专利名称：视觉显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及视觉显示装置，涉及可显示宽观察视场角的视觉显示装置。
背景技术：
以往，作为观察虚像和实像的光学系统，公知有专利文献1 6那样的技术。专利文献1 日本特开平10-206790号公报专利文献2 日本专利第四16142号公报专利文献3 美国专利3998532号公报专利文献4 美国专利4012126号公报专利文献5 美国专利4078860号公报专利文献6 美国专利4100571号公报
发明内容
然而，在专利文献1所公开的技术中，观察视场角狭窄。另外，在专利文献2 6 所公开的技术中，将影像投影到屏幕上，在水平方向上，可实现360度的观察视场角，但是具有这样的问题如果不将屏幕的大小设置得较大，则所观察的影像看起来很近。另外，还存在因屏幕相互的反射而使影像的对比度变差的问题。本发明是鉴于现有技术的这种状况而完成的，其目的在于，提供能够鲜明地将较宽观察视场角作为远方的影像进行观察的小型视觉显示装置。为了解决上述课题，本发明的视觉显示装置具有影像显示元件；投影光学系统， 其对所述影像显示元件显示的影像进行投影；目镜光学系统，其具有正的反射屈光力，使由所述投影光学系统投影的影像成为来自远方的影像；圆筒或圆锥状的漫射面，其被配置在由所述投影光学系统投影的影像的附近，该视觉显示装置的特征在于，以如下方式进行配置由所述投影光学系统投影的影像在与所述投影光学系统的光轴垂直的面内的任意位置处描绘出圆弧。另外，本发明的特征在于，所述影像显示元件显示圆环状或圆弧状的影像。另外，本发明的特征在于，位于观察者前方或观察视场角中心的视轴与所述投影光学系统的光轴交叉。另外，本发明的特征在于，位于观察者前方或观察视场角中心的视轴与所述投影光学系统的光轴垂直。另外，本发明的特征在于，所述目镜光学系统被配置成相对于位于观察者前方或观察视场角中心的视轴倾斜。另外，本发明的特征在于，由所述投影光学系统投影的影像被配置成相对于中心主光线倾斜。另外，本发明的特征在于，所述漫射面被配置成相对于中心主光线倾斜。另外，本发明的特征在于，所述漫射面在子午剖面中为直线形状。另外，本发明的特征在于，所述投影光学系统不对光轴上的影像进行投影。另外，本发明的特征在于，所述目镜光学系统为球面。
另外，本发明的特征在于，所述目镜光学系统为复曲面。另外，本发明的特征在于，所述目镜光学系统是以所述投影光学系统的出射光瞳位置和观察者眼球位置为两个焦点的椭圆面的一部分。另外，本发明的特征在于，所述目镜光学系统为自由曲面。另外，本发明的特征在于，所述目镜光学系统为扩展旋转自由曲面。上述本发明的视觉显示装置既小型又能通过它鲜明地观察宽的观察视场角。
图1是本发明的视觉显示装置的概念图。图2是图1的俯视图。图3示出影像显示元件的显示例的图。图4是示出影像显示元件的其他显示例的图。图5示出配置有与左右眼球对应的两个投影光学系统的视觉显示装置的图。
图6是表示将视觉显示装置与座椅组合地应用的图。图7是将目镜光学系统和漫射面形成为圆环状的视觉显示装置的剖面图。图8是示出实施方式的视觉显示装置的坐标系的图。图9是示出扩展旋转自由曲面的定义的图。图10是沿着本发明实施例1的视觉显示装置的光轴截取的剖面图。图11是图10的俯视图。图12是沿着本发明实施例2的视觉显示装置的光轴截取的剖面图。图13是图12的俯视图。图14是沿着本发明实施例3的视觉显示装置的光轴截取的剖面图。图15是图14的俯视图。图16是沿着本发明实施例4的视觉显示装置的光轴截取的剖面图。图17是图16的俯视图。
具体实施例方式下面，根据实施例来说明本发明的视觉显示装置。图1是本发明的视觉显示装置1的概念图，图2是图1的俯视图。如图1和图2所示，本发明的视觉显示装置1包括影像显示元件3 ；投影光学系统4，其对影像显示元件3显示的影像进行投影；目镜光学系统5，其具有正的反射屈光力， 使由投影光学系统4投影的影像成为来自远方的影像；圆筒或圆锥状的漫射面11，其被配置在由投影光学系统4投影的影像的附近，在该视觉显示装置1中，由投影光学系统4投影的影像在与投影光学系统4的光轴2垂直的面内的任意位置处描绘出圆弧。以往，虽然具有这样的结构使用中继光学系统，将小型显示元件的影像中继到目镜光学系统的前侧焦点位置，通过目镜光学系统提供较宽观察视场角的影像，但存在这样的问题为了获得广角的观察像，投影光学系统与目镜光学系统的合成焦距变得非常短， 为了利用目镜光学系统获得较大的出射光瞳，影像显示元件侧的投影光学系统的数值孔径 (NA)变得非常大，投影光学系统变得复杂且大型。
于是，在本发明中，在投影光学系统4的像面附近配置具有漫射性的漫射面11，通过该漫射面11来漫射被投影的影像，可增大目镜光学系统5的入射光瞳，即使观察者稍微移动，也能一直观察影像。而且，在提供非常宽的观察视场角的目镜光学系统5中，会发生较强的像面弯曲。 虽然以往也按照该像面弯曲而使投影面弯曲，但是本发明的重要之处在于，以在与投影光学系统4的光轴2垂直的面内的任意位置处描绘出圆弧的方式配置投影面。尤其是在超过45度的观察视场角的情况下，目镜光学系统5的像面弯曲也超过45 度，在投影光学系统4中产生圆弧角度为45度的像弯曲会对投影光学系统4带来很大负担，不能构成小型的投影光学系统4。因此，在本发明中，使用以在与投影光学系统4的光轴2垂直的面内描绘出圆弧的方式来对投影像进行投影的投影光学系统4，将该圆弧的部分的像面作为目镜光学系统5的中间像来使用，由此，成功地抵消了非常大的像面弯曲。更优选的是，在用左右两眼进行观察的情况下，将漫射面11设置为圆筒或圆锥状。这是为了将观察者两眼的汇集度保持为恒定而需要的条件，其原因在于，如果将漫射面 11设置为球状，则与凹面镜之间的距离根据观察像的上下方向的视场角而变化，超过两眼可融像的范围，从而变为重影。另外，如图3和图4所示，优选的是，影像显示元件3显示圆环状或圆弧状的影像。在本发明中，由于采用通过投影光学系统4将像周边的影像投影到目镜光学系统 5的结构，因此需要使显示影像与此对应。为此，如图3和图4所示，需要显示如使圆环状或圆弧状的中心方向成为观察影像的下方向那样的圆环状或圆弧状的影像。另外，根据投影光学系统4的种类的不同，需要显示如使中心方向成为观察像的上方向那样的圆环状或圆弧状的影像。更优选的是，在不显示位于观察者后方的影像的、例如240度的情况下，为了有效地利用显示元件的像素，进行大致半圆形的显示，例如，在进行120度的显示的情况下，进行扇形的显示。另外，如图4所示，为了有效地使用影像显示元件3的像素数，可以仅放大观察圆环状或圆弧状的显示影像的可观察部分，显示于影像显示元件3上。此外，优选的是，位于观察者前方或观察视场角中心的视轴101与投影光学系统4 的光轴2交叉。在本发明中，关于投影光学系统4的投影面，是通过目镜光学系统5来放大以如下方式投影的影像，该方式为在与投影光学系统4的光轴2在任意位置垂直的面内描绘出圆弧，即被筒状地投影到投影光学系统4的光轴2周围。在采用使投影光学系统4的光轴2与目镜光学系统5的光轴一致的通常进行的方法的情况下，无法形成观察像。因此，在本发明中，构成为投影光学系统4的光轴2与视轴101交叉，由此，能够通过目镜光学系统5观察被投影到投影光学系统4的光轴2周围的投影像。此外，优选的是，位于观察者前方或观察视场角中心的视轴101与投影光学系统4 的光轴2垂直。通过使视轴101与投影光学系统4的光轴2垂直，影像显示元件3上的任意像高的圆与包含观察像的视轴101的水平方向一致，具有减少像的畸变的效果。另外，优选的是，目镜光学系统5被配置为相对于位于观察者前方或观察视场角中心的视轴101倾斜。
通过将目镜光学系统5配置为相对于视轴101倾斜，能够将投影光学系统4配置在观察者的头上方，从而能够避免观察者头部与投影光学系统4的干扰。另外，优选的是，由投影光学系统4投影的影像被配置为相对于中心主光线102倾斜。并且，中心主光线102的一部分与视轴101 —致。由于目镜光学系统5被倾斜地配置，因此，目镜光学系统5的物体面也因偏心像差而产生物体面的倾斜。反过来说，为了使观察像作为虚像显示在某个已确定的距离处，而将投影面配置于倾斜的物体面上，使由投影光学系统4投影的影像在该面上成像，由此能够使虚像显示在固定的距离处。另外，优选的是，漫射面11被配置为相对于中心主光线102倾斜。在投影面被配置为相对于中心主光线102倾斜的情况下，如果不使漫射面11与像面一致，则观察影像会产生模糊，因此，漫射面11也需要被倾斜地配置。更优选的是，倾角也相同。此外，优选的是，漫射面11在子午剖面上为直线形状。被投影到漫射面11上的投影像进行漫射并被目镜光学系统5反射，然后，到达观察者的左右眼，如果被投影到漫射面11上的投影像的形状在子午剖面上弯曲，则入射到观察者两眼的光线的汇集角度在观察画面的上下方向上不同，从而两眼不能融像，被观察为重影。在制造方面，更优选的是，将投影面的形状设为圆筒状，将漫射面11的形状也设为圆筒状。另外，优选的是，投影光学系统不对光轴上的影像进行投影。本发明的结构为由目镜光学系统5向观察者显示投影光学系统4的光轴2外的影像，原本就不使用光轴2上的影像。因此，该光轴2上的影像是不需要的光，成为妨碍观察和使观察影像的对比度降低的原因。因此，优选的是，不显示光轴2上的任何影像。更优选的是，利用遮光部件来遮挡光轴2上的光线。另外，为了获得鲜明的观察像，更优选的是， 还利用遮光部件来遮挡被漫射面11反射和漫射且不经由目镜光学系统5而直接进入观察者眼睛的光线。另外，优选的是，目镜光学系统5为球面。通过将目镜光学系统5构成为球面，可以使用现有的塑料球，提高生产性，从而以较低成本来制造。此外，凹面镜的反射面可以由塑料球的内表面构成表面镜，也可以由外表面构成背面镜。此外，优选的是，目镜光学系统5为复曲面。如果由复曲面构成目镜光学系统5，则能够消除目镜光学系统5的光瞳像差尤其是像散，通过降低漫射面11的漫射特性，可以观察明亮的观察像。并且，能够降低影像显示元件3的照明光源的亮度，能够用较少的电力获得明亮的观察像。此外，优选的是，目镜光学系统5是以投影光学系统4的出射光瞳位置和观察者眼球位置为两个焦点的椭圆面的一部分。通过将目镜光学系统5设为椭圆，从而不再产生光瞳像差，具有与复曲面相同的效果。另外，优选的是，目镜光学系统5为自由曲面。通过使用自由曲面，能够降低目镜光学系统5的像弯曲，尤其是在视场角小的情
6况下更具有效果。另外，优选的是，目镜光学系统5是扩展旋转自由曲面。通过使用扩展旋转自由曲面，能够降低目镜光学系统5的子午剖面(上下方向的) 像弯曲，尤其是在视场角宽的情况下更具有效果。本发明的投影光学系统4可以采用广角的鱼眼镜头，例如，可使用日本特公平 2-14684号公报的第一实施例。另外，不限于此，也可以使用一般的鱼眼镜头，重要之处在于使投影光学系统4的出射光瞳与目镜光学系统5的入射光瞳一致。另外，也可以使用凸面镜的1个面和通常的投影光学系统4来构成投影光学系统 4。而且，由于鱼眼镜头具有将像周边的影像拍摄得较小的畸变，因此优选具有畸变小的F-θ特性的鱼眼镜头。而且，优选将本申请人的日本特开2004-102204号公报所记载的漫射板作为漫射面11来使用。而且如图5所示，优选配置对应于左右眼球(入射光瞳)E的两个投影光学系统 4，在将两个投影光学系统4的投影像投影到漫射面11的同时，以不产生两个影像的串扰 (cross talk)的方式控制漫射面11的漫射角，从而能够观察立体像。另外，通过将漫射面11设为全息的漫射面11，能够避免观察到漫射面11本身的问题。而且，通过使漫射面11旋转或振动，能够解决上述问题。并且，通过将目镜光学系统5设为半透射面，可以构成对外界影像和电子像进行多层显示的所谓的合成器 (Combiner)。在该情况下，优选设为在圆环状的底座上粘贴有全息元件的、具有凹面镜作用的合成器。图6表示将视觉显示装置1与座椅S组合地应用的图。座椅S是沙发或交通工具等的座椅S，根据座椅S的背面部Sl的角度，倾斜地配置视觉显示装置1。另外，优选设为这样的结构座椅S具有倾斜(reclining)机构，根据通过倾斜机构来倾斜的背面部Sl的角度，使视觉显示装置1的角度倾斜。图7是将目镜光学系统5和漫射面11形成为圆环状而成的视觉显示装置1的剖面图。如图7所示，将目镜光学系统5和漫射面11形成为圆环状而成的视觉显示装置1的结构为通过使观察者的脸部进入到目镜光学系统5和漫射面11的中央的空间内，能够观察360度的影像。下面，说明本发明的视觉显示装置1的光学系统的实施例。这些光学系统的结构参数在后面进行叙述。例如，如图8所示，关于这些实施例等的结构参数，将观察者进行观察的位置作为目镜光学系统5的入射光瞳E，通过入射光瞳E且朝向影像显示元件3的光线基于依次经过目镜光学系统5和投影光学系统4而到达影像显示元件3的逆光线追踪的结
果例如，如图8所示，关于坐标系，将连接目镜光学系统5的入射光瞳E和目镜光学系统5的视轴101与投影光学系统4的光轴2的交点0设为偏心光学系统的偏心光学面的原点0，将从光轴2的原点0朝向影像显示元件3的方向设为Y轴正方向，将图8的纸面内设为Y-Z平面。而且，从图8的原点0开始，将右方向设为Z轴正方向，将与Y轴、Z轴一起构成右手正交坐标系的轴设为X轴正方向。关于偏心面，赋予了对该面进行定义的坐标系相对于上述光学系统的原点中心的偏心量(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z)、以及对各面进行定义的坐标系的倾角 (分别为α、β、Υ ))，上述各面分别以光学系统的原点所定义的坐标系的X轴、Y轴和 Z轴作为中心。该情况下，α和β的正向表示相对于各轴正方向的逆时针，γ的正向表示相对于Z轴正方向的顺时针。另外，面的中心轴的α、β、Υ的旋转方式是使定义各面的坐标系首先绕着光学系统原点所定义的坐标系的X轴逆时针旋转α，然后，绕着该旋转后的新坐标系的Y轴逆时针旋转β，接着，绕着该旋转后的又一个新的坐标系的Z轴顺时针旋转
Y ο此外，在构成各实施例的光学系统的光学作用面中的特定的面以及与其连续的面构成共轴光学系统的情况下，被赋予了面间隔，此外，面的曲率半径、介质的折射率和阿贝数按照惯用方法来赋予。此外，扩展旋转自由曲面是按以下定义来赋予的旋转对称面。首先，如图9所示，决定在Y-Z坐标面上通过原点的下述曲线(a)。Z= (Y2/RY) / [1+ {1- (C1+!) Y2/RY2}1/2]+C2Y+C3Y2+C4Y3+C5Y4+C6Y5+C7Y6+ · · · · +C21Y20+ · · · · +Cn+1Yn+ · · · ·· · · (a)接着，确定使该曲线(a)朝X轴正方向以向左旋转为正旋转了角度θ )而得到的曲线F⑴。该曲线F⑴也在Y-Z坐标面上通过原点。使该曲线F (Y)在Y正方向上平行移动距离R (为负时则在负方向上)，此后使该平行移动后的曲线绕Z轴旋转，由此得到的旋转对称面为扩展旋转自由曲面。其结果，扩展旋转自由曲面在Y-Z面内为自由曲面(自由曲线)，在X-Y面内成为半径为IrI的圆。根据该定义，Z轴为扩展旋转自由曲面的轴(旋转对称轴)。这里，RY是在Y-Z剖面上的球面项的曲率半径，C1是圆锥常数，C2、C3、C4、C5……分别为1次、2次、3次、4次……的非球面系数。并且，以Z轴为中心轴2的圆锥面是作为扩展旋转自由曲面之一被给出的，设置 S=RY=O^cpCyCyCVCp……=0，θ =(圆锥面的倾角)、R=(在X-Z面内的底面半径)。另外，本发明所使用的自由曲面的面形状由以下的式(b)来定义。此外，该定义式的Z轴为自由曲面的轴。
权利要求
1.一种视觉显示装置，其具有 影像显示元件；投影光学系统，其对所述影像显示元件显示的影像进行投影； 目镜光学系统，其具有正的反射屈光力，使由所述投影光学系统投影的影像成为来自远方的影像；圆筒或圆锥状的漫射面，其被配置在由所述投影光学系统投影的影像的附近， 该视觉显示装置的特征在于，以如下方式进行配置由所述投影光学系统投影的影像在与所述投影光学系统的光轴垂直的面内的任意位置处描绘出圆弧。
2.根据权利要求1所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述影像显示元件显示圆环状或圆弧状的影像。
3.根据权利要求1或2所述的视觉显示装置，其特征在于，位于观察者前方或观察视场角中心的视轴与所述投影光学系统的光轴交叉。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 位于观察者前方或观察视场角中心的视轴与所述投影光学系统的光轴垂直。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统被配置成相对于位于观察者前方或观察视场角中心的视轴倾斜。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 由所述投影光学系统投影的影像被配置成相对于中心主光线倾斜。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述漫射面被配置成相对于中心主光线倾斜。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述漫射面在子午剖面中为直线形状。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述投影光学系统不对光轴上的影像进行投影。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述目镜光学系统为球面。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述目镜光学系统为复曲面。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于，所述目镜光学系统是以所述投影光学系统的出射光瞳位置和观察者眼球位置为两个焦点的椭圆面的一部分。
13.根据权利要求1至9中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述目镜光学系统为自由曲面。
14.根据权利要求1至9中的任一项所述的视觉显示装置，其特征在于， 所述目镜光学系统为扩展旋转自由曲面。
全文摘要
视觉显示装置(1)具有影像显示元件(3)；投影光学系统(4)，其对影像显示元件(3)显示的影像进行投影；目镜光学系统(5)，其具有正的反射屈光力，使由投影光学系统(4)投影的影像成为来自远方的影像；圆筒或圆锥状的漫射面(11)，其配置在由投影光学系统(4)投影的影像的附近，在该视觉显示装置(1)中，由投影光学系统(4)投影的影像在与投影光学系统(4)的光轴(2)垂直的面内的任意位置处描绘出圆弧。
文档编号G03B21/00GK102159983SQ20098013606
公开日2011年8月17日 申请日期2009年8月10日 优先权日2008年8月12日
发明者研野孝吉 申请人:奥林巴斯株式会社