施方式的头戴式显示器的一部分进行变更而得到的，省略相同部分的说明。
如图3所示，第2实施方式的头戴式显示器100具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13。在棱镜部件13中，半透过反射面231是偏振分离膜，例如使P偏振光透过并对S偏振光进行反射。在会聚反射面13k的内侧配置有波长板232。具体而言，波长板232是1/4波长板。该情况下，从显示器件11射出的图像光GL例如仅为P偏振光。显示器件11也可以自身产生偏振光，但是，还能够从由显示器件11形成的图像光中选择规定方向的偏振光进行使用。来自显示器件11的图像光GL入射到棱镜部件13，被第1反射面13g反射而形成中间像II后，几乎没有损耗地通过半透过反射面231。通过半透过反射面231后的P偏振光的图像光GL被第2反射面13j反射，通过波长板232，被会聚反射面13k向相反方向反射，经由第2反射面13j再次向半透过反射面231入射。再次向半透过反射面231入射的图像光GL通过波长板232使偏振方向旋转90°而成为S偏振光。由此，图像光GL几乎没有损耗地被半透过反射面231反射，从而使明亮的图像光GL向出射光瞳EP入射。
〔变形例及其他〕
以上，按照实施方式说明了本发明，但是，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种方式进行实施，例如还能够进行如下变形。
在上述实施方式的头戴式显示器100中，作为显示器件11，使用有机EL元件等自发光型的显示元件，但是，取而代之，还能够嵌入使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描仪而成的激光扫描仪的显示元件。
第1棱镜13a还能够形成为在第1反射面13g涂布有金属等的反射镜。该情况下，成为不观察外界光OL或外界像的类型的头戴式显示器。
第1棱镜13a的第1反射面13g和第2棱镜13b的第2反射面13j还能够是形成有硬涂层或防反射膜的反射面。
在第2实施方式中，波长板232不限于图示的位置，能够配置在从半透过反射面231到会聚反射面13k的之间的位置，例如也能够与半透过反射面231相邻地组装在会聚反射面13k侧。
将显示器件11、投射光学部件12和棱镜部件13设为一组的单眼光学系统也能够成为从图示的状态起绕与Z轴平行的光轴例如旋转90°后的配置。
以上，以头戴式显示器100佩戴在头部进行使用为前提，但是，上述头戴式显示器100还能够用作不佩戴在头部而如双筒望远镜那样进行窥视的手持型显示器。

Claims (9)

1.一种头戴式显示器，其具有：
显示元件；
投射光学部件，其入射从所述显示元件射出的图像光并对其进行投射；以及
棱镜部件，其入射从所述投射光学部件射出的图像光并向出射光瞳的位置射出，
所述棱镜部件具有第1棱镜和第2棱镜，该第1棱镜供来自所述投射光学部件的图像光入射，
所述第1棱镜具有供图像光入射的入射面、使从所述入射面入射的图像光进行全反射的第1反射面、与第2棱镜接合的第1接合面，
所述第2棱镜具有经由半透过反射面与所述第1接合面接合的第2接合面、使经由所述第2接合面从所述第1棱镜入射的图像光进行全反射的第2反射面、使被所述第2反射面全反射后的图像光朝向所述第2反射面反射的会聚反射面，
所述半透过反射面使经由所述会聚反射面被所述第2反射面全反射后的图像光以透过所述第2反射面的方式进行反射。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，
所述第2反射面与所述第1反射面相对地平行配置。
3.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器，其中，
所述投射光学部件在所述棱镜部件中形成中间像。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其中，
所述中间像形成在从所述第1接合面分开的位置。
5.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其中，
所述会聚反射面的曲率半径为从所述会聚反射面到所述中间像的光学距离的大致2倍。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示器，其中，
从所述会聚反射面到所述出射光瞳的光学距离与所述会聚反射面的曲率半径大致相等。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，
所述半透过反射面的反射率和所述半透过反射面的透过率大致相等。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，
所述第1棱镜的所述第1反射面与处于所述第1棱镜和所述第2棱镜之间的所述半透过反射面所成的角度小于45°。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，
所述半透过反射面由偏振分离膜形成，
在从所述半透过反射面到所述会聚反射面的之间配置有波长板。
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