CN111201478A - 虚像投射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率且小型的虚像投射装置，其通过在不降低有效的照明光的情况下使照亮***变得小型，并与投射***小型地组合，能够抑制向光源的电力供给，而且能够显示高亮度的图像。在使人眼看到影像的虚像投射装置中，具备射出预定角度分布的光的假想光源面(116)、使来自假想光源面(116)的光聚集的成像透镜(117)、以及生成影像的显示器(120)，在将假想光源面(116)配置于成像透镜(117)的前侧的大致焦点位置的情况下，将显示器(120)配置于成像透镜的后侧的大致焦点位置。

Description

虚像投射装置

技术领域

本发明涉及一种头戴式显示器等虚像投射装置。

背景技术

一直以来，公知一种使用者佩戴于自身的头部来利用的被称作头戴式显示器(Head Mounted Display，以下省略为HMD)的虚像投射装置。使用者通过视觉来识别HMD所显示的视频、静止图像的虚像，由此能够获取各种信息。

为了能够在各种环境下使用HMD，有想要携带HMD的迫切期望。为了携带HMD，HMD必须变得小型。并且，为了携带并驱动，考虑搭载电池来利用的方式。为了增加图像的亮度并延长驱动时间，需要增大电池的放电容量。尤其是在两眼式HMD中，若同时使光源点亮来生成对左右各个眼睛显示的图像，则光源的耗电量变大。承受较大的耗电量且放电容量较大的电池变得大型，HMD也变得大型。

与此相关，在专利文献1中公开一种虚像显示装置，其通过由棱镜形的部件引导影像光来生成中间图像，能够使光学***整体变得小型。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-174429号公报

发明内容

发明所要解决的课题

为使HMD显示图像，需要具有利用HMD所具备的光源的发光来照亮显示器并利用投射***将由显示器生成的影像光生成虚像的功能的光学***。来自光源的光由照亮***引导到显示器，但为了相对于每单位的光源的发光提供明亮的影像，需要高效率的照亮***。另外，为了使由显示器生成的影像光射入到使用者的眼睛来识别影像，需要将影像光转换成在视网膜上成像的光束的投射***。若要实现高效率的HMD，则需要提高照亮***的效率，其结果，照亮***具有变得大型的趋向。并且，为了使HMD的光学***变得小型，必须缩小用于组合照亮***和投射***的空间。

在专利文献1所记载的虚像显示装置中，成为使影像光在导光部件内部反射来生成中间图像的结构。据此，能够使光学***整体变得小型且轻型，同时能够实现广视角且明亮的显示。但是，由于导光部件是由透明材质形成并具有曲面的块，所以有重量增加的课题。

本发明的目的在于提供一种高效率且小型的虚像投射装置，在虚像投射装置中，不会降低光学***的亮度效率。

用于解决课题的方案

本发明是一种使人眼看到影像的虚像投射装置，具备：假想光源面，其射出预定角度分布的光；成像透镜，其使来自上述假想光源面的光聚集；以及显示器，其生成影像，在将上述假想光源面配置于上述成像透镜的前侧的大致焦点位置的情况下，将显示器配置于上述成像透镜的后侧的大致焦点位置。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种高效率且小型的虚像投射装置，其通过在不降低有效的照明光的情况下使照亮***变得小型，并与投射***小型地组合，能够抑制向光源的电力供给，而且能够显示高亮度的图像。

附图说明

图1A是示出佩戴在使用者3的头上的HMD1的简要结构的图。

图1B是示出HMD1的正面的图(实施例1)。

图1C是示出HMD1的上表面的图。

图2是示出影像显示部10的结构的一例的图。

图3A是示出影像显示部10的结构的一例的主视图。

图3B是示出影像显示部10的结构的一例的俯视图。

图4是示出颜色合成部115的结构的一例的图。

图5是示出多透镜阵列116的功能的图。

图6是假想光源与成像透镜117的位置关系的说明图。

图7是示出假想光源与成像透镜117接近的案例的图。

图8是假想光源与成像透镜117的位置关系的说明图。

图9A是示出成像透镜117的结构的一例的图(实施例2)。

图9B是示出成像透镜117的结构的一例的图。

图10是示出成像透镜117的结构的一例的图。

图11是示出带棱镜的成像透镜118的结构的一例的图(实施例3)。

图12是示出显示器120的配置结构的变形例的图(实施例4)。

图13是示出显示器120的配置结构的变形例的图。

图14是示出影像光耦合部15的变形例的图(实施例5)。

具体实施方式

以下，使用附图来详细地说明本发明的实施方式。以下的说明中，采取了头戴式显示器(HMD)作为虚像投射装置，但如果是显示使用者能够目视确认的虚像的装置则都包括在本发明的范围内。

实施例1

图1A～图1C是示出两眼式HMD的使用形态和简要结构的图。图1A示出两眼式HMD1的简要结构。使用者3将两眼式HMD1佩戴于自身的头部，并通过视觉来识别两眼式HMD1所显示的左右的图像。

图1B是示出实施例1的HMD1的正面的图。是从使用者3佩戴的一侧观察到的图。两眼式HMD1具备右眼用影像显示部10R、左眼用影像显示部10L、右眼用导光部11R、左眼用导光部11L、以及保持部19。右眼用影像显示部10R具备照明部13R和投射部14R，左眼用影像显示部10L具备照明部13L和投射部14L。右眼用影像显示部10R、左眼用影像显示部10L、右眼用导光部11R、左眼用导光部11L分别具备右眼用影像光耦合部15R和左眼用影像光耦合部15L。保持部19是用于保持两眼式HMD1的结构部件的全部或者一部分的箱体。使用者3将至少包括保持部19的装置佩戴于头部来使用两眼式HMD1。

图1C是示出实施例1的HMD1的上表面的图。右眼用影像显示部10R及上述左眼用影像显示部10L分别生成右眼用及左眼用的图像，并射出影像光12R及影像光12L。从照明部13R及照明部13L照出的照明光经由投射部14R及14L射出，之后所射出的影像光12R及影像光12L分别由右眼用导光部11R及左眼用导光部11L引导到使用者3的右眼及使用者3的左眼。被引导到使用者3的右眼及使用者3的左眼的影像光12R及影像光12L的一部分或者全部到达至未图示的使用者3的视网膜。

以下，关于右眼用影像显示部10R及左眼用影像显示部10L、右眼用导光部11R及左眼用导光部11L、影像光12R及影像光12L、照明部13R及照明部13L、投射部14R及投射部14L、影像光耦合部15R及影像光耦合部15L，在不需要区别左右的情况下，集中记载为影像显示部10、导光部11、影像光12、照明部13、投射部14、影像光耦合部15。

图2是示出影像显示部10的结构的一例的图。影像显示部10具备光源部110、聚光透镜114、颜色合成部115、多透镜阵列116、成像透镜117、带棱镜的成像透镜118、反射部119、显示器120、以及虚像投射器130。

光源部110射出影像显示部10用于生成图像的光。光源部110具备射出红色(R)的光的光源、射出绿色(G)的光的光源、以及射出蓝色(B)的光的光源。使上述光源依次周期性地点亮，来以场序方式显示全彩图像。从光源部110射出的光向聚光透镜114射入。

聚光透镜114使从光源部110射出的光束大致成为平行光(以下称作准直光。)。

颜色合成部115根据光源部110所射出的光束的波长使光束选择性地反射、透射来合成各颜色光束，从而生成用于提供全彩影像光12的照明光。

多透镜阵列116具备多个与射入面及射出面对置的透镜。射入面所具备的透镜使射入的近似准直光朝向射出面所具备的透镜聚集。另一方面，多透镜阵列116的射出面所具备的透镜以与分别对置的射入面所具备的透镜的开口形状对应的配光分布射出。

成像透镜117使多透镜阵列116射出的光束朝向显示器120成像。成像的是使多透镜阵列116的射入面所具备的各个透镜的开口的像重叠后的像。照亮多透镜阵列116所具备的开口的光的强度分布并非一致，但由后阶段的成像透镜117等使之重叠，从而能够提供具有均匀的强度分布的照明光。即，有能够提供抑制了亮度不均的影像的优点。

带棱镜的成像透镜118对成像透镜117的射出光的行进方向进行变更。通过对射出光的行进方向进行变更，来使照明部13与投射部14的排列形成为一条直线以外的折弯后的形状，有提高外观设计的自由度的优点。

反射部119不仅反射，也可以构成为至少一次反射射入光，并根据偏振光的方向使光透射。在显示器120使用利用偏振光来生成影像的液晶面板等的情况下，能够分离成为影像的有效光与无效光来生成影像光12。在所利用的显示器120如透射式液晶面板那样显示器120的透射光成为影像光12的情况下，也可以利用不透射反射部119的光学部件。

显示器120例如具备反射型LCOS(Liquid Crystal On Silicon)，基于影像信号，调制从光源部110射入的光而生成图像。但是，在场序方式的情况下，显示器120不具备转换颜色的过滤器等，生成与所射入的光大致相同颜色的图像。由显示器120生成的图像的光成为影像光12，并向虚像投射器130射入。

虚像投射器130投射显示器120的像。为了使显示器120的像以在与使用者3之间存在所希望的距离的方式成像于视网膜，虚像投射器130提供影像显示部10的像作为虚像。为了提供虚像，显示器120的这样生成的影像光12经由影像光耦合部15而朝向导光部11。

影像光耦合部15使虚像投射器130所投射的影像光12射入之后，由影像光耦合部15所具备的平面进行内表面反射，沿与导光部11大致垂直的方向射出影像光12。影像光耦合部15可以在该反射面内使用全反射，并且在通过内部的影像光12相对于反射面的法线以比临界角小的角度射入的情况下，也可以为了防止由泄漏导致损失而使用镜面镀膜。若能够利用全反射面，则能够避免由镜面镀膜导致的成本增加，从而能够低成本且高效率地传播影像光12。若利用镜面镀膜，则不会受到由影像光耦合部15的折射率决定的临界角的制约，有提高保持部19的外观设计的自由度的优点。

导光部11从虚像投射器130获取显示器120所生成的影像光12，使之在内部反射，并引导到使用者3的眼前。而且，从与导光部11的眼睛对置的区域射出影像光12，并使影像光12成像于使用者3的视网膜。在上述结构的情况下，缓和虚像投射器130与使用者3的眼睛的位置关系的制约，能够自由地设定虚像投射装置的配置，并且能够避免使用者3的眼睛与虚像投射器130的瞳孔偏离而影像的一部分或者全部欠缺的状况，从而有能够提供对于使用者3而言容易观看的虚像的优点。在导光部11的内部面反射中能够使用利用衍射现象的全息照相、进行镜面反射的反射镜、将射入的光束分离成透射光和反射光的半透半反镜、全反射。

在以上说明的光学部件中，照明部13由光源部110、聚光透镜114、颜色合成部115、多透镜阵列116、成像透镜117、带棱镜的成像透镜118、以及反射部119构成。若能够照亮显示器120，则也可以省略一部分部件。

投射部14由存在于虚像投射器130至显示器120之间的光学部件构成。例如，若反射部119使显示器120所生成的影像光12透射，则考虑反射部119的透射特性及折射来构成投射部14。虚像投射器130的后焦距位置根据反射部119的折射、以及影像光12在反射部119的内部透射的距离而延长。由于投射部14的后焦距比虚像投射器130的后焦距位置长，所以必须以修正其延长距离的方式配置投射部14。并且，在使照明部13、投射部14相独立的情况下，相对配置具有自由度，从而在组装影像显示部10时，能够有余地来优化由构成照明部13的光学部件的配置偏离等导致的光学性能的偏差和由构成投射部14的光学部件的配置偏离等导致的光学性能的偏差。另外，由于能够分别独立地操作，所以当组装照明部13、投射部14时，容易调整分别构成照明部13、投射部14的光学部件。因此，若照明部13和投射部14相独立地构成，则在组装时调整，从而容易提供高性能的影像显示部10。

图3A和图3B是示出影像显示部10的结构例的图，图3A示出主视图，图3B示出俯视图。为了向影像显示部10提供彩色影像，光源部110具备110G、110RB来发出三种颜色的光。

光源部110G射出绿色的光(G光)，光源部110RB射出红色和蓝色的光(R光和B光)。在光源部110RB中，光源部110R和光源部110B安装在同一封装体中。图3A、图3B中，示出在同一封装体中安装有两种颜色的光源部110RB作为例子，但可以三个光源安装在分别独立的封装体内，并且也可以两个以上的光源集成地安装在一个封装体内。以下，也将“光源部”简单地称作“光源”。

从光源110RB、110G的任一个射出的光向聚光透镜114射入。聚光透镜114配置为各光源部110大致位于其合成焦点位置的关系。从光源部110射出的光束向聚光透镜114射入而成为准直光。来自各光源部110的准直光朝向颜色合成部115射出。

图3B中示出颜色合成部115使用了楔形的分色镜的例子。分色镜使R光、B光以及G光的光轴对齐并合成，合成各颜色的准直光并射出。

多透镜阵列116接受从颜色合成部115射出的近似准直光束。近似准直光由聚光透镜114生成，成为具有与光源部110的发光区域对应的光的扩散的准直光束。若由在多透镜阵列116的射入侧配备的透镜聚光，则使光源部110的像成像在多透镜阵列116的射出侧的透镜上。在多透镜阵列的射出侧配备的透镜射出与在多透镜阵列的射入侧配备的透镜的开口形状对应的配光分布的光束。

从多透镜阵列射出的光束向成像透镜117射入。成像透镜117一边聚集准直光一边使之朝向带棱镜的成像透镜118射出。

带棱镜的成像透镜118由透明材质构成，是具有射入面、反射面以及射出面的光学材料。如图3A所示，带棱镜的成像透镜118在相对于成像透镜117的光轴倾斜的射入面、平面的反射面以及射出面具备透镜。它们也可以一体成型，并且透镜设为非球面透镜来修正像差。利用成像透镜117和带棱镜的成像透镜118，一边聚集从多透镜阵列116射出的准直光一边使进路大致呈直角地弯曲。

反射部119具有偏振光选择性的反射性能。例如，S偏振光反射但P偏振光透射。图3A中，从带棱镜的成像透镜118射出的光束中的S偏振光被反射而照亮显示器120。该照明光形成为与在多透镜阵列116的射入侧配备的透镜单体的开口形状大致相似的形状。

图3A所示的显示器120示出反射型LCOS的例子。本结构中，从反射部119向显示器120射入的照明光是S偏振光。为了根据影像信号在空间上调制所射入的照明光的偏振光使之作为影像且作为有效的像素而明亮地发光，转动偏振光使之成为P偏振光。利用反射部119的使P偏振光透射的偏振光选择性，使影像光12朝向虚像投射器130透射。当在反射部119的表面存在微小的凹凸、歪斜的情况下，影像光12在透射时由微小的凹凸面折射，会导致影像失真。但是，对于在反射的情况下反射部119的面的紊乱而言，在例如设为具有1°的倾斜度的情况下，反射后的光偏离2°，而透射的情况下的折射的紊乱较小。在使用上，照明光即使歪斜也是在生成影像光12之前，不会到达使用者3的眼睛，从而视觉上的影响较少。但是，若影像光12歪斜，则有使用者3的眼睛将该歪斜视为影像的歪斜的可能性。因此，以影像光12透射反射部119的方式生成影像的话，有能够实现高画质的优点。

当然，显示器120能够根据影像信号的强度来对影像光12调整偏转程度，从而添加灰度。透射反射部119后的影像光12向虚像投射器130射入。虚像投射器130至少由一片以上的透镜构成。虚像投射器130具有将显示器120上的空间的光强度的强弱转换成配光分布的光学特性。为了构成虚像光学***，显示器120位于比虚像投射器130的焦点位置靠内侧。例如，为了使虚像成像在无限远处，使之与虚像投射器130的焦点位置一致。并且，射出的影像光12的视场角根据显示器120的大小和虚像投射器130的焦距来决定。虚像投射器130的焦距越短，并且显示器120越大，则视场角越大。

影像光耦合部15由棱镜构成。在棱镜的情况下，与通过反射镜反射而折回相比，能够在维持光路长度的状态下缩短物理距离，从而有能够小型地构成的优点。并且，根据导光部11和虚像投射器130的倾斜角来决定。对于影像光耦合部15的反射面而言，若以镜面加工后的全反射面使光反射，则没有光学损失，从而优选。然而，在使视场角较大的影像光12反射的情况下，且在不满足全反射条件而产生泄漏的光束的情况下，也可以实施镜面镀膜。若影像光耦合部15的形状呈影像光12垂直地向影像光耦合部15的射入面射入、并垂直地从射出面射出的形状，则射出后的影像光12不会产生颜色分离，能够提供高画质的影像显示部10，从而优选。在不满足上述条件的情况下，由于影像光耦合部15所使用的媒质的分散，并由于射入时和射出时的波长的折射角度的不同，影像光12产生颜色偏离。若影像光耦合部15呈将等腰三角形作为截面的柱形状，则有制造容易且能够廉价地提供的优点。

导光部11将从影像光耦合部15射出的影像光12传播至与使用者3的眼睛对置的位置。当射入到导光部11的影像光12在沿导光部11内部传播后射出时，需要维持其射出方向。作为满足上述条件的光学***，例如能够使用具备至少一个以上的全息照相元件、平行地构成的一片以上的半透半反镜的结构。并且，若在导光部11的射入面存在不透射而反射出的影像光12，则上述反射出的影像光12在投射部14中逆行。而且，由任一个光学部件反射，再次穿过投射部14而重叠于影像光12，从而导致使影像品质劣化的双重图像。为防止该情况，也可以在导光部11的射入部的近前具备1/4波长板。当可能成为重影的影像光12透射、反射时大致偏转90度，不会因具有偏振光选择性的反射部119而再次返回到投射部14，从而能够防止双重图像的产生。尤其是，在导光部11具备全息照相面且影像光12的反射率比菲涅尔反射率高、例如存在4％以上的反射率的情况下，起到较大的效果。若像这样构成，则能够提供抑制了双重图像的产生的高品质的虚像投射装置。

图4是示出颜色合成部115的图。详细地说明颜色合成部115的作用。聚光透镜114是配置于各光源部110的前方的透镜，具有使来自光源部110的射出光束变成准直的功能。也可以由一片以上的透镜、反射镜构成。图4中示出与光源110G对应的聚光透镜114作为聚光透镜114G，并示出与光源110RB对应的聚光透镜114作为聚光透镜114RB。并且，聚光透镜114分别示出由两片构成的例子。

图4中示出颜色合成部115利用了分色镜的例子。颜色合成部115的相对于G光的射入面和射出面的倾斜角度不同，从而在射入时和射出时折射角不同，在G光的射入射出的过程中能够使光轴1140G的方向变化。另一方面，关于光源110R、光源110B的光轴，具备利用分色镜的各面与光源110RB对置的面115R和面115B来使光轴对齐的功能。面115R具有反射R光、并使作为波长比R光的波长短的光的G光和B光透射的波长选择性。并且，面115B具有反射波长比B光的波长短的光、并使波长比B光的波长长的G光、R光透射的波长选择性。来自光源110RB的R光的光轴1140R由面115R反射而与G光的光轴1140G一致。B光的光轴1140B由面115R折射并透射，由面115B反射而再次向面115R射入。当向空气中射出时，折射而与G光的光轴1140G一致。其结果，三种颜色光的光轴大致一致而成为光轴1140RGB，并朝向多透镜阵列116射出。

为了形成为上述结构，当从图4的方向观察时，发出R光的光源110R配置于左侧，发出B光的光源110B配置于右侧，并在比穿过聚光透镜114RB后光轴1140R与光轴1140B一次交叉的位置靠远方的位置配置有颜色合成部115。以包括光轴1140R、光轴1140B在内的平面作为剖切面的颜色合成部115的截面呈朝向光源110RB侧变细的楔形，光源110R侧是成为远离光源110RB的方向的倾斜的方向。而且，颜色合成部115的与光源110RB对置的面的顺序以面115R配置为比面115B更接近光源110RB的姿势来配置即可。为了使透射楔形的颜色合成部115后的光轴与光轴1140RGB对齐，光源110G和聚光透镜114G相对于颜色合成部115绕顺时针方向倾斜。即，光源110RB和光源110G以比90度大的角度配置。来自光源部110G以及光源部110RB的发光光束通过聚光透镜114而成为准直光并射出，之后由颜色合成部115合成而成为沿光轴1140RGB的准直光，并向多透镜阵列116射入。

例如，颜色合成部115能够使用顶角4.39°的楔形形状。在该形状的情况下，能够合成三种颜色的光而处理为好像从一个光源部110射出。

图5中，详细地说明多透镜阵列116。在多透镜阵列116的射入侧配备的透镜单体116i(射入侧透镜单体)期望使光源部110的像成像于在多透镜阵列116的射出侧配备的透镜单体116o(射出侧透镜单体)的开口。为了实现该情况，向射入侧透镜单体116i射入的照明光的F值比射入侧透镜单体116i的F值大即可。

在上述结构的情况下，利用包括聚光透镜114和射入侧透镜单体116i在内的光学***，能够使光源成像为比射出侧透镜单体116o的开口小。即，在射出侧透镜单体116o的开口比光源的发光区域大的情况下，射入侧透镜单体116i的焦距比聚光透镜114的焦距短。并且，由于从聚光透镜114射出的准直光所成像的位置为焦点位置，所以多透镜阵列116的厚度与射入侧透镜单体116i的焦距大致相同。另一方面，多透镜阵列116整体的有效开口充分接受来自聚光透镜114的照明光即可。因此，在由照明光大致呈圆形地照亮多透镜阵列116的开口的情况下，若开口预先形成为例如圆形、与其外接的大致正方形，则能够恰如其分地使照明光射入，从而效率高。

在上述结构的情况下，向多透镜阵列116射入的射入光收敛在对置的射出侧透镜单体116o的开口内，从而有能够在开口处无损失且高效率地射出的优点。

射出侧透镜单体116o具有将射入侧透镜单体116i的开口的形状转换成配光分布来射出准直光的功能。即，射出侧透镜单体116o的焦点位置与射入侧透镜单体116i大致一致。并且，当将射入侧透镜单体116i视为二次光源时，根据朝向成像透镜117的光束的扩散角来决定焦距。

因此，射入侧透镜单体116i的焦距、射出侧透镜单体116o的焦距、以及多透镜阵列116的厚度大致相同。根据上述的条件，向多透镜阵列116射入的光束的射入光的发散角度θi与射出光的发散角度θo相等。图5中虽未图示，但对于聚光透镜114所射出的光束的扩散比射入光的发散角度θi小的光束，也能够使之无损失地从射出侧透镜单体116o射出，从而有能够构成通过率较高且高效率的照亮***的优点。

图6、图7、图8中，详细地说明多透镜阵列116与成像透镜117的位置关系。并且，多透镜阵列116也可以是其它假想光源面。

为了提高效率以及照明光的均匀性，使用组合多透镜阵列116和光源部110、聚光透镜114而成的结构，但也能够代替上述结构而使用其它的面发光的光源作为假想光源面。例如，也可以是OLED(Organic Electro-Luminescence)等平面光源、组合激光光源和透射性的扩散板而成的装置。

图6中示出多透镜阵列116与成像透镜117的位置关系的一例。多透镜阵列116相对于成像透镜117位于从成像透镜117的前侧焦点1170b离开的方向。

显示器120示出透射式影像显示元件的例子，例如能够利用透射式液晶元件。当然，也可以使用反射型影像显示元件等其它影像显示元件。虚像投射器130具备接受由显示器120调制后的射出光并透射虚像的功能。

从多透镜阵列116射出的照明光是具有角度的光束，从而在到达成像透镜117之前扩散。图6中示出充分取得成像透镜117与多透镜阵列116之间的距离、并充分大地照亮成像透镜117的开口的状况。来自多透镜阵列116的照明光向成像透镜117射入而成像于后侧焦点1170a。上述的像是多透镜阵列116的射入面所具备的透镜单体116i的实像。显示器120配置为与成像透镜117的后侧焦点1170a大致一致，以便透镜单体116i的实像与显示器120大致一致。在上述结构的情况下，有能够相对于显示器120恰如其分且高效地照射从多透镜阵列116射出的照明光的优点。

由于多透镜阵列116相对于成像透镜117位于从成像透镜117的前侧焦点1170b离开的位置，所以从成像透镜117射出的光束沿收束的方向射出。通过成像透镜117后的光束在成像于与显示器120大致相同的位置后，沿朝向成像透镜117的光轴的收束的方向前进。因此，虚像投射器130高效地获取光束，从而能够提供抑制了损失的虚像投射装置。并且，能够小型地配置多透镜阵列116、聚光透镜114、以及光源部110，从而能够提供小型的虚像投射装置。

例如，若多透镜阵列116设为透镜单体116i及透镜单体116o的横向的周期为0.502，纵向为0.283，曲率半径为0.51，厚度为1.2，则在横向上获得大致F2.4的照明光。在需要其它F值的照明光的情况下，例如若不改变透镜单体116i、116o的形状，则呈使曲率半径以及透镜单体116i、透镜单体116o之间的厚度与所希望的F值大致成比例的形状即可。但是，为了增大F值，因来自光源的照明光的制约，具有通过率降低的倾向，因此，也可以通过变更透镜单体116i、116o的大小来调整成容易实现曲率半径、透镜间距离的值。

当F为2.4时，多透镜阵列116的有效开口例如也可以呈横向5.44、纵向5.53的大致正方形。该形状与从前阶段的光源部110照射的光的照明范围的形状一致即可，不依赖于多透镜阵列116所射出的照明光的F值。

图7中示出多透镜阵列116与成像透镜117接近的结构。多透镜阵列116的射出光由成像透镜117聚集，并成像于成像透镜117的后侧焦点1170a。

在图7的结构的情况下，能够使来自多透镜阵列116的射出光成像在显示器120上并高效地照亮，但通过显示器120后的光束中相对于由斜线部示出的光轴具有角度的一侧的光束无法向虚像投射器130射入，无法用作影像光，从而损失。并且，为了照亮显示器120，必须用光束充满成像透镜117的开口整体。在图7的结构中，多透镜阵列116与成像透镜117接近，从而两者需要同等的大小。另外，为了使光束从多透镜阵列116的开口整个区域射出，聚光透镜114也需要同等的尺寸。这样，若多透镜阵列116与成像透镜117接近，则聚光透镜114以及光源部110变大，照明部13变得大型。

图8中示出多透镜阵列116与成像透镜117的位置关系的变形例。多透镜阵列116与成像透镜117的前侧焦点1170b大致一致。

由于从多透镜阵列116射出的光束是具有角度的光束，所以在到达成像透镜117之前扩散。图8中示出以下状况：相对于成像透镜117与多透镜阵列116之间的距离，多透镜阵列116的射出光束充分地扩散，从而充分地照亮成像透镜117的开口。由于使成像透镜117的前侧焦点1170b配置为与多透镜阵列116大致一致，所以从多透镜阵列116的中央射出的光束、即从成像透镜117的前侧焦点1170b射出的光束由成像透镜117聚集而成为准直光，照亮显示器120。并且，相对于从多透镜阵列116的射出开***出的光轴具有角度并照射的光束成为成像在显示器120上的光束。尤其是，具有角度地从多透镜阵列116射出的照明光到达相对于显示器120的法线对称的角度范围内。在上述结构的情况下，通过显示器120后的影像光12也以具有相对于成像透镜117以及虚像投射器130的光轴对称的扩散的方式前进。在这样的影像光12的情况下，即使虚像投射器130是远心***，也能够高效地获取通过显示器120后的影像光12，从而能够提供高效率的光学***。

此外，若利用由远心光学***构成的虚像投射器130，则有能够提供在画面整个区域内亮度不均较小的虚像投射装置的优点。

当着眼于成像透镜117的开口形状时，在图6、图7、图8中的任一结构中，成像透镜117的开口都必须比显示器120大。在上述结构的情况下，在通过显示器120后，能够提供具有从显示器120整个区域朝向虚像投射器130的扩散的影像光12，从而能够提供抑制了影像中的暗区的产生、影像的欠缺的影像。

成像透镜117例如能够使用具有曲率半径R为12.676且圆锥系数为－5.063366的非球面的平凸透镜。这通过对照上述多透镜116的照明光并与在后阶段具备的带棱镜的成像透镜118组合，能够构成以F2.4照亮显示器120的光学***。

如上所述，在实施例1的结构的情况下，利用高效率且小型的照明部13向显示器120照射照明光，并组合高效率地生成全彩且高画质的虚像并投射的投射部14，从而能够提供高效率且小型的虚像投射装置。

实施例2

图9A、图9B、图10中，详细地说明实施例2中的成像透镜117。

期待成像透镜117的以下功能：使来自多透镜阵列116的射出光成像在显示器120上，并作为有效光束向在其后阶段配备的虚像投射器130提供影像光。为了在影像整个区域内充分明亮地显示从虚像投射器130射出的影像光12，来自显示器120的光束需要相对于虚像投射器130可以获取的F值具有充足的扩散。为此，必须使从显示器120射出的影像光12的F值小于虚像投射器130的F值。并且，由于从显示器120射出的光束需要以无损失的方式高效地由虚像投射器130获取，所以没有必要减小显示器120的射出光的F值，而不会产生未由虚像投射器130获取的损失光，这样较为良好。即，若使虚像投射器130与照明光的F值一致，则从聚光透镜114射出的照明光恰如其分地通过多透镜阵列116，成像透镜117使上述照明光高效地通过来照亮显示器120。当由显示器120调制后的影像光12的F值、即照明光的F值与成像透镜117的F值匹配时，抑制损失而效率变得最高。

并且，当光学部件的F值恒定时，存在若焦距较长则有效直径变大的关系。

在显示器120配置为与成像透镜117的后侧焦点大致一致的情况下，为了实现光学***的小型化，期望缩短成像透镜117的焦距。但是，若缩短焦距，则曲率半径变小。若曲率半径变小，则容易产生像差，光学性能具有降低的倾向，从而不能随便地缩短焦距。并且，由于成像透镜117必须比显示器120大，所以在缩短焦距来缩小成像透镜117的有效直径的方面也有极限。

图9A中示出成像透镜117是单透镜的结构。在成像透镜117的F值较小的情况下，必须增大成像透镜117的开口并缩短焦距。为了用单透镜来实现上述情况，曲率半径变小，并且因几何学的制约，有不能获得成像透镜117所需要的有效直径的情况。

图9B中示出将成像透镜117分割成两个成像透镜117a、117b的结构的一例。此处，示出在分割出的成像透镜117a、117b之间存在空间的结构，但它们可以一体成型，也可以粘接来构成。

在分割出的成像透镜117a、117b的合成焦距与分割前的成像透镜117的焦距一致的情况下，能够增大成像透镜117a、117b的曲率半径。若曲率半径变大，则容易确保透镜的边缘面，与由单透镜构成成像透镜117的结构相比，更容易增大成像透镜117a、117b的有效直径。另外，也难以产生球面像差，能够进一步高效地向显示器120照射照明光。

在上述结构的情况下，在将F值设为恒定的情况下，能够在增大有效直径的状态下缩短焦距来实现小型化。相反，当焦距恒定时，能够增大有效直径来增加获取光。由于存在上述关系，所以有能够提高光学***的外观设计的自由度的优点。

若与虚像投射器130的F值一致，则在向显示器120的整个区域照射照明光后，虚像投射器130能够恰如其分地投射影像光12，从而能够抑制损失来提供高效率的光学***。

图10中示出成像透镜117的其它形态。示出分割成两个成像透镜117a、117b并***有棱镜117c的结构。图10中示出在成像透镜117a、117b与棱镜117c之间存在空间的结构，但任一组合、或者所有组合可以一体成型，也可以粘接来构成。

在成像透镜117a、117b隔着空间配置来构成合成透镜的情况下，若在空间内***棱镜117c，则能够在维持***棱镜117c前的合成透镜的光学性能的状态下使成像透镜117a、117b之间物理性地分离。若能够使成像透镜117a、117b之间物理性地分离，则能够在它们之间形成空间上的余裕，从而有改善光学***的外观设计的自由度的优点。

利用在上述结构中形成的空间上的余裕，将具备使光轴折弯等功能的棱镜117c与成像透镜117a、117b的至少一个以上形成为一体，并且能够将具备使光轴折弯的反射面的部件用作带棱镜的成像透镜118。

如上所述，在实施例2的结构的情况下，通过将成像透镜117分割成多个透镜面，能够增大曲率半径。由此构成增加获取光、并抑制了球面像差的高效率的照亮***，从而能够提供高效率的虚像投射装置。并且，若利用棱镜117c，则能够提供提高了光学***的外观设计的自由度的虚像投射装置。

实施例3

图11中，详细地说明实施例3中的带棱镜的成像透镜118。

带棱镜的成像透镜118具备射入面118a、使光轴反射的反射面118b、以及射出面118c。带棱镜的成像透镜118由透明体构成。例如，在由光学塑料等树脂构成的情况下，能够使用金属模具来注射成型。在注射成型中，能够使棱镜与透镜形成为一体来制造。相对于此，在由玻璃透镜和玻璃棱镜的组合来构成的情况下，玻璃透镜的球面透镜以外的曲面的制造成本增大，为了与棱镜形成为一体，需要光学贴合的劳力和时间。另外，为了扩大全反射的角度，提高折射率是有效的，但折射率较高的玻璃与相同折射率的树脂相比，具有变得昂贵的倾向。因此，若使用由树脂一体成型的带棱镜的成像透镜118，则有能够减少虚像投射装置的制造成本的优点。

图11所示的带棱镜的成像透镜118以射入面118a相对于成像透镜117的光轴倾斜、并在射出面118c具备非球面透镜的形状来一体成型。作为其它方法，考虑在廉价的玻璃棱镜的反射面实施镜面镀膜、且作为其它部件而同时采用非球面透镜的方法。但是，当试图使带棱镜的成像透镜118具有高功能时，例如，在透镜面使用非球面透镜的情况下，切削、研磨玻璃制的非球面透镜的工序变得昂贵，或者在由玻璃模制件来制造的情况下，材料的选择项较少而变得昂贵。并且，除了非球面透镜的制造成本之外，由于成为与棱镜相独立的部件，所以为了获得光学性能，要求棱镜的粘合面的研磨、粘贴位置精度，从而制造成本增大。另一方面，在利用树脂来一体成型的结构的情况下，即使利用非球面透镜，也能够一体成型，从而能够省略粘合所需的工序，也存在能够用于注射成型的材料的选择项，有能够廉价地制造的优点。

在图11的情况下，成像透镜117以单体的方式存在，但通过与带棱镜的成像透镜118所具备的射出面118c的透镜组合，作为合成透镜发挥功能。并且，当一体成型时，在与球面透镜相比的非球面透镜的制造成本增量中，金属模具加工费占据大半部分，从而与通过切削研磨来制造的情况相比，形成为非球面的制造成本增量较小。因此，在将使棱镜与透镜一体成型作为前提而制造的带棱镜的成像透镜118中，将射出面118c作为非球面透镜，能够抑制制造成本增量，从而成像透镜117成为制造成本比较廉价的曲面透镜。由此，能够在维持作为成像透镜117和带棱镜的成像透镜118的合成透镜的光学性能的状态下抑制制造成本。

并且，本实施例的带棱镜的成像透镜118的射入面118a相对于成像透镜117的光轴倾斜。倾斜的方向是成像透镜117的光轴向射出面118c侧折射的方向，使相对于反射面118c形成较小的角度的光轴折射。在上述结构的情况下，光束容易全反射，即使不进行镜面镀膜，也不会使光束泄漏，从而能够高效地反射照明光。

射入面118a相对于成像透镜117的光轴倾斜θ1。反射面118b相对于带棱镜的成像透镜118的射出光轴倾斜θ2。决定θ1及θ2以便照明光传播。作为最简单的例子，考虑使用具有直角等腰三角形的截面的棱镜的例子。例如，图11中是θ1＝0°、θ2＝45°的情况。但是，若照明光F值较小，则有时包括接近反射面的法线方向并容易穿过的光束。因此，若增大θ2，则反射面118b相对于带棱镜的成像透镜118的射出光轴所成的角度变小，容易全反射。可知，若射出光轴到达射入侧，则射出光轴相对于成像透镜117的光轴倾斜。此时，若试图使成像透镜117的光轴与带棱镜的成像透镜118的射出光轴正交，则使带棱镜的成像透镜118的射入面118a倾斜成倾斜角度θ1为正即可。此时，由于θ1＞0，所以成为顶角比90°小的棱镜。在上述结构的情况下，带棱镜的成像透镜118在射入前和射出后能够使光轴折弯90°，从而能够使照明部13和投射部14高效率且小型地组合。

例如，当传播的照明光的F值为2.4时，带棱镜的成像透镜118利用折射率为1.64以上的树脂，若呈θ1＝2.57°、θ2＝45.5°的形状，则能够不使射入光束泄漏而使之以全反射的方式射出。并且，在曲率半径为8.879、圆锥系数为－1.823791的非球面透镜的情况下，能够与成像透镜117组合来以F2.4照亮显示器120。

成为照亮对象的显示器120的形状一般横纵比率不同。当横纵比率为16：9时，为了恰如其分地照亮显示器120，期望也以大致16：9的形状照射照明光。为了允许显示器120与照明光的偏离，也可以具有些许余量，例如将照明范围增大5％左右等。照明光的尺寸依赖于向成像透镜117射入的照明光的F值。在显示器120所处的位置，处于若照明范围较窄则发散角度较小、若照明范围较宽则发散角度较大的关系。换言之，若照明范围较窄则F值较大，若照明范围较宽则F值较小。即，对于向成像透镜117射入的照明光而言，通过使F值在横向和纵向上不同，能够恰如其分地照亮显示器120，从而能够高效率地照亮。

当显示器120的形状的横纵比率为16：9时，若横向和纵向的F值的比率设为9：16，则能够实现抑制了无法向显示器120射入的照明光的损失的高效率的照亮。向成像透镜117射入的照明光是来自多透镜阵列116的射出光，上述照明光的F值的横纵比率依赖于在多透镜阵列116的射入侧配备的透镜单体116i的形状的比率。若透镜单体116i的横纵比率为16：9，则能够恰如其分且高效率地照亮有效的画面区域的横纵比率为16：9的显示器120。

并且，带棱镜的成像透镜118使光轴方向显示器120的短边方向折弯。在上述结构的情况下，能够缩短显示器120及虚像投射器130的光轴与成像透镜117的光轴的间距，从而能够提供小型的光学***。相反，若向显示器120的长边方向折弯，则用于折弯的空间变大，从而虚像投射器130的光轴与成像透镜117的距离变长，并且照明部13的有效直径也变大，因此期望本实施例的结构。

如上所述，在实施例3的结构的情况下，带棱镜的成像透镜118通过树脂的一体成型来制造，能够提供以下廉价的带棱镜的成像透镜118：省去使非球面透镜与棱镜粘合的劳力和时间，并且使用折射率较高的透明部件并利用全反射，省去了镜面镀膜。并且，通过使成像透镜117形成为球面透镜，并且使带棱镜的成像透镜118的射出面118c的透镜形成为非球面，能够在维持光学性能的状态下减少整体的制造成本。在上述结构的情况下，能够提供廉价且小型的虚像投射装置。

实施例4

图12、图13中，详细地说明实施例4中的显示器120的变形例。说明显示器120是反射型显示器、由反射部119使影像光12反射并将其引导到虚像投射器130的配置结构。

反射型显示器120例如能够利用LCOS。LCOS是接受偏振光作为照明光、并在空间上改变偏振光来生成影像光的元件。图12中，反射部119能够利用具有偏振光选择性的例如线栅膜，以使P偏振光的照明光透射。作为其它方法，也能够利用具备棱镜的PBS(PolarisedBeam Splitter：偏振分光棱镜)。透射反射部119后的P偏振光的照明光由显示器120根据影像信号而在空间上进行偏振光转换，并且将作为影像光而需要的光转换成S偏振光。利用具有偏振光选择性的反射部119的反射S偏振光的性质，将S偏振光的影像光引导到虚像投射器130。

在本结构的情况下，如图13所示，能够将显示器120配置于与照明部13相反的方向。显示器120有时在并非生成影像光12的一侧的背面具备用于进行电源供给、信号供给的电路基板、以散热、保持为目的的金属板等。根据本变形例，能够实现防止显示器120所附带的电路、保持部19等与其它光学部件干涉的配置。

作为其它变形例，显示器120也可以使用DMD(Digital Mirror Device)。DMD是通过高速地切换相当于影像像素的微反射镜的倾斜的接通、断开来表现与影像信号对应的光的浓淡的元件。由于是不依赖于偏振光的影像显示元件，所以反射部119能够利用没有偏振光依赖性的反射镜。

实施例5

图14中，详细地说明实施例5中的影像光耦合部15的变形例。

影像光耦合部15使投射部14内的虚像投射器130所投射的影像光12射入，之后由影像光耦合部15所具备的平面进行内表面反射，沿与导光部11大致垂直的方向射出影像光12。对于射入、射出影像光12的光轴方向，若影像光耦合部15的射入面15a和射出面15c设为与各个光轴垂直，则能够防止在从影像光耦合部15射出的影像光12的整个区域内产生颜色分离。若影像光耦合部15呈将等腰三角形作为截面的柱形状，则制造容易且能够抑制制造成本。影像光耦合部15的反射面15b可以使用全反射，并且在通过内部的影像光12相对于反射面的法线以比临界角小的角度射入的情况下，也可以为了防止由泄漏导致损失而使用镜面镀膜。

若利用镜面镀膜，则不会受到由影像光耦合部15的折射率决定的临界角的制约，有提高保持部19的外观设计的自由度的优点。在内表面反射中反射而使光轴弯曲的角度θp决定照明部13及投射部14与导光部11的安装角度。当将折弯角度设为θp时，构成影像光耦合部15的棱镜的顶角设为θp即可。在沿使用者3的前额配置保持部19的情况下增大折弯角度θp，相反在使保持部19沿头部的侧面的情况下缩小折弯角度θp即可。并且，在使用者3的头部、导光部11的法线方向、以及视线e之间具有角度的情况下，相应地调整折弯角度即可。

例如，当导光部11的法线与投射部14的安装角度为10°时，能够利用顶角80°的棱镜。

根据实施例5，能够将导光部11配置于使用者3的眼前，并且使保持部19沿头部配置，从而能够提供对于使用者3而言容易安装的虚像投射装置。

以上，对本发明的各实施例进行了说明，但本发明不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而进行了详细说明，不限定于必须具备所说明的所有结构。并且，能够将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构，并且也能够在某实施例的结构中追加其它实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、置换。

并且，在各实施例中，举出两眼式头戴式显示器(HMD)进行了说明，但并不限定于此，如果是显示虚像的虚像投射装置则包括在本发明的范围内。

符号的说明

1—HMD，3—使用者，10—影像显示部，11—导光部，12—影像光，13—照明部，14—投射部，15—影像光耦合部，19—保持部，110—光源部，114—聚光透镜，115—颜色合成部，116—多透镜阵列，117—成像透镜，118—带棱镜的成像透镜，119—反射部，120—显示器，130—虚像投射器，1140—光轴。

Claims (14)

1.一种虚像投射装置，是使人眼看到影像的虚像投射装置，其特征在于，具备：

假想光源面，其射出预定角度分布的光；

成像透镜，其使来自上述假想光源面的光聚集；以及

显示器，其生成影像，

在将上述假想光源面配置于上述成像透镜的前侧的大致焦点位置的情况下，将显示器配置于上述成像透镜的后侧的大致焦点位置。

2.根据权利要求1所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述假想光源面的尺寸比上述成像透镜的直径小。

3.根据权利要求2所述的虚像投射装置，其特征在于，

获取向上述显示器射入的光的上述成像透镜的F值与获取从上述假想光源面射出的光的F值大致一致。

4.根据权利要求3所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述显示器的影像显示区域为长方形，上述假想光源面为大致正方形。

5.根据权利要求4所述的虚像投射装置，其特征在于，

具备将由上述显示器生成的影像传递到人眼的虚像投射器，

获取从上述显示器射出的光的上述虚像投射器的F值与获取从上述假想光源面射出的光的上述成像透镜的F值大致一致。

6.根据权利要求5所述的虚像投射装置，其特征在于，具备：

光源，其射出光；以及

聚光透镜，其将从该光源射出的光转换成大致平行，

上述假想光源面具有使从上述聚光透镜射出的光扩散、或者利用透镜阵列来转换光的角度的功能。

7.根据权利要求6所述的虚像投射装置，其特征在于，

获取从上述光源射出的光的上述聚光透镜的F值与上述虚像投射器的F值大致一致。

8.根据权利要求1所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述成像透镜具有利用内表面反射来使光折弯的反射面，

并构成为，从上述假想光源面射出的光在由上述成像透镜的反射面反射后向上述显示器射入。

9.根据权利要求8所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述成像透镜具备供从上述假想光源面射出的光射入的射入面和向上述显示器射出光的射出面，

上述成像透镜的由上述射入面和上述射出面形成的角度比90度小。

10.根据权利要求8所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述成像透镜具备供从上述假想光源面射出的光射入的射入面和向上述显示器射出光的射出面，

在上述射出面具备非球面透镜。

11.根据权利要求9或10所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述成像透镜由透明的材料一体成型。

12.根据权利要求8所述的虚像投射装置，其特征在于，

上述显示器的影像显示区域为长方形，

上述成像透镜的上述反射面具有使光向上述影像显示区域的短边方向折弯的功能。

13.根据权利要求12所述的虚像投射装置，其特征在于，

影像显示区域的短边方向相对于上述成像透镜的包括上述反射面的反射前后的光轴的平面平行。

14.根据权利要求1所述的虚像投射装置，其特征在于，具备：

投射部，其将由上述显示器生成的图像作为影像光来投射；

影像光耦合部，其是将从上述投射部投射出的影像光耦合的棱镜；以及

导光部，其将从上述影像光耦合部射出的影像光引导到使用者的眼睛，

上述导光部的射入面的法线与上述投射部的光轴倾斜，上述影像光耦合部的顶角与上述的倾斜角大致一致。

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