专利名称：头戴式显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及头戴式显示装置，所述头戴式显示装置被戴在观察者的头上并且显示图像(虚拟图像)。
背景技术：
目前，提出了虚拟图像显示设备，所述虚拟图像显示设备使得用户能够通过虚拟图像光学系统将通过图像产生设备所形成的二维图形作为放大的虚拟图像来进行观察 (参见例如日本未审查专利申请公开No. 2006-162767)。此外，为了观察者通过虚拟图像光学系统将通过图像产生设备所形成的二维图形观察作为放大的虚拟图像，还提出了使用全息衍射光栅的头戴式图像显示设备(参见例如日本未审查专利申请公开No. 2007-94175)。图14示出了观察者戴着眼镜型图像显示设备90的状态。左侧是正视图，右侧是俯视图。图像显示设备90包括显示图像的左侧和右侧图像产生设备1100L和1100R、与左侧和右侧光导(光学设备)1200L和1200R，所述左侧和右侧光导1200L和1200R接收显示在图像产生设备1100L和1100R上的光并将光引导至观察者的瞳孔41L和41R。由图像产生设备1100L和1100R与光导1200L和1200R所组成的图像显示设备90连接到眼镜型框架1010。观察者将从框架1010的端部延伸出来的眼镜腿戴在两个耳朵上，从而将图像显示设备90戴在观察者的头上。
发明内容
但是，如图14的右侧所示，当观察者戴着图像显示设备90时，眼镜腿1015在箭头 A的方向上向外弯曲，因此，框架1010的前部IOlOa在箭头B的方向上变形。当产生该现象时，由从光导1200L和1200R输出的光束所产生的图像(虚拟图像)的空间位置产生改变。具体来说，在眼镜型头戴式显示装置的情况下，由于该现象，左侧和右侧图像的会聚角改变。结果，到预先调整的虚拟图像的空间距离产生不匹配，引起观察者在观察图像时感觉疲劳。具体来说，如图14的右侧所示，当预先调整的左侧和右侧虚拟图像的屏幕中心彼此交叉的空间位置是点C时，由于框架1010的前部IOlOa的变形，作为左侧和右侧虚拟图像的屏幕中心的交叉点的空间位置移动到点D，导致会聚角增大。一种克服上述问题的方法是增强前部IOlOa的强度。但是，该方法导致框架1010 的截面积增大并且需要使用具有高杨氏模量的材料，这会引起框架1010的重量增大、设计变差和成本增加。此外，当在光导1200L和1200R的全反射平面上存在瑕疵或污物时，在引导显示图像光束时部分的产生方向的缺失或偏差，产生待观察图像变暗或分辨率下降之类的质量降低。针对上述情况，期望提供头戴式显示装置，所述头戴式显示装置根据光学模块所获得的图像和观察者的瞳孔之间的相对位置关系，通过使在戴在观察者的头上时产生的框架变形的影响降到最低，来显示高质量和设计的图像。根据本发明的实施例，提供了头戴式显示装置，其包括用以戴在观察者头上的眼镜型框架；两个光学模块，其包括两个图像产生设备和两个光导，所述两个光导具有两个导光板，所述两个导光板与所述两个图像产生设备一对一连接并且整体上放置成比所述图像产生设备更靠近观察者的脸的中心，所述两个光导引导从所述图像产生设备输出的光束并向观察者的瞳孔输出所述光束；和支承所述两个光导的光学板，其中所述光学板连接到所述框架的中心部分。如上所述，如果通过图14中所示的整个框架来支承两个图像产生设备，则眼镜腿 1015在箭头A的方向上向外弯曲，框架1010的前部IOlOa在箭头B的方向上变形。由于该变形，尽管将左侧和右侧虚拟图像的屏幕中心彼此交叉的空间位置预先调整到点C，但是实际空间位置移动到点D，导致会聚角增大并降低图像质量。但是，根据上述结构，光学板连接到框架的中心部分，处于支承连接到两个图像产生设备的两个导光板的状态。两个图像产生设备与两个导光板一对一连接，整体上，所述两个导光板放置成比图像产生设备更接近观察者的脸的中心。因此，图像产生设备布置成当戴着时在观察者的脸的外部对称。两个图像产生设备通过支承两个导光板的光学板连接到框架的中心部分。因此，放置在两个导光板的两端的图像产生设备仅被支承在框架的中心部分处。由此，两个图像产生设备不是被整个框架支承，从而，框架的弯曲不影响导光板的位置。因此，不会使光波导因此偏离。从而，能够防止由左侧的图像产生设备所产生的图像的位置和由右侧的图像产生设备所产生的图像的位置偏离。从而，能够防止会聚角变化。这使得用户能够舒适的观察高质量图像，而没有奇怪的感觉。根据上面的描述，能够提供头戴式显示装置，所述头戴式显示装置根据光学模块所获得的图像和观察者的瞳孔之间的相对位置关系，通过使在戴在观察者的头上时产生的框架变形的影响降到最低，来显示高质量和设计的图像。可以使用框架安装构件将光学板固定到框架的中心部分。可以通过连接构件加强光学板的中间部分，所述连接构件包括加强构件和粘结结合部分。光学板可以放置成覆盖两个导光板的表面。可以通过粘结结合部分将光学板连接到两个导光板，所述粘结结合部分包括间隔物。光学板可以是平坦透明玻璃板。可以使用围边将光学板连接到两个导光板的分别的边缘。两个光导可以通过在两个导光板中分别重复全反射，来引导分别从两个图像产生设备输出的光束，并且光学板连接到两个导光板的全反射平面。框架的中心部分可以比外侧部分厚。全息光学元件可以分别放置在两个光导中的两个导光板中的每一个的输入侧和输出侧上。两个导光板可以在输入侧的内部具有反射镜，在输出侧上具有半反射镜膜。根据上述本发明的实施例，能够提供头戴式显示装置，所述头戴式显示装置根据光学模块所获得的图像和观察者的瞳孔之间的相对位置关系，通过使在戴在观察者的头上时产生的框架变形的影响降到最低，来显示高质量和设计的图像。
图1是根据本发明的第一实施例的头戴式显示装置的整体结构图；图2是根据第一实施例的头戴式显示装置的透视图(前侧)；图3是根据第一实施例的头戴式显示装置的透视图(后侧)；图4是用以说明根据第一实施例的头戴式显示装置的图像显示设备和光导的视图；图5是根据本发明的第二实施例的头戴式显示装置的整体结构图；图6是用以说明根据第二实施例的头戴式显示装置的图像显示设备和光导的视图；图7是根据第一实施例的头戴式显示装置的正视图；图8是根据第一实施例的头戴式显示装置的俯视图；图9是根据第一实施例的头戴式显示装置的仰视图；图10是根据第一实施例的头戴式显示装置的右侧视图；图11是根据第一实施例的头戴式显示装置的左侧视图；图12是根据第一实施例的头戴式显示装置的后视图；图13是根据第一实施例的头戴式显示装置的透视图；和图14是示出连接到眼镜框架的根据现有技术的图像显示设备的视图。
具体实施例方式在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。注意，在本说明书和附图中，具有基本相同的功能和结构的结构构件用相同的附图标记表示，并省略对这些结构构件的重复描述。将以下列顺序描述本发明的实施例。<第一实施例>[头戴式显示装置的整体结构][支承方法][光学模块的结构和操作]<第二实施例>[头戴式显示装置的整体结构][光学模块的结构和操作]<第一实施例>[头戴式显示装置的整体结构]参考作为概念图的图1在下文中对根据本发明的第一实施例的头戴式显示装置进行描述。在图1的底部是正视图，顶部是俯视图。根据本实施例的头戴式显示装置10包括框架100、光学模块200L和200R、光学板300、连接构件400和鼻垫500。框架100是戴在观察者的头上的眼镜型框架。框架100由放置在观察者前面的前部100a、和通过铰链IOOc可旋转的连接到前部IOOa的两端的两个眼镜腿IOOb组成。眼镜腿IOOb可以使用铰链IOOc作为支承点朝向前部IOOa折叠。根据本实施例的框架100除了不具有框边之外，与普通眼镜大致具有相同的结构。框架100的材料与普通眼镜的材料相同，例如，金属、合金、塑料或其组合。对于眼镜腿100b，准备了多种类型来替换，例如，儿童用的和成人用的。例如，与成人用的眼镜腿IOOb相比，儿童用眼镜腿IOOb具有角度相对于前部IOOa向内倾斜的形状。 这能更好的适合于儿童。此外，具有不同形状的多种类型的眼镜腿IOOb可以互相替换，以改变相对于前部IOOa的竖直角度。例如，剧院的第一个门和第二个门之间观察者视线角不同。因此，具有不同竖直角度的眼镜腿分别分配在第一个门和第二个门中。从而，在第一个门和第二个门之间，显示在头戴式显示装置10上的字幕的位置可以改变。光学模块200L和200R产生用于左眼和右眼的虚拟图像，并将虚拟图像输出到分别的眼睛。光学模块200L包括图像产生设备210L和光导230L，所述光导230L具有导光板 220L。图像产生设备210L和导光板220L通过粘结剂等连接，从而图像产生设备210L的位置相对于导光板220L固定。同样的，光学模块200R包括图像产生设备210R和光导230R，所述光导230R具有导光板220R。图像产生设备210R和导光板220R通过粘结剂等连接，从而图像产生设备 210R的位置相对于导光板220R固定。以这种方式，整体上，图像产生设备210L和210R与导光板220L和220R —对一连接，所述导光板220L和220R比图像产生设备210L和210R 更靠近观察者的脸的中心。光导230L和230R分别将从图像产生设备210L和210R输出的光束输入到导光板 220L和220R，通过在导光板220L和220R内重复全反射来引导光束，然后向观察者的瞳孔输出光束。将在后面描述包括了光导的光学模块200L和200R的具体结构和操作。光学板300是平坦透明玻璃板，由钢化玻璃制成。尽管在本实施例中光学板300 是平板，但是只要导光板220L和220R可以连接到光学板300，则光学板300不需要是平板。 光学板300支承两个光导230L和230R。具体来说，通过使用包含具有约30 μ m直径的球状间隔物的粘结剂，在导光板220L和220R的外周部分将光学板300的后表面与导光板220L 和220R的前表面连接在一起，所述球状间隔物没有示出。从而，光学板300支承两个导光板220L和220R，光学板300与导光板220L和220R之间保持有小空气层。因为两个导光板 220L和220R的玻璃表面需要用作全内反射面，所以玻璃表面应当是空气层。连接构件400连接到前部IOOa的位于观察者的两个瞳孔之间的中心(前部IOOa 的中心对应于普通眼镜的梁)。具体来说，光学板300通过连接构件400连接到前部IOOa 的中心。连接构件400还具有加强光学板300的中心部分的作用。具体来说，连接构件400 具有作为加强构件的金属板、和粘结结合部分，金属板和光学板300的中心部分通过粘结结合部分连接在一起。如上所述，连接构件400增强光学板300的硬度，还使得光学板300连接到框架 100的位于观察者的两个瞳孔之间的中心部分。例如，光学板300可以用螺钉连接到框架 100。使用框架安装构件450，将光学板300固定到框架100的中心部分。连接构件400和框架安装构件450形成整体支承物。鼻垫500连接到前部IOOa的中心。具体来说，鼻垫500连接到连接构件400。
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注意，在本实施例中，保护导光板220L和220R的覆盖玻璃600安装在光学板300 的相对一侧上，导光板220L和220R置于两者之间，所述覆盖玻璃600在导光板220L和220R 的后侧。但是，覆盖玻璃600并非是根据本实施例的头戴式显示装置10的必需构件，可以被去除。在一个图像产生设备中，例如，连接了连接到PC(个人计算机)的线700，从而图像数据从PC发送到图像产生设备210R。一个图像产生设备和另一图像产生设备通过在光学板300的顶表面上延伸的软线750进行连接，从而图像数据还从PC发送到另一图像产生设备。注意，PC和两个图像产生设备210L和210R可以执行无线数据通信。[支承方法]根据本实施例的眼镜型头戴式显示装置10具有两个光学模块200L和200R仅被光学板300支承在框架100的中心部分处的结构。在下文中，将参考图2和3详细描述头戴式显示装置的支承方法。图2是当从前侧观察时根据本实施例的头戴式显示装置的透视图。图3是当从后侧观察时根据本实施例的头戴式显示装置的透视图。在图2和3中，光学板300、导光板220L和220R、与覆盖玻璃600整体结合在一起， 以形成眼镜部分。参考图2，在框架100的前部IOOa中，中心部分P比外侧部分Q厚，光学板300连接到所述中心部分P。当观察者将头戴式显示装置10戴在头上时，观察者通常通过打开框架100的两端来佩戴头戴式显示装置10。这时，应力最严重的作用于框架100的中心。因此，框架100的中心部分P厚度大，以增强断裂强度。但是，如果整个框架都厚，则头戴式显示装置10重量增大，这会造成佩戴困难并不易使用。因此，框架100的外侧部分 Q比中心部分P的厚度小。因为头戴式显示装置10具有与观察者的鼻子的位置相对应的轮廓凹部，所以光学板300在轮廓凹部附近易于变形，这引起断裂强度的降低。因此，围边850连接到光学板 300的轮廓凹部，以加强头戴式显示装置10的中心部分。此外，参考图3，光学板300使用围边850连接到两个导光板220L和220R的分别的边缘，并连接到覆盖玻璃600，两个导光板220L和220R的分别的边缘连接到光学板300 的后表面。此外，光学板300在两端的外侧边缘处由围边800加强，并连接到两个导光板 220L和220R的分别的边缘、和覆盖玻璃600。如上所述，连接构件400在光学板300的中心处加强光学板300。具体来说，连接构件400具有矩形金属板400a，以用作加强构件和粘结结合部分，金属板400a和光学板 300的中心部分通过粘结结合部分连接在一起。连接构件400的形状是任意的，例如，其可以具有条形、窄板形等。连接构件400的材料优选是金属，例如，铝、镁、不锈钢、钛或玻璃纤维碳、或这些金属的合金、塑料或这些材料的组合。鼻垫500连接到连接构件400。连接构件400连接到框架安装构件450，并连接到框架100的前部100a。如上所述，根据本实施例的头戴式显示装置10具有这样的结构，该结构通过光学板300仅在框架100的中心部分支承两个光学模块200L和200R，除此之外，在存在用于鼻子的轮廓凹部的中心部分处初始结构薄弱。因此，眼镜在光学板300的中心处变形，应力集中在中心部分。针对这种情况，通过使用连接构件400、围边850等增强断裂强度，连接构件 400具有连接到光学板300的金属板400a。此外，为了提高两个光学模块200L和200R的位置精度，并清晰的显示所需图像，设计提高中心部分的综合性能，所述合成性能是弹性模量(杨氏模量)。例如，为了提高覆盖玻璃600的中心部分处的合成性能，优选的，将覆盖玻璃600的中心部分的材料改变成具有高合成性能的材料、将具有高合成性能的材料仅混合在覆盖玻璃600的中心部分、或者将覆盖玻璃600的中心部分形成为比其他部分厚。[光学模块的结构和操作]参考图4在下文中描述根据本实施例的光学模块200L和200R的结构和操作。图4 是光学模块200L的概念图。光学模块200R与光学模块200L对称的放置，与光学模块200L 结构相同，因此不在此重复描述。光学模块200L包括图像产生设备210L和光导230L。图像产生设备210L包括图像形成单元211和准直光学系统212。图像形成单元211和准直光学系统212容纳在外壳 213(由交替的长短虚线表示)中。外壳213具有开口(未示出)，光从准直光学系统212 通过开口输出。外壳213连接到光导230L。图像形成单元211具有布置在二维矩阵中的多个像素。准直光学系统212将从图像形成单元211的像素输出的光转变成平行光。来自准直光学系统212的平行光输出到导光板220L，被引导穿过其中，然后从导光板220L输出。图像形成单元211包括光源211a、液晶显示设备(IXD) 2lib、和偏光分束器211c。 液晶显示设备(LCD) 211b和偏光分束器211c形成反射型空间光调制器。液晶显示设备 (IXD) 211b是作为光阀的LCOS (硅基液晶)。偏光分束器211c反射一部分从光源211a发射的光并将反射光引导至液晶显示设备211b，透射一部分从光源211a发射的光并将透射光引导至准直光学系统212。液晶显示设备211b具有布置在二维矩阵中的多个像素。偏光分束器211c具有已知的结构和构造。从光源211a发射的非偏振光到达偏光分束器211c。这时，光的ρ偏振分量穿过偏光分束器211c，出到系统的外侧。另一方面，光的s偏振分量被偏光分束器211c反射，输入到液晶显示设备211b，反射到液晶显示设备211b的内部，并从液晶显示设备211b 输出。在从液晶显示设备211b输出的光当中，从用于显示“白色”的像素输出的光包含多数P偏振分量，从用于显示“黑色”的像素输出的光包含多数S偏振分量。因此，在从液晶显示设备211b输出并到达偏光分束器211c的光当中，ρ偏振分量穿过偏光分束器211c，并被引导至准直光学系统212。另一方面，s偏振分量被偏光分束器211c反射回到光源211a。例如，液晶显示设备211b具有布置在二维矩阵中的320X240的像素(液晶盒的数量是像素的数量的三倍)。例如，准直光学系统212是凸透镜，液晶显示设备211b放置在准直光学系统212的焦距位置上，以产生平行光。此外，一个像素由发射红色的红光发射子像素、发射绿色的绿光发射子像素和发射蓝色的蓝光发射子像素组成。光导230L包括导光板220L、第一偏光器240和第二偏光器250。输入光通过重复全内反射传播穿过导光板220L，然后从导光板220L输出。第一偏光器240反射输出到导光板220L的光，从而在导光板220L内部光被全部反射。例如，第一偏光器MO由包括铝或合金的金属制成，并且由反射输入到导光板 220L的光的光反射膜(反射镜类型)或衍射输入到导光板220L的光的衍射光栅(例如，全息衍射光栅膜)组成。第二偏光器250多次透射和反射通过全反射传播穿过导光板220L的光。例如， 第二偏光器250由具有多层层叠结构的光反射多层膜组成，并将光作为多个光束从导光板 220L输出。在此结构中，反射镜放置在输入侧内部，半反射镜放置在输出侧，第一偏光器 240用作反射镜，第二偏光器250用作半透明镜。第二偏光器250可以由具有多个电介质膜堆叠的多层堆叠结构、半反射镜、偏光分束器、或全息衍射光栅膜等组成。电介质膜堆叠由作为高介电常数材料的TiO2膜和作为低介电常数材料的Sih制成。PCT国际公布的日文翻译公布No. 2005-521099中公开了具有多个电介质膜堆叠的多层堆叠结构。尽管图4中示出了六层电介质膜堆叠，但是不限于此。由与导光板220L的材料相同的材料制成的薄片置于电介质膜堆叠和电介质膜堆叠之间。注意，在第一偏光器MO中，输入到导光板220L的平行光以这样的方式被反射 (或衍射)，即，输出到导光板220L的平行光在导光板220L内部被全部反射。另一方面，在第二偏光器250中，通过全反射传播穿过导光板220L的平行光被多次反射(或衍射)，并以平行光形式从导光板220L输出。通过切开用于导光板220L的第一偏光器MO的部分240a，以制成用以在导光板 220L中形成第一偏光器MO的斜面，在斜面上真空沉积光反射膜，然后将导光板220L的切开部分MOa连接在第一偏光器240上，可以形成第一偏光器M0。此外，通过制成多层层叠结构，所述多层层叠结构由与导光板220L相同的材料(例如，玻璃)的多层层叠和电介质膜堆叠(例如，所述电介质膜堆叠可以通过真空沉积形成)组成，通过切开用于导光板220L 的第二偏光器250的部分S形成斜面，将多层层叠结构连接到斜面上，然后通过磨制等完成外部形状，可以形成第二偏光器250。从而形成光导230L，在所述光导230L中，第一偏光器 240和第二偏光器250放置在导光板220L内。导光板220L具有两个平行平面(第一平面F和第二平面R)，所述两个平行平面放置成与导光板的轴线(Y方向)平行。第一平面F和第二平面R彼此相对。当导光板220L 的光输入的平面称作导光板输入表面、并且导光板220L的光输出的平面称作导光板输出表面时，导光板输入表面和导光板输出表面可以通过第一平面F形成，或者导光板输入表面和导光板输出表面可以通过第二平面R形成。在该示例中，平行光从对应于光输入表面的第一平面F输入，通过全反射在内部传播，然后从对应于光输出表面的第二平面R输出。导光板220L的材料是玻璃(包括光学玻璃，例如石英玻璃或BK7)、塑料材料(例如，PMMA、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、无定形聚丙烯树脂、包含AS树脂的苯乙烯树脂等) 等。导光板220L的形状不限于平板，其可以具有曲线形状。在上述结构中，头戴式显示装置10的光导230L和230R通过贯穿导光板220L和 220R的重复全反射来引导分别从图形产生设备210L和210R输出的光束。光学板300连接到导光板220L和220R的全反射平面。因为传播通过导光板220L和220R的光束用全反射进行引导，当导光板220L和220R上存在瑕疵或污物时，阻止光传导或使光路偏差。因此， 光学板300是必需构件，其用于保护导光板220L和220R并防止瑕疵或污物出现在导光板 220L和220R的表面上，从而确保导光板220L和220R中的全反射。同样的，空气层位于光学板300与导光板220L和220R之间，用于通过空气层确保光的全反射。
图7到13是根据本实施例的头戴式显示装置10的更具体形状的示图。图7是头戴式显示装置10的正视图，图8是俯视图，图9是仰视图，图10是右侧视图，图11是左侧视图，图12是后视图，图13是透视图。图7到13中所示的头戴式显示装置10也应当认为是创新设计。对于应用设计的产品，根据产品分类其对应于“数据显示设备”，所述产品分类等同于日本意匠法实施细则的附录I中的产品分类。对于应用设计的产品的说明，可以提供下面的说明。具体来说，应用设计的产品是头戴式显示装置，其包括用以戴在观察者头上的眼镜型框架、光学模块和光学板。此外，应用设计的产品可以具有可调整的鼻垫，所述可调整的鼻垫可垂直滑动。这能够实现与戴眼镜者和不戴眼镜者的兼容性。具体来说，通过上下调整鼻垫，产品不仅使得没有戴眼镜的观察者能够戴上头戴式显示装置10，而且使得戴着眼镜的观察者也能在眼镜上面戴上头戴式显示装置10。上面描述了根据本实施例的头戴式显示装置10。如果如图14所示两个光学模块 200L和200R由整个框架支承，则眼镜腿1015在箭头A的方向上向外弯曲，框架1010的前部IOlOa在箭头B的方向上变形。由于该变形，尽管将左侧和右侧虚拟图像的屏幕中心彼此交叉的空间位置预先调整到点C，但是实际空间位置移动到点D，导致会聚角增大。但是，在根据本实施例的头戴式显示装置10中，光学板300连接到框架100的中心部分，处于支承连接到两个图像产生设备210L和210R的两个导光板220L和220R的状态。两个图像产生设备210L和210R与两个导光板220L和220R —对一连接，整体上，所述两个导光板220L和220R放置成比图像产生设备210L和210R更接近观察者的脸的中心。 因此，图像产生设备210L和210R布置成当戴着时在观察者的脸的外部对称。两个图像产生设备2IOL和2IOR通过支承两个导光板220L和220R的光学板300连接到框架100的中心部分P。因此，放置在两个导光板220L和220R的两端的图像产生设备210L和210R仅被支承在框架100的中心部分P处。在该结构中，光学模块200L和200R被支承在中心部分，从而使框架100的弯曲最小，甚至在发生弯曲时，防止左右之间的弯曲的差别造成明显的影响。因此，当观察者戴着时，框架100的弯曲不影响导光板220L和220R的位置。因此，不会使光波导偏离。因此， 在观察者将框架100戴在头上时，即使在眼镜腿IOOb向外弯曲从而框架变形时，框架的变形不引起光导230L和230R的位移(位置改变)，或者如果有位移，也只引起微小位移。从而，能够可靠的防止左右图像的会聚角的改变。这使得用户能够舒适的观察图像。此外，因为不需要增强框架100的前部IOOa的硬度，能够抑制框架重量增加而不增加成本，从而提供了具有高设计水平的头戴式显示装置10。<第二实施例>[头戴式显示装置的整体结构]在下文中描述根据本发明的第二实施例的头戴式显示装置的整体结构。第二实施例是第一实施例的可选示例。参考图5，根据第二实施例的头戴式显示装置10具有这样的结构，其中第一偏光器^OL和^OR与第二偏光器和安装在导光板220L和220R 的表面上，这不同于根据第一实施例的头戴式显示装置10的结构，在第一实施例中，第一偏光器240和第二偏光器250形成于导光板220L和220R的切开部分中。在下文中主要围绕这一差别来描述根据第二实施例的头戴式显示装置10。
如图5的顶部的头戴式显示装置10的俯视图中所示，导光板220L和220R的光学板一侧的表面上，分别在每个导光板的输入侧和输出侧上连接了膜状全息光学元件，作为第一偏光器^OL和^OR与第二偏光器和^5R。在本实施例中，在导光板220L和220R的后表面上不提供覆盖玻璃600。根据第二实施例的头戴式显示装置10可以装有或不装有覆盖玻璃600。另一方面，特别的，光学板 300是第二实施例中的必需构件。这是因为，在本实施例中，连接在导光板220L和220R的表面上的全息图(膜)非常薄弱，因此需要用光学板300来保护全息图。第一偏光器观见和观01 使输入到导光板220L和220R的光衍射，第二偏光器观51^ 和使通过多次全反射传播穿过导光板220L和220R的光衍射。第一偏光器^OL和 ^OR与第二偏光器和是衍射光栅元件，或具体来说是反射型光栅元件，或更具体来说是反射型体全息衍射光栅。在下面的描述中，为了方便，分别的，作为反射型体全息衍射光栅的第一偏光器^OL和^OR称作第一衍射光栅构件观01和280r，作为反射型体全息衍射光栅的第二偏光器和称作第二衍射光栅构件观51和^5r。在本实施例中，为了使第一衍射光栅构件观01和^Or与第二衍射光栅构件观51 和对应于具有P种不同类型(具体来说，P = 3 ；三种类型包括红色、绿色和蓝色)波长带(或波长)中的P种类型的衍射/反射，由反射型体全息衍射光栅制成的P数量的衍射光栅层形成层叠。第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的材料可以是光致聚合物。作为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构成材料和基本结构与现有的反射型体全息衍射光栅的构成材料和结构相同。反射型体全息衍射光栅表示只衍射或反射 +1级衍射光束的全息反射光栅。衍射光栅构件具有从内部到表面的干涉图样，用于形成干涉图样的方法可以与现有的形成方法相同。具体来说，通过在一侧上从第一给定距离将物方光施加到构成衍射光栅构件的构件(例如，光致聚合物材料)，同时在另一侧上从第二给定距离将参考光施加到构成衍射光栅构件的构件，然后记录下在构成衍射光栅构件的构件内部通过物光和参考光所形成的干涉图案，可以形成干涉图样。通过适当的选择第一给定位置、第二给定位置和物光与参考光的波长，可以获得衍射光栅构件的表面上的干涉图样的所需节距和干涉图样的所需倾斜角。干涉图样的倾斜角表示衍射光栅构件的表面(或衍射光栅层)与干涉光之间的角度。在使用由反射型体全息衍射光栅制成的P数量的衍射光栅层的层叠结构形成第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件的情况下，例如，通过单独生成P数量的衍射光栅层， 然后使用UV可固化粘结剂层叠(粘结)P数量的衍射光栅层，可以形成衍射光栅层的层叠。 此外，通过使用粘性光致聚合物材料生成单个衍射光栅层，然后通过将粘性光致聚合物材料一个接一个层叠于其上来生成多个衍射光栅层，可以生成P数量的衍射光栅层。第一衍射光栅构件观01和^Or与第二衍射光栅构件观51和中的每一个都可以具有这样的结构，其中，衍射或反射红光的衍射光栅层、衍射或反射绿光的衍射光栅层、和衍射或反射蓝光的衍射光栅层形成层叠。[光学模块的结构和操作]参考图6在下文中描述根据本实施例的光学模块200L、200R的结构和操作。图6 是光学模块200L的概念图。同样在本实施例中，光学模块200R与光学模块200L对称的放置，与光学模块200L结构相同，因此省略了重复的描述，并只描述光学模块200L的结构和操作。在图6中，第一衍射光栅构件观01和第二衍射光栅构件观51中的每一个都示出为单层。在每个衍射光栅层中形成于一种类型的波长带相对应的干涉图样。此外，为了与具有P种不同类型的波长带的光束的P类型的衍射/反射相对应，可以在由单个衍射光栅层制成的第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件上形成P种类型的干涉图样。此外，例如， 观察角可以相等的分成三份，使得第一衍射光栅构件和第二衍射光栅构件具有与各自的分开的观察角相对应的衍射光栅层的层叠结构。当具有每个波长带(或波长)的光束被第一衍射光栅构件观01和第二衍射光栅构件观51衍射或反射时，该结构能够实现衍射效率的提高、衍射角范围的增大、和衍射角的优化。图6还在其右上角(b)示出了反射型体全息衍射光栅的示意性部分放大截面图。 具有倾斜角φ的干涉图样形成于反射型体全息衍射光栅中。倾斜角φ是反射型体全息衍射光栅的表面与干涉图样之间的角度。从反射型体全息衍射光栅的内部到表面形成干涉图样。干涉图样满足布拉格条件。布拉格条件是满足下列方程式(1)的条件。方程式(1):m · λ = 2 · d · sin( )在方程式⑴中，m是正整数，λ是波长，d是晶格面间距(包括了干涉图样的虚面在法线方向上的间距)，Θ是入射在干涉图样上的角度的补角。此外，当光以入射角Ψ 进入衍射光栅构件时，补角 、倾斜角平加入射角Ψ的关系由下列方程式(2)表示。方程式ο) :Θ=90°-(φ+ψ)第一衍射光栅构件观01是如上所述的膜，所述膜连接到导光板220L的第二平面 Ro第二衍射光栅构件观51也是膜，所述膜连接到导光板220L的第一平面F。从第二平面 R输入到导光板220L的平行光通过全反射传播通过导光板220L，被多次衍射或反射，然后作为平行光从导光板220L的第二平面R输出。同样的，在导光板220L中，三种颜色(红色、绿色和蓝色)的平行光通过全反射传播穿过其中，然后被输出。因为导光板220L薄并且穿过导光板220L内部的光路长，所以在到达第二衍射光栅构件观51之前全反射的次数根据观察角的不同而不同。具体来说，以在靠近第二衍射光栅构件观51的方向上的角度输入到导光板220L的平行光的反射次数，小于在远离第二衍射光栅构件观51的方向上的角度输入到导光板220L的平行光的反射次数。这是因为，对于在第一衍射光栅构件观01上衍射或反射并以在靠近第二衍射光栅构件 2851的方向上的角度输入到导光板220L的平行光，传播通过导光板220L的光在到达导光板220L的内表面时相对于导光板220L的法向的角度小于以在相对方向上的角度输入到导光板220L的平行光。此外，相对于与导光板220L的轴线垂直的虚拟平面，形成于第二衍射光栅构件观51内部的干涉图样的形状和形成于第一衍射光栅构件观01内部的干涉图样的形状对称。根据本实施例的头戴式显示装置10还具有光学板300，所述光学板300连接两个导光板220L和220R。由铝制成的连接构件400连接到光学板300的中心。为了增强光学板300的硬度而设置连接构件400。光学板300与光学模块200L和200R可以通过连接构件400和框架安装构件(未示出)连接到框架100的位于观察者的两个瞳孔之间的中心部分。例如，使用螺钉或粘结剂将光学板300连接到框架100。
光学模块200L和200R的图像产生设备210L和210R分别位于观察者的瞳孔的外侧。两个导光板220L和220R与光学板300在导光板220L和220R的周边部分中连接在一起，具有约30 μ m直径的球状间隔物(未示出)置于两者之间。这是因为两个导光板220L 和220R的玻璃表面需要用作全内反射平面，所以玻璃表面应当是空气层。从而，能够保护连接在导光板220L和220R的表面上的输入侧全息图(第一衍射光栅构件观01和^Or) 与输出侧全息图(第二衍射光栅构件观51和。框架100由用以放置在观察者的前面的前部IOOa和通过铰链IOOc可旋转的连接到前部IOOa的两端的两个眼镜腿100b。光学板300通过由铝制成的连接构件400连接到前部IOOa的位于观察者的两个通孔之间的中心。鼻垫500连接在前部IOOa的中心。如上所述，根据第二实施例的头戴式显示装置10的其他基本结构与根据第一实施例的头戴式显示装置10相同，因此不再重复描述。如上所述，在根据第二实施例的头戴式显示装置10的结构中，与根据第一实施例的头戴式显示装置10 —样，当观察者将框架戴在头上时，即使当眼镜腿IOOb向外弯曲并且因此框架变形时，框架的变形不引起光导的位移(位置改变)，或者如果有位移，也只引起微小位移。从而，能够可靠的防止左右图像的会聚角的改变。这使得用户能够舒适的观察图像。此外，因为不需要增强框架100的前部IOOa的硬度，所以能够抑制框架重量增加而不增加成本，从而提供了具有高设计水平的头戴式显示装置10。尽管参考附图在上面详细描述了本发明的优选实施例，但是本发明不限于此。本领域技术人员应当理解，只要在所附权利要求书或其等价的范围内，根据设计需求和其他因素，能够产生各种修改、组合、变形和替换。例如，上述每个实施例中所述的头戴式显示装置的结构和构造通过示例的方式给出，可以酌情改变。例如，表面起伏型全息图(参见美国专利No. 20040062505A1)可以设置在导光板上。对于根据第二实施例的光导230L和230R，可以使用透射衍射光栅元件形成衍射光栅元件。可选的，可以使用反射衍射光栅元件形成第一偏光器或第二偏光器中的任一个， 并且可以使用透射衍射光栅元件形成第一偏光器或第二偏光器中的另一个。此外.衍射光栅元件可以是反射型闪耀衍射光栅元件。作为第一和第二实施例的可选示例，可以使用有源矩阵图像形成单元，其包括由布置在二维矩阵中的光发射板组成的半导体光发射元件，并且通过控制每个半导体光发射元件的光发射/非光发射状态来显示图像，从而能够直接观察半导体光发射元件的光发射状态。在此情况下，同样的，从图像形成单元输出的光通过准直光学系统输入到导光板。图像形成单元可以执行彩色显示的图形形成，所述图像形成单元控制红光发射元件、绿光发射元件和蓝光发射元件中的每一个的光发射/非光发射状态。在此情况下，同样的，从图像形成单元输出的光通过准直光学系统输入到导光板。本申请包含与2010年8月6日递交于日本特许厅的日本在先专利申请JP 2010-087785中所公开的内容相关的主体，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。
权利要求
1.一种头戴式显示装置，其包括 眼镜型框架，其用以戴在观察者的头上； 两个光学模块，其包括两个图像产生设备，和两个光导，所述两个光导具有两个导光板，所述两个导光板与所述两个图像产生设备一对一连接并且整体上放置成比所述图像产生设备更靠近观察者的脸的中心，所述两个光导引导从所述图像产生设备输出的光束并向观察者的瞳孔输出所述光束；和光学板，其支承所述两个光导， 其中，所述光学板被安装到所述框架的中心部分。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中使用框架安装构件将所述光学板固定到所述框架的所述中心部分。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中通过连接构件加强所述光学板的中间部分，所述连接构件包括加强构件和粘结结合部分。
4.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述光学板放置成覆盖所述两个导光板的表面。
5.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中通过粘结结合部分将所述光学板连接到所述两个导光板，所述粘结结合部分包括间隔物。
6.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述光学板是平坦透明玻璃板。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中使用围边将所述光学板连接到所述两个导光板的各自的边缘。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述两个光导通过在所述两个导光板中分别重复全反射，来引导分别从所述两个图像产生设备输出的光束，并且所述光学板连接到所述两个导光板的全反射平面。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述框架的中心部分比外侧部分厚。
10.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中全息光学元件分别放置在所述两个光导中的所述两个导光板中的每一个的输入侧和输出侧上。
11.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述两个导光板在输入侧的内部具有反射镜，在输出侧上具有半反射镜膜。
全文摘要
本发明提供了头戴式显示装置，其包括用以戴在观察者头上的眼镜型框架；两个光学模块，其包括两个图像产生设备和两个光导，所述两个光导具有两个导光板，所述两个导光板与所述两个图像产生设备一对一连接并且整体上放置成比所述图像产生设备更靠近观察者的脸的中心，所述两个光导引导从所述图像产生设备输出的光束并向观察者的瞳孔输出所述光束；和支承所述两个光导的光学板，其中所述光学板连接到所述框架的中心部分。
文档编号G02B27/01GK102213830SQ201110083778
公开日2011年10月12日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年4月6日
发明者中野聪, 日比启太, 武川洋, 福马洋平, 诧摩智朗, 贺川敦志 申请人:索尼公司