CN101900880A - 头戴式图像显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新颖的头戴式图像显示设备，其能够通过多画面方式以良好的可视性显示大量信息，而不会削弱设备的灵活性。该设备包括：多个目镜光学单元25Ru、25Rd，所述多个目镜光学单元25Ru、25Rd分别向相应的眼球发出待显示的图像光；以及头戴式单元11，所述头戴式单元11用于支撑所述多个目镜光学单元25Ru、25Rd并且可拆装地安装到观察者头部。所述头戴式单元11在安装到观察者头部的状态下支撑所述多个目镜光学单元25Ru、25Rd，使得各个目镜光学单元25Ru、25Rd的发光轴基本穿过相应眼球的眼球转动中心，并且当由于眼球转动而使一个目镜光学单元的发光轴穿过其相应眼球的瞳孔时，另一目镜光学单元的发光轴不会穿过其相应眼球的瞳孔。

Description

头戴式图像显示设备

技术领域

本发明涉及一种头戴式图像显示设备，具体地说，涉及一种能够显示多个画面的新颖的头戴式图像显示设备。

背景技术

本申请要求2008年12月18日提交的日本专利申请No.2008-322524的优先权，此处以引证的方式并入其全部内容。

作为常规的头戴式图像显示设备，已经提出了能够移动使用的设备(如耳机式设备和眼镜式设备)(如JP2003-502713A和JP2006-003879A)。

图16是示出一种常规的头戴式图像显示设备的示意性结构图，其中图16(a)为前视图，图16(b)为侧视图，图16(c)为俯视图。这种头戴式图像显示设备100适用于左眼，并具有被保持在观察者M左耳上的耳机式头部支撑单元101，以及通过中间单元102和支撑单元103连接到头部支撑单元101从而被保持在观察者M左眼视野内的杆状导光单元104。杆状导光单元104具有连接到与支撑单元103相对的端部的目镜光学单元105。而且，用于显示待观察图像的显示元件(未示出)(例如液晶显示元件和有机电致发光显示元件)被置于头部支撑单元101、中间单元102或支撑单元103内部，使得显示在所述显示元件上的图像的图像光能够通过杆状导光单元104从目镜光学单元105发出。上述结构可以被修改以颠倒左右，以供右眼使用。

如图16所示的头戴式图像显示设备100被构造为通过如下方式使得观察者观察到显示元件(未示出)上所显示图像的放大虚像：在头部支撑单元101被支撑在观察者M的左耳上的状态下，让观察者M目光穿过目镜光学单元105，使得从目镜光学单元105发出的图像光入射到观察者M的左眼瞳孔，即，使左眼视轴与目镜光学单元105的发光轴基本重合。

图17是示出一种常规的眼镜型头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。这种头戴式图像显示设备110与眼镜相结合，适用于右眼，并具有杆状导光单元115，该杆状导光单元115通过支撑单元112和支撑单元113而保持在眼镜的镜框111上，从而处于观察者M右眼视野内并靠近右眼镜片114的前端。杆状导光单元115具有连接到与支撑单元113相对的端部的目镜光学单元116。而且，用于显示待观察图像的显示元件(未示出)(例如液晶显示元件和有机电致发光显示元件)被安装在镜框111、支撑单元112或支撑单元113内，使得显示在所述显示元件上的图像的图像光能够通过杆状导光单元115从目镜光学单元116发出。

如图17所示的头戴式图像显示设备110被设计成当观察者佩戴镜框111时，使得从目镜光学单元116发出的图像光通过右眼镜片114入射到观察者的右眼瞳孔。因此，观察者可以通过如下方式观察到显示元件(未示出)上所显示图像的放大虚像：佩戴镜框111并使目光穿过目镜光学单元116，即，使右眼视轴与目镜光学单元116的发光轴基本重合。

此外，作为眼镜型头戴式图像显示设备，也提出了一种可以从普通镜框上拆下的设备，其用途与图17所示的头戴式图像显示设备110类似。

当今存在同时显示大量信息的信息显示需求。然而，上述常规的头戴式图像显示设备只包含一个用于发出图像光的目镜光学单元，并且信息是显示在单个目镜光学单元的单个显示画面上。此外，由于头戴式图像显示设备具有相对较小的显示画面以实现移动使用，因此该设备也只能显示相对较少的信息。特别地，在例如JP2006-003879A的情况中，目镜光学单元和杆状导光单元在观察者视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm，从而目镜光学单元和杆状导光单元使得观察者获得“看透”(see-through)的视觉时，显示画面变得更小，而显示的信息也更少。

因此，常规的头戴式图像显示设备并不能很好地满足在信息显示中同时观看大量信息的需求。

解决上述需求的一种可能的方式是提供多个目镜光学单元，使得信息能够以多画面方式显示。然而，仅仅提供多个目镜光学单元来进行多画面信息显示会导致显示画面可视性很差并且削弱移动机动性(mobile-maneuverability)，原因如下：显示图像并列(juxtaposed)或交叠，左右眼分别同时观看到不同的图像，不必要的图像光入射到眼睛，而这些都是由多个目镜光学单元所引起的。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种新颖的头戴式图像显示设备，该头戴式图像显示设备能够通过多画面方式以良好的可视性显示大量信息，而不会削弱设备的灵活性。

为了实现上述目的，在本发明的第一方面中，一种头戴式图像显示设备包括：

多个目镜光学单元，其用于分别向相应的眼球发出待显示的图像光；

头戴式单元，其能够可拆装地安装到观察者头部并用于保持所述多个目镜光学单元，

其中所述头戴式单元在安装到观察者头部的状态下支撑所述多个目镜光学单元，使得各个目镜光学单元的发光轴基本穿过相应眼球的眼球转动中心，当由于眼球转动而使一个目镜光学单元的发光轴穿过其相应眼球的瞳孔时，其它目镜光学单元的发光轴不会穿过其相应眼球的瞳孔。

在本发明的第二方面中，如第一方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，所述头戴式单元支撑所述多个目镜光学单元，使得在所述多个目镜光学单元中，一个目镜光学单元的发光轴与另一目镜光学单元的发光轴之间形成的夹角约为23度或更大。

在本发明的第三方面中，如第一或第二方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，在所述头戴式单元安装到观察者头部的状态下，所述多个目镜光学单元包括上目镜光学单元和下目镜光学单元，所述上目镜光学单元和所述下目镜光学单元被支撑成在垂直方向上相互分开。

在本发明的第四方面中，如第一到第三方面的任一方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，在所述头戴式单元安装到观察者头部的状态下，所述多个目镜光学单元包括用于左眼的目镜光学单元和用于右眼的目镜光学单元，所述用于左眼的目镜光学单元和所述用于右眼的目镜光学单元被支撑成在水平方向上相互分开。

在本发明的第五方面中，如第四方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，所述用于左眼的目镜光学单元和所述用于右眼的目镜光学单元被保持在垂直方向上的不同位置。

在本发明的第六方面中，如第一到第五方面的任一方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，所述多个目镜光学单元中的每一个在观察者的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm。

在本发明的第七方面中，如第一到第六方面的任一方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，所述多个目镜光学单元中的每一个被支撑在用于引导图像光的杆状导光单元的发光端。

在本发明的第八方面中，如第七方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，所述杆状导光单元在观察者的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm。

在本发明的第九方面中，如第一到第八方面的任一方面所述的头戴式图像显示设备的特征在于，所述头戴式单元由镜框构成。

在本发明中，所述头戴式单元在被附接到观察者头部的状态下支撑所述多个目镜光学单元，使得各个目镜光学单元的发光轴基本穿过相应眼球的眼球转动中心，并且当由于眼球转动而使一个目镜光学单元的发光轴穿过相应眼球的瞳孔时，另一目镜光学单元的发光轴不会穿过相应眼球的瞳孔。因此，可以按照如下方式通过多画面方式以良好的可视性显示大量信息，而不会削弱设备的灵活性：将多个目镜光学单元的显示画面作为视野中彼此分开的多个画面进行显示，并通过将观察者的目光从一个画面移动到另一个画面来切换待观察的信息，以观看信息。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。

图2是如图1所示的上杆状导光单元和下杆状导光单元的示意性立体图。

图3是说明当如图1所示的上杆状导光单元和下杆状导光单元被保持在镜框上时所需条件的图。

图4是说明如图2所示的上目镜光学单元和下目镜光学单元的发光轴之间的夹角的图。

图5是示出根据第一实施方式的头戴式图像显示设备所提供的显示画面在视野内的显示位置的图。

图6是示出根据本发明的第二实施方式的头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。

图7是说明当如图6所示的用于左眼的下杆状导光单元和用于右眼的下杆状导光单元被保持在镜框上时所需条件的图。

图8是说明如图7所示的用于左眼的下目镜光学单元和用于右眼的下目镜光学单元的发光轴之间的夹角的图。

图9是示出根据第二实施方式的头戴式图像显示设备所提供的显示画面在视野内的显示位置的图。

图10是示出根据本发明的第三实施方式的头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。

图11是示出根据第三实施方式的头戴式图像显示设备所提供的显示画面在视野内的显示位置的图例。

图12是说明根据本发明的头戴式图像显示设备的修改例的图。

图13是说明根据本发明的头戴式图像显示设备的另一修改例的图。

图14是说明根据本发明的头戴式图像显示设备的又一修改例的图。

图15是说明根据本发明的头戴式图像显示设备的再一修改例的图。

图16是示出一种常规的耳机型头戴式图像显示设备的示意性结构的图。

图17是示出一种常规的眼镜型头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行描述。

(第一实施方式)

图1是根据本发明的第一实施方式的头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。头戴式图像显示设备10是一种与眼镜相结合的类型，适用于右眼，并且在观察者佩戴了作为头戴式单元的镜框11的状态下包括：上杆状导光单元21Ru，该上杆状导光单元21Ru被保持在镜框11的右眼边框12R的上部，从而在右眼的视野内延伸；以及下杆状导光单元21Rd，该下杆状导光单元21Rd被保持在右眼边框12R的下部，从而在右眼的视野内延伸。

上杆状导光单元21Ru被形成为具有例如图2的示意性立体图所示的矩形截面，并且在右眼边框12R的上部在其一端保持入射端面，使得该端面与显示元件23Ru相对，该显示元件23Ru例如由被支撑在右眼边框12R上部的液晶显示元件、有机电致发光显示元件或类似元件构成。上杆状导光单元21Ru将显示元件23Ru上所显示图像的图像光从入射端面引导至其另一端部，使光线在该另一端部朝着观察者的眼球侧反射之后，从侧面射出。上杆状导光单元21Ru的图像光发射部支撑上目镜光学单元25Ru，该上目镜光学单元25Ru由目镜透镜构成，该目镜透镜的曲率对应于要显示由图像光产生的图像的虚像位置。

类似地，下杆状导光单元21Rd被形成为具有例如图2的示意性立体图所示的矩形截面，并且在右眼边框12R的下部在其一端保持入射端面，使该端面与显示元件23Rd相对，该显示元件23Rd例如由被支撑在右眼边框12R下部的液晶显示元件、有机电致发光显示元件或类似元件构成。下杆状导光单元21Rd将显示元件23Rd上所显示图像的图像光从入射端面引导至其另一端部，使光线在该另一端部朝着观察者的眼球侧反射之后，从侧面射出。下杆状导光单元21Rd的图像光发射部支撑下目镜光学单元25Rd，该下目镜光学单元25Rd由目镜透镜构成，该目镜透镜的曲率对应于要显示由图像光产生的图像的虚像位置。此外，在本实施方式中，上目镜光学单元25Ru和与其对应的图像的显示位置之间的距离以及下目镜光学单元25Rd和与其对应的图像的显示位置之间的距离被设置成彼此大致相等。因此，分别构成上目镜光学单元25Ru和下目镜光学单元25Rd的目镜透镜的曲率也大致相等。

如图3(a)、(b)所示，在观察者佩戴了镜框11的状态下，上杆状导光单元21Ru和下杆状导光单元21Rd被保持在镜框11上并且在垂直方向上彼此分开，使得上目镜光学单元25Ru的发光轴Ou和下目镜光学单元25Rd的发光轴Od在观察者右眼球Ar的眼球转动中心Cr彼此相交，并且当目镜光学单元25Ru、25Rd之一的发光轴穿过右眼球Ar的瞳孔Pr时，目镜光学单元25Ru、25Rd中的另一个的发光轴不会穿过右眼球Ar的瞳孔Pr。

具体地，上杆状导光单元21Ru和下杆状导光单元21Rd被保持在镜框11上，使得当观察者如图3(a)所示将其目光投向视野内的右上方区域并且注视该右上方区域时，上目镜光学单元25Ru的发光轴Ou穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，而下目镜光学单元25Rd的发光轴Od不会穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，而当观察者如图3(b)所示将其目光投向视野内的右下方区域并且注视该右下方区域时，下目镜光学单元25Rd的发光轴Od穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，而上目镜光学单元25Ru的发光轴Ou不会穿过右眼球Ar的瞳孔Pr。

如图4所示，通常假设人体眼球A的瞳孔P的直径在正常环境中大约为4mm。另外，从瞳孔P到眼球转动中心C的距离通常为10mm。因此，为了满足上述要求，上杆状导光单元21Ru和下杆状导光单元21Rd被保持在镜框11上并且分别面向内侧，如图2所示，使得上目镜光学单元25Ru的发光轴Ou和下目镜光学单元25Rd的发光轴Od之间的夹角θ约为23度或更大。

此外，如图3(a)所示，上杆状导光单元21Ru和上目镜光学单元25Ru在右眼球Ar的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm，使得上杆状导光单元21Ru和上目镜光学单元25Ru变得“看透”，从而当观察者注视其视野内的右上方区域时能够看到周围情况。类似地，如图3(b)所示，下杆状导光单元21Rd和下目镜光学单元25Rd在右眼球Ar的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm，使得下杆状导光单元21Rd和下目镜光学单元25Rd变得“看透”，从而当观察者注视其视野内的右下方区域时能够看到周围情况。

通过这种方式，如图5所示，上显示画面26Ru显示在观察者视野内的右上方，该上显示画面26Ru是由被上杆状导光单元21Ru引导并由上目镜光学单元25Ru所发射的图像光产生的，下显示画面26Rd显示在观察者视野内的右下方并且与上显示画面26Ru分开，该下显示画面26Rd是由被下杆状导光单元21Rd引导并由下目镜光学单元25Rd所发射的图像光产生的。所需的信息显示在各个显示画面中。

因此，根据本实施方式，观察者在将其目光投向前方的状态下，可以识别出上显示画面26Ru和下显示画面26Rd分别显示在其视野内。然后，当观察者将其目光投向右上方并且注视其视野的右上部分时，观察者可以通过其右眼球Ar看到上显示画面26Ru上所显示的信息，原因是上目镜光学单元25Ru的发光轴Ou穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，如图3(a)所示。另外，在此情况下，由于下目镜光学单元25Rd的发光轴Od没有穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，因此减少了不必要的图像光的入射。

类似地，当观察者将其目光投向右下方并且注视其视野的右下部分时，观察者可以通过其右眼球Ar看到下显示画面26Rd上所显示的信息，原因是下目镜光学单元25Rd的发光轴Od穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，如图3(b)所示。另外，在此情况下，由于上目镜光学单元25Ru的发光轴Ou没有穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，因此减少了不必要的图像光的入射。

根据本实施方式，能够通过多画面方式以良好的可视性显示大量信息，而不会削弱设备的灵活性，原因是由上目镜光学单元25Ru和下目镜光学单元25Rd产生的上显示画面26Ru和下显示画面26Rd作为彼此分开的多个画面被显示在观察者的视野内，使得观察者通过将其目光在右上方和右下方之间移动能够交替地观看各画面，以查看信息。

(第二实施方式)

图6是示出根据本发明的第二实施方式的头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。这种头戴式图像显示设备30是与眼镜相结合的类型，并且在观察者佩戴了作为头戴式单元的镜框31的状态下包括：用于左眼的下杆状导光单元41Ld，其被保持在镜框31的左眼边框32L的下部，从而在左眼的视野内延伸，以及用于右眼的下杆状导光单元41Rd，其被保持在镜框31的右眼边框32R的下部，从而在右眼的视野内延伸。

用于左眼的下杆状导光单元41Ld和用于右眼的下杆状导光单元41Rd均将显示元件上所显示图像的图像光从入射端面引导至其另一端，在使光线在该另一端部朝着观察者的眼球侧反射之后，分别通过保持在单元41Ld、41Rd的侧面上的用于左眼的下目镜光学单元42Ld和用于右眼的下目镜光学单元42Rd(见图7、8)射出。

如图7(a)、(b)所示，用于左眼的下杆状导光单元41Ld和用于右眼的下杆状导光单元41Rd被保持成在水平方向上相互分开，使得在观察者佩戴了镜框31的状态下，用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴Ol基本穿过观察者左眼球的眼球转动中心Cl，用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴Or基本穿过观察者右眼球的眼球转动中心Cr，并且当目镜光学单元42Ld、42Rd之一的发光轴穿过相应眼球的瞳孔时，目镜光学单元42Ld、42Rd中的另一个的发光轴不会穿过相应眼球的瞳孔。

具体地，用于左眼的下杆状导光单元41Ld和用于右眼的下杆状导光单元41Rd被保持在镜框31上，使得当观察者如图7(a)所示将其目光投向其视野内的左下方区域并且注视该左下方区域时，用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴Ol穿过左眼球Al的瞳孔Pl，而用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴Or不会穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，而当观察者如图7(b)所示将其目光投向其视野内的右下方区域并且注视该右下方区域时，用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴Or穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，而用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴Ol不会穿过左眼球Al的瞳孔Pl。

如参照图4所述，人体眼球的瞳孔的直径在正常环境中大约为4mm，从瞳孔到眼球转动中心C的距离大约为10mm。各个眼球中视轴和穿过瞳孔的发光轴之间的最大夹角约为11.3度，如图4所示的情况。因此，为了满足上述条件，如图8所示，用于左眼的下杆状导光单元41Ld和用于右眼的下杆状导光单元41Rd被保持在镜框31，使得用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴Ol和用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴Or之间形成的夹角θ约为23度或更大，与图4的情况类似。

此外，如在第一实施方式中一样，用于左眼的下杆状导光单元41Ld和用于左眼的下目镜光学单元42Ld在左眼球Al的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm，使得用于左眼的下杆状导光单元41Ld和用于左眼的下目镜光学单元42Ld变得“看透”，从而当观察者注视其视野内的左下方区域时能够看到周围情况，如图7(a)所示。类似地，如图7(b)所示，用于右眼的下杆状导光单元41Rd和用于右眼的下目镜光学单元42Rd在右眼球Ar的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm，使得用于右眼的下杆状导光单元41Rd和用于右眼的下目镜光学单元42Rd变得“看透”，从而当观察者注视其视野内的右下方区域时能够看到周围情况。

通过这种方式，如图9所示，左下显示画面43Ld显示在观察者视野内的左下方，该左下显示画面43Ld是由被用于左眼的下杆状导光单元41Ld引导并由用于左眼的下目镜光学单元42Ld所发射的图像光产生的，右下显示画面43Rd显示在观察者视野内的右下方并且与左下显示画面43Ld分开，该右下显示画面43Rd是由被用于右眼的下杆状导光单元41Rd引导并由用于右眼的下目镜光学单元42Rd所发射的图像光产生的。所需的信息显示在各个显示画面中。

因此，根据本实施方式，观察者在将其目光(视轴)直接投向前方时，可以识别出左下显示画面43Ld和右下显示画面43Rd分别显示在其视野内。然后，当观察者将其目光投向左下方以注视视野内的左下方区域时，观察者可以通过其左眼球Al看到左下显示画面43Ld上所显示的信息，原因是用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴Ol穿过左眼球Al的瞳孔Pl，如图7(a)所示。另外，在此情况下，观看左下显示画面43Ld不会受到干扰，原因是用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴Or没有穿过右眼球Ar的瞳孔Pr。

类似地，当观察者将其目光投向右下方以注视视野内的右下方区域时，可以通过其右眼球Ar看到右下显示画面43Rd上所显示的信息，原因是用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴Or穿过右眼球Ar的瞳孔Pr，如图7(b)所示。另外，在此情况下，观看右下显示画面43Rd不会受到干扰，原因是用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴Ol没有穿过左眼球Al的瞳孔Pl。

根据本实施方式，能够通过多画面方式以良好的可视性显示大量信息，而不会削弱设备的灵活性或移动机动性，这与第一实施方式类似，原因是由用于左眼的下目镜光学单元42Ld和用于右眼的下目镜光学单元42Rd产生的左下显示画面43Ld和右下显示画面43Rd作为彼此分开的多个画面被显示在观察者的视野内，使得观察者能够通过如上所述地在左上(下)方或右下方之间移动其目光来切换待观看的画面并观看信息。

(第三实施方式)

图10是示出根据本发明的第三实施方式的头戴式图像显示设备的示意性结构的立体图。这种头戴式图像显示设备50与第二实施方式中的头戴式图像显示设备30的不同之处在于前者还具有在左眼视野内延伸的用于左眼的上杆状导光单元41Lu，以及在右眼视野内延伸的用于右眼的上杆状导光单元41Ru，用于左眼的上杆状导光单元41Lu和用于右眼的上杆状导光单元41Ru分别被保持在镜框31的左眼边框32L的上部和右眼边框32R的上部，使得这四个杆状导光单元在水平方向和垂直方向上相互分开。

用于左眼的上杆状导光单元41Lu和用于右眼的上杆状导光单元41Ru均将与其对应的显示元件上所显示图像的图像光从入射端面引导至其另一端部，在使光线在该另一端部朝着观察者的眼球侧反射之后，分别通过被保持在单元41Lu、41Ru侧面上的用于左眼的上目镜光学单元42Lu和用于右眼的上目镜光学单元42Ru射出。

此外，用于左眼的上杆状导光单元41Lu和用于右眼的上杆状导光单元41Ru被支撑在镜框31上，使得在观察者佩戴镜框31的状态下，用于左眼的上目镜光学单元42Lu的发光轴与用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴大致在观察者左眼球的眼球转动中心相交，而用于右眼的上目镜光学单元42Ru的发光轴与用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴大致在观察者右眼球的眼球转动中心相交。

更具体地，位于上部的用于左眼的上目镜光学单元42Lu的发光轴与用于右眼的上目镜光学单元42Ru的发光轴之间形成的夹角大约为23度或更大，这与位于下部的用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴与用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴之间形成的夹角类似。此外，左上方和左下方的发光轴之间形成的夹角(即用于左眼的上目镜光学单元42Lu的发光轴与用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴之间形成的夹角)，以及右上方和右下方的发光轴之间形成的夹角(即用于右眼的上目镜光学单元42Ru的发光轴与用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴之间形成的夹角)，分别约为23度或更大，如第一实施方式所述。类似地，成对角线设置的发光轴之间形成的夹角，即用于左眼的上目镜光学单元42Lu的发光轴与用于右眼的下目镜光学单元42Rd的发光轴之间形成的夹角，以及用于右眼的上目镜光学单元42Ru的发光轴与用于左眼的下目镜光学单元42Ld的发光轴之间形成的夹角分别约为23度或更大，如第一实施方式所述。

因此，当观察者佩戴镜框31并且移动其目光使得目镜光学单元中的至少一个的发光轴穿过相应眼球的瞳孔时，其它目镜光学单元的发光轴分别被阻止穿过相应眼球的瞳孔。

此外，用于左眼的上杆状导光单元41Lu、用于左眼的上目镜光学单元42Lu、用于右眼的上杆状导光单元41Ru以及用于右眼的上目镜光学单元42Ru在各个相应眼球的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm，这与用于左眼的下杆状导光单元41Ld、用于左眼的下目镜光学单元42Ld、用于右眼的下杆状导光单元41Rd以及用于右眼的下目镜光学单元42Rd的情况类似。

通过这种方式，如图11所示，在观察者的视野内，除了图9所示的分别由用于左眼的下目镜光学单元42Ld和用于右眼的下目镜光学单元42Rd提供的左下显示画面43Ld和右下显示画面43Rd之外，由被用于左眼的上杆状导光单元41Lu引导并从用于左眼的上目镜光学单元42Lu射出的图像光提供的左上显示画面43Lu会显示在视野内的左上方区域，由被用于右眼的上杆状导光单元41Ru引导并从用于右眼的上目镜光学单元42Ru射出的图像光提供的右上显示画面43Ru会显示在视野内的右上方区域，并且与左上显示画面43Lu分开。所需的信息会显示在这些画面中的每一个画面上。

结果，根据本实施方式，观察者在将其目光(视轴)直接投向前方的状态下，可以识别到在其视野内的水平和垂直方向上彼此分开地显示四个显示画面。然后，当观察者移动目光以注视视野的左上方区域时，观察者可以通过左眼球看到左上显示画面43Lu上所显示的信息，原因是用于左眼的上目镜光学单元42Lu的发光轴穿过左眼球的瞳孔，并且当观察者注视视野的右上方区域时，观察者可以看到右上显示画面43Ru上所显示的信息，原因是用于右眼的上目镜光学单元42Ru的发光轴穿过右眼球的瞳孔。此外，当观察者注视视野内的右下方或左下方时，观察者能够通过其右眼球或左眼球看到左下显示画面43Ld或右下显示画面43Rd上所显示的信息，如第二实施方式所述。

此外，在观察者将其目光投向任意一个目镜光学单元所提供的显示画面上的情况下，观看目光所投向的一个显示画面不会受到干扰，因为其它目镜光学单元的其它发光轴没有穿过相应眼球的瞳孔。

根据本实施方式，能够通过多画面方式以良好的可视性显示比上述实施方式更多的信息，而不会削弱设备的灵活性或移动机动性，原因是由在垂直和水平方向上相互分开的四个目镜光学单元42Lu、42Ld、42Ru、42Rd分别提供的四个显示画面43Lu、43Ld、43Ru、43Rd显示在视野内作为在垂直和水平方向上相互分开的多画面，使得观察者能够通过垂直和水平地移动其目光来切换待观看的画面，以观看信息。

本发明并不限于上述实施方式，可以对其进行各种变化和修改。例如，尽管在第一实施方式中，该设备被构造成右眼型设备，其用于支撑分别位于镜框的右眼边框的上下部分的目镜光学单元，也可以将相同的构造应用到左眼边框，从而将该设备构造成左眼型设备。此外，如图12所示，头戴式图像显示设备可以被构造成使得用于右眼的右手侧目镜光学单元25Rcr和用于右眼的左手侧目镜光学单元25Rcl被分别支撑在镜框11的边框之一(图12中的右眼边框12R)的右手侧边框部的中部和左手侧边框部的中部。或者，如图13所示，为了在垂直方向上的不同位置处设置用于左眼的目镜光学单元和用于右眼的目镜光学单元，头戴式图像显示设备可以按如下方式构造：除了图1所示的结构之外，用于左眼的右手侧目镜光学单元25Lcr和用于左眼的左手侧目镜光学单元25Lcl被保持在左眼侧边框12L的右手侧边框部的中部和左手侧边框部的中部。通过将用于左眼的目镜光学单元和用于右眼的目镜光学单元设置在垂直方向上的不同位置处，观察者可以很容易地在其左眼视觉识别和右眼视觉识别之间进行切换，原因是当观察者注视由用于左眼的目镜光学单元提供的显示画面和由用于右眼的目镜光学单元提供的显示画面时，双眼移动的高度位置是不同的。

此外，尽管在第二实施方式中头戴式图像显示设备被构造成用于在镜框的左右边框底部支撑目镜光学单元的下方区域观察类型，该设备也可以构造成用于分别在左右边框的垂直中部支撑目镜光学单元的前方区域观察类型，或者用于分别在左右边框的上部支撑目镜光学单元的上方区域观察类型。或者，头戴式图像显示设备可以被构造成使得用于左眼的目镜光学单元和用于右眼的目镜光学单元分别设置在垂直方向上的不同位置，例如，作为对角线观察类型，用于在一个边框的上/下部支撑目镜光学单元以及在另一边框的下/上部支撑另一目镜光学单元，或者作为观察类型，用于在一个边框的上/下部支撑目镜光学单元以及在另一边框的垂直中部支撑另一目镜光学单元。因此，在这些修改例中，如图13所示的结构中，观察者可以很容易地在其左眼视觉识别和右眼视觉识别之间进行切换，原因是当观察者注视由用于左眼的目镜光学单元提供的显示画面和由用于右眼的目镜光学单元提供的显示画面时，双眼移动的高度位置是不同的。

此外，在第三实施方式中，尽管目镜光学单元42Lu、42Ld、42Ru、42Rd被支撑在四个地方，即镜框31的左眼边框32L的左上方和左下方，以及右眼边框32R的右上方和右下方，但仍可以在各个边框上采用对角线方式支撑两个目镜光学单元。例如，如图14所示，头戴式图像显示设备可以被构造成在左眼边框32L的左上方支撑用于左眼的上目镜光学单元42Lu，在左眼边框32L的右下方支撑用于左眼的下目镜光学单元42Ld，在右眼边框32R的右上方支撑用于右眼的上目镜光学单元42Ru，以及在右眼边框32R的左下方支撑用于右眼的下目镜光学单元42Rd。此外，在第三实施方式的构造中，可以省去任意一个目镜光学单元，或提供附加的目镜光学单元以满足针对其它目镜光学单元的发光轴的上述角度条件。此外，在前述的情形中，用于左眼的目镜光学单元和用于右眼的目镜光学单元可以如上所述地设置在垂直方向上的不同位置。

此外，多个目镜光学单元之间的距离以及这些单元所显示的各个图像的显示位置可以彼此不同。例如，假设在人体的实际周围环境中，视野内下方区域中的物体看起来更接近观察者，而视野内前方或上方区域中的物体看起来相对较远。因此，如图15所示，第一实施方式的结构可以设置成例如将虚像定位在观察者前面远至5米处的由上目镜光学单元25Ru提供的上显示画面26Ru，以及将虚像定位在观察者前面近至0.5米处的由下目镜光学单元25Rd提供的下显示画面26Rd。

具体地，假定“a”表示显示元件和目镜光学单元之间的距离，“b”表示虚像与目镜光学单元之间的距离，“f”表示目镜光学单元的焦距，则公式：1/b＝(1/a)-(1/f)是近轴正确的(paraxially correct)。因此，可以通过改变距离a或焦距f来改变虚像位置。例如，当距离“a”需要改变时，可以将虚像位置设成无穷远，而通过减小“a”的值可以将虚像位置得距观察者更近。

此外，在目镜光学单元为单镜头的情况下，下面的公式(1)可以近轴满足，其中在下面的公式中“n”表示透镜材料的折射率，“r1、r2”分别表示各个透镜的曲率半径，而“d”表示透镜厚度。

$f=\frac{1}{(n-1)(\frac{1}{r1}-\frac{1}{r2})+\frac{{(n-1)}^{2}d}{\mathrm{nr}1r2}}...\left(1\right)$

因此，由于通过改变折射率n、透镜的曲率半径r以及厚度d可以改变目镜光学单元的焦距f，所以通过将焦距f变大就可以使虚像位置接近观察者，而通过将焦距f变小就可以使虚像位置远离观察者。

此外，尽管在上述实施方式中杆状导光单元和目镜光学单元中的每一个都被构造成是可以“看透”的，但是它们并不是必须被构造成可以“看透”的。此外，可以省去杆状导光单元，显示元件可以被保持在头戴式单元上以与各个目镜光学单元相对，从而可以观看虚像。此外，根据本发明的头戴式图像显示设备不必为眼镜型，也可以构造成耳机型或者可以从眼镜上拆装的设备。

Claims (9)

1.一种头戴式图像显示设备，该头戴式图像显示设备包括：

多个目镜光学单元，其用于分别向相应的眼球发出待显示的图像光；

头戴式单元，其能够可拆装地安装到观察者头部并用于保持所述多个目镜光学单元，

其中所述头戴式单元在安装到观察者头部的状态下支撑所述多个目镜光学单元，使得各个目镜光学单元的发光轴基本穿过相应眼球的眼球转动中心，当由于眼球转动而使一个目镜光学单元的发光轴穿过其相应眼球的瞳孔时，其它目镜光学单元的发光轴不会穿过其相应眼球的瞳孔。

2.根据权利要求1所述的头戴式图像显示设备，其中所述头戴式单元支撑所述多个目镜光学单元，使得在所述多个目镜光学单元中，一个目镜光学单元的发光轴与另一目镜光学单元的发光轴之间形成的夹角约为23度或更大。

3.根据权利要求1或2所述的头戴式图像显示设备，其中在所述头戴式单元安装到观察者头部的状态下，所述多个目镜光学单元包括上目镜光学单元和下目镜光学单元，所述上目镜光学单元和所述下目镜光学单元被支撑成在垂直方向上相互分开。

4.根据权利要求1-3的任一项所述的头戴式图像显示设备，其中在所述头戴式单元安装到观察者头部的状态下，所述多个目镜光学单元包括用于左眼的目镜光学单元和用于右眼的目镜光学单元，所述用于左眼的目镜光学单元和所述用于右眼的目镜光学单元被支撑成在水平方向上相互分开。

5.根据权利要求4所述的头戴式图像显示设备，其中所述用于左眼的目镜光学单元和所述用于右眼的目镜光学单元被保持在垂直方向上的不同位置。

6.根据权利要求1-5的任一项所述的头戴式图像显示设备，其中所述多个目镜光学单元中的每一个在观察者的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm。

7.根据权利要求1-6的任一项所述的头戴式图像显示设备，其中所述多个目镜光学单元中的每一个被支撑在用于引导图像光的杆状导光单元的发光端。

8.根据权利要求7所述的头戴式图像显示设备，其中所述杆状导光单元在观察者的视轴方向上的截面形状投影宽度等于或小于4mm。

9.根据权利要求1-8的任一项所述的头戴式图像显示设备，其中所述头戴式单元由镜框构成。

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