專利名稱：頭戴式圖像顯示設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頭戴式圖像顯示設(shè)備，具體地說，涉及一種能夠顯示多個畫面的 新穎的頭戴式圖像顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
本申請要求2008年12月18日提交的日本專利申請No. 2008-322524的優(yōu)先權(quán)， 此處以引證的方式并入其全部內(nèi)容。作為常規(guī)的頭戴式圖像顯示設(shè)備，已經(jīng)提出了能夠移動使用的設(shè)備(如耳機式設(shè) 備和眼鏡式設(shè)備)(如 JP2003-502713A 和 JP2006-003879A)。圖16是示出一種常規(guī)的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)圖，其中圖16(a)為前 視圖，圖16(b)為側(cè)視圖，圖16(c)為俯視圖。這種頭戴式圖像顯示設(shè)備100適用于左眼， 并具有被保持在觀察者M左耳上的耳機式頭部支撐單元101，以及通過中間單元102和支撐 單元103連接到頭部支撐單元101從而被保持在觀察者M左眼視野內(nèi)的桿狀導(dǎo)光單元104。 桿狀導(dǎo)光單元104具有連接到與支撐單元103相對的端部的目鏡光學(xué)單元105。而且，用于 顯示待觀察圖像的顯示元件(未示出)(例如液晶顯示元件和有機電致發(fā)光顯示元件)被 置于頭部支撐單元101、中間單元102或支撐單元103內(nèi)部，使得顯示在所述顯示元件上的 圖像的圖像光能夠通過桿狀導(dǎo)光單元104從目鏡光學(xué)單元105發(fā)出。上述結(jié)構(gòu)可以被修改 以顛倒左右，以供右眼使用。如圖16所示的頭戴式圖像顯示設(shè)備100被構(gòu)造為通過如下方式使得觀察者觀察 到顯示元件(未示出)上所顯示圖像的放大虛像在頭部支撐單元101被支撐在觀察者M 的左耳上的狀態(tài)下，讓觀察者M目光穿過目鏡光學(xué)單元105，使得從目鏡光學(xué)單元105發(fā)出 的圖像光入射到觀察者M的左眼瞳孔，即，使左眼視軸與目鏡光學(xué)單元105的發(fā)光軸基本重
I=I O圖17是示出一種常規(guī)的眼鏡型頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的立體圖。這 種頭戴式圖像顯示設(shè)備110與眼鏡相結(jié)合，適用于右眼，并具有桿狀導(dǎo)光單元115，該桿狀 導(dǎo)光單元115通過支撐單元112和支撐單元113而保持在眼鏡的鏡框111上，從而處于觀 察者M右眼視野內(nèi)并靠近右眼鏡片114的前端。桿狀導(dǎo)光單元115具有連接到與支撐單 元113相對的端部的目鏡光學(xué)單元116。而且，用于顯示待觀察圖像的顯示元件(未示出) (例如液晶顯示元件和有機電致發(fā)光顯示元件)被安裝在鏡框111、支撐單元112或支撐單 元113內(nèi)，使得顯示在所述顯示元件上的圖像的圖像光能夠通過桿狀導(dǎo)光單元115從目鏡 光學(xué)單元116發(fā)出。如圖17所示的頭戴式圖像顯示設(shè)備110被設(shè)計成當(dāng)觀察者佩戴鏡框111時，使得 從目鏡光學(xué)單元116發(fā)出的圖像光通過右眼鏡片114入射到觀察者的右眼瞳孔。因此，觀察 者可以通過如下方式觀察到顯示元件(未示出)上所顯示圖像的放大虛像佩戴鏡框111 并使目光穿過目鏡光學(xué)單元116，S卩，使右眼視軸與目鏡光學(xué)單元116的發(fā)光軸基本重合。此外，作為眼鏡型頭戴式圖像顯示設(shè)備，也提出了一種可以從普通鏡框上拆下的設(shè)備，其用途與圖17所示的頭戴式圖像顯示設(shè)備110類似。當(dāng)今存在同時顯示大量信息的信息顯示需求。然而，上述常規(guī)的頭戴式圖像顯示 設(shè)備只包含一個用于發(fā)出圖像光的目鏡光學(xué)單元，并且信息是顯示在單個目鏡光學(xué)單元的 單個顯示畫面上。此外，由于頭戴式圖像顯示設(shè)備具有相對較小的顯示畫面以實現(xiàn)移動使 用，因此該設(shè)備也只能顯示相對較少的信息。特別地，在例如JP2006-003879A的情況中，目 鏡光學(xué)單元和桿狀導(dǎo)光單元在觀察者視軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm，從 而目鏡光學(xué)單元和桿狀導(dǎo)光單元使得觀察者獲得“看透”(see-through)的視覺時，顯示畫 面變得更小，而顯示的信息也更少。因此，常規(guī)的頭戴式圖像顯示設(shè)備并不能很好地滿足在信息顯示中同時觀看大量 信息的需求。解決上述需求的一種可能的方式是提供多個目鏡光學(xué)單元，使得信息能夠以多 畫面方式顯示。然而，僅僅提供多個目鏡光學(xué)單元來進行多畫面信息顯示會導(dǎo)致顯示畫 面可視性很差并且削弱移動機動性(mobile-maneuverability)，原因如下顯示圖像并列 (juxtaposed)或交疊，左右眼分別同時觀看到不同的圖像，不必要的圖像光入射到眼睛，而 這些都是由多個目鏡光學(xué)單元所引起的。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種新穎的頭戴式圖像顯示設(shè)備，該頭戴式 圖像顯示設(shè)備能夠通過多畫面方式以良好的可視性顯示大量信息，而不會削弱設(shè)備的靈活 性。為了實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的第一方面中，一種頭戴式圖像顯示設(shè)備包括多個目鏡光學(xué)單元，其用于分別向相應(yīng)的眼球發(fā)出待顯示的圖像光；頭戴式單元，其能夠可拆裝地安裝到觀察者頭部并用于保持所述多個目鏡光學(xué)單 元，其中所述頭戴式單元在安裝到觀察者頭部的狀態(tài)下支撐所述多個目鏡光學(xué)單元， 使得各個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸基本穿過相應(yīng)眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心，當(dāng)由于眼球轉(zhuǎn)動而使 一個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸穿過其相應(yīng)眼球的瞳孔時，其它目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸不會穿 過其相應(yīng)眼球的瞳孔。在本發(fā)明的第二方面中，如第一方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備的特征在于，所 述頭戴式單元支撐所述多個目鏡光學(xué)單元，使得在所述多個目鏡光學(xué)單元中，一個目鏡光 學(xué)單元的發(fā)光軸與另一目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸之間形成的夾角約為23度或更大。在本發(fā)明的第三方面中，如第一或第二方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備的特征在 于，在所述頭戴式單元安裝到觀察者頭部的狀態(tài)下，所述多個目鏡光學(xué)單元包括上目鏡光 學(xué)單元和下目鏡光學(xué)單元，所述上目鏡光學(xué)單元和所述下目鏡光學(xué)單元被支撐成在垂直方 向上相互分開。在本發(fā)明的第四方面中，如第一到第三方面的任一方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè) 備的特征在于，在所述頭戴式單元安裝到觀察者頭部的狀態(tài)下，所述多個目鏡光學(xué)單元包 括用于左眼的目鏡光學(xué)單元和用于右眼的目鏡光學(xué)單元，所述用于左眼的目鏡光學(xué)單元和 所述用于右眼的目鏡光學(xué)單元被支撐成在水平方向上相互分開。
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在本發(fā)明的第五方面中，如第四方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備的特征在于，所 述用于左眼的目鏡光學(xué)單元和所述用于右眼的目鏡光學(xué)單元被保持在垂直方向上的不同 位置。在本發(fā)明的第六方面中，如第一到第五方面的任一方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè) 備的特征在于，所述多個目鏡光學(xué)單元中的每一個在觀察者的視軸方向上的截面形狀投影 寬度等于或小于4mm。在本發(fā)明的第七方面中，如第一到第六方面的任一方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè) 備的特征在于，所述多個目鏡光學(xué)單元中的每一個被支撐在用于引導(dǎo)圖像光的桿狀導(dǎo)光單 元的發(fā)光端。在本發(fā)明的第八方面中，如第七方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備的特征在于，所 述桿狀導(dǎo)光單元在觀察者的視軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm。在本發(fā)明的第九方面中，如第一到第八方面的任一方面所述的頭戴式圖像顯示設(shè) 備的特征在于，所述頭戴式單元由鏡框構(gòu)成。在本發(fā)明中，所述頭戴式單元在被附接到觀察者頭部的狀態(tài)下支撐所述多個目鏡 光學(xué)單元，使得各個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸基本穿過相應(yīng)眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心，并且當(dāng)由 于眼球轉(zhuǎn)動而使一個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸穿過相應(yīng)眼球的瞳孔時，另一目鏡光學(xué)單元的 發(fā)光軸不會穿過相應(yīng)眼球的瞳孔。因此，可以按照如下方式通過多畫面方式以良好的可視 性顯示大量信息，而不會削弱設(shè)備的靈活性將多個目鏡光學(xué)單元的顯示畫面作為視野中 彼此分開的多個畫面進行顯示，并通過將觀察者的目光從一個畫面移動到另一個畫面來切 換待觀察的信息，以觀看信息。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的立體 圖。圖2是如圖1所示的上桿狀導(dǎo)光單元和下桿狀導(dǎo)光單元的示意性立體圖。圖3是說明當(dāng)如圖1所示的上桿狀導(dǎo)光單元和下桿狀導(dǎo)光單元被保持在鏡框上時 所需條件的圖。圖4是說明如圖2所示的上目鏡光學(xué)單元和下目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸之間的夾角 的圖。圖5是示出根據(jù)第一實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備所提供的顯示畫面在視野 內(nèi)的顯示位置的圖。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的 立體圖。圖7是說明當(dāng)如圖6所示的用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元和用于右眼的下桿狀導(dǎo)光 單元被保持在鏡框上時所需條件的圖。圖8是說明如圖7所示的用于左眼的下目鏡光學(xué)單元和用于右眼的下目鏡光學(xué)單 元的發(fā)光軸之間的夾角的圖。圖9是示出根據(jù)第二實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備所提供的顯示畫面在視野 內(nèi)的顯示位置的圖。
圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的 立體圖。圖11是示出根據(jù)第三實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備所提供的顯示畫面在視野 內(nèi)的顯示位置的圖例。圖12是說明根據(jù)本發(fā)明的頭戴式圖像顯示設(shè)備的修改例的圖。圖13是說明根據(jù)本發(fā)明的頭戴式圖像顯示設(shè)備的另一修改例的圖。圖14是說明根據(jù)本發(fā)明的頭戴式圖像顯示設(shè)備的又一修改例的圖。圖15是說明根據(jù)本發(fā)明的頭戴式圖像顯示設(shè)備的再一修改例的圖。圖16是示出一種常規(guī)的耳機型頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的圖。圖17是示出一種常規(guī)的眼鏡型頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的立體圖。
具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行描述。(第一實施方式)圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的立體 圖。頭戴式圖像顯示設(shè)備10是一種與眼鏡相結(jié)合的類型，適用于右眼，并且在觀察者佩戴 了作為頭戴式單元的鏡框11的狀態(tài)下包括上桿狀導(dǎo)光單元21RU，該上桿狀導(dǎo)光單元21Ru 被保持在鏡框11的右眼邊框12R的上部，從而在右眼的視野內(nèi)延伸；以及下桿狀導(dǎo)光單元 21Rd，該下桿狀導(dǎo)光單元21Rd被保持在右眼邊框12R的下部，從而在右眼的視野內(nèi)延伸。上桿狀導(dǎo)光單元21Ru被形成為具有例如圖2的示意性立體圖所示的矩形截面，并 且在右眼邊框12R的上部在其一端保持入射端面，使得該端面與顯示元件23Ru相對，該顯 示元件23Ru例如由被支撐在右眼邊框12R上部的液晶顯示元件、有機電致發(fā)光顯示元件或 類似元件構(gòu)成。上桿狀導(dǎo)光單元21Ru將顯示元件23Ru上所顯示圖像的圖像光從入射端面 引導(dǎo)至其另一端部，使光線在該另一端部朝著觀察者的眼球側(cè)反射之后，從側(cè)面射出。上桿 狀導(dǎo)光單元2IRu的圖像光發(fā)射部支撐上目鏡光學(xué)單元25Ru，該上目鏡光學(xué)單元25Ru由目 鏡透鏡構(gòu)成，該目鏡透鏡的曲率對應(yīng)于要顯示由圖像光產(chǎn)生的圖像的虛像位置。類似地，下桿狀導(dǎo)光單元21Rd被形成為具有例如圖2的示意性立體圖所示的矩形 截面，并且在右眼邊框12R的下部在其一端保持入射端面，使該端面與顯示元件23Rd相對， 該顯示元件23Rd例如由被支撐在右眼邊框12R下部的液晶顯示元件、有機電致發(fā)光顯示元 件或類似元件構(gòu)成。下桿狀導(dǎo)光單元21Rd將顯示元件23Rd上所顯示圖像的圖像光從入射 端面引導(dǎo)至其另一端部，使光線在該另一端部朝著觀察者的眼球側(cè)反射之后，從側(cè)面射出。 下桿狀導(dǎo)光單元21Rd的圖像光發(fā)射部支撐下目鏡光學(xué)單元25Rd，該下目鏡光學(xué)單元25Rd 由目鏡透鏡構(gòu)成，該目鏡透鏡的曲率對應(yīng)于要顯示由圖像光產(chǎn)生的圖像的虛像位置。此外， 在本實施方式中，上目鏡光學(xué)單元25Ru和與其對應(yīng)的圖像的顯示位置之間的距離以及下 目鏡光學(xué)單元25Rd和與其對應(yīng)的圖像的顯示位置之間的距離被設(shè)置成彼此大致相等。因 此，分別構(gòu)成上目鏡光學(xué)單元25Ru和下目鏡光學(xué)單元25Rd的目鏡透鏡的曲率也大致相等。如圖3(a)、(b)所示，在觀察者佩戴了鏡框11的狀態(tài)下，上桿狀導(dǎo)光單元21Ru和 下桿狀導(dǎo)光單元21Rd被保持在鏡框11上并且在垂直方向上彼此分開，使得上目鏡光學(xué)單 元25Ru的發(fā)光軸Ou和下目鏡光學(xué)單元25Rd的發(fā)光軸Od在觀察者右眼球Ar的眼球轉(zhuǎn)動中心Cr彼此相交，并且當(dāng)目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd之一的發(fā)光軸穿過右眼球Ar的瞳孔Pr 時，目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd中的另一個的發(fā)光軸不會穿過右眼球Ar的瞳孔Pr。具體地，上桿狀導(dǎo)光單元21Ru和下桿狀導(dǎo)光單元21Rd被保持在鏡框11上，使得 當(dāng)觀察者如圖3(a)所示將其目光投向視野內(nèi)的右上方區(qū)域并且注視該右上方區(qū)域時，上 目鏡光學(xué)單元25Ru的發(fā)光軸Ou穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，而下目鏡光學(xué)單元25Rd的發(fā)光 軸Od不會穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，而當(dāng)觀察者如圖3(b)所示將其目光投向視野內(nèi)的右下 方區(qū)域并且注視該右下方區(qū)域時，下目鏡光學(xué)單元25Rd的發(fā)光軸Od穿過右眼球Ar的瞳孔 Pr，而上目鏡光學(xué)單元25Ru的發(fā)光軸Ou不會穿過右眼球Ar的瞳孔Pr。如圖4所示，通常假設(shè)人體眼球A的瞳孔P的直徑在正常環(huán)境中大約為4mm。另 外，從瞳孔P到眼球轉(zhuǎn)動中心C的距離通常為10mm。因此，為了滿足上述要求，上桿狀導(dǎo)光 單元21Ru和下桿狀導(dǎo)光單元21Rd被保持在鏡框11上并且分別面向內(nèi)側(cè)，如圖2所示，使 得上目鏡光學(xué)單元25Ru的發(fā)光軸Ou和下目鏡光學(xué)單元25Rd的發(fā)光軸Od之間的夾角θ 約為23度或更大。此外，如圖3(a)所示，上桿狀導(dǎo)光單元21Ru和上目鏡光學(xué)單元25Ru在右眼球Ar 的視軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm，使得上桿狀導(dǎo)光單元21Ru和上目鏡光 學(xué)單元25Ru變得“看透”，從而當(dāng)觀察者注視其視野內(nèi)的右上方區(qū)域時能夠看到周圍情況。 類似地，如圖3 (b)所示，下桿狀導(dǎo)光單元21Rd和下目鏡光學(xué)單元25Rd在右眼球Ar的視軸 方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm，使得下桿狀導(dǎo)光單元21Rd和下目鏡光學(xué)單元 25Rd變得“看透”，從而當(dāng)觀察者注視其視野內(nèi)的右下方區(qū)域時能夠看到周圍情況。通過這種方式，如圖5所示，上顯示畫面26Ru顯示在觀察者視野內(nèi)的右上方，該上 顯示畫面26Ru是由被上桿狀導(dǎo)光單元21Ru引導(dǎo)并由上目鏡光學(xué)單元25Ru所發(fā)射的圖像 光產(chǎn)生的，下顯示畫面26Rd顯示在觀察者視野內(nèi)的右下方并且與上顯示畫面26Ru分開，該 下顯示畫面26Rd是由被下桿狀導(dǎo)光單元21Rd引導(dǎo)并由下目鏡光學(xué)單元25Rd所發(fā)射的圖 像光產(chǎn)生的。所需的信息顯示在各個顯示畫面中。因此，根據(jù)本實施方式，觀察者在將其目光投向前方的狀態(tài)下，可以識別出上顯示 畫面26Ru和下顯示畫面26Rd分別顯示在其視野內(nèi)。然后，當(dāng)觀察者將其目光投向右上方 并且注視其視野的右上部分時，觀察者可以通過其右眼球Ar看到上顯示畫面26Ru上所顯 示的信息，原因是上目鏡光學(xué)單元25Ru的發(fā)光軸Ou穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，如圖3 (a)所 示。另外，在此情況下，由于下目鏡光學(xué)單元25Rd的發(fā)光軸Od沒有穿過右眼球Ar的瞳孔 Pr，因此減少了不必要的圖像光的入射。類似地，當(dāng)觀察者將其目光投向右下方并且注視其視野的右下部分時，觀察者可 以通過其右眼球Ar看到下顯示畫面26Rd上所顯示的信息，原因是下目鏡光學(xué)單元25Rd的 發(fā)光軸Od穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，如圖3(b)所示。另外，在此情況下，由于上目鏡光學(xué)單 元25Ru的發(fā)光軸Ou沒有穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，因此減少了不必要的圖像光的入射。根據(jù)本實施方式，能夠通過多畫面方式以良好的可視性顯示大量信息，而不會削 弱設(shè)備的靈活性，原因是由上目鏡光學(xué)單元25Ru和下目鏡光學(xué)單元25Rd產(chǎn)生的上顯示畫 面26Ru和下顯示畫面26Rd作為彼此分開的多個畫面被顯示在觀察者的視野內(nèi)，使得觀察 者通過將其目光在右上方和右下方之間移動能夠交替地觀看各畫面，以查看信息。(第二實施方式)
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圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的 立體圖。這種頭戴式圖像顯示設(shè)備30是與眼鏡相結(jié)合的類型，并且在觀察者佩戴了作為頭 戴式單元的鏡框31的狀態(tài)下包括用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld，其被保持在鏡框31 的左眼邊框32L的下部，從而在左眼的視野內(nèi)延伸，以及用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Rd， 其被保持在鏡框31的右眼邊框32R的下部，從而在右眼的視野內(nèi)延伸。用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld和用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Rd均將顯示元 件上所顯示圖像的圖像光從入射端面引導(dǎo)至其另一端，在使光線在該另一端部朝著觀察者 的眼球側(cè)反射之后，分別通過保持在單元41Ld、41Rd的側(cè)面上的用于左眼的下目鏡光學(xué)單 元42Ld和用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd(見圖7、8)射出。如圖7(a)、(b)所示，用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld和用于右眼的下桿狀導(dǎo)光 單元41Rd被保持成在水平方向上相互分開，使得在觀察者佩戴了鏡框31的狀態(tài)下，用于左 眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸01基本穿過觀察者左眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心Cl，用于右 眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸Or基本穿過觀察者右眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心Cr，并且當(dāng) 目鏡光學(xué)單元42Ld、42Rd之一的發(fā)光軸穿過相應(yīng)眼球的瞳孔時，目鏡光學(xué)單元42Ld、42Rd 中的另一個的發(fā)光軸不會穿過相應(yīng)眼球的瞳孔。具體地，用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld和用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Rd被 保持在鏡框31上，使得當(dāng)觀察者如圖7(a)所示將其目光投向其視野內(nèi)的左下方區(qū)域并且 注視該左下方區(qū)域時，用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸01穿過左眼球Al的瞳孔 P1，而用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸Or不會穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，而當(dāng)觀 察者如圖7(b)所示將其目光投向其視野內(nèi)的右下方區(qū)域并且注視該右下方區(qū)域時，用于 右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸Or穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，而用于左眼的下目鏡光 學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸01不會穿過左眼球Al的瞳孔Pl。如參照圖4所述，人體眼球的瞳孔的直徑在正常環(huán)境中大約為4mm，從瞳孔到眼球 轉(zhuǎn)動中心C的距離大約為10mm。各個眼球中視軸和穿過瞳孔的發(fā)光軸之間的最大夾角約 為11.3度，如圖4所示的情況。因此，為了滿足上述條件，如圖8所示，用于左眼的下桿狀 導(dǎo)光單元41Ld和用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Rd被保持在鏡框31，使得用于左眼的下目 鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸01和用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸Or之間形成的 夾角θ約為23度或更大，與圖4的情況類似。此外，如在第一實施方式中一樣，用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld和用于左眼的 下目鏡光學(xué)單元42Ld在左眼球Al的視軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm，使 得用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld和用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld變得“看透”，從而 當(dāng)觀察者注視其視野內(nèi)的左下方區(qū)域時能夠看到周圍情況，如圖7(a)所示。類似地，如圖 7 (b)所示，用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Rd和用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd在右眼 球Ar的視軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm，使得用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元 41Rd和用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd變得“看透”，從而當(dāng)觀察者注視其視野內(nèi)的右下 方區(qū)域時能夠看到周圍情況。通過這種方式，如圖9所示，左下顯示畫面43Ld顯示在觀察者視野內(nèi)的左下方，該 左下顯示畫面43Ld是由被用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld引導(dǎo)并由用于左眼的下目鏡 光學(xué)單元42Ld所發(fā)射的圖像光產(chǎn)生的，右下顯示畫面43Rd顯示在觀察者視野內(nèi)的右下方并且與左下顯示畫面43Ld分開，該右下顯示畫面43Rd是由被用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元 41Rd引導(dǎo)并由用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd所發(fā)射的圖像光產(chǎn)生的。所需的信息顯示 在各個顯示畫面中。因此，根據(jù)本實施方式，觀察者在將其目光(視軸)直接投向前方時，可以識別出 左下顯示畫面43Ld和右下顯示畫面43Rd分別顯示在其視野內(nèi)。然后，當(dāng)觀察者將其目光 投向左下方以注視視野內(nèi)的左下方區(qū)域時，觀察者可以通過其左眼球Al看到左下顯示畫 面43Ld上所顯示的信息，原因是用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸01穿過左眼球 Al的瞳孔P1，如圖7(a)所示。另外，在此情況下，觀看左下顯示畫面43Ld不會受到干擾， 原因是用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸Or沒有穿過右眼球Ar的瞳孔Pr。類似地，當(dāng)觀察者將其目光投向右下方以注視視野內(nèi)的右下方區(qū)域時，可以通過 其右眼球Ar看到右下顯示畫面43Rd上所顯示的信息，原因是用于右眼的下目鏡光學(xué)單元 42Rd的發(fā)光軸Or穿過右眼球Ar的瞳孔Pr，如圖7(b)所示。另外，在此情況下，觀看右下 顯示畫面43Rd不會受到干擾，原因是用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸01沒有穿 過左眼球Al的瞳孔Pl。根據(jù)本實施方式，能夠通過多畫面方式以良好的可視性顯示大量信息，而不會削 弱設(shè)備的靈活性或移動機動性，這與第一實施方式類似，原因是由用于左眼的下目鏡光學(xué) 單元42Ld和用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd產(chǎn)生的左下顯示畫面43Ld和右下顯示畫面 43Rd作為彼此分開的多個畫面被顯示在觀察者的視野內(nèi)，使得觀察者能夠通過如上所述地 在左上(下)方或右下方之間移動其目光來切換待觀看的畫面并觀看信息。(第三實施方式)圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式的頭戴式圖像顯示設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)的 立體圖。這種頭戴式圖像顯示設(shè)備50與第二實施方式中的頭戴式圖像顯示設(shè)備30的不同 之處在于前者還具有在左眼視野內(nèi)延伸的用于左眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Lu，以及在右眼視 野內(nèi)延伸的用于右眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Ru，用于左眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Lu和用于右 眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Ru分別被保持在鏡框31的左眼邊框32L的上部和右眼邊框32R的 上部，使得這四個桿狀導(dǎo)光單元在水平方向和垂直方向上相互分開。用于左眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Lu和用于右眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Ru均將與其對 應(yīng)的顯示元件上所顯示圖像的圖像光從入射端面引導(dǎo)至其另一端部，在使光線在該另一端 部朝著觀察者的眼球側(cè)反射之后，分別通過被保持在單元41Lu、41Ru側(cè)面上的用于左眼的 上目鏡光學(xué)單元42Lu和用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru射出。此外，用于左眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Lu和用于右眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Ru被支 撐在鏡框31上，使得在觀察者佩戴鏡框31的狀態(tài)下，用于左眼的上目鏡光學(xué)單元42Lu的 發(fā)光軸與用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸大致在觀察者左眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心 相交，而用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru的發(fā)光軸與用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的 發(fā)光軸大致在觀察者右眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心相交。更具體地，位于上部的用于左眼的上目鏡光學(xué)單元42Lu的發(fā)光軸與用于右眼的 上目鏡光學(xué)單元42Ru的發(fā)光軸之間形成的夾角大約為23度或更大，這與位于下部的用于 左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸與用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸之間形 成的夾角類似。此外，左上方和左下方的發(fā)光軸之間形成的夾角(即用于左眼的上目鏡光學(xué)單元42Lu的發(fā)光軸與用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸之間形成的夾角)，以及 右上方和右下方的發(fā)光軸之間形成的夾角(即用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru的發(fā)光軸 與用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸之間形成的夾角)，分別約為23度或更大，如 第一實施方式所述。類似地，成對角線設(shè)置的發(fā)光軸之間形成的夾角，即用于左眼的上目鏡 光學(xué)單元42Lu的發(fā)光軸與用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd的發(fā)光軸之間形成的夾角，以 及用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru的發(fā)光軸與用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld的發(fā)光軸 之間形成的夾角分別約為23度或更大，如第一實施方式所述。因此，當(dāng)觀察者佩戴鏡框31并且移動其目光使得目鏡光學(xué)單元中的至少一個的 發(fā)光軸穿過相應(yīng)眼球的瞳孔時，其它目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸分別被阻止穿過相應(yīng)眼球的瞳 孔。此外，用于左眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Lu、用于左眼的上目鏡光學(xué)單元42Lu、用于 右眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Ru以及用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru在各個相應(yīng)眼球的視軸 方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm，這與用于左眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Ld、用于 左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld、用于右眼的下桿狀導(dǎo)光單元41Rd以及用于右眼的下目鏡光 學(xué)單元42Rd的情況類似。通過這種方式，如圖11所示，在觀察者的視野內(nèi)，除了圖9所示的分別由用于左眼 的下目鏡光學(xué)單元42Ld和用于右眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd提供的左下顯示畫面43Ld和 右下顯示畫面43Rd之外，由被用于左眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Lu引導(dǎo)并從用于左眼的上目 鏡光學(xué)單元42Lu射出的圖像光提供的左上顯示畫面43Lu會顯示在視野內(nèi)的左上方區(qū)域， 由被用于右眼的上桿狀導(dǎo)光單元41Ru引導(dǎo)并從用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru射出的圖 像光提供的右上顯示畫面43Ru會顯示在視野內(nèi)的右上方區(qū)域，并且與左上顯示畫面43Lu 分開。所需的信息會顯示在這些畫面中的每一個畫面上。結(jié)果，根據(jù)本實施方式，觀察者在將其目光(視軸)直接投向前方的狀態(tài)下，可以 識別到在其視野內(nèi)的水平和垂直方向上彼此分開地顯示四個顯示畫面。然后，當(dāng)觀察者移 動目光以注視視野的左上方區(qū)域時，觀察者可以通過左眼球看到左上顯示畫面43Lu上所 顯示的信息，原因是用于左眼的上目鏡光學(xué)單元42Lu的發(fā)光軸穿過左眼球的瞳孔，并且當(dāng) 觀察者注視視野的右上方區(qū)域時，觀察者可以看到右上顯示畫面43Ru上所顯示的信息，原 因是用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru的發(fā)光軸穿過右眼球的瞳孔。此外，當(dāng)觀察者注視視 野內(nèi)的右下方或左下方時，觀察者能夠通過其右眼球或左眼球看到左下顯示畫面43Ld或 右下顯示畫面43Rd上所顯示的信息，如第二實施方式所述。此外，在觀察者將其目光投向任意一個目鏡光學(xué)單元所提供的顯示畫面上的情況 下，觀看目光所投向的一個顯示畫面不會受到干擾，因為其它目鏡光學(xué)單元的其它發(fā)光軸 沒有穿過相應(yīng)眼球的瞳孔。根據(jù)本實施方式，能夠通過多畫面方式以良好的可視性顯示比上述實施方式更多 的信息，而不會削弱設(shè)備的靈活性或移動機動性，原因是由在垂直和水平方向上相互分開 的四個目鏡光學(xué)單元42Lu、42Ld、42Ru、42Rd分別提供的四個顯示畫面43Lu、43Ld、43Ru、 43Rd顯示在視野內(nèi)作為在垂直和水平方向上相互分開的多畫面，使得觀察者能夠通過垂直 和水平地移動其目光來切換待觀看的畫面，以觀看信息。本發(fā)明并不限于上述實施方式，可以對其進行各種變化和修改。例如，盡管在第一實施方式中，該設(shè)備被構(gòu)造成右眼型設(shè)備，其用于支撐分別位于鏡框的右眼邊框的上下部 分的目鏡光學(xué)單元，也可以將相同的構(gòu)造應(yīng)用到左眼邊框，從而將該設(shè)備構(gòu)造成左眼型設(shè) 備。此外，如圖12所示，頭戴式圖像顯示設(shè)備可以被構(gòu)造成使得用于右眼的右手側(cè)目鏡光 學(xué)單元25Rcr和用于右眼的左手側(cè)目鏡光學(xué)單元25Rcl被分別支撐在鏡框11的邊框之一 (圖12中的右眼邊框12R)的右手側(cè)邊框部的中部和左手側(cè)邊框部的中部?；蛘撸鐖D13 所示，為了在垂直方向上的不同位置處設(shè)置用于左眼的目鏡光學(xué)單元和用于右眼的目鏡光 學(xué)單元，頭戴式圖像顯示設(shè)備可以按如下方式構(gòu)造除了圖1所示的結(jié)構(gòu)之外，用于左眼的 右手側(cè)目鏡光學(xué)單元25Lcr和用于左眼的左手側(cè)目鏡光學(xué)單元25Lcl被保持在左眼側(cè)邊框 12L的右手側(cè)邊框部的中部和左手側(cè)邊框部的中部。通過將用于左眼的目鏡光學(xué)單元和用 于右眼的目鏡光學(xué)單元設(shè)置在垂直方向上的不同位置處，觀察者可以很容易地在其左眼視 覺識別和右眼視覺識別之間進行切換，原因是當(dāng)觀察者注視由用于左眼的目鏡光學(xué)單元提 供的顯示畫面和由用于右眼的目鏡光學(xué)單元提供的顯示畫面時，雙眼移動的高度位置是不 同的。此外，盡管在第二實施方式中頭戴式圖像顯示設(shè)備被構(gòu)造成用于在鏡框的左右邊 框底部支撐目鏡光學(xué)單元的下方區(qū)域觀察類型，該設(shè)備也可以構(gòu)造成用于分別在左右邊框 的垂直中部支撐目鏡光學(xué)單元的前方區(qū)域觀察類型，或者用于分別在左右邊框的上部支撐 目鏡光學(xué)單元的上方區(qū)域觀察類型?；蛘?，頭戴式圖像顯示設(shè)備可以被構(gòu)造成使得用于左 眼的目鏡光學(xué)單元和用于右眼的目鏡光學(xué)單元分別設(shè)置在垂直方向上的不同位置，例如， 作為對角線觀察類型，用于在一個邊框的上/下部支撐目鏡光學(xué)單元以及在另一邊框的下 /上部支撐另一目鏡光學(xué)單元，或者作為觀察類型，用于在一個邊框的上/下部支撐目鏡光 學(xué)單元以及在另一邊框的垂直中部支撐另一目鏡光學(xué)單元。因此，在這些修改例中，如圖13 所示的結(jié)構(gòu)中，觀察者可以很容易地在其左眼視覺識別和右眼視覺識別之間進行切換，原 因是當(dāng)觀察者注視由用于左眼的目鏡光學(xué)單元提供的顯示畫面和由用于右眼的目鏡光學(xué) 單元提供的顯示畫面時，雙眼移動的高度位置是不同的。此外，在第三實施方式中，盡管目鏡光學(xué)單元42Lu、42Ld、42Ru、42Rd被支撐在四 個地方，即鏡框31的左眼邊框32L的左上方和左下方，以及右眼邊框32R的右上方和右下 方，但仍可以在各個邊框上采用對角線方式支撐兩個目鏡光學(xué)單元。例如，如圖14所示，頭 戴式圖像顯示設(shè)備可以被構(gòu)造成在左眼邊框32L的左上方支撐用于左眼的上目鏡光學(xué)單 元42Lu，在左眼邊框32L的右下方支撐用于左眼的下目鏡光學(xué)單元42Ld，在右眼邊框32R 的右上方支撐用于右眼的上目鏡光學(xué)單元42Ru，以及在右眼邊框32R的左下方支撐用于右 眼的下目鏡光學(xué)單元42Rd。此外，在第三實施方式的構(gòu)造中，可以省去任意一個目鏡光學(xué)單 元，或提供附加的目鏡光學(xué)單元以滿足針對其它目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸的上述角度條件。 此外，在前述的情形中，用于左眼的目鏡光學(xué)單元和用于右眼的目鏡光學(xué)單元可以如上所 述地設(shè)置在垂直方向上的不同位置。此外，多個目鏡光學(xué)單元之間的距離以及這些單元所顯示的各個圖像的顯示位置 可以彼此不同。例如，假設(shè)在人體的實際周圍環(huán)境中，視野內(nèi)下方區(qū)域中的物體看起來更接 近觀察者，而視野內(nèi)前方或上方區(qū)域中的物體看起來相對較遠。因此，如圖15所示，第一實 施方式的結(jié)構(gòu)可以設(shè)置成例如將虛像定位在觀察者前面遠至5米處的由上目鏡光學(xué)單元 25Ru提供的上顯示畫面26Ru，以及將虛像定位在觀察者前面近至0. 5米處的由下目鏡光學(xué)
11單元25Rd提供的下顯示畫面26Rd。具體地，假定“a”表示顯示元件和目鏡光學(xué)單元之間的距離，“b”表示虛像與目鏡 光學(xué)單元之間的距離，“f”表示目鏡光學(xué)單元的焦距，則公式l/b= (l/a)-(l/f)是近軸 正確的(paraxially correct) 0因此，可以通過改變距離a或焦距f來改變虛像位置。例 如，當(dāng)距離“a”需要改變時，可以將虛像位置設(shè)成無窮遠，而通過減小“a”的值可以將虛像 位置得距觀察者更近。此外，在目鏡光學(xué)單元為單鏡頭的情況下，下面的公式(1)可以近軸滿足，其中在 下面的公式中“η”表示透鏡材料的折射率，"rUr2"分別表示各個透鏡的曲率半徑，而“d”
表示透鏡厚度。 因此，由于通過改變折射率η、透鏡的曲率半徑r以及厚度d可以改變目鏡光學(xué)單 元的焦距f，所以通過將焦距f變大就可以使虛像位置接近觀察者，而通過將焦距f變小就 可以使虛像位置遠離觀察者。此外，盡管在上述實施方式中桿狀導(dǎo)光單元和目鏡光學(xué)單元中的每一個都被構(gòu)造 成是可以“看透”的，但是它們并不是必須被構(gòu)造成可以“看透”的。此外，可以省去桿狀導(dǎo) 光單元，顯示元件可以被保持在頭戴式單元上以與各個目鏡光學(xué)單元相對，從而可以觀看 虛像。此外，根據(jù)本發(fā)明的頭戴式圖像顯示設(shè)備不必為眼鏡型，也可以構(gòu)造成耳機型或者可 以從眼鏡上拆裝的設(shè)備。
1權(quán)利要求
一種頭戴式圖像顯示設(shè)備，該頭戴式圖像顯示設(shè)備包括多個目鏡光學(xué)單元，其用于分別向相應(yīng)的眼球發(fā)出待顯示的圖像光；頭戴式單元，其能夠可拆裝地安裝到觀察者頭部并用于保持所述多個目鏡光學(xué)單元，其中所述頭戴式單元在安裝到觀察者頭部的狀態(tài)下支撐所述多個目鏡光學(xué)單元，使得各個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸基本穿過相應(yīng)眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心，當(dāng)由于眼球轉(zhuǎn)動而使一個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸穿過其相應(yīng)眼球的瞳孔時，其它目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸不會穿過其相應(yīng)眼球的瞳孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中所述頭戴式單元支撐所述多個目 鏡光學(xué)單元，使得在所述多個目鏡光學(xué)單元中，一個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸與另一目鏡光 學(xué)單元的發(fā)光軸之間形成的夾角約為23度或更大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中在所述頭戴式單元安裝到觀 察者頭部的狀態(tài)下，所述多個目鏡光學(xué)單元包括上目鏡光學(xué)單元和下目鏡光學(xué)單元，所述 上目鏡光學(xué)單元和所述下目鏡光學(xué)單元被支撐成在垂直方向上相互分開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中在所述頭戴式單元安 裝到觀察者頭部的狀態(tài)下，所述多個目鏡光學(xué)單元包括用于左眼的目鏡光學(xué)單元和用于右 眼的目鏡光學(xué)單元，所述用于左眼的目鏡光學(xué)單元和所述用于右眼的目鏡光學(xué)單元被支撐 成在水平方向上相互分開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中所述用于左眼的目鏡光學(xué)單元和 所述用于右眼的目鏡光學(xué)單元被保持在垂直方向上的不同位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的任一項所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中所述多個目鏡光學(xué)單 元中的每一個在觀察者的視軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的任一項所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中所述多個目鏡光學(xué)單 元中的每一個被支撐在用于引導(dǎo)圖像光的桿狀導(dǎo)光單元的發(fā)光端。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中所述桿狀導(dǎo)光單元在觀察者的視 軸方向上的截面形狀投影寬度等于或小于4mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8的任一項所述的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其中所述頭戴式單元由鏡 框構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新穎的頭戴式圖像顯示設(shè)備，其能夠通過多畫面方式以良好的可視性顯示大量信息，而不會削弱設(shè)備的靈活性。該設(shè)備包括多個目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd，所述多個目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd分別向相應(yīng)的眼球發(fā)出待顯示的圖像光；以及頭戴式單元11，所述頭戴式單元11用于支撐所述多個目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd并且可拆裝地安裝到觀察者頭部。所述頭戴式單元11在安裝到觀察者頭部的狀態(tài)下支撐所述多個目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd，使得各個目鏡光學(xué)單元25Ru、25Rd的發(fā)光軸基本穿過相應(yīng)眼球的眼球轉(zhuǎn)動中心，并且當(dāng)由于眼球轉(zhuǎn)動而使一個目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸穿過其相應(yīng)眼球的瞳孔時，另一目鏡光學(xué)單元的發(fā)光軸不會穿過其相應(yīng)眼球的瞳孔。
文檔編號G02B27/01GK101900880SQ20091025822
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者井場陽一, 杉原良平, 龍?zhí)锍墒?申請人:奧林巴斯株式會社