专利名称：图像观察设备和图像观察系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种诸如头戴式显示器(HMD)之类的图傳Jf见察设备， 其把来自多个图#>形成元件的光通量引向观察者的眼睛以使得能够进行 图傳J現察。
背景技术：
期望用于HMD等的观察光学系统是小型的。也期望观察光学系统 能够提供具有宽视角的图像以增加现实感觉。
优选大的显示元件(图4象形成元件)使观察光学系统能够提供具有 宽视角的图像。然而，很难总是获得具有对观察光学系统的显示视角的 所要求规范的合适显示区域尺寸的显示元件。
美国专利第5，982，343号和6，008，778号以及日本专利特开第 11-326820号公开了这样的观察光学系统，其实现期望的宽视角显示，同 时使用具有比期望的显示视角更小的显示区域尺寸的显示元件。这些光
场的多个原始图像而产生的一个图像。
美国专利第5,982,343号中公开的观察光学系统设置有V形反射镜。 V形反射镜在其一个反射表面把来自显示在显示元件上的原始图像的光 向着光瞳反射，并且在其其它反射表面把来自显示在另一显示元件上的 另 一原始图 <象的光向所迷光瞳反射。
美国专利第6,008,778号中公开的观察光学系统设置有形状关于包括 通过合成显示在两个显示元件上的两个原始图像产生的 一个图像的视场 中心的截面对称的棱镜。该观察光学系统使用棱镜的两个进入表面，所 述两个进入表面各自面对着一个显示元件，作为各自反射来自另一显示 元件的光的两个反射表面。日本专利特开第11-326820号中公开的观察光学系统也设置有形状 关于包括通过合成显示在两个显示元件上的两个原始图像产生的一个图 像的视场中心的截面对称的棱镜。来自显示在一个显示无件上的一个原 始图像的光从面对着该一个显示元件的itA表面i^棱镜，被透射/全反 射表面全反射，被反射表面反射，然后经过透射/全反射表面朝着光瞳被 透射。类似地，来自显示在另一显示元件上的另一原始图像的光从面对 着所述另一显示元件的另一ii^表面进入棱镜，被透射/全反射表面全反 射，被所述另一反射表面反射，然后经过透射/全反射表面朝着光瞳被透 射。
合成来自 一个原始图像的光和来自另 一原始图像的光并使它们向着 同 一光瞳行进的两个反射表面彼此相邻布置。
上述专利文献中公开的各XC察光学系统在彼此相邻布置的两个反射 表面处合成来自两个显示元件的光通量。具体来说，来自显示在一个显 示元件上的一个原始图像的光通量被一个反射表面朝着光瞳反射，来自 显示在另 一显示元件上的另 一原始图像的光通量被与该 一个反射表面相 邻的另 一反射表面朝着光瞳反射。
换句话说，当以从光瞳的反向光线追踪考虑朝向这两个显示元件的 两个光路时，来自光瞳的光路通过彼此相邻布置的两个反射表面被分离 成朝向这两个显示元件的两条光路。
这些观察光学系统通过使用小显示区域尺寸的显示元件可以提供比 通常获得的视角更宽的视角。而且，它们可以通过使用更小型的光学系 统(在视轴方向上很薄的光学系统)提供与常皿角类似的视角。
然而，这些观察光学系统包括两个反射表面之间的接合线，在反向 光线追踪中，这些反射表面把来自光瞳的光路分离成朝向显示元件的光 路。接合线部分可能散射光从而引起耀斑等。
发明内容
本发明提供一种图^^见察设备，它包括合成多个原始图像以使得能 够观察一个合成图像的观察光学系统，并且它可以抑制光散射、耀斑等 的产生。
才艮据一个方面，本发明提供一种图傳JC察设备，包括各自形成原 始图像的第一图像形成元件和第二图像形成元件；以及光学系统，其被 配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者 眼睛所位于的射出光瞳位置。该光学系统包括作为单个表面的光学表面， 所述光学表面反射来自第 一图像形成元件的光通量并且透射来自第二图 像形成元件的光通量。第 一 图像形成元件和第二图像形成元件分别形成 第 一原始图像和第二原始图像，所述第 一原始图像和第二原始图像对应 于自射出光瞳位置的不同的视场。
根据另一方面，本发明提供一种图像观察系统，包括图#^见察设备 和使第一和第二图像形成元件形成第一和第二原始图像的驱动器。
根据下文参考附图描述的实施例，本发明的其它方面将变得清晰。
图1是示出作为本发明笫一实施例(实施例1)的HMD的显示单元
的配置的水平截面图，
图2是用于说明实施例1中的原始图像的重叠显示的水平截面图。 图3A到3C是用于说明实施例1中的重叠显示中的射出光瞳状态的
水平截面图。
图4是用于说明原始图像在垂直方向上合成的情况的垂直截面图。
图5是示出作为本发明第二实施例(实施例2 )的HMD的显示单元 的配置的水平截面图。
图6A是示出作为本发明第三实施例(实施例3)的HMD的显示单 元的配置的水平截面图。
图6B是示出实施例3的修改示例的水平截面图。
图7是示出作为本发明第四实施例(实施例4 )的HMD的显示单元 的配置的水平截面图。
图8A到8E示出实施例4中从显示元件的光路。
图9是示出作为本发明第五实施例(实施例5)的HMD的显示单元
的配置的水平截面图。
图IOA到IOC是示出通过来自原始图像的重叠区域中的图像高度位 置的光通量互补形成的射出光瞳的水平截面图。
图11是示出作为本发明第六实施例(实施例6)的HMD的显示单 元的配置的水平截面图。
图12是示出通过来自原始图像的重叠区域中的图像高度位置的光通 量互补形成的射出光瞳的水平截面图。
图13是示出作为本发明第七实施例(实施例7)的HMD的显示单 元的配置的水平截面图。
图14是示出实施例7的#"改示例的水平截面图。
图15是示出作为本发明第八实施例(实施例8 )的HMD的显示单 元的配置的水平截面图。
图16是示出作为本发明第九实施例(实施例9)的HMD的显示单 元的配置的水平截面图。
图17是示出实施例1的修改示例的水平截面图。
图18示出各实施例1到9的HMD。
具体实施例方式
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。 [实施例lj
图1示出显示单元的水平截面配置，该显示单元用于作为本发明第 一实施例(实施例1)的图^M见察设备的HMD。
如图18所示，本实施例的HMD100被安装在观察者的头H上，并 且把图像光引向他/她的眼睛。然而，图1示出用于把图像光引向一只眼 睛的显示单元。如图18所示为右和左眼各自提供图l所示的显示单元可 以实现双眼HMD。这也适用于下述实施例。仅提供用于把图像光引向一 只眼睛的一个显示单元可以实现单眼HMD。
在图1和18中，参考数字l指示第一光学元件，2指示第二光学元
件。第一和第二光学元件1和2构成观察光学系统。笫一和第二光学元 件1和2各自形成为透光构件，其中填充有诸如光学玻璃或光学树脂之 类的媒介。
参考数字3指示第一显示元件，4指示第二显示元件。这些第一和第 二显示元件3和4是由液晶板或有机EL板构成的图像形成元件。第一 和第二光学元件1和2以及第一和第二显示元件3和4构成用于一只眼 睛的显示单元。
如图1所示，第一和第二显示元件3和4连接到驱动单元(驱动器) 10。图像提供设备20,诸如个人计算机、DVD播放器和电视调谐器，连 接到驱动单元10。驱动单元10基于从图像提供设备20输入的图像信号， 驱动第一和第二显示元件3和4以一使它们分别显示(形成)原始图像。 HMD和驱动单元10构成图傳J见察系统。
第一显示元件3显示第一原始图《象IA,其对应于基于来自图傳炎供 设备20的图像信号形成的一个图像(单个图像)左半部分。第二显示元 件4显示第二原始图像IB，其对应于该一个图像的右半部分。
第一和第二光学元件1和2把来自第一和第二显示元件3和4的光 通量(图像光)引向观察光学系统的射出光瞳S所形成的位置或区域。 射出光瞳S所形成的位置或区域在下文中称为射出光瞳位置。观察者的 一只眼睛E位于该射出光瞳位置。观察光学系统合成作为与第 一原始图 像IA相对应的放大虛像的第一图像IA，和作为与第二原始图像IB相对 应的放大虛像的第二图像IB，，以形成作为单个放大虚像的合成图像IC, 合成图像IC被观察者观察。
射出光瞳位置也可以称为观察位置(或观察区域)，观察者的一只眼 睛E位于该观察位置以使观察者能够在全部视场中观察合成图像IC。
在第一光学系统1中，参考符号S2指示作为单个(或简单)表面的 光路合成表面A,表面S2 (A)被形成为偏心表面。光路合成表面S2还 被形成为半反射镜表面(半透射反射表面)。单个(光学)表面意味着一 个无接合线而连续形成的(光学)表面。
光路合成表面S2把来自第 一显示元件3的光通量朝着射出光瞳S(即
射出光瞳位置)反射并且把来自第二显示元件4的光通量朝着射出光瞳 S透射。
当射出光瞳S被定义为观察光学系统的iiX光瞳并且光线从it^光 瞳向第一和第二显示元件3和4 ,皮追踪时，即当光线以反向光线追踪而 被追踪时，光#成表面S2充当分离表面，它使来自ii^光瞳的部分有 效光通量向着第一显示元件3行进，并且使剩余部分的有效光通量向着 第二显示元件4行进。
第一光学元件1的光路合成表面S2和第二光学元件2的表面S2，具 有相同的曲率半径。第一和第二光学元件1和2被如下合成。表面S2和 S2，彼此靠近地布置，以便它们可以被认为是同一表面。表面S2和S2， 通过粘合剂相互接合。粘合剂的折射率等于或接近于形成第一和第二光 学元件的材料的折射率。彼此分离的表面S2和S2，在下文中被视为一个 接合表面。
在该实施例中，术语"等于(或相同)，，不仅意味着完全相同，而且 意味着在可以认为光学上相同的范围内具有差异。
接下来，将对观察光学系统中的光路及其光学效果进行描述。
来自显示在第一显示元件3上的第一原始图〗象IA的光通量M面 S3 ii^第一光学元件1，被半反射镜表面S2反射，然后经it^面Sl透 射以从第一光学元件l射出。由于表面S1具有正的折光力，经其透射的 光通量被折射，以便向射出光瞳S会聚以到达射出光瞳S。眼睛E位于 射出光瞳位置的观察者辨认通it^面S3和Sl的折光力形成的第一原始 图像IA的放大虛像。
来自显示在第二显示元件4上的第二原始图4象IB的光通量^面 S5 it^第二光学元件2，然后祐束面S4朝着第二光学元件2的表面S2， 与第一光学元件1的半反射镜表面S2相互掩^的接合表面反射。然后， 光通量经it^面(S2，和S2)透射以iiX第一光学元件l。
从第二显示元件4进入了第一光学元件1的光通量被折射，以便通 M面Sl朝着射出光瞳S会聚并且从第一光学元件1射出以到达射出光 瞳S。观察者辨认通过表面S5和Sl的折光力形成的第二原始图像IB的放大虛像。
提供在作为光5^成表面S2的表面S2 (S2，)的向后和向前位置各 自具有折光力的表面S3、 S5和S1，使得表面之间的光焦度能够共享， 这可以抑制各种像差的产生。
开始于第一显示元件3、通过构成第一光学系统部分的表面S3、然 后到i^面S2的光通量的光路在下文中被称为第一光路。开始于第二显 示元件4、通过构成第二光学系统部分的表面S5和S4、然后到ii^面 S2的光通量的光路在下文中称为第二光路。第一和第二光路通过在表面 S2的^Jt和透射被汇集到第三光路中作为一个光路。第三光路通过构成 与来自第一和第二光路的光通量共用的第三光学系统部分的表面Sl,从 而到达射出光瞳S。
当从射出光瞳S的中心延伸到用于观察合成图像IC的视场中心的轴 是视轴CL时，Y-Z截面被定义为其中视轴CL对应于Z轴的截面。X 轴被定义为垂直于图纸的轴。X轴、Y轴和Z轴在射出光瞳S的中心处 互相正交。在本实施例中，Y轴方向对应于水平方向(合成图像的长边 方向)，X轴方向对应于垂直方向(合成图像的短边方向)。
与视轴CL (Z轴)相同的光线被定义为中心视角主光线。包括中心 视角主光线在半反射镜表面S2处被弯折之前和之后的部分的截面被定 义为y-z截面。在这种情况下，半反射镜表面S2的转动偏心仅通过围绕 X轴的转动表达。即，偏心表面S2的本地坐标系中的y-z截面与整个观 察光学系统的全局坐标系中的y-z截面相同。Y-Z截面是偏心表面S2的 偏心倾斜截面。
在本实施例中，第一和第二图像IA，和IB，被合成以显示在偏心表面 S2的偏心倾斜截面上。即，观察光学系统合成来自"对应于不同视场的 多个(第一和第二)原始图像，，的光通量，以形成对应于一个合成视场的 一个合成图像。
如图l所示，Y-Z截面中+Y方向和-Y方向上的视场形成合成视场， 其用于观察与显示在第一和第二显示元件3和4上的第一和第二原始图 像IA和IB相对应的第 一和第二图像IA，和IB，的合成图像IC。如上文所述，本实施例形成在Y-Z截面上的Y轴方向上平移的两个 视场，并且使得能够通过这两个视场的合成视场观察笫一和第二图像IA， 和IB，的合成图《象IC。这可以4吏第一和第二显示元件3和4小型化，并 且可以实现一种观察光学系统，其能够进行宽视角显示，同时减小第一 和第二光学元件1和2各自光学表面的尺寸。换句话说，本实施例可以 实现能够进行宽视角显示的小型HMD。
图2示出基于相互部分重叠的第 一和第二原始图像IA和IB的合成 图像通过具有类似于图1所示的观察光学系统的配置的观察光学系统来 显示的情况。尽管图1示出不重叠第一和第二原始图像IA和IB而显示 合成图像的情况，但是第一和第二原始图像IA和IB可以相互部分重叠， 如图2所示。上述术语"对应于不同视场的多个(第一和第二)原始图像，， 包括这样的相互部分重叠的多个原始图像。
图3A到3C示出在多个原始图傳4目互部分重叠的情况下的射出光瞳 S的分割示例。图3A示出形成从中心视角稍微平移的视角的光通量。图 3B示出形成中心视角的光通量。图3C示出形成在与图3A中平移方向 相反的方向上从中心视角稍微平移的视角的光通量。
在这些图中，射出光瞳S左侧(图中的上侧在下文中称为上侧) 的光通量是来自第一显示元件3的光通量。射出光瞳S右侧(图中的下 侧在下文中称为下侧)的光通量是来自第二显示元件4的光通量。
在图3A所示的—见角中，来自第一显示元件3的光通量到达射出光瞳 S中从射出光瞳S的上端延伸到比射出光瞳S的中心(在下文中称为光 瞳中心)更下侧的位置的区域。来自第二显示元件4的光通量到达射出 光瞳S中来自笫一显示元件3的光通量所没有到达的另一区域。
在图3B所示合成图像的视角中心的附近，来自第一显示元件3的光 通量到达射出光瞳S中包括光瞳中心和比它更上侧的区域的区域。来自 第二显示元件4的光通量到达射出光瞳S中包括光瞳中心和比它更下侧 的区域的另一区域。
在图3C所示的视角中，来自第二显示元件4的光通量到达射出光瞳 S中从射出光瞳S的下端延伸到比光瞳中心更上侧的位置的区域。来自 第一显示元件3的光通量到达射出光瞳S中来自第二显示元件4的光通 量所没有到达的另一区域。
在该显示单元中，显示在第一和第二显示元件3和4上的第一和第 二原始图像IA和IB包括部分重叠区域。然而，观察光学系统通过根据 视角改变分别用射出光瞳S中来自第 一和第二原始图像IA和IB的光通 量形成的区域的比例，用那些光通量互补地形成射出光瞳S，以便在射 出光瞳S处不产生光通量的缺乏或重叠。具体来说，分别设置表面S3和 S5的有效区域以便可以形成这样的射出光瞳S。
在图17中，示出一种观察光学系统，其中孔径光阑Stl布置于表面 S3和第一显示元件3之间，孔径光阑St2布置于表面S5和第二显示元件 4之间。孔径光阑Stl和St2根据视角改变分别用射出光瞳S中来自第一 和第二显示元件3和4的光通量形成的区域的比例，以便在射出光瞳S 处不产生光通量的缺乏或重叠，从而使得能够互补地形成射出光瞳S。
如上文所述互补地形成射出光瞳S可以大部分地消除iS^运动中的 观察者眼睛瞳孔的光量的变化，从而使观察者能够观察具有基本上恒定 亮度的合成图像。
上文描述了显示在水平方向上合成的合成图像的情况。然而，在垂 直方向上合成的合成图像可以如图4所示地显示。
图4示出显示在垂直方向上合成的合成图像的观察光学系统的垂直 截面，Y轴方向对应于垂直方向。第一和第二显示元件3和4关于观察 光学系统(第一和第二光学元件1和2 )布置在垂直方向上。该配置合成 来自与垂直方向上的不同视场相对应的第一和第二原始图像IA和IB的 光通量，以提供对应于一个合成视场的一个合成图像IC。尽管在该配置 中第一和第二光路在表面S2处彼此相邻，但是第一和第二光路可以相互 部分重叠。
如上文所述，视场在水平方向上被分割(换句话说，原始图像被合 成)的观察光学系统和视场在垂直方向上被分割的观察光学系统包括在 本发明的实施例中。
根据该实施例，由于整个偏心表面(即光^成表面A (S2 ))形成 为半反射镜表面，因此由光路的合成即图像的合成引起的接合线可以被 消除。因此，可以抑制不必要的散射光、耀斑等的产生。
实施例2
图5示出用于作为本发明第二实施例(实施例2 )的HMD的显示单 元的水平截面配置。
本实施例中与实施例1中的相同或具有相同功能的构成元件通过与 实施例1中相同的参考数字或符号指示。这也适用于稍后描述的其它实 施例。尽管图5没有示出X、 Y和Z轴，该图中所示的截面对应于图1 所示的Y-Z截面。这也适用于稍后描述的其它实施例，除非另外描述。
在该实施例中，光路合成表面A (S2)(它是第一光学元件l的单个 光学表面)由偏振分光表面形成。偏振分光表面S2反射具有第一偏振方 向(在本实施例中为S偏振光)的光通量，并且透射具有不同于第一偏 振方向的第二偏振方向(本实施例中的P偏振光)的光通量。偏振分光 表面S2例如通过在第一光学元件1的外表面上淀积多层膜而形成。在本 实施例中，实施例1中描述的第一和第二光路在偏振分光表面S2处彼此 相邻。
进一步，在本实施例中，51/2片(半波片)5布置在第二显示元件4 和第二光学元件2的表面S5之间。当S偏振光从第一和第二显示元件3 和4 二者中射出时，入/2片5把来自第二显示元件4的S偏振光转换成P 偏振光。
来自第一显示元件3的S偏振光>^面S3 iiA第一光学元件1,被 偏振分光表面S2反射，然后经it^面Sl透射，以从第一光学元件l射 出而到达射出光瞳S。在作为S偏振光从第二显示元件4射出之后^X/2 片5转换成P偏振光的光4面S5进入第二光学元件2，被表面S4反 射，然后经过偏振分光表面S2透射，以进入第一光学元件l。进入了第 一光学元件1的P偏振光经过表面Sl从其射出，以到达射出光瞳S。
如实施例1中，他/她的眼睛E位于射出光瞳位置的观察者辨认显示 在第一显示元件3上的第一原始图像的放大虛像，该放大虛像通过表面
S3和Sl的折光力形成。观察者也通过眼睛E辨i/v显示在第二显示元件 4上的第二原始图像的放大虛像，该放大虚傳逸it^面S5和Sl的折光 力形成。
本实施例可以提高光使用效率以在采用显示元件诸如使用偏振光的 液晶板的情况下提供明亮的图像。
第一和第二显示元件3和4可以使偏振方向相互正交的光通量从其 射出。在这种情况下，入/2片5可以被去掉。
[实施例3
图6A示出用于作为本发明第三实施例(实施例3)的HMD的显示 单元的水平截面配置。
在本实施例中，反射膜形成于光路合成表面S2的部分区域(反射膜 形成区域)上。来自第一显示元件3的光通量被^^射膜形成区域反射以 被引向射出光瞳S。光^成表面S2的另一部分区域(非>^射膜形成区 域)是其上不形成反射膜的区域。来自第二显示元件4的光通量经过非 反射膜形成区域透射以被引向射出光瞳S。来自第一和第二显示元件3 和4的光通量在其上前进的光路与实施例1中的相同。在本实施例中， 实施例1中描述的第一和第二光路在表面S2处彼此相邻。
同样在本实施例中，如实施例1所述，显示单元可以使第一和第二 显示元件3和4显示第一和第二原始图像以便它们相互部分重叠，并且 使观察光学系统用来自第一显示元件3的被光路合成表面A (S2)反射 的光通量和来自第二显示元件4的经过其透射的光通量互补地形成射出 光瞠S。
在这种情况下，期望反射膜形成区域和非反射膜形成区域形成于同 一表面上。即，当表面S2具有像曲面或衍射光学表面的光焦度时，期望
改变:'例如，如果反射膜形成区域和非反射膜形成区域形成在具有不同
光焦度的不连续表面上，则射出光瞳的互补形成是很难的，很容易引起 问题，诸如产生来自显示元件的光通量不能到达的区域。
进一步，如图6B所示，可以使用这样一种配置，其中在反射膜形成 区域和非反射膜形成区域之间形成半透射反射区域，以逐渐改变反射膜 形成区域和非反射膜形成区域之间的表面S2的>^射率。这可以更有效地 抑制可能在反射膜形成区域和非反射膜形成区域之间的边界上轻微产生 的光的散射。
本实施例可以获得比实施例2更低成本的观察光学系统，并提供比 实施例1中更明亮的图^^。
实施例41
接下来，将对作为本发明第四实施例(实施例4)的HMD (或显示 单元)的配置进行描述。在本实施例中，来自显示元件的光通量被下述 光路合成表面内部全反射，而来自另一显示元件的光通量经过光路合成 表面透射。这也适用于稍后描述的实施例5。
首先，图7和8A到犯示出使用相同原始图像以分割方式形成射出 光瞳的示例，以便说明本实施例(和实施例5)的基本原理。
图7示出本实施例的HMD的配置。图8A到8E分别示出本实施例 中从各显示元件的光路。
参考数字6指示布置于第一光学元件1的表面S3和射出光瞳S之间 的透镜。设置透镜6在自射出光瞳S的反向光线追踪中形成向着作为图 像平面的显示元件远心的光学系统。在反向光线追踪中，通过进入光瞳 (射出光瞳S)中心并在第一和第二显示元件3和4上的不同图像高度 位置形成图像的各视角的主光线从透镜6的表面S2相互平行地射出。术 语"平行，，包括主光线在可以被认为是光学上平行的范围内不完全平行的 状态。
第一光学元件1和第二光学元件2具有各自形成为平面表面的光学 表面。作为第一光学元件1的单个光学表面的光路合成表面(反向光线 追踪中的光路分离表面)A (S4)被这样布置以便用反向光线追踪中各 视角的主光线形成比光路合成表面S4的临界角稍小的角。第一光学元件 1的光路合成表面S4和第二光学元件2的表面S6相互平行并且以其间
的微小间距(空气间隙)彼此面对着布置。
下文中将在反向光线追踪中描述光路。如图8B所示，发自进入光瞳 的上侧区域(实际HMD中水平方向上的左侧区域)的各视角的主光线 相互平行地M面S3进入第一光学元件1，经it^面S4透射，然后从 表面S6 it^第二光学元件2。
然后，主光线经it^面S7从第二光学元件2射出以到达第二显示元 件4。从进入光瞳中除了其中心以外的位置射出并且在各图像高度位置 形成图像的光线通过透镜6的图像形成效应会聚，以向着表面S4行进。 因此，如图8B所示，来自进入光瞳上侧区域的全部光线到达表面S4， 入射角小于要经过其透射的主光线的入射角。
另一方面，如图8A所示，来自iiX光瞳下侧区域(实际HMD中水 平方向上的右侧区域)的光线到W面S4，入射角大于主光线的入射角， 入射角大于临界角。因此，光线被表面S4内部全反射，然后经it^面 S5从第 一光学元件1射出以到达第 一显示元件3。
在示出光线的实际行进的前向光线追踪中，只有来自第二显示元件 4的光通量到达射出光瞳S的上侧区域，只有来自第一显示元件3的光 通量到达射出光瞳S的下侧区域。
因此，眼睛E位于射出光瞳位置的观察者可以总是观察第一和第二 原始图像的放大合成图像。即，不仅当如图8C所示眼睛E的瞳孔Ea位 于射出光瞳S中心附近时，而且当如图8D和8E所示当瞳孔Ea位于射 出光瞳S的上侧和下侧区域中时，观察者可以以来自第一和第二显示元 件3和4的光通量观察合成图像。
当在反向光线追踪中以稍小于临界角的入射角入射到表面S4的光 线M面S4向着表面S6行进时，所述光线被平移。假设以下条件透 镜6的焦距为20mm，表面S4和S6之间的空气间隙为O.lmm，形成第 一光学元件1的媒介的折射率为2,并且只有以关于表面S4的法线80° 以内的角度M面S4射出的光线被引向第二显示元件4。在该*下， 这些光线各自在表面S4和S6之间沿着平行于表面S4和S6的方向被平 移大约lmm。在这种情况下，进入光瞳中的某一区域的宽度小于0.5mm，其中反 向光线追踪中来自该区域的光线(在下文中称为非到达光线)不到达第 一和第二显示元件3和4中任一。这样的微小区域不会引起问题，因为 观察者不关心由于微小区域引起的光量变化。
因此，期望表面S4和S6之间的空气间隙更小，并且形成各光学元 件的媒介折射率更高。观察几十cd/m2图像的观察者的瞳孔直径实际上 大约为3到4mm，以便上述宽度大约为lmm的非到达光线的区域不会 引起任何问题。因此，期望把表面S4和S6之间的空气间隙设置为0.2mm 或更小，并且把形成各光学元件的媒介折射率设置为1.5或更高。
进一步，例如，期望为笫二显示元件4提供限制发自它的光通量出 射角的功能。限制出射角的功能通过4吏用限制光通量传播的光遮蔽构件、 限制发射光出射角的光源等实现。
即使在如上文所述观察光学系统被配置为不使用部分光线的情况 下，只有具有很小宽度的没有光线到达的区域(非光线到达区域)在光 线从第二显示元件4到达的射出光瞳S的上侧区域和光线从第一显示元 件3到达的射出光瞳S的下侧区域之间产生。因此，图傳J见察没有问题。
包括来自显示元件之一的光通量的内部全反射的本实施例去掉了实 施例1到3中形成的反射膜，这可以减少观察光学系统的成本。进一步， 本实施例消除了在反射膜的光吸收，即使以与实施例1到3中来自显示 元件的相同的光量，也可以提供更明亮的图像。
实施例5
图9示出用于作为本发明第五实施例(实施例5)的HMD的显示单 元的配置。在本实施例中，第一和第二原始图傳4目互部分重叠，如实施 例1中参考图2所述的。
图IOA到IOC示出本实施例中来自原始图像重叠区域中各图像高度 位置的光通量互补地形成射出光瞳S。本实施例使用实施例4中描述的 原理以使第一和第二显示元件3和4显示在Y-Z截面的方向上视角互不 相同的图像，从而使得观察光学系统的厚度能够减小。进一步，本实施例如实施例4中那样在一个光路合成表面处使用内 部全反射和透射，以使当合成从两个显示元件3和4中之一和另一到光 路合成表面的光通量时这些光通量中的主光线的入射角互不相同。
在该实施例中，第一光学元件1的表面S2是光i^成表面A。第一 光学元件1的光*成表面S2 (A)和第二光学元件2的表面S4相互平 行并且其间具有微小的空气间隙而相互面对着布置。
在来自进入光瞳(前向光线追踪中的射出光瞳S)的全部光通量在 反向光线追踪中M面S2内部全反射的视角范围内，显示仅对应于显示 在第一显示元件3上的原始图像的图像。另一方面，在来自i^光瞳的 全部光通量在反向光线追中经过表面S2透射的视角范围内，显示仅对应 于显示在第二显示元件4上的原始图像的图像。进一步，在来自i^A光 瞳的部分光通量在反向光线追踪中被表面S2内部全反射而剩余部分经 过其透射的视角范围内，显示对应于重叠显示在第一和第二显示元件3 和4上的相同部分原始图像的图像。
如上文所述，对于在图中所示的截面方向上互不相同的视角，使用 显示在两个显示元件上的两个原始图像，可以实现比当使用显示在一个 显示元件上的一个原始图像时更薄的宽视角观察光学系统。
而且，第二光学元件2形成光路，其用于4吏来自第二显示元件4的 光通量经#面S6 ^第二光学元件2，被耒面S4全反射，M面S5 反射，然后经it^面S4从第二光学元件2向着第一光学元件l射出。使 用多个反射表面折叠光路的这种配置可以进一步减小观察光学系统的厚 度。使用表面S4作为内部全反射表面和透射表面可以减少观察光学系统 中的光量损失。
在本实施例中，由于到表面S2的主光线入射角本身互不相同，因此 到达射出光瞳S的光通量具有取决于视角而互不相同的宽度。然而，只 有来自第二显示元件4的光通量到达的区域和只有来自第一显示元件3 的光通量到达的区域互补地形成射出光瞳S，从而使得能够在射出光瞳S 的全部区域中毫无问题地观察图像。
同样在本实施例中，如在实施例4中那样，期望为第二显示元件4提供限制发自其的光通量的出射角的功能，以把各光学元件的折射率设
置为高到某种程度，并且把表面S2和S4之间的空气间隙设置为微小。 这仅在光通量从两个显示元件3和4到达的射出光瞳S中产生4艮小宽度 的非光线到达区域，从而使得能够亳无问题地观察图像。
同样在本实施例中，如在实施例4中那样，来自显示元件之一的光 通量被内部全反射。这去掉了反射膜，从而使得观察光学系统能够减少 成本并且提供明亮图像。
[实施例61
图11示出用于作为本发明第六实施例(实施例6)的HMD的显示 单元的配置。同样在本实施例中，第一和第二原始图像(即，稍后描述 的在光i^成表面A (S2)的第一和第二光路)相互部分重叠。
图12示出本实施例中来自原始图像重叠区域中各图像高度位置的光 通量互补地形成射出光瞳S。
本实施例是实施例5的修改示例。在本实施例中，在反向光线追踪 中作为单个光学表面的光路分离表面S2 (前向光线追踪中的光路合成表 面)上，有这样的区域，包括在光路分离表面S2处内部全反射的光通量 部分和经过光路分离表面S2透射的光通量部分的光通量从ii^光瞳(前 向光线追踪中的射出光瞳S) i^A该区域。
第一光学元件1和第二光学元件2在来自it^光瞳的光通量i^的 区域中的特定区域(在下文中称为接合区域)处接合，该特定区域是经 过光路分离表面S2透射的光通量部分所进入的区域。换句话说，在本实 施例中，i^V光路分离表面S2上的第一和第二光学元件1和2的非接合 区域的全部光通量到达第一显示元件3， iiA光路分离表面S2上的第一 和第二光学元件1和2的M区域的全部光通量到达第二显示元件4。
期望，在如图12所示在反向光线追踪中来自进入光瞳的有效光通量 包括被光路分离表面S2内部全反射的光通量部分和经过其透射的光通 量部分的视角范围是显示在第一和第二显示元件3和4上的部分原始图 像彼此相同的重叠显示区域。这使得能够互补形成射出光瞳S，以便形成的射出光瞳s基本上填充预定的射出光瞳形成区域。
本实施例也可以提供明亮的图像，而不形成实施例1到3中描述的 反射膜。进一步，本实施例可以在形成光学元件的媒介折射率和面对表 面的布置方面放松实施例4和5中描述的条件。
注意，在表面S2上的非接合区域的边缘不会产生由于嘲:射而不必要 的光，所述表面82是第一光学元件1与第二光学元件2#的表面，但 是不必要的光可能在表面S2上的接合区域的边缘处产生。为了避免不必 要的光的产生，期望提供对接合区域边缘的光遮蔽。
[实施例7
图13示出用于作为本发明第七实施例(实施例7)的HMD的显示 单元的配置。在本实施例中，第一光学元件1使用多个偏心反射曲面以 折叠光路。
在本实施例中，构成第一光学元件1并且包括作为单个光学表面的 光#成表面A (Sl)的所有光学表面都为曲面。该配置减少不是用于 图像形成和像差校正的表面的数量，从而使得能够形成高性能同时表面 数量减少的观察光学系统。
为了实现宽视角显示而不增加第一光学元件1的厚度，在自进入光 瞳(前向光线追踪中的射出光瞳S)的反向光线追踪中必须提高主要提 供图像形成效应的凹反射表面S2的光焦度。然而，凹反射表面S2的光 焦度的提高使得很难使来自第一显示元件3的光通量被用作透射表面和 反射表面的表面Sl的部分内部全反射。特别地，该问题在图13的上侧 视角中很容易发生。
为了解决该问题，本实施例在反向光线追踪中采用一种配置，其适 合于宽视角，同时向表面S2提供增大的光焦度。具体来说，本实施例这 样配置，以便上侧视角范围的部分光通量(从iiA光瞳到^^面Sl以经 过其透射，然后^面S2反射以再次入射到表面Sl的光通量)不M 面S1内部全反射。在上侧视角范围的光通量通过，部分光通量不被内部 全反射的区域中，第二光学元件2在表面S1与第一光学元件1接合，以便上侧视角范围的光通量经过表面Sl透射以被引向第二显示元件4。
本实施例进一步这样配置，在表面Sl上第二光学元件2没有与之接 合的区域，在反向光线追踪中来自进入光瞳的光通量经过表面(光路分 离表面)S1透射，狄面S2反射，然后樣面Sl内部全反射以被引向 第一显示元件3。该配置使得能够实现宽视角显示同时使用薄且小的光 学系统以及实现能够減少光量损失的明亮观察光学系统。
在反向光线追踪中来自进入光瞳的全部光通量被表面Sl内部全反 射的视角范围内，所述全部光通量到达第一显示元件3。另一方面，在 来自进入光瞳的全部光通量被引向在表面Sl与第一光学元件1接合的第 二光学元件2的视角范围内，所述全部光通量到达第二显示元件4。
进一步，在反向光线追踪中来自进入光瞳的部分光通量被表面Sl内 部全反射并且剩余部分被引入第二光学元件2的视角范围内，所述部分 光通量到达第一显示元件3,所述剩余部分到达第二显示元件4。
在反向光线追踪中，在所述部分光通量到达第一显示元件3并且所 述剩余部分到达第二显示元件4的视角范围内，相同的原始图4象显示在 第一和第二显示元件3和4上。在除了上述视角范围以外的视角范围内， 互不相同的原始图像显示在第一和第二显示元件3和4上。这4吏得能够 互补形成射出光瞳S以便形成的射出光瞳S基本上填充预定的射出光瞳 形成区域。
在下文中在前向光线追踪中描述光路和光学效应，其中光线从显示 元件到达射出光瞳S。
来自第一显示元件3的光通量M面S3i^第一光学元件l，然后 以等于或大于表面Sl的临界角的入射角入射到表面Sl,以被其内部全 反射。衫漆面Sl内部全反射的光通量朝漆面S2反射，以小于临界角的 入射角入射到表面S1以从第一光学元件l射出，然后到达射出光瞳S。 观察者可以观察显示在第一显示元件3上的原始图像的放大虛像，该放 大虛像通过第一光学元件1的各表面的光焦度形成。
来自第二显示元件4的光通量M面S5^第二光学元件2， 面S4反射，然后M面S2 i^V第一光学元件1。 i^X了第一光学元件1
的光通量被表面S2反射，以小于临界角的入射角入射到表面Sl以从第 一光学元件l射出，然后到达射出光瞳S。观察者可以观察显示在第二 显示元件4上的原始图像的放大虛像，该放大虚像通过表面S5、 S4、 S2 和S1的光焦度形成。
这些光学效应可以使他/她的眼睛位于射出光瞳位置的观察者用来 自第一和第二显示元件3和4的光通量，观察显示在第一和第二显示元 件3和4上的不同原始图像的放大合成图像。
在本实施例中，在自进入光瞳(射出光瞳S)的反向光线追踪中， 光路分离表面Sl从反射表面S2 (在显示元件侧)向后布置。在前向光 线追踪中，该配置在第一光学元件l中的表面S1、表面S2和表面S1折 叠自第一显示元件3的光路和自第二显示元件4的光路，导致薄的观察 光学系统。
在本实施例中，为了如图4所示在垂直方向上合成图像，期望把与 包括光游4斤叠方向的截面(Y-Z截面)垂直的截面(X-Z截面)中的焦 距设置为比Y-Z截面中的焦距更短。即，期望把X-Z截面中的光焦度设 置为比Y-Z截面中的更强。这是因为折叠光路的Y-Z截面中比X-Z截面 中有更多限制，因此上述配置可以很容易提供更宽的视角。
本实施例通过把第一和第二光学元件1和2备^采用与实施例6相 近的配置。然而，第一和第二光学元件1和2可以以其间的微小距离(空 气间隙)布置，以提供与实施例5中类似的效应。进一步，光^成表 面Sl可以是半>^射镜表面或偏振分光表面，以提供与实施例1和2中类 似的效应。然而，使用如本实施例中描述的内部全>^射，可以实现成本 降低和很高的光使用效率。
如本实施例中那样使用偏心曲面引起非旋转对称偏心像差。为了校 正该像差，期望至少使用一个非旋转对称表面。
实施例8
上述实施例通过把光通量引向射出光瞳S各自为观察者提供放大虚 像，而不形成原始图像的中间图像。相反，图15所示的本发明第八实施
例(实施例8 )的HMD在形成原始图像的中间图像之后把光通量引向射 出光瞳S。图15仅示出到达射出光瞳S中心的主光线以简化对于图像合 成的描述。
来自显示在笫一显示元件3上的原始图^^的光通量M面Sl经由透 镜7 ii^第一光学元件1。被作为第一光学元件1的单个光学表面的光路 合成表面S2内部全反射的光通量经it^面S3从第一光学元件1射出， 形成中间图像IM,然后到达凹面镜9。被凹面镜9反射的光通量到达射 出光瞳S。中间图像IM的放大虛像通过凹面镜9的正的光焦度而被提供 给观察者。
另一方面，来自显示在第二显示元件4上的原始图像的光通量通过 透镜8和第二光学元件2，然后经过光路合成表面S2透射以进入第一光 学元件1。第二光学元件2的表面S5和光5^成表面S2被布置为其间 具有小的空气层(空气间隙)。ii^了第一光学元件l的光通量经it^面 S3从第 一光学元件1射出。
从第一光学元件1射出的光通量形成中间图像IM,然后到达凹面镜 9。被凹面镜9反射的光通量到达射出光瞳S。中间图像IM的放大虛像 通过凹面镜9的正的光焦度被提供给观察者。该配置可以使观察者观察 对应于显示在第一和第二显示元件3和4上的原始图像的放大合成图像。
本实施例使用凹面镜9作为眼睛(目镜)光学系统，并把中继光学 系统中的第一光学元件1布置在原始图像和其中间图像IM之间，第一 光学元件1包括光路合成表面S2 (A)并被来自第一和第二显示元件3 和4的光通量共享。然而，本发明的可替换实施例不局限于此。
例如，可以采用用于提供合成图像的配置，其中包括光路合成表面 的共享的光学元件被布置在眼睛光学系统中，来自多个原始图像的光通 量通过多个中继光学系统被引向眼睛光学系统中的光5^成表面。
实施例91
上述实施例各自通过在第一光学元件1内部形成的光路合成表面反 射光通量，并且使用两个显示元件(两个原始图像)。然而，本发明的可
替换实施例不局限于此。
图16示出用于作为本发明第九实施例(实施例9)的HMD的显示 单元的配置。
第一光学元件11和第二光学元件12分别被形成为半反射镜片。半 反射镜片由薄的透光衬底和形成于射出光瞳侧表面(半反射镜表面)的 半透射反射膜构成，该表面是衬底的单个光学表面。
第一光学元件11为共享的光学元件，来自第一到第三显示元件13 到15的光通量通过反射或透射经过它。第二光学元件12为另一共享的 光学元件，来自第二和第三显示元件14和15的光通量通过反射或透射 经过它。在本实施例中，第一光学元件11的半>^射镜表面在下文中称为 光^成表面A，第二光学元件12的半反射镜表面在下文中称为光路合 成表面B。
来自第一显示元件13的光通量被第一光学元件11的光i^成表面 A反射以经过透镜6被引向射出光瞳S。来自第二显示元件14的光通量 被第二光学元件12的光路合成表面B反射，然后经过第一光学元件11 透射以经过透镜6被引向射出光瞳S。
来自第三显示元件15的光通量经过第一和第二光学元件11和12透 射以经过透镜6被引向射出光瞳S。图16仅示出到达射出光瞳S中心的 主光线以简化关于图l象合成的描述。
本实施例中的第一和第二显示元件13和14对于第一光学元件11对 应于本发明中的第一和第二图像形成元件。本实施例中的第二和第三显 示元件14和15对于第二光学元件12对应于本发明中的第一和第二图像 形成元件。
来自第二和第三显示元件14和15的光通量比来自第一显示元件13 的光通量多通过半反射镜片(11、 12)—次。因此，期望笫二和第三显 示元件14和15以第一显示元件13两倍高的显示亮度显示原始图像。
下列光学元件可以代替上述半反射镜片使用。在构成第一光学元件 11的透光衬底上，仅在反射来自第一显示元件13的光通量的区域中形成 反射膜。进一步，在构成第二光学元件12的透明衬底上，仅在反射来自
第二显示元件14的光通量的区域中形成反射膜。当使用这些光学元件时， 第二和第三显示元件14和15可以以与第一显示元件13的显示亮度相同 的显示亮度显示原始图4象。
本实施例使用两个光^成表面A和B以合成与显示在三个显示元 件13到15上的原始图像相对应的三个图像。这可以提供与各显示元件 (各原始图像)的尺寸相比更宽的视角。使用两个或更多光路合成表面 以该方式提供更宽的视角可以适用于上述实施例1到8。
上述实施例各自把来自第一和第二图像形成元件的光通量经过在没 有接合线的同 一表面(单个光学表面)反射和透射而引向射出光瞳位置， 其中这些图像形成元件形成对应于互不相同的视场的原始图像。因此， 上述实施例中的每一个都可以实现小型图像观察设备，其能够提供宽显 示视角，同时抑制光散射、耀斑等的产生。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明 并不局限于公开的示例性实施例。应给予下列权利要求的范围最宽的解 释以包括所有修改以及等同结构和功能。
权利要求
1.一种图像观察设备，包括第一图像形成元件和第二图像形成元件，其各自形成原始图像；以及光学系统，其被配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者的眼睛所位于的射出光瞳位置，其特征在于，所述光学系统包括作为单个表面的光学表面，所述光学表面反射来自第一图像形成元件的光通量，并且透射来自第二图像形成元件的光通量，并且第一图像形成元件和第二图像形成元件分别形成第一原始图像和第二原始图像，所述第一原始图像和第二原始图像对应于自射出光瞳位置的不同的视场。
2. 根据权利要求l的图^^见察设备，其中，在所述光学表面上，来 自第一图像形成元件的光通量的光路和来自第二图像形成元件的光通量 的光路彼此相邻或者至少彼此部分重叠。
3. 根据权利要求l的图像观察设备，其中所述光学表面是半透射反 射表面。
4. 根据权利要求l的图像观察设备，其中所述光学表面反射具有第 一偏振方向的光通量，透射具有不同于第一偏振方向的第二偏振方向的 光通量。
5. 根据权利要求1的图^JC察设备，其中所述光学表面包括形成反 射膜的第一区域和没有形成反射膜的第二区域。
6. 根据权利要求5的图^M见察设备，其中光学表面在第一和第二区 域之间包括第三区域，在所述第三区域中形成有半透射反射膜。
7. 根据权利要求l的图^Jt见察设备，其中所迷光学系统包括 第一光学元件，它包括所述光学表面并且在所述光学表面反射来自所述第一图像形成元件的光通量；和第二光学元件，它把来自所述第二图像形成元件的光通量向所述光 学表面反射。
8. 根据权利要求l的图《lJi见察设备，其中所述光学系统包括 第一光学元件，它包括所述光学表面并且在所述光学表面反射来自所述第一图像形成元件的光通量；和第二光学元件，它透射向着所述光学表面行进的来自所述第二图像 形成元件的光通量。
9. 一种图^UC察系统，其特征在于包括 根据权利要求1到8任一项的图HJ5i察设备；和驱动器，它使第一和第二图像形成元件形成第一和第二原始图像。
全文摘要
本发明公开了一种图像观察设备和图像观察系统。所述图像观察设备包括各自形成原始图像的第一图像形成元件和第二图像形成元件；以及光学系统，其被配置为把来自第一和第二图像形成元件的光通量引向光学系统中观察者眼睛所位于的射出光瞳位置。所述光学系统包括作为单个表面的光学表面，所述光学表面反射来自第一图像形成元件的光通量，透射来自第二图像形成元件的光通量。第一图像形成元件和第二图像形成元件分别形成第一原始图像和第二原始图像，所述第一原始图像和第二原始图像对应于自射出光瞳位置的不同的视场。该设备合成多个原始图像以使得能够观察一个合成图像，并且可以抑制光散射的产生。
文档编号G02B27/01GK101339297SQ20081012534
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月20日 优先权日2007年6月20日
发明者东原正和, 山崎章市, 猪口和隆, 露木智美, 齐藤贤一 申请人:佳能株式会社