CN112997108B - 观察光学系统和图像显示装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的观察光学系统包括：反射光学设备(30)，包括至少一个反射面(31)；第一透镜组(10)，部署在比反射光学设备(30)更靠近入射光瞳(E.P.)的位置处，在反射面(31)上或在比反射面(31)更靠近入射光瞳(E.P.)的位置处形成虚像的中间像(40)，虚像的中间像(40)与在图像显示单元(2)上显示的图像对应；以及第二透镜组(20)，部署在从入射光瞳(E.P.)侧执行光线追踪的情况下的光依次通过第一透镜组(10)、中间像(40)和反射光学设备(30)之后的光路上，使入射光瞳(E.P.)的像(50)形成在光被反射面(31)反射之后的光路上。

Description

观察光学系统和图像显示装置

技术领域

本公开涉及适合于头戴式显示器(HMD)等的观察光学系统和图像显示装置。

背景技术

作为图像显示装置，已知头戴式显示器(例如参见专利文献1至5)。

引文列表

专利文献

专利文献1：日本未审查的专利申请公开号2017-211474

专利文献2：日本未审查的专利申请公开号2018-106167

专利文献3：日本未审查的专利申请公开号H10-153748

专利文献4：日本未审查的专利申请公开号2004-341411

专利文献5：日本未审查的专利申请公开号2013-25102

发明内容

将显示装置主体戴在眼前而长时间使用头戴式显示器。因此，可以要求观察光学系统和显示装置主体的尺寸小且重量轻。此外，还可以要求能够以宽视角观察图像。

期望提供使得能够既实现视角的增大又实现尺寸和重量的减小的观察光学系统和图像显示装置。

根据本公开的实施例的观察光学系统包括反射光学设备、第一透镜组和第二透镜组。所述反射光学设备包括至少一个反射面。所述第一透镜组部署在比所述反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处。所述第一透镜组在所述反射面上或者在比所述反射面更靠近所述入射光瞳的位置处形成虚像的中间像。所述虚像的中间像与在图像显示单元上显示的图像对应。第二透镜组部署在从所述入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过所述第一透镜组、所述中间像和所述反射光学设备之后的光路上。所述第二透镜组被部署为使所述入射光瞳的像形成在光被所述反射面反射之后的光路上。

根据本公开的实施例的图像显示装置包括图像显示单元和观察光学系统。所述观察光学系统对在所述图像显示单元上显示的图像进行放大。所述观察光学系统包括反射光学设备、第一透镜组和第二透镜组。所述反射光学设备包括至少一个反射面。所述第一透镜组部署在比所述反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处。所述第一透镜组在所述反射面上或者在比所述反射面更靠近所述入射光瞳的位置处形成虚像的中间像。所述虚像的中间像与在所述图像显示单元上显示的图像对应。第二透镜组部署在从所述入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过所述第一透镜组、所述中间像和所述反射光学设备之后的光路上。所述第二透镜组被部署为使所述入射光瞳的像形成在光被所述反射面反射之后的光路上。

在根据本公开的实施例的观察光学系统或图像显示装置中，第一透镜组部署在比反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处，并且在反射面上或者在比反射面更靠近入射光瞳的位置处形成虚像的中间像。虚像的中间像与在图像显示单元上显示的图像对应。第二透镜组部署在从入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过第一透镜组、中间像和反射光学设备之后的光路上，并且使入射光瞳的像形成在光被反射面反射之后的光路上。

附图说明

图1是图示将使用根据本公开的实施例的观察光学系统的图像显示装置安装在观看者的头部的状态的示例的配置图。

图2是图示以0度倾斜角使用平面镜的观察光学系统中的反射光的状态的示例的说明图。

图3是图示以15度倾斜角使用平面镜的观察光学系统中的反射光的状态的示例的说明图。

图4是图示使用椭圆镜的观察光学系统中反射光的状态的示例的说明图。

图5是根据本公开的实施例的观察光学系统和图像显示装置的配置示例的示意性光学系统横截面图。

图6是根据第一比较例的观察光学系统和图像显示装置的配置示例的示意性光学系统横截面图。

图7是根据第二比较例的观察光学系统和图像显示装置的配置示例的示意性光学系统横截面图。

图8是根据实施例的观察光学系统和图像显示装置的第一变型的示意性光学系统横截面图。

图9是根据实施例的观察光学系统和图像显示装置的第二变型的示意性光学系统横截面图。

图10是根据示例1的观察光学系统和图像显示装置的配置的光学系统横截面图。

图11是根据示例2的观察光学系统和图像显示装置的配置的光学系统横截面图。

图12是根据示例3的观察光学系统和图像显示装置的配置的光学系统横截面图。

具体实施方式

在下文中，参考附图详细描述本公开的实施例。注意，将按以下次序给出描述。

0.比较例

1.概述(图1至图9)

1.1根据本公开的实施例的观察光学系统和图像显示装置的概述

1.2效果和变型

2.光学系统的数值示例(图10至图12)

3.其他实施例

<0.比较例>

关于头戴式显示器，期望高分辨率和大视角。现有的头戴式显示器主要被配置为通过透镜(单个透镜，或者有时是用于像差校正的多个透镜)观看显示面板，并且利用几英寸尺寸的显示面板来实现大视角。然而，当利用这样的面板尺寸来增加像素数量以提高分辨率时，存在以下问题：制造变得困难，导致成品率差，从而增加了成本。同时，最近已经开发出被称为微型显示器的约为1英寸(对角线25.4mm)的小尺寸4K面板。因而，使用这样的4K面板来提高头戴式显示器的分辨率是合理的。

然而，在包括具有单个透镜的观察光学系统的现有头戴式显示器中使用微型显示器的情况下，视角随着面板尺寸减小而减小。为了补偿这个缺点，长期以来一直在开发以小的面板尺寸实现大的视角的观察光学系统。

在这样的开发中，将多个观察光学系统和显示面板组合以整体上获得大的视角的技术(例如拼接(tiling)技术)越来越多。相对于此，参考稍后描述的本公开的实施例，给出了针对一只眼睛仅使用尺寸为1英寸(对角线25.4mm)或更小的一个显示面板(即，针对双眼使用两个显示面板)来既实现110度或更大的水平视角又实现头戴式显示器所需的尺寸和重量的减小的观察光学系统。1英寸面板的对角线的一半是12.7mm。因此，使用55度的半视角，通过近轴计算确定的焦距为8.9mm。因为当考虑眼球的旋转时光瞳直径需要为大约12mm，因此对于相机透镜而言，F数等同于0.8或更小的广角透镜的规格，这作为透镜的规格是非常难以实现的。

专利文献1(日本未审查的专利申请公开号2017-211474)和专利文献2(日本未审查的专利申请公开号2018-106167)中描述的观察光学系统是基于当前商品化的光学类型而开发的。

专利文献1(日本未审查的专利申请公开号2017-211474)中描述的观察光学系统通过使用两个菲涅耳透镜实现了45度的半视角。因为专利文献1中描述的技术并非旨在减小面板尺寸，因此如果使用这样的面板尺寸来提高分辨率(增加像素数量)，则变得相当昂贵。

专利文献2(日本未审查的专利申请公开号2018-106167)中描述的使用包括菲涅耳透镜的三个透镜的观察光学系统以对角线19.9mm的像面尺寸(面板尺寸)实现了80度的视角，使得能够使用小的显示面板。然而，利用专利文献2中描述的观察光学系统的配置，当尝试以小的显示面板实现大的视角时，光路被设计为在中间弯曲多次，这有时会导致产生大的像差。专利文献2没有教导将水平视角增大到110度或更大。难以利用如此小的显示面板来获得110度以上的大视角。

同时，虽然没有被大量商业化，然而以小显示面板来实现宽视角的另一种方式是使用在观察光学系统中暂时形成中间像的中继光学系统。

专利文献3(日本未审查的专利申请公开号H10-153748)和专利文献4(日本未审查的专利申请公开号2004-341411)各自公开了使用自由曲面棱镜的中继光学系统。专利文献3和专利文献4中的每篇专利文献中描述的中继光学系统具有在棱镜中形成中间像并且利用之后的光学系统在面板的位置处以缩小的方式形成该中间像的配置。这种中继光学系统的缺点在于，当尝试减小中继光学系统的尺寸时，因为常常存在光路彼此重叠的光学表面，所以需要提供具有例如透射从左边入射的光并反射从右边入射的光的特性的反射面。在这样的情况下，如果在反射时满足全反射条件，则光量效率最优；然而，在视角增大的情况下，满足所有光线的全反射条件是非常困难的。因此，在实践中，需要将具有半透射特性的膜用于反射面。因而，在大多数情况下，光量的损失和杂散光是不可避免的。

此外，在专利文献3和专利文献4中的每篇专利文献中描述的中继光学系统中，在最靠近眼睛的光学设备(自由曲面棱镜)处设置了反射面。然而，光在这样的位置扩散最多。因此，随着视角的增大，自由曲面棱镜的尺寸可能大幅增加。另外，水平视角是50度，而很难进一步增大视角。

专利文献5(日本未审查的专利申请公开号2013-25102)公开了使用两个自由曲面棱镜的中继光学系统。在专利文献5中描述的中继光学系统中，也在最靠近眼睛的光学设备(自由曲面棱镜)处设置了凹反射面。如上所述，光在这样的位置扩散最多。因此，随着视角的增大，自由曲面棱镜的尺寸可能大幅增加。此外，因为光在自由曲面棱镜中仅反射一次，所以光在朝向脸的方向上返回，并且反射光通过眼睛附近。因此，除非眼睛与自由曲面棱镜之间的距离大大增加，否则难以在戴眼镜时使用。水平视角是80度，但是除非光学系统的尺寸大大增加，否则难以利用这个中继光学系统来进一步增大视角。

<1.概述>

[1.1根据本公开的实施例的观察光学系统和图像显示装置的概述]

图1图示了将使用根据本公开的实施例的观察光学系统1的图像显示装置安装在观看者4的头部的状态的示例。另外，图5图示了根据实施例的观察光学系统1和图像显示装置的横截面配置示例。

根据实施例的图像显示装置包括图像显示单元和对在图像显示单元上显示的图像进行放大的观察光学系统1。图像显示单元例如包括诸如液晶显示器或OLED(有机EL)显示器的显示面板2。显示面板2对应于本公开的技术中的“图像显示单元”的一个具体示例。

根据实施例的观察光学系统1从更靠近入射光瞳(视点)E.P.的一侧起依次包括前光学系统10、包括至少一个反射面31的反射光学设备30以及后光学系统20。前光学系统10对应于本公开的技术中的“第一透镜组”的一个具体示例。后光学系统20对应于本公开的技术中的“第二透镜组”的一个具体示例。

前光学系统10部署在比反射光学设备30更靠近入射光瞳E.P.的位置处。前光学系统10在反射面31上或者在比反射面31更靠近入射光瞳E.P.的位置处形成与在显示面板2上显示的图像对应的虚像的中间像40。注意，反射光学设备30可以包括多个反射面31。在这种情况下，中间像40形成在比从入射光瞳E.P.侧执行光线追踪的情况下的光最先入射的反射面31更靠近入射光瞳E.P.的位置处。

后光学系统20部署在从入射光瞳E.P.侧执行光线追踪的情况下的光依次通过前光学系统10、中间像40和反射光学设备30之后的光路上，并且被部署为使入射光瞳E.P.的像形成在光被反射面31反射之后的光路上。

在本公开中，作为一个实施例，给出了针对一只眼睛3仅使用尺寸为1英寸(对角线25.4mm)或更小的一个显示面板2(即，针对双眼使用两个显示面板2)从而实现110度或更大的大水平视角并且还实现头戴式显示器所需的尺寸和重量的减小的观察光学系统1。

薄的头戴式显示器(尤其是在正面方向上距眼睛3的厚度小)通常是优选的。厚的头戴式显示器的重心远离脸。这容易在使用时在脸的一部分上施加压力，这是不舒服的。在使用时下落也是问题。对于诸如上述专利文献1和专利文献2中公开的观察光学系统那样的使用单个透镜(包括使用用于像差校正的多个透镜)的观察光学系统，容易实现薄的头戴式显示器；然而，尚不知道利用1英寸(对角线25.4mm)或更小的显示面板2来实现110度或更大的大水平视角的头戴式显示器。

因此，根据实施例的观察光学系统1具有以下配置：在从入射光瞳E.P.侧执行光线追踪的情况下，暂时形成具有大于显示面板2的尺寸的中间像40，然后对中间像40进行中继以再次形成具有期望的面板尺寸的像。注意，关于本公开的实施例，除非另有说明，否则在将虚像设置为物面、将显示面板2设置为像面并且光在与观看者4观察到的实际光路相反的方向上行进的假设下给出描述。

在根据实施例的观察光学系统1中，在典型的观察光学系统中在显示面板2的位置处形成的像被暂时形成为中间像40。因而，需要之后对其进行中继的光学系统。因此，与典型的观察光学系统相比，总长度变得非常长，这容易导致与穿戴舒适性相关的问题。为了解决这个问题，如图1中所示，根据实施例的观察光学系统1具有虽然在脸的宽度的方向上尺寸增加但是在中间在朝向耳朵的方向上使光路弯曲的布置。虽然中间像40之后的附加的光学系统使头戴式显示器稍重，但与不弯曲的光路相比，使重心更靠近脸。也使得穿戴时的压力能够分布在头部的宽的区域中。这可以解决与穿戴头戴式显示器时的舒适性和稳定性相关的问题。如图1中所示，根据实施例的观察光学系统1被配置为使得当从脸的正面观看时显示面板2部署在比眼睛3更靠近耳侧并且当从脸的侧面观看时显示面板2部署在比反射光学设备30的反射面31更靠近脸侧。

在根据实施例的观察光学系统1中，如果使光路弯曲的反射面31具有正光焦度，则其在抑制变形的方向上起作用，这有利于实现宽视角。上述专利文献3等中描述的中继光学系统也包括反射面31；然而，反射面31部署在从眼睛3出射光最先到达的最靠近眼睛3的光学设备(自由曲面棱镜)处。

下面用图2至图4中所示的简单模拟描述的是，如果反射面31部署在最靠近眼睛3(入射光瞳E.P.)的位置，则难以增大视角。

图2图示了以0度倾斜角使用平面镜310的观察光学系统中的反射光的状态的示例。图3图示了以15度倾斜角使用平面镜310的观察光学系统中的反射光的状态的示例。图4图示了使用椭圆镜320的观察光学系统中的反射光的状态的示例。

图2和图3各自图示了光Lin(0°)以0度入射角入射到平面镜310的情况下的反射光Lref(0°)的光路、光Lin(+55°)以+55度入射角入射到平面镜310的情况下的反射光Lref(+55°)的光路以及光Lin(-45°)以-45度入射角入射到平面镜310的情况下的反射光Lref(-45°)的光路。图4图示了光Lin(0°)以0度入射角入射到椭圆镜320的情况下的反射光Lref(0°)的光路、光Lin(+60°)以+60度入射角入射到椭圆镜320的情况下的反射光Lref(+60°)的光路以及光Lin(-45°)以-45度入射角入射到椭圆镜320的情况下的反射光Lref(-45°)的光路。

在大视角的情况下，难以仅通过改变反射面31的倾斜度来防止所有反射光在朝向眼睛3的方向上返回。注意，专利文献5(日本未审查的专利申请公开号2013-25102)中描述的观察光学系统涉及通过单个折射面的背面反射并且反射面31也具有曲率。因此，虽然这不是如图2和图3中所示的极端示例，但是仍然难以利用增大的视角来消除在朝向眼睛3的方向上返回的光。

然而，考虑如图4中所示的示例中的偏心椭圆镜320，能够将主光线聚集到焦点。因此，如果适当地选择焦点位置，则能够实现防止返回到眼睛3的布置。例如，如图4中所示，以下布置是可能的：椭圆的一个焦点F1的位置与中间像40对应，并且椭圆的另一个焦点F2的位置与入射光瞳E.P.对应。然而，在这种情况下，图像形成性能太低(难以朝向主光线聚集除主光线以外的光线)，这使得很难配置部署在反射面31之后的光学系统。

如上所述，如在现有的光学类型中那样，通过在靠近眼睛3的位置处部署的光学设备处设置反射面31的配置，很难实现视角的增大。因而，根据实施例的观察光学系统1具有与现有的光学系统不同的新的光学系统类型的配置。

在根据实施例的观察光学系统1中，前光学系统10、反射光学设备30和后光学系统20各自具有正光焦度。

前光学系统10在与反射光学设备30中的反射面31相同的位置或者在比反射面31更靠近眼睛3侧的位置处形成中间像40。前光学系统10还在反射光学设备30中的反射面31之后(显示面板2侧)的位置处设置了光瞳。

中间像40与观察光学系统1提供的虚像共轭。另外，中间像40是实像。中间像40的尺寸大于显示面板2的面板尺寸(在显示面板2上显示的图像的尺寸)。然而，中间像40被反射光学设备30和后光学系统20缩小，并且以期望的面板尺寸形成在显示面板2上。

前光学系统10包括具有一个或多个轴对称透镜的轴对称光学系统。图5中的配置示例图示了包括第一透镜L11、第二透镜L12和第三透镜L13的三透镜配置的示例。前光学系统10可以具有菲涅耳面。在图5的配置示例中，第一透镜L11的与第二透镜L12相对的表面是第一菲涅耳面Fr1，第二透镜L12的与第一透镜L11相对的表面是第二菲涅耳面Fr2。

反射光学设备30和后光学系统20相对于前光学系统10偏心并且倾斜。反射光学设备30具有相对于前光学系统10倾斜的轴对称形状或者自由曲面形状。

后光学系统20具有至少一个自由曲面。后光学系统20是整体上不具有轴对称的轴的偏心光学系统。需要在避开朝向眼睛3的方向的同时倾斜反射光学设备30以反射光。因此，通常在反射光学设备30中产生非轴对称像差。为了校正该像差，需要使后光学系统20偏心或者对后光学系统20设置自由曲面。

在根据实施例的观察光学系统1中，在比反射光学设备30中的反射面31更靠近眼睛3侧(前光学系统10侧)形成中间像40是重要的。由此，由于反射光学设备30的作用，在反射面31的后侧(反射面31与后光学系统20之间或者在后光学系统20内部)形成光瞳的实像(入射光瞳E.P.的像)50。这使得反射面31能够部署在由中间像40和光瞳的实像50夹着的位置。因而，能够将反射光学设备30的尺寸和通过反射光学设备30的前侧和后侧的光的扩散范围限制得小。因此，即使利用大视角，也变得能够实现小尺寸的头戴式显示器。如在现有的观察光学系统中那样，如果在形成中间像40之前光入射到反射光学设备30，则光的大散布使得反射面31过大。这使得难以提供大视角。另外，即使实现了这样的设计，头戴式显示器的整体尺寸也会非常大。

图6和图7分别示意性地图示了根据第一比较例和第二比较例的观察光学系统和图像显示装置的配置示例。

图6中所示的根据第一比较例的观察光学系统对应于上述专利文献5中描述的观察光学系统的配置。根据第一比较例的观察光学系统从眼睛3侧起依次包括自由曲面棱镜110和自由曲面棱镜120。自由曲面棱镜110包括反射面111。

图7中所示的根据第二比较例的观察光学系统对应于上述专利文献3中描述的观察光学系统的配置。根据第二比较例的观察光学系统从眼睛3侧起依次包括自由曲面棱镜210和集光光学系统220。自由曲面棱镜210包括反射面211。

在图6和图7中所示的根据第一比较例和第二比较例中的任何比较例的观察光学系统中，在光从眼睛3侧入射的情况下，光被反射面111或211反射，其后形成中间像40。然而，在这种情况下，难以增大视角。相对于此，在根据实施例的观察光学系统1中，在光从眼睛3侧入射的情况下，如图5中所示，在形成中间像40之后，光被反射面31反射。因此，更容易增大视角。

[1.2效果和变型]

如上所述，通过根据实施例的观察光学系统1和图像显示装置，能够既实现视角的增大又实现尺寸和重量的减小。

通过根据实施例的观察光学系统1和图像显示装置，能够实现使用高分辨率微型显示器的具有大水平视角的小尺寸头戴式显示器。

图8示意性地图示了根据实施例的观察光学系统1和图像显示装置的第一变型。根据实施例的观察光学系统1在前光学系统10和反射面31之间具有空间。因此，部署视线检测光学系统是相对容易的。

例如，如在图8中所示的第一变型中，使用诸如红外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)的光源61向观看者4的眼睛3照射光，在前光学系统10与反射面31之间的空间中部署成像光学系统(图像形成光学系统60)，并且将眼睛3的像恒定地摄取到成像设备63中，使得能够监视眼睛3的移动。在这种情况下，在前光学系统10与反射光学设备30之间的光路中部署了作为分束器的二向色镜62。理想地，二向色镜62具有反射100％的红外光并且透射100％的可见光的特性。因此，二向色镜62分离被观看者4的眼睛3反射的来自光源61的光的反射光(红外光)和观察图像的光(可见光)。图像形成光学系统60部署在与经二向色镜62分离的反射光的光路中与观察光学系统1的出射光瞳66对应的位置处。优选的是将挡目板65部署在比图像形成光学系统60和成像设备63更靠近眼睛3侧。挡目板65适于防止观看者4观看到图像形成光学系统60和成像设备63。已经被观看者4的眼睛3反射的来自光源61的光的反射光经由图像形成光学系统60入射到成像设备63。视线位置计算器64基于由成像设备63执行的成像的结果来计算观看者4的视线位置。

图9示意性地图示了根据实施例的观察光学系统1和图像显示装置的第二变型。

如图9中所示，在根据实施例的观察光学系统1中，反射光学设备30可以是诸如具有透射外部光的半透射特性的半透射镜的反射光学设备30A。在这种情况下，如果在反射光学设备30A的后侧添加适当的附加光学系统(图像形成光学系统)80，则能够实现透视型头戴式显示器。由此，例如，使得观看者4能够观看观察图像72，该观察图像72包括显示面板2上显示的显示图像70和叠加在其上的外部图像71。外部图像71可以是外部风景，或者可以是在外部显示面板上显示的显示图像。

注意，本文描述的效果仅仅是说明性的而非限制性的，并且可以提供任何其他效果。

示例

<2.光学系统的数值实例>

[示例1]

图10图示了根据示例1的观察光学系统1A和图像显示装置的横截面配置。

如图10中所示，根据示例1的观察光学系统1A的反射光学设备30包括单个反射镜。在根据示例1的观察光学系统1A中，在反射面31的前侧(眼睛3侧)部署有三个轴对称透镜(第一透镜L11、第二透镜L12和第三透镜L13)。在它们之后立即形成中间像40。中间像40比反射面31更靠近眼睛3侧，并且光瞳的实像50形成在反射面31的后侧。

在根据示例1的观察光学系统1A中，前光学系统10具有从眼睛3侧起依次部署有第一透镜L11、第二透镜L12和第三透镜L13的三个透镜的配置。前光学系统10包括两个菲涅耳面，从而有助于减小厚度。具体而言，第一透镜L11的与第二透镜L12相对的表面是第一菲涅耳面Fr1，第二透镜L12的与第一透镜L11相对的表面是第二菲涅耳面Fr2。菲涅耳面例如形成在平坦的基板表面上。菲涅耳面的弛垂度(sag amount)的上限和下限由两个相互平行的平面确定。一般而言，第一菲涅耳面Fr1和第二菲涅耳面Fr2可以各是曲面，并且不必彼此平行。

在根据示例1的观察光学系统1A中，光瞳的实像50形成在后光学系统20中。后光学系统20包括两个自由曲面，并且校正在反射面31处产生的非轴对称像差。

注意，在根据示例1的观察光学系统1A中，眼睛3难以追随的鼻侧的视角大，并且耳侧的视角大于上下方向(尤其是上方向)的视角。然而，这是非限制性的。视角如下。

·视角

Y方向(水平)：-57.5度(耳侧)～+45度(鼻侧)

X方向(垂直)：-30度～+30度

在前光学系统10包括菲涅耳透镜的情况下，通过满足以下条件表达式(1)和(2)这两个不等式，可以实现具有良好的光学性能同时尺寸小且重量轻的图像显示装置。注意，在条件表达式(1)中，fb是前光学系统10的焦距，E是适眼距的长度。在条件表达式(2)中，在从入射光瞳E.P.侧执行光线追踪的情况下，A是中间像40的垂直方向上的像高度，B是当中间像40通过使用反射光学设备30和后光学系统20形成在显示面板2上时的垂直方向上的像高度。

1<fb/E<1.25......(1)

0.55<B/A<0.85......(2)

条件表达式(1)是限制由前光学系统10形成的中间像40的位置的条件。如果fb/E小于1，则像差恶化；如果fb/E大于1.25，则光学系统的尺寸增加。

条件表达式(2)是限制中间像40和显示面板2之间的垂直方向上的横向倍率的条件。如果B/A小于条件表达式(2)的下限，则光学系统的尺寸增加。相反，如果超过上限，则像差恶化。

注意，因为根据示例1的观察光学系统1A不是轴对称的，所以水平方向上的倍率与垂直方向上的倍率一般彼此不同，并且水平方向上的倍率与垂直方向上的倍率相比在偏心率等方面的自由度更高。

在根据示例1的观察光学系统1A中，在波长为536nm的光的情况下，前光学系统10的焦距fb为fb＝14.32mm。因为适眼距的长度为E＝13mm，所以fb/E＝1.10。这满足条件表达式(1)。

在根据示例1的观察光学系统1A中，垂直方向上的图像尺寸由水平方向上0度和垂直方向上±30度的主光线确定。在根据示例1的观察光学系统1A中执行真实的光线追踪的情况下，中间像40的垂直方向上的像高度A＝±7.36mm，并且在显示面板2上的垂直方向上的像高度B＝±5.50mm。这使得B/A＝0.747。这满足条件表达式(2)。

表1描述了根据示例1的观察光学系统1A的基本透镜数据。在表1中，第0表面指示物面(虚像)，第1表面指示入射光瞳E.P.(直径为12mm)，第8表面指示中间像40，并且第15表面指示显示面板表面(0.93英寸)。

在表1中，R指示表面的曲率半径，D指示光轴上的表面间距，Nd指示相对于d线的折射率，并且νd指示相对于d线的阿贝数。另外，在表1中，表面类型为SPH并且R值为1e+18的表面表示平面。REFR表示折射面，并且REFL表示反射面31。另外，在表1中，“SPH”表示球面，并且“ASP”表示非球面。用于非球面的表达式如下。注意，在球面的情况下，在用于非球面的表达式中设为k＝A＝B＝C＝D＝E＝F＝G＝H＝J＝0。这类似地适用于稍后描述的其他示例。

[数学表达式1]

其中

z是平行于z轴的表面的弛垂度，

c是表面顶点处的曲率(CUY)，

k是圆锥常数，

A、B、C、D、E、F、G、H和J分别是4阶、6阶、8阶、10阶、12阶、14阶、16阶、18阶和20阶非球面系数，并且

r是半径方向上的距离

另外，在表1中，“ASP-FRESNEL”表示薄菲涅耳面。在薄菲涅耳面的情况下，表面的弛垂度始终为0，仅在计算表面的法线的情况下才使用上述用于非球面的表达式(的微分值)进行计算。薄菲涅耳面是在不考虑真实形状的情况下执行光线追踪的理想情况。由于它忽略了竖直的壁部分，因此不生成杂散光。另外，在表1中，“SPS XYP”表示XY多项式表面。用于XY多项式表面的表达式如下(在10阶表达式的情况)。这类似地适用于稍后描述的其他示例。

[数学表达式2]

其中

z是平行于z轴的表面的弛垂度，

c是表面顶点处的曲率(CUY)，

k是圆锥常数，并且

C_j是单项x^myⁿ的系数。

[表1]

表2描述了根据示例1的观察光学系统1A的非球面系数。表3描述了根据示例1的观察光学系统1A的偏心率数据。偏心率数据针对每个表面描述以每个表面之前一个表面为基准的坐标(XDE、YDE、ZDE)以及欧拉角(ADE、BDE、CDE)。XDE、YDE和ZDE与偏心量对应，ADE、BDE和CDE与倾斜角对应。ADE是指反射镜或透镜以X轴为中心从Z轴方向到Y轴方向旋转的量。BDE是指其以Y轴为中心从X轴方向到Z轴方向旋转的量。CDE是指其以Z轴为中心从X轴方向到Y轴方向旋转的量。注意，将显示面板2的显示表面的横向方向设置为X轴，将垂直方向设置为Y轴，并且将垂直于显示表面的方向设置为Z轴。这类似地适用于稍后描述的其他示例。

[表2]

[表3]

另外，下面描述根据示例1的观察光学系统1A的XY多项式表面的系数。

(示例1·XY多项式表面的系数Cj)

·第9表面

C3：7.604e-002

C4：-6.646e-003

C6：-7.025e-003

C8：-8.774e-005

C10：6.387e-006

C11：-2.935e-007

C13：1.427e-006

C15：-8.103e-007

C17：-2.074e-008

C19：-5.927e-008

C21：-4.857e-009

·第10表面

C3：1.768e-001

C4：-2.533e-002

C6：-1.855e-002

C8：1.254e-004

C10：-1.291e-004

C11：-6.278e-006

C13：3.311e-006

C15：1.098e-005

C17：-1.242e-007

C19：-3.804e-007

C21：-2.045e-007

·第12表面

C3：9.553e-001

C4：-3.234e-002

C6：-5.075e-002

C8：5.306e-004

C10：1.077e-003

C11：1.275e-005

C13：-3.044e-005

C15：-2.071e-005

C17：-3.523e-007

C19：-1.891e-008

C21：-7.865e-009

[示例2]

图11图示了根据示例2的观察光学系统1B和图像显示装置的横截面配置。

如图11中所示，与根据示例1的观测光学系统1A的配置相比，根据示例2的观察光学系统1B是将反射光学设备30改变为具有自由曲面棱镜的反射光学设备30B的配置示例。反射光学设备30B包括单个反射面31和单个折射面，并且具有利特罗(Littrow)配置(入射面和出射面设置在同一表面上)。在根据示例2的观察光学系统1B中，反射面31是凹面(背反射)。然而，如果反射光学设备30B整体上具有正光焦度，则反射面31可以是平面或凸面。

根据示例2的观察光学系统1B的视角如下。

·视角

Y方向(水平)：-57.5度(耳侧)～+45度(鼻侧)

X方向(垂直)：-30度～+30度

在根据示例2的观察光学系统1B中，在波长为536nm的光的情况下，前光学系统10的焦距fb为fb＝13.36mm。因为适眼距的长度为E＝13mm，所以fb/E＝1.03。这满足条件表达式(1)。

在根据示例2的观察光学系统1B中，垂直方向上的图像尺寸由水平方向上0度和垂直方向上±30度的主光线确定。在根据示例2的观察光学系统1B中执行真实的光线追踪的情况下，中间像40的垂直方向上的像高度A＝±6.84mm，在显示面板2上的垂直方向上的像高度B＝±4.50mm。这使得B/A＝0.658。这满足条件表达式(2)。

注意，因为根据示例2的观察光学系统1B不是轴对称的，所以水平方向上的倍率与垂直方向上的倍率一般彼此不同，并且水平方向上的倍率与垂直方向上的倍率相比在偏心率等方面的自由度更高。

表4描述了根据示例2的观察光学系统1B的基本透镜数据。在表4中，第0表面指示物面(虚像)，第1表面指示入射光瞳E.P.(直径为12mm)，第8表面指示中间像40，并且第15表面指示显示面板表面(0.93英寸)。在表4中，R表示表面的曲率半径，D表示光轴上的表面间距，Nd表示相对于d线的折射率，并且νd表示相对于d线的阿贝数。另外，在表4中，表面类型为SPH并且R值为1e+18的表面表示平面。REFR表示折射面，REFL表示反射面31。在表4中，“SPH”表示球面，“ASP”表示非球面。用于非球面的表达式与示例1中的表达式类似。如示例1中那样，“ASP-FRESNEL”表示薄菲涅耳面。在表4中，“SPS XYP”表示XY多项式表面。用于XY多项式表面的表达式与示例1中的表达式类似。

表5描述了根据示例2的观察光学系统1B的非球面系数。表6描述了根据示例2的观察光学系统1B的偏心率数据。偏心率数据针对每个表面描述以每个表面之前一个表面为基准的坐标以及欧拉角。

[表4]

[表5]

[表6]

另外，下面描述根据示例2的观察光学系统1B的XY多项式表面的系数。

(示例2·XY多项式表面的系数Cj)

·第9表面

C3：2.224e-001

C4：1.243e-003

C6：-1.040e-002

C8：2.434e-004

C10：4.386e-006

C11：-4.386e-006

C13：-1.198e-005

C15：-3.244e-006

C17：-7.329e-008

C19：1.500e-007

C21：2.618e-008

·第10表面

C3：8.089e-002

C4：-4.965e-003

C6：-7.940e-003

C8：9.300e-005

C10：-3.885e-005

C11：-1.196e-006

C13：-4.240e-006

C15：-8.251e-007

C17：-6.626e-008

C19：-1.555e-009

C21：2.364e-009

·第11表面

C3：2.224e-001

C4：1.243e-003

C6：-1.040e-002

C8：2.434e-004

C10：4.386e-006

C11：-4.386e-006

C13：-1.198e-005

C15：-3.244e-006

C17：-7.329e-008

C19：1.500e-007

C21：2.618e-008

·第12表面

C3：-1.867e-001

C4：-3.526e-002

C6：-3.206e-002

C8：-3.402e-004

C10：-2.008e-004

C11：-2.036e-006

C13：-6.142e-006

C15：-5.528e-006

C17：-3.819e-007

C19：-5.592e-007

C21：3.134e-008

[示例3]

图12图示了根据示例3的观察光学系统1C和图像显示装置的横截面配置。

根据示例1的观察光学系统1A和根据示例2的观察光学系统1B各自使用菲涅耳透镜；然而，本公开的技术不一定需要菲涅耳透镜。在不使用菲涅耳透镜的情况下，不生成杂散光，这是有利的。因此，在一些情况下，优选地不设置菲涅耳透镜。在根据示例3的观察光学系统1C中，前光学系统10具有包括第一透镜L11和第二透镜L12的两个透镜的配置。

如图12中所示，与示例1和2相比，在根据示例3的观察光学系统1C中，中间像40形成在更靠近反射面31的位置处。同时，光瞳的实像50形成在离反射面31更远的位置处。这是因为在前光学系统10中没有使用菲涅耳透镜而是使用了具有低折射率的树脂透镜。如果在前光学系统10中使用具有高折射率的玻璃，则能够更靠近前光学系统10形成中间像40。因而，虽然重量增加，但仍能够减小尺寸。

根据示例3的观察光学系统1C的视角如下。

·视角

Y方向(水平)：-60度(耳侧)～+45度(鼻侧)

X方向(垂直)：-30度～+30度

在根据示例3的观察光学系统1C中，在波长为536nm的光的情况下，前光学系统10的焦距fb为fb＝45.70mm。因为适眼距的长度为E＝13.7352mm，所以fb/E＝3.33。这不满足条件表达式(1)。

在根据示例3的观察光学系统1C中，垂直方向上的图像尺寸由水平方向上0度和垂直方向上±30度的主光线确定。在根据示例3的观察光学系统1C中执行真实的光线追踪的情况下，中间像40的垂直方向上的像高度A＝±24.48mm，在显示面板2上的垂直方向上的像高度B＝±5.50mm。这使得B/A＝0.225。这不满足条件表达式(2)。

在根据示例3的观察光学系统1C中，前光学系统10不包括菲涅耳透镜，并且尺寸减小没有被给予太多的优先级。因此，条件表达式(1)和(2)都不满足。

表7描述了根据示例3的观察光学系统1C的基本透镜数据。在表7中，第0表面指示物面(虚像)，第1表面指示入射光瞳E.P.(直径为14mm)，第6表面指示中间像40，并且第14表面指示显示面板表面(0.93英寸)。在表7中，R表示表面的曲率半径，D表示光轴上的表面间距，Nd表示相对于d线的折射率，并且νd表示相对于d线的阿贝数。另外，在表7中，表面类型为SPH并且R值为1e+18的表面表示平面。REFR表示折射面，REFL表示反射面31。另外，在表7中，“SPH”表示球面，“ASP”表示非球面。用于非球面的表达式与示例1中的表达式类似。在表7中，“SPS XYP”表示XY多项式表面。用于XY多项式表面的表达式与示例1中的表达式类似。

表8描述了根据示例3的观察光学系统1C的非球面系数。表9描述了根据示例3的观察光学系统1C的偏心率数据。偏心率数据针对每个表面描述以每个表面之前一个表面为基准的坐标以及欧拉角。

[表7]

[表8]

[表9]

另外，下面描述根据示例3的观察光学系统1C的XY多项式表面的系数。

(示例3·XY多项式表面的系数Cj)

·第12表面

C3：7.842e-003

C4：-2.448e-002

C6：-2.941e-002

C8：-5.076e-005

C10：-7.779e-005

C11：5.136e-008

C13：6.971e-006

C15：-3.290e-006

C17：1.537e-006

C19：6.635e-007

C21：-1.512e-007

C22：1.169e-007

C24：5.023e-008

C26：-6.346e-008

C28：-3.025e-008

·第13表面

C1：-3.589e+000

C3：1.736e-001

C4：-9.703e-003

C6：-2.240e-002

C8：3.508e-004

C10：2.776e-004

C11：-1.040e-005

C13：3.531e-005

C15：3.779e-006

C17：4.526e-007

C19：-1.386e-006

C21：-4.068e-007

C22：3.216e-007

C24：1.337e-008

C26：-8.717e-008

C28：1.114e-008

<3.其他实施例>

本公开的技术不限于以上实施例的描述，并且可以进行各种变型。

例如，本技术可以具有以下配置中的任何一种。

根据具有以下配置中的任何一种的本技术，能够实现视角的增大以及尺寸和重量的减小。

(1)

一种观察光学系统，包括：

反射光学设备，包括至少一个反射面；

第一透镜组，部署在比所述反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处，所述第一透镜组在所述反射面上或者在比所述反射面更靠近所述入射光瞳的位置处形成虚像的中间像，所述虚像的中间像与在图像显示单元上显示的图像对应；以及

第二透镜组，部署在从所述入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过所述第一透镜组、所述中间像和所述反射光学设备之后的光路上，所述第二透镜组被部署为使所述入射光瞳的像形成在光被所述反射面反射之后的光路上。

(2)

根据上述(1)所述的观察光学系统，其中，所述第一透镜组、所述反射光学设备和所述第二透镜组各自具有正光焦度。

(3)

根据上述(1)或(2)所述的观察光学系统，其中，所述中间像的尺寸大于在所述图像显示单元上显示的图像的尺寸。

(4)

根据上述(1)至(3)中的任一项所述的观察光学系统，其中，所述反射光学设备和所述第二透镜组各自相对于所述第一透镜组偏心并倾斜。

(5)

根据上述(1)至(4)中的任一项所述的观察光学系统，其中，所述反射光学设备和所述第二透镜组各自相对于所述第一透镜组偏心并倾斜。

(6)

根据上述(5)所述的观察光学系统，其中，所述反射光学设备和所述第二透镜组中的至少一个具有非轴对称的自由曲面。

(7)

根据上述(1)至(6)中的任一项所述的观察光学系统，其中，在被安装在头部的情况下，所述观察光学系统被配置为使得当从脸的正面观看时所述图像显示单元被部署在比眼睛更靠近耳侧并且当从脸的侧面观看时所述图像显示单元被部署在比所述反射光学设备的反射面更靠近脸侧。

(8)

根据上述(1)至(7)中的任一项所述的观察光学系统，其中，

满足

1<fb/E<1.25......(1)

其中fb是所述第一透镜组的焦距，并且

E是适眼距的长度。

(9)

根据上述(1)至(8)中的任一项所述的观察光学系统，其中，

在从所述入射光瞳侧执行光线追踪的情况下，

满足

0.55<B/A<0.85......(2)

其中A是所述中间像的垂直方向上的像高度，并且

B是当所述中间像在通过使用所述反射光学设备和所述第二透镜组形成在所述图像显示单元上时的垂直方向上的像高度。

(10)

根据上述(1)至(9)中的任一项所述的观察光学系统，还包括：

光源，发射要照射到观看者的眼睛的光；

分束器，部署在所述第一透镜组与所述反射光学设备之间的光路上，所述分束器分离被所述观看者的眼睛反射的来自所述光源的光的反射光；

成像光学系统，部署在被所述分束器分离后的所述反射光的光路上；以及

成像设备，经由所述成像光学系统接收所述反射光。

(11)

根据上述(1)至(10)中的任一项所述的观察光学系统，其中，所述反射面具有透射外部的光的半透射特性。

(12)

一种图像显示装置，包括：

图像显示单元；以及

观察光学系统，对在所述图像显示单元上显示的图像进行放大，

所述观察光学系统包括：

反射光学设备，包括至少一个反射面；

第一透镜组，部署在比所述反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处，所述第一透镜组在所述反射面上或者在比所述反射面更靠近所述入射光瞳的位置处形成虚像的中间像，所述虚像的中间像与在所述图像显示单元上显示的图像对应；以及

第二透镜组，部署在从所述入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过所述第一透镜组、所述中间像和所述反射光学设备之后的光路上，所述第二透镜组被部署为使所述入射光瞳的像形成在光被所述反射面反射之后的光路上。

本申请基于在2018年11月9日向日本专利局提交的日本专利申请号2018-211711以及在2019年3月14日向日本专利局提交的日本专利申请号2019-047459而要求优先权，它们各自的全部内容通过引用被合并到本文中。

应当理解的是，本领域技术人员将根据设计要求和其他因素进行各种变型、组合、子组合和变更，并且它们包含于所附权利要求书或其等同物的范围内。

Claims (11)

1.一种观察光学系统，包括：

反射光学设备，包括至少一个反射面；

第一透镜组，部署在比所述反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处，所述第一透镜组在所述反射面上或者在比所述反射面更靠近所述入射光瞳的位置处形成虚像的中间像，所述虚像的中间像与在图像显示单元上显示的图像对应；以及

第二透镜组，部署在从入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过所述第一透镜组、所述中间像和所述反射光学设备之后的光路上，所述第二透镜组被部署为使所述入射光瞳的像形成在光被所述反射面反射之后的光路上，

其中，

满足

1<fb/E<1.25......(1)

其中fb是所述第一透镜组的焦距，并且

E是适眼距的长度。

2.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，所述第一透镜组、所述反射光学设备和所述第二透镜组各自具有正光焦度。

3.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，所述中间像的尺寸大于在所述图像显示单元上显示的图像的尺寸。

4.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，所述第一透镜组是包括轴对称透镜的轴对称光学系统，所述轴对称透镜具有菲涅耳面。

5.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，所述反射光学设备和所述第二透镜组各自相对于所述第一透镜组偏心并倾斜。

6.根据权利要求5所述的观察光学系统，其中，所述反射光学设备和所述第二透镜组中的至少一个具有非轴对称的自由曲面。

7.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，在被安装在头部的情况下，所述观察光学系统被配置为使得当从脸的正面观看时所述图像显示单元被部署在比眼睛更靠近耳侧并且当从脸的侧面观看时所述图像显示单元被部署在比所述反射光学设备的反射面更靠近脸侧。

8.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，

在从所述入射光瞳侧执行光线追踪的情况下，

满足

0.55<B/A<0.85......(2)

其中A是所述中间像的垂直方向上的像高度，并且

B是当所述中间像在通过使用所述反射光学设备和所述第二透镜组形成在所述图像显示单元上时的垂直方向上的像高度。

9.根据权利要求1所述的观察光学系统，还包括：

光源，发射要照射到观看者的眼睛的光；

分束器，部署在所述第一透镜组与所述反射光学设备之间的光路上，所述分束器分离被所述观看者的眼睛反射的来自所述光源的光的反射光；

成像光学系统，部署在被所述分束器分离后的所述反射光的光路上；以及

成像设备，经由所述成像光学系统接收所述反射光。

10.根据权利要求1所述的观察光学系统，其中，所述反射面具有透射外部的光的半透射特性。

11.一种图像显示装置，包括：

图像显示单元；以及

观察光学系统，对在所述图像显示单元上显示的图像进行放大，

所述观察光学系统包括：

反射光学设备，包括至少一个反射面；

第一透镜组，部署在比所述反射光学设备更靠近入射光瞳的位置处，所述第一透镜组在所述反射面上或者在比所述反射面更靠近所述入射光瞳的位置处形成虚像的中间像，所述虚像的中间像与在所述图像显示单元上显示的图像对应；以及

第二透镜组，部署在从入射光瞳侧执行光线追踪的情况下的光依次通过所述第一透镜组、所述中间像和所述反射光学设备之后的光路上，所述第二透镜组被部署为使所述入射光瞳的像形成在光被所述反射面反射之后的光路上，

其中，

满足

1<fb/E<1.25......(1)

其中fb是所述第一透镜组的焦距，并且

E是适眼距的长度。