头戴式显示器用光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种头戴式显示装置，尤其涉及在瞳孔位置形成虚像而使小型显示器 的影像放大，从而能够给使用者带来现场感和沉浸感的头戴式显示器用光学系统（Optical system for Head Mount Display)〇
【背景技术】
[0002] 一般来讲，头戴式显示装置（Head Mount Display, HMD)是一种影像显示装置， 该装置利用精密的光学装置以使在非常靠近眼睛的位置所产生的影像光能够在远处构成 虚拟的大型画面的方式形成焦点，从而使得使用者能够观察到放大的虚像。HMD分为封闭 (See-close)型和透视（See-through)型，所述封闭（See-close)型头戴式显不装置观察不 到周围环境而仅能够观察得到在显示器件所发散的影像光，而所述透视（See-through)型 头戴式显示装置不仅能够通过窗口观察得到周围环境，而且还能够观察得到在显示器件所 发散的影像光。
[0003] 这种HMD由于如个人眼镜那样以佩戴的形态提供，因而须轻量、小型且提供高分 辨率。因此，为了实现轻量化、小型化以及高分辨率，提出有能够适用于HMD的多种光学系 统。
[0004] 尤其，若以一般旋转对称性光学系统来构成，则透镜和小型显不器对于光轴排成 一列，因此，原则上不可能具体实现能够观察得到外部风景的透视（See-through)型HMD。 因此，做过利用具有偏心而非为旋转对称的光学系统来所要具体实现HMD的尝试。
[0005] 作为一例，在日本公开专利公报第2003-241100号（2003年08月27日公开）中 公开有以具有带偏心的3个曲面的棱镜（Prism)形态构成的偏心光学系统，但这种偏心光 学系统是为了提高光学性能而使用更多的光学面。因此，在为非球面棱镜的情况下，不仅制 作非常繁琐，而且为了提高光学性能而使用更多的光学面，从而光学配件的制作费用增加 且在各光学配件的排列上存在诸多困难。
[0006] 另外，根据现有技术，由于须将曲面相对于视点面倾斜，因而使得光学系统装配本 身就相当困难。因此，越是追加设置光学配件则除了加工费用之外还产生直接性的装配费 用，且装配上花费所需的时间，因而还存在生产时间也被拉长的缺点。
[0007] 作为一例，在日本公开专利公报第2006-065234号（2006年03月09日公开）中 公开有仅利用一个光学配件而在视点形成虚像的偏心光学系统及利用其的光学系统，虽然 这是一种仅利用一个光学配件而在视点形成虚像的光学系统，但在一个配件内产生两次反 射和两次折射，因而带来屈光力（refractive power)的变化的面总共为3个面（在1个面 重复进行反射和折射），因此，存在非常难以排列各光学配件的问题。
[0008] 同样地、在日本公开专利公报第2006-313365号（2006年11月16日公开）的影 像显示装置也是带来屈光力的变化的面总共为3个面之多，且在1个面重复进行反射和折 射，因此，光学配件制作费用需要非常多，且将各光学配件排列起来存在困难。
[0009] 在先技术文献
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 :日本公开专利公报第2003-241100号（2003年08月27日公开）
[0012] 专利文献2 :日本公开专利公报第2006-065234号（2006年03月09日公开）
[0013] 专利文献3 :日本公开专利公报第2006-313365号（2006年11月16日公开）
【发明内容】
[0014] 所要解决的问题
[0015] 因此，旨在解决上述问题的本发明的目的在于提供一种头戴式显示器用光学系 统，该光学系统为了提高光学性能而并不是使用诸多光学面而是仅使用最小限度的反射 镜，从而能够降低光学配件的制作费用和反射面的排列难度。
[0016] 另外，本发明的目的在于提供一种头戴式显示器用光学系统，该光学系统适当地 配置具有偏心的曲面，从而能够使光学系统的大小最小化并能够使其轻量化。
[0017] 另外，本发明的目的在于提供一种头戴式显示器用光学系统，该光学系统将适宜 的补偿器（Compensator)加工而接合，从而能够具体实现透视。
[0018] 解决问题的方案
[0019] 用于达到上述目的的根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，具有 非球面棱镜（Prism)形态，所述非球面棱镜使得在如液晶显示器（LCD)或硅基液晶（LCoS) 显示器那样的小型显示装置所发散的光在具有偏心的第一曲面折射，并在倾斜的平面和第 二曲面反射，且在上述倾斜的平面折射而形成虚像。
[0020] 另外，用于达到上述目的的根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于， 具有非球面棱镜（Prism)形态，所述非球面棱镜具有2个曲面和1个平面使得在对于佩戴 了头戴式显示器（Head Mount Display, HMD)的使用者的瞳孔面以X轴为中心沿逆时针方 向仅倾斜了 Θ ,的显示器件所发散的光在第一曲面折射之后，在对于上述瞳孔面以X轴为 中心沿逆时针方向仅倾斜了 θρ的侧平面反射而入射第二曲面并在第二曲面再次反射，在 上述第二曲面所反射的光在上述侧平面再次折射而在瞳孔附近形成虚像。
[0021] 另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统在上述第二曲面的相反面进一步接 合补偿器（Compensator)，该补偿器制作成以与上述侧平面相同的角度倾斜的平面，从而能 够具体实现透视型头戴式显示器。
[0022] 另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，在上述第二曲面实施 了半透射涂层（Coating)或偏光涂层。
[0023] 另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，在上述侧平面实施半透射涂层 (Coating)或偏光涂层而提高光效，从而能够得到明亮的影像。
[0024] 另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，上述瞳孔面与上述侧 平面之间的角度满足下述数学式6 :
[0025] 数学式6
[0026] 10。彡 I θ p| 彡 30。
[0027] 这里，θρ是从上述瞳孔面以X轴为中心沿逆时针方向测定至上述侧平面为止的角 度。
[0028] 另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，上述瞳孔面与上述显 示器件之间的角度满足下述数学式7 :
[0029] 数学式7
[0030] 35° 彡 I Θ d| 彡 55。
[0031] 这里，Θ d是从上述瞳孔面以X轴为中心沿逆时针方向测定至上述显示器件为止的 角度。
[0032] 另外，根据本发明的头戴式显示器用光学系统，其特征在于，上述侧平面与上述显 示器件之间的角度Θ满足下述数学式8:
[0033] 数学式8
[0034] 15° 彡 I θ I 彡 30。
[0035] 这里，Θ是从上述侧平面以X轴为中心沿逆时针方向测定至上述显示器件为止的 角度。
[0036] 发明效果
[0037] 本发明为了提高光学性能而并不是使用诸多光学面而是仅使用最小限度的反射 镜，从而具有能够降低光学配件的制作费用和反射面的排列难度的效果。
[0038] 另外，本发明适当地配置具有偏心的曲面，从而具有能够使光学系统的大小最小 化并能够使其轻量化的效果。
[0039] 另外，本发明由于镜面加工是仅进行一次即可，因而具有能够提高对于加工费用 的经济效益的优点。
[0040] 另外，本发明是将适宜的补偿器（Compensator)加工而接合，从而具有能够具体 实现透视，且还能够使用于如增强现实那样的用途的优点。
【附图说明】
[0041] 图1是表示了构成根据本发明的头戴式显示器用光学系统的光学配件的配置以 及该配置所形成的光路图的图。
[0042] 图2是根据本发明的头戴式显示器用光学系统的光路图。
[0043] 图3是示出了根据本发明的头戴式显示器用光学系统的性能的光斑图（Spot diagram)〇
【具体实施方式】
[0044] 下面将参照各附图详细说明本发明的各优选实施例。需要注意的是，各图中各相 同的符号无论在何处也尽可能表示相同的构成。在下述说明中出现各个具体特定事项，而 这是为了有助于更为全盘地理解本发明而提供的。而且，在说明本发明过程中，在判断为对 于相关的公知功能或构成的具体说明有可能使本发明的要旨不必要地模糊的情况下省略 其详细说明。
[0045] 本发明提供一种HMD用光学系统，该光学系统对于为了提高