CN107077001A - 图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够容易地进行显示部的位置调整的图像显示装置。本发明的显示装置(100)具备：图像生成部(11)，其射出包含图像信息的光；以及导光光学***(13)，其在出瞳的位置生成由来自图像生成部(11)的光产生的像，导光光学***(13)具备：第一反射镜(24)(第一偏转部)，其使从图像生成部(11)射出的光偏转；以及第二反射镜(25)(第二偏转部)，其使通过第一反射镜(24)偏转了的光进一步偏转而引导至出瞳的位置，并使外光的一部分透过，从第一反射镜(24)朝向第二反射镜(25)的光的光轴与出瞳的光轴呈锐角。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及图像显示装置。
背景技术
近年，作为可穿戴式信息设备的一种，提供有头戴式显示器等佩戴在观察者的身上来使用的方式的图像显示装置。例如，在下述的专利文献1中，公开有具备第一二维光扫描装置、第二二维光扫描装置、半透过反射装置以及反射装置的显示装置。在该显示装置中，由每个第一二维光扫描装置以及第二二维光扫描装置生成的像通过半透过反射装置来合成，合成后的像通过反射装置投影至观察者的眼中。并且，在专利文献1中记载有如下内容，即通过在反射装置中使用全息透镜等从而能够构成可以透视的显示装置。
在下述的专利文献2中，公开有具备眼镜透镜、分别形成于眼镜透镜的脸侧凹状曲面的左右部分的第一曲面反射镜以及第二曲面反射镜、以及输出扫描光束的光扫描仪的图像显示装置。在该图像显示装置中，由光扫描仪输出的扫描光束通过第一曲面反射镜以及第二曲面反射镜依次反射，并投影至观察者的眼中。该图像显示装置是设置于普通的眼镜中来使用的装置，观察者能够通过眼镜透镜看到前方。
专利文献1：日本特开2005-202221号公报。
专利文献2：日本特开平11-160650号公报。
在使用了专利文献1、2的装置的情况下，观察者能够在由显示装置输出的图像的基础之上，通过反射装置、眼镜透镜来视觉确认外界的像。但是，在专利文献1、2的装置中存在无法以广阔的范围来视觉确认外界的像的问题。
例如，在专利文献1的显示装置的情况下，需要将第一二维光扫描装置、第二二维光扫描装置、半透过反射装置之类的较多光学***配置于观察者的头部侧面。因此，由于这些光学***而使观察者的视野狭窄。在专利文献2的显示装置中，第一曲面反射镜以及第二曲面反射镜配置于眼镜透镜的左右。因此，由于第一曲面反射镜以及第二曲面反射镜而使观察者的视野受到制约。
发明内容
本发明的一个方式是为了解决上述的课题而完成的，其目的之一在于提供一种能够在广阔的范围内视觉确认外界的像的图像显示装置。
为了实现上述的目的，本发明的一个方式的图像显示装置的特征在于，具备：图像生成部，其射出包含图像信息的光；以及导光光学***，其以朝向出瞳的位置的方式生成由来自上述图像生成部的光产生的像，上述导光光学***具备：第一偏转部，其使从上述图像生成部射出的光偏转；以及第二偏转部，其使通过上述第一偏转部偏转的光进一步偏转从而引导至上述出瞳的位置，并使外光的一部分透过，从上述第一偏转部朝向上述第二偏转部的光的光轴与上述出瞳的光轴呈锐角。
在例如观察者将本发明的一个方式的图像显示装置佩戴在头部的情况下，将光引导至出瞳的位置的第二偏转部位于观察者的眼前。另外，第一偏转部与第二偏转部处于从第一偏转部朝向第二偏转部的光的光轴与出瞳的光轴呈锐角的位置关系。因此，第一偏转部相对于第二偏转部位于观察者的后方侧、即靠近观察者的耳朵的一侧。另外，图像生成部进一步位于第一偏转部的后方侧。因此，根据本发明的一个方式的图像显示装置，能够减少第一偏转部以及图像生成部妨碍观察者的视野的担忧，并能够在广阔的范围内视觉确认外界的像。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述第一偏转部由反射镜构成。
根据该结构，能够实现薄型的图像显示装置。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述反射镜是使入射的光的一部分反射，使入射的光的其他部分透过的半透过反射镜。
根据该结构，能够通过由半透过反射镜构成的第一偏转部来视觉确认外界的像。即，由于观察者能够通过第二偏转部与第一偏转部的双方来视觉确认外界的像，所以能够将视野进一步扩大。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述第二偏转部是使入射的光的一部分衍射并偏转的全息反射镜。
根据该结构，能够使从第一偏转部入射的光的一部分通过全息反射镜进行衍射并偏转，从而引导至观察者的眼中。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述第二偏转部由使入射的光的一部分反射，使入射的光的其他部分透过的半透过反射镜构成。
根据该结构，能够实现薄型的图像显示装置。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为在上述第一偏转部与上述第二偏转部之间的光路上生成中间像。
根据该结构，从第一偏转部朝向第二偏转部的光在中间像的形成位置聚光。因此，在例如观察者将图像显示装置佩戴在头部上的情况下，第一偏转部与第二偏转部之间的光路难以与头部干扰。由此，能够实现图像显示装置的小型化。并且根据该结构，即使在第二偏转部存在缺陷，也能够将对图像的影响抑制在最小限度。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述第二偏转部对通过上述第一偏转部使光偏转从而产生的像失真进行修正。
根据该结构，观察者能够看到失真较少的图像。
本发明的一个方式的图像显示装置可以在上述第一偏转部与上述图像生成部之间的光路上具备修正上述像的修正光学***。
根据该结构，观察者能够看到失真较少的图像。另外，由于从观察者看来修正光学***位于第一偏转部的后方侧，所以减少修正光学***妨碍观察者的视野的担忧，从而能够在广阔的范围内视觉确认外界的像。
在本发明的一个方式的图像显示装置中，也可以构成为上述第一偏转部与上述第二偏转部由一体的反射镜构成。
根据该结构，部件件数较少，从而能够实现装置结构的简化。
附图说明
图1是表示使用者佩戴本发明的第一实施方式的图像显示装置的状态的图。
图2是第一实施方式的图像显示装置的立体图。
图3是表示图像显示装置的结构的俯视图。
图4是表示图像显示装置的结构的侧视图。
图5是表示图像显示装置的各部分的位置关系的俯视图。
图6是表示图像显示装置的效果的图。
图7是表示第二实施方式的图像显示装置的结构的俯视图。
图8是表示第三实施方式的图像显示装置的结构的俯视图。
图9是表示第四实施方式的图像显示装置的结构的俯视图。
具体实施方式
第一实施方式
以下，使用图1～图5对本发明的第一实施方式进行说明。
第一实施方式的图像显示装置是使用者佩戴在头部来使用的头戴式显示器的一个例子。
在以下的说明中，将头戴式显示器(Head Mounted Display)缩写为HMD。
图1是表示使用者佩戴第一实施方式的HMD的状态的图。图2是第一实施方式的HMD的立体图。此外，在以下的全部的附图中为了清晰观察各构成要素，有时根据构成要素而使尺寸的比例不同来表示。
如图1所示，本实施方式的HMD300是以使用者戴眼镜的感觉佩戴在头部来使用的装置。本实施方式的HMD300是穿透式(透射式)的HMD。根据本实施方式的HMD300，使用者能够视觉确认由图像显示部生成的图像，并且还能够视觉确认HMD300的外部的景色等外界的像。
如图2所示，HMD300具备：具有与眼镜类似的形状的显示装置100；以及具有使用者能够用手把持程度大小的控制装置(控制器)200。显示装置100与控制装置200以能够通过有线或无线通信的方式连接。在本实施方式中，构成显示装置100的左眼用图像显示部110A以及右眼用图像显示部110B各自与控制装置200经由电缆150以通过有线能够通信的方式连接，对图像信号、控制信号进行通信。
显示装置100具备主框架120、子框架130、左眼用图像显示部110A以及右眼用图像显示部110B。控制装置200具备显示部210以及操作按钮部250。显示部210例如显示给使用者的各种信息、指示等。主框架120具备缘部121、以及供使用者挂在耳朵上的一对腿部122A、122B。子框架130是支承左眼用图像显示部110A以及右眼用图像显示部110B的部件。
图3是表示显示装置100的各部分结构的俯视图。图4是表示图像显示装置的结构的侧视图。并且，在图3以及图4中示出从头上方观察佩戴显示装置100的使用者的状态。
右眼用图像显示部110B与左眼用图像显示部110A具有相同的结构，双方的图像显示部内的各构成要素配置为左右对称。因此，以下作为图像显示部110仅对右眼用图像显示部110B详细地进行说明，并省略左眼用图像显示部110A的说明。
如图3及图4所示，图像显示部110具备图像生成部11、修正光学***12以及导光光学***13。图像生成部11射出包含图像信息的光。导光光学***13在出瞳的位置，即观察者的瞳孔的位置生成由来自图像生成部11的光产生的像。修正光学***12对由来自图像生成部11的光产生的像进行修正。图像生成部11具备光源装置15、折回镜16、光扫描设备17以及远焦光学***18。修正光学***12具备第一修正透镜21以及第二修正透镜22。导光光学***13具备第一反射镜24以及第二反射镜25。
本实施方式的第一反射镜24与权利要求的第一偏转部对应。本实施方式的第二反射镜25与权利要求的第二偏转部对应。
光源装置15具备包括例如射出红色光的半导体激光、射出绿色光的半导体激光、以及射出蓝色光的半导体激光的多个固体光源(省略图示)。从各半导体激光射出的各色光根据图像信号被调制，调制后的各色光被合成，并作为图像光从光源装置15射出。从光源装置15射出的光通过折回镜16反射从而使得光路被折回，并引导至光扫描设备17。在本实施方式，折回镜16以反射面侧的法线V向靠近观察者的头部H的方向延伸的朝向倾斜配置。由此，光路从远离观察者的头部H的位置向靠近的方向折回。
光扫描设备17例如具备MEMS反射镜。光扫描设备17配合光源装置15的调制动作来改变MEMS反射镜的姿势，从而对光进行二维扫描。这样一来，光扫描设备17射出包含图像信息的光。从光扫描设备17射出的光入射至远焦光学***18。远焦光学***18具有使入射光平行化的功能。从光扫描设备17射出的光通过远焦光学***18被平行化，并从图像生成部11射出。
修正光学***12设置于图像生成部11与导光光学***13之间，更加详细而言设置于远焦光学***18与第一反射镜24之间。在本实施方式中，虽然修正光学***12由第一修正透镜21与第二修正透镜22两个透镜构成，但是对修正透镜的数量不做特殊限定。修正光学***12对由来自图像生成部11的光产生的像进行修正，但只要能够通过第一反射镜24以及第二反射镜25的曲率的调整来进行修正，也不一定非要设置修正光学***12。具体而言，例如第二反射镜25可以具有对由第一反射镜24产生的像的失真进行修正的功能。
第一反射镜24由使入射的光的一部分反射，并使入射的光的其他部分透过的曲面状的半透过反射镜构成。半透过反射镜具有例如在塑料等透明板的一个表面施加了半透过反射膜的结构，该半透过反射膜具有通过使入射角大于规定的角度的光反射而进行偏转，使入射角小于规定的角度的光透过的入射角依存性，其中，上述入射角是与透明板的一个表面垂直的方向所成的角度。上述规定的角度能够根据半透过反射膜的设计适当地调整。第一反射镜24以使从图像生成部11射出的光以较大的入射角入射并反射的朝向配置。因此，在观察者观察第一反射镜24时，入射角小的光透过第一反射镜24到达观察者的瞳孔，从而能够视觉确认外界的像。
另外，第一反射镜24由于以这样的朝向配置，所以沿着脸配置。这样，第一反射镜24还具有使显示装置100的外形沿着脸配置的作用，并有助于显示装置100的小型化、外观设计性的提高。此外，第一反射镜24虽然由曲面反射镜构成，但是也可以由平面反射镜构成。另外，第一反射镜24也可以通过使用分色镜来按照不同的颜色发射光。
第二反射镜25由使入射的光的一部分反射，使入射的光的其他部分透过的曲面状的半透过反射镜构成。半透过反射镜由例如使入射光的一部分衍射从而进行偏转的全息反射镜构成。由于半透过反射镜是全息反射镜，所以能够使光的入射角和反射角产生差异。因此，即使第二反射镜25配置于观察者的眼睛的大致正面，也能够将从第一反射镜24以较大的入射角入射的光引导至观察者的瞳孔。另外，在第一反射镜24与第二反射镜25之间的光路上形成中间像。
图5是表示显示装置100的各部分的位置关系的俯视图。
如图5所示，假设通过第二反射镜25的中心C2的切面F。第二反射镜25配置为出瞳的光轴AX1与切面F所成的角度为大致90°。第二反射镜25配置为从第一反射镜24的中心C1朝向第二反射镜25的中心C2的光的光轴AX2与出瞳的光轴AX1所成的角度θ1为锐角。在本实施方式中，从第一反射镜24的中心C1朝向第二反射镜25的中心C2的光的光轴AX2与出瞳的光轴AX1所成的角度设定为大致60°。因此，第一反射镜24相对于第二反射镜25位于观察者的后方侧，即靠近观察者的耳朵侧。
此外，显示装置100的出瞳的光轴AX1与观察者在佩戴显示装置100时的观察者的瞳孔的中心轴一致。
另外，假设通过第一反射镜24的中心C1且与出瞳的光轴AX1平行的轴AX3。图像生成部11配置为从图像生成部11射出的光的光轴AX4与轴AX3相比向远离头部的一侧倾斜。在该情况下，优选从图像生成部11射出的光的光轴AX4与轴AX3所成的角度θ2为15°以下。或者，图像生成部11也可以配置为从图像生成部11射出的光的光轴AX5与轴AX3相比向靠近头部的一侧倾斜。在该情况下，优选从图像生成部11射出的光的光轴AX5与轴AX3所成的角度θ3为5°以下。
在本实施方式的显示装置100中，第一反射镜24与第二反射镜25处于从第一反射镜24朝向第二反射镜25的光的光轴AX2与出瞳的光轴AX1呈锐角(例如为60°)的位置关系。换言之，第一反射镜24相对于第二反射镜25位于观察者的后方侧、即靠近观察者的耳朵的一侧。另外，修正光学***12以及图像生成部11进一步位于第一反射镜24的后方侧。因此，根据本实施方式的显示装置100，减少第一反射镜24、修正光学***12以及图像生成部11妨碍观察者的视野的担忧，从而能够以广阔的范围视觉确认外界的像。并且，第一反射镜24是半透过反射镜，从而能够通过第一反射镜24视觉确认外界的像。除了通过处于视野的中央的第二反射镜25之外，观察者还能够通过处于视野的一端的第一反射镜24视觉确认外界的像，因此能够进一步扩大视野。
本发明的本发明人试做了不具有第一反射镜，仅通过第二反射镜就能够视觉确认外界的现有的显示装置、第一反射镜由反射镜构成的实施例1的显示装置、以及第一反射镜由半透过反射镜构成的实施例2的显示装置，并比较了佩戴各显示装置时的观察者的视野。其结果如图6所示。
在图6中，将现有的显示装置中的视野以附图标记T1来表示，将实施例1的显示装置中的视野以附图标记T2来表示，将实施例2的显示装置中的视野以附图标记T3来表示。
如图6所示，现有的显示装置中的视野T1是以观察者的正面为中心的狭小的范围。与此相对地，实施例1的显示装置中的视野T2是以观察者的正面为中心到第一反射镜的端部为止的范围，与视野T1相比能够扩大范围。并且，由于实施例2的显示装置能够通过第一反射镜视觉确认外界，因此视野T3与视野T2相比能够扩大范围。
另外，在本实施方式的显示装置100中，第一反射镜24以及第二反射镜25占据观察者的头部H的前侧，修正光学***12以及图像生成部11位于靠近观察者的耳朵的一侧头部。第一反射镜24以及第二反射镜25充分地实现轻量化，与此相对，修正光学***12以及图像生成部11具有较多的部件而在轻型化中存在一定限制。这里，修正光学***12以及图像生成部11位于靠近观察者的耳朵的一侧头部，从而显示装置100的重心在靠近耳朵的位置。因此，能够得到如下效果，即在观察者佩戴显示装置100的情况下，例如在头部晃动时等显示装置100可以被稳定地保持在头部。
另外，由于第一反射镜24配置为相对于与出瞳的光轴AX1平行的轴AX3倾斜，所以沿着脸配置。另外，由于在第一反射镜24与第二反射镜25之间的光路上生成中间像，所以在光路上形成光汇聚的部分(在图7中以附图标记F来表示)，从而减少与头部H干扰的担忧。其结果，能够使显示装置100的外形沿着脸配置，并能够使显示装置100成为小型并且智能的装置。另外，例如若在第二反射镜25上生成中间像，则在第二反射镜25上存在缺陷的情况下该缺陷可能对图像带来较大影响。与此相对地，若在第一反射镜24与第二反射镜25之间的光路上生成中间像，则能够将该缺陷对图像的影响抑制在最小限度。
第二实施方式
以下，使用图7对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式的HMD的基本结构与第一实施方式相同，第二反射镜的结构与第一实施方式不同。图7是本实施方式的HMD的俯视图。在图7中，对于在第一实施方式中所使用的与图3共用的构成要素，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。
在第一实施方式中，第二反射镜25由全息反射镜构成，并使从第一反射镜24以较大的入射角入射的光入射至观察者的瞳孔。与此相对地，如图7所示，在本实施方式的显示装置102中，构成导光光学***30的第二反射镜31具有施加了半透过反射膜的结构，其中，半透过反射膜具有使入射光的入射角大于规定的角度的光反射，使入射光的入射角小于规定的角度的光透过的入射角依存性。在该情况下，由于光的入射角与反射角相等，所以第二反射镜31配置为出瞳的光轴AX1与从第一反射镜24朝向第二反射镜25的光的光轴AX2所成的角为锐角，出瞳的光轴AX1与切面所成的角度小于45°。其他结构与第一实施方式相同。
即使在本实施方式中，也能够得到以下与第一实施方式相同的效果，即能够实现具有宽阔视野的显示装置、能够实现在佩戴稳定性、外观设计性优异的显示装置。此外，第二反射镜25也可以由菲涅尔透镜等构成。
第三实施方式
以下，使用图8对本发明的第三实施方式进行说明。本实施方式的HMD的基本结构与第一实施方式相同，第一反射镜以及第二反射镜的结构与第一实施方式不同。图8是本实施方式的HMD的俯视图。在图8中，对于在第一实施方式中所使用的与图3共用的构成要素，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。
在第一实施方式中，第一反射镜24与第二反射镜25是独立的反射镜。与此相对，如图8所示，在本实施方式的显示装置104中，构成导光光学***40的第一反射镜与第二反射镜由一体的反射镜41构成。其他结构与第一实施方式相同。
即使在本实施方式中，也能够得到以下与第一实施方式相同的效果，即能够实现具有宽阔视野的HMD、能够实现佩戴稳定性、外观设计性优异的HMD。另外，根据该结构，能够减少部件件数，从而实现装置结构的简化。
第四实施方式
以下，使用图9对本发明的第四实施方式进行说明。本实施方式的HMD的基本结构与第一实施方式相同，第一反射镜以及第二反射镜的结构与第一实施方式不同。图9是本实施方式的HMD的俯视图。在图9中，对于在第一实施方式中所使用的与图3共用的构成要素，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。
在第一实施方式中，第一反射镜24与第二反射镜25是独立的，右眼用图像显示部110B的各反射镜与左眼用图像显示部110A的各反射镜是独立的。与此相对，如图9所示，在本实施方式的显示装置106中，右眼用图像显示部116B的第一反射镜与第二反射镜、以及左眼用图像显示部116A的第一反射镜与第二反射镜全部由一体的反射镜51构成。其他结构与第一实施方式相同。
即使在本实施方式中，也能够得到以下与第一实施方式相同的效果，即能够实现具有广阔视野的HMD、能够实现佩戴稳定性、外观设计性优异的HMD。另外，根据该结构，能够减少部件件数，从而实现装置结构的简化。
此外，本发明的技术范围不限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内加入各种变更。
例如在上述实施方式中，虽然列举了具备光扫描设备的图像生成部的例子，但是也可以代替该结构，设置具有液晶面板、有机EL面板等的图像生成部。第一偏转部以及第二偏转部不限定于反射镜、上述的菲涅尔透镜，例如也可以是具备棱镜等的部件。另外，图像显示装置的各部分的具体的结构不限定于上述实施方式，能够适当地进行变更。
附图标记说明：
11…图像生成部；12…修正光学***；13、30、40…导光光学***；24…第一反射镜(第一偏转部)；25…第二反射镜(第二偏转部)；100、102、104、106…显示装置。

Claims (9)

1.一种图像显示装置，其特征在于，具备：
图像生成部，其射出包含图像信息的光；以及
导光光学***，其以朝向出瞳的位置的方式生成由来自所述图像生成部的光产生的像，
所述导光光学***具备：
第一偏转部，其使从所述图像生成部射出的光偏转；以及
第二偏转部，其使通过所述第一偏转部偏转了的光进一步偏转而引导至所述出瞳的位置，并使外光的一部分透过，
从所述第一偏转部朝向所述第二偏转部的光的光轴与所述出瞳的光轴呈锐角。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第一偏转部由反射镜构成。
3.根据权利要求2所述的图像显示装置，其特征在于，
所述反射镜是使入射的光的一部分反射，使入射的光的其他部分透过的半透过反射镜。
4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第二偏转部是使入射的光的一部分进行衍射并偏转的全息反射镜。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第二偏转部由使入射的光的一部分反射，使入射的光的其他部分透过的半透过反射镜构成。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
在所述第一偏转部与所述第二偏转部之间的光路上生成中间像。
7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第二偏转部对通过所述第一偏转部使光偏转从而产生的像失真进行修正。
8.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
在所述第一偏转部与所述图像生成部之间的光路上，具备修正所述像的修正光学***。
9.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述第一偏转部与所述第二偏转部由一体的反射镜构成。
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