專利名稱：圖像觀察設(shè)備和圖像觀察系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諸如頭戴式顯示器(HMD)之類的圖傳Jf見察設(shè)備， 其把來自多個圖#>形成元件的光通量引向觀察者的眼睛以使得能夠進(jìn)行 圖傳J現(xiàn)察。
背景技術(shù)：
期望用于HMD等的觀察光學(xué)系統(tǒng)是小型的。也期望觀察光學(xué)系統(tǒng) 能夠提供具有寬視角的圖像以增加現(xiàn)實感覺。
優(yōu)選大的顯示元件(圖4象形成元件)使觀察光學(xué)系統(tǒng)能夠提供具有 寬視角的圖像。然而，很難總是獲得具有對觀察光學(xué)系統(tǒng)的顯示視角的 所要求規(guī)范的合適顯示區(qū)域尺寸的顯示元件。
美國專利第5，982，343號和6，008，778號以及日本專利特開第 11-326820號公開了這樣的觀察光學(xué)系統(tǒng)，其實現(xiàn)期望的寬視角顯示，同 時使用具有比期望的顯示視角更小的顯示區(qū)域尺寸的顯示元件。這些光
場的多個原始圖像而產(chǎn)生的一個圖像。
美國專利第5,982,343號中公開的觀察光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置有V形反射鏡。 V形反射鏡在其一個反射表面把來自顯示在顯示元件上的原始圖像的光 向著光瞳反射，并且在其其它反射表面把來自顯示在另一顯示元件上的 另 一原始圖 <象的光向所迷光瞳反射。
美國專利第6,008,778號中公開的觀察光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置有形狀關(guān)于包括 通過合成顯示在兩個顯示元件上的兩個原始圖像產(chǎn)生的 一個圖像的視場 中心的截面對稱的棱鏡。該觀察光學(xué)系統(tǒng)使用棱鏡的兩個進(jìn)入表面，所 述兩個進(jìn)入表面各自面對著一個顯示元件，作為各自反射來自另一顯示 元件的光的兩個反射表面。日本專利特開第11-326820號中公開的觀察光學(xué)系統(tǒng)也設(shè)置有形狀 關(guān)于包括通過合成顯示在兩個顯示元件上的兩個原始圖像產(chǎn)生的一個圖 像的視場中心的截面對稱的棱鏡。來自顯示在一個顯示無件上的一個原 始圖像的光從面對著該一個顯示元件的itA表面i^棱鏡，被透射/全反 射表面全反射，被反射表面反射，然后經(jīng)過透射/全反射表面朝著光瞳被 透射。類似地，來自顯示在另一顯示元件上的另一原始圖像的光從面對 著所述另一顯示元件的另一ii^表面進(jìn)入棱鏡，被透射/全反射表面全反 射，被所述另一反射表面反射，然后經(jīng)過透射/全反射表面朝著光瞳被透 射。
合成來自 一個原始圖像的光和來自另 一原始圖像的光并使它們向著 同 一光瞳行進(jìn)的兩個反射表面彼此相鄰布置。
上述專利文獻(xiàn)中公開的各XC察光學(xué)系統(tǒng)在彼此相鄰布置的兩個反射 表面處合成來自兩個顯示元件的光通量。具體來說，來自顯示在一個顯 示元件上的一個原始圖像的光通量被一個反射表面朝著光瞳反射，來自 顯示在另 一顯示元件上的另 一原始圖像的光通量被與該 一個反射表面相 鄰的另 一反射表面朝著光瞳反射。
換句話說，當(dāng)以從光瞳的反向光線追蹤考慮朝向這兩個顯示元件的 兩個光路時，來自光瞳的光路通過彼此相鄰布置的兩個反射表面被分離 成朝向這兩個顯示元件的兩條光路。
這些觀察光學(xué)系統(tǒng)通過使用小顯示區(qū)域尺寸的顯示元件可以提供比 通常獲得的視角更寬的視角。而且，它們可以通過使用更小型的光學(xué)系 統(tǒng)(在視軸方向上很薄的光學(xué)系統(tǒng))提供與常皿角類似的視角。
然而，這些觀察光學(xué)系統(tǒng)包括兩個反射表面之間的接合線，在反向 光線追蹤中，這些反射表面把來自光瞳的光路分離成朝向顯示元件的光 路。接合線部分可能散射光從而引起耀斑等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種圖^^見察設(shè)備，它包括合成多個原始圖像以使得能 夠觀察一個合成圖像的觀察光學(xué)系統(tǒng)，并且它可以抑制光散射、耀斑等 的產(chǎn)生。
才艮據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種圖傳JC察設(shè)備，包括各自形成原 始圖像的第一圖像形成元件和第二圖像形成元件；以及光學(xué)系統(tǒng)，其被 配置為把來自第一和第二圖像形成元件的光通量引向光學(xué)系統(tǒng)中觀察者 眼睛所位于的射出光瞳位置。該光學(xué)系統(tǒng)包括作為單個表面的光學(xué)表面， 所述光學(xué)表面反射來自第 一圖像形成元件的光通量并且透射來自第二圖 像形成元件的光通量。第 一 圖像形成元件和第二圖像形成元件分別形成 第 一原始圖像和第二原始圖像，所述第 一原始圖像和第二原始圖像對應(yīng) 于自射出光瞳位置的不同的視場。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種圖像觀察系統(tǒng)，包括圖#^見察設(shè)備 和使第一和第二圖像形成元件形成第一和第二原始圖像的驅(qū)動器。
根據(jù)下文參考附圖描述的實施例，本發(fā)明的其它方面將變得清晰。


圖1是示出作為本發(fā)明笫一實施例(實施例1)的HMD的顯示單元
的配置的水平截面圖，
圖2是用于說明實施例1中的原始圖像的重疊顯示的水平截面圖。 圖3A到3C是用于說明實施例1中的重疊顯示中的射出光瞳狀態(tài)的
水平截面圖。
圖4是用于說明原始圖像在垂直方向上合成的情況的垂直截面圖。
圖5是示出作為本發(fā)明第二實施例(實施例2 )的HMD的顯示單元 的配置的水平截面圖。
圖6A是示出作為本發(fā)明第三實施例(實施例3)的HMD的顯示單 元的配置的水平截面圖。
圖6B是示出實施例3的修改示例的水平截面圖。
圖7是示出作為本發(fā)明第四實施例(實施例4 )的HMD的顯示單元 的配置的水平截面圖。
圖8A到8E示出實施例4中從顯示元件的光路。
圖9是示出作為本發(fā)明第五實施例(實施例5)的HMD的顯示單元
的配置的水平截面圖。
圖IOA到IOC是示出通過來自原始圖像的重疊區(qū)域中的圖像高度位 置的光通量互補(bǔ)形成的射出光瞳的水平截面圖。
圖11是示出作為本發(fā)明第六實施例(實施例6)的HMD的顯示單 元的配置的水平截面圖。
圖12是示出通過來自原始圖像的重疊區(qū)域中的圖像高度位置的光通 量互補(bǔ)形成的射出光瞳的水平截面圖。
圖13是示出作為本發(fā)明第七實施例(實施例7)的HMD的顯示單 元的配置的水平截面圖。
圖14是示出實施例7的#"改示例的水平截面圖。
圖15是示出作為本發(fā)明第八實施例(實施例8 )的HMD的顯示單 元的配置的水平截面圖。
圖16是示出作為本發(fā)明第九實施例(實施例9)的HMD的顯示單 元的配置的水平截面圖。
圖17是示出實施例1的修改示例的水平截面圖。
圖18示出各實施例1到9的HMD。
具體實施例方式
下面將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實施例。 [實施例lj
圖1示出顯示單元的水平截面配置，該顯示單元用于作為本發(fā)明第 一實施例(實施例1)的圖^M見察設(shè)備的HMD。
如圖18所示，本實施例的HMD100被安裝在觀察者的頭H上，并 且把圖像光引向他/她的眼睛。然而，圖1示出用于把圖像光引向一只眼 睛的顯示單元。如圖18所示為右和左眼各自提供圖l所示的顯示單元可 以實現(xiàn)雙眼HMD。這也適用于下述實施例。僅提供用于把圖像光引向一 只眼睛的一個顯示單元可以實現(xiàn)單眼HMD。
在圖1和18中，參考數(shù)字l指示第一光學(xué)元件，2指示第二光學(xué)元
件。第一和第二光學(xué)元件1和2構(gòu)成觀察光學(xué)系統(tǒng)。笫一和第二光學(xué)元 件1和2各自形成為透光構(gòu)件，其中填充有諸如光學(xué)玻璃或光學(xué)樹脂之 類的媒介。
參考數(shù)字3指示第一顯示元件，4指示第二顯示元件。這些第一和第 二顯示元件3和4是由液晶板或有機(jī)EL板構(gòu)成的圖像形成元件。第一 和第二光學(xué)元件1和2以及第一和第二顯示元件3和4構(gòu)成用于一只眼 睛的顯示單元。
如圖1所示，第一和第二顯示元件3和4連接到驅(qū)動單元(驅(qū)動器) 10。圖像提供設(shè)備20,諸如個人計算機(jī)、DVD播放器和電視調(diào)諧器，連 接到驅(qū)動單元10。驅(qū)動單元10基于從圖像提供設(shè)備20輸入的圖像信號， 驅(qū)動第一和第二顯示元件3和4以一使它們分別顯示(形成)原始圖像。 HMD和驅(qū)動單元10構(gòu)成圖傳J見察系統(tǒng)。
第一顯示元件3顯示第一原始圖《象IA,其對應(yīng)于基于來自圖傳炎供 設(shè)備20的圖像信號形成的一個圖像(單個圖像)左半部分。第二顯示元 件4顯示第二原始圖像IB，其對應(yīng)于該一個圖像的右半部分。
第一和第二光學(xué)元件1和2把來自第一和第二顯示元件3和4的光 通量(圖像光)引向觀察光學(xué)系統(tǒng)的射出光瞳S所形成的位置或區(qū)域。 射出光瞳S所形成的位置或區(qū)域在下文中稱為射出光瞳位置。觀察者的 一只眼睛E位于該射出光瞳位置。觀察光學(xué)系統(tǒng)合成作為與第 一原始圖 像IA相對應(yīng)的放大虛像的第一圖像IA，和作為與第二原始圖像IB相對 應(yīng)的放大虛像的第二圖像IB，，以形成作為單個放大虛像的合成圖像IC, 合成圖像IC被觀察者觀察。
射出光瞳位置也可以稱為觀察位置(或觀察區(qū)域)，觀察者的一只眼 睛E位于該觀察位置以使觀察者能夠在全部視場中觀察合成圖像IC。
在第一光學(xué)系統(tǒng)1中，參考符號S2指示作為單個(或簡單)表面的 光路合成表面A,表面S2 (A)被形成為偏心表面。光路合成表面S2還 被形成為半反射鏡表面(半透射反射表面)。單個(光學(xué))表面意味著一 個無接合線而連續(xù)形成的(光學(xué))表面。
光路合成表面S2把來自第 一顯示元件3的光通量朝著射出光瞳S(即
射出光瞳位置)反射并且把來自第二顯示元件4的光通量朝著射出光瞳 S透射。
當(dāng)射出光瞳S被定義為觀察光學(xué)系統(tǒng)的iiX光瞳并且光線從it^光 瞳向第一和第二顯示元件3和4 ,皮追蹤時，即當(dāng)光線以反向光線追蹤而 被追蹤時，光#成表面S2充當(dāng)分離表面，它使來自ii^光瞳的部分有 效光通量向著第一顯示元件3行進(jìn)，并且使剩余部分的有效光通量向著 第二顯示元件4行進(jìn)。
第一光學(xué)元件1的光路合成表面S2和第二光學(xué)元件2的表面S2，具 有相同的曲率半徑。第一和第二光學(xué)元件1和2被如下合成。表面S2和 S2，彼此靠近地布置，以便它們可以被認(rèn)為是同一表面。表面S2和S2， 通過粘合劑相互接合。粘合劑的折射率等于或接近于形成第一和第二光 學(xué)元件的材料的折射率。彼此分離的表面S2和S2，在下文中被視為一個 接合表面。
在該實施例中，術(shù)語"等于(或相同)，，不僅意味著完全相同，而且 意味著在可以認(rèn)為光學(xué)上相同的范圍內(nèi)具有差異。
接下來，將對觀察光學(xué)系統(tǒng)中的光路及其光學(xué)效果進(jìn)行描述。
來自顯示在第一顯示元件3上的第一原始圖〗象IA的光通量M面 S3 ii^第一光學(xué)元件1，被半反射鏡表面S2反射，然后經(jīng)it^面Sl透 射以從第一光學(xué)元件l射出。由于表面S1具有正的折光力，經(jīng)其透射的 光通量被折射，以便向射出光瞳S會聚以到達(dá)射出光瞳S。眼睛E位于 射出光瞳位置的觀察者辨認(rèn)通it^面S3和Sl的折光力形成的第一原始 圖像IA的放大虛像。
來自顯示在第二顯示元件4上的第二原始圖4象IB的光通量^面 S5 it^第二光學(xué)元件2，然后祐束面S4朝著第二光學(xué)元件2的表面S2， 與第一光學(xué)元件1的半反射鏡表面S2相互掩^的接合表面反射。然后， 光通量經(jīng)it^面(S2，和S2)透射以iiX第一光學(xué)元件l。
從第二顯示元件4進(jìn)入了第一光學(xué)元件1的光通量被折射，以便通 M面Sl朝著射出光瞳S會聚并且從第一光學(xué)元件1射出以到達(dá)射出光 瞳S。觀察者辨認(rèn)通過表面S5和Sl的折光力形成的第二原始圖像IB的放大虛像。
提供在作為光5^成表面S2的表面S2 (S2，)的向后和向前位置各 自具有折光力的表面S3、 S5和S1，使得表面之間的光焦度能夠共享， 這可以抑制各種像差的產(chǎn)生。
開始于第一顯示元件3、通過構(gòu)成第一光學(xué)系統(tǒng)部分的表面S3、然 后到i^面S2的光通量的光路在下文中被稱為第一光路。開始于第二顯 示元件4、通過構(gòu)成第二光學(xué)系統(tǒng)部分的表面S5和S4、然后到ii^面 S2的光通量的光路在下文中稱為第二光路。第一和第二光路通過在表面 S2的^Jt和透射被匯集到第三光路中作為一個光路。第三光路通過構(gòu)成 與來自第一和第二光路的光通量共用的第三光學(xué)系統(tǒng)部分的表面Sl,從 而到達(dá)射出光瞳S。
當(dāng)從射出光瞳S的中心延伸到用于觀察合成圖像IC的視場中心的軸 是視軸CL時，Y-Z截面被定義為其中視軸CL對應(yīng)于Z軸的截面。X 軸被定義為垂直于圖紙的軸。X軸、Y軸和Z軸在射出光瞳S的中心處 互相正交。在本實施例中，Y軸方向?qū)?yīng)于水平方向(合成圖像的長邊 方向)，X軸方向?qū)?yīng)于垂直方向(合成圖像的短邊方向)。
與視軸CL (Z軸)相同的光線被定義為中心視角主光線。包括中心 視角主光線在半反射鏡表面S2處被彎折之前和之后的部分的截面被定 義為y-z截面。在這種情況下，半反射鏡表面S2的轉(zhuǎn)動偏心僅通過圍繞 X軸的轉(zhuǎn)動表達(dá)。即，偏心表面S2的本地坐標(biāo)系中的y-z截面與整個觀 察光學(xué)系統(tǒng)的全局坐標(biāo)系中的y-z截面相同。Y-Z截面是偏心表面S2的 偏心傾斜截面。
在本實施例中，第一和第二圖像IA，和IB，被合成以顯示在偏心表面 S2的偏心傾斜截面上。即，觀察光學(xué)系統(tǒng)合成來自"對應(yīng)于不同視場的 多個(第一和第二)原始圖像，，的光通量，以形成對應(yīng)于一個合成視場的 一個合成圖像。
如圖l所示，Y-Z截面中+Y方向和-Y方向上的視場形成合成視場， 其用于觀察與顯示在第一和第二顯示元件3和4上的第一和第二原始圖 像IA和IB相對應(yīng)的第 一和第二圖像IA，和IB，的合成圖像IC。如上文所述，本實施例形成在Y-Z截面上的Y軸方向上平移的兩個 視場，并且使得能夠通過這兩個視場的合成視場觀察笫一和第二圖像IA， 和IB，的合成圖《象IC。這可以4吏第一和第二顯示元件3和4小型化，并 且可以實現(xiàn)一種觀察光學(xué)系統(tǒng)，其能夠進(jìn)行寬視角顯示，同時減小第一 和第二光學(xué)元件1和2各自光學(xué)表面的尺寸。換句話說，本實施例可以 實現(xiàn)能夠進(jìn)行寬視角顯示的小型HMD。
圖2示出基于相互部分重疊的第 一和第二原始圖像IA和IB的合成 圖像通過具有類似于圖1所示的觀察光學(xué)系統(tǒng)的配置的觀察光學(xué)系統(tǒng)來 顯示的情況。盡管圖1示出不重疊第一和第二原始圖像IA和IB而顯示 合成圖像的情況，但是第一和第二原始圖像IA和IB可以相互部分重疊， 如圖2所示。上述術(shù)語"對應(yīng)于不同視場的多個(第一和第二)原始圖像，， 包括這樣的相互部分重疊的多個原始圖像。
圖3A到3C示出在多個原始圖傳4目互部分重疊的情況下的射出光瞳 S的分割示例。圖3A示出形成從中心視角稍微平移的視角的光通量。圖 3B示出形成中心視角的光通量。圖3C示出形成在與圖3A中平移方向 相反的方向上從中心視角稍微平移的視角的光通量。
在這些圖中，射出光瞳S左側(cè)(圖中的上側(cè)在下文中稱為上側(cè)) 的光通量是來自第一顯示元件3的光通量。射出光瞳S右側(cè)(圖中的下 側(cè)在下文中稱為下側(cè))的光通量是來自第二顯示元件4的光通量。
在圖3A所示的—見角中，來自第一顯示元件3的光通量到達(dá)射出光瞳 S中從射出光瞳S的上端延伸到比射出光瞳S的中心(在下文中稱為光 瞳中心)更下側(cè)的位置的區(qū)域。來自第二顯示元件4的光通量到達(dá)射出 光瞳S中來自笫一顯示元件3的光通量所沒有到達(dá)的另一區(qū)域。
在圖3B所示合成圖像的視角中心的附近，來自第一顯示元件3的光 通量到達(dá)射出光瞳S中包括光瞳中心和比它更上側(cè)的區(qū)域的區(qū)域。來自 第二顯示元件4的光通量到達(dá)射出光瞳S中包括光瞳中心和比它更下側(cè) 的區(qū)域的另一區(qū)域。
在圖3C所示的視角中，來自第二顯示元件4的光通量到達(dá)射出光瞳 S中從射出光瞳S的下端延伸到比光瞳中心更上側(cè)的位置的區(qū)域。來自 第一顯示元件3的光通量到達(dá)射出光瞳S中來自第二顯示元件4的光通 量所沒有到達(dá)的另一區(qū)域。
在該顯示單元中，顯示在第一和第二顯示元件3和4上的第一和第 二原始圖像IA和IB包括部分重疊區(qū)域。然而，觀察光學(xué)系統(tǒng)通過根據(jù) 視角改變分別用射出光瞳S中來自第 一和第二原始圖像IA和IB的光通 量形成的區(qū)域的比例，用那些光通量互補(bǔ)地形成射出光瞳S，以便在射 出光瞳S處不產(chǎn)生光通量的缺乏或重疊。具體來說，分別設(shè)置表面S3和 S5的有效區(qū)域以便可以形成這樣的射出光瞳S。
在圖17中，示出一種觀察光學(xué)系統(tǒng)，其中孔徑光闌Stl布置于表面 S3和第一顯示元件3之間，孔徑光闌St2布置于表面S5和第二顯示元件 4之間。孔徑光闌Stl和St2根據(jù)視角改變分別用射出光瞳S中來自第一 和第二顯示元件3和4的光通量形成的區(qū)域的比例，以便在射出光瞳S 處不產(chǎn)生光通量的缺乏或重疊，從而使得能夠互補(bǔ)地形成射出光瞳S。
如上文所述互補(bǔ)地形成射出光瞳S可以大部分地消除iS^運(yùn)動中的 觀察者眼睛瞳孔的光量的變化，從而使觀察者能夠觀察具有基本上恒定 亮度的合成圖像。
上文描述了顯示在水平方向上合成的合成圖像的情況。然而，在垂 直方向上合成的合成圖像可以如圖4所示地顯示。
圖4示出顯示在垂直方向上合成的合成圖像的觀察光學(xué)系統(tǒng)的垂直 截面，Y軸方向?qū)?yīng)于垂直方向。第一和第二顯示元件3和4關(guān)于觀察 光學(xué)系統(tǒng)(第一和第二光學(xué)元件1和2 )布置在垂直方向上。該配置合成 來自與垂直方向上的不同視場相對應(yīng)的第一和第二原始圖像IA和IB的 光通量，以提供對應(yīng)于一個合成視場的一個合成圖像IC。盡管在該配置 中第一和第二光路在表面S2處彼此相鄰，但是第一和第二光路可以相互 部分重疊。
如上文所述，視場在水平方向上被分割(換句話說，原始圖像被合 成)的觀察光學(xué)系統(tǒng)和視場在垂直方向上被分割的觀察光學(xué)系統(tǒng)包括在 本發(fā)明的實施例中。
根據(jù)該實施例，由于整個偏心表面(即光^成表面A (S2 ))形成 為半反射鏡表面，因此由光路的合成即圖像的合成引起的接合線可以被 消除。因此，可以抑制不必要的散射光、耀斑等的產(chǎn)生。
實施例2
圖5示出用于作為本發(fā)明第二實施例(實施例2 )的HMD的顯示單 元的水平截面配置。
本實施例中與實施例1中的相同或具有相同功能的構(gòu)成元件通過與 實施例1中相同的參考數(shù)字或符號指示。這也適用于稍后描述的其它實 施例。盡管圖5沒有示出X、 Y和Z軸，該圖中所示的截面對應(yīng)于圖1 所示的Y-Z截面。這也適用于稍后描述的其它實施例，除非另外描述。
在該實施例中，光路合成表面A (S2)(它是第一光學(xué)元件l的單個 光學(xué)表面)由偏振分光表面形成。偏振分光表面S2反射具有第一偏振方 向(在本實施例中為S偏振光)的光通量，并且透射具有不同于第一偏 振方向的第二偏振方向(本實施例中的P偏振光)的光通量。偏振分光 表面S2例如通過在第一光學(xué)元件1的外表面上淀積多層膜而形成。在本 實施例中，實施例1中描述的第一和第二光路在偏振分光表面S2處彼此 相鄰。
進(jìn)一步，在本實施例中，51/2片(半波片)5布置在第二顯示元件4 和第二光學(xué)元件2的表面S5之間。當(dāng)S偏振光從第一和第二顯示元件3 和4 二者中射出時，入/2片5把來自第二顯示元件4的S偏振光轉(zhuǎn)換成P 偏振光。
來自第一顯示元件3的S偏振光>^面S3 iiA第一光學(xué)元件1,被 偏振分光表面S2反射，然后經(jīng)it^面Sl透射，以從第一光學(xué)元件l射 出而到達(dá)射出光瞳S。在作為S偏振光從第二顯示元件4射出之后^X/2 片5轉(zhuǎn)換成P偏振光的光4面S5進(jìn)入第二光學(xué)元件2，被表面S4反 射，然后經(jīng)過偏振分光表面S2透射，以進(jìn)入第一光學(xué)元件l。進(jìn)入了第 一光學(xué)元件1的P偏振光經(jīng)過表面Sl從其射出，以到達(dá)射出光瞳S。
如實施例1中，他/她的眼睛E位于射出光瞳位置的觀察者辨認(rèn)顯示 在第一顯示元件3上的第一原始圖像的放大虛像，該放大虛像通過表面
S3和Sl的折光力形成。觀察者也通過眼睛E辨i/v顯示在第二顯示元件 4上的第二原始圖像的放大虛像，該放大虛傳逸it^面S5和Sl的折光 力形成。
本實施例可以提高光使用效率以在采用顯示元件諸如使用偏振光的 液晶板的情況下提供明亮的圖像。
第一和第二顯示元件3和4可以使偏振方向相互正交的光通量從其 射出。在這種情況下，入/2片5可以被去掉。
[實施例3
圖6A示出用于作為本發(fā)明第三實施例(實施例3)的HMD的顯示 單元的水平截面配置。
在本實施例中，反射膜形成于光路合成表面S2的部分區(qū)域(反射膜 形成區(qū)域)上。來自第一顯示元件3的光通量被^^射膜形成區(qū)域反射以 被引向射出光瞳S。光^成表面S2的另一部分區(qū)域(非>^射膜形成區(qū) 域)是其上不形成反射膜的區(qū)域。來自第二顯示元件4的光通量經(jīng)過非 反射膜形成區(qū)域透射以被引向射出光瞳S。來自第一和第二顯示元件3 和4的光通量在其上前進(jìn)的光路與實施例1中的相同。在本實施例中， 實施例1中描述的第一和第二光路在表面S2處彼此相鄰。
同樣在本實施例中，如實施例1所述，顯示單元可以使第一和第二 顯示元件3和4顯示第一和第二原始圖像以便它們相互部分重疊，并且 使觀察光學(xué)系統(tǒng)用來自第一顯示元件3的被光路合成表面A (S2)反射 的光通量和來自第二顯示元件4的經(jīng)過其透射的光通量互補(bǔ)地形成射出 光瞠S。
在這種情況下，期望反射膜形成區(qū)域和非反射膜形成區(qū)域形成于同 一表面上。即，當(dāng)表面S2具有像曲面或衍射光學(xué)表面的光焦度時，期望
改變:'例如，如果反射膜形成區(qū)域和非反射膜形成區(qū)域形成在具有不同
光焦度的不連續(xù)表面上，則射出光瞳的互補(bǔ)形成是很難的，很容易引起 問題，諸如產(chǎn)生來自顯示元件的光通量不能到達(dá)的區(qū)域。
進(jìn)一步，如圖6B所示，可以使用這樣一種配置，其中在反射膜形成 區(qū)域和非反射膜形成區(qū)域之間形成半透射反射區(qū)域，以逐漸改變反射膜 形成區(qū)域和非反射膜形成區(qū)域之間的表面S2的>^射率。這可以更有效地 抑制可能在反射膜形成區(qū)域和非反射膜形成區(qū)域之間的邊界上輕微產(chǎn)生 的光的散射。
本實施例可以獲得比實施例2更低成本的觀察光學(xué)系統(tǒng)，并提供比 實施例1中更明亮的圖^^。
實施例41
接下來，將對作為本發(fā)明第四實施例(實施例4)的HMD (或顯示 單元)的配置進(jìn)行描述。在本實施例中，來自顯示元件的光通量被下述 光路合成表面內(nèi)部全反射，而來自另一顯示元件的光通量經(jīng)過光路合成 表面透射。這也適用于稍后描述的實施例5。
首先，圖7和8A到犯示出使用相同原始圖像以分割方式形成射出 光瞳的示例，以便說明本實施例(和實施例5)的基本原理。
圖7示出本實施例的HMD的配置。圖8A到8E分別示出本實施例 中從各顯示元件的光路。
參考數(shù)字6指示布置于第一光學(xué)元件1的表面S3和射出光瞳S之間 的透鏡。設(shè)置透鏡6在自射出光瞳S的反向光線追蹤中形成向著作為圖 像平面的顯示元件遠(yuǎn)心的光學(xué)系統(tǒng)。在反向光線追蹤中，通過進(jìn)入光瞳 (射出光瞳S)中心并在第一和第二顯示元件3和4上的不同圖像高度 位置形成圖像的各視角的主光線從透鏡6的表面S2相互平行地射出。術(shù) 語"平行，，包括主光線在可以被認(rèn)為是光學(xué)上平行的范圍內(nèi)不完全平行的 狀態(tài)。
第一光學(xué)元件1和第二光學(xué)元件2具有各自形成為平面表面的光學(xué) 表面。作為第一光學(xué)元件1的單個光學(xué)表面的光路合成表面(反向光線 追蹤中的光路分離表面)A (S4)被這樣布置以便用反向光線追蹤中各 視角的主光線形成比光路合成表面S4的臨界角稍小的角。第一光學(xué)元件 1的光路合成表面S4和第二光學(xué)元件2的表面S6相互平行并且以其間
的微小間距(空氣間隙)彼此面對著布置。
下文中將在反向光線追蹤中描述光路。如圖8B所示，發(fā)自進(jìn)入光瞳 的上側(cè)區(qū)域(實際HMD中水平方向上的左側(cè)區(qū)域)的各視角的主光線 相互平行地M面S3進(jìn)入第一光學(xué)元件1，經(jīng)it^面S4透射，然后從 表面S6 it^第二光學(xué)元件2。
然后，主光線經(jīng)it^面S7從第二光學(xué)元件2射出以到達(dá)第二顯示元 件4。從進(jìn)入光瞳中除了其中心以外的位置射出并且在各圖像高度位置 形成圖像的光線通過透鏡6的圖像形成效應(yīng)會聚，以向著表面S4行進(jìn)。 因此，如圖8B所示，來自進(jìn)入光瞳上側(cè)區(qū)域的全部光線到達(dá)表面S4， 入射角小于要經(jīng)過其透射的主光線的入射角。
另一方面，如圖8A所示，來自iiX光瞳下側(cè)區(qū)域(實際HMD中水 平方向上的右側(cè)區(qū)域)的光線到W面S4，入射角大于主光線的入射角， 入射角大于臨界角。因此，光線被表面S4內(nèi)部全反射，然后經(jīng)it^面 S5從第 一光學(xué)元件1射出以到達(dá)第 一顯示元件3。
在示出光線的實際行進(jìn)的前向光線追蹤中，只有來自第二顯示元件 4的光通量到達(dá)射出光瞳S的上側(cè)區(qū)域，只有來自第一顯示元件3的光 通量到達(dá)射出光瞳S的下側(cè)區(qū)域。
因此，眼睛E位于射出光瞳位置的觀察者可以總是觀察第一和第二 原始圖像的放大合成圖像。即，不僅當(dāng)如圖8C所示眼睛E的瞳孔Ea位 于射出光瞳S中心附近時，而且當(dāng)如圖8D和8E所示當(dāng)瞳孔Ea位于射 出光瞳S的上側(cè)和下側(cè)區(qū)域中時，觀察者可以以來自第一和第二顯示元 件3和4的光通量觀察合成圖像。
當(dāng)在反向光線追蹤中以稍小于臨界角的入射角入射到表面S4的光 線M面S4向著表面S6行進(jìn)時，所述光線被平移。假設(shè)以下條件透 鏡6的焦距為20mm，表面S4和S6之間的空氣間隙為O.lmm，形成第 一光學(xué)元件1的媒介的折射率為2,并且只有以關(guān)于表面S4的法線80° 以內(nèi)的角度M面S4射出的光線被引向第二顯示元件4。在該*下， 這些光線各自在表面S4和S6之間沿著平行于表面S4和S6的方向被平 移大約lmm。在這種情況下，進(jìn)入光瞳中的某一區(qū)域的寬度小于0.5mm，其中反 向光線追蹤中來自該區(qū)域的光線(在下文中稱為非到達(dá)光線)不到達(dá)第 一和第二顯示元件3和4中任一。這樣的微小區(qū)域不會引起問題，因為 觀察者不關(guān)心由于微小區(qū)域引起的光量變化。
因此，期望表面S4和S6之間的空氣間隙更小，并且形成各光學(xué)元 件的媒介折射率更高。觀察幾十cd/m2圖像的觀察者的瞳孔直徑實際上 大約為3到4mm，以便上述寬度大約為lmm的非到達(dá)光線的區(qū)域不會 引起任何問題。因此，期望把表面S4和S6之間的空氣間隙設(shè)置為0.2mm 或更小，并且把形成各光學(xué)元件的媒介折射率設(shè)置為1.5或更高。
進(jìn)一步，例如，期望為笫二顯示元件4提供限制發(fā)自它的光通量出 射角的功能。限制出射角的功能通過4吏用限制光通量傳播的光遮蔽構(gòu)件、 限制發(fā)射光出射角的光源等實現(xiàn)。
即使在如上文所述觀察光學(xué)系統(tǒng)被配置為不使用部分光線的情況 下，只有具有很小寬度的沒有光線到達(dá)的區(qū)域(非光線到達(dá)區(qū)域)在光 線從第二顯示元件4到達(dá)的射出光瞳S的上側(cè)區(qū)域和光線從第一顯示元 件3到達(dá)的射出光瞳S的下側(cè)區(qū)域之間產(chǎn)生。因此，圖傳J見察沒有問題。
包括來自顯示元件之一的光通量的內(nèi)部全反射的本實施例去掉了實 施例1到3中形成的反射膜，這可以減少觀察光學(xué)系統(tǒng)的成本。進(jìn)一步， 本實施例消除了在反射膜的光吸收，即使以與實施例1到3中來自顯示 元件的相同的光量，也可以提供更明亮的圖像。
實施例5
圖9示出用于作為本發(fā)明第五實施例(實施例5)的HMD的顯示單 元的配置。在本實施例中，第一和第二原始圖傳4目互部分重疊，如實施 例1中參考圖2所述的。
圖IOA到IOC示出本實施例中來自原始圖像重疊區(qū)域中各圖像高度 位置的光通量互補(bǔ)地形成射出光瞳S。本實施例使用實施例4中描述的 原理以使第一和第二顯示元件3和4顯示在Y-Z截面的方向上視角互不 相同的圖像，從而使得觀察光學(xué)系統(tǒng)的厚度能夠減小。進(jìn)一步，本實施例如實施例4中那樣在一個光路合成表面處使用內(nèi) 部全反射和透射，以使當(dāng)合成從兩個顯示元件3和4中之一和另一到光 路合成表面的光通量時這些光通量中的主光線的入射角互不相同。
在該實施例中，第一光學(xué)元件1的表面S2是光i^成表面A。第一 光學(xué)元件1的光*成表面S2 (A)和第二光學(xué)元件2的表面S4相互平 行并且其間具有微小的空氣間隙而相互面對著布置。
在來自進(jìn)入光瞳(前向光線追蹤中的射出光瞳S)的全部光通量在 反向光線追蹤中M面S2內(nèi)部全反射的視角范圍內(nèi)，顯示僅對應(yīng)于顯示 在第一顯示元件3上的原始圖像的圖像。另一方面，在來自i^光瞳的 全部光通量在反向光線追中經(jīng)過表面S2透射的視角范圍內(nèi)，顯示僅對應(yīng) 于顯示在第二顯示元件4上的原始圖像的圖像。進(jìn)一步，在來自i^A光 瞳的部分光通量在反向光線追蹤中被表面S2內(nèi)部全反射而剩余部分經(jīng) 過其透射的視角范圍內(nèi)，顯示對應(yīng)于重疊顯示在第一和第二顯示元件3 和4上的相同部分原始圖像的圖像。
如上文所述，對于在圖中所示的截面方向上互不相同的視角，使用 顯示在兩個顯示元件上的兩個原始圖像，可以實現(xiàn)比當(dāng)使用顯示在一個 顯示元件上的一個原始圖像時更薄的寬視角觀察光學(xué)系統(tǒng)。
而且，第二光學(xué)元件2形成光路，其用于4吏來自第二顯示元件4的 光通量經(jīng)#面S6 ^第二光學(xué)元件2，被耒面S4全反射，M面S5 反射，然后經(jīng)it^面S4從第二光學(xué)元件2向著第一光學(xué)元件l射出。使 用多個反射表面折疊光路的這種配置可以進(jìn)一步減小觀察光學(xué)系統(tǒng)的厚 度。使用表面S4作為內(nèi)部全反射表面和透射表面可以減少觀察光學(xué)系統(tǒng) 中的光量損失。
在本實施例中，由于到表面S2的主光線入射角本身互不相同，因此 到達(dá)射出光瞳S的光通量具有取決于視角而互不相同的寬度。然而，只 有來自第二顯示元件4的光通量到達(dá)的區(qū)域和只有來自第一顯示元件3 的光通量到達(dá)的區(qū)域互補(bǔ)地形成射出光瞳S，從而使得能夠在射出光瞳S 的全部區(qū)域中毫無問題地觀察圖像。
同樣在本實施例中，如在實施例4中那樣，期望為第二顯示元件4提供限制發(fā)自其的光通量的出射角的功能，以把各光學(xué)元件的折射率設(shè)
置為高到某種程度，并且把表面S2和S4之間的空氣間隙設(shè)置為微小。 這僅在光通量從兩個顯示元件3和4到達(dá)的射出光瞳S中產(chǎn)生4艮小寬度 的非光線到達(dá)區(qū)域，從而使得能夠亳無問題地觀察圖像。
同樣在本實施例中，如在實施例4中那樣，來自顯示元件之一的光 通量被內(nèi)部全反射。這去掉了反射膜，從而使得觀察光學(xué)系統(tǒng)能夠減少 成本并且提供明亮圖像。
[實施例61
圖11示出用于作為本發(fā)明第六實施例(實施例6)的HMD的顯示 單元的配置。同樣在本實施例中，第一和第二原始圖像(即，稍后描述 的在光i^成表面A (S2)的第一和第二光路)相互部分重疊。
圖12示出本實施例中來自原始圖像重疊區(qū)域中各圖像高度位置的光 通量互補(bǔ)地形成射出光瞳S。
本實施例是實施例5的修改示例。在本實施例中，在反向光線追蹤 中作為單個光學(xué)表面的光路分離表面S2 (前向光線追蹤中的光路合成表 面)上，有這樣的區(qū)域，包括在光路分離表面S2處內(nèi)部全反射的光通量 部分和經(jīng)過光路分離表面S2透射的光通量部分的光通量從ii^光瞳(前 向光線追蹤中的射出光瞳S) i^A該區(qū)域。
第一光學(xué)元件1和第二光學(xué)元件2在來自it^光瞳的光通量i^的 區(qū)域中的特定區(qū)域(在下文中稱為接合區(qū)域)處接合，該特定區(qū)域是經(jīng) 過光路分離表面S2透射的光通量部分所進(jìn)入的區(qū)域。換句話說，在本實 施例中，i^V光路分離表面S2上的第一和第二光學(xué)元件1和2的非接合 區(qū)域的全部光通量到達(dá)第一顯示元件3， iiA光路分離表面S2上的第一 和第二光學(xué)元件1和2的M區(qū)域的全部光通量到達(dá)第二顯示元件4。
期望，在如圖12所示在反向光線追蹤中來自進(jìn)入光瞳的有效光通量 包括被光路分離表面S2內(nèi)部全反射的光通量部分和經(jīng)過其透射的光通 量部分的視角范圍是顯示在第一和第二顯示元件3和4上的部分原始圖 像彼此相同的重疊顯示區(qū)域。這使得能夠互補(bǔ)形成射出光瞳S，以便形成的射出光瞳s基本上填充預(yù)定的射出光瞳形成區(qū)域。
本實施例也可以提供明亮的圖像，而不形成實施例1到3中描述的 反射膜。進(jìn)一步，本實施例可以在形成光學(xué)元件的媒介折射率和面對表 面的布置方面放松實施例4和5中描述的條件。
注意，在表面S2上的非接合區(qū)域的邊緣不會產(chǎn)生由于嘲:射而不必要 的光，所述表面82是第一光學(xué)元件1與第二光學(xué)元件2#的表面，但 是不必要的光可能在表面S2上的接合區(qū)域的邊緣處產(chǎn)生。為了避免不必 要的光的產(chǎn)生，期望提供對接合區(qū)域邊緣的光遮蔽。
[實施例7
圖13示出用于作為本發(fā)明第七實施例(實施例7)的HMD的顯示 單元的配置。在本實施例中，第一光學(xué)元件1使用多個偏心反射曲面以 折疊光路。
在本實施例中，構(gòu)成第一光學(xué)元件1并且包括作為單個光學(xué)表面的 光#成表面A (Sl)的所有光學(xué)表面都為曲面。該配置減少不是用于 圖像形成和像差校正的表面的數(shù)量，從而使得能夠形成高性能同時表面 數(shù)量減少的觀察光學(xué)系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)寬視角顯示而不增加第一光學(xué)元件1的厚度，在自進(jìn)入光 瞳(前向光線追蹤中的射出光瞳S)的反向光線追蹤中必須提高主要提 供圖像形成效應(yīng)的凹反射表面S2的光焦度。然而，凹反射表面S2的光 焦度的提高使得很難使來自第一顯示元件3的光通量被用作透射表面和 反射表面的表面Sl的部分內(nèi)部全反射。特別地，該問題在圖13的上側(cè) 視角中很容易發(fā)生。
為了解決該問題，本實施例在反向光線追蹤中采用一種配置，其適 合于寬視角，同時向表面S2提供增大的光焦度。具體來說，本實施例這 樣配置，以便上側(cè)視角范圍的部分光通量(從iiA光瞳到^^面Sl以經(jīng) 過其透射，然后^面S2反射以再次入射到表面Sl的光通量)不M 面S1內(nèi)部全反射。在上側(cè)視角范圍的光通量通過，部分光通量不被內(nèi)部 全反射的區(qū)域中，第二光學(xué)元件2在表面S1與第一光學(xué)元件1接合，以便上側(cè)視角范圍的光通量經(jīng)過表面Sl透射以被引向第二顯示元件4。
本實施例進(jìn)一步這樣配置，在表面Sl上第二光學(xué)元件2沒有與之接 合的區(qū)域，在反向光線追蹤中來自進(jìn)入光瞳的光通量經(jīng)過表面(光路分 離表面)S1透射，狄面S2反射，然后樣面Sl內(nèi)部全反射以被引向 第一顯示元件3。該配置使得能夠?qū)崿F(xiàn)寬視角顯示同時使用薄且小的光 學(xué)系統(tǒng)以及實現(xiàn)能夠減少光量損失的明亮觀察光學(xué)系統(tǒng)。
在反向光線追蹤中來自進(jìn)入光瞳的全部光通量被表面Sl內(nèi)部全反 射的視角范圍內(nèi)，所述全部光通量到達(dá)第一顯示元件3。另一方面，在 來自進(jìn)入光瞳的全部光通量被引向在表面Sl與第一光學(xué)元件1接合的第 二光學(xué)元件2的視角范圍內(nèi)，所述全部光通量到達(dá)第二顯示元件4。
進(jìn)一步，在反向光線追蹤中來自進(jìn)入光瞳的部分光通量被表面Sl內(nèi) 部全反射并且剩余部分被引入第二光學(xué)元件2的視角范圍內(nèi)，所述部分 光通量到達(dá)第一顯示元件3,所述剩余部分到達(dá)第二顯示元件4。
在反向光線追蹤中，在所述部分光通量到達(dá)第一顯示元件3并且所 述剩余部分到達(dá)第二顯示元件4的視角范圍內(nèi)，相同的原始圖4象顯示在 第一和第二顯示元件3和4上。在除了上述視角范圍以外的視角范圍內(nèi)， 互不相同的原始圖像顯示在第一和第二顯示元件3和4上。這4吏得能夠 互補(bǔ)形成射出光瞳S以便形成的射出光瞳S基本上填充預(yù)定的射出光瞳 形成區(qū)域。
在下文中在前向光線追蹤中描述光路和光學(xué)效應(yīng)，其中光線從顯示 元件到達(dá)射出光瞳S。
來自第一顯示元件3的光通量M面S3i^第一光學(xué)元件l，然后 以等于或大于表面Sl的臨界角的入射角入射到表面Sl,以被其內(nèi)部全 反射。衫漆面Sl內(nèi)部全反射的光通量朝漆面S2反射，以小于臨界角的 入射角入射到表面S1以從第一光學(xué)元件l射出，然后到達(dá)射出光瞳S。 觀察者可以觀察顯示在第一顯示元件3上的原始圖像的放大虛像，該放 大虛像通過第一光學(xué)元件1的各表面的光焦度形成。
來自第二顯示元件4的光通量M面S5^第二光學(xué)元件2， 面S4反射，然后M面S2 i^V第一光學(xué)元件1。 i^X了第一光學(xué)元件1
的光通量被表面S2反射，以小于臨界角的入射角入射到表面Sl以從第 一光學(xué)元件l射出，然后到達(dá)射出光瞳S。觀察者可以觀察顯示在第二 顯示元件4上的原始圖像的放大虛像，該放大虛像通過表面S5、 S4、 S2 和S1的光焦度形成。
這些光學(xué)效應(yīng)可以使他/她的眼睛位于射出光瞳位置的觀察者用來 自第一和第二顯示元件3和4的光通量，觀察顯示在第一和第二顯示元 件3和4上的不同原始圖像的放大合成圖像。
在本實施例中，在自進(jìn)入光瞳(射出光瞳S)的反向光線追蹤中， 光路分離表面Sl從反射表面S2 (在顯示元件側(cè))向后布置。在前向光 線追蹤中，該配置在第一光學(xué)元件l中的表面S1、表面S2和表面S1折 疊自第一顯示元件3的光路和自第二顯示元件4的光路，導(dǎo)致薄的觀察 光學(xué)系統(tǒng)。
在本實施例中，為了如圖4所示在垂直方向上合成圖像，期望把與 包括光游4斤疊方向的截面(Y-Z截面)垂直的截面(X-Z截面)中的焦 距設(shè)置為比Y-Z截面中的焦距更短。即，期望把X-Z截面中的光焦度設(shè) 置為比Y-Z截面中的更強(qiáng)。這是因為折疊光路的Y-Z截面中比X-Z截面 中有更多限制，因此上述配置可以很容易提供更寬的視角。
本實施例通過把第一和第二光學(xué)元件1和2備^采用與實施例6相 近的配置。然而，第一和第二光學(xué)元件1和2可以以其間的微小距離(空 氣間隙)布置，以提供與實施例5中類似的效應(yīng)。進(jìn)一步，光^成表 面Sl可以是半>^射鏡表面或偏振分光表面，以提供與實施例1和2中類 似的效應(yīng)。然而，使用如本實施例中描述的內(nèi)部全>^射，可以實現(xiàn)成本 降低和很高的光使用效率。
如本實施例中那樣使用偏心曲面引起非旋轉(zhuǎn)對稱偏心像差。為了校 正該像差，期望至少使用一個非旋轉(zhuǎn)對稱表面。
實施例8
上述實施例通過把光通量引向射出光瞳S各自為觀察者提供放大虛 像，而不形成原始圖像的中間圖像。相反，圖15所示的本發(fā)明第八實施
例(實施例8 )的HMD在形成原始圖像的中間圖像之后把光通量引向射 出光瞳S。圖15僅示出到達(dá)射出光瞳S中心的主光線以簡化對于圖像合 成的描述。
來自顯示在笫一顯示元件3上的原始圖^^的光通量M面Sl經(jīng)由透 鏡7 ii^第一光學(xué)元件1。被作為第一光學(xué)元件1的單個光學(xué)表面的光路 合成表面S2內(nèi)部全反射的光通量經(jīng)it^面S3從第一光學(xué)元件1射出， 形成中間圖像IM,然后到達(dá)凹面鏡9。被凹面鏡9反射的光通量到達(dá)射 出光瞳S。中間圖像IM的放大虛像通過凹面鏡9的正的光焦度而被提供 給觀察者。
另一方面，來自顯示在第二顯示元件4上的原始圖像的光通量通過 透鏡8和第二光學(xué)元件2，然后經(jīng)過光路合成表面S2透射以進(jìn)入第一光 學(xué)元件1。第二光學(xué)元件2的表面S5和光5^成表面S2被布置為其間 具有小的空氣層(空氣間隙)。ii^了第一光學(xué)元件l的光通量經(jīng)it^面 S3從第 一光學(xué)元件1射出。
從第一光學(xué)元件1射出的光通量形成中間圖像IM,然后到達(dá)凹面鏡 9。被凹面鏡9反射的光通量到達(dá)射出光瞳S。中間圖像IM的放大虛像 通過凹面鏡9的正的光焦度被提供給觀察者。該配置可以使觀察者觀察 對應(yīng)于顯示在第一和第二顯示元件3和4上的原始圖像的放大合成圖像。
本實施例使用凹面鏡9作為眼睛(目鏡)光學(xué)系統(tǒng)，并把中繼光學(xué) 系統(tǒng)中的第一光學(xué)元件1布置在原始圖像和其中間圖像IM之間，第一 光學(xué)元件1包括光路合成表面S2 (A)并被來自第一和第二顯示元件3 和4的光通量共享。然而，本發(fā)明的可替換實施例不局限于此。
例如，可以采用用于提供合成圖像的配置，其中包括光路合成表面 的共享的光學(xué)元件被布置在眼睛光學(xué)系統(tǒng)中，來自多個原始圖像的光通 量通過多個中繼光學(xué)系統(tǒng)被引向眼睛光學(xué)系統(tǒng)中的光5^成表面。
實施例91
上述實施例各自通過在第一光學(xué)元件1內(nèi)部形成的光路合成表面反 射光通量，并且使用兩個顯示元件(兩個原始圖像)。然而，本發(fā)明的可
替換實施例不局限于此。
圖16示出用于作為本發(fā)明第九實施例(實施例9)的HMD的顯示 單元的配置。
第一光學(xué)元件11和第二光學(xué)元件12分別被形成為半反射鏡片。半 反射鏡片由薄的透光襯底和形成于射出光瞳側(cè)表面(半反射鏡表面)的 半透射反射膜構(gòu)成，該表面是襯底的單個光學(xué)表面。
第一光學(xué)元件11為共享的光學(xué)元件，來自第一到第三顯示元件13 到15的光通量通過反射或透射經(jīng)過它。第二光學(xué)元件12為另一共享的 光學(xué)元件，來自第二和第三顯示元件14和15的光通量通過反射或透射 經(jīng)過它。在本實施例中，第一光學(xué)元件11的半>^射鏡表面在下文中稱為 光^成表面A，第二光學(xué)元件12的半反射鏡表面在下文中稱為光路合 成表面B。
來自第一顯示元件13的光通量被第一光學(xué)元件11的光i^成表面 A反射以經(jīng)過透鏡6被引向射出光瞳S。來自第二顯示元件14的光通量 被第二光學(xué)元件12的光路合成表面B反射，然后經(jīng)過第一光學(xué)元件11 透射以經(jīng)過透鏡6被引向射出光瞳S。
來自第三顯示元件15的光通量經(jīng)過第一和第二光學(xué)元件11和12透 射以經(jīng)過透鏡6被引向射出光瞳S。圖16僅示出到達(dá)射出光瞳S中心的 主光線以簡化關(guān)于圖l象合成的描述。
本實施例中的第一和第二顯示元件13和14對于第一光學(xué)元件11對 應(yīng)于本發(fā)明中的第一和第二圖像形成元件。本實施例中的第二和第三顯 示元件14和15對于第二光學(xué)元件12對應(yīng)于本發(fā)明中的第一和第二圖像 形成元件。
來自第二和第三顯示元件14和15的光通量比來自第一顯示元件13 的光通量多通過半反射鏡片(11、 12)—次。因此，期望笫二和第三顯 示元件14和15以第一顯示元件13兩倍高的顯示亮度顯示原始圖像。
下列光學(xué)元件可以代替上述半反射鏡片使用。在構(gòu)成第一光學(xué)元件 11的透光襯底上，僅在反射來自第一顯示元件13的光通量的區(qū)域中形成 反射膜。進(jìn)一步，在構(gòu)成第二光學(xué)元件12的透明襯底上，僅在反射來自
第二顯示元件14的光通量的區(qū)域中形成反射膜。當(dāng)使用這些光學(xué)元件時， 第二和第三顯示元件14和15可以以與第一顯示元件13的顯示亮度相同 的顯示亮度顯示原始圖4象。
本實施例使用兩個光^成表面A和B以合成與顯示在三個顯示元 件13到15上的原始圖像相對應(yīng)的三個圖像。這可以提供與各顯示元件 (各原始圖像)的尺寸相比更寬的視角。使用兩個或更多光路合成表面 以該方式提供更寬的視角可以適用于上述實施例1到8。
上述實施例各自把來自第一和第二圖像形成元件的光通量經(jīng)過在沒 有接合線的同 一表面(單個光學(xué)表面)反射和透射而引向射出光瞳位置， 其中這些圖像形成元件形成對應(yīng)于互不相同的視場的原始圖像。因此， 上述實施例中的每一個都可以實現(xiàn)小型圖像觀察設(shè)備，其能夠提供寬顯 示視角，同時抑制光散射、耀斑等的產(chǎn)生。
雖然已經(jīng)參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明 并不局限于公開的示例性實施例。應(yīng)給予下列權(quán)利要求的范圍最寬的解 釋以包括所有修改以及等同結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種圖像觀察設(shè)備，包括第一圖像形成元件和第二圖像形成元件，其各自形成原始圖像；以及光學(xué)系統(tǒng)，其被配置為把來自第一和第二圖像形成元件的光通量引向光學(xué)系統(tǒng)中觀察者的眼睛所位于的射出光瞳位置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)包括作為單個表面的光學(xué)表面，所述光學(xué)表面反射來自第一圖像形成元件的光通量，并且透射來自第二圖像形成元件的光通量，并且第一圖像形成元件和第二圖像形成元件分別形成第一原始圖像和第二原始圖像，所述第一原始圖像和第二原始圖像對應(yīng)于自射出光瞳位置的不同的視場。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的圖^^見察設(shè)備，其中，在所述光學(xué)表面上，來 自第一圖像形成元件的光通量的光路和來自第二圖像形成元件的光通量 的光路彼此相鄰或者至少彼此部分重疊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的圖像觀察設(shè)備，其中所述光學(xué)表面是半透射反 射表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的圖像觀察設(shè)備，其中所述光學(xué)表面反射具有第 一偏振方向的光通量，透射具有不同于第一偏振方向的第二偏振方向的 光通量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的圖^JC察設(shè)備，其中所述光學(xué)表面包括形成反 射膜的第一區(qū)域和沒有形成反射膜的第二區(qū)域。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的圖^M見察設(shè)備，其中光學(xué)表面在第一和第二區(qū) 域之間包括第三區(qū)域，在所述第三區(qū)域中形成有半透射反射膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的圖^Jt見察設(shè)備，其中所迷光學(xué)系統(tǒng)包括 第一光學(xué)元件，它包括所述光學(xué)表面并且在所述光學(xué)表面反射來自所述第一圖像形成元件的光通量；和第二光學(xué)元件，它把來自所述第二圖像形成元件的光通量向所述光 學(xué)表面反射。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的圖《lJi見察設(shè)備，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括 第一光學(xué)元件，它包括所述光學(xué)表面并且在所述光學(xué)表面反射來自所述第一圖像形成元件的光通量；和第二光學(xué)元件，它透射向著所述光學(xué)表面行進(jìn)的來自所述第二圖像 形成元件的光通量。
9. 一種圖^UC察系統(tǒng)，其特征在于包括 根據(jù)權(quán)利要求1到8任一項的圖HJ5i察設(shè)備；和驅(qū)動器，它使第一和第二圖像形成元件形成第一和第二原始圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖像觀察設(shè)備和圖像觀察系統(tǒng)。所述圖像觀察設(shè)備包括各自形成原始圖像的第一圖像形成元件和第二圖像形成元件；以及光學(xué)系統(tǒng)，其被配置為把來自第一和第二圖像形成元件的光通量引向光學(xué)系統(tǒng)中觀察者眼睛所位于的射出光瞳位置。所述光學(xué)系統(tǒng)包括作為單個表面的光學(xué)表面，所述光學(xué)表面反射來自第一圖像形成元件的光通量，透射來自第二圖像形成元件的光通量。第一圖像形成元件和第二圖像形成元件分別形成第一原始圖像和第二原始圖像，所述第一原始圖像和第二原始圖像對應(yīng)于自射出光瞳位置的不同的視場。該設(shè)備合成多個原始圖像以使得能夠觀察一個合成圖像，并且可以抑制光散射的產(chǎn)生。
文檔編號G02B27/01GK101339297SQ20081012534
公開日2009年1月7日 申請日期2008年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者東原正和, 山崎章市, 豬口和隆, 露木智美, 齊藤賢一 申請人:佳能株式會社