头戴式显示器的制作方法
本发明涉及通过佩戴在头部而能够进行虚像观察的头戴式显示器。
背景技术：
在专利文献1中公开了如下的光学系统：利用会聚光学系统使来自像形成元件的光会聚，并且通过透过半反射镜而直线前进并入射到反射镜，使来自反射镜的光在半反射镜折返而入射到具有光焦度的反射面，再次在半反射镜中直线前进并经由目镜光学系统引导至观察者的眼睛。
但是，专利文献1的光学系统以将半反射镜相对于向眼睛的正面延伸的光轴的倾斜角设定成45°左右为前提，当要确保视场角时，半反射镜及其周边的与光轴方向有关的占有宽度增大，不容易实现光学系统的小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-46253号公报
技术实现要素：
本发明的一个方式的头戴式显示器具有：显示元件；投射光学部件，其使从显示元件射出的图像光向棱镜部件射出；棱镜部件，其入射从投射光学部件射出的图像光并向出射光瞳的位置射出；以及会聚反射面，其隔着棱镜部件配置在作为出射光瞳的相反侧的棱镜部件的外界侧，使从棱镜部件暂时射出的图像光的至少一部分返回到棱镜部件，棱镜部件具有供来自投射光学部件的图像光入射的第1棱镜和配置在比第1棱镜靠出射光瞳侧的第2棱镜，第1棱镜具有：供图像光入射的入射面；反射面，其使从入射面入射的图像光进行全反射；以及第1接合面，其经由使被反射面全反射后的图像光朝向反射面反射的半透过反射面与第2棱镜接合，第2棱镜具有：第2接合面，其经由半透过反射面与第1接合面接合；以及相对平面，其与反射面相对地平行配置且使被半透过反射面反射并经由会聚反射面透过半透过反射面后的图像光通过。
附图说明
图1a是说明实施方式的头戴式显示器的俯视图。
图1b是说明实施方式的头戴式显示器的侧剖视图。
图1c是说明实施方式的头戴式显示器的主视图。
图2是说明实施例1的头戴式显示器的侧方剖视图。
图3a是说明实施例2的头戴式显示器的侧方剖视图。
图3b是说明实施例2的头戴式显示器的从倾斜方向观察的剖视图。
图4a是说明实施例3的头戴式显示器的侧方剖视图。
图4b是说明实施例3的头戴式显示器的从倾斜方向观察的剖视图。
图5是说明第2实施方式的头戴式显示器的图。
标号说明
11：显示器件；12：投射光学部件；12a：投影透镜；12b：棱镜反射镜；12c：折曲反射镜；13：棱镜部件；13a：第1棱镜；13b：第2棱镜；13f：入射面；13g：反射面；13h：第1接合面；13i：第2接合面；13j：相对平面；14：会聚反射部件；14c：会聚反射面；31：半透过反射面；232：波长板；80：框架；100：头戴式显示器；100a、100b、100c：头戴式显示器；ax：光轴；ep：出射光瞳；ey：瞳孔；gl：图像光；ii：中间像；ol：外界光。
具体实施方式
〔第1实施方式〕
下面，参照附图对本发明的第1实施方式的头戴式显示器进行说明。
在图1a～1c中，x、y和z是正交坐标系，x方向对应于佩戴了头戴式显示器100的观察者us的双眼排列的横向，y方向相当于与观察者us的双眼排列的横向正交的上方向，z方向相当于观察者us的前方向或正面方向。另外，y方向相当于后述棱镜部件13延伸的方向，z方向相当于棱镜部件13的厚度方向，x方向成为与这两个方向正交的方向。
图示的头戴式显示器100使观察者us识别作为虚像的影像。头戴式显示器100具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13、会聚反射部件14。显示器件11和投射光学部件12收纳在框架80的壳体中，棱镜部件13和会聚反射部件14以露出的状态被框架80支承。另外，在附图中仅示出右眼用的头戴式显示器100，但是，能够组合具有相同构造或左右反转的相同构造的左眼用的虚像显示装置，在该情况下，能够成为整体具有例如眼镜或泳镜这样的外观的头戴式显示器100。能够省略右眼用或左眼用的虚像显示装置中的一方，在该情况下，成为单眼型的头戴式显示器。
显示器件11例如是以有机el、led阵列、有机led、量子点发光型无机el等为代表的自发光型的显示元件，在二维的显示面11a中形成彩色的静态图像或动态图像。显示器件11被未图示的驱动控制电路驱动而进行显示动作。显示器件11不限于自发光型的显示元件，也可以由lcd等其他光调制元件构成，通过光源对该光调制元件进行照明，由此形成图像。
投射光学部件12包含使从显示器件11的显示面11a射出的图像光gl入射并进行投射的投影透镜12a、光路折曲用的棱镜反射镜12b。投影透镜12a包含沿着与横向的x轴平行延伸的光轴ax配置的多个球面或非球面的要素透镜(未图示)。棱镜反射镜12b包含内表面反射型的折曲反射镜12c，将与横向的x轴大致平行的光路折曲成相对于y轴和z轴均倾斜的光路，更具体而言为朝向前方向斜下方倾斜的光路。棱镜反射镜12b能够置换为形成在板状部件的单面上的表面反射型的折曲反射镜12c。棱镜反射镜12b具有入射侧的第1面12f和射出侧的第2面12g，第1面12f和第2面12g整体在与光轴ax大致正交的方向上延伸，并且在相互大致正交的方向上延伸。第1面12f和第2面12g不限于平面，也可以是具有光焦度的球面、非球面等，还可以是自由曲面等其他非轴对称面。棱镜反射镜12b或表面反射型的折曲反射镜12c不是必须的要素，也能够省略，但是，通过使投射光学部件12的光轴ax弯曲，容易在框架80中以节省空间的方式配置投射光学部件12。
投射光学部件12在后级的棱镜部件13中形成中间像ii，该中间像ii是对形成在显示器件11的显示面11a中的图像进行适当放大而得到的。通过在棱镜部件13中形成中间像ii，容易使包含棱镜部件13等的光学系统的尺寸小型化。此外，通过以不涉及后述入射面13f的方式形成中间像ii，能够避免入射面13f的表面的异物影响成像，能够防止形成像不均。进而，通过以不涉及后述第1接合面13h或半透过反射面31的方式在从第1接合面13h分开的位置形成中间像ii，也能够避免异物、气泡影响成像，能够抑制形成像不均。中间像ii的像面如后面详细叙述的那样弯曲。
棱镜部件13配置在投射光学部件12的正下方，具有在xy方向上延伸且与z方向垂直的四角平板状的外观。棱镜部件13具有供来自投射光学部件12的图像光gl入射的第1棱镜13a、以及整体配置在比第1棱镜13a靠出射光瞳ep侧或瞳孔ey侧的第2棱镜13b。第1棱镜13a和第2棱镜13b均是在x轴方向上延伸的三角棱镜。
第1棱镜13a具有供图像光gl入射的入射面13f、使从入射面13f入射的图像光gl进行全反射的反射面13g、经由半透过反射面31而与第2棱镜13b接合的第1接合面13h。这里，入射面13f与光轴ax正交，与棱镜反射镜12b的倾斜的第2面12g相对且与第2面12g大致平行地延伸。入射面13f在图示的例子中是平面，但是，也可以具有光焦度。入射面13f在+y方向与+z方向的中间方向上倾斜。另一方面，反射面13g是沿着铅垂的xy面没有倾斜地延伸的平面。反射面13g针对沿着光路最初入射的入射角相对较大的图像光gl，利用内表面上的全反射，由此作为高反射率的反射镜即全反射面发挥功能，但是，针对沿着光路接下来入射的入射角相对较小的图像光gl，作为通过面或折射面发挥功能。第1接合面13h是相对于光轴ax倾斜的平面，且是相对于y方向、z方向也倾斜的平面。沿着第1接合面13h形成的半透过反射面31使被反射面13g全反射后的图像光gl朝向反射面13g反射。即，半透过反射面31使来自反射面13g的图像光gl整体向外界侧即+z方向反射。
第2棱镜13b具有经由半透过反射面31而与第1棱镜13a的第1接合面13h接合的第2接合面13i、与第1棱镜13a的反射面13g相对地平行配置的相对平面13j。第2接合面13i与第1接合面13h对应地成为平面。相对平面13j使被半透过反射面31反射且经由后面详细叙述的会聚反射部件14并透过半透过反射面31后的图像光gl通过，并向出射光瞳ep的位置射出。反射面13g和相对平面13j平行，因此，如果忽略半透过反射面31，则棱镜部件13具有作为平行平板发挥功能的侧面。半透过反射面31例如设定为10％～50％左右的透过率。特别是在将半透过反射面31的透过率设为50％左右的情况下，能够使半透过反射面31的反射率和半透过反射面31的透过率大致相等。在该情况下，能够使光利用效率最大。
半透过反射面31具有向棱镜部件13或反射面13g的法线方向即+z方向送出被引导至棱镜部件13的第1棱镜13a内的图像光gl并使其入射到会聚反射部件14的作用。半透过反射面31的法线相对于与上下方向或铅垂方向相当的y轴呈45°以上、更加优选为大于45°的角度θ。即，半透过反射面31的法线相对于y轴呈45°以上、更加优选为大于45°的角度θ，具体而言，呈60°左右的角度。另一方面，半透过反射面31相对于第1棱镜13a的反射面13g呈45°以下、更加优选为小于45°的角度
在第2棱镜13b中，在第2接合面13i的一端与相对平面13j的一端之间配置有连结面13p。与该连结面13p相对地在外侧设置有光吸收部件85。通过光吸收部件85，能够抑制未被半透过反射面31反射而一部分透过的图像光gl入射到连结面13p而成为杂散光。
会聚反射部件14隔着棱镜部件13配置在出射光瞳ep的相反侧即棱镜部件13的外界侧。会聚反射部件14是弯曲的板状部件，从正面观察时具有矩形的轮廓。会聚反射部件14具有作为内表面反射型的反射镜的会聚反射面14c，使从棱镜部件13的反射面13g暂时射出的图像光gl的一部分经由反射面13g返回到棱镜部件13。会聚反射部件14在具有光透过性的薄板状部件即基材14f的外侧形成有会聚反射面14c，通过内表面反射来反射图像光gl。会聚反射部件14的会聚反射面14c是非偏芯型的反射面，整体为球面状。具体而言，会聚反射面14c能够设为具有光焦度的球面、非球面等，会聚反射面14c的对称轴沿着光轴ax方向或z方向延伸。会聚反射面14c不限于球面等，也可以设为自由曲面及其他非轴对称面。在会聚反射部件14中，基材14f的与会聚反射面14c相对的透过面14t的曲率与会聚反射面14c的曲率大致相等。如上所述使透过面14t的曲率接近会聚反射面14c的曲率，由此能够减少透视观察的畸变。还能够使作为薄板状部件的基材14f具有像差校正的功能。会聚反射面14c不限于使用内表面反射的情况，该会聚反射面14c还能够形成在基材14f的出射光瞳ep或瞳孔ey侧。
如上所述，会聚反射部件14的会聚反射面14c具有球面或近似球面的形状。会聚反射面14c的曲率半径(包含近似的曲率半径的情况)rm成为与作为从会聚反射面14c到中间像ii的光路长度的空气换算距离da的2倍即2×da接近的值。由此，能够对来自中间像ii的图像光gl进行准直，能够使与远方的虚像对应的图像光gl入射到出射光瞳ep侧或瞳孔ey。此时，优选关于会聚反射面14c配置在与光圈对应的位置的出射光瞳ep在考虑实质的主光线的情况下配置在从会聚反射面14c分开曲率半径rm左右的光学距离的位置。即，在容易抑制像差而得到性能的观点中，优选从出射光瞳ep到会聚反射面13k的空气换算长度l设为l≈rm。由此，从会聚反射面14c大致垂直射出的图像光gl向出射光瞳ep入射，因此，能够将慧差、像散等降低到大致零。这里，具体而言，空气换算长度l相对于上述空气换算值rm形成为15％以下的误差。在会聚反射面14c为球面的情况下，会聚反射面14c的曲率半径rm成为该球面的曲率半径，在会聚反射面14c为非球面或自由曲面的情况下，会聚反射面14c的曲率半径rm成为使球面与其拟合的情况下的近似的曲率半径。此外，使中间像ii向会聚反射部件14侧凸出，并且，使中间像ii整体呈近似球面的形状，具有会聚反射面14c的曲率半径rm/n的一半即(1/2)×rm/n左右的近似的曲率半径，由此，能够进一步降低像差。这里，(1/2)×rm/n是考虑第1棱镜13a的折射率进行修正而得到的。另外，从会聚反射面14c到出射光瞳ep的光学距离或光路长度、即会聚反射面14c相对于出射光瞳ep的空气换算长度下的位置根据头戴式显示器100的视场角不同而变化。这里，从会聚反射面14c到出射光瞳ep的光学距离是在考虑折射率的情况下对从出射光瞳ep到棱镜部件13的距离即出瞳距离(eyerelief)、棱镜部件13的厚度、从棱镜部件13到会聚反射面14c的反射面距离进行相加而得到的。头戴式显示器100的视场角例如设定为45°。例如调整棱镜部件13的厚度，以使得能够实现与这种视场角对应的从会聚反射面14c到出射光瞳ep的光学距离。
在与中间像ii的位置等有关的以上说明中，假设了会聚反射面14c形成在基材14f的外侧的情况和会聚反射面14c形成在基材14f的出射光瞳ep侧的情况，但是，会聚反射面14c形成在基材14f的外侧的内表面反射型的情况的前提是，会聚反射部件14的会聚反射面14c和透过面14t的曲率大致相等。在它们的曲率不同的情况下，优选在考虑了曲率之差的情况下将对会聚反射面14c的曲率半径rm进行换算而得到的值作为基准。
会聚反射部件14的会聚反射面14c具有半透过性。由此，外界光ol通过会聚反射部件14和棱镜部件13，因此，能够实现外界的透视观察。此时，如果会聚反射部件14薄到几mm程度以下，则能够较小地抑制外界像的倍率变化。关于会聚反射面14c针对图像光gl、外界光ol的反射率，在确保图像光gl的亮度、容易基于透视对外界光进行观察的观点中，在假设的图像光gl的入射角范围内设为10％以上且50％以下。
根据以上说明的头戴式显示器100，第1棱镜13a具有使来自入射面13f的图像光gl进行全反射的反射面13g，半透过反射面31使被反射面13g全反射后的图像光gl朝向反射面13g反射而从棱镜部件13暂时射出，会聚反射面14c使从棱镜部件13射出的图像光gl的至少一部分返回到棱镜部件13，因此，能够增大半透过反射面31的倾斜角，减薄棱镜部件13的厚度。由此，能够使头戴式显示器100的显示的视场角与以往相同或更宽，并且能够使光学系统小型化。
图2是说明具体的实施例1的头戴式显示器100a的光学结构的剖视图。该头戴式显示器100a具有与图1b所示的头戴式显示器100相同的基本构造，具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13、会聚反射部件14。但是，在图2的头戴式显示器100a的情况下，投射光学部件12仅具有投影透镜12a，省略了光路折曲用的棱镜反射镜。投影透镜12a包含第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j、第4透镜12k。这些第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j、第4透镜12k由球面或非球面构成。在图示的情况下，在会聚反射部件14中，将会聚反射面14c相对于基材14f配置在内侧或出射光瞳ep侧，但是，也能够将会聚反射面14c相对于基材14f配置在外界侧。
图3a和3b是说明实施例2的头戴式显示器100b的光学结构的剖视图。该头戴式显示器100b具有与图1b所示的头戴式显示器100相同的基本构造，具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13、会聚反射部件14。在图3b等所示的头戴式显示器100b的情况下，投影透镜12a包含第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j。这些第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j由球面或非球面构成。在图示的情况下，在会聚反射部件14中，将会聚反射面14c相对于基材14f配置在内侧或出射光瞳ep侧，但是，也能够将会聚反射面14c相对于基材14f配置在外界侧。
图4a和4b是说明实施例3的头戴式显示器100c的光学结构的剖视图。该头戴式显示器100c具有与图1b所示的头戴式显示器100相同的基本构造，具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13、会聚反射部件14。在图4b等所示的头戴式显示器100c的情况下，投影透镜12a包含第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j。这些第1透镜12h、第2透镜12i、第3透镜12j由球面或非球面构成。在图示的情况下，在会聚反射部件14中，将会聚反射面14c相对于基材14f配置在内侧或出射光瞳ep侧，但是，也能够将会聚反射面14c相对于基材14f配置在外界侧。
〔第2实施方式〕
下面，对本发明的第2实施方式的头戴式显示器进行说明。另外，第2实施方式的头戴式显示器是对第1实施方式的头戴式显示器的一部分进行变更而得到的，省略相同部分的说明。
如图5所示，第2实施方式的头戴式显示器100具有显示器件11、投射光学部件12、棱镜部件13、会聚反射部件14。在棱镜部件13中，半透过反射面231是偏振分离膜，例如反射s偏振光并使p偏振光透过。在棱镜部件13与会聚反射部件14之间配置有波长板232。具体而言，波长板232是1/4波长板，相对于第1棱镜13a的反射面13g适当分开距离地平行配置。在该情况下，从显示器件11射出的图像光gl例如仅为s偏振光。显示器件11也可以自身产生偏振光，但是，还能够从由显示器件11形成的图像光中选择规定方向的偏振光来进行使用。来自显示器件11的图像光gl入射到棱镜部件13而形成中间像ii后，几乎没有损耗地被半透过反射面231反射。被半透过反射面231反射后的s偏振光的图像光gl通过反射面13g和波长板232而入射到会聚反射部件14，被会聚反射部件14反射后，再次向半透过反射面231入射。通过波长板232，使再次向半透过反射面231入射的图像光gl的偏振方向旋转90°而成为p偏振光。由此，图像光gl几乎没有损耗地透过半透过反射面231，从而明亮的图像光gl入射到出射光瞳ep。
〔变形例及其他〕
以上，按照实施方式说明了本发明，但是，本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种方式进行实施，例如还能够进行如下变形。
在上述实施方式的头戴式显示器100中，作为显示器件11，使用有机el元件等自发光型的显示元件，但是，取而代之，还能够采用使用组合了激光光源和作为多面镜等的扫描仪而成的激光扫描仪的结构。
还能够使棱镜部件13的第1棱镜13a与投射光学部件12的棱镜反射镜12b接合。
会聚反射部件14还能够设为不具有光透过性的反射镜。在该情况下，成为不观察外界光ol或外界像的类型的头戴式显示器。
第1棱镜13a的反射面13g和第2棱镜13b的相对平面13j还能够是形成有硬涂层或防反射膜的面。
在第2实施方式中，波长板232不限于图示的位置，例如还能够与半透过反射面231相邻地组装于会聚反射部件14侧。在该情况下，图像光gl一次性地通过波长板而入射到半透过反射面231，因此，与其相应地，适当调整从显示器件11或投射光学部件12射出的图像光gl的偏振状态。
将显示器件11、投射光学部件12和棱镜部件13设为一组的单眼光学系统也能够成为从图示的状态起绕与z轴平行的光轴例如旋转90°而成的配置。
以上，以头戴式显示器100佩戴在头部进行使用为前提，但是，上述头戴式显示器100还能够用作不佩戴在头部而如双筒望远镜那样进行窥视的手持型显示器。
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