虚像显示装置制造方法

虚像显示装置制造方法
【专利摘要】本发明提供以简单的结构实现轻质化并提高对图像显示用的装置部分的支撑强度的虚像显示装置。限制部（107）限制相对于框部（102）部分固定的光学部件（101a）的移位，所以能够防止对光学部件施加过度的应力、防止光学部件变形。也就是，通过辅助性地使用限制部（107）而能够提高对光学部件的支撑强度。光学部件相对于框部部分固定，减少紧固连接部及构件个数容易小型化并容易使虚像显示装置（100）轻质化。而且，光学部件相对于框部部分固定，所以即使在光学部件与框部之间热膨胀率存在差异，也容许光学部件相对于框部膨胀等，能够更加可靠地防止光学部件产生应变、变形、破损。
【专利说明】虚像显示装置【技术领域】
[0001]本发明涉及将影像作为虚像提供给观察者的虚像显示装置，尤其涉及适用于在观察者的头部佩戴的头戴式显示器的虚像显示装置。
【背景技术】
[0002]作为在佩戴于观察者头部的头戴式显示器(下面也称为HMD)等虚像显示装置中所组装的光学系统，提出了各种各样的方案(例如参照专利文献1、2等)。
[0003]对于HMD等虚像显示装置，期待使其向小型化及轻质化发展以及不使像质降低地实现广视角化。另外，如果将观察者的视野全部覆盖、成为仅能看到影像光的状态，则观察者无法对外界的状态作出判断会感到不安。反倒是通过使人们重叠观看外界和影像，产生了虚拟现实这样的新用途。因此，期待不妨碍外界的视野地重叠显示影像光的显示器。进一步，为了提高观察者的佩戴感并改善外观的形态，一般说来期待其接近眼镜的形态。
[0004]考虑到上面的状况，可以考虑:例如通过在观察者的眼前以透视方式配置的导光部构成虚像显示装置，经由该透视型导光部将来自图像显示元件的影像光导入观察者的眼睛。在这种虚像显示装置中，必须将导光部支撑在眼前，例如将分别包括图像光产生装置和导光板的一对图像显示部固定到接合部件，并将该接合部件固定到类似于眼镜框架的框架的背后(参照专利文献I)。
[0005]但是，在专利文献I等所记载的虚像显示装置中，与框架独立地设置接合部件以对图像显示部进行支撑，所以结构复杂化，如果提高接合部件对图像显示部的支撑强度则重量会增加，如果使接合部件等轻质化则对图像显示部的支撑强度容易降低。
[0006]【专利文献1】日本特开2011- 2753号公报
[0007]【专利文献2】日本特开2010- 145859号公报。

【发明内容】

[0008]本发明是鉴于上述【背景技术】而完成的，其目的在于提供能够以简单的结构实现轻质化、同时提高对图像显示用的装置部分的支撑强度的虚像显示装置。
[0009]为了实现上述目的，本发明涉及的虚像显示装置，具备:影像元件；光学部件，其使来自影像元件的光朝向观察者的眼睛使图像被观看；和框部，其以使得光学部件配置在观察者眼前的方式对影像元件和光学部件进行支撑，框部具有以机械方式限制相对于该框部部分固定的光学部件的移位的限制部。
[0010]在上述虚像显示装置中，限制部对相对于框部部分固定的光学部件的移位进行限制，所以能够防止对光学部件施加过度的应力、光学部件变形的情况。也就是，通过辅助性地使用限制部能够提高对光学部件的支撑强度。此外，光学部件相对于框部部分固定，紧固连接部及构件个数减 少而容易进行小型化并且容易使虚像显示装置轻质化。而且，光学部件相对于框部部分固定，所以即使在光学部件与框部之间存在热膨胀率之差，也容许光学部件相对于框部膨胀等，能够更加可靠地防止光学部件产生应变、变形、破损。[0011]在本发明的具体方面，在上述虚像显示装置中，限制部通过与光学部件相邻地配置在移位目的地而阻止光学部件的移位。该情况下，限制部占据光学部件的相邻空间而限制光学部件的移位。
[0012]在本发明的其他方面，光学部件具有长圆状的轮廓，限制部具有凸条部，该凸条部容许光学部件沿长度方向的移位并限制光学部件沿与其所延伸的面相垂直的方向的移位。这里，所谓长圆状的轮廓包括使椭圆和/或圆按直线移动后的轨迹那样的图形等。该情况下，容许光学部件的与长度方向相关的膨胀和/或伸缩，且抑制光学部件发生挠曲和/或应变。
[0013]在本发明的其他方面，框部用金属材料形成，光学部件用树脂材料形成。该情况下，关于框部，能够将其形成为高精度且高刚性，能够提高影像元件和光学部件的组装的可靠性。另外，关于光学部件，能够使其轻量并提高其形状的自由度。
[0014]在本发明的另外的方面，限制部有弹性地抵接于光学部件。该情况下，能够通过限制部防止光学部件损伤。
[0015]在本发明的另外的方面，光学部件具有接合止动于限制部的接合止动部。这里，所谓接合止动于限制部指的是，接合在限制部上以机械方式被止动，不限于凹凸的嵌合，广泛地包括通过止动部件实现的连接、设置移动阻止用的I个以上的突起、关于特定方向对移动进行限制的引导件等各种各样的方式。该情况下，与直接将本体接合止动的情况相比较，由限制部进行的光学部件的移位限制比较可靠，也能够抑制使光学部件的光学性能劣化那样的影响。
[0016]在本发明的另外的方面，接合止动部利用凹部与凸部的接合而接合止动于限制部。这里，所谓凹部与凸部的接合不限于凹部与凸部紧密附着的嵌合，也包括凹部与凸部彼此离开但限制一定限度以上的移动的情况。
[0017]在本发明的另外的方面，接合止动部具有沿光学部件的周围部分按直线状延伸的肋状物，限制部具有以由一对凸条部夹着的方式设置、收纳肋状物的槽。该情况下，能够通过限制部将光学部件的周围部分在比较广的范围内接合止动，能够更加可靠地进行光学部件的移位限制。
[0018]在本发明的另外的方面，限制部还具有在肋状物与凹部的间隙所配置的弹性部件。该情况下，能够通过间隙而使其具有游隙并通过作为缓冲件的弹性部件来保护光学部件。
[0019]在本发明的另外的方面，框部具有固定部，该固定部通过连接于光学部件的一部分而将光学部件相对于框部固定。该情况下，光学部件经由安装部连接于固定部而固定于框部。
[0020]在本发明的另外的方面，固定部和限制部彼此离开地配置。该情况下，能够抑制对固定部等施加过度的应力载荷。
[0021]在本发明的另外的方面，框部具有:具有固定部的框架；和固定于框架并且保护光学部件的周围部分的至少一部分的保护件。该情况下，能够通过框架和保护件以包围光学部件的周围的方式进行保护，在使虚像显示装置下落那样的情况下能够提高对来自随机方向的强撞击的耐久性。
[0022]在本发明的另外的方面，限制部设置在沿着框架的中央侧，将光学部件相对于框部固定的固定部设置在框架的侧方。
[0023]在本发明的另外的方面，光学部件具有棱镜状的导光部，该导光部使来自影像元件即影像显示元件的影像的光在内部反射并将其导向观察者的眼睛。该情况下，在导光部内形成中间像而观察影像，能够避免影像显示元件等大型化并提高影像显示元件等的配置自由度。
[0024]在本发明的另外的方面，导光部具有:对影像的光进行导光并且能透视外界的光的棱镜；和与该棱镜连接、对外界的光的透视功能进行补充的光透射部件。该情况下，能够使导光部为类似于眼镜的透镜部的形状，所以能够使视野良好且也能够提高外观的自由度。
[0025]在本发明的另外的方面，影像元件射出按二维方式被扫描的信号光，光学部件使来自影像显示元件的光反射而将其导向观察者的眼睛。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1是对本发明的第I实施方式即虚像显示装置的外观进行说明的立体图。
[0027]图2 (A)是示出虚像显示装置整体的立体图，图2 (B)是示出从虚像显示装置去除了外装部件和/或保护件后的内部结构的立体图。 [0028]图3是为了对虚像显示装置中的第I显示装置的结构进行说明而示出去除了外装部件等后的状态的立体图。
[0029]图4 (A)及(B)是对在第I显示装置中所组装的导光部或光学部件的外观进行说明的立体图。
[0030]图5 (A)及(B)是对虚像显示装置中的棱镜及投影透镜向框架固定的固定方法进行说明的分解立体图。
[0031]图6 (A)是对限制部进行说明的部分放大立体图，图6 (B)是对限制部进行说明的部分放大剖视图，图6 (C)是图6 (B)示出的限制部的AA向视剖视图。
[0032]图7 (A)及(B)是与图6的(A)及(B)相对应的图，是对限制部的变形例进行说明的图。
[0033]图8是构成虚像显示装置的第I显示装置的与上下方向相关的对称面的剖视图。
[0034]图9 (A)是对本发明的第2实施方式即虚像显示装置进行说明的主视图，图9 (B)是对虚像显示装置中的第I显示装置的结构进行说明的俯视图。
[0035]图10是对变形例的虚像显示装置进行说明的图。
[0036]附图标记说明
[0037]A0...周围部分，AX1-AX5...光轴，AXO…出射侧光轴，
[0038]EY...眼睛，GL…影像光，01...像面，RM…光反射膜，
[0039]S11-S16…第1-第6面，S51-S53…第1-第3透射面，
[0040]SL…照明光，10…棱镜，IOg…安装部，
[0041]11…第I棱镜部分，12…第2棱镜部分，12j…前端部，
[0042]15…半透射半反射镜层，20...导光部，30…投影透镜，
[0043]39…镜筒，39a…接合止动部件，39g...安装部，
[0044]50…光透射部件，61e…固定部，61f…固定部，[0045]61x…凸起孔，65a、65b…侧方端部，68e…定位面，
[0046]70...投影透视装置，80...图像显示装置，81...照明装置，
[0047]82…影像显示元件，84…驱动控制部，
[0048]100…虚像显示装置，100A…第I显示装置，
[0049]100B…第2显示装置，IOla…第I光学部件，
[0050]IOlb…第2光学部件，102...框部，107...框架，
[0051]107a …正面部，107b、107c...侧面部，
[0052]107η…限制部，104…镜腿部分，
[0053]105a…第I像形成本体部，105b…第2像形成本体部，
[0054]105d…外装部件，105i…凹部，108…保护件，
[0055]108a…鼻托部件，108g…中央部，108i…前端部
【具体实施方式】
[0056]第I实施方式
[0057]下面一边参照图1等一边就本发明涉及的虚像显示装置的第I实施方式详细地进行说明。
[0058]如图1所示，本实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴式显示器，其对于佩戴该虚像显示装置100的观察者或使用者使其能够观看虚像的图像光，并且能够以透视方式使观察者观看或观察到外界像。虚像显示装置100具备:以能够透视的方式覆盖观察者眼前的第I及第2光学部件IOlaUOlb ;对两个光学部件IOlaUOlb进行支撑的框部102 ;和在从框部102的左右两端到后方的镜腿部分(镜腿)104的部分所附加的第I及第2像形成本体部105a、105b。这里，组合在图面上左侧的第I光学部件IOla和第I像形成本体部105a而成的第I显示装置100A是形成右眼用的虚像的部分，即使单独也作为虚像显示装置发挥功能。另外，组合在图面上右侧的第2光学部件IOlb和第2像形成本体部105b而成的第2显示装置100B，是形成左眼用的虚像的部分，即使单独也作为虚像显示装置发挥功能。
[0059]图2是将虚像显示装置100的外观与内部进行对比的图，图2 (A)示出虚像显示装置100整体，图2 (B)示出虚像显示装置100的内部结构。此外，图3是与图2 (B)的左半部分相对应并部分放大虚像显示装置100的第I显示装置100A侧的立体图。
[0060] 如图所示，在虚像显示装置100中所设置的框部102具备在上侧配置的框架107和在下侧配置的保护件108。框部102中的上侧的框架107是弯曲成U状的细长板状的部件，并具有沿左右的横向(X方向)延伸的正面部107a和沿前后的进深方向(Z方向)延伸的一对侧面部107b、107c。框架107即正面部107a和侧面部107b、107c是用铝压铸件和其他各种金属材料形成的金属制的一体部件。正面部107a在进深方向(Z方向)上的宽度,和与第I及第2光学部件IOlaUOlb相对应的导光部20的厚度或宽度相比足够厚。在框架107的左侧方、具体而言是从正面部107a的左端部到侧面部107b的部分即侧方端部65a，第I光学部件IOla和第I像形成本体部105a被校准并通过螺纹件止动而被直接固定，由此被支撑。另外，在框架107的右侧方、具体而言是从正面部107a的右端部到侧面部107c的部分即侧方端部65b，第2光学部件IOlb和第2像形成本体部105b被校准并通过螺纹件止动而被直接固定，由此被支撑。此外,第I光学部件IOla和第I像形成本体部105a通过嵌合而相互被校准，第2光学部件IOlb和第2像形成本体部105b通过嵌合而相互被校准。
[0061]保护件108为下边缘(under rim)状的部件并固定于框架107。保护件108的中央部108g通过嵌合及螺纹件止动而固定于框架107的中央部107g。保护件108是折弯成2段曲柄状的细长板状的部件，是用金属材料或树脂材料形成的一体构件。保护件108在进深方向(Z方向)上的宽度为导光部20的厚度或宽度左右。保护件108的第I前端部108i通过嵌合而相对于第I像形成本体部105a固定,保护件108的第2前端部108j通过嵌合而相对于第2像形成本体部105b固定。更加具体而言，保护件108的第I前端部108i在嵌合于在覆盖第I像形成本体部105a的盖状的外装部件105d中的外部件105e所设置的凹部105i的状态下被固定。另外，保护件108的第2前端部108j在嵌合于在覆盖第2像形成本体部105b的盖状的外装部件105d中的外部件105e所设置的凹部105j的状态下被固定。
[0062]框架107不仅支撑第I及第2像形成本体部105a、105b，还具有与外装部件105d联动来保护第I及第2像形成本体部105a、105b的内部的作用。保护件108具有对与第I及第2像形成本体部105a、105b连接的第I及第2光学部件IOlaUOlb或导光部20的侧边部和/或下边部进行保护的作用。具体而言，保护件108的纵部分63a保护导光部20的周围部分AO中接近鼻子的内侧的侧边部免受在使用环境下存在的周围的各种物体损伤，保护件108的横部分63b保护导光部20的周围部分AO中的下侧的下边部免受在使用环境下存在的周围的各种物体损伤。也就是，只要框架107和/或保护件108具有足够的强度，则即使虚像显示装置100与周围的其他物体碰撞等，也能够降低在第I及第2像形成本体部105a、105b和/或第I及第2光学部件101a、IOlb特别是在露出的导光部20中产生损伤和/或位置偏离的可能性。
[0063]在保护件108的接近中央部108g的一对纵部分63a分别形成有衬垫状的鼻托部件108a。保护件108的纵部分63a和/或横部分63b，与除了连接于第I及第2像形成本体部105a、105b的基部侧之外的导光部20的长圆状的周围部分AO离开或松缓地相接。此夕卜，导光部20的周围部分AO也与框架107的正面部107a离开或松缓地相接。这样，第I及第2光学部件IOlaUOlb或导光部20，在除了基部侧外的呈C状的周围部分AO接近框架107及保护件108，但是并没有固定于框架107及保护件108。因此，即使在中央的导光部20与包括框架107及保护件108的框部102之间存在热膨胀率的差，也容许框部102内的导光部20的膨胀、能够防止导光部20产生应变、变形、破损。
[0064]如图3所示，第I显示装置100A，如果改变观察方法则具备投影用的光学系统即投影透视装置70和形成影像光的图像显示装置80。投影透视装置70具有将由第I像形成本体部105a形成的图像作为虚像投影到观察者的眼睛的作用。投影透视装置70具备导光及透视用的棱镜10、透视用的光透射部件50和成像用的投影透镜30。
[0065]如图4所不,棱镜10和光透射部件50彼此固定而构成一体的导光部20。导光部20是一边在内部使影像的光反射一边将其导向观察者的眼睛的棱镜状部件。导光部20中的由周围部分AO包围的本体部分具有长圆状的轮廓。这里，光透射部件50以与棱镜10的前端侧即出射侧或光出射侧的第I棱镜部分11连接的方式配置于其延长方向，通过利用了粘接剂的接合固定于第I棱镜部分11。投影透视装置70中的组合棱镜10及光透射部件50而成的导光部20与图1中的第I光学部件IOla相当，投影透视装置70的投影透镜30和形成显示用的图像图形的图像显示装置80与图1中的第I像形成本体部105a相当。在导光部(光学部件)20的周围部分AO中的与框架107接近的上边侧形成有第I肋状物10η，在与保护件108接近的下边侧形成有第2肋状物10ο。上边侧的第I肋状物IOn具有多个肋状物部分(凸部)IOp和多个幅度扩展部(凸部)IOq交替连接的结构，作为整体沿着导光部20边缘以直线状细长地延伸。其中，前者的肋状物部分(凸部)10p附随第I棱镜部分11及光透射部件50而设置，能够进行这些部件的校准等。后者的幅度扩展部IOq是与用于对第I棱镜部分11及光透射部件50进行注射模塑成形的模具的浇口相当的部分。关于幅度扩展部10q，不限于浇口，也能够为相对于第I棱镜部分11及光透射部件50作为特别的形状而转印、成形的部分。第I肋状物10η，详细情况后述，其是供在框架107所设置的限制部107η接合止动的接合止动部，由于该第I肋状物(接合止动部)IOn的存在，限制了导光部20沿进深方向(Ζ方向)的移位。
[0066]参照图5 (A)及5 (B)等，就向第I显示装置100Α的框架107的组装进行说明。构成第I像形成本体部105a的投影透镜30利用以埋入其镜筒39的方式形成的安装部39g直接固定于在框架107的侧方端部65a所设置的第I固定部61f。在进行这样的固定时，第I固定部61f的背面68f与安装部39g的上端面39f等抵接而实现校准，经由螺纹孔61s将螺纹件61t拧入安装部39g中从而能够实现可装拆且可靠的固定。此时，在镜筒39所设置的凸起39x嵌合于框架107的凸起孔61x而限制镜筒39转动，也进行了与转动相关的定位。另一方面，第I光学部件IOla即导光部20利用在其颈部形成的突起状的安装部IOg而直接固定于在框架107的侧方端部65a所设置的第2固定部61e。安装部IOg在导光部20的入射侧或光入射侧的部分、具体而言在第I棱镜部分11与第2棱镜部分12的边界周边，以向周围扩展的方式竖立设置。在进行这样的固定时，在第2固定部61e的前侧部分所设置的定位面68e与安装部IOg的背面IOk抵接而实现了校准，经由螺纹孔61u将螺纹件61v拧入螺纹孔IOu中从而能够实现可装拆且可靠的固定。此外，图5等所示的图像显示装置80以嵌入的方式固定于投影透镜30的镜筒39的后端。
[0067]导光部20，通过棱镜10的第2棱镜部分12侧的前端部12 j嵌合于在投影透镜30的镜筒39的前端侧所设置并开口的矩形框状的接合止动部件39a，从而以相对于投影透镜30定位了的状态接合止动。也就是，在将设置于导光部20的棱镜10固定于框架107的第2固定部61e时，将第2棱镜部分12侧的前端部12j以嵌合的方式插入镜筒39的接合止动部件39a内。此时，前端部12 j的侧面12m与接合止动部件39a的内面39m抵接而实现校准。
[0068]如图5 (B)所示，在框架107的正面部107a的下侧的面107m，在从第2固定部61e适度离开的中央侧作为阻挡件设置有槽状的限制部107η。限制部107η具有沿着框架107的正面部107a延伸的一对相对的凸条部107r，并具有以由两条凸条部107r夹着的方式设置并沿正面部107a延伸的槽107s。槽107s具有多个槽部分(凹部)107p与多个幅度扩展部(凹部)107q交替连接的结构。在第I光学部件IOla或导光部20的组装后，在导光部20的上端部所设置的突起状的肋状物IOn以具有些许间隙的间隙配合状态插入限制部107η中。由此，肋状物(接合止动部)IOn由槽107s收纳，利用凹部及凸部的接合而接合止动于限制部107η，该限制部107η包括夹着槽107s的一对凸条部107r。此时，如图6(A)及6 (C)所示，肋状物IOn的各肋状物部分IOp插入限制部107η的各槽部分107ρ中，肋状物IOn的各幅度扩展部IOq插入限制部107η的各幅度扩展部107q中。另外，如图6 (B)及6 (C)所示，在限制部107η的槽部分(凹部)107ρ与肋状物IOn的肋状物部分(凸部)IOp之间存在足够的间隙GA。在限制部107η的幅度扩展部107q与肋状物IOn的幅度扩展部IOq之间也存在足够的间隙GA。其结果，能够关于框架107的进深方向EF (与导光部20的延伸面垂直的方向，与图2 (B)所示的Z方向相当)，限制第I光学部件IOla或导光部20的前端侧的移位。也就是，虽然导光部(光学部件)20的前端某种程度地移位，但也能够防止对导光部20施加过度的应力、导光部20变形到无法恢复的程度的情况。另一方面，导光部20的肋状物IOn和框架107的限制部107η沿左右的横向GH (X方向)延伸，在肋状物IOn与限制部107η的槽107s的内壁之间沿进深方向EF及横向GH存在间隙GA，所以确保了导光部20相对于框架107处于非固定状态。如上所述，由限制部107η实现的肋状物IOn的接合仅限于左右的横向GH (X方向)，由限制部107η实现的肋状物IOn的接合止动也仅限于左右的横向GH (X方向)。此外，导光部20与保护件108稍稍离开，与保护件108的关系也是非固定状态。由此，即使在导光部20与框架107之间存在热膨胀率的差异，也容许导光部20相对于框架107膨胀等。
[0069]图7 (A)及7 (B)示出图6 (B)及6 (C)等所示的限制部107η的变形例。限制部107η具有橡胶以及其他弹性体、硅酮树脂等弹性部件ΕΒ。弹性部件EB填充在限制部107η的槽107s与肋状物IOn的间隙GA的、且与肋状物IOn相对应的部位。由此，导光部(光学部件)20的前端几乎没有移位。另一方面，限制部107η与肋状物IOn没有完全地固定而是弹性抵接。也就是，限制部107η与肋状物IOn只是通过弹性部件EB而弹性连接，容许导光部20相对于框架107膨胀、伸缩等。
[0070]通过以上为止的步骤，能够得到框架107与投影透视装置70的组装件(参照图2(B))。
[0071]一边参照图2 (A)及2 (B)等一边就向框架107组装外装部件105d进行说明。首先，将外装部件105d中的外部件105e固定于框架107及投影透视装置70的组装件。外部件105e通过与框架107和/或投影透镜30的嵌合、相对于投影透镜30的安装部39g的螺纹件紧固连接等而固定。此时，使已经固定于框架107的保护件108的前端部1081、108j嵌入在外部件105e所形成的凹部1051、105j而固定。接着，使内部件105f嵌合于外部件105e并通过螺纹件止动将其固定于外部件105e。由此，在由内部件105f和外部件105e夹着的空间内收置:构成第I像形成本体部105a的投影透镜30、第I像形成本体部105a等和投影透视装置70、框架107的侧面部107b、107c。
[0072]回到图2 (A)等，镜腿部分104固定于孔107t，该孔107t形成于在框架107所设置的一对侧面部107b、107c的前端。镜腿部分104与侧面部107b、107c的连接部能够为具有铰链结构的连接部，该情况下，镜腿部分104可折叠。
[0073]此外，图1所示的第2显示装置100B具有与第I显示装置100A相同的结构，仅使第I显示装置100A左右对称地翻转，所以省略对于第2显示装置100B的结构、功能、组装等的说明。
[0074]参照图8就投影透视装置70等的功能、工作等的详细情况进行说明。在投影透视装置70中，导光部20的一部分即棱镜10是俯视沿脸部地弯曲的圆弧状部件。在棱镜10中，第I棱镜部分11配置在接近鼻子的中央侧也就是光出射侧，作为具有光学功能的侧面有第I面SI 1、第2面S12和第3面S13，第2棱镜部分12在离开鼻子的周边侧也就是光入射侧配置，作为具有光学功能的侧面有第4面S14、第5面S15和第6面S16。其中，第I面Sll与第4面S14相邻，第3面S13与第5面S15相邻，在第I面Sll与第3面S13之间配置有第2面S12，在第4面S14与第5面S15之间配置有第6面S16。
[0075]在棱镜10中，第I面Sll是以与Z轴平行的出射侧光轴AXO为中心轴的自由曲面，第2面S12是以包含于与XZ面平行的基准面(图示的截面)且相对于Z轴倾斜的光轴AXl为中心轴的自由曲面，第3面S13是以出射侧光轴AXO为中心轴的自由曲面。第4面S14是以包含于与XZ面平行的上述基准面并相对于Z轴倾斜的一对光轴AX3、AX4的2等分线为中心轴的自由曲面，第5面S15是以包含于与XZ面平行的上述基准面且相对于Z轴倾斜的一对光轴AX4、AX5的2等分线为中心轴的自由曲面，第6面S16是以包含于与XZ面平行的上述基准面且相对于Z轴倾斜的光轴AX5为中心轴的自由曲面。此外，以上的第I?第6面Sll?S16具有下述形状:夹着沿水平(或横向)延伸并且与XZ面平行且光轴AXl?AX5等通过的基准面(图示的截面)，关于铅垂(或纵向)的Y轴方向对称。
[0076]棱镜10中的棱镜本体IOs用在可见区域显现高光透射性的树脂材料形成，例如通过在模具内注入热塑性树脂并使其固化来成形。此外，作为棱镜本体IOs的材料能够使用例如环烯烃聚合物等。棱镜本体IOs是一体形成品，但也可以考虑将棱镜10分成第I棱镜部分11和第2棱镜部分12。第I棱镜部分11能够进行影像光GL的导波及射出，并且能够进行外界光HL的透视。第2棱镜部分12能够进行影像光GL的入射及导波。
[0077]在第I棱镜部分11中，第I面Sll作为使影像光GL向第I棱镜部分11外射出的折射面发挥作用，并且作为以内面侧使影像光GL全反射的全反射面发挥作用。第I面Sll是配置在眼睛EY正面的面，相对于观察者呈凹面形状。此外，第I面Sll是通过在棱镜本体IOs的表面所施加的硬涂层27所形成的面。
[0078]第2面S12是棱镜本体IOs的表面，在该表面随附有半透射半反射镜层15。该半透射半反射镜层15是具有光透射性的反射膜(即半透射半反射膜)。半透射半反射镜层(半透射半反射膜)15不是在第2面S12的整体而是在使第2面S12主要关于沿Y轴的铅垂方向收窄了的部分区域PA上形成。半透射半反射镜层15通过在棱镜本体IOs的基底面中的部分区域PA上成膜金属反射膜和/或电介质多层膜而形成。半透射半反射镜层15相对于影像光GL的反射率，从使得基于透视对外界光HL的观察变得容易的观点出发，在所预想的影像光GL的入射角范围内设为10%以上且50%以下。具体实施例的半透射半反射镜层15对于影像光GL的反射率例如设定为20%，对于影像光GL的透射率例如设定为80%。
[0079]第3面S13作为在内面侧使影像光GL全反射的全反射面发挥作用。第3面S13是在眼睛EY正面配置的面，与第I面Sll同样地相对于观察者呈凹面形状，在通过第I面Sll和第3面S13观察外界光HL时，视度大致为O。此外，第3面S13是由在棱镜本体IOs的表面所施加的硬涂层27形成的面。
[0080]在第2棱镜部分12，第4面S14作为在内面侧使影像光GL全反射的全反射面发挥作用。此外，第4面S14是由在棱镜本体IOs的表面施加的硬涂层27形成的面。
[0081]在第2棱镜部分12中，第5面S15如上所述通过在棱镜本体IOs的表面上成膜用无机材料形成的光反射膜RM从而形成，并作为反射面发挥作用。[0082]第6面S16作为使影像光GL向第2棱镜部分12内入射的折射面发挥作用。此外，第6面S16是由在棱镜本体IOs的表面所施加的硬涂层27形成的面。
[0083]光透射部件50如上所述与棱镜10 —体固定而成为I个导光部20。光透射部件50是对棱镜10的透视功能进行辅助的部件(辅助棱镜)，作为具有光学功能的侧面具有第I透射面S51、第2透射面S52和第3透射面S53。这里，在第I透射面S51与第3透射面S53之间配置有第2透射面S52。第I透射面S51处于将棱镜10的第I面Sll延长而成的曲面上，第2透射面S52是通过粘接层CC相对于该第2面S12接合而一体化的曲面，第3透射面S53处于将棱镜10的第3面S13延长而成的曲面上。其中，第2透射面S52和棱镜10的第2面S12通过基于薄粘接层CC实现的接合而一体化，所以具有大致相同曲率的形状。
[0084]光透射部件(辅助棱镜)50在可见区域表现出高光透射性，光透射部件50的本体部分由具有与棱镜10的棱镜本体IOs大致相同的折射率的热塑性树脂材料形成。此外，光透射部件50是通过在将本体部分接合于棱镜10的棱镜本体IOs后、在接合了的状态下与棱镜本体IOs —并进行基于硬涂敷的成膜而形成的。也就是，光透射部件50与棱镜10同样，在本体部分的表面施加了硬涂层27。也就是，第I透射面S51和第3透射面S53是由在本体部分表面所施加的硬涂层27形成的面。
[0085]图像显示装置80具有:射出二维照明光SL的照明装置81 ;透射型空间光调制装置即影像显示元件82 ;和对照明装置81及影像显示元件82的工作进行控制的驱动控制部84。
[0086]图像显示装置80的照明装置81具有:发出包括红、绿、蓝这3色的光的光源81a ；和使来自光源81a的光扩散而成为矩形截面的光束的背光源导光部81b。影像显不兀件82是例如用液晶显示器件形成的影像元件，对来自照明装置81的照明光SL以空间方式进行调制而形成动态图像等的应该成为显示对象的图像光。驱动控制部84具有光源驱动电路84a和液晶驱动电路84b。光源驱动电路84a对照明装置81的光源81a供给电力使其射出稳定的辉度的照明光SL。液晶驱动电路84b通过相对于影像显示元件(影像元件)82输出图像信号或驱动信号，从而作为透射率图形形成成为动态图像和/或静止图像的来源的彩色影像光或图像光。此外，能够使液晶驱动电路84b具有图像处理功能，也能够使外带的控制电路具有图像处理功能。
[0087]下面，关于虚像显示装置100中的影像光GL等的光路进行说明。从影像显示元件(影像元件)82射出的影像光GL —边通过投影透镜30而会聚一边入射在棱镜10所设置的具有比较强的正折射力的第6面S16。
[0088]通过了棱镜10的第6面S16的影像光GL —边会聚一边行进，在经由第2棱镜部分12时，在具有比较弱的正折射力的第5面S15反射，在具有比较弱的负折射力的第4面S14反射。
[0089]由第2棱镜部分12的第4面S14反射了的影像光GL，在第I棱镜部分11处入射于具有比较弱的正折射力的第3面S13而全反射，并入射于具有比较弱的负折射力的第I面Sll而全反射。此外，影像光GL在通过第3面S13前后在棱镜10中形成中间像。该中间像的像面II是与影像显示元件82的像面OI相对应的面。
[0090]在第I面Sll全反射了的影像光GL入射到第2面S12，尤其是入射于半透射半反射镜层15的影像光GL部分透射该半透射半反射镜层15并且部分反射而再次入射第I面Sll并通过。此外，半透射半反射镜层15作为相对于在这里反射的影像光GL具有比较强的正折射力的部件发挥作用。另外，第I面Sll作为相对于在此通过的影像光GL具有负折射力的面发挥作用。
[0091]通过了第I面Sll的影像光GL作为大致平行光束入射于观察者的眼睛EY的瞳孔。也就是，观察者通过作为虚像的影像光GL对在影像显示元件(影像元件)82上形成的图像进行观察。
[0092]另一方面，外界光HL中的入射于比棱镜10的第2面S12靠一 X侧的外界光，通过第I棱镜部分11的第3面S13和第I面SI I，此时正负折射力抵消并且像差被校正。也就是，观察者透过棱镜10观察到失真少的外界像。同样地，外界光HL中的入射于比棱镜10的第2面S12靠+ X侧的外界光、也就是入射于光透射部件50的外界光，在通过在此处所设置的第3透射面S53和第I透射面S51时，正负的折射力抵消并且像差被校正。也就是，观察者透过光透射部件50观察到失真少的外界像。而且，外界光HL中的入射于与棱镜10的第2面S12相对应的光透射部件50的外界光，在通过第3透射面S53和第I面Sll时正负的折射力抵消并且像差被校正。也就是，观察者透过光透射部件50观察到失真少的外界像。此外，棱镜10的第2面S12和光透射部件50的第2透射面S52都具有大致相同的曲面形状、都具有大致相同的折射率、且两者之间的间隙用大致相同折射率的粘接层CC来填充。也就是，棱镜10的第2面S12和/或光透射部件50的第2透射面S52相对于外界光HL不作为折射面起作用。
[0093]但是，入射于半透射半反射镜层15的外界光HL，一部分透射该半透射半反射镜层15并且一部分在该半透射半反射镜层15反射，所以来自与半透射半反射镜层15相对应的方向的外界光HL相对于半透射半反射镜层15的透射率减弱。另一方面，影像光GL从与半透射半反射镜层15相对应的方向入射，所以观察者沿半透射半反射镜层15的方向观察到在影像显示元件(影像元件)82上所形成的图像和外界像。
[0094]在棱镜10内传播并入射于第2面S12的影像光GL中的没有在半透射半反射镜层15反射的光，入射于光透射部件50内，通过在光透射部件50所设置的未图示的反射防止部防止其返回棱镜10。也就是，防止了通过第2面S12的影像光GL返回光路上而成为杂散光的情况。另外，从光透射部件50侧入射而在半透射半反射镜层15反射了的外界光HL，返回光透射部件50，通过在光透射部件50所设置的上述未图示的反射防止部防止其射出到棱镜10。也就是，防止了在半透射半反射镜层15反射了的外界光HL返回光路上而成为杂散光的情况。
[0095]如根据以上说明可以明确的那样，根据第I实施方式的虚像显示装置100，限制部107η对相对于框部102部分固定的光学部件IOlaUOlb的移位进行限制，所以能够防止对光学部件101a、IOlb施加过度的应力、光学部件101a、IOlb变形的情况。也就是，通过辅助性地使用限制部107η从而能够提高对光学部件IOlaUOlb的支撑强度。此外，光学部件101a、IOlb相对于框部102部分固定，紧固连接部及构件个数减少而容易小型化并且容易使虚像显示装置100轻质化。而且，光学部件IOlaUOlb相对于框部102部分固定，所以即使在光学部件101a、IOlb与框部102之间存在热膨胀率的差异，也容许光学部件101a、IOlb相对于框部102膨胀等，能够更可靠地防止光学部件产生应变、变形、破损。
[0096]第2实施方式[0097]下面就第2实施方式的虚像显示装置进行说明。此外，本实施方式的虚像显示装置是第I实施方式的虚像显示装置100的变形例，在没有特别说明的情况下与图1等所示的虚像显示装置100相同。
[0098]下面参照图9 (A)及9 (B)就本实施方式的虚像显示装置200进行说明。如图所示，本实施方式的虚像显示装置200具备:以可透视方式覆盖观察者眼前的第I及第2光学部件201a、201b ;支撑两个光学部件201a、201b的框架107 ;在框架107的从左右两端到后方的部分固定的第I及第2驱动部205a、205b ;和射出按二维方式被扫描的信号光的第I及第2影像元件206a、206b。组合在图面上左侧的第I光学部件201a、第I驱动部205a和第I影像元件206a而成的第I显示装置100A是形成右眼用的虚像的部分，单独也作为虚像显示装置发挥作用。另外，组合在图面上右侧的第2光学部件201b、第2驱动部205b和第2影像元件206b而成的第2显示装置100B是形成左眼用的虚像的部分，仅使第I显示装置100A的左右翻转而得到，具有与第I显示装置100A相同的功能。
[0099]第I显示装置100A中，第I影像元件206a形成强度调制后的信号光并且将该信号光作为扫描光TL射出。第I光学部件201a是通过对来自第I影像兀件206a的扫描光TL进行反射从而形成图像光GL的被照射部件，具有将图像光GL导向眼睛EY的功能。第I驱动部205a具有本体部分280，该本体部分280包括经由未图示的光纤等对第I映像元件206a供给照明光的光源和对它们的工作进行控制的控制电路等。
[0100]第I影像元件206a组装于鼻托部件108a，并相对于框架107间接固定。第I影像元件206a具有:基于控制信号对来自本体部分280的照明光进行调制的信号光调制部281 ;和一边扫描经过了信号光调制部281的信号光一边使其射出的扫描光学系统282。这里，扫描光学系统282包括MEMS镜等，进行二维扫描:与信号光调制部281所进行的信号光的调制同步地改变姿势来对信号光的光路进行调整，从而使向第I光学部件201a的内面的光线的射出角度纵横变化。
[0101]第I光学部件201a配置为，在第I影像元件206a的前方或光射出方向上覆盖佩戴者眼睛EY的前方。第I光学部件201a具有:接受扫描光的照射的半透射膜即半透射反射膜285 ;和对半透射反射膜285进行支撑固定的支撑部件286。由此，不仅是虚像而且来自外界的光也进入佩戴者的眼睛EY中，虚像显示装置200为使得能够重叠地观察两方的透视结构。此外，半透射反射膜285也能够为半透射半反射镜，但也能够为全息元件或其他衍射型的光学兀件。
[0102]第I光学部件20Ia不是第I实施方式的第I光学部件10Ia那样的内部传播型的导光部，但是与第I实施方式的情况同样地具有覆盖眼前的薄椭圆形状，在外周的一部分即周围部分AO具有安装部IOg和肋状物10η。此外，框架107具有第2固定部61e和肋状物 IOn。
[0103]就第I光学部件201a向框架107的组装进行说明。第I光学部件201a利用在周围部分AO所形成的突起状的安装部IOg在处于框架107侧方的侧方端部65a所设置的第2固定部61e上直接固定，成为相对于第I影像元件206a等校准了的状态。在框架107作为阻挡件设置有槽状的限制部107η。在组装了第I光学部件201a后，在第I光学部件201a的上端部所设置的突起状的肋状物IOn以具有些许间隙的间隙配合状态插入限制部107η中。由此，能够关于框架107的进深方向限制第I光学部件201a的前端侧的移位。此外，第I光学部件201a中的除了安装部IOg外的部分稍稍从框架107及保护件108离开，与框架107及保护件108的关系为非固定状态。
[0104]下面就图像形成的工作进行说明。首先，第I影像元件206a中的信号光调制部281，形成与构成图像的像素的辉度相对应地对照明光进行调制所得的信号光并射出。从信号光调制部281射出的信号光入射于扫描部即扫描光学系统282。扫描光学系统282将信号光作为扫描光TL向第I光学部件201a射出。在第I光学部件201a中，通过使扫描光TL入射，从而通过作为这里的反射光的图像光GL形成虚像，观察者用眼睛EY捕捉到该虚像，从而识别图像。
[0105]以上按照实施方式对本发明作了说明，但是本发明不限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内按各种方式来实施，例如也能够进行下面这样的变形。
[0106]在上述第I实施方式中，框架107和投影透镜30分体地通过螺纹件止动将投影透镜30固定于框架107，但是也能够将投影透镜30的镜筒39与框架107 —体成形。作为将镜筒39与框架107 —体成形的方法,有基体上注塑成形(outsert molding)、压铸一体成形后的镜筒部切取等方法。
[0107]关于导光部20或投影透镜30，不限于通过螺纹件止动实现的紧固连接，也能够通过各种方法将它们固定于框架107。
[0108]在上述的说明中，限制部107η和/或肋状物IOn细长地延伸，但是也能够将它们缩短，而且也能够设置多组限制部107η和/或肋状物10η。另外，在肋状物IOn不需要幅度扩展部10q、省略了该幅度扩展部IOq的情况下，也能够在限制部107η的槽107s省略幅度扩展部107q。而且，限制部107η不限于槽107s那样的凹部，也能够为例如沿肋状物IOn相互不同地配置的突起或凸条。
[0109]在上述的说明中，在框架107设置有限制部107η，但是也可以取代这种做法或者在此基础上，在保护件108设置用于防止棱镜10变形、晃动等的限制部。在保护件108侧所形成的限制部通过例如间隙配合而对下侧的肋状物IOo进行接合止动。
[0110]在上述的说明中，在框架107安装有保护件108，但关于保护件108也可以将其省略。该情况下，也能够将图2 (B)等所示的框架107维持其原来的形状不变，将设置有鼻托部件108a的辅助部件连接于框架107的中央部107g，但是也能够预先准备一体地设置有辅助部件的框架107。该辅助部件也能够用作与保护件108的纵部分63a同样地保护导光部20的部件。此外，也能够一体地制作框架107和保护件108。
[0111]在上述第I实施方式中，在棱镜10的光入射侧配置了投影透镜30，但也能够省略投影透镜30而使棱镜10自身具有成像功能。另外，也能够取代投影透镜30而配置具有成像功能的其他棱镜10。
[0112]在上述第I实施方式中，在投影透镜30的镜筒39设置有将导光部20接合止动的接合止动部件39a，但是也能够在导光部20侧例如以夹着镜筒39的方式设置与镜筒39嵌合的接合止动部件。
[0113]在上述第I实施方式中，半透射半反射镜层(半透射反射膜)15形成为横长的矩形区域，但是半透射半反射镜层15的轮廓能够根据用途或其他使用方式而适当改变。另外，半透射半反射镜层15的透射率和/或反射率也能够根据用途或其他而改变。
[0114]在上述第I实施方式中，半透射半反射镜层15是单纯的半透射性膜(例如金属反射膜和/或电介质多层膜)，但是半透射半反射镜层15也能够置换为平面或曲面的全息元件。
[0115]在上述第I实施方式中，没有特别地对影像显示元件82中的显示辉度的分布进行调整，但是在由于位置而产生辉度差等情况下，也能够不均等地对显示辉度的分布进行调難
iF.0
[0116]在上述第I实施方式中，作为图像显示装置80使用了包括透射型的液晶显示器件等的影像显示元件82，但是作为图像显示装置80不限于包括透射型的液晶显示器件等的影像显示元件82，能够利用各种装置。例如，也能够是使用了反射型的液晶显示器件的结构，还能够取代包括液晶显示器件等的影像显示元件82而使用数字微镜器件等。另外，作为图像显示装置80，能够使用LED阵列和/或OLED (有机EL)等所代表的自发光型元件。
[0117]在上述第I实施方式中，使用了包括透射型的液晶显示器件等的图像显示装置80，但是也能够取代其而使用扫描型的图像显示装置。
[0118]具体而言，如图10所示，作为虚像显示装置的第I显示装置100A具备导光部20和图像显示装置380。导光部20与作为第I实施方式说明了的导光部相同，这里省略说明。另一方面，图像显示装置380与第2实施方式的第I影像元件206a相当，并具有信号光形成部381和扫描光学系统282。信号光形成部381也具备光源,形成并射出信号光LL。扫描光学系统282通过与信号光形成部381的调制一并使姿势改变而对光路进行调整，从而使应该成为影像光GL的扫描光TL入射于导光部20并且使其对第2面S12中形成半透射半反射镜层15的部分区域的整体进行扫描。如果对图示的第I显示装置100A的工作进行说明，则图像显示装置380中，从信号光形成部GG射出的信号光LL入射于扫描光学系统282。扫描光学系统282将信号光LL作为扫描光TL向导光部20射出。导光部20通过全反射等使扫描光TL在内部导光并使其到达半透射半反射镜层15。此时，扫描光TL在半透射半反射镜层15的面上扫描，由此通过作为扫描光TL的轨迹的图像光GL形成了虚像，佩戴者用眼睛EY捕捉到该虚像从而识别图像。此外，在图示的情况下，导光部20中的光入射面即第6面S16为相对于扫描光TL的光轴垂直的平面。另外，第5面S15及第4面S14也是平面。
[0119]在上述的说明中，就具备一对显示装置100AU00B的虚像显示装置100作了说明，但也能够为单一的显示装置。也就是，也可以不与右眼及左眼这两方相对应地分别各设置一组投影透视装置70及图像显示装置80、而仅相对于右眼和左眼中任一方设置投影透视装置70及图像显示装置80来单眼观察图像。该情况下，框架107和/或镜腿部分104如例如图1等所示那样仍为左右对称地配置的形状。
[0120]在上述的说明中，没有就一对显示装置100A、100B的X方向的间隔作说明，两显示装置100AU00B的间隔不限于固定的，也能通过机械机构等来调整间隔。也就是，如果在框架107设置伸缩机构等，则能够根据佩戴使用者的眼宽等来调整两显示装置100AU00B的X方向的间隔。
[0121]在上述第I实施方式中，在棱镜10的第I面Sll及第3面S13，不在表面上施加镜面和/或半透射半反射镜等而通过与空气的界面使影像光全反射地对其进行引导，但是关于本申请的发明的虚像显示装置100中的全反射，也包括在第I面Sll或第3面S13上的整体或一部分形成镜涂层和/或半透射半反射镜膜而实现的反射。也包括例如在影像光的入射角度满足全反射条件的基础上，在上述第I面Sll或第3面S13的整体或一部分实施镜涂敷等而实质上反射所有影像光的情况。另外，只要能够得到足够明亮的影像光，也可以通过多少具有一些透射性的镜对第I面Sll或第3面S13的整体或一部分进行覆盖。
[0122]在上述的说明中，棱镜10等沿眼睛EY并排的横向延伸，但是也能够将棱镜10配置为沿纵方向延伸。该情况下，棱镜10通过例如在上部实现的悬臂状态而被支撑。
【权利要求】
1.一种虚像显示装置，其中，具备: 影像元件； 光学部件，其使来自所述影像元件的光朝向观察者的眼睛、使图像被观看；和框部，其以使得所述光学部件配置在观察者眼前的方式，对所述影像元件和所述光学部件进行支撑， 所述框部具有:以机械方式限制相对于该框部部分固定的所述光学部件的移位的限制部。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中， 所述限制部通过与所述光学部件相邻地配置在移位目的地而阻止所述光学部件的移位。
3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中， 所述光学部件具有长圆状的轮廓，所述限制部具有凸条部，该凸条部容许所述光学部件沿长度方向的移位并限制所述光学部件沿与其所延伸的面相垂直的方向的移位。
4.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中， 所述框部用金属材料形成，所述光学部件用树脂材料形成。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述限制部弹性抵接于所述光学部件。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述光学部件具有接合止动于所述限制部的接合止动部。
7.根据权利要求6所述的虚像显示装置，其中， 所述接合止动部利用凹部与凸部的接合而接合止动于所述限制部。
8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其中， 所述接合止动部具有沿所述光学部件的周围部分按直线状延伸的肋状物，所述限制部具有以由一对凸条部夹着的方式设置的、收纳所述肋状物的槽。
9.根据权利要求8所述的虚像显示装置，其中， 所述限制部还具有:在所述肋状物与所述凹部的间隙所配置的弹性部件。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述框部具有固定部，该固定部通过连接于所述光学部件的一部分而将所述光学部件相对于所述框部固定。
11.根据权利要求10所述的虚像显示装置，其中， 所述固定部和所述限制部彼此离开而配置。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述框部具有:具有所述固定部的框架；和固定于所述框架并且保护所述光学部件的周围部分的至少一部分的保护件。
13.根据权利要求12所述的虚像显示装置，其中， 所述限制部设置在沿着所述框架的中央侧，将所述光学部件相对于所述框部固定的固定部设置在所述框架的侧方。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述光学部件具有棱镜状的导光部，该导光部使来自所述影像元件即影像显示元件的影像的光在内部反射并将其导向观察者的眼睛。
15.根据权利要求14所述的虚像显示装置，其中， 所述导光部具有:对影像的光进行导光并且能透视外界的光的棱镜；和连接于该棱镜且对外界的光的透视功能进行补充的光透射部件。
16.根据权利要求1到13中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述影像元件射出按二维方式被扫描的信号光，所述光学部件使来自所述影像显示元件的光反射而将其 导向观察者的眼睛。
【文档编号】G02B27/01GK103995353SQ201410055040
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2013年2月19日
【发明者】平出纪明 申请人:精工爱普生株式会社