CN113196140B - 虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法 - Google Patents

Abstract

本虚拟图像显示设备设置有：多个图像形成元件(11和12)，该多个图像形成元件(11和12)包括将第一图像输出到观察者视场内的前部区域的第一图像形成元件(11)，和将不同于第一图像的第二图像输出到观察者视场内的外围区域的第二图像形成元件(12)，并且该多个图像形成元件(11和12)输出包括第一图像和第二图像的多个图像，以使得所述多个图像中的每个图像的至少一部分的图像区域与第一图像重叠；以及多个目镜光学系统(21和22)，该多个目镜光学系统(21和22)分别与该多个图像形成元件(11和12)对应地设置，并且从该多个图像形成作为整体的一个虚拟图像。

Description

虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法

技术领域

本公开涉及头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。

背景技术

要求头戴式虚拟图像显示装置实现高分辨率和宽视角两者以增加沉浸感。为了同时提供舒适的穿戴性，还需要减小观察者穿戴的装置的尺寸和重量。

引文列表

专利文献

PTL 1：日本未经审查的专利申请公开No.2018-5221

PTL 2：日本未经审查的专利申请公开(PCT申请的公开的日语翻译)No.2016-541031

PTL 3：日本未经审查的专利申请公开No.H11-84306

PTL 4：国际公开No.WO 2013/076994

非专利文献

NPTL1：Philipp Wartenberg等人，High Frame-Rate 1″WUXGA OLEDMicrodisplay and Advanced Free-Form Optics for Ultra-Compact VR Headsets，SID2018DIGEST，第514至517页

发明内容

一般而言，小且重量轻的头戴式虚拟图像显示装置在抑制制造成本的同时既实现高分辨率又实现宽视角是困难的。

期望提供各自使得可以为观察者提供舒适的穿戴性和沉浸感的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。

根据本公开的实施例的虚拟图像显示装置包括：多个图像形成元件；以及多个目镜光学系统。多个图像形成元件包括第一图像形成元件和第二图像形成元件。第一图像形成元件将第一图像输出到观察者的视场中的前部区域。第二图像形成元件将第二图像输出到观察者的视场中的外围区域。第二图像不同于第一图像。多个图像形成元件输出多个图像，以使多个图像中的每个图像的至少一部分的图像区域与第一图像重叠。多个图像包括第一图像和第二图像。多个目镜光学系统与多个相应的图像形成元件相关联地设置。多个目镜光学系统从多个图像形成一个虚拟图像作为整体。

根据本公开的实施例的虚拟图像显示方法包括：由多个相应的图像形成元件显示多个图像的步骤；经由与多个相应的图像形成元件对应的多个目镜光学系统输出多个图像的步骤；以及基于多个目镜光学系统的光学特性、光线束的特性和多个图像形成元件的发光特性中的至少一个特性来校正在多个图像形成元件上显示的图像的步骤，以使经由多个目镜光学系统输出的图像形成一个虚拟图像。根据观察者的瞳孔位置和瞳孔直径以及目镜光学系统中的边界面的位置和倾斜角度来几何地确定光线束的特性。

在根据本公开的实施例的虚拟图像显示装置中，多个图像形成元件输出多个图像，以使多个图像中的每个图像的至少一部分具有与第一图像重叠的图像区域。多个图像包括第一图像和第二图像。此外，与多个相应的图像形成元件相关联地设置的多个目镜光学系统从多个图像形成一个虚拟图像作为整体。

在根据本公开的实施例的虚拟图像显示方法中，基于多个目镜光学系统的光学特性、光线束的特性和多个图像形成元件的发光特性中的至少一个来校正在多个图像形成元件上显示的图像，以使经由多个目镜光学系统输出的图像形成一个虚拟图像。根据观察者的瞳孔位置和瞳孔直径以及目镜光学系统中的边界面的位置和倾斜角度来几何地确定光线束的特性。

附图说明

图1是图示在根据本公开的第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一至第四图像形成元件的部署示例和配置示例的配置图。

图2是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中由用于右眼以及左眼的相应光学单元中所包括的所有图像形成元件分别显示的多个相应的图像的视场角区域的示例的说明图。

图3是图示人眼的视场特性的概述的说明图。

图4是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一至第四目镜光学系统的配置示例以及光路的横截面视图。

图5是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一至第四目镜光学系统的配置示例的透视图。

图6是图示由在水平方向上相邻的两个目镜光学系统观察的图像的视觉识别状态的示例的说明图。

图7是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中设计在水平方向上相邻的两个目镜光学系统之间的边界面的位置的过程的示例的说明图。

图8是示意性地图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中由第一和第二目镜光学系统观察的虚拟图像的视场角范围的示例的说明图。

图9是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中设计在水平方向上相邻的两个目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度的过程的示例的说明图。

图10是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中的虚拟图像面的设计示例的说明图。

图11是图示在具有恒定虚拟图像距离的头戴式虚拟图像显示装置中聚散距离与调节距离的不匹配问题的概述的说明图。

图12是图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中控制虚拟图像距离所需的图像形成元件的移动量的示例以及比较示例的说明图。

图13是示意性地图示在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于检测视线方向的成像设备的第一至第三部署示例的说明图。

图14是示意性地图示用于允许根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置向观察者供应自然深度感的虚拟图像显示方法的说明图。

图15是图示在根据第二实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一和第二目镜光学系统的配置示例以及光路的横截面视图。

图16是图示在根据第三实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一和第二目镜光学系统的配置示例以及光路的横截面视图。

图17是图示在根据第四实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一和第二目镜光学系统的配置示例以及光路的横截面视图。

图18是图示在根据第五实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼的光学单元中所包括的第一和第二目镜光学系统的配置示例以及光路的横截面视图。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本公开的实施例。要注意的是，按照以下顺序给出描述。

0.概述

0.1比较示例

0.2根据本公开的实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的概述

1.第一实施例(图1至图14)

1.1配置和操作

1.2效果

2.第二实施例(图15)

3.第三实施例(图16)

4.第四实施例(图17)

5.第五实施例(图18)

6.其他实施例

<0.概述>

[0.1比较示例]

在通过使用目镜光学系统观察具有有限数量的像素的图像形成元件的情况下，一般而言根据视角来确定每个角度的像素数。因此分辨率和视角具有权衡关系。虽然为了在保持像素密度的同时增加像素数还存在增加图像形成元件的面积的方法，但是这并不是优选的，因为这增加了整个装置的尺寸。报告了多种技术(参见PTL 1至PTL 3和NPTL 1)来解决上述权衡关系，并实现装置尺寸和重量的减小。多种技术包括观察通过将利用多个图像形成元件和多个目镜光学系统的联接图像而获得的一个虚拟图像。此外，还存在通过使用单个图像形成元件和单个目镜光学系统来增加视角的技术(参见PTL 4)。

例如，已知一种技术，该技术使用对于每只眼睛的两个图像形成元件来增加视角，同时抑制虚拟图像显示装置的尺寸和重量的增加(例如，参见PTL 1)。

同时，还已知一种技术，该技术通过使用被划分为包括自由曲面的多个小透镜的目镜光学系统观察对于每只眼睛的一个图像形成元件，以在保持高分辨率的同时增大视角，来实现紧凑的光学设计(例如，参见PTL2)。

此外，还已知一种技术，该技术通过使用各自包括自由曲面的两个目镜光学系统观察对于每只眼睛的两个小且高清晰的图像形成元件，以在保持高分辨率的同时增大视角，来实现紧凑的光学设计(例如，参见NPTL 1)。

此外，还已知一种技术，该技术通过对从第一图像形成元件输出的具有宽视场区域的虚拟图像的一部分区域使用半反射镜并且重叠从第二图像形成元件输出的具有高分辨率的虚拟图像来仅增加观察者的注视点附近的分辨率，以获得具有高分辨率和宽视角的虚拟图像显示装置(例如，参见PTL 3)。

在PTL 1中描述的技术使用对于每只眼睛的两个图像形成元件。但是，对于部署在观察者正前方的目镜光学系统而言，至少需要约100°的垂直视场角来增加沉浸感。另外，还需要90°(鼻子侧为45°)以上的水平视场角。因此，为了通过使用包括菲涅耳透镜等的一个目镜光学系统来实现这个视角，需要若干英寸以上的图像形成元件。近年来，各自具有高像素密度的液晶显示器和OLED(有机EL)显示器已经发展成为若干英寸的图像形成设备。无论使用哪种显示器，要查看的虚拟图像具有5至6弧分的角分辨率。这低于1至2弧分的角分辨率。人眼具有1至2弧分的角分辨率。因此，难以获得足够的浸入感。

在PTL 2中描述的技术中，划分为小透镜的目镜光学系统允许进行与人眼特性对应的光学设计。但是，每只眼睛只有一个图像形成元件。这需要若干英寸的图像形成设备以实现宽视角。如上所述，与PTL 1一样，PTL 2也具有分辨率不足的问题。另外，虚拟图像的联接位置被布置为与观察者的视场中的前部区域重叠。这增加了视觉上识别图像之间的边界的风险或视觉上识别相邻小透镜之间的物理边界的风险。

在NPTL 1中描述的技术包括对于每只眼睛的两个小且高清晰的图像形成元件。每个图像形成元件的尺寸为一英寸。这是有竞争力的价格。但是，每只眼睛的水平视场角为92°并且垂直视场角为75°。这使得难以获得足够的沉浸感。为了实现至少大于等于100°的视角，考虑到对称性，每只眼睛需要四个或更多的图像形成元件。这导致较高的制造成本。

在PTL 3中描述的技术使用半反射镜并且重叠具有高分辨率的虚拟图像。因此，PTL 3中描述的技术具有大光路长度的配置。随着视角的增加，目镜光学系统的体积极大地增加。此外，在其中获得高分辨率输出的视场角区域是狭窄的。这需要在检测观察者的视线方向的同时实时动态地驱动显示区域。这导致大型的滑动机构被布置在眼前，并且使得难以实现虚拟图像显示装置的尺寸和重量的减小。

此外，PTL 4公开了一种用于头戴式显示装置的技术，该头戴式显示装置包括具有平坦的中间部分和弯曲的外围部分的图像形成元件。头戴式显示装置具有其中画面的外围部分的像素尺寸大于画面的中间部分的像素尺寸的配置。在PTL 4中描述的技术使用对于每个眼睛的单个图像形成元件和单个图像形成元件来增加视角。在PTL 4中描述的技术中，单个图像形成元件的中间部分和外围部分需要在像素尺寸和平面形状上不同。这需要特殊的制造方法。因而，在PTL 4中描述的技术在制造成本上不利。

如上所述，一般而言，小且重量轻的头戴式虚拟图像显示装置难以在抑制制造成本的同时实现高分辨率和宽视角两者。

因而，期望开发各自使得可以在抑制制造成本的同时实现高分辨率和宽视角并为观察者提供舒适的穿戴性和沉浸感的相对小且重量轻的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。

[0.2根据本公开的实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的概述]

根据本公开的实施例的头戴式虚拟图像显示装置包括输出多个图像的多个图像形成元件和与多个相应的图像相关联地设置并从多个图像中形成一个虚拟图像作为整体的多个目镜光学系统。多个图像形成元件包括显示被输出到观察者的视场中的前部区域的图像的高清晰且小的第一图像形成元件，以及各自的分辨率都低于第一图像形成元件的分辨率并且各自显示被输出到观察者的视场中的外围区域的图像的第二至第N(N表示大于等于3的整数)图像形成元件。多个目镜光学系统包括与第一图像形成元件相关联地设置的第一目镜光学系统和与第二至第N图像形成元件相关联地设置的第二至第N目镜光学系统(其它目镜光学系统)。根据实施例的头戴式虚拟图像显示装置的特征在于，由第一图像形成元件显示的第一图像不是由第二至第N图像形成元件显示的第二至第N图像中的任何图像的子集。根据实施例的头戴式虚拟图像显示装置被配置为使观察者观察经由分别适合于第一至第N图像的第一至第N目镜光学系统联接为一个虚拟图像的第一至第N图像。第一至第N图像由第一至第N图像形成元件显示。

在这种配置中，高清晰的第一图像形成元件被用于稳定的注视场以输出具有高分辨率的虚拟图像。在稳定的注视场中，人类展现出优异的视觉功能。各自的制造成本相对低的第二至第N图像形成元件被用于外围视场，以输出分辨率低于第一图像形成元件的虚拟图像的分辨率的虚拟图像。在外围视场中，人类展现出低的信息辨别能力。这使得可以防止虚拟图像显示装置具有不必要的过高的性能，并且可以优化分辨率和制造成本之间的平衡。

此外，第二至第N图像形成元件的数量和第二至第N目镜光学系统的数量以及第二至第N图像形成元件的布置和第二至第N目镜光学系统的布置根据从虚拟图像显示装置请求的视角来调整。这使得可以相对容易地实现宽视角。

此外，部署在观察者正前方的第一图像形成元件小，并且虚拟图像的视场角也限于稳定的注视场。这允许对应的第一目镜光学系统具有相对紧凑的光学设计。另外，为了进行对于宽视角的光学设计，通过使用分成多个的目镜光学系统而不是单个目镜光学系统较容易确保光学性能，并且还可以减小相应目镜光学系统的高度。结果，因此可以实现虚拟图像显示装置的整体的尺寸和重量的减小。

例如，在根据实施例的头戴式虚拟图像显示装置中，第一目镜光学系统输出具有大于等于60°且小于等于120°作为水平视场角和大于等于45°且小于等于100°作为垂直视场角的虚拟图像。因此，从第一目镜光学系统输出的虚拟图像和从第二至第N目镜光学系统输出的虚拟图像在从稳定的注视场过渡到外围视场的区域中联接在一起。这使得可以避免视觉上识别图像之间的边界的风险。另外，这种配置还减轻了视觉上识别第一目镜光学系统和与第一目镜光学系统相邻的第二至第N目镜光学系统之间的物理边界的风险。

例如，根据实施例的头戴式虚拟图像显示装置的第一图像形成元件具有大于等于2000ppi的分辨率，并且第二至第N图像形成元件各自具有小于2000ppi的分辨率。这使得可以将虚拟图像以小于等于2弧分的角分辨率输出到至少稳定的注视场。在稳定的注视场中，人类展现出优异的视觉功能。因此，可以观察等于或大于1至2弧分的角分辨率的虚拟图像。人眼具有1至2弧分的角分辨率。这允许观察者具有足够的分辨率感。

更期望地，在第一至第N目镜光学系统中，任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的位置被设计为联接从相应的目镜光学系统输出的任意的两个相邻虚拟图像，以使即使在稳定的注视场中伴随观察者的视线移动而存在眼球旋转的情况下，任意的两个相邻虚拟图像也始终具有重叠区域(参见下面描述的第一实施例、图7至图8等)。因此，即使在观察者移动视线的情况下，也可以将虚拟图像无间隙地联接在一起。这使得可以减轻视觉上识别图像之间的边界的风险。

更期望地，在第一至第N目镜光学系统中，任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度被设计为，即使在稳定的注视场中伴随着观察者视线移动而存在眼球旋转的情况下，也减少(抑制)通过边界面附近的光线束的渐晕(参见下面描述的第一实施例、图9等)。因此，即使在观察者移动视线的情况下，也可以抑制任意的两个相邻虚拟图像之间的联接位置处的光量减少。这使得可以减轻视觉上识别图像之间的边界的风险。

第一至第N目镜光学系统可以被设计为形成整体上平滑弯曲的虚拟图像面，以覆盖观察者的视场。可替代地，虽然各目镜光学系统形成平坦的虚拟图像面，但是可以将部署得较靠近外围的目镜光学系统设计为形成较倾斜的虚拟图像面，从而形成整体上离散弯曲的虚拟图像面，以覆盖观察者的视场(参见下面描述的第一实施例和图10)。因此，观察者体验如围绕观察者的视频。这允许观察者具有进一步的沉浸感。

第一至第N目镜光学系统中的至少一个目镜光学系统可以包括至少一个菲涅耳透镜(参见下面描述的第一至第四实施例，图4等)。这种配置使得可以通过使用菲涅耳透镜来减小目镜光学系统的高度。结果，因此可以实现虚拟图像显示装置的整体的尺寸和重量的减小。

第二至第N目镜光学系统可以各自被设计为具有与第一目镜光学系统的光学方案不同的光学方案的目镜光学系统(参见下面描述的第二至第四实施例以及图15至17)。

例如，第二至第N目镜光学系统可以各自被设计为其中包括自由曲面棱镜或自由曲面镜的光学方案的目镜光学系统。这种配置使得可以根据外围视场所需的光学性能来选择最优光学方案。此外，可以进行灵活的光学设计，诸如确保眼睛前方有足够的空间(从观察者的面部到最靠近眼睛的光学表面的空间)以允许观察者穿戴上具有眼镜的虚拟图像显示装置并满足由壳体设计引起的需要。

第一至第N目镜光学系统可以被设计为使得至少位于最靠近观察者的眼睛侧的面被共享为第一至第N目镜光学系统各自之间的相同的透镜面(参见下面描述的第五实施例和图18)。根据实施例的头戴式虚拟图像显示装置被设计为具有这样的区域，在该区域中，由第一至第N目镜光学系统形成的第一至第N虚拟图像中的任意的两个相邻虚拟图像重叠。根据实施例的头戴式虚拟图像显示装置部分地具有重叠区域，在每个重叠区域中，任意的两个相邻图像形成元件显示相同的图像。这种配置使得可以减小重叠区域。结果，因此可以提高所有图像形成元件的像素的使用效率。另外，在眼睛侧共享透镜面还减小了视觉上识别任意的两个相邻目镜光学系统之间的物理边界的风险。

根据本公开的实施例的头戴式虚拟图像显示装置还可以包括滑动机构，该滑动机构使得可以通过多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统来控制从观测者到虚拟图像面的距离(虚拟图像距离)(参见下面描述的第一实施例和图12)。滑动机构可以使得能够通过滑动包括在第一至第N目镜光学系统中的每个目镜光学系统中的组件(诸如透镜和透镜组)的位置以及与每个目镜光学系统对应的图像形成元件的位置来控制每个目镜光学系统的虚拟图像距离。

例如，第一至第N目镜光学系统被设计为控制从观察者前方的20mm到无穷远处的虚拟图像距离，作为距观察者的距离。因此，例如，解决了常规虚拟图像观察装置的“聚散距离与调节距离的不匹配问题”(参见下面描述的第一实施例和图11)，并且观察者在观察时感到不那么不舒服或不那么不适。

在根据本公开的实施例的虚拟图像显示方法中，通过考虑第一至第N目镜光学系统的光学特性(诸如像差和外围变暗)、根据观察者的瞳孔位置和瞳孔直径以及目镜光学系统中边界面的位置和倾斜角度几何地确定的由光线束的渐晕引起的变暗，进一步考虑第一至第N图像形成元件的发光特性(诸如光分布、色度和光谱等)，对在相应的图像形成元件上显示的图像执行校正处理(参见下面描述的第一实施例、图13等)。

这种方法使得可以无缝地联接从第一至第N目镜光学系统输出的多个虚拟图像，并且减轻视觉上识别多个图像之间的边界的风险。

更期望地，在检测观察者的视线方向的同时，根据伴随观察者视线移动的眼球旋转实时地调整对在第一至第N图像形成元件上显示的图像的校正处理。无缝地联接多个虚拟图像的校正处理根据眼球旋转的状态而变化。因此，即使在观察者移动视线的情况下，这种方法也使得可以减轻视觉上识别多个图像之间的边界的风险。

此外，在根据实施例的虚拟图像显示方法中，通过利用滑动机构滑动第一至第N目镜光学系统中的每个目镜光学系统中的组件的位置或第一至第N图像形成元件中的每个图像形成元件的位置，在检测观察者的视线方向的同时，可以根据观察者的聚散角来控制第一至第N目镜光学系统从观测者到每个虚拟图像面的虚拟图像距离。此外，结合滑动机构的操作，可以在与第一至第N目镜光学系统的倍率和观测者的聚散角对应的显示位置处调整在第一至第N图像形成元件上显示的图像，并且可以对在聚散距离之外并且观察者不注视的显示物体进行校正以使其经受模糊处理(下面描述的参见第一实施例、图14等)。

例如，这种方法解决了典型的虚拟图像显示装置的“聚散距离与调节距离的不匹配问题”，并且使得观察者在观察时感到不那么不舒服或不那么不适。此外，这种方法使得可以将从第一至第N目镜光学系统输出的第一至第N虚拟图像无缝地联接在一起，并输出具有自然深度感的虚拟图像。

以下，在适当的情况下，参考附图详细地描述根据上述本公开的相应的实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的具体的第一至第五实施例。要注意的是，在本说明书和附图中，具有基本上相同的功能配置的组件用相同的部件标号表示，并且因此省略重复的描述。

<1.第一实施例>

[1.1配置和操作]

(头戴式虚拟图像显示装置的概述)

根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置包括用于左眼30L的光学单元和用于右眼30R的光学单元。在以下描述的第一实施例和第二至第五实施例中，主要以用于右眼30R的光学单元的配置为例进行描述。但是，用于左眼30L的光学单元的配置与用于右眼30R的光学单元的配置基本相同。

在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中，用于左眼30L的光学单元和用于右眼30R的光学单元各自包括多个图像形成元件以及多个目镜光学系统，该多个图像形成元件包括第一图像形成元件11至第四图像形成元件14(参见下面描述的图1等)，该多个目镜光学系统包括与第一至第四图像形成元件11至14对应的第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24(参见下面描述的图4和5等)。

(图像形成元件的配置示例)

图1图示了根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中包括的第一图像形成元件11至第四图像形成元件14的部署示例和配置示例。要注意的是，为了说明起见，图1图示了部署在相同平面上的相应的图像形成元件，但是实际上相应的图像形成元件不部署在相同平面上。相应的图像形成元件被部署为在三维空间中适当地倾斜(参见下面描述的图5等)。

第一图像形成元件11是高清晰且小的图像形成元件。第一图像形成元件11显示输出到观察者的视场中的前部区域的图像。第一图像形成元件11具有例如7.8μm的像素间距、1英寸的对角线尺寸、2500像素的水平像素数以及2080像素的垂直像素数。第一图像形成元件11是例如M-OLED(微型有机发光二极管)。

第二图像形成元件12被部署在第一图像形成元件11的右侧。第二图像形成元件12显示输出到观察者的视场中的右外围区域的图像。第二图像形成元件12的像素间距大于第一图像形成元件11的像素间距。第二图像形成元件12具有例如65.25μm的像素间距和1.65英寸的对角线尺寸。此外，第二图像形成元件12具有例如300像素的水平像素数和550像素的垂直像素数。第二图像形成元件12是例如LTPS(低温多晶硅)-OLED。要注意的是，在用于左眼30L的光学单元的情况下，第二图像形成元件12被部署在第一图像形成元件11的左侧。第二图像形成元件12显示输出到观察者的视场中的左外围区域的图像。

第三图像形成元件13被部署在第一图像形成元件11的上侧。第三图像形成元件13显示输出到观察者的视场中的上外围区域的图像。第四图像形成元件14被部署在第一图像形成元件11的下侧。第四图像形成元件14显示输出到观察者的视场中的下外围区域的图像。第三图像形成元件13和第四图像形成元件14中的每个的像素间距大于第一图像形成元件11的像素间距。第三图像形成元件13和第四图像形成元件14各自具有例如65.25μm的像素间距。第三图像形成元件13和第四图像形成元件14各自具有例如1.55英寸的对角线尺寸。第三图像形成元件13和第四图像形成元件14各自具有例如525像素的水平像素数和260像素的垂直像素数。第三图像形成元件13和第四图像形成元件14中的每个是例如LTPS-OLED。

图2图示了多个图像中的每个图像的视场角区域的示例。对于从根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置输出的整个虚拟图像，由用于右眼30R的光学单元和用于左眼30L的光学单元中的每个中包括的所有图像形成元件分别显示多个图像。在图2中，(A)图示了由用于右眼30R的光学单元显示的第一至第四图像11R、12R、13R和14R的相应视场角区域。在图2中，(B)图示了包括由用于右眼30R的光学单元显示的第一至第四图像11R、12R、13R和14R和由用于左眼30L的光学单元显示的第一至第四图像11L、12L、13L和14L的图像的相应的视场角区域。要注意的是，图2假设由用于右眼30R的光学单元和用于左眼30L的光学单元显示的整个图像的视场角区域在中心位置处具有0°的水平视场角(视场角X)和0°的垂直视场角(视场角Y)。此外，相对于水平视场角，假设右侧为+方向，并且左侧为-方向。此外，相对于垂直视场角，假设上侧为+方向，并且下侧为-方向。对于以下其它示图也是如此。

在用于右眼30R的光学单元中，由第一图像形成元件11显示的第一图像11R的视场角区域具有例如在大于等于-40°且小于等于40°的范围内的水平视场角，以及在大于等于-30°且小于等于30°的范围内的垂直视场角。此外，在用于右眼30R的光学单元中，由第二图像形成元件12显示的第二图像12R的视场角区域具有在大于等于25°且小于等于75°的范围内的水平视场角，以及在大于等于-50°且小于等于50°的范围内的垂直视场角。此外，在用于右眼30R的光学单元中，由第三图像形成元件13显示的第三图像13R的视场角区域具有在大于等于-40°且小于等于55°的范围内的水平视场角，以及在大于等于15°且小于等于50°的范围内的垂直视场角。此外，在用于右眼30R的光学单元中，由第四图像形成元件14显示的第四图像14R的视场角区域具有在大于等于-40°且小于等于55°的范围内的水平视场角，以及在大于等于-50°且小于等于-15°的范围内的垂直视场角。

此外，在用于左眼30L的光学单元中，由第一图像形成元件11显示的第一图像11L的视场角区域具有在大于等于-40°且小于等于40°的范围内的水平视场角，以及在大于等于-30°且小于等于30°的范围内的垂直视场角。此外，在用于左眼30L的光学单元中，由第二图像形成元件12显示的第二图像12L的视场角区域具有在大于等于-75°且小于等于-25°的范围内的水平视场角，以及在大于等于-50°且小于等于50°的范围内的垂直视场角。此外，在用于左眼30L的光学单元中，由第三图像形成元件13显示的第三图像13L的视场角区域具有在大于等于-55°且小于等于40°的范围内的水平视场角，以及在大于等于15°且小于等于50°的范围内的垂直视场角。此外，在用于左眼30L的光学单元中，由第四图像形成元件14显示的第四图像14L的视场角区域具有在大于等于-40°且小于等于55°的范围内的水平视场角，以及在大于等于-50°且小于等于-15°的范围内的垂直视场角。

用于右眼30R的光学单元中的第一图像形成元件11和用于左眼30L的光学单元中的第一图像形成元件11显示相等的视场角区域。此外，用于左眼30L的光学单元和用于右眼30R的光学单元重叠各自具有大于等于-40°且小于等于40°的水平视场角以及大于等于-50°且小于等于50°的垂直视场角的视场角区域。这些视场角区域对于通过使用视差图像来向观察者提供深度感知是有效的。另外，任意的两个相邻图像被部署为具有各自具有至少大于等于15°的视场角的重叠区域。

图3图示了人眼的视场特性的概述。一般而言，据说人类能够看到水平范围约为200°且垂直范围约为125°的视场。但是，人类不能同时识别关于所有这些视场区域的多条信息。如图3中所示，人类将功能分配到相应的视场区域。

在视场的中央部分(即，视线方向上)存在被称为判别视场的区域，在该区域中，人类展现出优异的视觉功能。该角度区域的范围为±2.5°。此外，将水平范围为±15°且垂直范围为大于等于-12°且小于等于8°的区域称为有效视场。人类能够只通过移动眼睛就立即识别信息。个体之间的区别在于，人类各自在有效视场之外具有水平范围为大于等于-45°至-30°且小于等于30°至45°以及垂直范围为大于等于-40°至-25°且小于等于20°至30°的区域。这个区域被称为稳定的注视场。人类各自能够通过经由移动眼睛或移动头部实现的视线移动来有效地识别信息。另外，稳定的注视场之外的外围视场包括被称为引导视场和辅助视场的区域。在它们之中的任何一个情况下，人类都展现出低信息辨别能力。

如果考虑图3中图示的视场特性，那么由相应的图像形成元件分别显示的任意的两个相邻图像之间的联接位置从稳定的注视场中排除，从而使得可以避免在视觉上识别任意的两个相邻图像之间的边界的风险。例如，如果考虑个体之间的差异，那么一般而言优选的是任意的两个相邻图像之间的联接位置落在具有大于等于±40°作为水平视场角以及小于等于±30°作为垂直视场角的区域内。在第一实施例中，如图2中所示，由第一图像形成元件11显示的视场角区域落在大于等于-40°且小于等于40°的范围内作为水平视场角并且落在大于等于-30°且小于等于30°的范围内作为垂直视场角。如果考虑个体之间的差异，那么因此一般而言可以考虑将联接位置部署在从稳定的注视场过渡到外围视场的区域中。

(目镜光学系统的配置示例)

图4图示了在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中包括的第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24的配置示例以及光路。在图4中，(A)图示了水平横截面并且(B)图示了垂直横截面。第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24被设计为使得可以输出由与第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24对应的相应的图像形成元件分别显示的视场角区域。用于右眼30R的光学单元输出虚拟图像作为整体。虚拟图像具有在大于等于-40°且小于等于75°的范围内的水平视场角和在大于等于-50°且小于等于50°的范围内的垂直视场角。

第一目镜光学系统21包括第一L1透镜L11和第一L2透镜L12。第二目镜光学系统22包括第二L1透镜L21和第二L2透镜L22。第三目镜光学系统23包括第三L1透镜L31和第三L2透镜L32。第四目镜光学系统24包括第四L1透镜L41和第四L2透镜L42。

在第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间存在边界面72。在第一目镜光学系统21和第三目镜光学系统23之间存在边界面73。在第一目镜光学系统21和第四目镜光学系统22之间存在边界面74。

要注意的是，相应的透镜的有效直径之外的区域可以是透镜的截止区域61至64。

在第一实施例中，第一至第四目镜光学系统中的每个被光学地设计为采用菲涅耳透镜作为L1透镜和L2透镜的相对面中的每个。与仅采用标准球面透镜和标准非球面透镜的光学设计相比，这使得可以实现光学单元高度和重量的减小，并且进一步实现装置整体的高度和重量的减小。

图5图示了在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中包括的第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24的透视配置示例。第一至第四相邻目镜光学系统被布置为具有适当的边界面。这在透镜表面上形成脊线。在第一实施例中，如图2中所示，任意的两个相邻图像之间的联接位置被部署在从稳定的注视场过渡到外围视场的区域中。这也减轻了在视觉上识别出脊线的风险。

图6图示了在水平方向上相邻的两个目镜光学系统所观察到的图像的视觉识别状态的示例。如图6中所示，如果要观察的图像在由在水平方向上相邻的两个目镜光学系统形成的相应的虚拟图像之间的联接位置70处具有缺失部分或光量减少，那么图像之间的边界可以在视觉上被识别。为了避免这种风险，需要设计目镜光学系统，以将任意的两个相邻图像联接在一起，并保留有足够的重叠区域，并减少光线束的渐晕。下面参考图7至图9详细描述设计过程。

(任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面位置的设计示例)

图7图示了在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中设计在水平方向上相邻的任意的两个目镜光学系统之间的边界面的位置的过程的示例。作为示例，图7图示了在用于右眼30R的光学单元中包括的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22，作为在水平方向上相邻的任意的两个目镜光学系统。

在图7中，(A)图示了在观察者注视从观察者的瞳孔表面到第一目镜光学系统21的距离为15mm的前方并且瞳孔直径为4mm的情况下(在眼球的旋转量为0°的情况下)所观察到的视场角范围。在图7的(A)至(D)的下部的曲线图中，垂直轴各自表示边界面72的延伸线与光轴之间的交点Z，并且瞳孔面的位置被定义为Z＝0。水平轴各自表示在交点Z处观察到的视场角范围。在图7的(A)至(D)的下部的曲线图中，ω1a表示第一目镜光学系统21的最大视场角(设计值)，并且ω1b表示第一目镜光学系统21的最大视场角(有效值)，ω2a表示第二目镜光学系统22的最大视场角(设计值)，并且ω2b表示第二目镜光学系统22的最大视场角(有效值)。在图7的(A)的下部的曲线图中，第一目镜光学系统21的设计最大视场角ω1a的值为40°。这个值是由光学设计定义的视场角的上限值。第二目镜光学系统22的设计最大视场角ω2a为25°。这个值是由第二目镜光学系统22的光学设计设计的视场角的下限值。这些视场角因此重叠15°。此外，第一目镜光学系统21的有效最大视场角ω1b是第一目镜光学系统21的有效视场角的上限值。该上限值通过根据边界面72的位置由光线束中发生渐晕来确定。第二目镜光学系统22的有效最大视场角ω2b是第二目镜光学系统22的有效视场角的下限值。该下限值以类似的方式确定。因此，在边界面72的延伸线与光轴之间的交点Z被选择小于-27mm的情况下，在曲线图中没有观察到填充的视场角区域。图像在虚拟图像之间的联接位置处具有缺失部分。在图7中，(B)至(D)分别图示了在眼球在水平方向旋转10°、20°和30°的情况下通过使用第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22观察到的视场角范围。在图7的(D)中，在将交点Z选择为大于-18mm的情况下，图像在曲线图中的填充的视场角区域中具有缺失部分。为了即使在存在眼球旋转的情况下也没有缺失部分地联接图像，因此需要在大于等于-27mm且小于等于-18mm的范围内选择交点Z。在第一实施例的设计中，将与交点Z＝-23mm对应的位置用作边界面72的位置。

要注意的是，图7的设计使用边界面72作为一个平坦面，但是可以根据光路将边界面设置为在透镜之间是不同的。

图8示意性地图示了通过使用第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22观察到的虚拟图像的视场角范围的示例。在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中视场角范围与由第一图像形成元件11和第二图像形成元件12显示的第一图像11R和第二图像12R的重叠区域80对应。在图8中，(E)示意性地图示了由第一图像形成元件11和第二图像形成元件12显示的第一图像11R和第二图像12R的视场角范围。第一图像11R和第二图像12R具有重叠区域80。在图8中，(A)至(D)分别图示了在眼球在水平方向上旋转0°、10°、20°和30°的情况下由第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22观察到的虚拟图像的视场角范围。在图8的(A)和(B)中，阴影区域表示仅由第一目镜光学系统21观察到的虚拟图像的视场角区域81(仅由第一图像形成元件11观察到的第一图像11R)。没有阴影的区域表示其中从第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22输出的虚拟图像重叠并被观察到的视场角区域80A。在图8的(C)和(D)中，阴影区域表示仅由第二目镜光学系统22观察到的虚拟图像的视场角区域82(仅由第二图像形成元件12观察到的第二图像12R)。没有阴影的区域表示其中从第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22输出的虚拟图像重叠并被观察的视场角区域80A。以这种方式，第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间的边界面72的位置被设计为无间隙地联接从第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22输出的两个相邻虚拟图像，同时即使观察者的视线移动(即使存在眼球旋转)，也使得两个相邻虚拟图像始终具有重叠的区域。

要注意的是，到目前为止，已经通过考虑在水平方向上的眼球旋转参考图7和图8描述了在水平方向上相邻的两个目镜光学系统之间的边界面72位置的设计，但是类似的设计也能够被应用于垂直方向上的边界面。

(任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度的设计示例)

图9图示了在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中设计在水平方向上相邻的任意的两个目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度的过程的示例。作为示例，图9图示了在用于右眼30R的光学单元中包括的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22，作为在水平方向上相邻的任意的两个目镜光学系统。

在图9中，(A)至(D)分别图示了在眼球在水平方向旋转0°、10°、20°和30°的情况下通过反向跟踪从眼睛侧(右眼30R侧)通过第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间的边界面72附近的光线束而获得的光路。图9的(A)至(D)中所示的虚线是通过延伸边界面72而获得的直线。在从眼睛侧跟踪光线的情况下，与该边界面72相交的光线在到达最靠近眼睛侧的透镜面并被折射之后变成杂散光。这带来了由光线束的渐晕而引起的光量减少。这使联接位置处的图像变暗。另外，如图9的(A)至(D)中所示，边界面72与瞳孔面之间的位置关系根据眼球旋转而变化。这改变了通过边界面72附近的光线束的角度，并且光线束在不同位置处与边界面72相交。因此，即使在存在眼球旋转的情况下，也需要选择边界面72的倾斜角度以减少在边界面72上光线束的渐晕。在第一实施例的设计中，边界面具有22.5°的倾斜角度。

要注意的是，图9的设计使用边界面72作为一个平坦面，但是可以根据光路将边界面设置为在透镜之间具有不同的倾斜角度。

此外，为了减少光线束的渐晕，期望与边界面72接触的透镜端面具有较小的表面区域。其中使用菲涅耳透镜的设计是优选的，因为与第一实施例一样，容易减小透镜的高度。

另外，作为任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面，可以分别握住或粘合并固定单独形成的透镜。可替代地，透镜可以与透镜面不连续形状地一体形成。在使用单独形成的透镜的情况下，可以对边界面上的透镜端面进行喷砂处理或涂黑处理以防止杂散光。可以将遮光片插入边界面，或者可以在有效位置处添加遮光罩。相反，在杂散光不采取通向眼睛的路径的情况下，不需要特别地采取对策。

要注意的是，到目前为止，已经通过考虑水平方向上的眼球旋转参考图9描述了在水平方向上相邻的任意的两个目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度的设计，但是类似的设计也能够被应用于垂直方向上的边界面。

(由多个目镜光学系统形成的虚拟图像面的设计示例)

图10图示了从头戴式虚拟图像显示装置输出的虚拟图像面的设计示例。在图10中，(A)图示了其中从虚拟图像显示装置中包括的多个相应的目镜光学系统输出的虚拟图像面形成单个平坦面的设计示例。在水平视场角落在±75°的范围内并且虚拟图像距离是2.5m的情况下，观察者31观察在水平方向上具有18.7m的宽度的虚拟图像面101。在图10中，(B)图示了其中从相应的目镜光学系统输出的虚拟图像面在前部区域中形成平坦面，但在外围区域中形成弯曲面的设计示例。观察者31观察覆盖视场的平滑虚拟图像面102，从而获得进一步的沉浸感。在图10中，(C)图示了其中从各个目镜光学系统输出的虚拟图像面是平坦面，但是部署得较靠近外围的目镜光学系统输出较倾斜的虚拟图像面的设计示例。观察者31观察覆盖视场的离散虚拟图像面103。根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置具有基于图10的(C)所示的设计示例而设计的相应的目镜光学系统。与从第一目镜光学系统21输出的虚拟图像面相比，从第二目镜光学系统22输出的虚拟图像面在水平方向上倾斜30°。

要注意的是，到目前为止已经参考图10描述了水平方向上的虚拟图像面的设计。类似的设计也能够被应用在垂直方向上。

(虚拟图像距离的控制示例)

图11图示了具有恒定虚拟图像距离的常规头戴式虚拟图像显示装置中的“聚散距离与调节距离的不匹配问题”的概述。图11的(A)示意性地图示了观察者的眼睛聚焦在长距离的物体上。图11的(B)示意性地图示了观察者的眼睛聚焦在短距离内的物体上。如图11的(C)中所示，在用于右眼30R的图像形成元件和用于左眼30L的图像形成元件上显示与聚散角对应的视差图像，在聚散距离变化的情况下使观察者感到深度。但是，每个目镜光学系统都具有恒定的虚拟图像距离用于输出。因此，眼睛的调节距离没有变化。例如，聚散距离与调节距离之间的不匹配使观察者感到不舒服或不适。

为了解决“聚散距离与调节距离的不匹配问题”，根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置包括滑动机构90(参见下面描述的图12的(B))，该滑动机构90在第一目镜光学系统21的光轴方向上滑动第一图像形成元件11，以允许控制图像的虚拟图像距离。图像被输出到观察者的前部区域。

图12图示了在根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中控制虚拟图像距离所需的图像形成元件的移动量的示例以及比较示例。作为示例，图12的(B)图示了控制第一目镜光学系统21的虚拟图像距离用于从观察者前方的20mm到无穷远处输出所需的第一图像形成元件11的移动量。在图12中，(A)图示了常规的设计示例作为比较示例。在常规的设计示例中，预先假定若干英寸的图像形成元件111。目镜光学系统121具有约40mm的长焦距。这使得图像形成元件111请求5.5mm的大移动量。滑动机构需要相对大的致动器。在图12中，(B)图示了根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置的设计示例。第一目镜光学系统21具有约20mm的短焦距。这使得第一图像形成元件11需要1.5mm的小移动量。如滑动机构90那样，它可以采用包括压电元件等的相对小且响应灵敏的致动器。因此，根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置能够以相对小和重量轻的配置来控制虚拟图像距离。

要注意的是，在图12的设计示例中，仅第一图像形成元件11被配置为滑动，但是用于虚拟图像距离的控制机构不限于此。第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24可以被设计为使包括在相应的目镜光学系统中的透镜和透镜组的位置或与相应的目镜光学系统对应的图像形成元件的位置滑动，从而使得可以控制虚拟图像距离。以这种方式，较灵活的光学设计使得可以控制虚拟图像距离并满足图像质量要求和壳体尺寸要求。

(虚拟图像显示方法)

到目前为止，已经描述了根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置的光学设计。为了将由第一图像形成元件11至第四图像形成元件14分别显示的图像无缝地联接在一起，需要适当的图像处理。在根据第一实施例的虚拟图像显示方法中，通过考虑相应的目镜光学系统的光学特性(诸如像差和外围变暗)对图像执行校正处理。该图像被显示在相应的图像形成元件上。此外，通过考虑由光线束的特性(诸如光线束的渐晕引起的变暗)，进一步考虑第一图像形成元件11至第四图像形成元件14的发光特性(诸如光分布、色度和光谱等)，对图像执行校正处理。该图像被显示在相应的图像形成元件上。根据观察者的瞳孔位置和瞳孔直径以及目镜光学系统中边界面的位置和倾斜角度，几何地确定光线束的特性。根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置可以包括执行该校正处理的显示图像校正部分45(参见下面描述的图13)。

这里，校正处理根据眼球旋转的状态而变化。因此，期望通过检测观察者的视线方向来实时地调整校正处理。为了检测观察者的视线方向，将红外光源部署在眼睛前面并且包括镜筒和成像元件的成像设备同时拍摄光源的角膜反射图像和瞳孔的图像，以根据相对位置关系来识别视线方向就足够了(瞳孔-角膜反射法)。该红外光源不影响观察。于是，期望尽可能多地从眼睛的右前方的方向点拍摄图像，以提高视线方向的检测准确度。但是，在本实施例中，第一图像形成元件11是小的。这增加了第一目镜光学系统21中的透镜的体积密度。可以将成像设备部署在有限的空间中。

图13示意性地图示了用于检测根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置中的视线方向的成像设备的第一至第三部署示例。在图13中，(A)和(B)图示了设计示例，在每个设计示例中，成像设备被部署在第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24的外部。在图13中，(A)(第一部署示例)图示了一个成像设备40被配置为从鼻侧直接拍摄观察者31的眼睛的图像。在图13中，(B)(第二部署示例)图示了一个成像设备40被配置为从下侧直接拍摄观察者31的眼睛的图像。成像设备40的成像结果被输出到显示图像校正部分45。显示图像校正部分45基于成像设备40的成像结果执行上述校正处理。

要注意的是，图13的(A)和(B)图示了其中部署有一个成像设备40的示例，但是可以配置为部署两个或更多个成像设备。

相反，在图13中，在(C)的设计示例(第三部署示例)中，在第一图像形成元件11至第四图像形成元件14与第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24之间，围绕第一图像形成元件11部署四个成像设备41至44。这将第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24中的任何一个配置为拍摄观察者31的眼睛的图像。四个成像设备41至44中的三个成像设备42至44被部署在第一图像形成元件11与第二至第四图像形成元件12至14之间。这种方法使得可以根据眼球旋转的状态执行适当的校正处理。这使得即使在观察者31的视线移动存在的情况下，也可以无缝地联接多个图像。因此，可以减轻在视觉上识别图像之间的边界的风险。成像设备41至44的成像结果被输出到显示图像校正部分45。显示图像校正部分45基于成像设备41至44的成像结果执行上述校正处理。

要注意的是，图13的(C)图示了其中部署有四个成像设备41至44的示例，但是在第一图像形成元件11至第四图像形成元件14与第一目镜光学系统21至第四目镜光学系统24之间配置部署三个以下或者五个以上的成像设备。

此外，还可以包括拍摄外部风景图像的成像设备。这可以允许一种配置，在该配置中，例如可以显示由成像设备拍摄的外部风景图像。

图14示意性地图示了虚拟图像显示方法，该方法结合上述针对虚拟图像距离的控制操作，允许根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置向观察者供应自然的深度感。如上所述，在检测到观察者的视线方向的情况下，根据从视线方向获得的聚散角来确定适当的聚散距离。在图14中，(A)图示了观察者的聚散距离Da与前景中的第一物体51匹配的情况。第一物体51是球体。然后，针对虚拟图像距离的控制机构(滑动机构90)移动被输出的虚拟图像面的位置。这使得眼睛的调节距离与和聚散角θa对应的聚散距离Da匹配。另外，上述显示图像校正部分45对在聚散距离Da之外并且观察者没有注视的显示物体执行伴随聚散角偏移的视差图像处理或模糊处理。在图14中，(B)图示了观察者的聚散距离Db与背景中的第二物体52匹配的情况。第二物体52是立方体。这里，类似地，滑动机构90移动虚拟图像面的位置，以使眼睛的调节距离与和聚散角θb对应的聚散距离Db匹配。此外，显示图像校正部分45对观察者没有注视的显示物体执行视差图像处理或模糊处理。

这种方法解决了“聚散距离与调节距离的不匹配问题”，并且使得观察者在观察时感到不那么不舒服或不那么不适。要注意的是，针对虚拟图像距离的控制机构来回移动单个虚拟图像面，并且不可能在真实空间中输出三维表面。但是，人眼本来就具有针对注视点的调节距离。即使上述虚拟图像显示方法也不会引起问题。

[1.2效果]

如上所述，根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法使得可以在抑制制造成本的同时实现相对小型且轻重量，并且实现高分辨率和宽视角两者。这使得可以为观察者提供舒适的穿戴性和沉浸感。

要注意的是，本说明书中描述的效果仅是说明性而非限制性的。此外，可以还有其它效果。对于以下其它实施例的效果也是如此。

<2.第二实施例>

接下来，描述根据本公开的第二实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。要注意的是，以下以相同的附图标记表示与上述根据第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的组件基本相同的组件，并在适当时省略其描述。

图15图示了在根据本公开的第二实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中所包括的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22的配置示例以及光路。在根据第二实施例的头戴式虚拟图像显示装置中，用于右眼30R的光学单元包括第一图像形成元件11和第二图像形成元件12以及用于将显示在第一图像形成元件11和第二图像形成元件12上的相应的图像联接在一起成为一个虚拟图像并观察该虚拟图像的第一和第二目镜光学系统21和22。

第一图像形成元件11是高清晰且小的图像形成元件。第一图像形成元件11显示输出到观察者的视场中的前部区域的图像。在第二实施例的情况下，第一图像形成元件11具有10.6μm的像素间距、2260像素的水平像素数和2560像素的垂直像素数。第一图像形成元件11是例如M-OLED。

第二图像形成元件12被部署在第一图像形成元件11的右侧。第二图像形成元件12显示输出到观察者的视场中的右外围区域的图像。第二图像形成元件12具有比第一图像形成元件11更大的像素间距。第二图像形成元件12具有65.25μm的像素间距、400像素的水平像素数和750像素的垂直像素数。第二图像形成元件12是例如LTPS-OLED。

第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22被设计为能够输出由第一图像形成元件11和第二图像形成元件12分别显示的视场角区域。用于右眼30R的光学单元输出具有在大于等于-55°且小于等于75°的范围内的水平视场角的虚拟图像作为整体。

第一目镜光学系统21包括第一L1透镜L11、第一L2透镜L12和第一L3透镜L12。此外，第一L1透镜L11和第一L2透镜L12的相对面两者都被光学地设计为菲涅耳透镜。与仅采用标准球面透镜和标准非球面透镜的光学设计相比，这使得可以实现光学单元高度和重量的减小，并且还可以实现装置整体的高度和重量的减小。

在用于右眼30R的光学单元中，将虚拟图像输出到观察者的视场中的外围区域的第二目镜光学系统22包括第二L1透镜L21和第二L2透镜L22。此外，第二L2透镜L22被光学地设计为单面反射型自由曲面棱镜。

这种配置假设观察者戴着眼镜穿戴着虚拟图像显示装置。这种配置防止装置整体上的尺寸增加，并且促进其中在眼睛的前方确保足够的空间(从观察者的面部到最靠近眼睛的透镜面的空间)的设计。

其它配置、操作和效果可以与根据上述第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的配置、操作和效果基本相似。

<3.第三实施例>

接下来，描述根据本公开的第三实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。要注意的是，以下以相同的附图标记表示与根据上述第一或第二实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的组件基本上相同的组件，并在适当情况下省略其描述。

图16图示了在根据本公开的第三实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中所包括的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22的配置示例以及光路。用于右眼30R的光学单元包括第一图像形成元件11和第二图像形成元件12以及用于将显示在第一图像形成元件11和第二图像形成元件12上的相应的图像联接在一起成为一个虚拟图像并观察该虚拟图像的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22。

第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22被设计为能够输出由第一图像形成元件11和第二图像形成元件12分别显示的视场角区域。用于右眼30R的光学单元输出具有在大于等于-45°且小于等于70°的范围内的水平视场角的虚拟图像作为整体。

第一目镜光学系统21包括第一L1透镜L11、第一L2透镜L12和第一L3透镜L13。此外，第一L1透镜L11和第一L2透镜L12的相对面两者都被光学地设计为菲涅耳透镜。与仅采用标准球面透镜和标准非球面透镜的光学设计相比，这使得可以实现光学单元高度和重量的减小，并且还可以实现装置整体的高度和重量的减小。

在用于右眼30R的光学单元中，将虚拟图像输出到观察者的视场中的外围区域的第二目镜光学系统22包括被光学地设计为双面反射型自由曲面棱镜的第二L1透镜L21。

这种配置还允许其中在担心从第二图像形成元件12、用于第二图像形成元件12的控制电路(未示出)等生成热量的情况下将发热的部分从观察者的面部移开的设计。

根据第三实施例的头戴式虚拟图像显示装置在第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间不具有边界面72。透镜切断面161位于第一目镜光学系统21中与边界面72对应的位置。优选地，如根据第一实施例关于第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间的边界面72的位置和倾斜角度那样来设计第一目镜光学系统21中的透镜切断面161的位置和倾斜角度。

其它配置、操作和效果可以与根据上述第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的配置、操作和效果基本相似。

<4.第四实施例>

接下来，描述根据本公开的第四实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。要注意的是，以下以相同的附图标记表示与根据上述第一至第三实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的组件基本上相同的组件，并在适当情况下省略其描述。

图17图示了在根据本公开的第四实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中所包括的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22的配置示例以及光路。用于右眼30R的光学单元包括第一图像形成元件11和第二图像形成元件12以及用于将显示在第一图像形成元件11和第二图像形成元件12上的相应的图像联接在一起成为一个虚拟图像并观察该虚拟图像的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22。

第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22被设计为能够输出由第一图像形成元件11和第二图像形成元件12分别显示的视场角区域。用于右眼30R的光学单元输出具有在大于等于-45°且小于等于70°的范围内的水平视场角的虚拟图像作为整体。

第一目镜光学系统21包括第一L1透镜L11、第一L2透镜L12和第一L3透镜L13。此外，第一L1透镜L11和第一L2透镜L12的相对面两者都被光学地设计为菲涅耳透镜。与仅采用标准球面透镜和标准非球面透镜的光学设计相比，这使得可以实现光学单元高度和重量的减小，并且还可以实现装置整体的高度和重量的减小。

在用于右眼30R的光学单元中，将虚拟图像输出到观察者的视场中的外围区域的第二目镜光学系统22包括被光学地设计为相对简单的自由曲面镜的第二M1镜M21。

这种配置还允许其中在担心从第二图像形成元件12、用于第二图像形成元件12的控制电路(未示出)等生成热量的情况下将发热的部分从观察者的面部移开的设计。

根据第四实施例的头戴式虚拟图像显示装置在第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间不具有边界面72。透镜切断面161位于第一目镜光学系统21中与边界面72对应的位置。优选地，如根据第一实施例的关于第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间的边界面72的位置和倾斜角度那样来设计第一目镜光学系统21中的透镜切断面161的位置和倾斜角度。

其它配置、操作和效果可以与根据上述第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的配置、操作和效果基本相似。

<5.第五实施例>

接下来，描述根据本公开的第五实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法。要注意的是，以下以相同的附图标记表示与根据上述第一至第四实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的组件基本上相同的组件，并在适当情况下省略其描述。

图18图示了在根据本公开的第五实施例的头戴式虚拟图像显示装置中用于右眼30R的光学单元中所包括的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22的配置示例以及光路。用于右眼30R的光学单元包括第一图像形成元件11和第二图像形成元件12以及用于将显示在第一图像形成元件11和第二图像形成元件12上的相应的图像联接在一起成为一个虚拟图像并观察该虚拟图像的第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22。

第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22被设计为能够输出由第一图像形成元件11和第二图像形成元件12分别显示的视场角区域。用于右眼30R的光学单元输出具有在大于等于-50°且小于等于75°的范围内的水平视场角的虚拟图像作为整体。

第一目镜光学系统21包括第一L1透镜L11、第一L2透镜L12，第一L3透镜L13和第一L4透镜L14。

第二目镜光学系统22包括第二L1透镜L21、第二L2透镜L22和第二L3透镜L23。另外，在第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22中，将相应的L1透镜(第一L1透镜L11和第二L1透镜L21)光学地设计为被共享为相同的透镜。

一般而言，随着眼球旋转，距眼睛较远的透镜面的光线高度变化较小。因此，与从眼睛侧划分第一与后续透镜引起的渐晕相比，从眼睛侧划分第二或后续透镜组引起的光线束的渐晕更少。这使得可以减少针对两个相邻图像设置的重叠区域。因此，可以提高包括在第一图像形成元件11和第二图像形成元件12中的像素的使用效率。

另外，在根据第五实施例的目镜光学系统的配置中，L1透镜对于第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22是共用的。因此，在透镜表面上没有形成脊线。这还减轻了在L1透镜上视觉地识别出脊线的风险。

根据第五实施例的头戴式虚拟图像显示装置在第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间不具有边界面72。透镜切断面161位于第一目镜光学系统21中与边界面72对应的位置。优选地，如根据第一实施例的关于第一目镜光学系统21和第二目镜光学系统22之间的边界面72的位置和倾斜角度那样来设计第一目镜光学系统21中的透镜切断面161的位置和倾斜角度。

其它配置、操作和效果可以与根据上述第一实施例的头戴式虚拟图像显示装置和虚拟图像显示方法的配置、操作和效果基本相似。

<6.另一个实施例>

根据本公开的技术不限于上述相应的实施例的描述，而是可以以各种方式进行修改。

例如，本技术还可以具有如下配置。

具有以下配置的本技术使得可以为观察者提供舒适的穿戴性和沉浸感。

(1)一种虚拟图像显示装置，包括：

多个图像形成元件，包括第一图像形成元件和第二图像形成元件，第一图像形成元件将第一图像输出到观察者的视场中的前部区域，第二图像形成元件将第二图像输出到观察者的视场中的外围区域，第二图像不同于第一图像，所述多个图像形成元件输出包括第一图像和第二图像的多个图像以使所述多个图像中的每个图像的至少一部分的图像区域与第一图像重叠；以及

多个目镜光学系统，所述多个目镜光学系统与多个相应的图像形成元件相关联地设置，所述多个目镜光学系统从所述多个图像形成一个虚拟图像作为整体。

(2)根据(1)所述的虚拟图像显示装置，其中第一图像的分辨率高于第二图像的分辨率。

(3)根据(1)或(2)所述的虚拟图像显示装置，其中

所述多个目镜光学系统包括与第一图像形成元件相关联地设置的第一目镜光学系统，并且

第一目镜光学系统被配置为输出具有大于等于60°且小于等于120°作为水平视场角以及大于等于45°且小于等于100°作为垂直视场角的虚拟图像。

(4)根据(1)至(3)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中第一图像形成元件具有大于等于2000ppi的分辨率，并且第二图像形成元件具有小于2000ppi的分辨率。

(5)根据(1)至(4)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中不论观察者的视线移动如何，在所述多个目镜光学系统中设计任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的位置以将任意的两个相邻虚拟图像无间隙地联接，同时使所述任意的两个相邻虚拟图像始终具有部分重叠的区域，所述任意的两个相邻虚拟图像从相应的任意的两个相邻目镜光学系统输出。

(6)根据(1)至(5)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中在所述多个目镜光学系统中设计任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度以针对观察者的视线移动抑制通过边界面附近的光线束的渐晕。

(7)根据(1)至(6)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统被配置为形成整体上平滑弯曲的虚拟图像面以覆盖观察者的视场，或通过使部署得较靠近外围的目镜光学系统形成较倾斜的虚拟图像面而所述目镜光学系统中的每个目镜光学系统形成平坦的虚拟图像面来形成整体上离散弯曲的虚拟图像面以覆盖观察者的视场。

(8)根据(1)至(7)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统中的至少一个目镜光学系统包括菲涅耳透镜。

(9)根据(1)至(8)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统中的一个目镜光学系统是通过使用与其他目镜光学系统的光学方案不同的光学方案而配置的。

(10)根据(9)所述的虚拟图像显示装置，其中所述其他目镜光学系统是通过使用其中包括自由曲面棱镜或自由曲面镜的光学方案而配置的。

(11)根据(1)至(7)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统中至少位于最靠近观察者的眼睛侧的面充当在各个目镜光学系统之间共享的透镜面。

(12)根据(1)至(11)中的任何一项所述的虚拟图像显示装置，还包括滑动机构，所述滑动机构被配置为能够通过滑动所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统中的组件的位置或所述多个图像形成元件中的每个图像形成元件的位置，来控制从观测者到所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统的虚拟图像面的虚拟图像距离。

(13)根据(12)所述的虚拟图像显示装置，其中所述滑动机构能够控制从观察者前方的20mm到无穷远的所述虚拟图像距离。

(14)一种虚拟图像的显示方法，包括：

由多个相应的图像形成元件显示多个图像的步骤；

经由与所述多个相应的图像形成元件对应的多个目镜光学系统输出所述多个图像的步骤；以及

基于所述多个目镜光学系统的光学特性、光线束的特性和所述多个图像形成元件的发光特性中的至少一个特性来校正在所述多个图像形成元件上显示的图像的步骤，以使经由所述多个目镜光学系统输出的图像形成一个虚拟图像，根据观察者的瞳孔位置和瞳孔直径以及所述目镜光学系统中的边界面的位置和倾斜角度来几何地确定所述光线束的特性。

(15)根据(14)所述的虚拟图像显示方法，其中

所述光学特性包括所述多个目镜光学系统具有的像差和外围变暗的特性，并且

所述发光特性包括所述多个图像形成元件具有的光分布、色度和光谱的特性。

(16)根据(14)或(15)所述的虚拟图像显示方法，还包括根据观察者的视线方向调整对在所述多个图像形成元件上显示的图像的校正的步骤。

(17)根据(14)至(16)中的任何一项所述的虚拟图像显示方法，还包括：

步骤：通过使用滑动机构滑动所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统中的组件的位置或所述多个图像形成元件中的每个图像形成元件的位置，在检测观察者的视线方向的同时，根据观察者的聚散角来控制从观测者到所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统的虚拟图像面的虚拟图像距离；以及

步骤：与所述滑动机构的操作联动地，将在所述多个图像形成元件上显示的图像调整到与所述多个目镜光学系统的倍率以及观测者的聚散角对应的显示位置处，并执行校正以使聚散距离之外的观察者注视的显示物体经受模糊处理。

本申请要求基于2018年11月9日向日本专利局提交的日本专利申请No.2018-211365和2019年3月6日向日本专利局提交的日本专利申请No.2019-040813的优先权，它们各自的整体内容通过引用并入本文。

本领域技术人员应当理解的是，取决于设计需要和其它因素，可以发生各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (16)

1.一种虚拟图像显示装置，包括：

多个图像形成元件，包括第一图像形成元件和第二图像形成元件，第一图像形成元件将第一图像输出到观察者的视场中的前部区域，第二图像形成元件将第二图像输出到观察者的视场中的外围区域，第二图像不同于第一图像，所述多个图像形成元件输出包括第一图像和第二图像的多个图像以使所述多个图像中的每个图像的至少一部分的图像区域与第一图像重叠；以及

多个目镜光学系统，所述多个目镜光学系统与多个相应的图像形成元件相关联地设置，所述多个目镜光学系统从所述多个图像形成一个虚拟图像作为整体，

其中，在所述多个目镜光学系统中，设计任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度，以针对观察者的视线移动抑制通过边界面附近的光线束的渐晕。

2.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中第一图像的分辨率高于第二图像的分辨率。

3.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中

所述多个目镜光学系统包括与第一图像形成元件相关联地设置的第一目镜光学系统，并且

第一目镜光学系统被配置为输出具有大于等于60°且小于等于120°作为水平视场角以及大于等于45°且小于等于100°作为垂直视场角的虚拟图像。

4.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中第一图像形成元件具有大于等于2000ppi的分辨率，并且第二图像形成元件具有小于2000ppi的分辨率。

5.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中不论观察者的视线移动如何，在所述多个目镜光学系统中设计任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的位置以将任意的两个相邻虚拟图像无间隙地联接，同时使所述任意的两个相邻虚拟图像始终具有部分重叠的区域，所述任意的两个相邻虚拟图像从相应的任意的两个相邻目镜光学系统输出。

6.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统被配置为形成整体上平滑弯曲的虚拟图像面以覆盖观察者的视场，或通过使部署得较靠近外围的目镜光学系统形成较倾斜的虚拟图像面而所述目镜光学系统中的每个目镜光学系统形成平坦的虚拟图像面来形成整体上离散弯曲的虚拟图像面以覆盖观察者的视场。

7.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统中的至少一个目镜光学系统包括菲涅耳透镜。

8.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统中的一个目镜光学系统是通过使用与其他目镜光学系统的光学方案不同的光学方案而配置的。

9.根据权利要求8所述的虚拟图像显示装置，其中所述其他目镜光学系统是通过使用其中包括自由曲面棱镜或自由曲面镜的光学方案而配置的。

10.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，其中所述多个目镜光学系统中至少位于最靠近观察者的眼睛侧的面充当在各个目镜光学系统之间共享的透镜面。

11.根据权利要求1所述的虚拟图像显示装置，还包括滑动机构，所述滑动机构被配置为能够通过滑动所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统中的组件的位置或所述多个图像形成元件中的每个图像形成元件的位置，来控制从观测者到所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统的虚拟图像面的虚拟图像距离。

12.根据权利要求11所述的虚拟图像显示装置，其中所述滑动机构能够控制从观察者前方的20mm到无穷远的所述虚拟图像距离。

13.一种虚拟图像显示方法，包括：

由多个相应的图像形成元件显示多个图像的步骤；

经由与所述多个相应的图像形成元件对应的多个目镜光学系统输出所述多个图像的步骤；以及

基于所述多个目镜光学系统的光学特性、光线束的特性和所述多个图像形成元件的发光特性中的至少一个特性来校正在所述多个图像形成元件上显示的图像的步骤，以使经由所述多个目镜光学系统输出的图像形成一个虚拟图像，根据观察者的瞳孔位置和瞳孔直径以及所述目镜光学系统中的边界面的位置和倾斜角度来几何地确定所述光线束的特性，

其中，在所述多个目镜光学系统中，设计任意的两个相邻目镜光学系统之间的边界面的倾斜角度，以针对观察者的视线移动抑制通过边界面附近的光线束的渐晕。

14.根据权利要求13所述的虚拟图像显示方法，其中

所述光学特性包括所述多个目镜光学系统具有的像差和外围变暗的特性，并且

所述发光特性包括所述多个图像形成元件具有的光分布、色度和光谱的特性。

15.根据权利要求13所述的虚拟图像显示方法，还包括根据观察者的视线方向调整对在所述多个图像形成元件上显示的图像的校正的步骤。

16.根据权利要求13所述的虚拟图像显示方法，还包括：

步骤：通过使用滑动机构滑动所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统中的组件的位置或所述多个图像形成元件中的每个图像形成元件的位置，在检测观察者的视线方向的同时，根据观察者的聚散角来控制从观测者到所述多个目镜光学系统中的每个目镜光学系统的虚拟图像面的虚拟图像距离；以及

步骤：与所述滑动机构的操作联动地，将在所述多个图像形成元件上显示的图像调整到与所述多个目镜光学系统的倍率以及观测者的聚散角对应的显示位置处，并执行校正以使聚散距离之外不被观察者注视的显示物体经受模糊处理。