專利名稱：圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成來自多個(gè)顯示元件的光束以呈現(xiàn)一個(gè)放大的合成圖像的圖像顯 示裝置，特別地，涉及適用于頭戴式顯示器(HMD)的圖像顯示裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)于用于諸如HMD的圖像顯示裝置的觀察光學(xué)系統(tǒng)，需要具有寬視角的圖像呈現(xiàn) 以使得能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的自然觀察并增加逼真的感覺。此外，希望這種被安裝在觀察者的頭 上的圖像顯示裝置又小又薄。能夠以寬視角呈現(xiàn)圖像的這種又小又薄的圖像顯示裝置中的一些使用對(duì)于相互 不同的視角顯示原始圖像的多個(gè)顯示元件，并且通過合成與原始圖像對(duì)應(yīng)的多個(gè)放大圖像 形成一個(gè)圖像，以使得能夠觀察放大的合成圖像。使用多個(gè)顯示元件使得能夠減小多個(gè)顯 示元件中的每一個(gè)的光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和厚度，這實(shí)現(xiàn)了能夠以寬視角呈現(xiàn)圖像的整體又小 又薄的圖像顯示裝置。在日本專利特開No. 07-274097,No. 11-326820,No. 10-246865 和 No. 09-166759 和 日本專利No. 3524569中公開了這種圖像顯示裝置。在日本專利特開No. 07-274097、No. 11-326820 和 No. 10-246865 和日本專利 No. 3524569中公開的圖像顯示裝置使用不能重疊到達(dá)相互合成的圖像的邊界部分的光束 的光學(xué)系統(tǒng)。因此，當(dāng)觀察者的眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)以在光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳和觀察者的瞳孔之間 (換句話說，在圖像顯示裝置的視軸和觀察者的眼睛之間)產(chǎn)生間隙時(shí)，來自合成圖像的一 部分的光束不被引向觀察者的瞳孔，由此觀察者觀察到圖像缺失。圖22A示出在其的光學(xué)系統(tǒng)由V形反射鏡203和目鏡204構(gòu)成的常規(guī)圖像顯示裝 置中轉(zhuǎn)動(dòng)觀察者的眼睛7的狀態(tài)。當(dāng)觀察者的眼睛7向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，來自顯示元件202的形 成下側(cè)淺視角的光束被引向眼睛(瞳孔)7，但是，來自顯示元件201的光束不被引向眼睛。 因此，只有形成下側(cè)淺視角的光束被引向眼睛(瞳孔)7。為了解決這種問題，如圖22B所示，日本專利No. 3524569公開了沿合成圖像的分 割方向放大顯示元件205和206中的每一個(gè)的顯示區(qū)域并且向在顯示元件205和206上顯 示的原始圖像提供顯示相同的原始圖像的重疊區(qū)域的方法。這種重疊區(qū)域的提供使得在圖 22A所示的圖像顯示裝置中沒有被引向眼睛(瞳孔)的光束從顯示元件205被引向眼睛。但是，為了將來自所有原始圖像的光束引向眼睛(瞳孔)，必須放大重疊區(qū)域。例 如，在水平視角為50度、垂直視角為40度、光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的直徑為12mm、良視距 (eye relief)(從出射光瞳到光學(xué)系統(tǒng)的距離)為20mm并且水平視角通過在日本專利 No. 3524569中公開的方法被分成多個(gè)視角的情況下，為了將來自所有原始圖像的光束引向 眼睛(瞳孔)，必須使得每個(gè)顯示元件顯示與38. 5度的視角對(duì)應(yīng)的原始圖像，該38. 5度的 視角是水平視角(50度)的一半(25度)和重疊區(qū)域的視角(13. 5度)的和。換句話說，對(duì)于50度的整個(gè)水平視角，重疊區(qū)域的視角為27度，它是比整個(gè)水平 視角的一半還要大的視角。這種大的重疊區(qū)域使得每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率低，這使得難以實(shí)現(xiàn)能夠以寬視角呈現(xiàn)圖像的圖像顯示裝置。而且，在日本專利特開No. 9-166759中公開的裝置在第一目鏡光學(xué)系統(tǒng)中使用形 成為半透半反鏡(half-mirror)的凹面鏡，以防止由于在日本專利特開No. 7-274097和日 本專利No. 3524569中公開的兩個(gè)反射鏡的接合線(脊線)而在顯示的圖像的中心附近出 現(xiàn)圖像變暗或圖像缺失的現(xiàn)象。但是，在日本專利特開No. 9-166759中公開的裝置通過在兩個(gè)原始圖像中提供顯 示相同的部分圖像的重疊區(qū)域，以防止當(dāng)觀察者的視軸不與裝置的視軸匹配時(shí)在放大圖像 的接合線上出現(xiàn)這種圖像缺失。因此，日本專利特開No. 9-166759沒有提到在兩個(gè)原始圖 像中不存在重疊區(qū)域的情況。此外，在日本專利特開No. 9-166759公開的裝置中，來自設(shè)置在遠(yuǎn)離觀察者的位 置上的棱鏡的所有光通過設(shè)置在觀察者附近的棱鏡。因此，設(shè)置在觀察者附近的棱鏡的尺 寸增加，由此，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的尺寸增加，這不適用于又小又薄的HMD。具體來說，在日本專利特開No. 9-166759中公開的裝置中的光學(xué)系統(tǒng)的尺寸在以 下的兩個(gè)方向上增加。在水平方向上，從顯示元件中的一個(gè)射出并然后穿過設(shè)置在遠(yuǎn)離觀 察者的位置上的棱鏡的所有光穿過設(shè)置在觀察者附近的棱鏡。因此，對(duì)于來自其它的顯示 元件的有效光束，設(shè)置在觀察者附近的棱鏡的水平尺寸增加。并且，由于光沿垂直方向以及 水平方向被引入，因此設(shè)置在遠(yuǎn)離觀察者的位置上的棱鏡和設(shè)置在觀察者附近的棱鏡被布 置為沿垂直方向幾乎完全相互重疊，這使得光學(xué)系統(tǒng)的垂直尺寸(厚度)較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種又小又薄圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置以寬視角呈現(xiàn)通過合成 來自多個(gè)顯示元件的光束形成的放大合成圖像，并且能夠抑制由于觀察者的眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)而 出現(xiàn)的圖像缺失的產(chǎn)生。作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置包括被 配置為顯示第一原始圖像的第一顯示元件；被配置為顯示第二原始圖像的第二顯示元件； 和被配置為通過來自第一顯示元件的第一光束和來自第二顯示元件的第二光束向觀察者 呈現(xiàn)第一原始圖像和第二原始圖像的放大合成圖像的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包含至少一個(gè)反 射面。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的在其上第一光束和第二光束的光路通過反射面上的反射而轉(zhuǎn)向的截 面被定義為偏心截面時(shí)，第一原始圖像和第二原始圖像在偏心截面中與相互不同的視角對(duì) 應(yīng)。分別包含于第一光束和第二光束中并被引向放大合成圖像中的相同像點(diǎn)的光束分量在 光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳面上相互重疊。通過以下描述以及附圖，本發(fā)明的其它方面將變得明顯。


圖1是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例1的HMD的概略圖。圖2是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例2的HMD的概略圖。圖3是用于說明實(shí)施例2中的出射光瞳面上的光束的重疊的示圖。圖4是用于說明實(shí)施例2中的設(shè)置孔徑光闌的配置的示圖。
圖5A和圖5B是用于說明實(shí)施例2中的孔徑光闌的形狀的示圖。
4
圖6是用于說明實(shí)施例2中的常規(guī)問題的解決方案的示圖。圖7是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例3的HMD的概略圖。圖8A和圖8B是用于說明實(shí)施例3中的出射光瞳面上的光束的重疊的示圖。圖9是用于說明實(shí)施例3中的設(shè)置孔徑光闌、擋板(stopper)和遮光元件的配置 的示圖。圖IOA IOD是用于說明實(shí)施例3中的孔徑光闌和擋板的形狀的示圖。圖11是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例4的HMD的概略圖。圖12是用于說明實(shí)施例4中的出射光瞳面上的光束的重疊的示圖。圖13是用于說明實(shí)施例4中的設(shè)置擋板的配置的示圖。圖14A和圖14B是用于說明實(shí)施例4中的擋板的形狀的示圖。圖15是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例5的HMD的概略圖。圖16是用于說明實(shí)施例5中的出射光瞳面上的光束的重疊的示圖。圖17是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例6的HMD的概略圖。圖18是用于說明實(shí)施例6中的出射光瞳面上的光束的重疊的示圖。圖19是示出作為本發(fā)明的實(shí)施例7的HMD的概略圖。圖20是用于說明實(shí)施例7中的出射光瞳面上的光束的重疊的示圖。圖21A 21C是用于說明實(shí)施例7中的常規(guī)問題的解決方案的示圖。圖22A和圖22B是用于說明常規(guī)問題的示圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例?！矊?shí)施例1〕圖1示出作為本發(fā)明的第一實(shí)施例(實(shí)施例1)的HMD(圖像顯示裝置)。本實(shí)施 例的HMD將來自針對(duì)沿作為光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面的方向的水平方向分割成的兩個(gè)視角設(shè) 置的兩個(gè)顯示元件的光束引向光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳。稍后將描述光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面。在圖1中，附圖標(biāo)記101表示第一顯示元件，附圖標(biāo)記102表示第二顯示元件。作 為第一顯示元件101和第二顯示元件102，可以使用諸如有機(jī)EL (電致發(fā)光)元件的發(fā)光顯 示元件或由透射型液晶面板和背光單元構(gòu)成的LCD。這同樣適用于后面描述的其它的實(shí)施 例。附圖標(biāo)記104表示第一光學(xué)元件，附圖標(biāo)記105表示第二光學(xué)元件。在本實(shí)施例 中，使用半透半反鏡作為第一光學(xué)元件104，使用反射鏡作為第二光學(xué)元件105。附圖標(biāo)記 6表示目鏡。第一光學(xué)元件104和第二光學(xué)元件105和目鏡6構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)。附圖標(biāo)記7 表示位于光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的位置或處于其附近的觀察者的眼睛?！捌慕孛妗笔沁@樣的截面，即在該截面上，來自第一顯示元件101和第二顯示元件 102的光束(即，從各顯示元件〔原始圖像〕101和102的中心射出并然后到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的 出射光瞳的中心的中心視角主光線)的光路通過第一光學(xué)元件104和第二光學(xué)元件105上 的反射而轉(zhuǎn)向(折疊)。圖1所示的截面與“偏心截面”對(duì)應(yīng)?！捌慕孛娴姆较颉?以下， 稱為“偏心截面方向”)是包含“偏心截面”的方向或與“偏心截面”平行的方向。雖然本實(shí)施例和隨后的實(shí)施例將關(guān)于HMD進(jìn)行描述，但是，本發(fā)明的替代性實(shí)施
5例包含HMD以外的其它圖像顯示裝置，每個(gè)裝置向位于光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的位置上或處 于其附近的觀察者的眼睛呈現(xiàn)圖像。以下，包含光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的平面被稱為“出射光
瞳面”。從在第一顯示元件101上顯示的圖像(第一原始圖像)111射出的光束(第一光 束)108被第一光學(xué)元件104反射，然后通過目鏡6作為形成圖的上部所示的左側(cè)視角的光 束被引向眼睛7。從在第二顯示元件102上顯示的圖像(第二原始圖像)112射出的光束 (第二光束)109被第二光學(xué)元件105反射，透射通過第一光學(xué)元件104，然后通過目鏡6作 為形成圖的下部所示的右側(cè)視角的光束被引向眼睛7。左側(cè)視角和右側(cè)視角是相互不同的 視角。光學(xué)系統(tǒng)通過第一光束108和第二光束109向眼睛7 ( S卩，向觀察者)呈現(xiàn)第一原 始圖像111和第二原始圖像112的放大合成圖像113。在分別從第一顯示元件101和第二顯示元件102射出的第一光束108和第二光束 109中，被引向放大合成圖像113中的相同像點(diǎn)的部分光束(光束分量)(即，形成相同的點(diǎn) 的圖像的光束)在出射光瞳面上完全相互重疊。在本實(shí)施例中，在其中第一光束108和第二光束109相互重疊的出射光瞳面的區(qū) 域?qū)?yīng)于出射光瞳的100%區(qū)域。換句話說，第一光束108和第二光束109以100%的重疊 比在出射光瞳上相互重疊。在這種狀態(tài)下，形成完整視角的光束被引向眼睛7的瞳孔。因此，不必為分別在第一顯示元件101和第二顯示元件102上顯示的第一原始圖 像111和第二原始圖像112設(shè)置顯示相同的部分圖像(相同的原始圖像部分)的重疊區(qū)域。 換句話說，在被觀察的放大合成圖像113形成為使得第一原始圖像111和第二原始圖像112 的邊緣相互接合的情況下，如圖所示不必為第一原始圖像111和第二原始圖像112設(shè)置重 疊區(qū)域。不在第一原始圖像111和第二原始圖像112中設(shè)置重疊區(qū)域，即，不在第一原始圖 像111和第二原始圖像112中顯示相同的原始圖像部分，使得能夠有效利用每個(gè)顯示元件 的顯示區(qū)域，這增加了每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率。一般地，顯示元件具有這樣的結(jié)構(gòu)，即在其中以類似矩陣的方式布置多個(gè)像素，并 且，即使當(dāng)在兩個(gè)顯示元件上顯示的兩個(gè)原始圖像中沒有設(shè)置重疊區(qū)域時(shí)，仍存在從顯示 元件的像素之間射出以被引向放大合成圖像中的相同像點(diǎn)的光束。因此，表述“分別包含于第一光束和第二光束中并被引向放大合成圖像中的相同 像點(diǎn)的光束分量在光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳面上相互重疊”中的“相同像點(diǎn)”在兩個(gè)原始圖像沒 有重疊區(qū)域時(shí)包括放大合成圖像的像素之間的點(diǎn)。這同樣適用于隨后的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，第一光學(xué)元件104由半透半反鏡構(gòu)成，該半透半反鏡以與透射通 過其中的光的強(qiáng)度相同的強(qiáng)度反射光，以便以大致相同的亮度將來自兩個(gè)顯示元件101和 102的第一光束108和第二光束109引向眼睛7。但是，出射光瞳面中的第一光束108和第 二光束109相互重疊的區(qū)域具有為其它區(qū)域的亮度的兩倍的亮度，因此，希望在第一光束 108和第二光束109通過的光路上設(shè)置諸如中性密度(ND)濾光片的光量減少元件。作為替 代方案，可以降低與出射光瞳面上的第一光束108和第二光束109相互重疊的區(qū)域?qū)?yīng)的 兩個(gè)原始圖像的重疊區(qū)域的亮度。這同樣適用于隨后的實(shí)施例。雖然本實(shí)施例描述了視角沿水平方向被分割成兩個(gè)的情況，但是，當(dāng)視角沿垂直方向被分割成兩個(gè)視角時(shí)，也可使用與本實(shí)施例類似的配置。〔實(shí)施例2〕圖2表示作為本發(fā)明的第二實(shí)施例(實(shí)施例2)的HMD(圖像顯示裝置)。本實(shí)施 例的HMD將來自針對(duì)沿作為光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面方向的水平方向分成的兩個(gè)視角設(shè)置的 兩個(gè)顯示元件的光束引向光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳。在圖2中，附圖標(biāo)記1表示第一顯示元件，附圖標(biāo)記2表示第二顯示元件。附圖標(biāo) 記4表示第一光學(xué)元件，附圖標(biāo)記5表示第二光學(xué)元件。在本實(shí)施例中，使用半透半反鏡作 為第一光學(xué)元件4，使用反射鏡作為第二光學(xué)元件5。附圖標(biāo)記6表示目鏡。第一光學(xué)元件 4和第二光學(xué)元件5和目鏡6構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)。附圖標(biāo)記7表示位于光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的 位置或處于其附近的觀察者的眼睛。圖2所示的截面對(duì)應(yīng)于偏心截面。從在第一顯示元件1上顯示的圖像(第一原始圖像)11射出的光束(第一光束)8 被第一光學(xué)元件4反射，然后通過目鏡6作為形成圖的上部所示的左側(cè)視角的光束被引向 眼睛7。從在第二顯示元件2上顯示的圖像(第二原始圖像)12射出的光束(第二光束)9 被第二光學(xué)元件5反射，透射通過第一光學(xué)元件4，然后通過目鏡6作為形成圖的下部所示 的右側(cè)視角的光束被引向眼睛7。左側(cè)視角和右側(cè)視角是相互不同的視角。光學(xué)系統(tǒng)通過第一光束8和第二光束9向眼睛7呈現(xiàn)第一原始圖像11和第二原 始圖像12的放大合成圖像13。在分別從第一顯示元件1和第二顯示元件2射出的第一光束8和第二光束9中， 被引向放大合成圖像13中的相同像點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖3所示在出射光瞳面
上相互重疊。圖3中的附圖標(biāo)記a表示光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面中的出射光瞳的水平寬度，附圖標(biāo) 記b表示在偏心截面中出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9相互重疊的區(qū)域的水平寬 度。在出射光瞳面上，如圖3所示，第一光束8形成出射光瞳的左側(cè)區(qū)域，第二光束9形成 出射光瞳的右側(cè)區(qū)域。另外，第一光束8和第二光束9在出射光瞳的中心區(qū)域中相互重疊。以下描述光學(xué)系統(tǒng)將35度的水平視角分成兩個(gè)視角并且出射光瞳的直徑為IOmm 的情況。在該光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)眼睛7的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為12mm時(shí)，觀察17. 5度的左側(cè)最大視角的 方向的眼睛7的瞳孔的中心相對(duì)于觀察0度的視角的方向的眼睛7的瞳孔的中心向左移動(dòng) 3. 6mmο在這種狀態(tài)下，如果第二光束9被引向眼睛7的瞳孔的中心，那么形成與第二顯示 元件2對(duì)應(yīng)的完整視角的所有光線進(jìn)入眼睛7的瞳孔的至少一半的區(qū)域。由此，可以實(shí)現(xiàn) 這樣的光學(xué)系統(tǒng)，即由該光學(xué)系統(tǒng)，形成由與第一顯示元件1和第二顯示元件2對(duì)應(yīng)的視角 構(gòu)成的完整視角的光束(光線)被引向眼睛7的瞳孔。因此，只需要第二光束9的水平寬度相對(duì)于IOmm的出射光瞳直徑在左側(cè)為3. 6mm 并且在右側(cè)為5mm。類似地，只需要第一光束8的水平寬度相對(duì)于IOmm的出射光瞳直徑在 左側(cè)為5mm并且在右側(cè)為3. 6mm。在本實(shí)施例中，出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9相互重疊的區(qū)域?yàn)槌錾?光瞳的72% (b/a = 0. 72)的區(qū)域。換句話說，第一光束8和第二光束9以出射光瞳的72% 的重疊比相互重疊。在這種狀態(tài)下，形成完整視角的光束被引向眼睛7的瞳孔。因此，不必在分別在第一顯示元件1和第二顯示元件2上顯示的第一原始圖像11和第二原始圖像12中設(shè)置重疊區(qū)域。換句話說，在被觀察的放大合成圖像13被形成為使 得第一原始圖像11和第二原始圖像12的邊緣如圖2所示相互接合的情況下，如圖所示不 必在第一原始圖像11和第二原始圖像12中設(shè)置重疊區(qū)域。不在第一原始圖像11和第二原始圖像12中設(shè)置重疊區(qū)域使得能夠有效利用每個(gè) 顯示元件的顯示區(qū)域，這增加了每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率。此外，雖然在相同像點(diǎn) 上的光束的重疊對(duì)于當(dāng)眼睛7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)觀察到連續(xù)(無縫)放大合成圖像是必需的，但是，上 述的減小的重疊比使得能夠減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。以下描述將出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重疊比設(shè)為預(yù)定值的方 法。如圖4所示，在第一顯示元件1和第一光學(xué)元件4之間設(shè)置孔徑光闌(遮光元件)62， 并且，在第二顯示元件2和第二光學(xué)元件5之間設(shè)置孔徑光闌63。圖5A示出從第一顯示元件側(cè)觀察時(shí)的孔徑光闌62的形狀，圖5B表示從第二顯示 元件側(cè)觀察時(shí)的孔徑光闌63的形狀。在孔徑光闌62的光通過區(qū)域(圖中的白色區(qū)域)中， 右側(cè)部分相對(duì)于出射光瞳的形狀變窄以限制第一光束8通過的區(qū)域。在孔徑光闌63的光 通過區(qū)域中，左側(cè)部分相對(duì)于出射光瞳變窄以限制第二光束9通過的區(qū)域。在此方法中，沿第一光束8的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)孔徑光闌62以及沿第二 光束9的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)孔徑光闌63使得能夠改變出射光瞳面上的第一光束 8和第二光束9的重疊比。以下描述將出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重疊比設(shè)為預(yù)定值的另一 方法。該方法限制第一光學(xué)元件4和第二光學(xué)元件5的有效區(qū)域。在該方法中，沿光軸方 向改變第一光學(xué)元件4和目鏡6之間的距離以及第二光學(xué)元件5和目鏡6之間的距離使得 能夠改變出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的重疊比。另外，可通過使用上述的兩種方法的組合將出射光瞳面上的第一光束8和第二光 束9的重疊比設(shè)為預(yù)定值。這種出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的可變的重疊比使得能夠補(bǔ)償由光 學(xué)系統(tǒng)的制造誤差或顯示元件和光學(xué)系統(tǒng)之間的位置偏移導(dǎo)致的出射光瞳面上的重疊比 的變化。這使得能夠在不以高的精度制造和組裝光學(xué)系統(tǒng)的情況下將重疊比設(shè)為希望的預(yù)定值。圖6示出如圖22k所示的情況那樣，在本實(shí)施例中當(dāng)眼睛7向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成下側(cè) 淺視角的光束。在本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中，在當(dāng)眼睛7向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成下側(cè)淺視角的光束 中，在圖22A所示的光學(xué)系統(tǒng)中未被引向眼睛7的光束74從第二顯示元件2被引向眼睛。 因此，在本實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中，難以出現(xiàn)如圖22A所示的光學(xué)系統(tǒng)中光束的一部分未被 引向眼睛(瞳孔)7的問題。而且，在本實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)中，不必如圖22B所示放大顯 示元件的顯示區(qū)域以提供重疊區(qū)域。如上所述，本實(shí)施例可解決在常規(guī)的光學(xué)系統(tǒng)中出現(xiàn)的形成視角的一部分的光束 未被引向眼睛(瞳孔)的問題。在實(shí)施例2中，在光束應(yīng)進(jìn)入眼睛7的瞳孔的至少一半?yún)^(qū)域并且眼睛7的瞳孔的 直徑被假定為4mm的條件下，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳面上的第一光束8和第二光束9的 重疊比。但是，可以使用光束應(yīng)進(jìn)入眼睛7的瞳孔的75%或更大區(qū)域的條件。這種光束應(yīng) 進(jìn)入的瞳孔的更大的區(qū)域使得能夠觀察更亮的放大合成圖像，并使得能夠補(bǔ)償眼睛的位置
8相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的間隙。在這種情況下，當(dāng)假定眼睛的瞳孔的半徑為2mm時(shí)，觀察17. 5度的左側(cè)最大視角 的方向的眼睛的瞳孔的75%位置位于從觀察0度的視角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左 4. 6mm遠(yuǎn)的位置上。因此，只需要將第一光束和第二光束的重疊比設(shè)為出射光瞳的92%。雖然實(shí)施例2描述了水平視角被分成兩個(gè)視角的情況，但是，可對(duì)于垂直視角被 分成兩個(gè)視角的情況使用與本實(shí)施例類似的配置?！矊?shí)施例3〕圖7表示作為本發(fā)明的第三實(shí)施例(實(shí)施例3)的HMD(圖像顯示裝置)。本實(shí)施 例的HMD將來自針對(duì)沿作為光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面方向的水平方向分割成的三個(gè)視角設(shè)置 的三個(gè)顯示元件的光束引向光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳。在圖7中，附圖標(biāo)記14表示第一顯示元件，附圖標(biāo)記15表示第二顯示元件，并且， 附圖標(biāo)記16表示第三顯示元件。第二顯示元件15和第三顯示元件16分別對(duì)應(yīng)于“第一顯 示元件”和“第二顯示元件”。附圖標(biāo)記17表示由半透半反鏡構(gòu)成的光學(xué)元件，附圖標(biāo)記18 表示目鏡。光學(xué)元件17和目鏡18構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)。附圖標(biāo)記7表示位于光學(xué)系統(tǒng)的出射光 瞳的位置或處于其附近的觀察者的眼睛。圖7所示的截面對(duì)應(yīng)于偏心截面。從在第一顯元件14上顯示的圖像(第一原始圖像)23射出的光束(第一光束)19 被光學(xué)元件17反射，然后通過目鏡18作為形成圖的上部所示的左側(cè)視角的光束被引向眼 睛7。從在第二顯示元件15上顯示的圖像(第二原始圖像)24射出的光束(第二光束)20 和21透過光學(xué)元件17，然后通過目鏡18作為形成中心視角的光束被引向眼睛7。如下面 描述的那樣，在第二光束20和21中，光束20在出射光瞳面上與第一光束19重疊，并且，光 束21在出射光瞳面上與第三光束22重疊。從在第三顯元件16上顯示的圖像(第三原始圖像)25射出的光束(第三光束)22 被光學(xué)元件17反射，然后通過目鏡18作為形成圖的下部所示的右側(cè)視角的光束被引向眼 睛7。左側(cè)視角、中心視角和右側(cè)視角是相互不同的視角。光學(xué)系統(tǒng)通過第一光束19、第二光束20和21和第三光束22向眼睛7呈現(xiàn)第一原 始圖像23、第二原始圖像24和第三原始圖像25的放大合成圖像26。第二光束20和21和 第三光束22分別對(duì)應(yīng)于“第一光束”和“第二光束”。第二原始圖像24和第三原始圖像25 分別對(duì)應(yīng)于“第一原始圖像”和“第二原始圖像”。來自第二顯示元件15的第二光束20和21透過的光學(xué)元件17具有平面部分27。 平面部分27被設(shè)置為使得來自第二顯示元件15的全部光束(光線)通過光學(xué)元件17，并 消除光線的光路長(zhǎng)度差。在分別從第一顯示元件14和第二顯示元件15射出的第一光束19和第二光束20 中，被引向放大合成圖像26中的相同像點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖8A所示在出射光 瞳面上相互重疊。在出射光瞳面上，如圖8A所示，第一光束19形成出射光瞳的左側(cè)區(qū)域， 第二光束20形成其右側(cè)區(qū)域。在出射光瞳的中心區(qū)域中，第一光束19和第二光束20相互重疊。在分別從第二顯示元件15和第三顯示元件16射出的第二光束21和第三光束22 中，被引向放大合成圖像26中的相同像點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖8B所示在出射光 瞳面上相互重疊。在出射光瞳面上，如圖8B所示，第二光束21形成出射光瞳的左側(cè)區(qū)域，
9第三光束22形成其右側(cè)區(qū)域。在出射光瞳的中心區(qū)域中，第二光束21和第三光束22相互重疊。以下描述光學(xué)系統(tǒng)將60度的水平視角分成三個(gè)視角的情況。第一顯示元件14顯 示與從左側(cè)30度視角到左側(cè)10度視角的20度的視角對(duì)應(yīng)的第一原始圖像23。第二顯示 元件15顯示與從左側(cè)10度視角到右側(cè)10度視角的20度的視角對(duì)應(yīng)的第二原始圖像24。 第三顯示元件16顯示與從右側(cè)10度視角到右側(cè)30度視角的20度的視角對(duì)應(yīng)的第三原始 圖像25。在本實(shí)施例中，由于與各原始圖像對(duì)應(yīng)的放大圖像的邊界部分的接合線沒有位于 放大合成圖像26的中心，因此對(duì)于通常觀察放大合成圖像的中心部分的觀察者而言，邊界 部分不明顯。在本光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)出射光瞳的直徑為15mm并且眼睛7的轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑為12mm時(shí)， 觀察30度的左側(cè)最大視角的方向的眼睛7的瞳孔的中心相對(duì)于觀察0度的視角的方向的 眼睛7的瞳孔的中心向左移動(dòng)6mm。在這種狀態(tài)下，如果第二光束20和第三光束22被引 向眼睛7的瞳孔的中心，那么形成與第二顯示元件15和第三顯示元件16對(duì)應(yīng)的完整視角 的所有光線進(jìn)入眼睛7的瞳孔的至少一半?yún)^(qū)域。由此，可以實(shí)現(xiàn)這樣的光學(xué)系統(tǒng)，即通過該 光學(xué)系統(tǒng)，形成由與第一到第三顯示元件14 16對(duì)應(yīng)的視角構(gòu)成的完整視角的光束(光 線)被引向眼睛7的瞳孔。因此，只需要第二光束20和第三光束22中的每一個(gè)的水平寬度相對(duì)于15mm的出 射光瞳直徑在左側(cè)為6mm并且在右側(cè)為7. 5mm。類似地，只需要第一光束19和第二光束21 中的每一個(gè)的水平寬度相對(duì)于15mm的出射光瞳直徑在左側(cè)為7. 5mm并且在右側(cè)為6mm。在本實(shí)施例中，出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20相互重疊的區(qū)域?yàn)槌?射光瞳的80%的區(qū)域。換句話說，光束19和20以出射光瞳的80%的重疊比相互重疊。在 這種狀態(tài)下，形成完整視角的所有光束被引向眼睛7的瞳孔。因此，不必在分別在第一顯示 元件14和第二顯示元件15上顯示的第一原始圖像23和第二原始圖像24中設(shè)置重疊區(qū)域。 而且，在出射光瞳面上第二光束21和第三光束22相互重疊的區(qū)域也為出射光瞳的80%的 區(qū)域，并且，不必在分別在第二顯示元件15和第三顯示元件16上顯示的第二原始圖像24 和第三原始圖像25中設(shè)置重疊區(qū)域。換句話說，在被觀察的放大合成圖像26形成為使得 第一到第三原始圖像23 25的邊緣如圖7所示相互接合的情況下，如圖所示不必在第一 到第三原始圖像23 25中設(shè)置重疊區(qū)域。在本實(shí)施例以及實(shí)施例1和實(shí)施例2中，由于沒有在每個(gè)原始圖像中設(shè)置重疊區(qū) 域，因此能夠有效地利用每個(gè)顯示元件的顯示區(qū)域，這增加了每個(gè)顯示元件的圖像信息呈 現(xiàn)效率。此外，雖然在相同像點(diǎn)上的光束的重疊是當(dāng)眼睛7轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)觀察到連續(xù)(無縫)放 大合成圖像所必需的，但是，上述的減小重疊比使得能夠減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。在實(shí)施例3中，在光束應(yīng)進(jìn)入眼睛7的瞳孔的至少一半?yún)^(qū)域的條件下，計(jì)算光學(xué)系 統(tǒng)的出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重疊比以及第二光束21和第三光束22 的重疊比。但是，可以使用光束應(yīng)進(jìn)入眼睛7的瞳孔的75%或更大區(qū)域的條件。這種光束 應(yīng)進(jìn)入瞳孔的更大的區(qū)域使得能夠觀察更亮的放大合成圖像，并使得能夠補(bǔ)償眼睛的位置 相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的間隙。
在這種情況下，當(dāng)假定眼睛的瞳孔的半徑為2mm時(shí)，觀察30度的左側(cè)最大視角 的方向的眼睛的瞳孔的75%位置位于從觀察0度的視角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左 6. 9mm遠(yuǎn)的位置。因此，只需要將第一光束和第二光束的重疊比設(shè)為出射光瞳的大約92%。 這同樣適用于第二光束和第三光束的重疊比。以下描述將出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重疊比以及第二光束21 和第三光束22的重疊比設(shè)為預(yù)定值的方法。如圖9所示，在第一顯示元件14和光學(xué)元件 17之間設(shè)置孔徑光闌(遮光元件)64，并且，在第二顯示元件15和光學(xué)元件17之間設(shè)置擋 板(遮光元件)65和擋板66。并且，在第三顯示元件16和光學(xué)元件17之間設(shè)置孔徑光闌 67。圖IOA示出從第一顯示元件側(cè)觀察時(shí)的孔徑光闌64的形狀，圖IOB和圖IOC分別 示出從第二顯示元件側(cè)觀察時(shí)的擋板65和66的形狀。圖IOD示出從第三顯示元件側(cè)觀察 時(shí)的孔徑光闌67的形狀。在孔徑光闌64的光通過區(qū)域(圖中的白色區(qū)域)中，右側(cè)部分相對(duì)于出射光瞳的 形狀變窄，以限制第一光束19通過的區(qū)域。在孔徑光闌67的光通過區(qū)域中，左側(cè)部分相對(duì) 于出射光瞳的形狀變窄，以限制第三光束22通過的區(qū)域。此外，擋板65使第二光束20通過的區(qū)域的左側(cè)部分變窄，并且，擋板66使第二光 束21通過的區(qū)域的右側(cè)部分變窄。在該方法中，沿第一光束19的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)孔徑光闌64以及沿第 二光束20的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)擋板65使得能夠改變出射光瞳面上的第一光束19 和第二光束20的重疊比。類似地，沿第二光束21的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)擋板66以 及沿第三光束22的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)孔徑光闌67使得能夠改變出射光瞳面上的 第二光束21和第三光束22的重疊比。以下描述將出射光瞳面上的第一光束19和第二光束20的重疊比以及第二光束21 和第三光束22的重疊比設(shè)為預(yù)定值的另一方法。該方法限制光學(xué)元件17的半透半反鏡表 面的有效區(qū)域。在該方法中，沿光軸方向改變光學(xué)元件17和目鏡18之間的距離使得能夠 改變重疊比。另外，可通過使用上述的兩種方法的組合將重疊比設(shè)為預(yù)定值。這種可變的 重疊比提供與實(shí)施例2類似的效果。在光學(xué)元件17的整個(gè)表面形成為半透半反鏡的情況下，必須考慮來自第一顯示 元件14的第一光束19和來自第三顯示元件16的第三光束22的透射過光學(xué)元件17的光 束分量的影響。從第一顯示元件14射出并且透射過光學(xué)元件17的光束分量再次透射過光 學(xué)元件17，并然后被第三顯示元件16反射以變成幻像。幻像被觀察者觀察到。這同樣適用 于從第三顯示元件16射出并透射過光學(xué)元件17的光束分量。因此，必須防止從第一顯示 元件14和第三顯示元件16射出的光束分量透射過光學(xué)元件17。因此，希望如圖9所示對(duì)于光學(xué)元件17的眼睛側(cè)表面的相對(duì)表面的非透射區(qū)域設(shè) 置涂黑的遮光元件72和73，非透射區(qū)域是來自第二顯示元件15的光束透過的區(qū)域以外的 區(qū)域。雖然實(shí)施例3描述了光學(xué)系統(tǒng)將水平視角分成三個(gè)視角的情況，但是可以使用將 垂直視角分成三個(gè)視角的光學(xué)系統(tǒng)。而且，實(shí)施例3中的光學(xué)系統(tǒng)可包含設(shè)置在第二顯示 元件15和光學(xué)元件17之間以使光學(xué)系統(tǒng)中的光路折疊的反射面以減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。
11在這種情況下，第二顯示元件15被設(shè)置在比圖9的紙面所示的位置更近或更遠(yuǎn)的位置。〔實(shí)施例4〕下面描述在第四實(shí)施例(實(shí)施例4)和隨后的實(shí)施例中使用的子午截面、弧矢截 面、局部子午截面和局部弧矢截面的定義。在不對(duì)應(yīng)于本實(shí)施例和隨后的實(shí)施例的偏心系 統(tǒng)的常規(guī)系統(tǒng)中的定義中，當(dāng)將表面頂點(diǎn)坐標(biāo)系的ζ軸定義為光軸時(shí)，y-ζ截面對(duì)應(yīng)于常規(guī) 的子午截面，并且，χ-ζ截面對(duì)應(yīng)于常規(guī)的弧矢截面。由于本實(shí)施例和隨后的實(shí)施例的光學(xué) 系統(tǒng)是偏心光學(xué)系統(tǒng)，因此，局部子午截面和局部弧矢截面被重新定義如下。局部子午截面被定義為這樣的平面(截面)，即包含中心視角主光線(即，從顯示 元件上顯示的原始圖像的中心射出并然后到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的中心的光線)在各 表面上的擊中(hit)點(diǎn)，并且還包含中心視角主光線的入射光線部分和出射光線部分。局 部弧矢截面被定義為包括該擊中點(diǎn)、與局部子午截面正交并且與表面頂點(diǎn)坐標(biāo)系中的常規(guī) (通常)弧矢截面平行的平面(截面)。圖11示出作為本發(fā)明的實(shí)施例4的HMD(圖像顯示裝置)。本實(shí)施例的HMD將來 自針對(duì)沿作為光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面的方向的垂直方向分割成的兩個(gè)視角設(shè)置的兩個(gè)顯示 元件1和2的光束引向其出射光瞳。本實(shí)施例中的“偏心截面”是這樣的截面，即在該截面上，中心視角主光線的光路 通過在半透半反鏡表面S3和反射鏡表面S5'上的反射轉(zhuǎn)向，該截面對(duì)應(yīng)于圖11所示的截 面。這同樣適用于隨后的實(shí)施例。本實(shí)施例在與光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面對(duì)應(yīng)的局部子午截面中分割視角，這使得能夠 減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸和厚度。如圖11所示，本實(shí)施例在第一光學(xué)元件30和第二光學(xué)元件31中的每一個(gè)中設(shè)置 多個(gè)偏心反射曲面以折疊來自第一顯示元件1和第二顯示元件2中的每一個(gè)的光路，這使 得與實(shí)施例1 3相比能夠進(jìn)一步減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。而且，使用偏心反射曲面使得能 夠在增加光學(xué)系統(tǒng)的光焦度的同時(shí)減少表面的數(shù)量，這可更加有效地減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸 和厚度。在本實(shí)施例和隨后的實(shí)施例中，以與光束從顯示元件1和2射出并然后到達(dá)光學(xué) 系統(tǒng)的出射光瞳的原始次序相反的次序(即，以逆向光線追蹤的次序)添加附圖標(biāo)記。在圖11中，第一光學(xué)元件30和第二光學(xué)元件31中的每一個(gè)由作為內(nèi)部填充有諸 如玻璃或塑料的折射率大于1的光學(xué)介質(zhì)的透明部件的棱鏡構(gòu)成。第一光學(xué)元件30具有三 個(gè)表面S2(S4)、S3和S5。第二光學(xué)元件31具有三個(gè)表面S4' (S6' )、S5'和S7'。表 面S2和表面S4形成為同一表面，并且，表面S4'和表面S6'形成為同一表面。表面SI和 表面SI'是第一顯示元件1和第二顯示元件2的顯示表面，并且，附圖標(biāo)記Sl表示出射光
從在第一顯示元件1上顯示的第一原始圖像34射出的第一光束32通過表面S5 進(jìn)入第一光學(xué)元件30，被表面S4和表面S3反射，然后通過表面S2從第一光學(xué)元件30離開 以被引向眼睛(出射光瞳Si)。從在第二顯示元件2上顯示的第二原始圖像35射出的第二 光束33通過表面S7'進(jìn)入第二光學(xué)元件31，被表面S6'和表面S5'反射，并然后通過表 面S4'從第二光學(xué)元件31離開。然后，第二光束33通過表面S4'和表面S3之間的空氣 層，通過表面S3進(jìn)入第一光學(xué)元件30，然后通過表面S2離開第一光學(xué)元件30以被引向眼睛(出射光瞳Si)。希望第一光學(xué)元件30的表面S4上的反射和第二光學(xué)元件31的表面S6'上的反 射為每個(gè)棱鏡內(nèi)的內(nèi)部全反射。這種內(nèi)部全反射減少光量損失，以使得能夠呈現(xiàn)明亮的放 大合成圖像36。在來自第一顯示元件1的第一光束32和來自第二顯示元件2的第二光束33中， 被引向放大合成圖像36中的相同點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖12所示在出射光瞳面上 相互重疊。在出射光瞳面上，第一光束32形成出射光瞳的上部區(qū)域，并且第二光束33形成 出射光瞳的下部區(qū)域。另外，第一光束32和第二光束33在出射光瞳的中心區(qū)域中相互重疊。以下描述光學(xué)系統(tǒng)將38度的垂直視角分割成兩個(gè)視角并且出射光瞳的垂直寬度 (直徑)為9. 6mm的情況。在該光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為12mm時(shí)，觀察19度的上 部最大視角的方向的眼睛的瞳孔的中心相對(duì)于觀察0度的視角的方向的眼睛的瞳孔的中 心向上移動(dòng)3. 9mmο在這種狀態(tài)下，如果第二光束33被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成與第二顯示 元件2對(duì)應(yīng)的完整視角的所有光線進(jìn)入眼睛的瞳孔的至少一半的區(qū)域。由此，可以實(shí)現(xiàn)這 樣的光學(xué)系統(tǒng)，即通過該光學(xué)系統(tǒng)，形成由與第一顯示元件1和第二顯示元件2對(duì)應(yīng)的視角 構(gòu)成的完整視角的光束(光線)被引向眼睛的瞳孔。因此，只需要第二光束33的垂直寬度相對(duì)于9. 6mm的出射光瞳直徑在上側(cè)為 3. 9mm并且在下側(cè)為4. 8mm。類似地，只需要第一光束32的垂直寬度相對(duì)于9. 6mm的出射 光瞳直徑在上側(cè)為4. 8mm并且在下側(cè)為3. 9mm。在本實(shí)施例中，出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33相互重疊的區(qū)域?yàn)槌?射光瞳的約81% (b/a = 0. 81)的區(qū)域。換句話說，第一光束32和第二光束33以出射光瞳 的約81%的重疊比相互重疊。在這種狀態(tài)下，形成完整視角的光束被引向眼睛的瞳孔。因此，不必在分別在第一顯示元件1和第二顯示元件2上顯示的第一原始圖像34 和第二原始圖像35中設(shè)置重疊區(qū)域。換句話說，在被觀察的放大合成圖像36形成為使得 第一原始圖像34和第二原始圖像35的邊緣如圖11所示相互接合的情況下，如圖所示不必 在第一原始圖像34和第二原始圖像35中設(shè)置重疊區(qū)域。不在第一原始圖像34和第二原始圖像35中設(shè)置重疊區(qū)域使得能夠有效利用每個(gè) 顯示元件的顯示區(qū)域，這增加了每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率。此外，雖然相同像點(diǎn)上的光束的重疊是當(dāng)眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)觀察到連續(xù)(無縫)放大合 成圖像所必需的，但是，上述的減小重疊比使得能夠減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。以下描述將出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33的重疊比設(shè)為預(yù)定值的方 法。如圖13所示，在第一顯示元件1和第一光學(xué)元件30之間設(shè)置擋板(遮光元件)68，并 且，在第二顯示元件2和第二光學(xué)元件31之間設(shè)置擋板69。圖14A表示從第一顯示元件側(cè)觀察時(shí)的擋板68的形狀，圖14B表示從第二顯示元 件側(cè)觀察時(shí)的擋板69的形狀。擋板68限制第一光束32的下部的通過，并且，擋板69限制 第二光束33的上部的通過。在該方法中，沿第一光束32的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)擋 板68以及沿第二光束33的行進(jìn)方向及其相反方向移動(dòng)擋板69使得能夠改變出射光瞳面 上的第一光束32和第二光束33的重疊比。
在第一光學(xué)元件30和第二光學(xué)元件31之間設(shè)置擋板69實(shí)現(xiàn)與上述情況類似的 效果。作為替代方案，第一光學(xué)元件30的表面S5和第二光學(xué)元件31的表面S7 ‘的有效 區(qū)域可被諸如涂黑部件的遮光部件限制。另外，關(guān)于第二光束33，為了將出射光瞳面上的重疊比設(shè)為預(yù)定值，可以限制第二 光學(xué)元件31的表面S5'的有效區(qū)域。而且，可通過使用上述的兩種方法的組合將出射光瞳面上的第一光束32和第二 光束33的重疊比設(shè)為預(yù)定值。這種可變的重疊比可提供與實(shí)施例2和實(shí)施例3類似的效果。在本實(shí)施例中，第一光學(xué)元件30的表面S3由半透半反鏡表面構(gòu)成，以便以相同的 亮度將從第一顯示元件1和第二顯示元件2射出的第一光束32和第二光束33引向出射光 瞳。但是，出射光瞳面上的第一光束32和第二光束33相互重疊的區(qū)域具有為其它區(qū)域的 亮度的兩倍的亮度，因此，希望在第一光束32和第二光束33通過的光路上設(shè)置諸如中性密 度(ND)濾光片的光量減少元件。作為替代方案，可以降低與出射光瞳面上的第一光束32 和第二光束33相互重疊的區(qū)域?qū)?yīng)的兩個(gè)原始圖像的重疊區(qū)域的亮度。此外，將第一光學(xué)元件30和第二光學(xué)元件31的所有表面形成為曲面使得這些表 面有助于光的會(huì)聚、光的發(fā)散或者像差校正，這使得能夠消除光學(xué)系統(tǒng)中的不必要的表面。更優(yōu)選地，第一光學(xué)元件30和第二光學(xué)元件31的所有表面可形成為具有非旋轉(zhuǎn) 對(duì)稱形狀。這增加偏心像差校正的自由度，以使得能夠呈現(xiàn)具有優(yōu)異的圖像質(zhì)量的放大合 成圖像。在這種情況下，將每一非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面形成為相對(duì)于作為唯一對(duì)稱平面的局部子 午截面沿局部弧矢截面的方向的平面對(duì)稱形狀，與不將其形成為這種平面對(duì)稱形狀的情況 相比，優(yōu)選地能夠有利于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面的形成和制造。在設(shè)置擋板或光量減少元件、限制光學(xué)元件的有效區(qū)域以及優(yōu)選將各表面形成為 非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面方面，隨后的實(shí)施例是相同的。表1示出當(dāng)表面S2 S5和表面S4' S7'是其的唯一對(duì)稱平面是圖11的紙面 (y-z截面)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面時(shí)的本實(shí)施例的光學(xué)數(shù)據(jù)?！脖?〕
SURF XYZA RxRyTYPNdVd
10000
20-31 1514. 5841. 031 -0. 0005-0.0005FFSl-I1. 576733.8
30-21, 147. 437-42. 17 -74. 9125-104. 4125FFS2-2-1. 576733.8
40-31 1514. 5841. 031 -0. 0005-0. 0005FFSl-I1. 576733.8
5020.,665ι 27.31544. 899 -14. 879-16.2165 FFS2-3 1
I024.,18S！ 26.75443. 595
4'‘0-15.'9215.476 -■28. 38 -267.9589 --267. 9589FFS1-41. 576733.8
5'‘0-0. 54727. 672 13. 901 -61. 5436 --52. 3869FFS2-5-1. 576733.8
6'‘0-15.'9215.476 -■28. 38 -267.9589 --267. 9589FFS1-41. 576733.8
T‘0-15.,6729. 329-75. 18 -21. 7392-56.7998 FFS2-6 1
Γ 0-19.17 26.177-6876
FFSl-Icl-1. 77E+18c51. 20E-05c63. 32E-04clO2. 99E-06
cll3. 82E-06cl2-4. 37E-08cl3-2. 06E-08cl4-4. 28E-09
c20-1. 21E-10c21-1.75E-10c22-5. 24E-10c231. 15E-11
c243. 46E-12c25 1. 56E-12c26 -2. 33E-12
FFS2-2cx 1-1.04E+02cyl-7. 49E+01c5-1.84E+00c6-5. 24E-01
clO-4. 48E-04cll-3.14E-04cl2-4. 91E-06cl3-4. 66E-06
cl48. 53E-08c201. 29E-07c212. 06E-09c22-6. 10E-12
c231. 43E-09c241. 88E-09c25-3.64E-11c26-2.70E-11
FFS2-3cx 1-2. 65E+00cyl-9. 94E-01c5-7.34E-03c6-3.06E-03
clO1. 91E-04cll4. 56E-04cl24. 57E-06cl31. 88E-06
cl42. 95E-06c20-2.48E-07c21-5.71E-07c22-1. 03E-06
c23-1. 51E-08c249.72E-09c259.19E-09c267. 22E-09
FFS1-4cl4. 07E+01c54. 97E-04c6-7.44E-04clO-8.08E-06
cll2. 02E-06cl21. 21E-07cl3-5.72E-08cl4-5. 25E-08
c202. 78E-10c21-3. 25E-09c226.84E-10c231. 30E-10
c244. 19E-11c25 -3. 24E-11c26 8.40E-12
FFS2-5cx 1-8. 50E-01cyl1. 58E+00c5-1. 58E-04c6-7. 85E-04
clO-1. 41E-05cll-6. 26E-06cl26. 79E-07cl31. 51E-09
cl4-2. 84E-08c20-8. 78E-09c21-2. 26E-09c222. 12E-09
c236. 18E-10c24-3. 03E-10c25-1. 68E-10c26-1. 53E-11
FFS2-6cx 12. 82E-01cyl-2. 28E+01c5-9.04E-03c6-1. 60E-03
clO-1. 13E-04cll-3. 81E-04cl2-1.62E-05cl3-1. 08E-05
cl4-1. 94E-06c203. 78E-07c212. 84E-07c22-2. 22E-07
c235. 28E-08c242. 81E-08c253. 88E-08c261. 82E-08
在表1中，最左側(cè)的項(xiàng)“SURF”代表表面號(hào)，“X” “Y ”、“ Z ”代表在如下這樣的坐標(biāo)系中每個(gè)表面的頂點(diǎn)在χ軸、y軸和ζ軸上的位置，在該坐標(biāo)系中表面Sl的中心被定義為
原點(diǎn)(0，0，0)，并且χ軸、y軸和ζ軸如圖11所示的那樣被定義?！癆”代表在圖11中的逆 時(shí)針方向被定義為正方向時(shí)的圍繞χ軸的傾角(度)?！癛x”代表X軸的方向上的曲率半徑，“Ry”代表y軸的方向上的曲率半徑?！癟YP” 代表表面形狀的類型，“FFS1”表示表面是根據(jù)下列表達(dá)式(1)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面，“FFS2” 表示表面是根據(jù)下列表達(dá)式(2)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面。表達(dá)式(1)FFSl ζ = (l/R)*(X2+y2)/(l+(l-(l+Cl)*(l/R)2*(X2+y2))("2))+c2+c4*y+c5* (x2_y2) +c6* (_l+2*x2+2*y2) +c 10* (_2*y+3*x2*y+3*y3) +c 11* (3*x2*y-y3)+c 12* (x4_6*x2*y2+y4) +c 13* (_3*x2+4*x4+3*y2_4*y4)+cl4*(l-6*x2+6*x4_6*y2+12*x2*y2+6*y4)
+c20* (3*y-12*x2*y+10*x4*y_12*y3+20*x2*y3+10*y5)+c21 氺(一12 氺 χ2 氺 y+15 氺 χ4 氺 y+4 氺 y3+10 氺 χ2 氺 y3_5 氺 y5)+c22* (5*x4*y_10*x2*y3+y5) +c23* (x6_15*x4*y2+15*x2*y4-y6)+c24* (-5*x4+6*x6+30*x2*y2-30*x4*y2-5*y4_30*x2*y4+6*y6)+c25* (6*x2-20*x4+15*x6-6*y2+15*x4*y2+20*y4-15*x2*y4_15*y6)+c26* (-l+12*x2-30*x4+20*x6+12*y2-60*x2*y2+60*x4*y2_30*y4+60*x2*y4+20*y6+· · ·表達(dá)式(2)FFS2 ζ = ((1/Rx) *x2+ (1/Ry) *y2) / (1+ (1_ (1+cxl) * (1/Rx) 2*x2-(1+Cyl)*(l/Ry)2*y2)("2))+c2+c4*y+c5* (x2-y2) +c6 氺(一1+2 氺 x2+2 氺 y2)+c 10 氺(_2 氺 y+3 氺 χ2 氺 y+3 氺 y3) +c 11氺(3 氺 χ2 氺 y_y3)+cl 2* (x4_6*x2*y2+y4) +c 13* (_3*x2+4*x4+3*y2_4*y4)+cl4*(l-6*x2+6*x4_6*y2+12*x2*y2+6*y4)+c20* (3*y-12*x2*y+10*x4*y_12*y3+20*x2*y3+10*y5)+c21 氺(一12 氺 χ2 氺 y+15 氺 χ4 氺 y+4 氺 y3+10 氺 χ2 氺 y3_5 氺 y5) +c22* (5*x4*y_10*x2*y3+y5) +c23* (x6_15*x4*y2+15*x2*y4-y6)+c24* (-5*x4+6*x6+30*x2*y2-30*x4*y2-5*y4_30*x2*y4+6*y6)+c25*(6*x2-20*x4+15*x6-6*y2+15*x4*y2+20*y4-15*x2*y4_15*y6)+c26*(-l+12*x2-30*x4+20*x6+12*y2-60*x2*y2+60*x4*y2_30*y4+60*x2*y4+20*y6) +...“TYP”列中的寫在“FFS1”或“FFS2”后面的數(shù)值表示表面形狀是與在該表的下部 書寫的非球面系數(shù)ci對(duì)應(yīng)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱形狀。“Nd”和“vd”(在表1中寫為vd)分別代表 表面后面的介質(zhì)對(duì)于d線的折射率和Abbe常數(shù)。折射率Nd的符號(hào)的變化表示光在該表面 被反射。當(dāng)介質(zhì)是空氣時(shí)，僅折射率Nd被寫為1?！癊士M”意味著“X10±M”。在本實(shí)施例中，出射光瞳具有橢圓形狀，其沿垂直方向的短軸具有9. 6mm的長(zhǎng)度， 并且其沿水平方向的長(zhǎng)軸具有12mm的長(zhǎng)度。第一顯示元件1和第二顯示元件2中的每一 個(gè)中的顯示原始圖像的顯示區(qū)域具有約0.57英寸(12.8mmX6.6mm)的對(duì)角尺寸。本實(shí)施 例中的光學(xué)系統(tǒng)是這樣的顯示光學(xué)系統(tǒng)，即該顯示光學(xué)系統(tǒng)以50度的水平視角和38度的 垂直視角在ζ軸上的沿正方向的無限遠(yuǎn)位置處顯示放大合成圖像36。在本實(shí)施例中，分別通過兩個(gè)顯示元件1和2顯示完整垂直視角的兩個(gè)19度垂直 視角，另一方面，由于水平視角未被分割，因此通過顯示元件1和2中的每一個(gè)顯示50度水 平視角?！矊?shí)施例5〕圖15示出作為本發(fā)明的第五實(shí)施例(實(shí)施例5)的HMD(圖像顯示裝置)。如實(shí) 施例4那樣，本實(shí)施例的HMD將來自針對(duì)沿作為其光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面的方向的垂直方向 分割成的兩個(gè)視角設(shè)置的兩個(gè)顯示元件44和45的光束引向其出射光瞳。但是，在本實(shí)施 例中，分別與兩個(gè)顯示元件44和45對(duì)應(yīng)的上部視角和下部視角在尺寸上彼此不同。具體來說，與第一顯示元件44對(duì)應(yīng)的上部視角為29度，與第二顯示元件45對(duì)應(yīng)的下部視角為9度。附圖標(biāo)記37和38分別表示第一光學(xué)元件和第二光學(xué)元件，每個(gè)光學(xué)元件形成為 棱鏡。第一光學(xué)元件37具有三個(gè)表面S2(S4)、S3和S5。第二光學(xué)元件38具有三個(gè)表面 S4' (S6' )、S5'和S7'。表面S2和表面S4形成為同一表面，并且，表面S4'和表面S6' 形成為同一表面。表面SI和表面SI'是第一顯示元件44和第二顯示元件45的顯示表面。 附圖標(biāo)記Sl表示出射光瞳。圖15示出偏心截面。本實(shí)施例中的光路和光學(xué)作用與實(shí)施例 4中的那些類似。希望第一光學(xué)元件37的表面S4上的反射和第二光學(xué)元件38的表面S6'上的反 射為各棱鏡內(nèi)的內(nèi)部全反射。這種內(nèi)部全反射減少光量損失，以使得能夠呈現(xiàn)明亮的放大 合成圖像43。在來自第一顯示元件44的第一光束39和來自第二顯示元件45的第二光束40中， 被引向放大合成圖像43中的相同點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖16所示在出射光瞳面上 相互重疊。在出射光瞳面上，第一光束39形成出射光瞳的上部區(qū)域，并且第二光束40形成 出射光瞳的下部區(qū)域。另外，第一光束39和第二光束40在出射光瞳的中心區(qū)域中相互重疊。如上所述，本實(shí)施例向第一顯示元件44分配38度的完整垂直視角中的29度的上 部視角，并且向第二顯示元件45分配其的9度的下部視角。出射光瞳的垂直寬度(直徑) 為 9. 6mmο在本光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為12mm時(shí)，觀察19度的上部最大視角的方向 的眼睛的瞳孔的中心相對(duì)于觀察0度的視角的方向的眼睛的瞳孔的中心向上移動(dòng)3. 9mm。 在這種狀態(tài)下，如果第二光束40被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成與第二顯示元件45對(duì) 應(yīng)的完整視角的所有光線進(jìn)入眼睛的瞳孔的至少一半的區(qū)域。由此，可以實(shí)現(xiàn)這樣的光學(xué) 系統(tǒng)，即通過該光學(xué)系統(tǒng)，形成由與第一顯示元件44和第二顯示元件45對(duì)應(yīng)的視角構(gòu)成的 完整視角的光束(光線)被引向眼睛的瞳孔。因此，只需要第二光束40的垂直寬度相對(duì)于9. 6mm的出射光瞳直徑在上側(cè)為 3. 9mm并且在下側(cè)為4. 8mm。類似地，只需要第一光束39的垂直寬度相對(duì)于9. 6mm的出射 光瞳直徑在上側(cè)為4. 8mm并且在下側(cè)為3. 9mm。在本實(shí)施例中，出射光瞳面上的第一光束39和第二光束40相互重疊的區(qū)域?yàn)槌?射光瞳的約81% (b/a = 0. 81)的區(qū)域。換句話說，第一光束39和第二光束40以出射光瞳 的約81%的重疊比相互重疊。在這種狀態(tài)下，形成完整視角的光束被引向眼睛的瞳孔。因此，不必在分別在第一顯示元件44和第二顯示元件45上顯示的第一原始圖像 41和第二原始圖像42中設(shè)置重疊區(qū)域。換句話說，在被觀察的放大合成圖像43形成為使 得第一原始圖像41和第二原始圖像42的邊緣如圖15所示相互接合的情況下，如圖所示不 必在第一原始圖像41和第二原始圖像42中設(shè)置重疊區(qū)域。不在第一原始圖像41和第二原始圖像42中設(shè)置重疊區(qū)域使得能夠有效利用每個(gè) 顯示元件的顯示區(qū)域，這增加了每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率。此外，雖然相同像點(diǎn)上的光束的重疊對(duì)于當(dāng)眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)觀察到連續(xù)(無縫)放大 合成圖像是必需的，但是，上述的減小重疊比使得能夠減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。
如上面描述的那樣區(qū)分向第一顯示元件44和第二顯示元件45分配的視角的大小 使得即使稍微增加第一光學(xué)元件37的尺寸也能夠減小第二光學(xué)元件38的尺寸，這使得能 夠減小整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的厚度。而且，這樣分割的視角的大小的任意設(shè)定使得能夠區(qū)分顯示 元件44和45的尺寸，這增加了選擇使用的顯示元件的自由度。此外，由于與各原始圖像對(duì) 應(yīng)的放大圖像的邊界部分的接合線沒有位于放大合成圖像43的中心，因此，對(duì)于觀察放大 合成圖像43的中心部分的觀察者而言，邊界部分不明顯。表2示出當(dāng)表面S2 S5和表面S4' S7'是球面時(shí)的本實(shí)施例的光學(xué)數(shù)據(jù)。球 面由“ TYP，，列中的“ SPH”表示。〔表2〕SURF XYZARTYPNdVd
10000
20-15206. 2-850SPH1. 492257. 5
30-2213. 75-42-60SPH-1. 492257. 5
40-15206. 2-850SPH1. 492257. 5
5015. 527. 560-100SPH1
I0202655
4，0-2217. 5-25-650SPH1. 492257. 5
5，01024. 526-60SPH-1. 492257. 5
6，0-2217. 5-25-650SPH1. 492257. 5
7，0-1529. 25-70-45SPH1雖然每個(gè)表面在本實(shí)施例中形成為球面，但是每個(gè)表面可如實(shí)施例4那樣形成為 非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面。在本實(shí)施例中，出射光瞳具有橢圓形狀，其沿垂直方向的短軸具有9. 6mm的長(zhǎng)度， 并且其沿水平方向的長(zhǎng)軸具有12mm的長(zhǎng)度。第一顯示元件44中的顯示原始圖像的顯示區(qū) 域具有約0.84英寸(19mmX19.8mm)的對(duì)角尺寸，并且，第二顯示元件45中的顯示區(qū)域具 有約0.59英寸(14.7mmX2.7mm)的對(duì)角尺寸。本實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)是這樣的顯示光學(xué) 系統(tǒng)，即該顯示光學(xué)系統(tǒng)以50度的水平視角和40度的垂直視角在ζ軸上的沿正方向的無 限遠(yuǎn)位置處顯示放大合成圖像43。在本實(shí)施例中，垂直視角被分成將通過兩個(gè)顯示元件44和45顯示的29度視角和 9度視角，另一方面，由于水平視角不被分割，因此通過顯示元件44和45中的每一個(gè)顯示 50度水平視角?！矊?shí)施例6〕圖17示出作為本發(fā)明的第六實(shí)施例(實(shí)施例6)的HMD(圖像顯示裝置)。本實(shí)施 例的HMD將來自針對(duì)沿作為光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面方向的水平方向分割成的兩個(gè)視角設(shè)置 的兩個(gè)顯示元件的光束引向光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳。附圖標(biāo)記46、47、48分別表示第一光學(xué)元件、第二光學(xué)元件和第三光學(xué)元件，每個(gè) 光學(xué)元件形成為棱鏡。第一光學(xué)元件46具有三個(gè)表面S2(S4)、S3和S5。第二光學(xué)元件47 具有三個(gè)表面S4' (S6' )、S5'和S7'。第三光學(xué)元件48具有三個(gè)表面，包括與第一光 學(xué)元件46接合的表面S3、與第一光學(xué)元件46的表面S2連續(xù)的表面(S2)和表面S3'。表
18面S2和表面S4形成為同一表面，并且，表面S4'和表面S6'形成為同一表面。附圖標(biāo)記 1和2分別表示第一顯示元件和第二顯示元件。表面SI和表面SI'分別是第一顯示元件 1和第二顯示元件2的顯示表面。附圖標(biāo)記Sl表示出射光瞳。從在第一顯示元件1上顯示的第一原始圖像51射出的第一光束49通過表面S5 進(jìn)入第一光學(xué)元件46，被表面S4和表面S3反射，并然后通過表面S2離開第一光學(xué)元件46 以被引向眼睛(出射光瞳Si)。從在第二顯示元件2上顯示的第二原始圖像52射出的第二 光束50通過表面S7'進(jìn)入第二光學(xué)元件47，被表面S6'和表面S5'反射，并然后通過表 面S4'離開第二光學(xué)元件47。然后，第二光束50通過表面S4'和表面S3'之間的空氣層，并然后通過表面S3' 進(jìn)入第三光學(xué)元件48。進(jìn)入第三光學(xué)元件48的第二光束50的一部分通過表面S3進(jìn)入第 一光學(xué)元件46，并然后通過表面S2從第一光學(xué)元件46離開以被引向眼睛(出射光瞳Si)。 進(jìn)入第三光學(xué)元件48的第二光束50的另一部分通過表面S2從第三光學(xué)元件48離開以被 引向眼睛(出射光瞳Si)而沒有進(jìn)入第一光學(xué)元件46。希望第一光學(xué)元件46的表面S4上的反射和第二光學(xué)元件47的表面S6'上的反 射為每個(gè)棱鏡內(nèi)的內(nèi)部全反射。這種內(nèi)部全反射減少了光量損失，以使得能夠呈現(xiàn)明亮的 放大合成圖像53。在來自第一顯示元件1的第一光束49和來自第二顯示元件2的第二光束50中， 被引向放大合成圖像53中的相同點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖18所示在出射光瞳面上 相互重疊。在出射光瞳面上，第一光束49形成出射光瞳的左側(cè)區(qū)域，并且第二光束50形成 出射光瞳的右側(cè)區(qū)域。另外，第一光束49和第二光束50在出射光瞳的中心區(qū)域中相互重疊。以下描述光學(xué)系統(tǒng)將50度的水平視角分割成兩個(gè)視角并且出射光瞳的水平寬度 (直徑)為12mm的情況。在該光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為12mm時(shí)，觀察25度的左側(cè) 最大視角的方向的眼睛的瞳孔的中心相對(duì)于觀察0度的視角的方向的眼睛的瞳孔的中心 向左移動(dòng)5. 1mm。在這種狀態(tài)下，如果第二光束50被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成與第二顯示 元件2對(duì)應(yīng)的完整視角的所有光線進(jìn)入眼睛的瞳孔的至少一半的區(qū)域。由此，可以實(shí)現(xiàn)這 樣的光學(xué)系統(tǒng)，即通過該光學(xué)系統(tǒng)，形成由與第一顯示元件1和第二顯示元件2對(duì)應(yīng)的視角 構(gòu)成的完整視角的光束(光線)被引向眼睛的瞳孔。因此，只需要第二光束50的水平寬度相對(duì)于12mm的出射光瞳直徑在左側(cè)為5. Imm 并且在右側(cè)為6mm。類似地，只需要第一光束49的水平寬度相對(duì)于12mm的出射光瞳直徑在 左側(cè)為6mm并且在右側(cè)為5. 1mm。在本實(shí)施例中，在偏心截面中在出射光瞳面上第一光束49和第二光束50相互重 疊的區(qū)域?yàn)槌錾涔馔募s85% (b/a = 0. 85)的區(qū)域。換句話說，第一光束49和第二光束 50以出射光瞳的約85%的重疊比相互重疊。在這種狀態(tài)下，形成完整視角的光束被引向眼 睛的瞳孔。因此，不必在分別在第一顯示元件1和第二顯示元件2上顯示的第一原始圖像51 和第二原始圖像52中設(shè)置重疊區(qū)域。換句話說，在被觀察的放大合成圖像53形成為使得 第一原始圖像51和第二原始圖像52的邊緣如圖17所示相互接合的情況下，如圖所示不必
19在第一原始圖像51和第二原始圖像52中設(shè)置重疊區(qū)域。不在第一原始圖像51和第二原始圖像52中設(shè)置重疊區(qū)域使得能夠有效利用每個(gè) 顯示元件的顯示區(qū)域，這增加了每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率。此外，雖然相同像點(diǎn)上的光束的重疊對(duì)于當(dāng)眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)觀察到連續(xù)(無縫)放大 合成圖像是必需的，但是，上述的減小重疊比使得能夠減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。在本實(shí)施例中，第一光學(xué)元件46的表面S3由半透半反鏡表面構(gòu)成，并且，第三光 學(xué)元件48的表面S2具有50%的透射率，以便以相同的亮度將來自第一顯示元件1和第二 顯示元件2的第一光束49和第二光束50引向出射光瞳。但是，出射光瞳面的第一光束49 和第二光束50相互重疊的區(qū)域具有比其它區(qū)域的亮度高的亮度，并因此希望如實(shí)施例4那 樣在光路上設(shè)置光量減少元件或降低兩個(gè)原始圖像的重疊區(qū)域的亮度。表3示出當(dāng)表面S2 S5和表面S3' S7'是其的唯一對(duì)稱平面是圖17的紙面 (y-z截面)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面時(shí)的本實(shí)施例的光學(xué)數(shù)據(jù)?！脖?〕
SURF XYZARxRy TYPNdvd
1 0000
2 0-29. 2819. 9441.005-797. 8534-797.8534 FFSl-I1.570933.8
3 0-20. 736. 808-49. 66 -54. 4632-67.6612 FFS2-2-1 5709 33. 8
4 0-29. 2819. 9441.005-797. 8534-797.8534 FFSl-I1.570933.8
5 022. 599 30. 90362.518 -19.8002-25.6133 FFS2-3 1
I 025.815 28.69753.192
3' 0-37. 219. 799-33.78 -79.0394-66.936 FFS2-41
4' 0-17. 8220.448 -19. 82-461.4041 --461.4041 FFS1-51. 570933.8
5' 05. 65828. 708 23. 08-61.4011 --65.9939 FFS2-6-1.570933.8
6' 0-17. 8220.448 -19. 82-461.4041 --461.4041 FFS1-51. 570933.8
T 0-22. 9729.551-74.22 -27.8292-55.5115 FFS2-71
Γ 0-28.2228.347-57.27
FFSl-Icl1. 77E+02c5-3.77E-05c6-1. 84E-04clO4.26E-08
cll-4.34E-06cl26.17E-08cl3-2.91E-09cl4-697E-09
c20-9.56E-11c21-1.31E-11c227. 44E-10c23-794E-12
c24-3.56E-13c251. 27E-12c26-1. 25E-12
FFS2-2cxl-6.77E+01cyl-5. 45E+01c5-3. 96E-01c65.20E-02
clO-2.12E-04cll-2. 67E-04cl2-4.77E-06cl3-348E-06
cl45. 16E-08c203. 22E-08c21-2.68E-09c22-820E-11
c234. 11E-10c248.14E-10c25-1.12E-11c26-670E-12
FFS2-3cxl-3. 07E+00cyl-5.60E+00c5-2.81E-03c6-358E-03
clO5. 76E-05cll1. 11E-04cl28.96E-06cl31.52E-06
cl49. 61E-07c203. 38E-08c214. 57E-08c22-159E-08
c231. 34E-08c245. 51E-09c257. 59E-09c261.33E-09
FFS2-4cxl-7. 85E+00cyl-7. 62E-01c51. 85E-03c61.46E-03
clO1. 35E-05cll2. 02E-05cl2-1. 92E-08cl38.78E-08
cl47. 69E-08c207. OOE-IOc212. 19E-09c224.14E-09
c23-2.14E-10c243. 45E-11c252. 71E-11c266.81E-12
FFS1-5cl3. 02E+01c53. 41E-04c6-2. 34E-04clO2.80E-07
cll-6.22E-06cl22. 33E-07cl3-2.57E-08cl41.02E-09
c208.60E-11c21-7. 71E-10c223. 63E-09c236.37E-11
c249.44E-12c25-2. 03E-12c26-1. 72E-12
FFS2-6cxl-2.06E+00cyl2. 80E-01c51. 64E-04c6-3 19E-04
clO5. 52E-06cll-7.54E-07cl25. 85E-08cl32.87E-08
cl4-2. 51E-08c20-6.20E-10c217. 33E-10c22-3 27E-11
c231. 86E-10c244. 53E-12c25-4.07E-11c263.09E-11
FFS2-7cxl-2. 72E+00cyl-4.12E+01c5-3.86E-03c6-2, 83E-03
clO1. 50E-05cll-3.31E-04cl25. 53E-06cl38.77E-07
cl4-1. 65E-06c204. 31E-08c211. 12E-07c22-5.53E-07
c232. 86E-08c24-1· 71E-09c255. 60E-09c263.93E-09在本實(shí)施例中，出射光瞳具有橢圓形狀，其沿垂直方向的短軸具有9. 6mm的長(zhǎng)度， 并且其沿水平方向的長(zhǎng)軸具有12mm的長(zhǎng)度。第一顯示元件1和第二顯示元件2中的每一 個(gè)中的顯示原始圖像的顯示區(qū)域具有約0.59英寸(12mmX9mm)的對(duì)角尺寸。本實(shí)施例中 的光學(xué)系統(tǒng)為這樣的顯示光學(xué)系統(tǒng)，即該顯示光學(xué)系統(tǒng)以50度的水平視角和38度的垂直 視角在ζ軸上的沿正方向的無限遠(yuǎn)位置處顯示放大合成圖像53。在本實(shí)施例中，分別通過兩個(gè)顯示元件1和2顯示完整水平視角的兩個(gè)25度水平 視角，另一方面，由于垂直視角未被分割，因此通過顯示元件1和2中的每一個(gè)顯示38度垂 直視角?！矊?shí)施例7〕圖19表示作為本發(fā)明的第七實(shí)施例(實(shí)施例7)的HMD(圖像顯示裝置)。如同實(shí) 施例6，本實(shí)施例的HMD將來自針對(duì)沿作為其光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面的方向的水平方向分割 成的兩個(gè)視角設(shè)置的兩個(gè)顯示元件的光束引向其出射光瞳。但是，在本實(shí)施例中，在兩個(gè)顯 示元件上顯示的原始圖像具有顯示相同的圖像的重疊區(qū)域。附圖標(biāo)記54、55、56分別表示第一光學(xué)元件、第二光學(xué)元件和第三光學(xué)元件，每個(gè) 光學(xué)元件形成為棱鏡。第一光學(xué)元件54具有三個(gè)表面S2(S4)、S3和S5。第二光學(xué)元件55 具有三個(gè)表面S4' (S6' )、S5'和S7'。第三光學(xué)元件56具有三個(gè)表面，包括與第一光 學(xué)元件54接合的表面S3、與第一光學(xué)元件54的表面S2連續(xù)的表面(S2)和表面S3'。表 面S2和表面S4形成為同一表面，并且，表面S4'和表面S6'形成為同一表面。附圖標(biāo)記 70和71分別表示第一顯示元件和第二顯示元件。表面SI和表面SI'分別是第一顯示元 件70和第二顯示元件71的顯示表面。附圖標(biāo)記Sl表示出射光瞳。光路和光學(xué)作用與實(shí) 施例6的那些相同。 同樣，在本實(shí)施例中，希望第一光學(xué)元件54的表面S4上的反射和第二光學(xué)元件55 的表面S6'上的反射為每個(gè)棱鏡內(nèi)的內(nèi)部全反射。這種內(nèi)部全反射減少了光量損失，以使 得能夠呈現(xiàn)明亮的放大合成圖像61。
在來自第一顯示元件70的第一光束57和來自第二顯示元件71的第二光束58中， 被引向放大合成圖像61中的相同點(diǎn)的部分光束(光束分量)如圖20所示在出射光瞳面上 相互重疊。在出射光瞳面上，第一光束57形成出射光瞳的左側(cè)區(qū)域，并且第二光束58形成 出射光瞳的右側(cè)區(qū)域。另外，第一光束57和第二光束58在出射光瞳的中心區(qū)域中相互重疊。以下描述光學(xué)系統(tǒng)將50度的水平視角分割成兩個(gè)視角并且在第一顯示元件70和 第二顯示元件71上顯示的第一原始圖像59和第二原始圖像60包含對(duì)應(yīng)于6度的視角的 重疊區(qū)域的情況。出射光瞳的水平寬度(直徑)為12mm。在該光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為12mm時(shí)，觀察25度的左側(cè)最大視角的方向 的眼睛的瞳孔的中心相對(duì)于觀察0度的視角的方向的眼睛的瞳孔的中心向左移動(dòng)5. Imm0 在這種狀態(tài)下，如果第二光束58被引向眼睛的瞳孔的中心，那么形成與第二顯示元件71對(duì) 應(yīng)的完整視角的所有光線入射到眼睛的瞳孔的至少一半的區(qū)域。由此，可以實(shí)現(xiàn)形成這樣 的光學(xué)系統(tǒng)，即通過該光學(xué)系統(tǒng)，形成由與第一顯示元件70和第二顯示元件71對(duì)應(yīng)的視角 構(gòu)成的完整視角的光束(光線)被引向眼睛的瞳孔。因此，只需要第二光束58的水平寬度相對(duì)于12mm的出射光瞳直徑在左側(cè)為5. Imm 并且在右側(cè)為6mm。類似地，只需要第一光束57的水平寬度相對(duì)于12mm的出射光瞳直徑在 左側(cè)為6mm并且在右側(cè)為5. 1mm。但是，在本實(shí)施例中，原始圖像包含重疊區(qū)域。因此，在第一顯示元件70上顯示的 第一原始圖像59的重疊區(qū)域中的從0度視角到右側(cè)6度視角的光束被引入觀察左側(cè)最大 視角的方向的眼睛的瞳孔的中心。因此，如果在第二顯示元件71上顯示的第二原始圖像60 的重疊區(qū)域中的從右側(cè)6度視角到右側(cè)25度視角的光束被引入眼睛的瞳孔的中心，那么可 以實(shí)現(xiàn)這樣的光學(xué)系統(tǒng)，即通過該光學(xué)系統(tǒng)，形成完整視角的光束被引入眼睛的瞳孔。在這種情況下，只需要第二光束58的水平寬度對(duì)于12mm的出射光瞳直徑在左側(cè) 為3. 3mm并且在右側(cè)為6mm。類似地，只需要第一光束57的水平寬度相對(duì)于12mm的出射光 瞳直徑在左側(cè)為6mm并且在右側(cè)為3. 3mm。如上所述，在本實(shí)施例中，在分別在第一顯示元件70和第二顯示元件71上顯示的 第一原始圖像59和第二原始圖像60中設(shè)置重疊區(qū)域。因此，將在光學(xué)系統(tǒng)的偏心截面中 在出射光瞳面上的第一光束57和第二光束58的重疊比設(shè)為出射光瞳的約55%使得能夠?qū)?現(xiàn)這樣的光學(xué)系統(tǒng)，即通過該光學(xué)系統(tǒng)，完整視角的光束被引向眼睛的瞳孔。在出射光瞳面 上的第一光束57和第二光束58的重疊比為出射光瞳的約55%的情況下，當(dāng)眼睛向左轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)，如圖21A所示，來自第二顯示元件71的形成右側(cè)淺視角的光束沒有被引向出射光瞳的 左側(cè)邊緣。但是，如圖21B所示，來自在第一顯示元件70上顯示的第一原始圖像59中的重 疊區(qū)域的光束被引向出射光瞳的左側(cè)邊緣。結(jié)果，如圖21C所示，光束被引向出射光瞳的整 個(gè)區(qū)域。而且，在本實(shí)施例中，限制表面S3和S5'的有效區(qū)域使得能夠?qū)⒊錾涔馔嫔系?第一光束57和第二光束58的重疊比設(shè)為預(yù)定值。但是，由于在本實(shí)施例中兩個(gè)原始圖像包 含重疊區(qū)域，因此，如實(shí)施例4那樣設(shè)置擋板或通過諸如涂黑部件的遮光元件限制表面S5 和S7 ‘的有效區(qū)域防止了來自重疊區(qū)域的光束進(jìn)入第一光學(xué)元件54和第二光學(xué)元件55， 這是不希望的。
22
此外，還在本實(shí)施例中，第一光學(xué)元件54的表面S3由半透半反鏡表面構(gòu)成，并且， 第三光學(xué)元件56的表面S2具有50 %的透射率，以便以相同的亮度將來自第一顯示元件70 和第二顯示元件71的第一光束57和第二光束58引向出射光瞳。但是，第一光束57和第 二光束58相互重疊的出射光瞳面的區(qū)域具有比其它區(qū)域的亮度高的亮度，因此，希望如實(shí) 施例4那樣在光路上設(shè)置光量減少元件或降低兩個(gè)原始圖像的重疊區(qū)域的亮度。在本實(shí)施例中，被觀察的放大合成圖像61形成為使得第一原始圖像59和第二原 始圖像60在各重疊區(qū)域(在圖中顯示“B”的區(qū)域)中相互重疊。由于在本實(shí)施例中在兩個(gè) 原始圖像59和60中設(shè)置重疊區(qū)域，因此每個(gè)顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率比實(shí)施例6稍 低。但是，被引向相同像點(diǎn)的光束的重疊比變得比不設(shè)置重疊區(qū)域的情況小，該重疊是當(dāng)眼 睛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)觀察到連續(xù)(無縫)放大合成圖像所必需的。這使得能夠減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。而且，在本實(shí)施例中，在原始圖像中設(shè)置重疊區(qū)域使得能夠通過改變重疊區(qū)域的 尺寸調(diào)整合成的放大圖像的邊界部分處的間隙，該間隙是由于棱鏡的制造誤差或顯示元件 和棱鏡之間的位置偏移導(dǎo)致的。因此，即使光學(xué)系統(tǒng)需要的精度比不設(shè)置重疊區(qū)域的情況 低，本實(shí)施例也可呈現(xiàn)其中與各原始圖像對(duì)應(yīng)的放大圖像的邊界部分中的接合線不明顯的 連續(xù)放大合成圖像。雖然本實(shí)施例描述了重疊區(qū)域具有對(duì)應(yīng)于6度的視角的尺寸的情況，但是，重疊 區(qū)域的尺寸不限于此。但是，放大重疊區(qū)域降低了顯示元件的圖像信息呈現(xiàn)效率，這使得難 以實(shí)現(xiàn)寬的視角。因此，希望重疊區(qū)域的尺寸小，例如，為對(duì)應(yīng)于10度或更小的視角的尺 寸。此外，與重疊區(qū)域?qū)?yīng)的放大合成圖像的區(qū)域具有為其它區(qū)域的亮度的兩倍的亮 度，在出射光瞳面上第一光束57和第二光束58相互重疊的區(qū)域就是如此。因此，希望在第 一光束57和第二光束58到達(dá)與重疊區(qū)域?qū)?yīng)的放大合成圖像的區(qū)域的光路上設(shè)置諸如中 性密度(ND)濾光片的光量減少元件，或者降低兩個(gè)原始圖像的重疊區(qū)域的亮度。表4示出當(dāng)表面S2 S5和表面S3' S7'是其的唯一對(duì)稱平面是圖19的紙面 (y-z截面)的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面時(shí)的本實(shí)施例的光學(xué)數(shù)據(jù)?！脖?〕SURF XYZARxRyTYPNd
10000
20-15..7120-0.067-876. 1563-876.1563FFSl-I 1.570933,
30-23..752. 968-53. 17-44. 8425-58. 3308FFS2-2 -1. 570933,
40-15..7120-0.067-876. 1563-876.1563FFSl-I 1.570933,
5022.739 28.72157. 193 -8. 7152-3.0933 FFS2-3 1
I024.3830. 39948. 538
3，0-24.9714. 225-54. 88-71. 1719-17.2091 FFS2-4 1
4，0-19.1919. 726 -25.03 --63.7117 --63.7117FFS1-5 1.570933.1
5，08. 18125. 267 32. 245 --49.7102 --59.5281FFS2-6 -1.570933.1
6，0-19.1919. 726 -25.03 --63.7117 --63.7117FFS1-5 1.570933.1
7，0-21.6229. 13-65. 86-21. 2751-7.0811 FFS2-7 1
I，0-24.6526. 815-65. 81
FFSl--1cl4. 23E+02c5-2. 76E-03c6-1.63E-03clO-2,.54E-07
cll-1. 73E-05cl21. 72E-07cl3-4.66E-08cl4-2,.77E-08
c20-3. 55E-10c21-5.18E-10c225. 88E-09c23-2,.11E-10
c24-1. 01E-12c258.26E-12c26-7.84E-12
FFS2--2cxl-5. 83E+01cyl-4. 48E+01c5-2. 04E-01c66.21E-02
clO-4.77E-04cll1. 04E-04cl22. 32E-06cl3-1,.50E-05
cl41. 96E-07c20-4. 74E-08c212. 32E-08c227.52E-11
c23-2. 43E-10c241. 11E-09c252. 63E-11c266.64E-13
FFS2--3cxl-1. 26E+01cyl-5. 91E+00c5-3.68E-03c6-2,.35E-03
clO7. 55E-04cll-6.30E-04cl22. 30E-05cl3-2,.38E-05
cl4-1. 90E-06c207. 92E-08c21-7. 79E-07c221.58E-06
c235. 45E-08c24-4. 52E-08c257. 90E-08c26-1,.26E-08
FFS2--4cxl-1.11E+02cyl-6.51E+00c56.20E-03c6-2,.68E-03
clO-6.64E-05cll-2.70E-05cl21. 70E-07cl3-6,.61E-08
cl4-4.24E-07c204. 21E-10c21-2.16E-08c221.71E-09
c237. 38E-10c248.74E-10c25-8.46E-11c269.89E-11
FFSl--5cl-4.27E+01c56.73E-04c6-1.02E-03clO-4,.46E-06
cll-5.93E-05cl24. 62E-07cl37. 68E-09cl4-8,.76E-08
c20-8.34E-10c218.63E-10c22-1.88E-08c23-4,.63E-10
c24-4. 86E-11c25-6.10E-11c262. 01E-12
FFS2--6cxl-1. 24E+00cyl-3. 40E-01c5-7.13E-04c6-1,.39E-03
clO5. 41E-06cll-1.16E-05cl21. 78E-07cl32.58E-08
cl4-2.19E-07c202. 19E-09c211. 66E-09c22-1,.04E-08
c231. 56E-10c24-4. 96E-11c25-1. 60E-11c262.99E-11
FFS2--7cxl-9.48E+00cyl-1. 16E+01c51. 66E-02c6-8,.05E-04
clO1. 57E-04cll1. 43E-04cl2-2.12E-05cl3-1,.97E-05
cl4-7. 86E-06c20-1.22E-07c21-2.97E-07c22-1,.68E-06
c235. 02E-08c244. 48E-09c253. 93E-09c269.93E-09在本實(shí)施例中，出射光瞳具有橢圓形狀，其沿垂直方向的短軸具有9. 6mm的長(zhǎng)度， 并且其沿水平方向的長(zhǎng)軸具有12mm的長(zhǎng)度。第一顯示元件70和第二顯示元件71中的每 一個(gè)中的顯示原始圖像的顯示區(qū)域具有約0.59英寸(12mmX9mm)的對(duì)角尺寸。本實(shí)施例 中的光學(xué)系統(tǒng)是這樣的顯示光學(xué)系統(tǒng)，即該顯示光學(xué)系統(tǒng)以50度的水平視角和38度的垂 直視角在ζ軸上的沿正方向的無限遠(yuǎn)位置處顯示放大合成圖像61。在本實(shí)施例中，兩個(gè)顯示元件70和71分別顯示兩個(gè)31度水平視角，每個(gè)該31度 水平視角包含與50度的完整水平視角的一半對(duì)應(yīng)的25度視角和與重疊區(qū)域?qū)?yīng)的6度的 視角。另一方面，由于垂直視角沒有被分割，因此通過顯示元件70和71中的每一個(gè)顯示38 度的垂直視角。如上所述，每個(gè)實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)能夠以寬的視角呈現(xiàn)放大合成圖像并且即使當(dāng)觀察 者的眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也可抑制圖像缺失的產(chǎn)生的又小又薄的HMD。換句話說，每個(gè)實(shí)施例允許第一光束和第二光束的光束分量在出射光瞳面上重疊，這些光束分量被引向放大合成圖像中 的相同像點(diǎn)。這使得能夠通過消除或減少在顯示元件上顯示的原始圖像的重疊區(qū)域，將形 成完整視角的光束引向觀察者的眼睛(瞳孔)。因此，在每個(gè)實(shí)施例中，圖像信息呈現(xiàn)效率 得到提高，這使得容易地實(shí)現(xiàn)寬的視角。在實(shí)施例2 7中，在出射光瞳面上，被引向放大合成圖像中的相同像點(diǎn)的第一光 束和第二光束的光束分量的重疊比為出射光瞳的95%或更小(更優(yōu)選地為85%或更小、又 更優(yōu)選地為80%或更小)。這使得與出射光瞳面上的重疊比為100%的情況相比，能夠進(jìn)一 步減小光學(xué)系統(tǒng)的厚度。雖然在實(shí)施例2中被描述，但是術(shù)語(yǔ)“出射光瞳面上的重疊比為出 射光瞳的95%或更小”指的是b/a的值為95% (0. 95)或更小，其中a代表出射光瞳沿分割 視角的方向的寬度，b代表光束分量相互重疊的區(qū)域的寬度。而且，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，并且，在不背離本發(fā)明的范圍的條件下可以做出 各種變化和修改。
權(quán)利要求
一種圖像顯示裝置，包括第一顯示元件(101)，被配置為顯示第一原始圖像(111)；第二顯示元件(102)，被配置為顯示第二原始圖像(112)；和光學(xué)系統(tǒng)(104，105，6)，被配置為通過來自第一顯示元件(101)的第一光束(108)和來自第二顯示元件(102)的第二光束(109)向觀察者呈現(xiàn)所述第一原始圖像和所述第二原始圖像的放大合成圖像(113)，其中，所述光學(xué)系統(tǒng)包含至少一個(gè)反射面(104，105)，并且，其中，當(dāng)在其上所述第一光束和所述第二光束的光路通過所述反射面處的反射而轉(zhuǎn)向的光學(xué)系統(tǒng)的截面被定義為偏心截面時(shí)，所述第一原始圖像和所述第二原始圖像在偏心截面中與相互不同的視角對(duì)應(yīng)，其特征在于，分別被包含于第一光束和第二光束中并被引向放大合成圖像(113)中的相同像點(diǎn)的光束分量在所述光學(xué)系統(tǒng)(104，105，6)的出射光瞳面上相互重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像顯示裝置，其中，所述反射面(104，105)是偏心反射曲面，并且， 其中，所述偏心反射曲面的局部子午截面與所述偏心截面一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像顯示裝置，其中，所述第一原始圖像(111)和所述第二原始圖像(112)不包含相同的原始圖像部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的圖像顯示裝置，其中，被引向相同像點(diǎn)的光束分量以所述光學(xué)系統(tǒng)(104，105，6)的出射光瞳的95%或更小的重疊比相互重疊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圖像顯示裝置，該圖像顯示裝置包括分別顯示第一和第二原始圖像(111、112)的第一和第二顯示元件(101、102)，和通過來自第一和第二顯示元件的第一和第二光束(108、109)呈現(xiàn)第一和第二原始圖像的放大合成圖像(113)的光學(xué)系統(tǒng)(104、105、6)。光學(xué)系統(tǒng)包含至少一個(gè)反射表面(104、105)。當(dāng)在其上第一和第二光束的光路通過反射表面上的反射而轉(zhuǎn)向的光學(xué)系統(tǒng)的截面被定義為偏心截面時(shí)，第一和第二原始圖像在偏心截面中與不同的視角對(duì)應(yīng)。分別包含于第一和第二光束中并被引向放大合成圖像中的相同像點(diǎn)的光束分量在出射光瞳面上相互重疊。
文檔編號(hào)G02B27/01GK101893760SQ20101017817
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18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(qǐng)人:佳能株式會(huì)社