CN111247474B - 图像投影系统 - Google Patents

Abstract

根据本公开的图像投影系统包括用于投影视频的投影光学系统和与该投影光学系统分开的目镜光学系统，该目镜光学系统安装在观察者的头部，并且包括至少一个全息元件，以将投影光从投影光学系统引入到观察者的眼睛。全息元件使一阶衍射光朝向观察者的瞳孔偏转，同时对该一阶衍射光具有正焦距。投影光以大于或等于以下表达式表示的θ的角度入射到目镜光学系统上：θ＝arctan((3.5+M)/f)，其中，在对视频的观察期间，f[mm]表示在目镜光学系统中用于投影光的焦距，而M[mm]表示全息元件中的一阶衍射光沿着相对于观察者的瞳孔的垂直方向的最大有效半径。

Description

图像投影系统

技术领域

本公开涉及一种图像投影系统，该图像投影系统借助于目镜光学系统将来自投影光学系统的投影光引导至观看者的瞳孔。

背景技术

存在将安装在观看者的头部上的头戴式显示器(HMD：Head Mount Display)。还已经开发了允许在以透视(see-through)方式将图像叠加在外部世界的场景上的同时进行观看的HMD。

引用列表

专利文献

PTL 1：日本未经审查的专利申请公开No.2006-98820

PTL 2：日本专利No.5237267

发明内容

在如上所述的允许以透视方式进行观看的HMD的情况下，来自外部世界的不想要的光会导致图像质量下降。

期望提供一种图像投影系统，该图像投影系统使得可以减少不想要的光并提高图像质量。

根据本公开的一个实施例的图像投影系统包括投影光学系统和目镜光学系统。投影光学系统投影图像。目镜光学系统与投影光学系统分开配置，并且要被安装在观看者的头部上。目镜光学系统包括至少一个全息元件。目镜光学系统将来自投影光学系统的投影光引导至观看者的瞳孔。全息元件使一阶衍射光朝向观看者的瞳孔偏转，并且对于一阶衍射光具有正焦距。在对图像的观看时，投影光以等于或大于以下表达式表示的θ的角度进入目镜光学系统，

θ＝arctan((3.5+M)/f)

其中目镜光学系统对于投影光的焦距为“f”[mm]，并且对于全息元件的一阶衍射光相对于观看者的瞳孔在上下方向上的最大有效半径为“M”[mm]。

在根据本公开的实施例的图像投影系统中，投影光以适当的角度进入目镜光学系统。

根据根据本公开的实施例的图像投影系统，投影光学系统的配置和目镜光学系统的配置被优化以使得投影光以适当的角度进入目镜光学系统。因此，可以减少不想要的光并改善图像质量。

要注意的是，这里描述的效果不必是限制性的，并且本公开中描述的任何效果都可能被提供。

附图说明

图1是图示根据比较示例的图像投影系统的概要的配置图。

图2是图示根据本公开的第一实施例的图像投影系统的概要的配置图。

图3是图示反射型的体积型HOE元件的衍射效率的角度依赖性的特性图。

图4是图示根据第一实施例的图像投影系统的目镜光学系统中的HOE元件的光学布置以及对目镜光学系统中的入射光束的作用的示例的说明图。

图5是图示根据第一实施例的图像投影系统的目镜光学系统中的相对于瞳孔的零阶衍射光和一阶衍射光的关系的说明图。

图6是图示根据第二实施例的图像投影系统中的HOE元件的衍射效率的波长依赖性的特性图。

图7是图示根据第三实施例的图像投影系统的概要的配置图。

图8是图示根据第四实施例的图像投影系统的概要的配置图。

图9是图示根据第四实施例的图像投影系统中的目镜光学系统的示例的配置图。

具体实施方式

在下文中，参考附图详细描述了本公开的一些实施例。要注意的是，按以下顺序给出描述。

0.图像投影系统的概述和问题

1.第一实施例(图1至图5)

1.1概述

1.2具体示例

1.3效果

2.第二实施例(图6)

2.1概述

2.2具体示例

3.第三实施例(图7)

3.1概述

3.2具体示例

4.第四实施例(图8和图9)

4.1概述

4.2具体示例

5.其它实施例

<0.图像投影系统的概述和问题>

本公开涉及允许在以透视方式将图像叠加在外部世界的场景上的同时进行观看的HMD。

作为HMD的配置，经常提出一种具有内置在头戴单元中的图像显示面板和光学系统的类型。该光学系统旨在将图像引导至视网膜。这种类型的HMD中的许多被配置为通过头戴单元中的光学系统将图像引导至观看者的视网膜，并且具有这样的配置，即其中旨在观看虚拟图像的图像投影单元和目镜光学单元被一体地布置在瞳孔前面。这种类型的HMD具有图像面板、各种类型的光学元件以及旨在将它们容纳在头戴单元中的机构单元。因此，存在HMD整体的重量变重的缺点，这在长时间穿戴HMD时导致疲劳。

为了解决上述缺点，例如，PTL 1(日本未经审查的专利申请公开No.2006-98820)提出了一种视网膜绘图(drawing)型显示器，该显示器是分离光学系统，其中投影光学系统和目镜光学系统是分离的。投影光学系统和目镜光学系统的分离允许显著减小要安装在观看者头部的单元的尺寸和重量。全息光学元件(HOE元件：Holographic Optical Element)被用于具有分离光学系统配置的此类HMD中的许多HMD。在从HOE元件输出的光分量中，存在被衍射偏转的入射光的光分量和直行以被透射的入射光的零阶光分量。当进入HOE元件的光的角度较小时，零阶光分量直行被透射并进入眼球，从而成为不想要的噪声光。这导致图像质量显著下降。

另外，PTL 2(日本专利No.5237267)提出了一种光学系统的配置，该光学系统具有分离的投影光学系统和目镜光学系统，并且允许观看者佩戴具有表面的隐形眼镜，HOE元件在该表面上形成为目镜光学系统。在这种配置中，虽然来自外部的投影光被HOE元件偏转并被引导至视网膜，但是在HOE元件的衍射光中存在直行而不偏转的零阶光分量。因为隐形眼镜紧贴在观看者的眼球上，所以在HOE元件中直行的零阶光分量肯定会进入眼球并到达视网膜。因此，存在零阶光分量变成不想要的噪声光从而降低图像质量的缺点。

综上所述，期望开发一种通过减少除投影光之外的外部光进入瞳孔来提高图像质量的技术。除了投影光以外的外部光包括进入目镜光学系统的零阶光。

<1.第一实施例>

[1.1概述]

根据本公开的第一实施例的图像投影系统具有以下特性(1)至(3)。

(特性(1))

(1)根据本公开的第一实施例的图像投影系统包括投影光学系统和目镜光学系统。投影光学系统投影图像。目镜光学系统与投影光学系统分开配置并且要安装在观看者的头部上。目镜光学系统包括至少一个全息元件。目镜光学系统将来自投影光学系统的投影光引导至观看者的瞳孔。全息元件使一阶衍射光朝向观看者的瞳孔(视网膜)偏转，并且对于一阶衍射光具有正焦距。在对图像的观看时，投影光以等于或大于以下表达式表示的θ的角度进入目镜光学系统，

θ＝arctan((3.5+M)/f)

其中目镜光学系统对于投影光的焦距为“f”[mm]，并且对于全息元件的一阶衍射光相对于观看者的瞳孔在上下方向上的最大有效半径为“M”[mm]。

在根据本实施例的图像投影系统中，投影光学系统和目镜光学系统彼此分离。根据本实施例的图像投影系统包括例如与光源集成的投影光学系统和安装在头部上的目镜光学系统。目镜光学系统是用于观看者观看由投影光学系统投影的投影图像的光学系统，并且包括HOE元件。HOE元件使来自投影光学系统的方向的投影光偏转，并将投影光引导至观看者的瞳孔。在根据本实施例的图像投影系统中，使投影光学系统的投影光从偏离瞳孔的前方的特定倾斜方向进入目镜光学系统，并且HOE元件在特定角度处具有最大的衍射效率。因此，可以以透视的方式观看前面的场景而不会被投影光学系统阻挡。通过使投影光学系统的投影光以偏离瞳孔的前方倾斜的方向进入目镜光学系统，可以防止零阶光的进入在目镜光学系统的HOE元件中直行、穿过瞳孔并进入眼球。

(特性(2))

(2)在根据本实施例的图像投影系统中，HOE元件可以是体积型HOE元件。

HOE元件大致分为体积型和表面起伏型。体积型比表面起伏型对一阶衍射光具有更高的衍射效率，并且具有几乎不产生不想要的阶次的光的特性。对于一阶衍射光以外的例如零阶光的图像，不想要的阶次的光成为噪声光。换言之，有可能指出体积型具有高衍射效率，并且因此能够高效地将投影光传递到视网膜。体积型比表面起伏型具有更好的波长选择性和角度选择性，并且具有仅在特定的窄波长范围或特定的窄角度范围内选择性地透射和衍射或反射和衍射光的特性。因为这允许仅某个波长的选择性透射，因此有可能使得体积型具有透视特性，该透视特性选择性地仅衍射投影光，并且通过引起与光源的波长区域匹配来透射诸如外部光之类的不同于投影光的波长的光。作为用于具有透视应用的HMD的光学元件，具有这种特性的体积型HOE元件是合适的。

(特性(3))

(3)在根据本实施例的图像投影系统中，期望HOE元件对于从目镜光学系统的下方进入的光的角度具有最大的衍射效率，并且投影光学系统在对图像进行观看时被布置在观看者的瞳孔下方(在目镜光学系统下方)。

这防止了噪声光由于由目镜光学系统对来自上方的除投影光以外的外部光的聚光而进入瞳孔。例如，来自上方的外部光包括户外阳光和来自天花板的室内照明光。如果HOE元件被设计为选择性地衍射来自向下方向的具有角度的光，则来自上方的外部光将被透射而不会被HOE元件会聚。因此，几乎不发生由于噪声光而引起的图像质量的下降。

[1.2具体示例]

图1图示了根据比较例的图像投影系统100的示意性配置。图2图示了根据本实施例的图像投影系统1的示意性配置。应当注意的是，图1和图2分别图示了在有太阳6存在的户外使用图像投影系统100和1的示例。

根据本实施例的图像投影系统1包括彼此分离的投影光学系统2和目镜光学系统3。投影光学系统2和目镜光学系统3被配置为具有上述特性(1)至(3)。

虽然根据比较例的图像投影系统100还包括投影光学系统2和目镜光学系统3，但是布置投影光学系统2的位置与根据本实施例的图像投影系统1的位置不同。因此，图像投影系统100表示不满足与θ等的上述条件相关的上述特性(1)的配置例。在根据比较例的图像投影系统100中，目镜光学系统3是包括具有正折光力的玻璃材料或塑料材料的折射型透镜，并且对除了投影光之外的阳光具有会聚作用。因此，阳光在瞳孔5附近会聚，并取决于阳光的角度变成进入眼球并到达视网膜的噪声光。这会降低图像质量。

在根据本实施例的图像投影系统1中，例如，如图4所示，目镜光学系统3包括单个光学组件，其中反射型和体积型的HOE元件31与平板形玻璃基板32集成。HOE元件31粘附至平板形玻璃基板32的一侧。在下文中，HOE元件31上的光学表面和玻璃基板32上的光学表面分别被称为目镜光学系统3的HOE元件侧3A和玻璃侧3B。由于体积型的HOE元件31的角度选择性，因此HOE元件31仅衍射来自特定角度的光并且反射来自偏离该角度的方向的光而不衍射该光。

图3图示了反射型和体积型的HOE元件31的衍射效率的角度依赖性。这里，波长λ为542nm，并且材料的折射率差“dn”为0.02。衍射效率达到峰值处的入射角为35°。通过使用当HOE元件31暴露于光时汇聚或发散为目标光的球面波，制造出HOE元件31，该HOE元件31在再现期间具有将光会聚到曝光期间的球面波的球心的效果。换言之，制造了具有光功率的HOE元件31。

图4图示了在目镜光学系统3中HOE元件31的光学布置以及在目镜光学系统3中对进入光束的作用的示例。在目镜光学系统3中，HOE元件31被布置为面对图像的进入侧，并且玻璃基板32被布置为面对图像的输出侧。HOE元件31对与进入侧成某个角度的光没有衍射效率。因此，进入的光首先穿过HOE元件31而没有被衍射。已穿过HOE元件31的光在玻璃侧3B上被反射。已在玻璃侧3B上反射的光再次以衍射效率达到峰值处的角度进入HOE元件31。那时，由于衍射透镜作用，光会聚在焦点位置处。以这种方式，在目镜光学系统3中，即使HOE元件31是反射型的HOE元件，也可以使HOE元件31用作透射型的HOE元件。此外，由于HOE元件31是具有透镜作用的HOE元件，因此有可能使投影光从观看者4的前方以外的角度进入。这允许对观看者4前面的外部世界进行观看。HOE元件31是适用于HMD的光学元件，其允许以透视方式同时观看投影光和外部世界。虽然在本实施例中使用了反射型的HOE元件31，但是也可以使用透射型的HOE元件。

图5图示了图像投影系统1的目镜光学系统3中相对于瞳孔5的零阶衍射光和一阶衍射光之间的关系。基于主光束考虑零阶衍射光和一级衍射光的光束。在图像投影系统1中，投影光从目镜光学系统3的下方进入。这里，投影光进入的角度θ由以下表达式表示。“f”是对于目镜光学系统3的一阶衍射光的焦距。更具体而言，“f”表示目镜光学系统3中的HOE元件31和除HOE元件31以外的光学元件的合成焦距。特别地，在目镜光学系统3中除了HOE元件31之外没有具有功率的光学元件的情况下，“f”是HOE元件31对于一阶衍射光的焦距。“M”是投影图像在平行于进入平面的方向上的尺寸(半径)。相对于HOE元件31中的投影光，“M”对应于观看者4的瞳孔5在上下方向上的最大有效半径。“M”对应于在平面的相交线上离光线束的光轴(其包括HOE元件31的衍射之前的光轴和一阶衍射之后的光轴)以及HOE元件31的表面最远的距离。这里，瞳孔直径的最大值为7[mm]。在这种情况下，瞳孔半径是3.5[mm]，其为瞳孔直径的一半。根据在零阶衍射光到达瞳孔5的端部的状态下的瞳孔5和HOE元件31的位置关系，如以下表达式(1)导出关于旨在防止零级衍射光进入到瞳孔5的投影光的角度θ的条件表达式。

θ＝arctan((3.5+M)/f)......(1)

在本实施例中，f＝20[mm]，并且M＝9[mm]。根据上述表达式(1)，如果投影光以等于或大于θ＝32°的角度进入目镜光学系统3，则原样直行的零阶光不会进入瞳孔5。如果使投影光以HOE元件31的衍射效率达到峰值处的35°的入射角进入，那么零阶衍射光的一端(这里为下端)到达瞳孔5的上端的上侧。因此，没有不想要的光进入瞳孔5，并且仅必要的投影光(主要是一阶衍射光)到达视网膜，这提高了图像质量。

在将目镜光学系统3的观看者4侧的输出光学表面与观看者4的瞳孔5进行耦合的光轴为“Z1”的情况下，进入HOE元件31的光的角度等于光轴Z1和投影光的进入光束的角度θ。在进入HOE元件31的光的入射角等于或小于θ<32°的情况下，没有衍射透镜的作用的零阶衍射光的一部分进入瞳孔5，从而变为图像不想要的噪声光。这导致图像质量下降。

在根据本实施例的图像投影系统1中，投影光学系统2布置在观看者4的前侧和下方(目镜光学系统3的下方)。在这种情况下，当从观看者4观看时，来自投影光学系统2的投影光从倾斜向下的方向进入。因此，在满足θ的上述条件的情况下，零阶衍射光不会进入观看者4的瞳孔5。作为对照，由HOE元件31衍射的投影光(主要是一阶衍射光)进入观看者4的瞳孔5。这允许没有噪声光地对清晰图像进行观看。与图像无关的外部光不会变为不想要的噪声光并降低图像质量。

如果体积型的HOE元件31被设计和制造为仅透射和衍射来自向下方向角度的光，并且还具有对于衍射光的正焦距，那么没有来自上方的外部光(诸如阳光)被会聚。

[1.3效果]

如上所述，根据本实施例，投影光学系统2的配置和目镜光学系统3的配置被优化为使得投影光以适当的角度进入目镜光学系统3。这使得有可能减少不想要的光并改善图像质量。根据本实施例，在具有其中投影光学系统2和目镜光学系统3分离的配置的头戴式显示设备中，防止这样的光到达视网膜，即不防止就会进入视网膜并引起噪声光的光。这使得有可能观看更高质量的图像。

要注意的是，本文描述的效果仅仅是说明性的而非限制性的，并且可以提供其它效果。这类似地适用于下面的其它实施例的效果。

<2.第二实施例>

接下来，给出根据本公开的第二实施例的图像投影系统的描述。注意的是，在下文中，与上述第一实施例的图像投影系统的组件大致相同的部分由相同的附图标记表示，并且在适当的情况下省略其描述。

[2.1概述]

根据本公开的第二实施例的图像投影系统除了具有根据上述第一实施例的图像投影系统的特性之外，还具有以下特性(4)。

(特性(4))

(4)在根据本公开的第二实施例的图像投影系统中，投影光学系统包括光源，并且HOE元件对于至少一个波长区域具有衍射效率的峰值，并且光源的波长区域被包括在其中HOE元件具有衍射效率的峰值的波长区域中。

在本实施例中，利用了HOE元件的波长选择性。特别地，在使光源的波长区域与HOE元件的衍射效率高的波长区域匹配的情况下，有可能选择性地且高效地仅将投影光学系统的投影光引导到瞳孔。因为诸如阳光之类的外部光的光谱通常跨越宽的范围，因此有可能使除了投影光学系统的光源波长中的光以外的、成为噪声光的光被透射而不被衍射，同时实现高的透视属性。存在反射型的体积型HOE元件和透射型的体积型HOE元件，并且可以使用它们中的任一个。特别地，反射型的体积型HOE元件的特征在于波长选择性高于透射型的体积型HOE元件的波长选择性。即，与衍射效率相关的波长宽度窄，因此具有透视属性或与光源波长的匹配允许光的高效利用的优点。在目镜光学系统中进行多于一次反射允许反射型的HOE元件甚至用作透射型的光学元件，从而使得有可能在光源与目镜光学系统分离的HMD中使用反射型HOE元件。

[2.2具体示例]

根据本实施例的图像投影系统的基本配置可以与根据上述第一实施例的图像投影系统1的配置大致类似。但是，在根据本实施例的图像投影系统中，光源21和HOE元件31如下所述配置，以便观看彩色图像。

图6图示了根据本实施例的图像投影系统中的HOE元件31的衍射效率的波长依赖性。

在根据本实施例的图像投影系统中，LD(激光二极管)用于光源21。也可以使用发光二极管(LED)代替LD。蓝色(B)、绿色(G)和红色(R)的光源21被用于观看彩色图像。

反射型的体积型HOE元件被用于HOE元件31。如图6所示，HOE元件31的蓝色、绿色和红色的衍射效率的峰值波长分别为445nm、525nm和640nm。使光源21的发光峰值波长为接近HOE元件31的衍射效率的峰值的波长使得有可能高效地将投影光传递到视网膜。

这里，考虑根据本实施例的图像投影系统的户外使用。户外阳光对于图像是不想要的噪声光。如果将HOE元件31的角度属性设置为仅衍射来自向下方向的光，那么来自上方的阳光简单地直行而不会会聚。即，对于阳光，HOE元件31与没有功率的玻璃相同，并且未被会聚到瞳孔5而变为噪声光。此外，同样在阳光在水表面等处反射并从一阶光衍射角下方进入的情况下，如果利用HOE元件31的波长选择性，则仅波长范围内的光到达观看者4的瞳孔5。因此，光的量变为小得多。

在下文中，图示了具体的数值示例。针对进入的阳光使用了AM1.5(ASTM G173-03Reference Spectra Derived from SMARTS v.2.9.2)的标准光谱。在穿过HOE元件31之后进入瞳孔5的一阶衍射光的光量I_out由以下表达式(A)表示，其中阳光的光谱为Si(λ)[W*m-2*nm-1]，而HOE元件31的效率为E(λ)。此外，在进入HOE元件31之前的阳光的光量I_in可以在表达式(A)中以E(λ)＝1来计算，并由以下表达式(B)表示。

[数学公式.1]

HOE元件31被配置为使得用于蓝色、绿色和红色三种颜色的各个波长的体积型HOE元件被粘附在一起以允许对彩色图像的观看。此外，为了简单起见，将旨在将HOE元件31保持在目镜光学系统3中的玻璃基板32的表面反射和内部透射率分别设置为0和1。

蓝色HOE元件具有445nm的中心波长λc、20nm的波长的半高全宽FWHM，以及70％的透射率的最大值。绿色HOE元件具有525nm的中心波长λc、20nm的波长的半高全宽FWHM，以及70％的透射率的最大值。红色HOE元件具有640nm的中心波长λc、20nm的波长的半高全宽FWHM，以及70％的透射率的最大值。

在上述情况下，经由HOE元件31到达瞳孔5的阳光的光量为I_out＝56.3W/m²。进入HOE元件31之前的阳光的光量为I_in＝650W/m²。通过穿过包括HOE元件31的目镜光学系统3得到的减光率被计算为I_out/I_out＝8.7％。因此，利用HOE元件31的波长依赖性使得有可能显著减少阳光的光量。

其它配置、作用和效果可以与根据上述第一实施例的图像投影系统1的配置、作用和效果大致类似。

<3.第三实施例>

接下来，给出根据本公开的第三实施例的图像投影系统的描述。要注意的是，在下文中，与上述第一或第二实施例的图像投影系统的组件大致相同的部分由相同的附图标记表示，并且在适当的情况下省略其描述。

[3.1概述]

根据本公开的第三实施例的图像投影系统除了具有根据上述第一或第二实施例的图像投影系统的特性之外，还具有以下特性(5)。

(特性(5))

(5)在根据本公开的第三实施例的图像投影系统中，投影光学系统包括扫描镜和布置在扫描镜的后侧上的光学系统。期望在对图像进行观看时扫描镜的图像的位置在目镜光学系统的后侧焦点位置的后侧。扫描镜的图像由合成光学系统提供，该合成光学系统包括位于扫描镜后侧的光学系统和目镜光学系统。

在本实施例中，通过使投影光会聚在目镜光学系统的后侧焦点位置的后侧上，避免了平行光或近似平行光会聚到眼球部分。为了将图像从投影光学系统引导到视网膜，对于目镜光学系统有必要使用具有正焦距的HOE元件。此外，由于该HOE元件被布置为在诸如角膜或晶状体的眼球部分处会聚光，因此眼球部分中的光密度取决于外部光的光强度而变得更高。因此，在本实施例中，相对于投影光，目镜光学系统的聚光位置被放置于目镜光学系统的后侧焦点位置的光轴方向的后侧。作为对照，在平行光或近似平行光进入目镜光学系统的情况下，有可能使聚光点从目镜光学系统的后侧焦点位置(即瞳孔的位置)偏移到眼球的外部方向。这使得有可能减小瞳孔位置的光强度密度。这降低了眼球部分中的光密度。

[3.2具体示例]

图7图示了根据本实施例的图像投影系统1A的示意性配置。

在投影光以外的光以接近投影光的角度进入目镜光学系统3的情况下，该光受到HOE元件31的衍射作用。因此，主光束会聚在观看者4的瞳孔5的位置。在根据本实施例的图像投影系统1A中，提供了一种降低会聚在观看者4的瞳孔5附近的光的光密度的方法。

在图像投影系统1A中，投影光学系统2在投影光学系统2中包括光源21、扫描镜22和位于扫描镜22后侧的光学系统23。

图像投影系统1A被配置为使得目镜光学系统2的后侧焦点位置Pa是在瞳孔5的前侧的位置。在图像投影系统1A中，通过以发散的方式传播从投影光学系统2输出的投影光的多个主光束，该主光束会聚在目镜光学系统3的后侧焦点位置Pa的后侧。图7由实线描绘了投影光的多个主光束。同时，在目镜光学系统2的后侧焦点位置Pa被放置于瞳孔5附近的位置处的情况下，有可能在户外使用的情况下由目镜光学系统3将阳光会聚在观看者4的瞳孔5附近，从而不利地影响可见性。作为对照，通过将目镜光学系统2的后侧焦点位置Pa放置于瞳孔5的前侧的位置处，尽管投影光以外的平行光(诸如阳光)在HOE元件31的衍射之后也被会聚，但是该光是会聚在瞳孔5的前侧，即，在眼球的外部。因此，有可能减小瞳孔5附近的光强度密度。

在投影光学系统2是激光扫描型的投影仪的情况下，图像由内部扫描镜22进行二维扫描并投影在投影表面上。关于图像的成像关系，激光的光发射点和投影表面处于共轭关系。作为对照，关于瞳孔5的成像关系，扫描镜22和瞳孔5处于共轭关系。注意瞳孔5的这种成像关系，成像处于这样的位置关系：即主光束从扫描镜22的单点传播，之后穿过投影光学系统2和目镜光学系统3，并且会聚在瞳孔5。

即，可以说通过在投影光学系统2和目镜光学系统3的扫描镜22之后的光学系统23的扫描镜22的图像位于瞳孔5的位置。在扫描镜22的该图像位于目镜光学系统3的后侧焦点位置Pa的后侧的情况下，即使当大致平行的光在使用时作为外部光进入目镜光学系统3的情况下，光会聚在目镜光学系统3的后侧焦点位置Pa处。这将用于外部光的聚光点放置在眼球的前侧的位置，并且光变得比在眼球部分中的聚光点更宽。这使得有可能降低功率密度。因此，可以改善可视性。

其它配置、作用和效果可以与根据上述第一或第二实施例的图像投影系统的配置、作用和效果大致类似。

<4.第四实施例>

接下来，给出根据本公开的第四实施例的图像投影系统的描述。要注意的是，在下文中，与上述第一至第三实施例中的任何一个实施例的图像投影系统的组件大致相同的部分由相同的附图标记表示，并且在适当的情况下省略其描述。

[4.1概述]

根据本公开的第四实施例的图像投影系统还具有以下特性(6)和(7)。

(特性(6))

(6)在根据本公开的第四实施例的图像投影系统中，目镜光学系统包括偏振器，该偏振器透射特定方向上的偏振分量并且阻挡与特定方向正交的方向上的偏振分量。

在除投影光以外的外部光以接近投影光的角度进入目镜光学系统的情况下，并且在该角度差在角度依赖性的范围内的情况下，该光在瞳孔附近会聚。因此，噪声光增加并且不利地影响可视性。根据本实施例的图像投影系统减轻了这种情况。在下文中，借助于具体示例给出描述。已知在阳光倾斜进入地面上的水坑的情况下，由水坑反射的光在水平方向上具有比在垂直方向上更多的光分量。在目镜光学系统中的HOE元件相对于倾斜向下方向具有衍射效率并且来自水坑的阳光的反射光从斜向下方向进入目镜光学系统的情况下，为目镜光学系统提供仅使垂直方向上的光透射的偏振器使得有可能阻挡在来自水坑的反射光中比率为高的水平方向上的分量的光中的大部分光。在该示例中，虽然引用了水平方向和垂直方向上的线性偏振光作为正交偏振分量，但是顺时针圆偏振光和逆时针圆偏振光也落入本公开的技术范围内，因为顺时针圆偏振光和逆时针圆偏振光处于彼此正交的关系。

(特性(7))

(7)在根据第四实施例的图像投影系统中，期望投影光学系统朝向目镜光学系统输出不具有正交于特定方向的方向上的偏振分量的光作为投影光。

关于特性(6)，在将线性偏振光用作在与特定方向正交的方向上的偏振分量的情况下，期望在目镜光学系统中内置阻挡水平方向上的偏振分量并透射垂直方向上的偏振分量的偏振器。这使得投影光学系统有可能通过不具有水平方向上的偏振分量来高效地将投影光传递至视网膜。

[4.2具体示例]

图8图示了根据本实施例的图像投影系统1B的概要。图9图示了根据本实施例的图像投影系统1B中的目镜光学系统3的配置示例。

根据本实施例的图像投影系统的基本配置1B可以与根据上述第一实施例的图像投影系统1的配置大致类似。但是，在根据本实施例的图像投影系统1B中，目镜光学系统3包括偏振器33，该偏振器33透射特定方向上的偏振分量并且阻挡与该特定方向正交的方向上的偏振分量，如图9所示。

例如，如图8所示，阳光有可能在水面7(诸如地上的水坑)上反射，并从与投影光相同的方向通过目镜光学系统3进入观看者4的瞳孔5。图9图示了防止投影光以外的光从与投影光相同的方向通过目镜光学系统3进入观看者4的瞳孔5的方法。在阳光被水面7(诸如地上的水坑)反射之后从与从投影光学系统2发射的投影光相同的方向进入目镜光学系统3的情况下，阳光对于图像成为不想要的噪声光。

当阳光以30度的高度(仰角)进入水面7时，相对于水面7的入射角为α＝60°。在空气的折射率n₁＝1、水的折射率n₂＝1.333，并且水介质侧的折射角为β的情况下，β＝40.52°。在垂直于进入平面的偏振光是S偏振光的情况下，平行于进入平面的偏振光是P偏振光，并且其在水面7上的能量反射率(在下文中简称为“反射率”)分别为R_s和R_p，反射率由以下菲涅耳表达式表示。应当注意的是，本文的进入平面是指包括进入水面7的光束和在水面7处反射的光束的平面。

[数学公式.2]

R_p＝r_p ²

R_s＝r_s ²

根据上述表达式，R_p＝0.4％，而R_s＝11.5％。根据该结果，来自水面7的反射光具有更高比率的S偏振光，即，水平方向的偏振光。目镜光学系统3具有内置的偏振器33，该偏振器33具有阻挡水平方向上的偏振光并且透射垂直方向上的线性偏振光的功能。这使得目镜光学系统3有可能显著减少来自存在于观看者4下方的反射面的不想要的光的反射光，并且解决上述问题。此外，以上在第二实施例中描述的HOE元件的波长选择性的组合使用使得有可能进一步减少光量。

其它配置、作用和效果可以与根据上述第一至第三实施例的图像投影系统的配置、作用和效果大致类似。

<5.其它实施例>

根据本公开的技术不限于上述实施例中的每一个的描述，并且有可能对该技术进行各种修改。

例如，本技术可以具有以下配置。

(1)

一种图像投影系统，包括：

投影图像的投影光学系统；以及

与投影光学系统分开配置并要安装在观看者的头部上的目镜光学系统，该目镜光学系统包括至少一个全息元件，该目镜光学系统将来自投影光学系统的投影光引导至观看者的瞳孔，其中

全息元件使一阶衍射光向朝向观看者的瞳孔的方向偏转，并且对于一阶衍射光具有正焦距，

在对图像进行观看时，投影光以等于或大于由以下表达式表示的θ的角度进入目镜光学系统，

θ＝arctan((3.5+M)/f)

其中目镜光学系统对于一阶衍射光的焦距为f[mm]，并且

对于全息元件的投影光，相对于观看者的瞳孔在上下方向上的最大有效半径为M[mm]。

(2)

根据上述(1)的图像投影系统，其中全息元件为体积型全息元件。

(3)

根据上述(1)或(2)的图像投影系统，其中

全息元件对于从目镜光学系统下方进入的光的角度具有最大的衍射效率，以及

在对图像进行观看时，投影光学系统被布置在目镜光学系统下方。

(4)

根据上述(1)至(3)中的任一项的图像投影系统，其中

投影光学系统包括光源，以及

全息元件对于至少一个波长区域具有衍射效率的峰值，并且光源的波长区域被包括在全息元件具有衍射效率的峰值的波长区域中。

(5)

根据上述(1)至(4)中的任一项的图像投影系统，其中

投影光学系统包括扫描镜和布置在扫描镜后侧的光学系统，以及

在对图像进行观看时扫描镜的图像的位置在目镜光学系统的后侧焦点位置的后侧，扫描镜的图像由合成光学系统提供，该合成光学系统包括位于扫描镜后侧的光学系统以及目镜光学系统。

(6)

根据上述(1)至(5)中的任一项的图像投影系统，其中目镜光学系统包括偏振器，该偏振器使特定方向上的偏振分量透射并且阻挡与特定方向正交的方向上的偏振分量。

(7)

根据上述(6)的图像投影系统，其中投影光学系统朝向目镜光学系统输出不具有与所述特定方向正交的方向上的偏振分量的光作为投影光。

本申请基于2017年11月2日向日本专利局提交的日本专利申请No.2017-212859要求优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

应该理解的是，本领域技术人员可以取决于设计要求和其它因素来构想各种修改、组合、子组合和改造，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (7)

1.一种图像投影系统，包括：

投影图像的投影光学系统；以及

与投影光学系统分开配置并要被安装在观看者头部上的目镜光学系统，所述目镜光学系统包括粘附至平板形玻璃基板的一侧的至少一个全息元件，所述全息元件被布置为面对图像的进入侧并且所述平板形玻璃基板被布置为面对图像的输出侧，所述目镜光学系统将来自投影光学系统的投影光引导至观看者的瞳孔，其中

所述全息元件使一阶衍射光向朝向观看者的瞳孔的方向偏转，并且对于该一阶衍射光具有正焦距，

在对图像进行观看时，所述投影光以等于或大于由以下表达式表示的θ的角度进入所述目镜光学系统，

θ＝arctan((3.5+M)/f)

其中所述目镜光学系统对于所述投影光的焦距为f[mm]，并且

对于所述全息元件的一阶衍射光，相对于观看者的瞳孔在上下方向上的最大有效半径为M[mm]。

2.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中所述全息元件为体积型全息元件。

3.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中

所述目镜光学系统被布置在观看者的前方，

所述全息元件对于从所述目镜光学系统下方进入的光的角度具有最大的衍射效率，以及

在对图像进行观看时，所述投影光学系统被布置在观看者的瞳孔的下方并且在所述目镜光学系统下方的观看者的前方。

4.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中

所述投影光学系统包括光源，以及

所述全息元件对于至少一个波长区域具有衍射效率的峰值，并且所述光源的波长区域被包括在所述全息元件具有该衍射效率的峰值的波长区域中。

5.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中

所述投影光学系统包括扫描镜和布置在该扫描镜后侧的光学系统，以及

在对图像进行观看时所述扫描镜的图像的位置在所述目镜光学系统的后侧焦点位置的后侧，所述扫描镜的图像由合成光学系统提供，该合成光学系统包括位于所述扫描镜后侧的光学系统以及所述目镜光学系统。

6.根据权利要求1所述的图像投影系统，其中所述目镜光学系统包括偏振器，该偏振器使特定方向上的偏振分量透射并且阻挡与特定方向正交的方向上的偏振分量。

7.根据权利要求6所述的图像投影系统，其中所述投影光学系统朝向所述目镜光学系统输出不具有与所述特定方向正交的方向上的偏振分量的光作为投影光。

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