专利名称：图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种安装于头部的图像显示装置。
背景技术：
以往作为图像显示装置，例如通过保持于眼镜的镜腿侧的图像显示部和保持于眼镜的镜片侧的目镜光学部使从图像显示部射出的图像光通过目镜光学部射入观察者的眼球，从而能作为图像被观察，而作为与这一点相关的现有技术，例如提出了将全息元件配置于眼镜镜片部的结构等(参见专利文献1)。另外，作为现有的其他眼镜型图像显示装置，提出了将其保持于眼镜的镜框等上并配置于镜片外侧的结构以及将光路内置于眼镜镜片内的结构等(参见专利文献2、3)。专利文献1日本特开2006-209144号公报专利文献2日本特许3871188号公报专利文献3日本特许；3似9320号公报专利文献4日本特开2006-003879号公报在专利文献1中，通过全息元件能够将反射部件配置为平面状。然而全息元件也存在其他问题。全息元件的制造非常困难，而且成本也高。另外，由于在元件特性方面，波长的选择性高，因此使用激光光线等光源，或采取对LED等附加高性能的滤波器而仅使用一部分波长的方法，这就成为光的使用效率差且耗电高的主要原因。进而，还提出了有机EL 面板作为低耗电的显示面板，然而存在波长选择性高的全息元件无法使用这些显示面板的问题。而且难以对应于每个佩戴者的各种视力程度(曲率)的镜片来安装全息元件。在专利文献2中，提出了保持于眼镜的镜框等上，并配置于镜片外侧的提案，然而由于导光路径伸出到外部而在外观方面不太适合。在专利文献3中，还提出了嵌入到眼镜镜片中的方法，而这种情况下眼镜镜片平坦且会变厚，无法确保作为眼镜的功能。 在专利文献4中，通过4_以下来实现了透视，然而由于在前表面配置棒状的光学部件和支撑部件，因而存在外观上的问题。
发明内容
本发明就是鉴于现有技术的这种状况而完成的，其目的在于提供一种能小型轻量地构成为眼镜的一部分，能够实现在不遮挡较宽广的海域(周边视野)或外部视场的情况下能同时观察外部和电子图像的透视功能的眼镜型图像显示装置。为了解决上述课题，本发明的图像显示装置具有显示图像的图像显示元件；以及将上述图像投影到观察者眼球的观察光学系统，其特征在于，观察光学系统是作为眼镜一部分的棱镜，上述棱镜由至少2个面构成，包含至少2个旋转非对称面，从上述图像显示元件射出的光在上述棱镜内反射奇数次后被引导至观察者眼球。另外，本发明的特征还在于，上述至少2个旋转非对称面中的第1面是配置于观察时接近观察者的位置上的面，第2面是配置于观察时位于观察者外侧的位置上的面。另外，本发明的特征还在于，配置于观察时位于观察者外侧的上述第2面是在Y-Z 面内具有正屈光力的面。另外，本发明的特征还在于，上述观察光学系统向观察者眼球的出射面的形状沿着眼镜的镜片的底面形状。另外，本发明的特征还在于，在上述观察光学系统中，来自图像显示元件的光在棱镜内部反射了 5次之后，从棱镜射出并到达观察者眼球。另外，本发明的特征还在于，上述观察光学系统是由至少2个光学面构成的棱镜。另外，本发明的特征还在于，上述观察光学系统是由至少3个光学面构成的棱镜。另外，本发明的特征还在于，上述观察光学系统是由至少4个光学面构成的棱镜。本发明的特征还在于，上述观察光学系统在棱镜内部形成1次像，将该1次像投影到观察者眼球。另外，本发明的特征还在于，上述观察光学系统的出射光瞳形成于棱镜的出射面附近或出射面与观察者眼球之间。另外，本发明的特征还在于，上述观察光学系统配置成相当于眼镜的镜框的一部分。另外，本发明的特征还在于，上述图像显示元件配置于眼镜的镜腿的端面，与观察光学系统的取入图像的入射面相对。在以上的本发明的棱镜光学系统中，能提供一种小型轻量且成本低廉、设计性优良的眼镜型图像显示装置。
图1是眼镜型图像显示装置的整体立体图。图2是眼镜型图像显示装置的主视图。图3是图像显示装置的基本构成图。图4是图像显示装置的侧视图。图5是图像显示装置的侧视图。图6是眼镜型图像显示装置的整体图。图7是表示观察光学系统的实施例1的构成的图。图8是观察光学系的实施例1的Y-Z剖面处的光路图。图9是观察光学系的实施例1的X-Z剖面处的光路图。图10是表示实施例1的光学系统整体的横向像差图的图。图11是表示实施例1的光学系统整体的横向像差图的图。图12是表示观察光学系统的实施例2的构成的图。图13是观察光学系的实施例2的Y-Z剖面处的光路图。图14是观察光学系的实施例2的X-Z剖面处的光路图。图15是表示实施例2的光学系统整体的横向像差图的图。图16是表示实施例2的光学系统整体的横向像差图的图。图17是表示观察光学系统的实施例3的构成的图。
图18是观察光学系的实施例3的Y-Z剖面处的光路图。图19是观察光学系的实施例3的X-Z剖面处的光路图。图20是表示实施例3的光学系统整体的横向像差图的图。图21是表示实施例3的光学系统整体的横向像差图的图。图22是表示观察光学系统的实施例4的构成的图。图23是观察光学系的实施例4的Y-Z剖面处的光路图。图M是观察光学系的实施例4的X-Z剖面处的光路图。图25是表示实施例4的光学系统整体的横向像差图的图。图沈是表示实施例4的光学系统整体的横向像差图的图。标号说明1棱镜光学系统；2图像显示元件；P图像显示装置。
具体实施例方式本实施方式的图像显示装置优选是由显示图像的图像显示元件2和将图像投影到观察者眼球的观察光学系统1构成的图像显示装置P，其中观察光学系统1是作为眼镜的一部分的棱镜1，棱镜1至少由2个面构成，包含至少2个旋转非对称面，从图像显示元件2 射出的光在棱镜1内反射奇数次后被引导至观察者眼球。这样，使观察光学系统为作为眼镜的一部分的棱镜1，从而在客观地观察佩带了本实施方式的图像显示装置2的人时不会感到不适感，无论是观察者还是其周围的人都能愉快地接受。另外，作为观察光学系统1的棱镜至少由2个面构成，从而在观察者眼球侧与离开观察者眼球的一侧配置光学面，使从图像显示元件2发出的光通过它们之间，最终能够将从图像显示元件2发出的光引导至观察者眼球。棱镜1至少由2个面构成，从而使得配置于观察者眼球前方的观察光学系统1即棱镜1通过配置于观察者眼球侧与离开观察者眼球的一侧的2个面进行内部反射，由此作为棒状的光学元件。进而，考虑到棱镜1的内外侧的面形状，因而能够成为眼镜部G的框架的一部分的形状。进而，棱镜1具有至少2个旋转非对称面，从而对于由棱镜1的偏心所产生的像差校正而言是有效的。在由至少2个面构成的棱镜1中，进行多次反射的光学系统是有相对于光轴倾斜且移位的偏心面构成的。通过这种构成，能够通过多次反射将图像显示元件2 的图像投影到观察者眼球。然而在偏心的面上除了通常的赛德像差之外还产生由偏心导致的像差。该像差无法通过通常的旋转对称面进行校正。将构成棱镜1的光学面的至少2个面构成为旋转非对称面就可以校正偏心像差。若仅具有1个旋转非对称面则难以对2次透射和5次反射导致的偏心像差进行充分校正。通过至少使用2个旋转非对称面，能够良好地进行像差校正。从图像显示元件2射出的光在棱镜1内反射奇数次后被引导至观察者眼球，从而使得包含从图像显示元件2射出并射入棱镜1的图像在内的光从棱镜1向相同方向射出， 形成出射光瞳并到达观察者眼球。通过采取这种构成，将图像显示元件配置于眼镜部G的附近部分，使从图像显示元件2发出的光通过作为眼镜部G的框架G3的一部分的观察光学系统1的棱镜1内后引导到观察者眼球，从而观察者能够将显示元件的放大后的图像作为虚像进行观察。另外，观察光学系统1为至少由2个面构成的棱镜1，从而位于观察者眼球的前方的光学元件小，能形成为较薄的棒状。由此就能够减小妨碍观察者的外部视野的面积，因而能实现较宽广的海域(周围视野)。进而，棱镜的厚度在4mm以下，从而即使佩带了装置也能大致100%地确保外部像的视野。其结果，能够减轻佩戴者的不适感和烦躁，实现客观上不存在不适感的佩戴式图像装置。还能实现较宽广的海域、透视。另外，优选至少2个旋转非对称面中的第1面是配置于观察时接近观察者的位置上的面，第2面是配置于观察时位于观察者的外侧的位置上的面。如上，通过使2个旋转非对称面中的第1面是配置于观察时接近观察者的位置上的面，第2面是配置于观察时位于观察者的外侧的位置上的面，作为观察光学系统1的棱镜 1被2个旋转非对称面夹住，能通过彼此的面的非对称性对构成棱镜1的偏心光学面所产生的偏心像差良好地进行校正。其结果，能够改善观察光学系统1的性能，因此能为观察者提供鲜明且分辨率佳的图像。另外，优选配置于观察时位于观察者外侧的位置上的第2面是在Y-Z面内具有正屈光力的面。如上，通过使配置于观察时位于观察者外侧的位置上的第2面是在Y-Z面内具有正屈光力的面，从而能够形成沿着眼镜部G的框架G3的形状。另外，若棱镜1内侧的面为沿着眼镜部G的镜片G2的形状的性质，则容易变成凹面形状，因此通过使外侧的面为正的屈光力，从而使棱镜1整体的屈光力成为正屈光力。其结果，能够使作为观察光学系统1的棱镜1成为沿着眼镜部G的框架G3的形状， 还能使棱镜1整体的屈光力为正屈光力。还优选观察光学系统1向观察者眼球的出射面为沿着眼镜部G的镜片G2的底面形状的形状。这样，通过使作为观察光学系统1的棱镜1向观察者眼球的出射面为沿着眼镜部G 的镜片G2的底面形状的形状，能够将棱镜1作为眼镜部G的框架G3的一部分进行配置。其结果能够将观察光学系统1组装入眼镜部G的一部分中，因此在客观观察佩戴了图像显示装置P的人时不会感到不适感，无论观察者还是其周围的人都能愉快地接受。还优选在观察光学系统1中，来自图像显示元件2的光在棱镜1的内部反射了 5 次之后，从棱镜射出并到达观察者眼球。这样，来自图像显示元件2的光在棱镜1内部反射了 5次之后，从棱镜1射出并到达观察者眼球，从而成为奇数次反射，因此能够将图像显示元件2的显示面与观察者眼球配置在同一方向。因此能够将图像显示元件2配置于眼镜镜腿Gl的位置附近。另外，由于在棱镜1内进行5次内部反射，因此即便观察光学系统较薄且小型也能形成为光路长度较长的结构。因此棱镜1即使是小型、薄型的形状也能确保所需的光路长度。还优选观察光学系统是至少由2个光学面构成的棱镜。观察光学系统1是至少由2个光学面构成的棱镜1对于使得图像显示装置P紧凑化是有效的。在棱镜1内部进行5次反射时，从图像显示元件2射出的光从入射面进入棱镜内部，此后在与入射面相对的面进行反射，然后在入射面侧的面反射。此后重复了 3次反射之后，从入射面侧的透射面射出，投影到观察者眼球。具备这种光路的棱镜1对于观察者而言在内侧的面具备入射、射出和2次反射作用，在外侧的面具备3次内部反射作用，从而能够进行5次反射，将显示元件的图像投影于观察者眼球。其结果能够以较少的面构成棱镜1，因此在加工上有益，能实现成本降低。还优选观察光学系统是至少由3个光学面构成的棱镜。观察光学系统1是至少由3个光学面构成的棱镜1对于使得图像显示装置P变得紧凑且高分辨率是有效的。当通过仅2个面的棱镜进行5次内部反射的情况下，入射和射出的方向相同，因此入射面与出射面大多为同一面。此时，为了控制入射角和射出角，就需要改变该面的倾斜度，因而有时难以维持用于像差校正的形状。为了在保证显示装置与观察者眼球的位置关系的同时进行像差校正，优选入射面与出射面分离。因此将入射面作为透射面，在与入射面相对的面进行3次内部反射，使出射面在具备透射作用的同时还具备2 次内部反射作用，从而能够进行5次反射，将显示元件的图像投影于观察者眼球。还优选观察光学系统1是至少由4个光学面构成的棱镜1。这样，当观察光学系统1至少由4个光学面构成时，将会使入射面与出射面分离， 而且将与入射面相对的反射面分离为2个。由此既能获得使上述3个面的情况下的入射面与出射面分离所带来的优点，又由于与出射面相对的反射面(第4面)为1次反射，该面的倾斜度可自由设定，因此易于控制射出角。因此将入射面作为透射面，在与入射面相对的面进行2次内部反射，使出射面在具备透射作用的同时还具备2次内部反射作用，在与出射面相对的面进行1次内部反射，从而能够进行5次反射，将显示元件的图像投影于观察者眼球。还优选观察光学系统1在棱镜1内部形成1次像，将该1次像投影于观察者眼球。观察光学系统1通过在棱镜1内部形成1次像，将该1次像投影于观察者眼球，从而需要形成1次像的部分和将该1次像投影于观察者的部分这2部分的作用。因此光学系统的自由度变高，能应对基于设计的规格的多样化。例如通过控制1次像的大小就能够比直接成像的情况进一步增大出射光瞳直径。还优选观察光学系统1的出射光瞳S形成于棱镜1的第3面附近或第3面与观察者眼球之间。通过将观察光学系统1的出射光瞳S形成于棱镜1的第3面附近或第3面与观察者眼球之间，从而能减小观察图像周缘的光束的渐晕。其结果是观察者能够观察直到画面周边都很鲜明的图像。还优选观察光学系统1配置成相当于眼镜部G的框架G3的一部分。在佩戴图像显示装置P来进行使用时，佩戴于头部或脸部，而客观而言若将现有的图像显示装置P佩戴于头部，则会给人一种奇怪的印象。然而本实施方式的观察光学系统配置成相当于眼镜部G的框架G3的一部分，因此只会给人一种用户佩戴着通常的眼镜部 G的印象，或者顶多给人一种佩戴了略大一些的眼镜部G的印象。其结果能减轻对用户以及身边的人带来一种观感不良的印象的情况。还优选图像显示元件2配置于眼镜部G的镜腿G3的端面，与观察光学系统1的取入图像的入射面相对。通过将图像显示元件2配置于眼镜部G的镜腿G3的端面，与观察光学系统1的取入图像的入射面相对，从而将图像显示元件2配置于眼镜部G的内部，与作为观察光学系统 1的棱镜1的入射面相对，从而能够在棱镜1与眼镜部G—体化的状态下观察图像。其结果能进一步获得对于用户而言不存在不适感的图像显示装置P。图1是表示本实施方式的眼镜型图像显示装置P的立体图，图2是眼镜型图像显示装置的主视图。图像显示装置P的眼镜部G具有戴在观察者耳朵上的镜腿G1、镜片G2、支撑镜片 G2并以可折叠的方式与镜腿Gl连接的框架G3。框架G3具有收纳棱镜1的移动部G4。移动部G4配置有棱镜1，在不使用图像显示装置P时，如图2 (a)所示，作为通常的眼镜镜框G3 支撑镜片G2，在使用图像显示装置P时，如图2 (b)所示，使棱镜1移动到镜片G2的前方，显示图像。在本实施方式中，移动部G4通过未图示的轴部件被支撑于框架G3，构成为能相对于该轴转动。图3是表示使用棱镜1的图像显示装置P的基本构成的图。本实施方式的图像显示装置P的目的在于，提供一种通过使用棱镜1和图像显示元件2，从而能形成为小型轻量且成本低廉，而且对佩戴的人而言客观上不适感较少的图像显示装置P。本实施方式的图像显示装置P使用液晶显示元件作为图像显示元件2。使用液晶显示元件的情况下，需要作为光源的背照灯BL。本实施方式中，在背照灯BL与图像显示元件2之间具有照明透镜L。本实施方式的图像显示装置P通过这种构成，凭借具备正屈光力的棱镜1使从图像显示元件2射出的图像光向眼球方向弯曲，并且能使得观察者作为虚像来观察图像。另外，使射出部附近以成为作为开口光圈的出射光瞳S的方式发挥作用，从而即使棱镜本身较薄较细也能观察影像。进而，当图像显示元件2为液晶显示元件的情况下，需要背照灯BL，而考虑到照明效率，优选将光源的像配置于射出窗口附近。还优选将反射部配置于眼球正面方向的略靠外侧。由此显示画面和反射部就不会妨碍视场的正面。另外，能够缩短光路，使得棱镜光学系统进一步紧凑化。图4是使用棱镜的图像显示装置的侧视图，图5是使用棱镜的图像显示装置的侧视图。如图4所示，若将棱镜1的与观察者光瞳E相对的部分在垂直方向的宽度设定为小于人类平均光瞳直径即4mm时，则能从棱镜1的上下在观察者的光瞳E观看到棱镜1后方的风景，能获得透视效果。另外，如图5所示，若使棱镜1的与观察者光瞳E相对的部分在垂直方向的宽度大于等于4mm，则能通过较长的纵向宽度，对于上下方向的偏差扩大允许范围。图6是表示使用棱镜光学系统1的眼镜型图像显示装置P的图。关于本实施方式的图像显示装置P，提出的是能够在不遮挡外部视场的情况下同时观察外部视场和电子图像(透视功能)，而且能实现小型轻量和低成本化的眼镜型图像显示装置。
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如图6所示，棱镜1能安装于眼镜部G。从朝向正面方向的图像显示元件2射出的图像光通过棱镜1而朝光瞳E射出。棱镜1具有正屈光力，能放大图像显示元件2的图像， 佩戴者能将其作为虚像观察。另外，使图像显示元件2在大致沿着镜腿Gl的方向(箭头T 方向)上前后移动，从而能按照观察者的视力程度进行调整。由从图像显示元件2的中心射出的轴上主光线B与从棱镜1射出且到达观察者光瞳中心的轴上主光线A构成的角度优选为0° 40°。另外，图像显示元件2配置于眼镜部G的镜腿Gl的端面，与棱镜1的取入图像的入射面相对。下面根据实施例说明本实施方式的图像显示装置P。棱镜1的构成参数将在后面叙述，而例如图7、图12、图17和图22所示，参数是基于逆光追踪的结果的，其中，将观察者观察的位置作为观察光学系统1的逆光追踪的物体面，通过物体面的光线经过观察光学系统1的棱镜1而朝向图像显示元件2。如图7、图12、图17和图22所示，坐标系为如下的坐标系将物体面与从物体面朝向棱镜1的轴上主光线A的交点0作为偏心光学系统的偏心光学面的原点0，将从原点0 朝向棱镜1侧的中心主光线A的方向作为Z轴正方向，将从原点0在图像显示元件2侧与 Z轴正交的方向作为Y轴正方向，将图1和图10的纸面内作为Y-Z平面。而且将与Y轴、Z 轴构成右手正交坐标系的轴作为X轴正方向。对偏心面赋予定义该面的坐标系的从上述光学系统的原点的中心起的偏心量(X 轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别设为X、Y、Z)、对分别以由光学系统的原点定义的坐标系的 X轴、Y轴、Z轴为中心的各面进行定义的坐标系的倾角(分别为α、β、))。这种情况下，α和β的正表示相对于各轴的正方向的逆时针旋转，Y的正表示相对于Z轴的正方向的顺时针旋转。并且，面的中心轴的α、β、Y旋转方式是，使定义各面的坐标系首先围绕由光学系统的原点定义的坐标系的X轴逆时针旋转α，然后绕着上述旋转后的新的坐标系的Y轴逆时针旋转β，接着绕着上述旋转后的又一个新的坐标系的Z轴顺时针旋转Y。另外，在构成各实施例的观察光学系统1的光学作用面中，在特定的面和与其连续的面构成共轴光学系统的情况下被赋予面间隔，此外按照惯用法赋予了面的曲率半径、 介质的折射率、阿贝(abbe)数。另外，在后述的构成参数中没有记载数据的系数项为零。折射率、阿贝数标记的是相对于d线(波长587.56nm)的数值。长度单位为mm。如上所述，各面的偏心是通过从基准面的偏心量表现的。另外，在本发明涉及的实施方式中使用的自由曲面的面形状是通过下式(a)定义的。并且，该定义式的Z轴是自由曲面的轴。Z — C ]· ,/k ) [ 1{卜. ！ f K ) ( r /i : Lj其中，式(a)的第1项是球面项，第2项是自由曲面项。球面项中，R为顶点的曲率半径，k为圆锥系数，Γ -Vi 〔 X — ” Yi )
O自由曲面项为，
权利要求
1.一种图像显示装置，其具有显示图像的图像显示元件；以及将上述图像投影到观察者眼球的观察光学系统，其特征在于，观察光学系统是作为眼镜一部分的棱镜，上述棱镜由至少2个面构成，包含至少2个旋转非对称面，从上述图像显示元件射出的光在上述棱镜内反射奇数次后被引导至观察者眼球。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述至少2个旋转非对称面中的第1面是配置于观察时接近观察者的位置上的面，第2面是配置于观察时位于观察者外侧的位置上的面。
3.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，配置于观察时位于观察者外侧的上述第2面是在Y-Z面内具有正屈光力的面。
4.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统向观察者眼球的出射面的形状沿着眼镜的镜片的底面形状。
5.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，在上述观察光学系统中，来自图像显示元件的光在棱镜内部反射了 5次之后，从棱镜射出并到达观察者眼球。
6.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统是由至少2个光学面构成的棱镜。
7.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统是由至少3个光学面构成的棱镜。
8.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统是由至少4个光学面构成的棱镜。
9.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统在棱镜内部形成1次像，将该1次像投影到观察者眼球。
10.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统的出射光瞳形成于棱镜的出射面附近或出射面与观察者眼球之间。
11.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述观察光学系统配置成相当于眼镜的镜框的一部分。
12.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，上述图像显示元件配置于眼镜的镜腿的端面，与观察光学系统的取入图像的入射面相对。
全文摘要
本发明提供一种能够通过非常小且轻的、形状自由度较高的1个光学元件将图像显示元件的图像作为虚像投影到观察者眼球的棱镜光学系统。作为解决手段，该棱镜光学系统至少使用2面具备光学作用的光学面，其特征在于，2个光学面中的至少2个面是旋转非对称面，射入或射出光的2个面中的1个面具有1次透射作用和2次内部反射作用。
文档编号G02B27/01GK102346304SQ201110212130
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者高桥浩一 申请人:奥林巴斯株式会社