本发明专利技术提供具有透视功能、广视角高性能且小型轻量的虚像显示装置。通过投射透镜（30）等在棱镜（10）的内部形成中间像，并且按照第1次的第3面（S13）、第1次的第1面（S11）、第2次的第3面（S13）、第2次的第1面（S11）及第2面（S12）的顺序在3个面以上全反射了的影像光（GL），透过第1面（S11）到达观察者的眼睛（EY），因此，能够使棱镜（10）薄型且光学系统整体小型轻量化，能够实现广视角且明亮的高性能的显示。另外，外界光（HL）能够通过第1面（S11）和第3面（S13）进行观察，此时的视度大致为0，因此，能够降低观察外界光时的散焦和/或失真。另外，棱镜的形状为沿观察者面部的形状，能够使重心也靠近脸部、外观设计也优异。
【技术实现步骤摘要】
虚像显示装置
本 专利技术涉及将由图像显示元件等形成影像呈现给观察者的虚像显示装置，尤其涉及适用于在观察者的头部佩戴的头戴式显示器的虚像显示装置。
技术介绍
作为在佩戴于观察者头部的头戴式显示器(下面也称为HMD)等虚像显示装置中所组装的光学系统，提出了各种各样的方案(例如参照专利文献I到4)。对于HMD等虚像显示装置，期待其将影像光广视角化和降低装置重量。尤其是，减薄观察者的视轴方向的厚度并使重心接近观察者对于提升佩戴感是重要的。另外，若完全覆盖观察者的视野而成为仅能看到影像光的状态，则观察者无法判断外界的状态会产生不安。而且，通过使人重叠观察外界和影像，产生虚拟现实这样的新用途。因而，期望不妨碍外界的视野地重叠显示影像光的显示器。而且，为了提升观察者的佩戴感并改良外观的样式，通常期望其接近眼镜的形态，还期望将影像显示装置配置于脸颊而不配置在眼睛的上方。为了将影像显示装置离开观察者的眼睛的位置以使得其小型化光学系统且不妨碍视野，只要采用使显示图像光在光学系统中一次成像并形成中间像的中继光学系统，并放大地观察该中间像即可。例如在专利文献I中，作为中继光学系统提出了如下系统:采用端面成为抛物面镜的平行平面状的导光板和投射透镜，在导光板的内部形成中间像。但是，在专利文献I的光学系统中，投射透镜大，妨碍了小型轻量化。在专利文献2中，作为中继光学系统，提出了具有带曲面的出射反射面的导光棱镜和投射透镜的系统。但是，专利文献2的光学系统未考虑使观察者能观察外界。为了应用该光学系统以观察外界，必须在按整个棱镜扩展开的反射面上贴附补偿棱镜后并在接合面设置半透半反镜，影像光在该半透半反镜反射2次，因此显著变暗。在专利文献3中，作为中继光学系统，提出了具备投射透镜、凹面镜和导光板的系统。该光学系统中，通过组合波长板和偏振半透半反镜来提高反射效率。但是，为了应用专利文献3的光学系统来观察外界，必须向凹面镜贴合补偿透镜，整体上变厚。在专利文献4中，作为中继光学系统，提出了通过使光路弯折而使全长变短的紧凑集合的系统。但是，在专利文献4的光学系统中，棱镜中央的凸部和投射透镜妨碍了视野。另外，影像光在透过半透半反镜后折返，在半透半反镜反射后入射到眼睛中，因此观察到的影像变暗。另外，用导光棱镜形成虚像的方法中，可以考虑设为例如通过将导光棱镜设为连结多个棱镜部分而成的构造、或者将导光棱镜分割为多个棱镜部分而构成，从而在多个不同曲面上进行光路的折弯。在该情况下，期待各曲面上的自由度增加，成像性能提高。反之，由于光学设计和/或使用环境等，在曲面与曲面的接缝和/或切缝外界光被向不期望的方向反射，很可能会产生幻影光。【现有技术文献】【专利文献】【专利文献I】日本特许2746697号公报【专利文献2】日本特许3787399号公报【专利文献3】日本特许4218553号公报【专利文献4】日本特许4819532号公报
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有重叠显示外界光和影像光的透视功能且广视角、高性能的小型轻量的虚像显示装置。本专利技术涉及的虚像显示装置，使人同时观看到影像光和外界光，具备:产生影像光的影像元件；和一个棱镜，其包含3个以上的非轴对称曲面并且作为光学系统的一部分在内部形成中间像，在通过构成棱镜的多个面中的第I面和第3面而观看外界时，视度大致为0，第I面和第3面相对于观察侧呈凹 面形状，来自影像元件的影像光在第3面全反射、在第I面全反射、在第3面再度全反射、在第I面再度全反射并在第2面反射后，透过第I面到达观察侧。这里，影像光是指通过影像元件等形成的可由眼识别为虚像的光，如上所述，在棱镜的内部中形成中间像。在上述虚像显示装置中，通过光学系统等在棱镜的内部形成中间像，并且按照第3面、第I面、第3面、第I面及第2面的顺序反射了的影像光，透过第I面而到达观察者，因此，能够使棱镜薄型且使光学系统整体小型且轻量化，同时实现广视角且明亮的高性能的显示。另外，对于外界光，能够通过第I面和第3面观察到，此时的视度大致为0，因此，能够降低以透视方式观察外界光时的外界光的散焦和/或失真。另外，棱镜的形状为沿着观察者面部的形状，能够使重心也靠近脸面并使外观设计性也优异。另外，通过设为在第I面以及第3面分别进行多次全反射的构成，能够减少在沿着棱镜的导光路的表面间产生不连续的部分的情况。从而，能够避免因在棱镜的不连续部分发生非期望的光的反射等而发生幻影的情况。[0021 ] 在本专利技术的具体的侧面中，在上述虚像显示装置中，在以构成光学系统的各面的原点为基准，将面形状的表达式设为对从原点向切线方向延伸的正交坐标X及I进行多项式展开后的展开式时，将表示第k面的多项式的项Xm-Yn的系数设为Akm,n，满足下述(I)到(3)的条件，— 5 X 10 —2 < A I2j0 + A 10,2 < — I X 10 —3 以及— 5 X 10 —2 < A 32j0 + A 30j2 <—1X10 —3...(I)I A 32j0 - A 30j2 I <5X10 —2…(2)I A I2,0 — A 32j0 I <5X10 — 3 以及I A 10,2 — A 30,2 I < 5X10 — 3...(3)。另外，以上，包含各面的正交坐标X及y的本地坐标(x，y，z)以曲面上的某I点作为原点，在面的法线方向上取z轴，在面的切线方向上取X轴和y轴。曲面的原点例如设为光束中心通过的位置，全部的原点在同一平面(基准面)上。在本专利技术中，通过使第I面和第3面这两面向观察者侧呈凹面状，不仅可观察到影像光和外界光这双方，而且通过使这些第I面和第3面成为自由曲面，能够有效地使用这些曲面形状的自由度，获得高画质的光学系统。表征第I面及第3面的功能即曲面的功能的特征是曲面的曲率，原点附近的曲率主要由系数Akit^PAkth2 (k=l，3)的值确定，因此适切设定系数Ak2it^P Akch2的值是很重要的。条件(I)规定原点附近的第I面的曲率和第3面的曲率的大小。这些值Alw，Altl,2,A32j0,A30j2为负，这表示第I面或第3面相对于观察者为凹面状。若超过条件(I)的上限则形状接近平面，即使外界光的观察没有问题，也无法有效地进行影像光的像差校正。另外，若超过条件(I)的下限，则曲率过强，难以进行像差校正并且棱镜的位置靠近面部，有损佩戴感。条件(2)规定第3面的X轴方向的曲率与y轴方向的曲率的差。若超过条件(2)的上限，则在第3面发生的非点像差过大，像差校正变得困难。条件(3)规定与X轴方向及y轴方向相关的第I面的曲率与第3面的曲率的差，该差影响棱镜对于外光的视度。棱镜的光轴上的X轴方向的视度Dx及y轴方向的视度Dy在棱镜的厚度设为T且折射率设为N时，Dx = 2000 (N— I) (A I2,0 —A 32,0 十(2 T (N— I) / N) X A I2 0X A 32,0)Dy = 2000 (N — I) (A 10j2 — A 30j2 (.2 ? (N — I) / N) X A10,2X A30,2)。一般，远视视度的误差若超过±1D，则产生不愉悦感，因此，棱镜的视度优选抑制为±1D。但是，通过外周部的视度和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种虚像显示装置，其特征在于，使人同时观看到影像光和外界光，具备：产生影像光的影像元件；和一个棱镜，其包含3个以上的非轴对称曲面并且作为光学系统的一部分在内部形成中间像，在通过构成所述棱镜的多个面中的第1面和第3面而观看外界时，视度大致为0，所述第1面和所述第3面相对于观察侧呈凹面形状，来自所述影像元件的影像光在所述第3面全反射、在所述第1面全反射、在所述第3面再度全反射、在所述第1面再度全反射并在第2面反射后，透过所述第1面到达观察侧。
【技术特征摘要】
2013.02.13 JP 2013-0252711.一种虚像显示装置，其特征在于，使人同时观看到影像光和外界光，具备: 产生影像光的影像元件；和 一个棱镜，其包含3个以上的非轴对称曲面并且作为光学系统的一部分在内部形成中间像， 在通过构成所述棱镜的多个面中的第I面和第3面而观看外界时，视度大致为O， 所述第I面和所述第3面相对于观察侧呈凹面形状， 来自所述影像元件的影像光在所述第3面全反射、在所述第I面全反射、在所述第3面再度全反射、在所述第I面再度全反射并在第2面反射后，透过所述第I面到达观察侧。2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其特征在于， 在以构成所述光学系统的各面的原点为基准，将面形状的表达式设为对从原点向切线方向延伸的正交坐标X及I进行多项式展开后的展开式时，将表示第k面的多项式的项xm.Yn的系数设为Akm,n，满足下述(I)到(3)的条件， —5X10 2 <A I2j0 + A 10j2 < — 1X10 3 以及—5X10 —2 <A 32j0 + A 30j2 <— 1X10 —3...(I)IA 32,0 —A 30,2 I < 5X10 —2...(2)IA I2j0-A 32j0 I < 5X10 — 3 以及IA 10j2 —A 30,2 I < 5X10 — 3...(3)。3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其特征在于， 在所述第2面上形成半透半反镜并向观察者呈现影像光，并且在所述第2面的外侧一体地配置有光透射部件，该光透射部件对于外界光的视度大致为0，将外界光和影像光重叠地向观察者呈现。4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其特征在于， 所述光透射部件在观察者侧具有第I透射面和第2透射面并且在外界侧具有第3透射面，所述棱镜的第2面和所述光透射部件的第2透射面具有大致相同的曲面形状，所述第2面和所述第2透射面一体化。5.根据权利要求1到4中任一项所述的虚像显示装置，其特征在于， 还具备使来自所述影 像元件的影像光入射所述棱镜的投射透镜， 至少所述棱镜的一部分和所述投射透镜构成形成中间像的中继光学系统。6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其特征在于， 所述投射透镜包括轴对称透镜，并包含至少I个以上的非球面。7.根据权利要求5或6所述的虚像显示装置，其特征在于， ...
【专利技术属性】
技术研发人员：小松朗，户谷贵洋，武田高司，高木将行，宫尾敏明，
申请(专利权)人：精工爱普生株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP
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