CN112433368B - 影像显示装置和使用其的头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种影像显示装置和使用该影像显示装置的头戴式显示器。一种向用户投射影像的影像显示装置，其包括：生成影像光的影像生成部；投射该影像生成部所生成的影像光的投射光学部；复制该投射光学部所投射的影像光，并使该影像光出射的影像光复制部；和使该影像光复制部所复制的影像光向用户投射的导光部，投射光学部具有至少一个投射透镜，影像光复制部复制影像光的间隔小于投射透镜的外径。根据本发明，能够提供眼动范围大，且能够以较高的光利用率并且能够降低亮度不均地显示均匀影像的影像显示装置以及使用该影像显示装置的HMD。

Description

影像显示装置和使用其的头戴式显示器

技术领域

本发明涉及用于头戴式显示器等的利用了导光片的影像显示装置。

背景技术

在头戴式显示器(HMD：Head Mounted Display)、平视显示器(HUD：Head upDisplay)等的影像显示装置中，作为用于将从投射光学部出射的影像光传送到用户的眼睛的光学系统，使用导光片。

关于用于HMD、HUD的影像显示装置，即使眼睛移动也能够视认影像的区域即眼动范围(eyebox)的宽度，从视认性和安装性的观点出发是重要的。另外，在HMD中，想要进行日常生活中的辅助、保守检修等的作业支援，并且影像显示装置为了实现长时间驱动而被要求较高的光利用率。

作为本技术领域中的现有技术文献，有专利文献1和专利文献2。在专利文献1中公开了一种影像显示装置，其使用多个部分反射面来在垂直方向上复制出瞳，并使用导光片在水平方向上复制出瞳，由此扩大眼动范围。另外，在专利文献2中公开了一种图像显示装置，其通过使用具有衍射光栅的2个导光片来二维地复制出瞳，以扩大眼动范围。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-210633号公报。

专利文献2：日本特开2011-248318号公报。

发明内容

发明要解决的技术问题

在专利文献1中，没有记载所复制的多个出瞳的关系。因此，根据出瞳的复制的方式而在多个出瞳发生亮度不均，导致显示影像中发生亮度不均。

另外，在专利文献2中，使用衍射光栅进行的出瞳的复制不能利用入射到导光片的全部的光，因此光利用率低，无法实现较高的光利用率的影像显示装置。

本发明是鉴于这样的问题而发明的，本发明的目的在于，提供一种眼动范围大，且能够以较高的光利用率，无亮度不均地显示影像的影像显示装置，以及使用该影像显示装置的HMD。

用于解决技术问题的技术手段

本发明举出其一例，是一种对用户投射影像的影像显示装置，影像显示装置构成为，包括：生成影像光的影像生成部；投射该影像生成部所生成的影像光的投射光学部；复制该投射光学部所投射的影像光，并使该影像光出射的影像光复制部；和使该影像光复制部所复制的影像光向用户投射的导光部，投射光学部具有至少一个投射透镜，影像光复制部复制影像光的间隔小于投射透镜的外径。

发明效果

依照本发明，能够提供一种眼动范围大，且能够以较高的光利用率并且能够降低亮度不均地显示均匀影像的影像显示装置，以及使用该影像显示装置的HMD。

附图说明

图1是表示实施例1中的HMD的使用方式的图。

图2是实施例1中的搭载有影像显示装置的HMD的功能区块构成图。

图3是实施例1中的影像显示装置的功能区块构成图。

图4是实施例1中的影像显示装置的构成图。

图5是说明实施例1中的导光片的构成的图。

图6是说明实施例1中的部分反射面阵列的面间隔的图。

图7是表示实施例1中的导光片内部和从导光片出射的影像光的光路的图。

图8是说明实施例1中的光瞳放大棱镜的构成的图。

图9是说明实施例1中的投射光学组件的图。

图10是说明实施例1中的光瞳放大棱镜所复制的出瞳的图。

图11是示意性地表示实施例1中的在光瞳放大棱镜中用1个部分反射面进行反射并出射的出瞳的图。

图12是说明实施例1中的对导光片的入射光与影像畸变的关系的图。

图13是用于说明实施例1中的入射到导光片的影像光的结合方法的图。

图14是实施例1中的在导光片中使部分反射面的角度与导光片表面相差180度的构成图。

图15是说明实施例1中的入射到光瞳放大棱镜的影像光的光路的图。

图16是说明实施例1中的光瞳放大棱镜的形状的图。

图17是实施例2中的影像显示装置的构成图。

图18是说明实施例2中的光瞳放大棱镜的构成的图。

图19是说明实施例2中的光瞳放大棱镜所复制的出瞳的图。

图20是实施例3中的影像显示装置的构成图。

图21是说明实施例3中的光瞳放大棱镜的构成的图。

图22是实施例4中的影像显示装置的构成图。

图23是实施例4中的影像显示装置的另一构成图。

附图标记说明

1：影像显示装置，2：用户，4：影像生成部，5：投射光学部，6：影像光复制部，7：导光部，8、51：导光片，9、39、42：光瞳放大棱镜，10：投射光学组件，11：第一内部反射面，12：第二内部反射面，13：部分反射面，14：部分反射面阵列，16、22、41、43：入射面，18、31：顶角，23：出射面，24、44、45：部分反射面，25、26、27：侧面，28：透镜，29：出瞳，30：出瞳直径，32：三角棱镜，33：光瞳放大棱镜角度，38：光束直径，40：反射面，44、45：部分反射面，46：投射透镜直径，47：影像光复制部，48、49、52、53：衍射区域，54：三角棱镜出射面，55：三角棱镜入射面，57：光瞳放大棱镜的入射面与出射面所成的角，101：HMD。

具体实施方式

以下，使用附图，对本发明的实施例进行说明。

【实施例1】

＜关于HMD＞

图1是表示本实施例中的HMD的使用方式的图。如图1所示，HMD101安装在用户2的头部，在可视认外界的状态下用户2借助用户的眼瞳15将来自未图示的影像显示装置的影像视认为虚像3。此外，在图1中图示了对单眼显示影像的情况，不过也可以为双眼的方式。

图2是表示本实施例中的搭载有影像显示装置1的HMD101的功能区块构成图。在图2中，在HMD101中，除了影像显示装置1之外，还设有控制HMD101整体的控制器106、获取外部信息102的检测单元105、与外部服务器103通信的通信单元104、供电单元108、存储介质107、操作输入单元109等。此外，控制线、信息线示出了说明上所需要的部分，并不限于必须示出所有的控制线、信息线。

外部信息102例如是用户2的体态、朝向、动作、外界的明亮度、声音、空间信息等。

作为用于检测用户2的体态、朝向、动作的检测单元，举出一例，可以举出倾斜传感器、加速度传感器和GPS传感器等。作为用于检测外界的明亮度、声音、空间信息的检测单元，能够搭载照度传感器、声音传感器、红外线传感器等的摄像元件。

通信单元104能够访问网络上的信息或者智能手机、平板电脑、PC等的电子设备等的外部服务器103的通信单元，能够通过例如Bluetooth(注册商标)、Wifi(注册商标)等来实现。

用户2通过操作输入单元109进行用于操作HMD101的输入。操作输入单元109通过例如使用声音传感器的声音识别、使用压敏传感器或静电电容传感器的触摸面板输入、使用红外线传感器的手势输入等来实现。

＜关于影像显示装置＞

图3是本实施例中的影像显示装置的功能区块构成图。影像显示装置1包括影像生成部4、投射光学部5、影像光复制部6和导光部7。

影像生成部4包括光源、照明光学部和生成影像的影像生成装置。作为光源，可以举出RGB的LED(Light Emitting Diode：发光二极管)或者RGB的LD(Laser Diode：激光二极管)。当然，作为光源也可以使用白色的LED。该情况下，需要在影像生成元件中设置滤色片。照明光学部将光源的光均匀地照射到影像生成装置。影像生成装置中使用液晶或者数字微镜器件(DMD)等即可。另外，作为影像生成装置也可以使用有机EL或μLED等的自发光影像生成元件。该情况下，不需要光源和照明光学部，能够实现影像生成部4的小型轻量化。

投射光学部5设有具有一个或者多个透镜的投射透镜，投射影像生成部4所生成的影像。

影像光复制部6一边复制投射光学部5的投射透镜的出瞳，一边将影像光传送到导光部7。

导光部7使用例如衍射光栅、体积全息图、具有多个部分反射面的导光片，能够成为具有透视性的影像显示装置1以及具有该影像显示装置1的HMD。

图4是本实施例中的影像显示装置的构成图。在图4中，(a)表示从导光片8的正面侧观察到的图，(b)表示从导光片8的上侧观察到的图。图3中的影像光复制部6包括光瞳放大棱镜9，导光部7包括在透明基片内部具有多个部分反射面的导光片8。投射光学部5作为一例由包括2个透镜的投射光学组件10构成。

如上所述，投射光学组件10将影像生成部4所生成的影像光出射到光瞳放大棱镜9。光瞳放大棱镜9借助配置于内部的部分反射面，在图4的y方向复制光瞳并将影像光出射到x方向的导光片8。入射到导光片8的影像光一边在导光片内部通过全反射而传播，一边借助配置于内部的部分反射面阵列14在影像光的传播方向上复制光瞳，对用户投射影像光。通过用光瞳放大棱镜9和导光片8二维地放大光瞳，能够实现具有较大的眼动范围的影像显示装置。

＜关于导光片＞

下面，对导光片的构成进行说明。图5是本实施例中的导光片的构成图。在图5中，(a)表示导光片8的主视图，(b)表示导光片8的俯视图。

在图5中，导光片8包括入射面16以及彼此大致平行的第一内部反射面11和第二内部反射面12，并包括在内部配置有多个彼此平行的部分反射面13的部分反射面阵列14。通过由第一内部反射面11和第二内部反射面12进行的全反射，从光瞳放大棱镜9出射的影像光在图的横向(水平方向)上传播。另外，通过部分反射面阵列14，使因全反射而被引导来的影像光的一部分发生反射而行进方向改变，透过第一内部反射面11而出射到导光片8的外部。在部分反射面阵列14发生反射，影像光被复制，因此水平方向的眼动范围扩大。被出射到导光片8的外部的影像光的一部入射到用户的眼瞳15。由此，用户能够视认影像显示装置1所显示的影像。

＜关于导光片表面间隔＞

下面，对部分反射面阵列14的反射面间隔进行说明。图6是表示本实施例中的导光片8的一部分的图，是说明部分反射面阵列的面间隔的图。

在图6中，(a)表示从导光片正面观察时部分反射面13隔开间隔地配置的情况，(b)表示部分反射面13有重叠地配置的情况，(c)表示部分反射面13没有重叠且没有间隙地配置的情况。

如图6的(a)所示，在从导光片正面观察时部分反射面13隔开间隔地配置的情况下，存在如图6的(a)的a区域那样没有影像光出射的区域，因此对用户投射的影像中产生暗线而变得亮度不均。

如图6的(b)所示，在部分反射面有重叠地配置的情况下，存在如图6的(b)的b区域那样从2个部分反射面出射影像光的区域，因此对用户投射的影像中产生明线而变得亮度不均。

因此，优选部分反射面13的间隔如图6的(c)那样部分反射面13大致没有重叠且大致没有间隙地配置。通过设置成部分反射面13没有重叠且没有间隙地配置的导光片，能够将亮度不均较少的影像投射到用户。

＜关于部分反射面的角度＞

下面，说明部分反射面阵列14的相对于第二内部反射面12的角度θ。图7是表示本实施例中的导光片内部和从导光片出射的影像光的光路的图。

图7的(a)是表示在导光片内部通过全反射而传播的影像光，被部分反射面13反射，至从导光片8出射为止的光路的图。角度θ需要设成通过全反射而影像光在导光片内部能够传播的角度。在导光片内部发生全反射的视角中心的光19在导光片内部传播时相对于导光片表面的入射角表现为2θ。此外，相对于视角中心以角度α投射到用户的光20在导光片内部入射到导光片表面的角度θr，能够使用导光片折射率n以式(1)来表示。

θr＝2θ－arcsin(sinα÷n)…(1)

以θr入射的光发生全反射的条件，使用由导光片8的折射率确定的临界角θc＝arcsin(1÷n)如式(2)所示。

θr＝2θ－arcsin(sinα÷n)＞θc…(2)

为了实现导光片8使影像光传播，需要在影像光的所有视角满足上式。将影像光的水平方向的FOV(视角：Field of View)用FOV_H表示时，根据上式，部分反射面的角度θ需要满足式(3)。

θ＞0.5×(arcsin(sin(FOV_H÷2)÷n)+θc)…(3)

下面，考虑如图7的(b)那样影像光在部分反射面13的背面入射的情况下。如光线21在部分反射面13的背面反射的光无法作为影像光使用。因此光线21成为光损失。此外，出瞳的规定的视角成分变暗，因此在显示影像中发生亮度不均。因部分反射面阵列14而可能多次发生背面反射，因此如光线21以相对于部分反射面13较大的角度入射时的反射率优选尽可能小。以角度θr在导光片内部全反射传播的光入射到部分反射面的角度θb能够由式(4)表示。

θb＝θ+θr＝3θ－arcsin(sinα÷n)…(4)

通常，构成部分反射面的反射膜和导光片存在折射率差，背面反射随着入射角度θb接近90度而急剧变大。因此，所有的影像光中需要使θb为90度以下，优选86度以下，更优选83度以下。

因此，需要至少满足式(5)。

3θ+arcsin(sin(FOV_H÷2)÷n)＜90…(5)

对θ的条件进行修正，

θ＜30－arcsin(sin(FOV_H÷2)÷n)÷3…(6)

根据式(3)、(6)，优选的部分反射面的角度θ的范围通过导光片折射率n和影像光的水平视角FOV_H求取。

一般的玻璃或者树脂的折射率n＝1.5～1.7，HMD的水平方向的视角(FOV_H)为10度～40度时，根据式(3)、(6)，使部分反射面角度θ为18度～30度的范围即可。

＜关于部分反射面的反射率＞

也能够考虑使部分反射面阵列14的反射率与部分反射面13的反射率各自不同的构成，不过由于需要多个涂层的设计、安装等因此成本增加。因此，从成本方面考虑，优选以具有大致相等的反射率的部分反射面构成部分反射面阵列。

另外，部分反射面阵列14的反射率越高，对用户投射的影像的亮度越高，因此能够提高影像显示装置的光利用率。但是，部分反射面阵列14的反射率越高，用户透过导光片视认的来自外界的光的透射率降低，因此透视性降低。所以，从透视性的观点出发，优选部分反射面阵列14的反射率至少为30％以下。

如图7的(b)中的光线21那样的部分反射面的背面发生反射的背面反射成为光损失、亮度不均的原因，因此优选尽可能抑制背面反射率。在导光片基片的接合中，可以用粘合剂进行接合，也可以用光胶(optical contact)进行接合。由于在基片的接合中使用粘合剂时导光片与粘合剂的折射率差，背面反射率变高。为了抑制背面反射，用光胶进行接合的方式是有效的。该情况下，还能够抑制由粘合剂可能引起的光的散射，因此也能够提高对比度、透视性。

另外，当提高部分反射面13的反射率时背面的背面反射率也变高，由背面反射导致的光损失、亮度不均的影响变大。因此，当考虑由背面反射导致的光损失、亮度不均的影响时，优选部分使反射面13的反射率为15％以下。

＜关于光瞳放大棱镜功能＞

图8是说明本实施例中的光瞳放大棱镜的构成的图。在图8中，(a)、(b)和(c)分别表示光瞳放大棱镜9的主视图、侧视图和俯视图。在图8中，光瞳放大棱镜9具有入射面22、出射面23，具有多个部分反射面24。部分反射面24彼此大致平行。在图8中作为一例示出了具有4个部分反射面24的光瞳放大棱镜9，不过部分反射面的个数少于4个或多于4个也没关系。下面，部分反射面24按照从靠近入射面22的一侧起依次被称为第一部分反射面、第二部分反射面。

在图8中，投射光学部5所出射的影像光从入射面22入射到光瞳放大棱镜9。光瞳放大棱镜9由透明度高的介质构成，从入射面22入射的光在光瞳放大棱镜9的内部传播。光瞳放大棱镜9的材质例如可以为玻璃、树脂。另外，为了防止重影地显示影像，光瞳放大棱镜9的材质优选不具有双折射性或较少的双折射性。

入射到光瞳放大棱镜9的影像光在光瞳放大棱镜9的内部传播，被多个部分反射面24反射，从出射面23出射。投射光学部5所出射的影像光构成为在光瞳放大棱镜9的出射面23、侧面25、26、27不发生全反射地传播即可。当影像光发生全反射时，存在发生影像的反转、杂散光的情况，利用本构成能够防止影像的分辨率降低。

＜光瞳放大棱镜和投射透镜＞

图9是表示本实施例中的投射光学部5的一例的投射光学组件10的图。在图9中，示出投射光学组件10具有2个透镜28A、28B的例子。在图9中，29表示投射光学组件10的出瞳，30表示投射光学组件10的出瞳直径，46表示投射透镜直径。此外，称为投射透镜直径的情况下，指最靠近影像光复制部6的透镜的外径。投射光学组件10出射的影像光被影像光复制部6复制而成为多份影像光后，入射到导光片8。当出瞳29较远地离开导光片入射面位置时，导光片入射时出瞳29缺失，亮度发生不均。另外，影像光对导光片8的耦合效率降低。因此，投射光学部5的出瞳29的位置可以处于比投射光学部5靠近影像光复制部6的位置，也可以处于影像光复制部6的内部。另外，投射光学部5的出瞳29的位置可以与导光片8的入射面16的位置大致相等。由此，因出瞳缺失导致的亮度不均降低，能够提高影像光复制部6所出射的影像光与导光片8的耦合效率，从而提高影像显示装置整体的光利用率。

在本实施例的另一观点中，投射光学部5的出瞳29的位置位于影像光复制部6的内部时，从投射光学部5出射的影像光在出瞳的位置处光学有效直径变得最小，因此通过构成为使投射光学部5的出瞳位于影像光复制部6的内部，能够使影像光复制部6小型化。

＜由光瞳放大棱镜进行的均匀的光瞳的复制＞

下面，对用于在光瞳放大棱镜复制出瞳时不发生亮度不均的构成进行说明。

图10是示意性地表示本实施例中的光瞳放大棱镜9所复制的出瞳29的图，示出了投射光学组件10的主光线与由光瞳放大棱镜9复制的出瞳29的位置关系。实际上，也考虑在部分反射面发生2次以上反射的光路，不过图10所示的光路从光利用率的观点出发为影像光的主成分，省略了在部分反射面发生2次以上反射的光路。

图10的(a)示出了作为一例具有3个部分反射面24的光瞳放大棱镜9。如图10的(a)所示，当光瞳放大棱镜9所复制的多个出瞳29的间隔比出瞳直径30大时，在光瞳放大棱镜9所复制的多个出瞳29之间产生间隙。当在出瞳29之间产生间隙时，在从导光片8出射的影像光之间也产生间隙，当使用者从该间隙的附近观察影像时，用户视认出影像的一部分明显较暗的影像。

图10的(b)示出了作为一例具有4个部分反射面24的光瞳放大棱镜9。此外，部分反射面的个数少于4个或多于4个都可以。如图10的(b)所示，通过使光瞳放大棱镜9所复制的多个出瞳29的间隔小于出瞳直径30，多个出瞳29重叠，从导光片投射的影像中没有上述的影像的一部分明显较暗的区域。即，部分反射面24的间隔L1、L2、L3小于出瞳直径30即可。换言之，投射透镜直径46大于出瞳直径30，入射宽度302大于投射透镜直径46，因此部分反射面24的间隔L1、L2、L3需要小于投射透镜直径46，而且需要小于入射宽度302。依照这样的构成，能够在从导光片8出射的影像光中防止影像的缺失、暗线。

此处，优选搭载于HMD的投射透镜为小型的，通常投射透镜直径46为15mm以下。极小型的投射透镜的出瞳直径小，出瞳重叠复制困难。因此优选投射透镜直径46为1mm以上。由此，优选部分反射面间隔为1mm至15mm的范围。

下面，对用于出射均匀的出瞳的光瞳放大棱镜9和投射光学组件10的构成进行说明。

图11是示意性地表示作为一例被第二部分反射面24反射并出射的出瞳29的图。在图11的(a)所示的情况下，被第二部分反射面反射并出射的出瞳29之中，分为透射第一部分反射面而出射的区域A和未透射第一部分反射面而原样地出射的区域B。部分反射面24具有规定的透射率，因此更多地通过部分反射面24的区域A比区域B暗，在区域A与区域B中产生亮度差，以出瞳29之中的虚线为分界，出瞳分布发生亮度不均，导致由导光片投射的影像中发生亮度不均。

因此，为了出射均匀的出瞳，需要将部分反射面重叠(overlap)以使得在第N部分反射面发生了反射的光全部透射第N－1部分反射面。(N为2以上的整数)。因此，如图11的(b)的E所示，通过将投射光学组件10的中心轴相对于光瞳放大棱镜9的中心轴D向与光瞳放大棱镜9的出射方向相反的方向偏心地配置，能够使被第二部分反射面反射并出射的出瞳全部透射第一部分反射面。依照这样的构成，能够使出瞳29无亮度不均地出射。同样，被第三部分反射面反射并出射的出瞳全部透射第二部分反射面，被第四部分反射面反射并出射的出瞳全部透射第三部分反射面。因此光瞳放大棱镜9能够均匀地出射出瞳。

如上所述通过构成光瞳放大棱镜9的部分反射面24和投射光学组件10，能够均匀地复制出瞳，能够使导光片投射的影像光中无亮度不均地实现较大的眼动范围。

＜光瞳放大棱镜的反射率＞

在入射到光瞳放大棱镜9的影像光在光瞳放大棱镜9的内部传播的期间，每次在多个部分反射面24发生反射或者透射而强度衰减。因此，通过使部分反射面的反射率随着远离入射面侧而逐渐增大，能够使光瞳放大棱镜9输出的影像光的强度密度大致一定，能够降低利用者可视认的影像的亮度不均。尤其是光瞳放大棱镜9的部分反射面24中配置于最上部的(最远离入射面的部分反射面)部分反射面24优选有铝或银的反射镜涂层。依照这样的构成能够使大致所有入射到光瞳放大棱镜9的影像光出射来加以利用。

另外，在光瞳放大棱镜9的部分反射面24，为了得到规定的反射率，部分反射面24也可以具有铝或银的金属膜涂层。由此，金属膜的反射率、透射率的偏振光依赖性较小，因此无论影像显示装置1中投射光学部5输出的影像光的偏振光如何，都能够显示均匀的亮度的影像。此外，同样，在导光片8的部分反射面13，为了得到规定的反射率，部分反射面阵列14也可以具有铝或银的金属膜涂层。

在本实施例中的另一观点中，在导光片8的部分反射面阵列14和光瞳放大棱镜9的部分反射面24，为了得到规定的反射率，也可以具有电介质多层膜的涂层。电介质多层膜涂层的反射率和透射率特性取决于入射的偏振光，通常S偏振光的反射率比P偏振光的反射率高。在本实施例中，以光瞳放大棱镜9所具有的部分反射面24的法线向量处于xy平面内，且导光片8所具有的部分反射面阵列14的法线向量处于xz平面内的方式配置光瞳放大棱镜9和导光片8。因此，相对于光瞳放大棱镜9的部分反射面24作为S偏振光入射的影像光，相对于导光片8的部分反射面阵列14作为大致P偏振光入射。另外，相对于光瞳放大棱镜9的部分反射面24作为P偏振光入射的影像光，相对于导光片8的部分反射面阵列14作为大致S偏振光入射。

因此，本实施例的影像光复制部6和导光片8也可以以下面所述的方式构成。即，影像光复制部6具有偏振片和波长板中的一者或两者，以及光瞳放大棱镜9。在导光片8的部分反射面阵列14和光瞳放大棱镜9的部分反射面24，为了获得规定的反射率，部分反射面阵列14和部分反射面24具有电介质多层膜的涂层。投射光学部5所出射的影像光通过偏振片和波长板中的任一者或两者，入射到光瞳放大棱镜9。入射到光瞳放大棱镜9的光的偏振光是相对于部分反射面24的S偏振光和P偏振光以外的偏振光(例如，+45度偏振光、－45度偏振光、右旋偏振光、左旋偏振光等)。

将S偏振光和P偏振光的反射率设为RS和RP。作为一例，给出具有4个部分反射面24的光瞳放大棱镜的情况下用于均匀地复制出瞳的部分反射面24的反射率的一例，例如在第一部分反射面中RS＝30～50％和RP＝5～15％，在第二部分反射面中RS＝45～60％和RP＝15～25％，在第三部分反射面中RS＝75～85％和RP＝30～40％，在第四部分反射面中RS、RP为90％以上。由此，在部分反射面24发生反射而从导光片8出射的影像光的光束量彼此大致相等，能够使利用者可视认的影像的亮度大致均匀。

如上所述，通过调节多个部分反射面24的反射率，能够均匀地复制出瞳。另外，能够使大致所有入射到光瞳放大棱镜9的影像光向导光部出射来加以利用，能够以较高的光利用率复制出瞳来实现较大眼动范围。

另外，也可以在部分反射面的接合中不使用粘合材料而利用光胶来进行接合。通过利用光胶来进行接合，能够抑制由粘合剂可导致的光的散射，因此也能够提高对比度、透视性。

＜光瞳放大棱镜与导光片的结合手法和影像畸变校正＞

下面，对光瞳放大棱镜9与导光片8的结合方法进行说明。首先，作为前提，对向导光片8入射的入射光与影像畸变的关系进行说明。图12是说明本实施例中的向导光片入射的入射光与影像畸变的关系的图。在图12中，为了简略化而省略了光瞳放大棱镜9及其光路。图12的(a)表示视角中心的主光线从导光片8的入射面16入射，在部分反射面13发生反射，至从导光片8的正面出射为止的光路。如图12的(a)所示，导光片的顶角18的角度α不为部分反射面角度θ的2倍的2θ时，在入射面16视角中心的主光线发生折射，因此发生影像的畸变。因此如图12的(b)所示通过使导光片的顶角18为2θ，视角中心的主光线不发生折射地从导光片出射，因此能够消除影像畸变。

另外，如图12的(c)所示，也可以配置校正影像畸变的三角棱镜32。影像光相对于三角棱镜入射面55垂直地入射，在三角棱镜出射面54使影像光以规定的角度γ折射并出射，由此校正由在导光片的入射面16的折射导致的影像畸变。当导光片的顶角18的角度为α、部分反射面角度为θ时，将导光片的折射率设为n，使角度γ为arcsin(nsin(2θ－α))就能够校正影像畸变。为了以角度arcsin(nsin(2θ－α))折射并使影像光出射，使三角棱镜32为与导光片8相同的介质或者由折射率大致相等的介质等形成，且顶角31的角度β满足β＝2θ－α的三角棱镜32即可。

在图12的(c)的构成中，与图12的(b)的构成相比导光片的入射面16变大，能够增加入射到导光片的光量，能够提高影像显示装置整体的光利用率。从基片切割来制造导光片的情况下，对于顶角18的角度α与θ大致相等的形状，裁切入射面的工序减少，因此在制造方面是有利的。因此从制造方面的观点出发优选使α＝β＝θ。

接着，在配置光瞳放大棱镜9的情况下，如图13的(a)所示在光瞳放大棱镜9的出射位置后配置三角棱镜32即可。如上所述，为了以角度arcsin(nsin(2θ－α))折射并使影像光出射，三角棱镜32为与导光片8相同的介质或者由折射率大致相等的介质形成，使顶角31的角度β为β＝2θ－α即可。

另外，如图13的(b)所示，也可以为没有三角棱镜32，而使光瞳放大棱镜9具有影像畸变校正的功能。即，通过使影像光在光瞳放大棱镜9的出射面23以规定的角度γ折射地出射，来校正因在导光片的入射面16的折射导致的影像畸变。在导光片的顶角18的角度为α，部分反射面角度为θ时，将导光片的折射率设为n，使角度γ为arcsin(nsin(2θ－α))即可校正影像畸变。对为了以角度arcsin(nsin(2θ－α))折射并使影像光出射的光瞳放大棱镜9的一例进行说明，使光瞳放大棱镜9为与导光片相同的介质或者由折射率大致相等的介质形成，使光瞳放大棱镜角度33的角度δ为钝角，满足δ＝2θ+90度即可。

图13的(c)表示图13的(a)的虚线F处的截面图，图13的(d)表示图13的(b)的虚线G处的截面图。比较图13的(d)和图13的(c)可知，通过使光瞳放大棱镜9具有影像畸变校正的功能而使部分反射面变长，形成上述的重叠，从出射均匀的出瞳的观点出发是有效的。另外，通过使光瞳放大棱镜9具有影像畸变校正的功能，能够减少影像显示装置1的部件数量，能够实现成本的降低、质量的减小、尺寸的减小。

另外，如图14所示，也可以使部分反射面13的角度与导光片表面相差180度。该情况下用户的眼睛相对于导光片8位于与图13的(a)、(b)的相反一侧。

＜光瞳放大棱镜的杂散光＞

图15是说明本实施例中的入射到光瞳放大棱镜的影像光的光路的图。即，表示从投射光学组件10出射并入射到光瞳放大棱镜9，在光瞳放大棱镜9的内部传播的影像光的光线的一例的图。

在图15中，为了不使影像畸变而需要光线56所示的视角中心的主光线垂直入射到光瞳放大棱镜的入射面22和出射面23。在光瞳放大棱镜的入射面与出射面所成的角57为直角的情况下，使部分反射面24和与出射面23正交的面所成的角度Ψ为45度即可。

光线34在图15的(a)中是从投射光学组件10出射的光线的角度最朝右的光线。以如光线34那样的角度入射的光，如光线35那样在出射面23或者侧面37发生全反射并如光线36那样出射时将反转的影像投射向用户。

为了防止这种情况，如图15的(b)所示使投射光学组件10倾斜地对光瞳放大棱镜9进行入射的方式是有效的。此时，以投射光学部倾斜的角度Φ使光瞳放大棱镜9的光瞳放大棱镜的入射面与出射面所成的角57倾斜，使部分反射面的角度Ψ比45度大而Ψ＝45度+Φ÷2，由此能够消除发生全反射而如光线36那样出射的光。此外，视角中心的主光线垂直入射到光瞳放大棱镜的入射面22和出射面23，因此也不发生影像的畸变。如上所述为了消除全反射杂散光，当将光瞳放大棱镜9的折射率设为n，将垂直方向的视角设为FOV_V时，需要使所需的倾斜角度Φ为arcsin(sin(FOV_V÷2)÷n)以上。

另外，优选对光瞳放大棱镜9的侧面25、26、27、37实施磨砂或者涂黑的任一种或者两种处理。由此能够防止由入射到侧面25、26、27、37的光导致产生反转影像的杂散光。

＜光瞳放大棱镜的裁切＞

下面，从小型化的观点对光瞳放大棱镜9的外形进行说明。图16是表示从上侧观察光瞳放大棱镜9的图，光束直径38表示从投射光学部出射的影像光中光束最大的直径。在图16的(a)所示的光瞳放大棱镜9中能够裁切没有光束直径38的区域。在图16的(b)、(c)中示出了一例。图16的(b)是以侧面37与侧面25平行的方式进行了裁切的光瞳放大棱镜9。图16的(c)是为了以不削减光束直径38的方式小型化而对图16的(b)进一步进行了裁切的光瞳放大棱镜9。图16的(b)、(c)与图16的(a)相比较小型，构成外形的边增加了一个，与图16的(a)的光瞳放大棱镜9相比，用于裁切的工序增多。另外，将图16的(b)和(c)相比较，侧面37与侧面25平行的图16的(b)的光瞳放大棱镜9这一者用于裁切的治具减少，因此能够低廉地制造。以上，示出了没有削减光束直径38那样的一例，不过以小型化为重点时，也可以进行削减光束直径38那样的裁切。

如上所述，依照本实施例，提供眼动范围大，且能够以较高的光利用率并且减少亮度不均地显示均匀影像的影像显示装置，以及使用该影像显示装置的HMD。

【实施例2】

图17是本实施例中的影像显示装置的构成图。在图17中，(a)表示从导光片8的正面侧观察的图，(b)表示从导光片8的上侧观察的图。在图17中，对与图4相同的构成标注相同的附图标记，省略其说明。在图17中，与图4不同之处在于，代替光瞳放大棱镜9而具有光瞳放大棱镜39，影像生成部4和投射光学组件10配置于光瞳放大棱镜39的纸面横向。

图18是说明本实施例中的光瞳放大棱镜39的构成的图。在图18中，(a)、(b)和(c)分别表示光瞳放大棱镜39的主视图、侧视图和俯视图。

在图18中，光瞳放大棱镜39具有入射面41、出射面23，具有用于将多个部分反射面24与影像光结合的反射面40。本实施例的光瞳放大棱镜39除了用于复制出瞳的部分反射面24之外，在具有用于使来自投射光学部的影像光结合的反射面40这一方面也不同于图4。

用于与多个部分反射面24结合的反射面40彼此大致平行。在图18中示出了作为一例具有4个部分反射面24的光瞳放大棱镜39，不过部分反射面的个数少于4个或多于4个都可以。

从作为投射光学部的投射光学组件10出射的影像光，从入射面41入射到光瞳放大棱镜39，在用于结合的反射面40发生反射并在多个部分反射面24发生反射或者透射，并被出射。

图19是说明本实施例中的光瞳放大棱镜复制的出瞳的图。即，示意性地表示了投射光学组件10的主光线与由光瞳放大棱镜39复制的出瞳29的位置关系。实际上，也考虑在部分反射面24发生2次以上反射的光路，不过图19所示的光路从光利用率的观点出发也为影像光的主成分，省略了发生2次以上反射的光路。

图19示出了作为一例具有4个部分反射面24的光瞳放大棱镜39。部分反射面的个数少于4个或多于4个都可以。如实施例1所述的那样，为了以不发生影像的缺失、暗线的方式复制出瞳，需要所复制的多个出瞳29重叠。即，使部分反射面24的间隔L1、L2、L3小于出瞳直径即可。换言之，使部分反射面24的间隔L1、L2、L3小于投射透镜直径46即可。依照这样的构成，光瞳放大棱镜39能够以不发生影像的缺失、暗线的方式复制出瞳。

下面，对用于出射均匀的出瞳的光瞳放大棱镜39和投射光学组件10的构成进行说明。

为了出射均匀的出瞳，需要将部分反射面24重叠(overlap)以使得在第N部分反射面24发生了反射的光全部透射第N－1部分反射面24。(N为2以上的整数)。另外，如图19所示，使通过投射光学组件10的中心轴的光在反射面40发生了反射的光轴H，相对于光瞳放大棱镜39的中心轴D，向与光瞳放大棱镜39的出射方向相反的方向如E所示那样偏心地配置，由此被第N的部分反射面24反射并出射的出瞳能够全部透射第N－1的部分反射面24。依照这样的构成，能够使出瞳29无亮度不均地进行出射。

另外，如实施例1所述，为了防止由光瞳放大棱镜的侧面、出射面的全反射导致的影像反转，使部分反射面24与反射面40的角度Ψ比45度大而Ψ＝45度+Φ÷2即可。如上所述为了消除全反射杂散光，将光瞳放大棱镜39的折射率设为n，将垂直方向的视角设为FOV_V时，需要使所需的倾斜角度Φ为arcsin(sin(FOV_V÷2)÷n)以上。

如上所述，依照本实施例，用于使影像光结合的反射面40设置于光瞳放大棱镜39的内部，因此能够将影像生成部4和投射光学组件10配置在光瞳放大棱镜39的横向，能够提高影像显示装置1的设计的自由度。

【实施例3】

图20是本实施例中的影像显示装置的构成图。在图20中，(a)表示从导光片8的正面侧观察的图，(b)表示从导光片8的上侧观察的图。在图20中，对与图4相同的构成标注相同的附图标记，省略其说明。在图20中，与图4不同之处在于，代替光瞳放大棱镜9而具有光瞳放大棱镜42，将影像生成部4和投射光学组件10配置在光瞳放大棱镜42的纸面横向。图21的(a)、(b)和(c)分别是本实施例中的光瞳放大棱镜42的主视图、侧视图和俯视图。

在图21中，光瞳放大棱镜42具有入射面43、出射面23，具有至少2个以上的大致平行的部分反射面44和至少2个以上的大致平行的部分反射面45。部分反射面44和部分反射面45不平行，而部分反射面44与部分反射面45所成的角可以为大致90度，也可以为90度以外。

从作为投射光学部的投射光学组件10出射的影像光，从入射面43入射到光瞳放大棱镜42。入射到光瞳放大棱镜42的影像光在部分反射面44或者部分反射面45发生反射或者透射，由此复制投射光学部的出瞳，并从光瞳放大棱镜42的出射面23出射。

依照本实施例，用部分反射面44和部分反射面45在上下方向复制出瞳，由于进行出射，因此能够将作为投射光学部的投射光学组件10配置在导光片8的中央部。因此，能够提高影像显示装置的设计的自由度。此外，与实施例1和实施例2的光瞳放大棱镜相比，构成为从入射面43至出射面23的距离变短，容易使投射光学部的出瞳接近导光片入射面。因此，能够提高导光片的耦合效率，减少导光片入射时的出瞳的缺失。

【实施例4】

图22是本实施例中的影像显示装置的构成图。在图22中，(a)表示从导光片8的正面侧观察的图，(b)表示从导光片8的上侧观察的图。在图22中，对与图4相同的构成标注相同的附图标记，省略其说明。在图22中，与图4不同之处在于，代替光瞳放大棱镜9而具有影像光复制部47，影像光复制部47具有多个衍射区域48、49。

在图22中，从作为投射光学部的投射光学组件10出射的影像光入射到衍射区域48时，影像光发生衍射，进入影像光复制部47的内部，在影像光复制部47的内部通过全反射而在图的垂直方向上传播。全反射导光的过程中影像光每次达到衍射区域49时一部分的光发生衍射，影像光被复制，从影像光复制部47出射。

在图22中示出了作为一例用影像光复制部47在垂直方向上复制了4个出瞳的情况。如实施例1中所述，为了以不产生影像的缺失、暗线的方式复制出瞳，需要所复制的多个出瞳重叠。即，使图22所示的复制间隔L1、L2、L3小于出瞳直径，需要小于投射透镜直径46。依照这样的构成，影像光复制部47能够以不产生影像的缺失、暗线的方式复制出瞳。

另外，如图23所示可以在在导光片51设置多个衍射区域52、53，也可以构成为导光片51具有影像光复制部47。该情况下，构成衍射区域的衍射光栅能够通过例如反射型的体积全息图、透射型的体积全息图来实现。同样，为了不产生影像的缺失、暗线的方式复制出瞳，需要出瞳重叠，可以使复制间隔L1、L2、L3小于出瞳直径，也需要小于投射透镜直径46。依照这样的构成，影像光复制部47能够以不产生影像的缺失、暗线的方式复制出瞳。

依照本实施例，与借助内部的部分反射面复制出瞳的光瞳放大棱镜9相比，通过使用衍射光栅或者反射型的体积全息图、透射型的体积全息图，能够使影像光复制部小型化。

以上对实施例进行了说明，但是本发明并不限定于上述的实施例，而包含各种各样的变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地进行了说明的内容，并不一定限定于具有所说明的所有构成。另外，能够将某一实施例的构成的一部分置换为其他实施例的构成，而且也能够在某一实施例的构成中增加其他实施例的构成。另外，对于各实施例的构成的一部分，能够追加、删除、置换其他构成。

Claims (16)

1.一种向用户投射影像的影像显示装置，其特征在于：

该影像显示装置包括：

生成影像光的影像生成部；

投射该影像生成部所生成的影像光的投射光学部；

复制该投射光学部所投射的影像光，并使该影像光出射的影像光复制部；和

使该影像光复制部所复制的影像光向用户投射的导光部，

所述投射光学部具有至少一个投射透镜，

所述影像光复制部复制影像光的间隔小于所述投射透镜的外径，

所述影像光复制部由棱镜构成，所述棱镜包括：供影像光入射的入射面；将入射的影像光的一部分反射并使一部分透射的多个部分反射面；和使所复制的影像光出射的出射面，

所述多个部分反射面相对于所述入射的影像光的光轴倾斜地配置，所述多个部分反射面的间隔小于所述投射透镜的外径，

所述投射透镜的光轴以相对于所述棱镜的中心轴向与所述棱镜的出射方向相反的方向偏心的方式配置。

2.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述影像光复制部具有：靠近所述入射面的第一部分反射面；和仅次于所述第一部分反射面地靠近所述入射面的第二部分反射面，在所述第二部分反射面的反射光全部透射所述第一部分反射面。

3.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

以所述棱镜复制影像光的方向为第一方向，

所述多个部分反射面各自的反射率随着从所述入射面侧起沿第一方向去而变高。

4.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述棱镜中的所述多个部分反射面的间隔为1mm至15mm的范围内。

5.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述棱镜中的所述部分反射面和与所述出射面正交的面所成的角度大于45度。

6.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述棱镜中的所述部分反射面是利用光胶接合的。

7.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述棱镜具有影像畸变校正功能。

8.如权利要求7所述的影像显示装置，其特征在于：

所述影像畸变校正功能是能够在所述棱镜出射影像光时将该影像光以规定的角度折射后并使其出射的功能。

9.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述投射光学部的出瞳位于比所述投射光学部靠近所述影像光复制部的位置。

10.如权利要求9所述的影像显示装置，其特征在于：

所述投射光学部的出瞳位于所述影像光复制部的内部。

11.如权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于：

所述导光部为导光片，所述导光片的内部具有：

供影像光入射的入射面；

使所入射的影像光一边进行全反射一边进行传播的平行的第一内部反射面和第二内部反射面；和

用于投射影像的多个平行的部分反射面阵列。

12.如权利要求11所述的影像显示装置，其特征在于：

所述导光片中的所述部分反射面阵列与所述第一内部反射面或所述第二内部反射面所成的角度为18度至30度的范围内。

13.如权利要求12所述的影像显示装置，其特征在于：

所述导光片以从该导光片的出射方向观察时所述部分反射面阵列没有重叠且没有间隙的方式配置。

14.如权利要求13所述的影像显示装置，其特征在于：

所述部分反射面阵列的反射率为15％以下。

15.一种向用户投射影像的影像显示装置，其特征在于：

该影像显示装置包括：

生成影像光的影像生成部；

投射该影像生成部所生成的影像光的投射光学部；

复制该投射光学部所投射的影像光，并使该影像光出射的影像光复制部；和

使该影像光复制部所复制的影像光向用户投射的导光部，

所述投射光学部具有至少一个投射透镜，

所述影像光复制部复制影像光的间隔小于所述投射透镜的外径，

所述影像光复制部由棱镜构成，所述棱镜包括：供影像光入射的入射面；将从该入射面入射的影像光反射的反射面；用于复制在该反射面发生了反射的影像光的多个部分反射面；和使该复制的影像光出射的出射面，

所述多个部分反射面相对于所述入射的影像光的光轴倾斜地配置，所述多个部分反射面的间隔小于所述投射透镜的外径，

所述投射光学部和所述棱镜以通过所述投射透镜的中心轴的光在所述反射面发生了反射的光轴相对于所述棱镜的中心轴向与该棱镜的出射方向相反的方向偏心的方式配置。

16.一种头戴式显示器，其特征在于，

搭载有：向用户投射影像的影像显示装置；用于检测外部信息的检测单元；用于与外部服务器通信的通信单元；供给电源的电源供给单元；用于存储信息的存储介质；供用户进行操作的操作输入单元；和进行装置整体的控制的控制部，

所述影像显示装置包括：

生成影像光的影像生成部；

投射该影像生成部所生成的影像光的投射光学部；

复制该投射光学部所投射的影像光，并使该影像光出射的影像光复制部；和

使该影像光复制部所复制的影像光向用户投射的导光部，

所述投射光学部具有至少一个投射透镜，

所述影像光复制部由棱镜构成，所述棱镜包括：供影像光入射的入射面；将入射的影像光的一部分反射并使一部分透射的多个部分反射面；和使所复制的影像光出射的出射面，

所述多个部分反射面相对于所述入射的影像光的光轴倾斜地配置，所述多个部分反射面的间隔小于所述投射透镜的外径，

所述投射透镜的光轴以相对于所述棱镜的中心轴向与所述棱镜的出射方向相反的方向偏心的方式配置。

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