CN116472477A - 头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示器，其在用户的视野内显示影像，所述头戴式显示器具备：影像显示部，其生成要显示的影像；以及第一导光板和第二导光板，其复制来自所述影像显示部的影像光，所述第一导光板和所述第二导光板分别具有通过内部反射将影像光封闭的平行的1组主面，所述第一导光板具备使影像光向内部反射的入射面和向所述第二导光板出射影像光的2个以上的出射反射面，所述第二导光板具备将来自所述第一导光板的影像光耦合到内部的输入部和向用户的瞳孔出射影像光的输出部，第一导光板的影像光的复制方向与第二导光板的影像光的复制方向所成的角小于90°。

Description

头戴式显示器

技术领域

本发明涉及佩戴于用户的头部并在视野内显示影像的头戴式显示器。

背景技术

头戴式显示器(以下，也简称为HMD)那样的可穿戴设备不仅要求确保良好的视野、影像的可视性这样的显示性能，还要求小型且佩戴性优异的构造。

作为本技术领域中的现有技术文献，有专利文献1。在专利文献1中公开了如下结构的光学装置：包括使光透射的平面的基板、用于通过内部反射整体向基板中连结光的光学单元、以及基板所具有的多个部分反射面，部分反射面相互平行，并且相对于基板的任何边缘都不平行。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2003-536102号公报

发明内容

发明所要解决的课题

HMD的光学系统具有：影像显示部，其具有将光源部发出的光向小型显示器部传递的照明部；以及投射部，其投射由影像显示部生成的影像光(虚像)。若HMD相对于用户的瞳孔发生位置偏移，则会产生画面被剪掉的问题。因此，例如，能够通过构成复制部的导光板进行眼镜框(eyebox)的扩大，但由于眼镜框扩大，产生光学系统尺寸变大、光学效率降低这样的课题。

在上述专利文献1中，在实现光学系统的眼镜框扩大和HMD光学系统的小型化的兼顾上，对于这些问题没有进行任何考虑。

本发明的目的在于，提供兼顾光学系统的小型化和眼镜框的扩大的HMD。

用于解决课题的手段

若列举其一例，本发明提供一种头戴式显示器，其在用户的视野内显示影像，所述头戴式显示器具备：影像显示部，其生成要显示的影像；以及第一导光板和第二导光板，其复制来自所述影像显示部的影像光，所述第一导光板和所述第二导光板分别具有通过内部反射将影像光封闭的平行的1组主面，所述第一导光板具备使影像光向内部反射的入射面和向所述第二导光板出射影像光的2个以上的出射反射面，所述第二导光板具备将来自所述第一导光板的影像光耦合到内部的输入部和向用户的瞳孔出射影像光的输出部，第一导光板的影像光的复制方向与第二导光板的影像光的复制方向所成的角小于90°。

发明效果

根据本发明，能够提供兼顾光学系统的小型化和眼镜框的扩大的HMD。

附图说明

图1A是实施例1中的HMD的结构框图。

图1B是表示图1A所示的HMD的硬件结构的一例的图。

图2是实施例1中的虚像影像生成部的结构框图。

图3是表示实施例1中的HMD的使用方式的图。

图4A是以往的虚像影像生成部的结构图。

图4B是以往的虚像影像生成部的结构图。

图5A是实施例1中的第一导光板和第二导光板的结构图。

图5B是实施例1中的第一导光板和第二导光板的结构图。

图6是没有光封闭的影像光复制部与实施例1中的第一导光板的比较结构图。

图7是表示实施例1中的第一导光板内的光线传播的示意图。

图8A是实施例1中的第一导光板和第二导光板的变形例。

图8B是实施例1中的第一导光板和第二导光板的变形例。

图9是实施例1中的第一导光板的技术课题的示意图。

图10A是实施例2中的第一导光板、第二导光板的结构图。

图10B是实施例2中的第一导光板、第二导光板的结构图。

图11A是实施例2中的第一导光板、第二导光板的变形例的结构图。

图11B是实施例2中的第一导光板、第二导光板的变形例的结构图。

图12是表示背面反射的光路的示意图。

图13是第一导光板和第二导光板的结构图的一例。

图14是表示实施例3中的HMD的使用例的图。

图15是实施例3中的HMD的结构框图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下的记载和附图是用于说明本发明的例示，为了说明的明确化，适当地进行了省略和简化。本发明也能够以其他各种方式实施。只要没有特别限定，各构成要素可以是单个也可以是多个。

为了容易理解发明，附图中所示的各构成要素的位置、大小、形状、范围等有时不表示实际的位置、大小、形状、范围等。因此，本发明不一定限定于附图所公开的位置、大小、形状、范围等。

在以下的说明中，有时通过“表”、“列表”等表现来说明各种信息，但各种信息也可以通过这些以外的数据结构来表现。为了表示不依赖于数据结构，有时将“XX表”、“XX列表”等称为“XX信息”。在对识别信息进行说明时，在使用了“识别信息”、“识别符”、“名”、“ID”、“编号”等表现的情况下，它们能够相互置换。

在存在多个具有相同或同样的功能的构成要素的情况下，有时对相同的符号标注不同的下标来进行说明。但是，在不需要区分这些多个构成要素的情况下，有时省略下标来进行说明。

另外，在以下的说明中，有时对执行程序而进行的处理进行说明，但程序由处理器(例如CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、GPU(Graphics Processing Unit：图形处理单元))执行，由此适当地使用存储资源(例如存储器)和/或接口设备(例如通信端口)等来进行所决定的处理，因此处理的主体也可以设为处理器。同样地，执行程序而进行的处理的主体也可以是具有处理器的控制器、装置、系统、计算机、节点。执行程序而进行的处理的主体只要是运算部即可，也可以是进行特定处理的专用电路(例如FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit：专用集成电路))。

程序也可以从程序源安装到计算机那样的装置中。程序源例如也可以是程序分发服务器或者计算机可读取的存储介质。在程序源为程序分发服务器的情况下，程序分发服务器也可以包含处理器和存储分发对象的程序的存储资源，程序分发服务器的处理器将分发对象的程序分发到其他计算机。另外，在以下的说明中，既可以将2个以上的程序作为1个程序来实现，也可以将1个程序作为2个以上的程序来实现。

实施例1

图1A是本实施例中的HMD的结构框图。在图1A中，HMD1具有虚像影像生成部101、控制部102、图像信号处理部103、电力供给部104、存储部105、感测部106、通信部107、声音处理部108、拍摄部109以及输入输出部91～93。

虚像影像生成部101将由小型显示器部生成的影像作为虚像放大投射，在佩戴者(用户)的视野中显示增强现实(AR：Augmented Reality)、混合现实(MR：Mixed Reality)的影像。

控制部102综合控制HMD1整体。控制部102通过CPU等运算装置来实现其功能。图像信号处理部103对虚像影像生成部101内的显示部供给显示用的影像信号。电力供给部104向HMD1的各部供给电力。

存储部105存储HMD1的各部的处理所需的信息、由HMD1的各部生成的信息。另外，在通过CPU实现控制部102的功能的情况下，存储CPU执行的程序、数据。存储部105例如由RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、闪存、HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)、SSD(Solid State Drive：固态驱动器)等存储设备构成。

感测部106经由作为连接器的输入输出部91与各种传感器连接，基于由各种传感器检测出的信号，检测HMD1的姿势(即用户的姿势、用户的头部的朝向)、动作、周围温度等。作为各种传感器，例如连接有倾斜传感器、加速度传感器、温度传感器、检测用户的位置信息的GPS(Global Positioning System：全球定位系统)的传感器等。

通信部107经由作为连接器的输入输出部92，通过近距离无线通信、远距离无线通信或有线通信，与外部的信息处理装置进行通信。具体而言，通过Bluetooth(注册商标)、Wi-Fi(注册商标)、移动通信网络、通用串行总线(USB、注册商标)、高精细度多媒体接口(HDMI(注册商标))等进行通信。

声音处理部108经由作为连接器的输入输出部93与麦克风、耳机、扬声器等声音输入输出装置连接，进行声音信号的输入或输出。拍摄部109例如是小型照相机或小型飞行时间(TOF)传感器，对HMD1的用户的视野方向进行拍摄。

图1B是表示HMD1的硬件结构的示例的图。如图1B所示，HMD1包括CPU201、系统总线202、ROM(Read Only Memory，只读存储器)203、RAM204、存储装置210、通信处理器220、电力供给器230、视频处理器240、音频处理器250和传感器260。

CPU201是控制HMD1整体的微处理器单元。CPU201对应于控制部102。系统总线202是用于在CPU201与HMD1中的各动作模块之间收发数据的数据通信路径。

ROM203是存储操作系统等基本动作程序、其他动作程序的存储器，例如能够使用EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory：电可擦可编程只读存储器)、闪存ROM那样的可改写的ROM。

RAM204是执行基本动作程序或其他动作程序时的工作区域。ROM203和RAM204可以是与CPU201一体的结构。另外，ROM203也可以不是图1B所示那样的独立结构，而是使用存储装置210内的一部分存储区域。

存储装置210存储信息处理装置100的动作程序、动作设定值、使用HMD1的用户的个人信息210a等。以下虽然没有特别例示，但也可以存储从网络上下载的动作程序、该动作程序生成的各种数据。另外，存储装置210的部分存储区域也可以由ROM203的功能的一部分或全部代替。存储装置210例如可以使用闪存ROM、SSD、HDD等设备。ROM203、RAM204、存储装置210与存储部105对应。另外，存储在ROM203或存储装置210中的上述动作程序能够通过从网络上的各装置执行下载处理来进行更新和功能扩展。

通信处理器220构成为具有LAN(Local Area Network：局域网)通信器221、电话网通信器222、NFC(Near Field Communication：近场通信)通信器223、蓝牙通信器224。通信处理器220对应于通信部107。在图1B中，例示了在通信处理器220中包含LAN通信器221、NFC通信器223、蓝牙通信器224的情况，但也可以如图1A中说明的那样，它们经由输入输出部92作为HMD1外部的设备而连接。LAN通信器221经由接入点与网络连接，与网络上的装置之间进行数据收发。NFC通信器223在对应的读写器接近时进行无线通信来收发数据。蓝牙通信器224与接近的信息处理装置进行无线通信而收发数据。此外，HMD1也可以具有在与移动电话通信网的基站105之间收发呼叫以及数据的电话网通信器222。

虚像影像生成机构225具有影像显示部120、投射部121、第一导光板122以及第二导光板123。虚像影像生成机构225与虚像影像生成部101对应。关于虚像影像生成机构225的具体结构，使用图2在后面叙述。

电力供给器230是根据规定标准向HMD1供给电力的电源装置。电力供给器230对应于电力供给部104。在图1B中，例示了在HMD1中包含电力供给器230的情况，但也可以经由输入输出部91～93中的任一个作为HMD1外部的设备而连接，HMD1从该外部设备接受电源的供给。

视频处理器240构成为具有显示器241、图像信号处理器242和照相机243。视频处理器240对应于图像信号处理部103以及虚像影像生成部101。此外，照相机243对应于拍摄部109，显示器241对应于上述的小型显示器部。在图1B中，例示了在视频处理器240中包含显示器241和照相机243的情况，但如在图1A中说明的那样，它们也可以经由输入输出部(例如，输入输出部93)作为HMD1外部的设备而连接。

显示器241例如是液晶显示器、数字微镜装置、有机EL显示器、微型LED显示器、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)、光纤扫描装置等显示装置，显示图像信号处理器242处理后的图像数据。图像信号处理器242使显示器241显示所输入的图像数据。照相机243是作为拍摄装置发挥功能的照相机单元，该拍摄装置通过使用CCD(Charge Coupled Device：电荷耦合器件)、CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor：互补金属氧化物半导体)传感器等电子装置将从透镜输入的光转换为电信号，来输入周围、对象物的图像数据。

音频处理器250包括扬声器251、声音信号处理器252和麦克风253。音频处理器250对应于声音处理部108。在图1B中，例示了在音频处理器250中包含扬声器251和麦克风253的情况，但如在图1A中说明的那样，它们也可以经由输入输出部93作为HMD1外部的设备而连接。

扬声器251输出由声音信号处理器252处理的声音信号。声音信号处理器252将输入的声音数据输出到扬声器251。麦克风253将声音转换为声音数据，并输出到声音信号处理器252。

传感器260是用于检测信息处理装置100的状态的传感器组，并且包括GPS接收机261、陀螺仪传感器262、地磁传感器263、加速度传感器264、照度传感器265和接近传感器266。传感器260对应于感测部106。在图1B中，例示了在传感器260中包含GPS接收机261、陀螺仪传感器262、地磁传感器263、加速度传感器264、照度传感器265、接近传感器266的情况，但也可以如在图1A中说明的那样，它们经由输入输出部91作为HMD1外部的设备而连接。这些各传感器是以往已知的一般的传感器组，因此在此省略其说明。图1B所示的HMD1的结构仅仅是一例，不一定必须包括所有这些部件。

图2是本实施例中的虚像影像生成部101的结构框图。虚像影像生成部101由影像显示部120、投射部121、第一导光板122以及第二导光板123构成。影像显示部120是生成要显示的影像的装置，将来自LED、激光器等光源的光照射到未图示的内置的小型显示器部。小型显示器部是用于显示影像的元件，使用液晶显示器、数字微镜装置、有机EL显示器、微型LED显示器、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)、光纤扫描装置等。投射部121是将影像显示部120的影像光放大并作为虚像进行投射的装置。第一导光板122为了扩大眼镜框而进行影像光的复制。第二导光板123在与第一导光板122不同的方向上进行用于放大眼镜框的影像光复制，并且将来自投射部121和第一导光板122的影像光传递到用户的瞳孔20。用户能够通过使影像光成像于瞳孔20内的视网膜来视觉确认影像。

图3是表示本实施例中的HMD1的使用方式的图。图3表示从用户2的头部上方向俯视的状态，X轴是水平方向，Y轴是垂直方向，Z轴是作为用户2的视线方向的视轴方向。在以后的附图中，也同样地定义X、Y、Z轴的方向。

HMD1佩戴于用户2的头部，使由虚像影像生成部101生成的影像经由第二导光板123传播到用户的瞳孔20。此时，用户2能够在视野内的一部分的影像显示区域111以能够视觉确认外界的状态(透视型)视觉确认影像(虚像)。在图3中示出了在单眼显示影像的结构，但也可以是双眼的结构。此外，HMD1可以在图1的拍摄部109中拍摄用户2的视野范围。

接着，图4表示使用了反射镜阵列型的导光板123的虚像影像生成部101的以往的结构图。在图4中，(a)(图4A)表示从作为视轴方向的Z轴方向观察到的虚像影像生成部101，(b)(图4B)表示从作为垂直方向的Y轴方向观察到的虚像影像生成部101。导光板123为具有主要的2个平行平面(171、172)的平板状，且为了扩大眼镜框而在内部具有至少2个以上的作为部分反射面的出射反射面173。具有通过反射影像光的一部分的反射膜的出射反射面173，向X轴方向复制投射部121的影像光的功能。另外，为了使反射影像光不产生角度偏移，优选出射反射面173相互大致平行。

从实用性的观点出发，优选由虚像影像生成部101形成的眼镜框在2维方向上被扩大。导光板123成为仅水平方向的眼镜框扩大，因此光学引擎需要在垂直方向上输入光束直径较大的影像光。因此，需要减小影像显示部120的光学系统的该方向的F值，由此，图4的(a)中的影像显示部120以及投射部121的尺寸A部分变大，虚像影像生成部101大型化。HMD从作为佩戴在身上使用的装置的特性出发，重量、外观的设计性也是重要的要素，重量、外观的设计性在提高商品价值方面成为重点。

这样，在HMD中，在兼顾眼镜框的2维方向扩大和小型化方面存在课题。以下，对这些解决方法进行说明。

图5A、5B是本实施例中的虚像影像生成部101的结构图。在图5A、5B中，对与图4相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。图5A、5B分别表示将虚像影像生成部101配置于侧头部侧的情况和配置于头顶部侧的情况。在本实施例中，通过第一导光板122和第二导光板123来解决上述课题。如上所述，从影像的视觉辨认性的观点出发，优选由虚像影像生成部101形成的眼镜框在2维方向上扩大。为了在2维上扩大眼镜框，通过第一导光板122在图5A中垂直方向的眼镜框被扩大，在图5B中水平方向的眼镜框被扩大。第一导光板122是具有将影像光反射到该第一导光板122的内部的入射面130、和将影像光以成为内部反射的全反射封闭的主要的2个平行平面(131、132)的平板状，在内部具备包含将影像光出射到第一导光板外的2个以上的出射反射面的出射反射面组133。上述出射反射面组133的相邻的反射镜的间隔为L1。第二导光板123是具有将影像光反射到第二导光板123的内部的入射面140(输入部)、和将影像光以全反射封闭的主要的2个平行平面(141、142)的平板状，在内部具备包含将影像光出射到该第二导光板外的2个以上的出射反射面的出射反射面组143(输出部)，上述出射反射面组143的相邻的反射镜的间隔为L2。第二导光板123朝向用户的瞳孔20出射影像。这样，在本实施例中的虚像影像生成部101中，第一导光板122以及第二导光板123分别具有通过内部反射将影像光封闭的平行的1组主面，第一导光板122具备将影像光向内部反射的入射面130、向第二导光板123出射影像光的2个以上的出射反射面，入射面130与出射反射面相互平行且是与主面不同的角度，第二导光板123具有将来自第一导光板122的影像光向内部耦合的上述输入部、向用户的瞳孔20出射影像光的上述输出部。

以下，例示了内部反射是基于2个平行平面的全反射的情况。但是，也可以不一定是全反射，例如，也可以使用在构成这些平行平面的导光板的平行平面的一部分或全部粘贴使光透射或反射的材质的薄膜等而具有产生正反射、扩散反射的平行平面的导光板。

第一导光板122的出射反射面组133和第二导光板123的出射反射面组143是反射一部分光并透射或吸收一部分光的部分反射面(出射反射面的一例)的组，部分反射面排列成阵列状。通过使第一导光板122的出射反射面组133的排列方向与第二导光板123的出射反射面组143的排列方向不同，实现眼镜框的2维方向扩大。因此，能够减小影像显示部120以及投射部121的透镜口径(增大F值)，能够实现虚像影像生成部101的大幅的小型化。此外，在第一导光板122以及第二导光板123中，能够通过反射镜形成部分反射面，在本说明书中，有时将该反射镜称为部分反射镜。

图6的(A)表示不具有全反射封闭功能的影像光复制元件300的一例。虽然从投射部121以规定的视场角出射光线，但为了防止影像光复制元件300的侧面的杂散光产生，存在外形变大的问题。图6的(B)是第一导光板122或第二导光板123的情况，具有如下优点：由于通过全反射进行影像光的封闭，因此能够减少元件的尺寸，并且能够复制影像光来扩大眼镜框。

从画质的观点出发，优选第一导光板122的出射反射面组133相互平行，以使反射影像光不产生角度偏移。即，优选出射反射面组133的部分反射面(出射反射面)相互平行。同样地，优选第二导光板123的出射反射面组143也相互平行。即，优选出射反射面组143的部分反射面(出射反射面)相互平行。在此，若平行度降低，则出射反射面组133或出射反射面组143中的反射后的光线角度在各反射面中不同，产生杂散光而画质劣化。

另外，若第一导光板122的入射面130与出射反射面组133也平行，则加工工序简化，实现制造成本的降低。这是因为，通过将制成了各反射膜的平板堆叠并粘接一体化而切出，能够将从入射面到出射反射面一并加工，在此基础上能够切出多张第一导光板122。在入射面130的角度不同的情况下，需要在切出导光板、进而将入射面切断成规定的角度等工序之后，对入射面进行制膜。第二导光板123的入射反射面140和出射反射面组143也同样平行，由此能够简化加工并抑制成本。

另外，从杂散光的观点出发，优选在第一导光板122的出射反射面组133反射的影像光相对于主要的平行平面(131、132)在全视场角上成为临界角以下而向第一导光板122的外部出射。这是因为，在出射反射面组133反射的影像光中存在超过临界角的分量，在反射后也因导光板的封闭作用而在内部传播的情况下，该光再次在出射反射面组133反射而成为杂散光，向第二导光板123输出。同样地，从避免杂散光的观点出发，优选在第二导光板123的出射反射面组143反射的影像光相对于主要的平行平面(141和142)以全视场角成为临界角以下而向第二导光板123的外部出射。

对更详细的出射反射面的倾斜角度θ和全反射临界角的几何学条件进行说明。出射反射面组133的出射反射面相对于作为平行平面的主面(131、132)具有规定的倾斜角θ，以便改变方向将影像光向导光板外出射。在图7中，实线(A)表示视场角中央的光线，一点划线(B)和二点划线(C)表示视场角端的光线。视场角中心的光线A在入射面130反射后，需要相对于平行平面131以及132以入射角度2θ前进。另外，若考虑入射面131处的折射，则光线B和C在导光板内相对于平面131以及132的入射角在2θ中为±arcsin[sin(Φ/2)/n]的范围。若考虑避免杂散光的观点，则光线B相对于平面131以及132的入射角需要成为2θ+arcsin[sin(Φ/2)/n]＜90°以下。另外，为了满足全反射条件，光线C的平面131和132的入射角需要成为2θ-arcsin[sin(Φ/2)/n]＜临界角以下。在此，n是基板的折射率。通常n为1.5左右，在显示视场角Φ30°左右的情况下，入射面130与出射面组133的倾斜角θ为16°～40°的范围。

在第二导光板123中也需要满足同样的条件，入射反射面140与出射反射面组143的倾斜角θ为16°～40°的范围。

以上，如图5A、5B所示，第一导光板122和第二导光板123由于第二导光板123接收从第一导光板122出射的影像光，所以第一导光板122的主面(131、132)和第二导光板123的主面(141、142)处于不同的平面内，第一导光板的主面(131、132)配置在比第二导光板123的主面(141、142)更靠近投射部121的一侧，作为各自的主要的2个平行平面的主面(131、132)和主面(141、142)被配置成平行。另外，为了使第二导光板123的入射反射面140高效地接收从第一导光板122的主要面132出射的影像光，需要使第一导光板122与第二导光板123接近。

第一导光板122内的影像光被出射反射面组133的部分反射面逐渐反射，一边减少光量一边在内部行进，最终在出射反射面组133的最终面133-F将全部的影像光输出到第二导光板123，由此，实现光利用效率的提高。因此，作为一例，通过采用出射反射面组133的部分反射面的反射率从接近入射面130的一侧朝向最终面133-F逐渐变高的结构，眼镜框内的影像光的光量均匀性提高。

在此，在保持作为头戴式显示器的透视(see through)性的情况下，第二导光板123的出射反射面组143的反射率比第一导光板122的出射反射面组133的反射率低。在该情况下，由于出射反射面组143中的反射率低，因此即使出射反射面组143的反射率全部相同(即，即使在各个部分反射面中使用相同的反射膜)，也不会成为较大的亮度不均要因。相反，由于能够在同一成膜工序中对各个部分反射面进行加工，因此能够实现制造成本的降低。此外，从确保亮度均匀性和透视性这两者的观点出发，第二导光板123的出射反射面组143的反射率优选为10％以下。

另一方面，在与透视性相比更重视光利用效率的情况下(即，将反射率设定得较高的情况下)，作为一例，通过从接近入射面140的一侧逐渐提高出射反射面组143的反射膜的反射率的结构，眼镜框内的影像光的光量均匀性变好，画质提高。

在第一导光板122的出射反射面组133的相邻的反射镜的间隔L1以及第二导光板123的出射反射面组143的相邻的反射镜的间隔L2比投射透镜出射部的口径P宽的情况下，相邻的复制影像光彼此的重叠变得不充分，产生影像光量少的眼镜框区域。因此，通过使相邻的反射面的间隔L1以及L2比投射部121的口径P小，眼镜框、视觉辨认影像内的亮度均匀性提高。

图8是第二导光板123的入射反射面140不是反射面而是入射透射面145(输入部)的变形例的结构图。图8A、8B分别表示将虚像影像生成部101配置于头顶部侧的情况和配置于侧头部侧的情况。如图8A所示，从第一导光板122出射的影像光经由光路校正棱镜150向第二导光板123的入射透射面145输入。根据该结构，能够减小投影到Y轴上的第一导光板宽度，能够在外观上减小与所述A尺寸相当的部分，提高设计性。

如上所述，在加工简化方面，入射透射面145与部分反射面组143平行，相对于主面(141、142)的倾斜角分别为θ。在出射反射面侧(即，第一导光板122的主面132)，2θ光线角度相对于倾斜角θ变化，与此相对，在入射透射面145中成为θ量的变化，因此影像产生变形。因此，如图8A、图8B所示，使用顶角具有与倾斜角相同的θ的光路校正棱镜150来校正光路。因此，在图8中，第一导光板122的主面(131、132)被配置相对于第二导光板123的主面(141、142)倾斜2θ。如上所述，从杂散光的观点出发，倾斜角θ为16°～40°的范围。

HMD对眼镜形状的设计性的要求高。在图8A、图8B的结构中，影像显示部120、投射部121与第一导光板122一起倾斜，由此还具有如下优点：能够在第一导光板122与用户的瞳孔20之间简单地配置第二导光板123，容易进行眼镜形状的HMD设计。

如上所述，根据本实施例，能够提供兼顾光学系统的小型化和眼镜框的扩大的HMD。

实施例2

图9中用箭头表示将实施例1中的导光板与显示宽视场角的影像的投射部121组合时的光路。向第一导光板122的入射面130输入的具有规定的视场角的影像光在各视场角下导光板内的传播方向不同，因此从出射反射面组133向第二导光板123输出的位置不同。特别是，从离入射面130最远的最终面133-F出射的影像光根据视场角而出射位置较大地不同。视场角越宽的影像光，该出射位置的偏离量越增加。因此，在避免这些影像光的渐晕的情况下，认为例如在图9的配置中导光板的Y轴方向增大，或者元件的尺寸增大而元件制造时的成本增加，或者HMD的尺寸增大而作为可穿戴设备的设计性降低。

作为更大的课题，在有限大小的第二导光板123的入射反射面140难以耦合，像的亮度均匀性降低或光利用效率降低。在图9中，用箭头表示显示影像(虚像)的4个角的视场角的大致的光路。从远离入射面130的出射反射面133输出的视场角(在虚像中也成为远离入射面130的一侧，在图9所示的配置中视场角8和视场角6)从远离第一导光板122的入射面130的出射反射面133输出，因此第二导光板123相对于入射反射面140的输出位置的偏离量增大，难以与第二导光板123耦合。

图10A、10B是本实施例中的导光板的结构图。在图10A、10B中，对与图5A、5B相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。图10A、10B分别表示将虚像影像生成部101配置于头顶部侧的情况和配置于侧头部侧的情况。在图10A、图10B中，与图5A、图5B的不同点在于，设置有多个第二导光板123的入射反射面140、入射反射面140以及出射反射面143的朝向以及排列方向。

对本实施例中的第二导光板123的结构进行说明。如上所述，在第一导光板122内，影像光根据视场角具有扩展地传播，从各个出射反射面133出射。因此，耦合来自第一导光板122的影像光的第二导光板123的入射面140也需要规定的宽度。在此，在为了增加第二导光板123的入射面140的面积而加厚导光板的情况下，在内部被封闭的影像光的全反射的间隔变宽，复制影像光的出射间隔变宽，产生亮度不均。另外，还产生由厚度增加引起的重量、制造成本的增加。

作为不增加第二导光板123的厚度而提高来自第一导光板122的影像光的耦合效率的方法，有将入射面设为设置有2个以上的入射面组140’的方法。通过设置多个入射面，能够在不增加厚度的情况下实现有效的入射面的面积的增大。在此，图10表示作为入射面组140’而在入射面140’-1～140’-3设置3面的入射面的例子。另外，入射面组140’的结构即使用于实施例1的图5所示的第二导光板123，也同样能够提高视场角周边部的影像光的耦合效率。

为了维持影像光的画质，优选入射面组140’的面分别平行。另外，在入射面140’-1反射的影像光需要从140’-2和140’-3的面透射。因此，入射面140’-1具有接近100％的反射率，越接近瞳孔20的面，反射率越低，透射率越高。

一般而言，在由电介质多层膜形成反射膜的情况下，s偏振光的反射率变高。因此，在第一导光板122中传播的影像光越朝向出射反射面组133的终端部，p偏振光成分越多。这在从第二导光板的入射反射面组140’观察的情况下，越是出射反射面组133的终端部侧，s偏振光成分越增加。因此，通过将第二导光板123的入射反射面组140’的反射膜形成为使偏振光特性等待的膜，与偏振光对应地调整反射率或透射率特性，能够提高显示影像的亮度均匀性。

如上所述，作为上述入射面组140’的第二导光板123的结构能够提高视场角周边部的耦合效率并提高画面的亮度均匀性，但是，画面整体的亮度(光利用效率)由于反射面数越增加越产生不需要的反射，因此降低。因此，优选将入射面组140’的个数抑制为最小限度，为此，需要降低从第一导光板122出射的影像光的每个视场角的位置偏离量。

因此，在本实施例中，成为第二导光板123的入射面组140’和出射反射面组143旋转规定角度的结构。通过使入射面组140’和出射反射面组143旋转，也能够使第二导光板123内的光路旋转。根据本结构，能够使作为使第一导光板122的尺寸大型化且使第二导光板123的入射面组140’的反射面个数增大的主要原因的视场角(在图中为视场角8和视场角6)在第二导光板123内的光路旋转，因此，根据本结构，能够使从第一导光板122的该视场角(在图中为视场角8和6)的出射位置接近入射面130侧。因此，根据本结构，第一导光板122的尺寸小型化，并且从第一导光板122出射的影像光的每个视场角的位置偏离量减少，第二导光板123的入射面组140’的反射面个数减少。由此，能够实现第二导光板123的光利用效率的提高，并且能够实现制造成本的降低。

因此，若将第一导光板122的出射反射面组133的反射面的排列方向设为第一排列轴，将第二导光板123的入射面组140’以及出射反射面组143的反射面的排列方向设为第二排列轴，则通过将第一排列轴与第二排列轴所成的角度设为小于90°，从而实现第一导光板122的尺寸的小型化，并且抑制第二导光板123的入射面组140’的反射面个数。

换言之，第一导光板122的出射反射面组133的反射面的排列方向也是影像光的复制方向，因此将其作为第一复制轴，第二导光板123的入射面组140’以及出射反射面组143的反射面的排列方向也是影像光的复制方向，因此若将其作为第二复制轴，则第一复制轴与第二复制轴所成的角度小于90°，但从使第一导光板122的尺寸小型化且抑制第二导光板123的入射面组140’的反射面个数的观点出发是优选的。

相对于上述视场角Φ的影像光，第二导光板123的入射面组140’和出射面组143的旋转角度为Δ(即，在该例子中，相对于第二导光板123的端面的角度为Δ)，各导光板的折射率为n。此时，作为一例，用于使从入射面输入的所述视场角8的光线不在第一导光板内传播到比瞳孔20远的位置的条件为Δ＜arcsin((sinΦ/2n)/2)。在此，若假设折射率n为1.5左右，假设视场角Φ为20°～60°左右的范围，则旋转角度Δ优选为10°以内的范围。因此，优选将第一排列轴/复制轴与第二排列轴/复制轴所成的角度设为80°以上且小于90°的结构。

对第一导光板122及第二导光板123的出射反射面的倾斜角(即，相对于主面的倾斜角)进行说明。如果考虑全反射临界角、避免由全反射引起的反转像的条件、出射面反射后从导光板破坏临界角而出射的条件，则与实施例1同样地，倾斜角度θ为16°～40°的范围。

另外，至此，以通过第二导光板123使第二排列轴或复制轴旋转的结构为例进行了说明，但即使构成为使第一导光板122的第一排列轴或复制轴旋转，第一排列轴/复制轴与第二排列轴/复制轴所成的角度小于90°，也能够得到同样的效果。

图11是第二导光板123的入射反射面140不是反射面而是入射透射面145的变形例的结构图。使第一导光板122的入射面130及出射反射面组133的出射反射面旋转，将第一导光板122的出射反射面组133的排列方向投影到xy面或第二导光板的主面123的第一排列轴/复制轴与第二导光板123的出射反射面组143的反射面的排列方向即第二排列轴/复制轴所成的角度小于90°，作为这样的结构，提高远离入射面130的区域中的从第一导光板122向第二导光板123耦合的影像光的耦合效率。图11A、图11B分别表示将虚像影像生成部101配置于头顶部侧的情况和配置于侧头部侧的情况。如图8、图11所示，从第一导光板122出射的影像光经由光路校正棱镜150向第二导光板123的入射透射面145输入。根据该结构，能够减小投影到Y轴上的第一导光板宽度，外观上能够减小与所述A尺寸相当的部分，提高设计性。在图11中，以通过第一导光板122使第一排列轴或复制轴旋转的结构为例进行了说明，但即使是使第二导光板123的第二排列轴或复制轴旋转，第一排列轴/复制轴与第二排列轴/复制轴所成的角度小于90°的结构，也能够得到同样的效果。

如上所述，在加工简化方面，入射透射面145与部分反射面组143平行，相对于主面(141、142)的倾斜角分别为θ。在出射反射面侧(即，主面131)，2θ光线角度相对于倾斜角θ变化，与此相对，在入射透射面145中成为θ量的变化，而影像产生变形。因此，如图11A、图11B所示，通过顶角具有与倾斜角相同的θ的光路校正棱镜150来校正光路。因此，在图11中，第一导光板122的主面(132)被配置成相对于第二导光板123的主面(141、142)倾斜2θ。如上所述，从杂散光的观点出发，倾斜角θ为16°～40°的范围。

图12是表示在第一导光板122及第二导光板123内的、光线向反射面的入射和反射的情况的概略图。在第一导光板122以及第二导光板123内具有规定的视场角的影像光以规定的角度范围入射到出射面组并向导光板外输出(正常反射)。另一方面，由于光线在导光板内受到封闭，因此产生从反射面组(133、140、143)的背面入射而产生反射光的状态(背面反射)。该背面反射是不需要的反射，成为杂散光的产生、效率降低的主要原因。

根据几何学的配置，出射反射面组(133、143)相对于反射面的入射角在正常反射的情况下为θ±arcsin[sin(Φ/2)/n]，在背面反射的情况下为3θ±arcsin[sin(Φ/2)/n]。因此，理想的是形成抑制入射角度比正常反射的角度区域大的角度区域的背面反射而减少杂散光、且提高导光板的光利用效率的反射膜。

但是，通常在由电介质多层膜形成反射膜的情况下，入射角度大的光线的反射率容易变大，若为了抑制该情况而使膜结构复杂化，则膜总数增加，制造成本增加。

在背面反射的角度范围内入射角度大的一侧的光线在从入射面(130)到瞳孔20之间从第一导光板122输出(在图9中图示的例子中，与来自视场角5、7的光线对应)。同样的光线在第二导光板123中也在从入射面(140)到光瞳之间输出(在图9中图示的例子中，与视场角5和6相关的光线对应)。在此，关于在出射面组(133)的前半部输出的光、在出射面组(143)的前半部输出的用于与瞳孔20耦合的光，即使背面反射的反射率变大，光利用效率、亮度不均等的影响也小。

因此，即使在背面反射的角度范围内的大的入射角度侧的反射率特性中存在比正常反射的角度范围的反射率高的区域，也能够不对画质造成大的影响地简化电介质多层膜的构造、膜总数，能够抑制制造成本。特别是，在到视场角的中央程度为止的范围内影响小，即使在从背面反射的角度范围内的中央到入射角度大的一侧的反射率中存在比正常反射的角度范围的反射率高的部分，也不会对画质造成大的影响，能够简化电介质多层膜的构造、膜总数，能够抑制制造成本。

至此为止所说明的与背面反射相关的反射膜的结构应用于至此为止所说明的所有实施例的第一导光板及第二导光板而可获得相同的效果。

由于入射到第一导光板122的影像光在内部传播的角度不同，所以全反射的周期也按每个视场角而变化。越是在第一导光板122的接近入射面130的一侧输出的视场角(在图9中图示的例子中为视场角5、7)，相对于主面(131、132)的入射角度越大，全反射周期也越长。由此，影像光的复制间隔变宽，成为亮度均匀性降低的主要原因。因此，关于第一导光板122的出射反射面组133中的出射反射面的配置间隔，通过将与该出射反射面组133的中央部的反射面间隔相比靠近入射面130的一侧的反射面间隔设定得较窄，从而亮度均匀性提高。此外，在从用户的瞳孔20观察第一导光板122的出射反射面的情况下，根据几何学的关系，在第一导光板122的出射反射面组133中接近入射面130的一侧，相邻的出射反射面的间隔看起来变宽，因此这也成为使亮度均匀性降低的主要原因。因此，关于这样的观点，同样关于第一导光板122的出射反射面组133中的出射反射面的配置间隔，通过将接近入射面130的一侧的反射面间隔设定得比该出射反射面组133的中央部的反射面间隔窄，亮度均匀性提高。

这在第二导光板123中也是同样地，入射到第二导光板123的影像光在内部传播的角度不同，因此全反射的周期也按每个视场角而变化。越是在第二导光板123的接近入射面(140)的一侧输出的视场角(在图示的例子中为视场角5、6)，相对于主面(141、142)的入射角度越大，全反射周期也越长。由此，影像光的复制间隔变宽，成为亮度均匀性降低的主要原因。因此，关于第二导光板123的出射反射面组143的配置间隔，通过将接近入射面140的一侧的反射面间隔设定得比该出射反射面组144的中央部窄，亮度均匀性提高。此外，在从用户的瞳孔20观察第二导光板123的出射反射面的情况下，根据几何学的关系，在第二导光板123的出射面组143中接近入射面140的一侧，相邻的出射反射面的间隔看起来变宽，因此这也成为使亮度均匀性降低的主要原因。因此，关于这样的观点，同样关于第二导光板123的出射反射面组143中的出射反射面的配置间隔，通过将接近入射面140的一侧的反射面间隔设定得比该出射反射面组143的中央部的反射面间隔窄，从而亮度均匀性提高。

从投射部121到用户瞳孔20的第一导光板122和第二导光板123的几何学配置成为如下结构：所述第一导光板122、第二导光板123的主面相互大致平行，第一导光板122的主面(131、132)和第二导光板123的主面(141、142)分别处于不同的平面内，第一导光板122的主面(131、132)配置在比所述第二导光板123的主面(141、142)靠近投射部121的一侧。

通常，为了将宽视角的影像光封闭在导光板内，需要使基板材料高折射率化，降低全反射临界角，增大可封闭的光线角度范围。

在影像显示部120使用了微型显示器的情况下的投射部121的口径P为3～6毫米左右的尺寸，为了高效地接受影像光，入射反射面130以及入射反射面组140’的尺寸也优选为3～6毫米左右。另外，在将影像显示部120设为MEMS、光纤扫描设备等激光扫描型的情况下，光束直径细且投射部的口径P为～2mm，较小，因此入射反射面130以及入射反射面组140’的尺寸也能够小型化，第一导光板122以及第二导光板123的厚度也较薄而能够抑制重量增加。

至此，说明了在第一导光板122和第二导光板123中使用反射镜阵列的结构，但也可以通过使用了不同方式的导光板来扩大眼镜框。例如，图13示出了对第二导光板使用了衍射光栅、体积全息图的导光板的一例。在第二导光板123设置有输入部146。输入部146代替入射反射面140、入射透射面145，是表面浮雕衍射光栅、体积全息图，使所输入的影像光的行进方向偏转而向导光板内部引导。在输出部147也同样地形成有表面浮雕衍射光栅、体积全息图，通过使在导光板内传播的影像光的一部分向瞳孔20偏转，从而扩大眼镜框并实现影像显示。通过将输出部147的表面浮雕衍射光栅、体积全息图设计为降低了针对外界的光的衍射效率，第二导光板123具有透视性。在该结构中，从第一导光板122的尺寸的小型化、耦合效率的提高的观点出发，优选第一导光板122的影像光的复制方向即第一复制轴与第二导光板的影像光的复制方向即第二复制轴所成的角度小于90°。

以上，通过本实施例所示的结构，即使在宽视场角的影像光入射的情况下，也能够在抑制导光板的尺寸增加的同时扩大眼镜框而显示高品质的影像。

因此，根据本实施例，能够提供在实现宽视场角的影像显示的同时兼顾光学系统的小型化和眼镜框的扩大的HMD。

实施例3

在本实施例中，对在各实施例中叙述的HMD的应用例进行说明。图14是表示本实施例中的HMD的使用例的图。

在图14中，在用户2的视野中，在来自HMD1的影像(虚像)显示区域111中显示内容。例如显示工业设备的检查、组装等中的作业步骤201、附图202。影像显示区域111有限，因此若同时显示这些作业步骤书201、附图202，则内容变小，视觉辨认性变差。因此，通过进行利用加速度传感器检测用户2的头部的朝向的头部追踪，并根据头部的朝向来改变显示内容，从而改善视觉辨认性。即，在图14中，在用户2朝向左侧的状态下，在影像显示区域111中显示了作业步骤201，但当用户朝向右侧时，在影像显示区域111中显示附图202，能够显示为犹如具有能够以广阔的视野视觉确认作业步骤201和附图202的虚拟的影像显示区域112。

由此，视觉辨认性得到改善，并且用户2能够一边同时视觉辨认作业对象物(设备、工具等)和作业指示一边执行作业，因此能够进行更可靠的作业，能够减少错误。

图15是本实施例中的HMD的结构框图。在图15中，对与图1相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。在图15中，与图1不同的点在于，特别附加了头跟踪功能。即，HMD1的图像信号处理部103A包括头部跟踪部103H。头部跟踪部103H基于感测部106A的加速度传感器106H的信息检测用户2的头部的方向，并且根据头部的方向改变显示内容。

另外，在室内外使用HMD。因此，还需要根据周围环境的明亮度来调节显示影像的亮度。作为一例，在感测部106A搭载照度传感器106M，根据照度传感器106M的输出来调节图像信号处理部103A显示的影像的亮度即可。

以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施例，包含各种变形例。例如，上述HMD和虚像影像生成部101的功能结构是为了容易理解而根据主要的处理内容进行分类的。本发明不受构成要素的分类的方法、名称限制。HMD以及虚像影像生成部101的结构也能够根据处理内容分类为更多的构成要素。另外，也能够以1个构成要素执行更多的处理的方式进行分类。

另外，本发明不仅能够应用于HMD，当然也能够同样地应用于具有在各实施例中说明的虚像影像生成部101的结构的其他影像(虚像)显示装置。

关于上述说明的、使第一复制轴与第二复制轴所成的角度小于90°的情况下的出射反射面组133、入射面组140’以及出射反射面组143的旋转角度，只不过是一例，并不限定于上述说明的内容(角度的数值)。另外，也可以不以导光板的主面、端面为基准，而将第一复制轴与第二复制轴所成的角度适当地形成为小于90°。

另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构。另外，也可以在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，也可以对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。

符号说明

1头戴式显示器(HMD)

101虚像影像生成部

102控制部

103图像信号处理部

104电力供给部

105存储部

106感测部

107通信部

108声音处理部

109拍摄部

91～93输入输出部

111影像显示区域

112虚拟的影像显示区域

120影像显示部

121投射部

122第一导光板

123第二导光板。

Claims (15)

1.一种头戴式显示器，其在用户的视野内显示影像，其特征在于，所述头戴式显示器具备：

影像显示部，其生成要显示的影像；以及

第一导光板和第二导光板，其复制来自所述影像显示部的影像光，

所述第一导光板和所述第二导光板分别具有通过内部反射将影像光封闭的平行的1组主面，

所述第一导光板具备使影像光向内部反射的入射面和向所述第二导光板出射影像光的2个以上的出射反射面，

所述第二导光板具备将来自所述第一导光板的影像光耦合到内部的输入部和向用户的瞳孔出射影像光的输出部，

第一导光板的影像光的复制方向与第二导光板的影像光的复制方向所成的角小于90°。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第一导光板的所述入射面和所述出射反射面相互平行且为与所述主面不同的角度。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第二导光板的输出部是2个以上的部分反射镜，

在所述2个以上的部分反射镜上形成有相同的反射膜。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第一导光板的出射反射面以及第二导光板的输出部是部分反射镜，

具有第一入射角度范围和第二入射角度范围，其中，所述第一入射角度范围为规定的视场角的影像光正常地入射出射到所述部分反射镜的范围，所述第二入射角度范围为从背面入射到所述部分反射镜的范围，

所述第一入射角度范围小于第二入射角度范围，

在从第二入射角度范围的中央到高角度侧的反射率的区域，具有比所述第一入射角度范围的反射率高的部分。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第二导光板的输入部是1个以上的入射反射面，所述输出部是包含2个以上的出射反射面的出射反射面组，

所述入射反射面和所述出射反射面组分别相互平行且为与所述主面不同的角度。

6.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第一导光板的出射反射面的排列方向轴与所述第二导光板的出射反射面的排列方向轴所成的角小于90°。

7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

离所述入射面越远，所述第一导光板的出射反射面的反射率越高，

所述第一导光板的出射反射面的反射面间隔以及所述第二导光板的出射反射面的反射面间隔比将来自所述影像显示部的影像光投射到所述第一导光板的投射部的口径直径小。

8.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

配置于靠近所述入射面的一侧的出射反射面的配置间隔比配置于所述第一导光板的区域的中心部的出射反射面的配置间隔窄。

9.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第一导光板的主面与所述第二导光板的主面大致平行，

所述第一导光板的主面与所述第二导光板的主面处于不同的平面内，

所述第一导光板的主面配置在比所述第二导光板的主面更靠近将来自所述影像显示部的影像光投射到所述第一导光板的投射部的一侧。

10.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

出射反射面相对于所述第一导光板以及第二导光板的主面的倾斜角度为规定的角度θ，

所述倾斜角度θ为16°～40°的范围。

11.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第二导光板的输入部是具备具有偏振光特性的膜的1个以上的入射反射面。

12.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第二导光板的输入部是入射透射面，所述输出部是包含2个以上的出射反射面的出射反射面组，

所述入射透射面和所述出射反射面组分别相互平行且为与所述主面不同的角度，

在所述第一导光板与所述第二导光板之间配置有具有顶角θ的光路校正棱镜，

所述第一导光板的主面被配置成相对于所述第二导光板的主面倾斜2θ。

13.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，

所述第二导光板的输入部是入射透射面，所述输出部是包含2个以上的出射反射面的出射反射面组，

所述入射透射面和所述出射反射面组分别是相互平行且为与所述主面不同的角度，

将第一导光板的影像光的复制方向投影到第二导光板的主面而得的轴与第二导光板的影像光的复制方向所成的角小于90°。

14.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，具备：

电力供给部，其供给电力；

感测部，其检测用户的位置、姿势；

声音处理部，其进行声音信号的输入或者输出；以及

控制部，其进行所述电力供给部、所述感测部以及所述声音处理部的控制。

15.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，具备：

加速度传感器，其检测用户的头部的活动；

头部跟踪部，其根据用户的头部的活动来改变显示内容；

电力供给部，其供给电力；

声音处理部，其进行声音信号的输入或者输出；以及

控制部，其进行所述加速度传感器、所述头部跟踪部、所述电力供给部以及所述声音处理部的控制。