专利名称：头戴式显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种头戴式显示器，其包括安装到观察者的头部的眼镜框型的框架以
及图像显示装置。
背景技术：
已经公知一种虚拟图像显示装置(图像显示装置)，其用于允许观察者通过一种 虚拟图像光学系统观察作为经放大的虚拟图像的、由图像形成装置形成的二维图像，例如 日本专利早期公开No. 2006-162767 (下面称之为专利文献1)。 如图8中示出的概念性框图所示，该图像显示装置100包括图像形成装置111、准 直光学系统112和导光装置(光学装置)120，图像形成装置111具有设置成二维矩阵的多 个像素，从图像形成装置111的像素发射的光束由准直光学系统112转变成平行光束，经由 准直光学系统112获得的平行光束入射在导光装置(光学装置)120上，该平行光束由导光 装置120引导，并且从导光装置120发射光束。而且，图像产生装置110包括图像形成装置 111和准直光学系统112。导光装置120包括导光板121、第一偏转装置130(例如包括单层 光反射膜)和第二偏转装置140 (例如包括具有多层结构的多层光反射膜)，导光板121用 于由全反射使入射光束经过其内部传播，并从其发射光束，第一偏转装置130用于反射进 入导光板121的光束，使得进入导光板121的光束在导光板121内发生全反射，在发生全反 射的同时经过导光板121内部传播的光束由第二偏转装置140偏转而从导光板121发射。
还已经公知一种虚拟图像显示装置(图像显示装置)，其中，全息衍射光栅用于允 许观察者通过使用虚拟图像光学系统将图像形成装置形成的二维图像作为放大的虚拟图 像观察，例如日本专利早期公开No. 2007-94175 (下面称之为专利文献2)。
如图10A中示出的概念性框图所示，该图像显示装置300基本上包括图像显示装 置111、准直光学系统112和导光装置(光学装置)320，图像显示装置111可操作以显示图 像，在图像形成装置111上显示的光束入射在导光装置320上，并且图像经由导光装置320 引导到观察者的瞳孔41。这里，导光装置320包括导光板321、第一衍射光栅构件330和第 二衍射光栅构件340，第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340各自设置在导光板 321上并包括反射型体全息衍射光栅。从图像形成装置111的像素发射的光束入射在准直 光学系统112上，平行光束由准直光学系统112产生，并且平行光束入射在导光板321上。 平行光束经由第一表面322进入导光板321，并经由第一表面322从导光板321发射。另一 方面，第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340安装在导光板321的第二表面323， 第二表面323平行于导光板321的第一表面322。 包括图像生成装置110和导光装置120、320的图像显示装置被安装到类似眼镜框 的框架1010。具体地，例如如专利文献l的图1所示，两个图像生成装置110分别经由固定 构件1017固定到眼镜框型框架1010的前部1011的两端部分(见图30)。
发明内容
同时，在图30A-B中示出的情形中，当框架1010安装到观察者的头部时，镜腿部分 1015可沿箭头A方向伸展。而且，框架1010的前部1011沿着箭头B的方向变形。在发生 此现象时，从导光装置120、320发射的光束所产生的图像(虚拟图像)的空间位置可能发 生变化。具体地，在双眼视野型头戴式显示器中，这种现象将使得左右图像的交会角(angle ofconvergence)发生变化。因而，从观察者到虚拟图像的预先调节的空间距离产生不匹配， 由此，观察者在观察时变得疲劳。具体地，在图30B中，假定左右虚拟图像的图像平面中心 之间的交点的经过预先调节的空间位置为"C"，则框架1010的前部1011的变形可能使左右 虚拟图像的图像平面中心之间的交点的空间位置运动到"D"，导致交会角增大。
为了解决这一问题，可能希望增强框架1010的前部1011的刚度。然而，这种解决 方式可能需要增大框架的横截面积或者使用具有更高纵向弹性模量的材料，这通常会导致 框架重量增大，降低设计特性或提高成本。 此外，由于图像显示装置100安装到类似于镜框的框架1010，所以难以根据观察 者的品味自由地选择框架1010的外观设计和颜色等。而且，由于许多限制强加在框架1010 的外观设计上，所以设计基础的自由度不大。 从而，需要一种头戴式显示器，其具有眼镜框型的框架和图像显示装置，并且其配
置为或构造为使得框架在安装到观察者的头部时，其变形不会影响图像显示装置获得的图
像与观察者的瞳孔之间的相对位置关系，并且对框架的设计还具有更少的限制。 根据本发明的实施例，提供一种头戴式显示器，包括(A)眼镜框型的框架，其安
装到观察者的头部；和(B)两个图像显示装置，每个图像显示装置都包括(B-1)图像产生
装置，和(B-2)导光装置，其安装到图像产生装置，并且整体相对于图像产生装置位于观察
者的面部的中心那侧，从图像产生装置发射的光束入射在导光装置上，光束经由导光装置
引导，并且光束从导光装置朝向观察者的瞳孔发射，其中，头戴式显示器还包括用于使得两
个图像显示装置彼此连接的连接构件，连接构件安装到框架的位于观察者两个瞳孔之间的
中心部分的朝向观察者的一侧，并且连接构件的投影图像包括在框架的投影图像中。其中，
投影方向垂直于观察者的面部。 在根据本发明的头戴式显示器(HMD)中，连接构件使得两个图像显示装置彼此连 接，连接构件安装到框架的位于观察者两个瞳孔之间的中心部分。换言之，图像显示装置不 直接安装到框架上。从而，即使在框架在安装到观察者的头部时镜腿部分朝向外侧伸展从 而导致框架变形，框架的这种变形对于图像产生装置或导光装置的位移(位置变化)也没 有影响或者影响极小(如果有)。因此，能够有效地防止左右图像之间的交会角发生变化。 而且，由于不需要增强框架前部的刚度，可以避免增大框架的重量、降低设计特性或提高成 本。此外，由于图像显示装置不直接安装到与眼镜的镜框类似的框架上，能够根据观察者的 品味自由地选择框架的外观设计和颜色，并且强加在框架的外观设计上的限制更少；从而， 设计具有更大的自由度。此外，连接构件位于观察者和框架之间，连接构件的投影图像包括 在框架的投影图像中。换言之，当从观察者的前侧观察头戴式显示器时，连接构件隐藏在框 架后。从而，头戴式显示器能够具有较高的设计特性。
图1是根据本发明示例1的头戴式显示器从前侧观察的示意图；图2是根据示例 1的头戴式显示器(假设取下框架的情形)从前侧观察的示意图；图3是根据示例1的头 戴式显示器从上侧观察的示意图；图4是根据示例1的头戴式显示器在安装到观察者的头 部时从上侧观察的视图(仅示出图像显示装置，略去框架)；图5是根据示例1的头戴式显 示器从前上侧观察的立体图；图6是根据示例1的头戴式显示器从后下侧观察的立体图； 图7是根据示例1的头戴式显示器的部件的组成部件的分解视图；图8是根据示例1的头 戴式显示器中图像显示装置的概念性框图；图9是根据本发明示例2的头戴式显示器中图 像显示装置的概念性框图；图IOA和IOB分别是根据本发明示例3的头戴式显示器中图像 显示装置的概念性框图，和以放大的形式示出反射型体全息衍射光栅的部分的示意性截面 图；图11是根据本发明示例4的头戴式显示器中图像显示装置的概念性框图；图12是根 据本发明示例5的头戴式显示器中图像显示装置从前侧观察的示意图；图13是根据示例5 的头戴式显示器(假设取下框架的情形)从前侧观察的示意图；图14是根据示例5的头戴 式显示器从上侧观察的示意图；图15是根据本发明示例6的头戴式显示器从前侧观察的示 意图；图16是根据示例6的头戴式显示器(假设取下框架的情形)从前侧观察的示意图； 图17是根据示例6的头戴式显示器从上侧观察的示意图；图18是示出适于在示例1、3、5 或6中使用的图像形成装置的改进形式的概念性框图；图19是示出适于在示例1、3、5或6 中使用的图像形成装置的另一改进形式的概念性框图；图20是示出适于在示例1、3、5或6 中使用的图像形成装置的又一改进形式的概念性框图；图21是示出适于在示例1、3、5或6 中使用的图像形成装置的再一改进形式的概念性框图；图22是示出适于在示例1、3、5或6 中使用的图像形成装置的再一改进形式的概念性框图；图23是根据示例1的头戴式显示器 的主视图；图24是根据示例1的头戴式显示器的俯视图；图25是根据示例1的头戴式显示 器的仰视图；图26是根据示例1的头戴式显示器的右视图；图27是根据示例1的头戴式显 示器的左视图；图28是根据示例1的头戴式显示器的后视图；图29是根据示例1的头戴式 显示器的立体图；图30A和图30B示意性地示出根据现有技术的图像显示装置安装到镜框 的情形。
具体实施例方式
现在，下面将基于本发明的示例参照附图对本发明进行描述。然而，下面描述的示
例不是对本发明的限制，并且下列示例中的各种数值和材料仅作为示例性的情形示出。其
中，以下列顺序进行描述l.根据本发明实施例的头戴式显示器的总体描述2.示例l(属
于本发明的头戴式显示器的具体描述)3.示例2(示例1的头戴式显示器的改进形式)4.
示例3(示例1的头戴式显示器的另一改进形式)5.示例4(示例1的头戴式显示器的又一
改进形式)6.示例5 (示例1的头戴式显示器的再一改进形式)7.示例6 (示例1的头戴式
显示器的还一改进形式)1.根据本发明实施例的头戴式显示器的总体描述 在根据本发明的实施例的头戴式显示器中，可一体地形成两个光学装置(导光装
置)，但是即使在此情形中，也假定头戴式显示器具有两个图像显示装置。 在根据本发明的实施例的头戴式显示器中，优选地，框架包括设置在观察者前侧
的前部、分别经由铰链可转动地安装在前部两端的两个镜腿部分、安装到镜腿部分的尖端部分的端盖部分；并且连接构件安装到前部的位于观察者的两个瞳孔之间的中心部分(对 应于普通眼镜的镜桥部分)的、朝向观察者一侧。 在此构造中，优选地，根据便于设计头戴式显示器或便于安装头戴式显示器的观 点，从一个或两个图像产生装置延伸的配线(信号线、电源线等)经由镜腿部分和端盖部分 的内部延伸，并从端盖部分的尖端部分延伸到外部。更优选地，每个图像产生装置具有耳机 部分，并且从每个图像产生装置延伸的耳机配线经由镜腿部分和端盖部分内部延伸，并从 端盖部分的尖端部分延伸到耳机部分。耳机部分的示例包括内耳式耳机部分和耳道式耳机 部分。更具体地，耳机配线优选地以围绕外耳(耳廓)后侧的方式从端盖部分的尖端部分 延伸到耳机部分。 在根据包括上述各种形式的本发明的实施例的头戴式显示器的优选构造中，图像 感应装置可安装到前部的中心部分。具体地，图像感应装置具有固态图像感应元件(例如 包括CCD(电荷耦合器件)、CM0S(互补金属氧化半导体)传感器等)和透镜。从图像感应 装置延伸的配线例如可在连接构件和前部之间穿过并在一侧连接到图像显示装置；而且， 该配线可包括在从图像产生装置延伸的上述配线中。 而且，在根据本发明的实施例包括上述各种构造和形式的头戴式显示器中，鼻垫 可安装在连接构件的朝向观察者的一侧。换言之，当根据本发明的实施例的头戴式显示器 看作一个整体时，框架与连接构件以及鼻垫构成的组件与普通眼镜相比，除缺少眼镜圈外 具有大致相同的结构。 在根据本发明的实施例包括上述各种优选构造和形式的头戴式显示器(下面将 其总称为"本发明的头戴式显示器等")中，每个光学装置可包括(a)导光板，其整体相 对于图像产生装置设置在观察者的面部的中心那侧，从图像产生装置发射的光束入射在导 光板上，光束经由导光板引导，并且光束从导光板朝向观察者的瞳孔发射；(b)第一偏转部 分，其使进入导光板的光束偏转，使得进入导光板的光束在导光板内部发生全反射；和(c) 第二偏转部分，其将在发生全反射的同时经过导光板内部传播的光束偏转多次，使得在发 生全反射的同时经过导光板内部传播的光束从导光板发射。而且，术语"全反射"是指全内 反射，即在导光板内部的全反射。这同样适用于下面的描述。 此外，在本发明的头戴式显示器等的上述形式中，可采用一种构造，其中，第一偏 转部分反射进入导光板的光束，而第二偏转部分使得在发生全反射的同时经过导光板内部 传播的光束透射并反射多次。在此情形下，还可采用一种构造，其中，第一偏转部分用作反 射镜，而第二偏转部分用作半透明镜。 在此构造中，第一偏转部分可包括反光膜(一种反射镜)或衍射光栅(例如全息 衍射光栅膜)，反光膜例如由金属或合金形成并反射进入导光板的光束，衍射光栅衍射进入 导光板的光束。此外，第二偏转部分可包括多层层叠结构、半反射镜、偏振光分束器或全息 衍射光栅薄膜，其中，多层层叠结构层叠有多层电介质层叠膜。第一偏转部分和第二偏转部 分设置在导光板内部(结合在导光板中)。在第一偏转部分处，进入导光板的平行光束被反 射或衍射，使得进入导光板的平行光束在导光板内部发生全反射。另一方面，在第二偏转部 分处，在发生全反射的同时经过导光板内部传播的光束反射或衍射多次，并且从导光板以 平行光束的形式发射。 或者，可选地，在本发明的头戴式显示器等的上述形式中，可采用一种构造，其中，第一偏转部分使进入导光板的光束衍射，第二偏转部分使在发生全反射的同时经过导光板 内部传播的光束衍射多次。此外，第一偏转部分和第二偏转部分每个都可包括衍射光栅元 件；并且，在此情形中，衍射光栅元件可包括反射型衍射光栅元件或透射型衍射光栅元件。 或者，可采用一种构造，其中， 一侧的衍射光栅元件包括反射型衍射光栅元件，而另一侧的 衍射光栅元件包括透射型衍射光栅元件。其中，可以列举反射型体全息衍射光栅作为反射 型衍射光栅元件的示例。包括反射型体全息衍射光栅的第一偏转部分可方便地称为"第一 衍射光栅构件"，而包括反射型体全息衍射光栅的第二偏转部分可方便地称为"第二衍射光 栅构件"。 第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件可具有一种构造，其中，为了与具有不同 的P种波段(或波长)的P种光束的衍射/反射对应(这里，例如对于三种颜色即红绿蓝， P = 3)，P层衍射光栅层被层叠，其中，每层都包括反射型体全息衍射光栅。其中，每个衍射 光栅层中形成有与一种波段(或波长)对应的干涉条纹。或者，可采用一种构造，其中，为 了与具有不同P种波段(或波长)的P种光束的衍射/反射对应，包括一层衍射光栅层的 第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件中形成有P种干涉条纹。或者，可采用一种构造，其 中例如视角被分成三份，并且第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件具有一种结构，其中， 与这些视角对应的衍射光栅层被层叠。对于在第一衍射光栅构件或第二衍射光栅构件处具 有每个波段(或波长)的光束的衍射/反射，当采用如上所述的这种构造时，可以实现增强 的衍射效率、增大的衍射受光角和优化的衍射角。 作为用于构造第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的材料，可列举光敏聚合物 材料。每个都包括反射型体全息衍射光栅的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的组成 材料和基本结构可以与根据现有技术的反射型体全息衍射光栅相同。反射型体全息衍射光 栅是指仅对+1级(正1)衍射光束执行衍射/反射的全息衍射光栅。衍射光栅构件在其 从内部到表面的部分中形成有干涉条纹，并且用于形成干涉条纹自身的方法可以与现有技 术中的形成方法相同。具体地，可采用一种方法，其中，例如构成衍射光栅构件的构件(例 如光敏聚合物材料)在一侧由第一预定方向的对象光束照射，并且同时，构成衍射光栅构 件的构件在另一侧由第二预定方向的参考光束照射，由此，在构成衍射光栅构件的构件内 部记录由对象光束和参考光束形成的干涉条纹。当合适地选定第一预定方向、第二预定方 向和对象光束以及参考光束的波长时，对于衍射光栅构件表面上的干涉条纹，可以获得所 希望的栅距和所希望的倾斜角。干涉条纹的倾斜角是指衍射光栅构件的表面(或衍射光栅 层)与干涉条纹之间形成的角度。在第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件每个都具有P 层衍射光栅层的层叠结构并且每个都包括反射型体全息衍射光栅时，可以分别形成P层衍 射光栅层然后通过使用例如UV固化粘合剂使得P层衍射光栅构件彼此层叠(粘合)而实 现这种衍射光栅层的层叠。或者，可选地，可采用一种方法，其中，通过使用粘性光敏聚合物 材料形成一层衍射光栅层，然后通过在其上依次粘合粘性的光敏聚合物材料而形成衍射光 栅层，由此制造P层衍射光栅层。 或者，在本发明的头戴式显示器等中，光学装置可以每个都包括一个半透明镜，该 镜相对于图像产生装置设置在观察者的面部的中心那侧，从图像产生装置发射的光束入射 在半透明镜上，并且光束从该半透明镜朝向观察者的瞳孔发射。其中，从图像产生装置发射 的光束可以经过空气传播从而入射在半透明镜上，或者可经过透明构件(例如玻璃板或塑
8料板，具体地，由与构成稍后将要描述的导光板的材料类似的材料形成的构件)的内部传 播从而入射在半透明镜上。其中，半透明镜可通过透明构件安装到图像产生装置；或者，半 透明镜可通过除了透明构件以外的构件安装到图像产生装置。 在根据本发明的实施例包括上述各种优选形式和构造的头戴式显示器中，图像产 生装置可包括(a)图像形成装置，其具有设置成二维矩阵的多个像素；和(b)准直光学系 统，从图像形成装置的像素发射的光束由准直光学系统转变成平行光束。其中，刚刚提及的 图像产生装置的构造将被方便地称为"第一构造的图像产生装置"。 在第一构造的图像产生装置中，图像形成装置的示例包括包括反射型空间光调 制器和光源的图像形成装置；包括透射型空间光调制器和光源的图像形成装置；包括发光 元件(例如有机EL(电致发光)元件、无机电子发光元件、发光二极管(LED)等)的图像形 成装置。其中，优选的是包括反射型空间光调制器和光源的图像形成装置。空间光调制器的 示例包括光阀，例如透射型或反射型液晶显示装置(例如硅基液晶(LC0S)等)、数字微镜装 置(匿D)等。光源的示例包括发光元件。而且，反射型空间光调制器可以包括液晶显示装置 和偏振光分束器，来自于光源的一部分光束由偏振光分束器反射并引导到液晶显示装置， 并且由液晶显示装置反射的那部分光束经由偏振光分束器并被引导到准直光学系统。用于 构成光源的发光元件的示例包括红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件以及白色发 光元件。此外，发光元件的示例包括半导体激光元件和LED。可基于头戴式显示器的具体要 求确定像素数。像素数的示例包括320*240、432*240、640*480、 1024*768和1920*1080。
或者，在根据本发明的另一实施例包括上述各种优选形式和构造的头戴式显示器 中，图像产生装置可包括(a)光源；(b)准直光学系统，从光源发射的光束由准直光学系统 转变成平行光束；(c)扫描部分，其配置为扫描从准直光学系统发射的平行光束；和(d)中 继光学系统，由扫描部分扫描的平行光束由中继光学系统中继并发射。其中，刚刚提及的图 像产生装置将被方便地称为"第二构造的图像产生装置"。 第二构造的图像产生装置中的光源例如可以是(一个或多个)发光元件。发光元 件的具体示例包括红色发光元件、绿色发光元件、蓝色发光元件以及白色发光元件。此外， 发光元件的示例包括半导体激光元件和LED。可基于头戴式显示器的具体要求确定第二构 造的图像产生装置中的像素(虚拟像素)数目。像素(虚拟像素)数目的示例包括320*240、 432*240、640*480、 1024*768和1920*1080。此外，在通过使用红色发光元件、绿色发光元件 和蓝色发光元件组成光源的情形中，优选地通过使用例如正交棱镜来执行颜色合成。扫描 部分的示例包括使从光源发射的光束受到水平扫描和竖直扫描的那些扫描部分，例如具有 能够在二维方向上转动的微镜的微机电系统(MEMS)，或电流镜(galvano-mirror)。中继光 学系统可以包括已知的中继光学系统。 例如，可使用包括发光元件和光阀的图像形成装置。或者，可使用背光与液晶显示 装置的组合，背光可作为光源而整体上发射白光，液晶显示装置具有红光发射像素、绿光发 射像素和蓝光发射像素。除此之外，也可以列举下述构造作为可以使用的构造的示例。
图像形成装置A 图像形成装置A包括(a)第一图像形成装置，其具有第一发光面板，其中，可操作 以发射蓝光的第一发光元件以二维矩阵的形式设置在第一发光面板中；(b)第二图像形成装置，其具有第二发光面板，其中，可操作以发射绿光的第二发光元件以二维矩阵的形式设 置在第二发光面板中；和(c)第三图像形成装置，其具有第三发光面板，其中，可操作以发 射红光的第三发光元件以二维矩阵的形式设置在第三发光面板中；以及(d)配置为将第一 图像形成装置、第二图像形成装置和第三图像形成装置发射的光线收集到单个光路中的部 分(该部分例如为二向色棱镜，在下面的描述中同样适用)；其中，第一发光元件、第二发光 元件和第三发光元件的发光/不发光状态受到控制。
图像形成装置B 图像形成装置B包括(a)第一图像形成装置，其包括可操作以发射蓝光的第一发 光元件和第一光路控制器，第一光路控制器配置为控制从可操作以发射蓝光的第一发光元 件发射的光线的接通/不通(光路控制器是一种光阀并包括例如液晶显示装置、数字微镜 装置(匿D)或LCOS，在下面的描述中同样适用)；(b)第二图像形成装置，其包括可操作以 发射绿光的第二发光元件和第二光路控制器(光阀)，第二光路控制器配置为控制从可操 作以发射绿光的第二发光元件发射的光线的接通/不通；和(c)第三图像形成装置，其包括 可操作以发射红光的第三发光元件和第三光路控制器(光阀)，第三光路控制器配置为控 制从可操作以发射红光的第三发光元件发射的光线的接通/不通；以及(d)配置为将经由 第一光路控制器、第二光路控制器和第三光路控制器的光线收集到单个光路中的部分；其 中，从发光元件发射的光线的接通/不通由光路控制器控制，由此显示图像。配置为将从第 一发光元件、第二发光元件和第三发光元件发射的光线引导到光路控制器的部分(导光构 件)的示例包括导光构件、微透镜阵列、反射镜或反射板、汇聚透镜。
图像形成装置C 图像形成装置C包括(a)第一图像形成装置，其包括第一发光面板和蓝色光路控 制器(光阀)，其中可操作以发射蓝光的第一发光元件以二维矩阵的形式设置在第一发光 面板中，蓝色光路控制器配置为控制从第一发光面板发射的光线的接通/不通；(b)第二图 像形成装置，其包括第二发光面板和绿色光路控制器(光阀)，其中可操作以发射绿光的第 二发光元件以二维矩阵的形式设置在第二发光面板中，绿色光路控制器配置为控制从第二 发光面板发射的光线的接通/不通；和(c)第三图像形成装置，其包括第三发光面板和红色 光路控制器(光阀)，其中可操作以发射红光的第三发光元件以二维矩阵的形式设置在第 三发光面板中，红色光路控制器配置为控制从第三发光面板发射的光线的接通/不通；以 及(d)配置为将经由蓝色光路控制器、绿色光路控制器和红色光路控制器的光线收集到单 个光路中的部分；其中，从第一发光面板、第二发光面板和第三发光面板发射的光线的接通 /不通由光路控制器(光阀)控制，由此显示图像。
图像形成装置D 图像形成装置D是用于场序(field sequence)系统的彩色显示的图像形成装置， 包括(a)第一图像形成装置，其具有可操作以发射蓝光的第一发光元件；(b)第二图像形 成装置，其具有可操作以发射绿光的第二发光元件；和(c)第三图像形成装置，其具有可操 作以发射红光的第三发光元件；以及(d)配置为将第一图像形成装置、第二图像形成装置
10和第三图像形成装置发射的光线收集到单个光路中的部分；并且还包括(e)光路控制器(光阀)，其配置为控制从配置为将所述光线收集到单个光路中的部分发射的光线的接通/不通；其中，从发光元件发射的光线的接通/不通由光路控制器控制，由此显示图像。
图像形成装置E 图像形成装置E也是用于场序系统的彩色显示的图像形成装置，包括(a)第一图像形成装置，其具有第一发光面板，其中，可操作以发射蓝光的第一发光元件以二维矩阵的形式设置在第一发光面板中；(b)第二图像形成装置，其具有第二发光面板，其中，可操作以发射绿光的第二发光元件以二维矩阵的形式设置在第二发光面板中；和(c)第三图像形成装置，其具有第三发光面板，其中，可操作以发射红光的第三发光元件以二维矩阵的形式设置在第三发光面板中；以及(d)配置为将分别由第一图像形成装置、第二图像形成装置和第三图像形成装置发射的光线收集到单个光路中的部分；并且还包括(e)光路控制器(光阀)，其配置为控制从配置为将所述光线收集到单个光路中的部分发射的光线的接通/不通；其中，从发光面板发射的光线的接通/不通由光路控制器控制，由此显示图像。
图像形成装置F 图像形成装置F是用于无源矩阵型或有源矩阵型彩色显示的图像形成装置，其中，通过控制第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件的相应的发光/不发光状态而显示图像。
图像形成装置G 图像形成装置G是用于场序系统的彩色显示的图像形成装置，包括光路控制器(光阀)，光路控制器配置为控制以二维矩阵的形式设置的发光元件发射的光线的接通/不接通，其中，在发光单元中的第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件的相应的发光/不发光状态基于时分的方式控制，并且，从第一发光元件、第二发光元件和第三发光元件发射的光线的接通/不接通由光路控制器控制，由此显示图像。 在第一构造的图像产生装置或第二构造的图像产生装置中，由准直光学系统转变
成多束平行光束的光束入射在导光板上。在此情形下，对于要作为平行光束的光束的要求
基于这样的要求即使在光束经过第一偏转部分和第二偏转部分的作用而从导光板发射之
后，入射在导光板上时光束的光波前的信息也应该保留。其中，特别是能够由一种构造来产
生多束平行光束，在该构造中，图像形成装置例如位于准直光学系统的焦距处(位置)。准
直光学系统的功能是将关于像素位置的信息转变成光学装置的光学系统中的角度信息。至
于准直光学系统的示例，可以提及一种光学系统，其中凸透镜、凹透镜、表面不规则的棱镜
和全息透镜中的任一项可以单独或组合使用，使得整个系统具有正的屈光度。 导光板具有两个平行表面(第一表面和第二表面)，这些表面平行于导光板的轴
线(Y方向)延伸。光束入射到的导光板的表面被称为导光板入射表面，光束从其发射的导
光板的表面被称为导光板出射表面，在此情况下，导光板入射表面和导光板出射表面二者
都可由第一表面构成。或者，可选地，可采用一种构造，其中，导光板入射表面由第一表面构
成，导光板出射表面由第二表面构成。构成导光板的材料的示例包括玻璃(包括光学玻璃，例如熔融石英、BK7等)和塑料(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、无规聚丙烯树脂、苯乙烯树脂(包括AS树脂，即丙烯腈-苯乙烯共聚物))。导光板的形状不限制于平板形状，而是可具有弯曲形状。 在根据本发明的另一实施例包括上述各种形式和构造的头戴式显示器中，两个图像显示装置彼此通过连接构件连接。具体地，可采用一种构造，其中，图像产生装置分别安装到连接构件的两端，从而可调节安装情形。在此情形下，每个图像产生装置都相对于观察者的瞳孔位于外侧。而且，在此构造中，希望满足下列条件0.01XL《a《0.30XL，优选地，0.05XL《a《0. 25XL，0. 35XL《P《0. 65XL，优选地，0. 45XL《P《0.55XL，0. 70XL《y《0. 99XL，优选地，0. 75XL《y《0. 95XL，其中，a是一侧图像产生装置的安装部分的中心与框架的一端(所述一侧的末端)之间的距离，13是从连接构件的中心到框架的一端(在所述一侧的末端)的距离，Y是另一侧图像产生装置的安装部分的中心与框架的一端(所述一侧的末端)之间的距离，L是框架的长度。图像产生装置分别安装到连接构件的两端例如特别地如下实施。连接构件在其每个端部的三个位置处设置有通孔，而每个图像产生装置都设置有与这些通孔对应的螺纹接合部分。小螺钉分别穿过这些通孔，并且与图像产生装置的螺纹接合部分接合。弹簧插入在每个小螺钉和螺纹接合部分之间。这确保能够通过调整每个小螺钉的紧固情形而调节图像产生装置的安装情形(图像产生装置相对于连接构件的倾斜)。 这里，术语"图像产生装置的安装部分的中心"表示在图像产生装置安装到连接构件的情形下，将图像产生装置和框架投影到虚拟平面上时获得的图像产生装置的投影图像与框架的投影图像重叠的重叠区域沿框架的轴线方向的二等分点(中点)。此外，术语"连接构件的中心"表示在连接构件安装到框架的情形下，连接构件与框架接触的区域沿框架的轴线方向的二等分点(中点)。术语"框架的长度"在框架弯曲的情形下是框架的投影图像的长度。其中，这里的投影方向是垂直于观察者的面部的方向。 或者，在根据本发明的又一实施例包括上述各种形式和构造的头戴式显示器中，两个图像显示装置彼此通过连接构件连接。在此情形下，可特别地采用一种形式，其中，两个光学装置彼此通过连接构件连接。其中，两个光学装置有时候可形成为一体，并且在此情形下，连接构件附装到光学装置从而形成为一体。这种形式也被包括在连接构件用于两个光学装置之间的连接的形式中。在一侧图像产生装置的中心与框架的一段之间的距离是a '、并且另一侧图像产生装置的中心与框架的所述一端之间的距离是Y '时，希望a '和Y'的值以与a和Y的值同样的方式设定。其中，术语"图像产生装置的中心"表示在图像产生装置安装到光学装置的情形下，将图像产生装置和框架投影到虚拟平面上时获得的图像产生装置的投影图像与框架的投影图像重叠的重叠区域沿框架的轴线方向的二等分点(中点)。 在根据本发明的再一实施例的头戴式显示器中，构成框架的材料可以与用于普通眼镜的材料相同，例如金属、合金、塑料及其组合。连接构件的形状基本上可以自由设定，只要连接构件的投影图像包括在框架的投影图像中；所述形状的示例包括杆形和条形。而且，用于形成连接构件的材料的示例包括金属、合金、塑料及其组合。此外，鼻垫可具有任何已知的构造或结构。2.示例1 示例1涉及根据本发明的实施例的头戴式显示器。图1示出根据本发明示例1的头戴式显示器从前侧观察的示意图，图2示出根据示例1的头戴式显示器(假设取下框架的情形)从前侧观察的示意图。此外，图3示出根据示例1的头戴式显示器从上侧观察的示意图，图4示出示例1的头戴式显示器在安装到观察者40的头部时从上侧观察的情形。其中，在图4中，为方便，仅示出图像显示装置，略去框架。此外，图5示出示例1的头戴式显示器从前上侧观察的立体图，图6示出示例1的头戴式显示器从后下侧观察的立体图。而且，图7示出示例1的头戴式显示器的部件的组成部件的分解视图，图8示出示例1的头戴式显示器中图像显示装置的概念性框图。 示例1的头戴式显示器包括(A)类似镜框的框架10，其安装到观察者40的头部；以及(B)两个图像显示装置100。 这里，每个图像显示装置100包括(B-1)图像产生装置110，其包括第一构造的图像产生装置；和(B-2)光学装置120，其安装到图像产生装置110，并在整体上相对于图像产生装置110设置在观察者40的面部中心那侧，从图像产生装置IIO发射的光束入射在光学装置120上并被引导经过光学装置120，并且光束从光学装置120朝向观察者40的瞳孔41发射。 此外，示例1的头戴式显示器还包括用于使两个图像显示装置100彼此连接的连接构件20。连接构件20通过使用例如小螺钉20d安装到框架10的中心部分IOC(位于观察者40的两个瞳孔41之间的部分)的、朝向观察者的一侧，换言之，连接构件20安装在观察者40和框架10之间。而且，连接构件20的投影图像包括在框架10的投影图像中。换言之，当从观察者40的前侧观察头戴式显示器时，连接构件20藏在框架10后，使得连接构件20不可见。 在示例1的头戴式显示器中，两个图像显示装置100彼此通过连接构件20连接。具体地，图像产生装置IIOA和110B分别安装到连接构件20的两端，从而可以调节安装情形。此外，每个图像产生装置110A和110B相对于观察者40的瞳孔41位于外侧。其中，附图标记110a、110b、110c和110d代表用于图像产生装置110的盖构件和固定构件。
更具体地，下列关系成立a =0.1XLP =0.5XLy 二0.9XL其中，a是一侧图像产生装置IIOA的安装部分的中心IIOAC与框架10的一端IOA(在该侧的末端)之间的距离，P是从连接构件20的中心20C到框架10的所述一端IOA(在该侧的末端)的距离，y是另一侧图像产生装置110B的安装部分的中心IIOBC与框架10的所述一端IOA(在该侧的末端)之间的距离，L是框架10的长度。 图像产生装置(具体地，是图像产生装置IIOA和110B)分别安装到连接构件20的两端例如特别地以如下方式实施。连接构件20在其每个端部的三个位置处设置有通孔20c，而每个图像产生装置110A和110B都设置有与这些通孔20c对应的螺纹孔(螺纹接合部分，未示出)，小螺钉20a分别穿过这些通孔20c，并且小螺钉20a与图像产生装置IIOA和110B中形成的孔进行螺纹接合。弹簧插入在每个小螺钉20a和对应的孔之间。这确保能够通过调整每个小螺钉20a的紧固情形而调节每个图像产生装置的安装情形(每个图像产生装置相对于连接构件的倾斜)。安装后，小螺钉20a由盖20b遮蔽。其中，在图2、3、13、14、16或17中，连接构件20、30划上阴影线从而清楚地示出连接构件20、30。
框架10包括设置在观察者40前侧的前部10B，两个经由铰链11分别可转动地安装到前部10B两端的镜腿部分12以及端盖部分(也称为尖端、耳构件或耳垫)13分别安装到镜腿部分12的末端。连接构件20安装到前端部分10B的位于观察者40的两个瞳孔41之间的中心部分IOC(对应于普通眼镜的镜桥部分)。此外，鼻垫14安装到连接构件20的朝向观察者40的一侧。其中，在图3、4或17中，从图中略去鼻垫14。框架10和连接构件20每个都由金属或塑料形成。连接构件20的形状是弯曲的杆状。 而且，从一侧图像产生装置IIOA延伸的配线(信号线、电源线等)15延伸穿过镜腿部分12和端盖部分13内部，并从端盖部分13的尖端部分延伸到外部。而且，图像产生装置IIOA和IIOB每个都设置有耳机部分16。从每个图像产生装置IIOA和IIOB延伸的耳机配线17经由镜腿部分12和端盖部分13内部延伸，并从端盖部分13的尖端部分延伸到耳机部分16。更具体地，耳机配线17以围绕外耳(耳廓)后侧的方式从端盖部分13的尖端部分延伸到耳机部分16。这种构造确保能够消除耳机部分16和/或耳机配线17的布设之间的干扰的影响，并且能够实现外观简洁的头戴式显示器。其中，附图标记12a代表用于镜腿部分的盖构件，附图标记13a和13b代表通过使用小螺钉13c组装的端盖部分组件。
此外，包括固态图像感应元件(包括CCD或CMOS传感器)和透镜(未示出)的图像感应装置18安装到前部10B的中心部分IOC。具体地，中心部分IOC设置有通孔，连接构件20在其与形成于中心部分10C中的通孔对应的部分中设置有凹陷，并且图像感应装置18设置在该凹陷中。经由在中心部分IOC中形成的通孔入射的光线由透镜汇聚到固态图像感应元件。来自于固态图像感应元件的信号经由从图像感应元件18延伸的配线18a输出到图像产生装置IIOA。其中，配线18a布设为在连接构件20和前部IOB之间穿过，并连接到一侧的图像产生装置110A。这种构造确保防止很容易就看到结合在头戴式显示器的图像感应装置的结构。 在示例1中，如图8所示，光学装置120包括(a)导光板121，其整体相对于图像产生装置110设置在观察者40的面部中心那侧，从图像产生装置IIO发射的光束入射在导光板上，光束经由导光板引导，并且光束从导光板朝向观察者40的瞳孔41发射；(b)第一偏转部分130，其可操作以使进入导光板121的光束偏转，使得进入导光板121的光束在导光板121内部发生全反射；和(c)第二偏转部分140，其将在发生全反射的同时经过导光板121内部传播的光束偏转多次，使得在发生全反射的同时经过导光板121内部传播的光束从导光板121发射。 第一偏转部分130和第二偏转部分140设置在导光板121内部。第一偏转部分130反射进入导光板121的光束，而第二偏转部分140使得在发生全反射的同时经过导光板121内部传播的光束透射并反射多次。换言之，第一偏转部分130用作反射镜，而第二偏转部分140用作半透明镜。更具体地，设置在导光板121内部的第一偏转部分130包括反光膜(一种反射镜)，其例如由铝形成并反射进入导光板121的光束。另一方面，设置在导光板121内部的第二偏转部分140包括多层层叠结构，其中，多层层叠结构层叠有多层电介质层叠膜。电介质层叠膜例如包括用作高介电常数材料的Ti02膜和用作低介电常数的Si02膜。在JP-T-2005-521099中公开了层叠有多层层叠膜的多层层叠结构。尽管在图中示出六层电介质层叠膜，但这种构造不是限制性的。由与构成导光板121的材料相同的材料形成的膜夹在一层电介质层叠膜和下一层电介质层叠膜之间。其中，在第一偏转部分130处，
14进入导光板121的平行光束反射(或衍射)，使得进入导光板121的平行光束在导光板121内部发生全反射。另一方面，在第二偏转部分140中，在发生全反射的同时传播经过导光板121内部的平行光束反射(或衍射)多次，并且它们以平行光束的状态从导光板121发射。
第一偏转部分130可以由下列方法形成，其中，导光板121的提供第一偏转部分130的部分124被切除，从而在导光板121上提供斜面，在该斜面上将形成第一偏转部分130，反光膜被真空蒸发在斜面上，然后导光板121的切除部分124粘附到第一偏转部分130。此外，第二偏转部分140可通过下列方法形成制成多层层叠结构，其中，与构成导光板121的材料相同的材料(例如玻璃)制成的多层膜以及多层电介质层叠膜(例如可由真空蒸发形成)层叠在多层层叠结构中，导光板121的提供第二偏转部分140的部分125被切除从而形成斜面，多层层叠结构粘附到斜面上，并且该部分的外部形状通过抛光等方式清理。以此方式，能够获得具有设置在导光板121内部的第一偏转部分130和第二偏转部分140的光学装置120。 由光学玻璃或塑料形成的导光板121具有沿平行于导光板121的轴线的方向延伸的两个平行表面(第一表面122和第二表面123)。第一表面122和第二表面123位于相反侧。平行光束经由相当于光入射表面的第一表面122进入导光板121，在发生全反射的同时传播经过导光板121内部，并经由相当于光出射表面的第一表面122从导光板121发射。
此外，图像产生装置110包括第一构造的图像产生装置。如图8所示，图像产生装置包括(a)图像形成装置lll，其具有设置成二维矩阵的多个像素；和(b)准直光学系统112，从图像形成装置111的像素发射的光束由准直光学系统112转变成平行光束。其中，每个图像产生装置110整体上容纳在壳体113中(在图8中，由点划线表示)。壳体113设置有孔(未示出)，并且来自于准直光学系统112的光束经由所述孔发射。每个壳体113通过使用三个小螺钉20c安装到连接构件20的端部，如上所述。此外，光学装置120安装到壳体113。 这里，图像形成装置111包括反射型空间光调制器150和光源153，光源153包括可操作以发射白光的发光二极管。具体地，反射型空间光调制器150包括液晶显示装置(LCD) 151和偏振光分束器152，液晶显示装置151具有作为光阀的LCOS，来自于光源153的一部分光束由偏振光分束器152反射并引导到液晶显示装置151，由液晶显示装置151反射的那部分光束经由偏振光分束器152并被引导到准直光学系统112。液晶显示装置151具有设置成二维矩阵的多个(例如320*240)像素(液晶单元)。偏振光分束器152具有已知的构造或结构。来自于光源153未经偏振的光线投射在偏振光分束器152上。在偏振光分束器152中，P偏振光分量允许通过，以发射到系统外部。另一方面，S偏振光分量在偏振光分束器152中反射，进入液晶显示装置151，并在液晶显示装置151内部反射，以从液晶显示装置151发射。这里，在从液晶显示装置151发射的光线中，从用于显示"白色"的像素发射的光束包含大比例的P偏振光分量，而从用于显示"黑色"的像素发射的光束包含大比例的S偏振光分量。从而，在从液晶显示装置151发射并投射在偏振光分束器152上的光线中，P偏振光分量允许通过偏振光分束器152，以被引导到准直光学系统112。另一方面，S偏振光分量在偏振光分束器152中反射，以被引导回到光源153。液晶显示装置151例如具有设置成二维矩阵的多个(例如320*240)像素(液晶单元数是像素数的三倍)。准直光学系统112例如包括凸透镜。为了形成平行光束，图像形成装置111 (更具体地，液晶显示装置151)设置在准直光学系统112的焦距处(位置)。此外，一个像素包括用于发射红光的红光发射子像素、用于发射绿光的绿光发射子像素和用于发射蓝光的蓝光发射子像素。
示例1的头戴式显示器的更具体的形状在图23(主视图)、图24(俯视图)、图25(仰视图)、图26(右视图)、图27(左视图)、图28(后视图)和图29(立体图)中示出。图23到29中示出的头戴式显示器还可被认为是外观设计。这里，作为该设计所适用的物品，根据日本外观设计法的实施条例的附表1中说明的物品分类的层次中可比较的物品分类，头戴式显示器对应于"数据显示装置"。从而，该外观设计所适用的物品是头戴式显示器，其包括类似镜框的框架以及图像显示装置，框架安装到观察者的头部。
以此方式，在示例1的头戴式显示器(HMD)中，连接构件20使得两个图像显示装置100彼此连接，并且连接构件20安装到框架10的位于观察者40的两个瞳孔41之间的中心部分10C。换言之，图像显示装置100不直接安装到框架10。从而，即使在将框架安装到观察者40的头部而镜腿部分12朝向外侧伸展从而导致框架10变形时，框架10的这种变形也不会或者几乎不会(如果有)导致图像产生装置110A、110B的位移(位置变化)。因此，能够可靠地防止出现左右图像的交会角发生变化。而且，由于不需要提高框架10的前部10B的刚度，可以避免增加框架10的重量、降低设计特性或提高成本。此外，由于图像显示装置100不直接安装到类似于眼镜框架的框架IO，能够根据观察者的品味自由地选择框架10的外观设计和颜色等，并且强加在框架10的外观设计上的限制更少；从而，设计具有更大的自由度。此外，当从观察者的前侧观察头戴式显示器时，连接构件20隐藏在框架10后。因此，头戴式显示器能够具有较高的设计特性。
3.示例2 示例2涉及示例1的改进形式。图9示出根据示例2的头戴式显示器中的图像显示装置200的概念性框图。如图9所示，在示例2中，图像产生装置210包括第二构造的图像产生装置。具体地，图像产生装置包括(a)光源251 ;(b)准直光学系统252，从光源251发射的光束由准直光学系统252转变成平行光束；(c)扫描部分253，其配置为扫描从准直光学系统252发射的平行光束；和(d)中继光学系统254，由扫描部分253扫描的平行光束由中继光学系统254中继并发射。其中，图像产生装置210整体上容纳在壳体213中(在图9中，由点划线表示)。壳体213设置有孔(未示出)，并且来自于中继光学系统254的光束经由所述孔发射。每个壳体213通过使用小螺钉或粘合剂(未示出)安装到连接构件20的端部。此外，光学装置120安装到壳体213。 光源251包括可操作以发射红光的红色发光元件251R、可操作以发射绿光的绿色发光元件251G、可操作以为发射蓝光的蓝色发光元件251B，每个发光元件都包括半导体激光元件。从光源251发射的三原色光束穿过正交棱镜255，由此执行颜色合成并且光束被引导到单个光路，从而入射在整体具有正屈光度的准直光学系统252上，光束从准直光学系统252作为平行光束发射。平行光束由全反射镜256反射。然后，由包括MEMS的扫描部分253执行水平扫描和竖直扫描，在MEMS中，微镜能够沿二维方向转动，并且可以由扫描部分253对入射的平行光束以二维的方式扫描。通过扫描，平行光束被转变成一种二维图像，导致产生虚拟图像。然后，来自于虚拟图像的光束经过包括已知中继光学系统的中继光学系统254，并且形成为平行光束的光通量入射在光学装置120上。
由中继光学系统254形成为平行光束的光通量入射在光学装置120上，光通量被引导经过光学装置120，并且光通量从光学装置120发射，光学装置120具有与上述示例1中描述的光学装置相同的结构和构造。从而，光学装置120的详细说明在此略去。此外，示例2的头戴式显示器也与上面的示例1的头戴式显示器具有大致相同的构造或结构，区别在于图像产生装置210。从而，这里略去对头戴式显示器的详细描述。
4.示例3 示例3也涉及示例1的改进形式。图10A示出根据示例3的头戴式显示器中图像显示装置300的概念性框图。此外，图10B以放大的形式示出反射型体全息衍射光栅的部分的示意性截面图。在示例3中，图像产生装置110包括第一构造的图像产生装置，形式与示例1中的相同。此外，光学装置320的基本构造或结构与示例1的光学装置120相同，其包括(a)导光板321，其整体相对于图像产生装置110设置在观察者40的面部中心那侧，从图像产生装置110发射的光束入射在导光板321上，光束经由导光板321引导，并且光束从导光板321朝向观察者40的瞳孔41发射；(b)第一偏转部分，其可操作以使进入导光板321的光束偏转，使得进入导光板321的光束在导光板321内部发生全反射；并且(c)第二偏转部分，其将在发生全反射的同时经过导光板321内部传播的光束偏转多次，使得在发生全反射的同时经过导光板321内部传播的光束从导光板321发射，只是第一偏转部分和第二偏转部分的构造或结构有所不同。 在示例3中，第一偏转部分和第二偏转部分设置在导光板321的表面上(具体地，导光板321的第二表面323上)。第一偏转部分衍射进入导光板321的光束，而第二偏转部分使得在发生全反射的同时经过导光板321内部传播的光束衍射多次。这里，第一偏转部分和第二偏转部分每个都包括衍射光栅元件，具体地，是反射型衍射光栅元件，更具体地，是反射型体全息衍射光栅元件。在下面的说明中，包括反射型体全息衍射光栅的第一偏转部分可方便地称为"第一衍射光栅构件330"，而包括反射型体全息衍射光栅的第二偏转部分可方便地称为"第二衍射光栅构件340"。 在示例3或稍后描述的示例4和6中，第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340每个都具有这样的构造为了与具有不同的P种波段(或波长)的P种光束的衍射/反射对应(具体地，例如对于三种颜色即红绿蓝，P = 3) ， P层衍射光栅层被层叠，其中，每层都包括反射型体全息衍射光栅。其中，每个衍射光栅层都由光敏聚合物材料形成，其中形成有与一种波段(或波长)对应的干涉条纹，并由现有的方法制成。具体地，第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340每个都具有这样的结构用于衍射/反射红光的衍射光栅层、用于衍射/反射绿光的衍射光栅层和用于衍射/反射蓝光的衍射光栅层层叠。形成于衍射光栅层(衍射光栅元件)中的干涉条纹的栅距为常数，干涉条纹的形状为矩形，并且其平行于Z轴。其中，第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340的轴线方向为Y轴方向，法向为X轴方向。在图IOA和图11中，第一衍射光栅构件330和第二衍射光栅构件340以单层的形式示出。针对具有第一衍射光栅构件330或第二衍射光栅构件340的每个波段(或波长)的光束的衍射/反射，当采用刚刚提及的这种构造时，可以实现增强的衍射效率、增大的衍射受光角和优化的衍射角。 图10B是以放大的形式示出反射型体全息衍射光栅的部分的示意性截面图。反射
17型体全息衍射光栅形成为其中具有干涉条纹，干涉条纹具有倾斜角小。这里，倾斜角小表示反射型体全息衍射光栅的表面与干涉条纹之间形成的角度。干涉条纹形成于反射型体全息衍射光栅的从内部到表面的区域中。干涉条纹满足布拉格(Bragg)条件。这里，布拉格条件表示满足下面的公式(A)的条件，其中m是正整数，A是波长，d是晶格面的节距(沿包含干涉条纹的虚拟面的法向的间距)，e是干涉条纹上的入射角的余角。此外，在光束以入射角V入射在衍射光栅构件上的情形中，9 、倾斜角小以及入射角V满足下面示出的公式(B) 。 m 入=2 d sin( 9 ) (A) 9 = 90° -(小+ v) (B) 如上所述，第一衍射光栅构件330设置(粘附)到导光板321的第二表面323，并且衍射/反射经由第一表面322进入导光板321的平行光束，使得进入导光板321的平行光束在导光板321内部发生全反射。并且如上所述，第二衍射光栅构件340设置(粘附)到导光板321的第二表面323，并使得在发生全反射的同时经过导光板321内部传播的光束由其衍射/反射多次，使得平行光束从导光板321经由第一表面322发射，它们是平行光束。 在导光板321中，红绿蓝三种颜色的平行光束在从导光板321发射之前，在发生全反射的同时经过导光板321的内部传播。在此情形下，由于导光板321较薄并且经过导光板321内部前进的光路较长，在到达第二衍射光栅构件340之前光束所执行的全反射的次数根据每个视角而不同。更具体地，在入射在导光板321上的平行光束中，朝向第二衍射光栅构件340倾斜入射在导光板321上的平行光束的反射次数小于离开第二衍射光栅构件340倾斜入射在导光板321上的平行光束的反射次数。原因如下。在第一衍射光栅构件330处衍射/反射的平行光束中，朝向第二衍射光栅构件340倾斜入射在导光板321上的平行光束与沿相反方向倾斜入射在导光板321上的平行光束相比，在经过导光板内部传播的光束与当光束投射在导光板321的内表面上时导光板321的法向之间形成的角度更小。此外，形成于第二衍射光栅构件340内部的干涉条纹的形状和形成于第一衍射光栅构件330内部的干涉条纹的形状彼此关于垂直于导光板321的轴线的虚拟面对称。 下面将描述的示例4和6中的导光板321基本上也具有与上述导光板321相同的构造或结构。 如上所述，示例3的头戴式显示器的构造或结构大致上与示例1中的头戴式显示器的相同，只是光学装置320有所不同。从而，这里略去头戴式显示器的详细描述。
5. 示例4 示例4涉及示例3的改进形式。图11示出根据示例4的头戴式显示器中图像显示装置的概念性框图。示例4中图像显示装置400中的光源251、准直光学系统252、扫描部分253、中继光学系统254等与示例2中的构造或结构相同。此外，示例4中的光学装置320的构造或结构与示例3中的光学装置的相同。除了这些方面，示例4中的头戴式显示器的构造或结构与示例1中的头戴式显示器的相同。从而，这里略去头戴式显示器的详细描述。
6. 示例5 示例5也涉及示例1的改进形式。图12示出根据示例5的头戴式显示器从前侧观察的概念性框图；图13示出根据示例5的头戴式显示器(假设取下框架的情形)从前侧观察的示意图。此外，图14是根据示例5的头戴式显示器从上侧观察的示意图。
在示例5中，光学装置包括半透明镜520，半透明镜520相对于图像产生装置110A 和110B设置在观察者40的面部的中心那侧，从图像产生装置IIOA和110B发射的光束入 射在半透明镜520上，并且光束从该半透明镜520朝向观察者40的瞳孔41发射。其中，在 示例5中，从图像产生装置IIOA和110B发射的光束在入射在半透明镜520之前经过透明 构件521(例如玻璃板或塑料板)的内部传播。然而，可采用一种结构，其中，这些光束经过 空气传播，从而入射在半透明镜520上。此外，图像产生装置可以是如上示例2中所述的图 像产生装置210。 图像产生装置110A和110B通过使用例如小螺钉分别安装到连接构件20的两端。 此外，构件521安装到每个图像产生装置110A和IIOB，并且半透明镜520安装到构件521。 除了这些方面，示例5中的头戴式显示器的构造或结构与示例1中的头戴式显示器的相同。 从而，这里略去头戴式显示器的详细描述。
7.示例6 示例6也涉及示例1的改进形式。图15示出根据示例6的头戴式显示器从前侧 观察的示意图；图16示出示例6的头戴式显示器(假设取下框架的情形)从前侧观察的示 意图。此外，图17示出示例6的头戴式显示器从上侧观察的示意图。 在示例6的头戴式显示器中，与示例1不同，杆状连接构件30使得两个光学装置 120彼此连接，而不是使得两个图像显示装置IIOA和IIOB彼此连接。其中，也可以采用另 一形式，其中，两个光学装置120形成为一体，并且连接构件30安装到形成为一体的光学装 置120。 这里，在示例6的头戴式显示器中，连接构件30还通过使用例如小螺钉安装到框 架10的位于观察者40的两个瞳孔41之间的中心部分IOC。每个图像产生装置110相对于 观察者40的瞳孔41位于外侧。其中，每个图像产生装置110安装到光学装置120的端部。 满足关系P 二o.5XL，其中，P是从连接构件30的中心30c到框架10的一端的距离，L是 框架10的长度。其中，在示例6中，a '禾P Y '的值分别等于示例1中的a和Y的值。
在示例6中，框架10、每个图像显示装置100、图像产生装置IIO和光学装置120 的构造或结构都与上述示例1中描述的框架10、图像显示装置100、图像产生装置110和光 学装置120的相同。从而，这里略去这些组成部分的详细描述。此外，除了上述方面，示例6 的头戴式显示器的构造或结构与示例1中的头戴式显示器的大体上相同。从而，这里略去 头戴式显示器的详细描述。 此外，示例6中的使得两个光学装置120彼此连接的杆状连接构件30的构造或结 构能够适用于在上述示例2到5中描述的头戴式显示器中。 尽管已经基于优选示例描述了本发明，但本发明不限制于这些示例。在上述示例 中描述的图像显示装置的构造或结构仅仅是示例性的，它们可以按照需要进行改进。例如， 导光板可以设置有表面浮雕式全息图(见美国专利文献No. 20040062505A1)。在示例3或 4的光学装置320中，衍射光栅元件可包括透射型衍射光栅元件。或者，可以采用一种构造， 其中，第一偏转部分和第二偏转部分中的任一者包括反射型衍射光栅元件，而另一者包括 透射型衍射光栅元件。或者，衍射光栅元件还包括反射型闪耀光栅元件。
图18示出能够适用于示例1、3、5或6的图像产生装置的示例性改进形式的概念 性框图。如图所示，可采用一种包括发光面板的有源矩阵型图像产生装置，包括半导体发光 元件的发光元件601以二维矩阵的形式设置在发光面板中，并且发光元件601的发光/不 发光状态受到控制，使发光元件601的发光状态被输出而直接观察，因而显示图像。从该图 像产生装置发射的光束经由准直光学系统112引导从而入射在导光板121、321上。
或者，可采用由图19中的概念性框图示出的用于彩色显示的图像产生装置，其包 括(a)红色发光面板611R，其中，可操作以发射红光的红色发光元件601R以二维矩阵的形 式设置；(b)绿色发光面板611G，其中，可操作以发射绿光的绿色发光元件601G以二维矩阵 的形式设置；和(c)蓝色发光面板611B，其中，可操作以发射蓝光的蓝色发光元件601B以 二维矩阵的形式设置；以及(d)配置为将从红色发光面板611R、绿色发光面板611G和蓝色 发光面板611B发射的光束收集到单个光路中的部分(例如二向色棱镜603);其中，红色发 光元件601R、绿色发光元件601G和蓝色发光元件601B的发光/不发光状态受到控制。从 该图像产生装置发射的光束也经由准直光学系统112引导从而入射在导光板121、321上。 其中，附图标记612表示用于汇聚从发光元件发射的光束的微透镜。 或者，可采用如图20示出的概念性框图所示的一种图像产生装置，其至少包括具 有以二维矩阵的形式分别设置的发光元件601R、601G和601B的发光面板611R、611G和 611B。在此情形下，从发光面板611R、611G和611B发射的光束的接通/不接通分别受到光 路控制器604R、604G和604B的控制，并且允许通过的光束入射在二向色棱镜603上，由此， 光束的光路被收集到单个光路。单个光路中的光束被引导通过准直光学系统112，从而入射 在导光板121、321上。 或者，可采用如图21示出的概念性框图所示的一种图像产生装置，其至少包括具 有以二维矩阵的形式分别设置的发光元件601R、601G和601B的发光面板611R、611G和 611B。在此情形下，从发光面板611R、611G和611B发射的光束入射在二向色棱镜603上， 由此，光束的光路被收集到单个光路。从二向色棱镜603发射的光束的接通/不接通由光 路控制器604控制，并且允许通过的光束被引导通过准直光学系统112，从而入射在导光板 121、321上。 或者，可采用如图22示出的一种图像产生装置。该图像产生装置包括可操作 以发射红光的发光元件601R、作为一种光阀而用于控制从可操作以发射红光的发光元件 601R发射的光的接通/不接通的光路控制器(例如液晶显示装置604R);可操作以发射绿 光的发光元件601G、作为一种光阀而用于控制从可操作以发射绿光的发光元件601G发射 的光的接通/不接通的光路控制器(例如液晶显示装置604G);可操作以发射蓝光的发光 元件601B、作为一种光阀而用于控制从可操作以发射蓝光的发光元件601B发射的光的接 通/不接通的光路控制器(例如液晶显示装置604B);用于引导从发光元件601R、601G、 601B(包括GaN半导体)发射的光束的导光构件602、配置为用于将光束的光路收集到单个 光路的部分(例如二向色棱镜603)。 本发明包括于2008年12月19日提交给日本专利局的日本在先专利申请JP 2008-324642中公开的发明主题，在此通过弓|用而引入其全部内容。 本领域技术人员应该理解，根据设计要求和其它因素可有各种改进形式、组合形 式、替代形式，只要它们落入所附带的权利要求及其等同形式的范围内。
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权利要求
一种头戴式显示器，包括(A)眼镜框型的框架，其安装到观察者的头部；和(B)两个图像显示装置，每个图像显示装置都包括(B-1)图像产生装置，和(B-2)导光装置，其安装到所述图像产生装置，并且整体相对于所述图像产生装置位于观察者的面部的中心那侧，从所述图像产生装置发射的光束入射在所述导光装置上，光束经由所述导光装置引导，并且光束从所述导光装置朝向观察者的瞳孔发射，其中，所述头戴式显示器还包括用于使得两个图像显示装置彼此连接的连接构件，所述连接构件安装到所述框架的位于观察者两个瞳孔之间的中心部分的、朝向观察者的一侧，并且所述连接构件的投影图像包括在所述框架的投影图像中。
2. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述框架包括设置在观察者前侧的前部、分别经由铰链可转动地安装在所述前部的两 端的两个镜腿部分、安装到所述镜腿部分的尖端部分的端盖部分；并且所述连接构件安装到所述前部的位于观察者的两个瞳孔之间的中心部分的、朝向观察 者的一侧。
3. 如权利要求2所述的头戴式显示器，其中，从所述图像产生装置延伸的配线经由所 述镜腿部分和所述端盖部分的内部延伸，并从所述端盖部分的尖端部分延伸到外部。
4. 如权利要求3所述的头戴式显示器，其中每个图像产生装置具有耳机部分；并且从每个图像产生装置延伸的耳机配线经由所述镜腿部分和所述端盖部分的内部延伸， 并从所述端盖部分的尖端部分延伸到耳机部分。
5. 如权利要求2所述的头戴式显示器，其中，图像感应装置安装到所述前部的中心部分。
6. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，鼻垫安装在所述连接构件的朝向观察者
7. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述导光装置包括(a) 导光板，其整体相对于所述图像产生装置设置在观察者的面部的中心那侧，从所述 图像产生装置发射的光束入射在所述导光板上，光束经由所述导光板引导，并且光束从所 述导光板朝向观察者的瞳孔发射；(b) 第一偏转装置，其使进入所述导光板的光束偏转，使得进入所述导光板的光束在所 述导光板内部发生全反射；禾口(c) 第二偏转装置，其将在发生全反射的同时经过所述导光板内部传播的光束偏转多 次，使得在发生全反射的同时经过所述导光板内部传播的光束从所述导光板发射。
8. 如权利要求7所述的头戴式显示器，其中所述第一偏转装置使进入所述导光板的光束反射；并且所述第二偏转装置使在发生全反射的同时经过所述导光板内部传播的光束透射和反 射多次。
9. 如权利要求8所述的头戴式显示器，其中 所述第一偏转装置用作反射镜；并且 所述第二偏转装置用作半透明镜。
10. 如权利要求7所述的头戴式显示器，其中 所述第一偏转装置使进入所述导光板的光束衍射；并且所述第二偏转装置使在发生全反射的同时经过所述导光板内部传播的光束衍射多次。
11. 如权利要求io所述的头戴式显示器，其中，所述第一偏转装置和所述第二偏转装置每个都包括衍射光栅元件。
12. 如权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述衍射光栅元件包括反射型衍射光 栅元件。
13. 如权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述衍射光栅元件包括透射型衍射光 栅元件。
14. 如权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述衍射光栅元件的其中一个包括反 射型衍射光栅元件，另一个包括透射型衍射光栅元件。
15. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述导光装置包括半透明镜，所述半透 明镜相对于所述图像产生装置设置在观察者的面部的中心那侧，从所述图像产生装置发射 的光束入射在所述半透明镜上，并且光束从所述半透明镜朝向观察者的瞳孔发射。
16. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述图像产生装置包括(a) 图像形成装置，其具有设置成二维矩阵的多个像素；禾口(b) 准直光学系统，从所述图像形成装置的像素发射的光束由所述准直光学系统转变 成平行光束，并且所述平行光束被发射。
17. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述图像产生装置包括(a) 光源;(b) 准直光学系统，从所述光源发射的光束由所述准直光学系统转变成平行光束；(c) 扫描装置，用于扫描从所述准直光学系统发射的平行光束；禾口(d) 中继光学系统，由所述扫描部分扫描的平行光束由所述中继光学系统中继并发射。
18. 如权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述图像产生装置安装到所述连接构件 的每个端部，使得能够调节安装条件。
19. 如权利要求18所述的头戴式显示器，其中，每个图像产生装置相对于观察者的瞳孔位于外侧。
20. 如权利要求19所述的头戴式显示器，其中，满足下列条件 0. OIL《a《0. 30L，0. 35L《P《0. 65L， 0. 70L《y《0. 99L，其中，a是一侧的所述图像产生装置的安装部分的中心与所述框架的一端之间的距 离，13是从所述连接构件的中心到所述框架的所述一端的距离，y是另一侧的所述图像产 生装置的安装部分的中心与所述框架的所述一端之间的距离，L是所述框架的长度。
全文摘要
本发明公开了一种头戴式显示器，包括眼镜框型的框架，其安装到观察者的头部；两个图像显示装置，每个图像显示装置都包括图像产生装置，导光装置，其安装到所述图像产生装置，并且整体相对于所述图像产生装置位于观察者的面部的中心那侧，从所述图像产生装置发射的光束入射在所述导光装置上，光束经由所述导光装置引导，并且光束从导所述光装置朝向观察者的瞳孔发射。
文档编号G02B27/01GK101750738SQ20091026065
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月19日
发明者后藤祯祐, 武川洋, 舟波明生 申请人:索尼株式会社