专利名称：头戴式显示装置以及该装置所使用的显示光学系统、的制作方法
技术领域：
本发明涉及头戴式显示装置。
另外，本发明还涉及在头戴式显示装置和眼镜式显示装置等的显示器中用于把来自图象信息装置的图象和外界的影象相重合进行观察的光学系统。
头戴式显示装置如第1图所示，由前套壳12和后套壳14组成，使用时固定在头部，使前套壳12位于人眼附近，使后套壳位于后头部，放大观察显示在前套壳内的图象显示装置中的图象信息。该头戴式显示装置前套壳12上以符号16所示的部分中内部安装着图象显示、观察部分。
该图象显示、观察部分的结构例如是具有第2图放大示出那样的光学系统的结构，在第2图中，1是液晶显示装置(以下记为LCD)和阴极射线管(以下记为CRT)等的图象显示装置，2是折射型透镜(所谓放大镜)，3是具有至少把来自2个方向的光进行合成的作用的半透镜(以下称为合成器combiner)，4是观察者的眼睛。在这种结构的图象显示、观察部分中，来自图象显示装置1的图象的光通过透镜系统2再由合成器3反射，投向观察者的眼睛4的方向。这样，用透镜系统2放大并观察图象信息。另一方面，来自外界的光10从前套壳12的正面15入射，透过合成器3，由观察者直接观察外界的影象。即，如果采用第1图所示的以往的头戴式显示装置，就可以把外界的影象和图象信息装置的图象经由结合器重合进行观察。
作为头戴式显示装置其它的图象显示、观察部分已知有第3图所示的光学系统。即，在第3图中，1是LCD、CRT等图象信息装置，3是结合器，5是凹面形状的合成器。这种以往的头戴式显示装置，来自图象信息装置的图象的光由合成器3反射，投向与观察者相反一侧的凹面形状的合成器5。在这里被凹面形状的合成器5反射后通过合成器3投向观察者一侧。另外，来自外界的光10透过凹面形状的合成器5，再透过合成器3投向观察者的眼睛4的方向，这样一来，就可以把来自图象信息装置的图象和外界的影象重合起来进行观察。
上述以往例子中，具有第2图所示的图象显示、观察部分的头戴式显示装置形成为由透镜系统2放大图象信息装置1的图象进行观察。在用透镜系统2放大观察影象时，透镜系统2必须良好地修正各种象差使得被放大的影象成为良好的图象。为此，构成透镜系统2的透镜越是需要良好图象质量的高倍率的图象的光学系统，越要使用多个透镜的复杂的光学部件结构。特别是在要观察的影象是彩色图象时，透镜系统还需要良好地修正色差。为此，需要包含接合透镜在内的众多透镜，透镜系统2大型且很重，组装复杂，由此导致成本提高、再加上图象信息装置1和透镜系统2位于结合器3的上方，由于从附图
所知，把具有比较大重量的图象信息装置1和上述那样很重的透镜系统2比较接近地配置，故作为头戴式显示装置就成为非平衡光学部件的配置。
另外，第3图所示的具有显示、观察部分的头戴式显示装置在合成器的外界一侧配置了凹面形状的合成器，与第2图所示的装置相比，成为用较少的光学部件可以得到高倍率且很好地修正了象差的图象的配置，但如从图中所知，来自图象信息装置1的图象的光由合成器3和非球面凹面形状的合成器反射，再透过合成器3，反射时每次透过结合器的光量就会减少到达观察者的光量为1/10左右。因此，为了使LCD背面的背光和CRT的辉度与本发明相同就必须把辉度加倍。再者，在凹面形状的合成器中使用象差修正效果大的非球面时，塑料的使用使价格低廉，利于大量生产。然而，以塑料为基底的结合器由于难于在基板上进行多层敷层，因此招致性能下降、成品率下降以及成本上升。还有，光学系统的组装必须沿第3图所示那样对于上述图象显示装置的中心轴正交的轴高精度地组装凹面形状的合成器。特别是由于包含了本发明的反射光学系统与透过型光学系统相比，对于轴偏差的精度更严格，因此，本发明的正交轴上光学部件的组装与垂直轴上的组装相比，不能避免成品率下降和成本上升。
本发明的目的在于提供头戴式显示装置，在这种把图象显示装置的图象和外界的影响象重合进行观察的头戴式显示装置中，由透过及反射来自上述图象显示装置的图象的光的结合器和对于上述合成器配置在上述图象装置相反一侧的放大反射镜构成，来自上述图像显示装置的图象的光透过上述合成器。用放大反射镜反射后再由合成器反射，投向观察者眼睛的方向。另一方面，来自外界的光透过合成器投向观察者的眼睛的方向，借助于此，使图象显示装置的影象和外界的影象重合起来进行观察。
本发明的另一个目的在于提供头戴式显示装置，在把图象显示装置的图象和外界的影象重合进行观察的头戴式显示装置中，由透过及反射来自上述图像显示装置的图象的光的合成器和对于上述合成器配置在上述图象装置相反一侧的放大反射镜构成，另外，通过在上述图象显示装置和结合器之间配置象差修正用的弱放大率透镜，使来自上述图象显示装置的图象的光透过上述修正象差的透镜后，透过上述合成器，由放大反射镜反射后再由合成器反射，投向观察者眼睛的方向，另一方面，来自外界的光透过合成器投向观察者眼睛的方向，借助于此，使图象显示装置的影象和外界的影像重合来进行观察。
另外，本发明中所说的放大反射镜，系指凹面反射镜、菲涅尔反射镜等，是通过在其凹面或菲涅尔面具有反射功能而形成的。
还有，本发明的再一个目的是提供显示用光学系统，该系统由图象显示装置、透过及反射来自上述图象显示装置的光的合成器、对于上述合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的放大反射镜、配置在上述图象显示装置和上述合成器之间的辅助透镜构成，来自上述图象显示装置的图象的光通过上述辅助透镜和上述合成器，由反射镜反射后，再由上述合成器反射，投向观察者眼睛的方向，另外，外界的光透过上述合成器投向观察者眼睛的方向，使图象显示装置的象和外界的象重合进行观察。该光学系统满足下述条件式(1)和(2)0.8＜f/fR≤1.0 (1)0.65＜d/fR＜0.9(2)上式中，f是光学系统总体的焦距，fR是凹面反射镜自己的焦距，d是凹面反射镜和辅助透镜在合成器一侧的面上0屈光度时的间隔。
此外，本发明的又一个目的在于提供显示用光学系统，该系统由图象显示装置、合成器对于上述合成器配置到上述图象显示装置相反一侧的凹面反射镜构成，是把来自图象显示装置的透过合成器被凹面反射镜反射后再被合成器反射而投向观察者眼睛方向的光和从外界透过合成器投向观察者眼睛方向的光重合并进行观察的光学系统，凹面反射镜是在由下式(3)表示的椭圆旋转面S1和由式(4)表示的椭圆旋转面S2之间存在的非球面。z=Cy21+1-(k1+1)C2y2---(3)]]>其中，k1C2＝7.5×10-5z=Cy21+1-(k2+1)C2y2---(4)]]>其中，k2C2＝1.0×10-3另外，上述(3)式、(4)式中，k1、k2是非球面系数，C是面的曲率(曲率半径的倒数)。
还有，本发明的又一个目的在于提供显示用光学系统，该系统由图象显示装置、透过及反射来自该图象显示装置的光的合成器、对于上述合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的菲涅尔反射镜以及配置在上述图象显示装置和上述合成器之间的辅助透镜构成，来自上述图象显示装置的图象的光通过上述合成器，被菲涅尔反射镜反射后由上述合成器投向观察者眼睛的方向，另外，外界的光透过上述合成器投向观察者眼睛的方向，使图象显示装置的影象和外界的影象重合进行观察，该光学系统满足下述条件式(5)、(6)0.8＜f/fR≤1.0 (5)
0.65＜d/fR＜0.95 (6)上述式中，f是光学系统总体的焦距，fR是菲涅尔反射镜自己的焦距，d是菲涅尔反射镜和辅助透镜在结合器一侧的面上0屈光度时的间隔。
还有，本发明的又一个目的在于提供显示用光学系统，该系统由图象显示装置、透过及反射来自该图象显示装置的光的合成器、对于上述合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的菲涅尔反射镜构成，来自上述图象显示装置的图象的光通过上述合成器，被菲渣尔反射镜反射后由上述合成器投向观察者眼睛的方向，另外，外界的光透过上述合成器投向观察者眼睛的方向，使图象显示装置的影象和外界的影象重合进行观察，菲涅尔反射镜的菲涅尔面是在把其面复原为连续单一面时的以(7)式表示的椭圆旋转面S3和以(8)式表示的椭圆旋转面S4之间存在的非球面。z=Cy21+1-(k3+1)C2y2---(7)]]>其中，k3C2＝-7.5×10-5z=Cy21+1-(k4+1)C2y2---(8)]]>其中，k4C2＝-1.0×10-3另外，上述式(7)、式(8)中，k3、k4是非球面系数，C是面的曲率(曲率半径的倒数)。
第1图示出头戴式显示装置的概要。
第2图示出以往的头戴式显示装置的图象显示、观察部分的结构。
第3图示出以往的头戴式显示装置的图象显示、观察部分的结构的其它例。
第4图示出本发明的头戴式显示装置的结构。
第5图示出本发明的头戴式显示装置的图象显示、观察部分的第1实施形态的结构。
第6图至第10图分别是本发明第1至第5实施例的光学系统的象差曲线图。
第11图示出本发明的头戴式显示装置的图象显示、观察部分的其它结构。
第12图及第13图分别是本发明第6实施例及第7实施例的象差曲线图。
第14图示出第6、7实施例中从外界到眼部的系统的结构。
第15图是第6实施例中从外界到眼部的系统的象差曲线图。
第16图是第7实施例中从外界到眼部的系统中在外界一侧平行平板上不使用非球面时的象差曲线图。
第17图是第7实施例中从外界到眼部的系统中在外界一侧平行平板上使用非球面时的象差曲线图。
(实施发明的最佳形态)第4图是本发明的头戴式显示装置的总体图，12是前套光，14是后套壳，16是收纳在前套壳12中的图象显示、观察部分，对该部分后面要详细讲述。另外，22是支承部件，是可压接到头顶部的垫片，26是可压接到头前部的垫片，不论哪一个都设置在支承部件上。45是设在后套壳14上的头后部垫片，51是对应于头侧部的内侧为曲面的中空套壳，52是设在中空套壳51中的一定宽度的滑块，61是导轨，62是被进退自由地安装在中空套壳51中的中空套壳。
该头戴式显示装置如图示那样被装在使用者的头部，把中空套壳62插入到套壳51内，垫片45压在头的后部。
该图示的头戴式显示装置的前套壳内的图象显示观察部分如第5图所示，1是LCD、CRT等图象信息装置，3是合成器，6是作为放大反射镜的凹面反射镜，7是由几乎没有放大率的象差修正透镜构成的辅助透镜，根据需要使用。本发明的实施例的头戴式显示装置的图象显示、观察部分是上述的结构，被构成为来自图象信息装置的影象的光透过辅助透镜7、透过合成器3被凹面反射镜6反射，返回到原来的方向，由合成器反射45°后投向观察者眼睛4的方向。于是，由凹面反射镜6形成的放大了的虚象被观察者观察。
另一方面，来自外界的光10透过合成器3投向观察者眼睛4的方向被直接观察。
这样，在重合图象信息装置的影像和外界的影象的状态下，进行观察，另外，在入射来自外界的光的开口部分安装能开闭的遮挡来自外界的光的遮光板，或者代替遮光板设置滤光片，还可以使用液晶快门。如果像这样设置遮光板等，则来自外界的光被遮挡，仅可观察图象信息装置的影象。另外，通过配置适当的滤光器和液晶快门代替遮光板，控制来自外界的光量，能够观察使图象信息装置的影象和外界的影象以均衡良好的亮度重合后的影象。
该本发明的头戴式显示装置的图象显示、观察部分构成为对于合成器3几乎对称地配置图象信息装置1及辅助透镜7和凹面反射镜6，成为平衡极好的配置。
另外，由于来自图象信息装置1的光透过1次合成器并被反射1次，因此，例如透过合成器3的光大约为50％，被凹面反射镜反射后再被合成器3反射的光又大约是其50％，因此，由合成器3引起的光的减少较少，到达观察者眼睛4的光大约是25％，能够观察明亮的影象。
另外，使用凹面反射镜放大影象故不发生色差，而由于辅助透镜几乎没有放大率，故极少发生色差。在这种情况下，可依靠凹面反射镜的非球面和辅助透镜修正色差以外的象差。另外，辅助透镜除象差修正用透镜这种用途外还兼有防止来自LCD等图象信息装置的光直接入眼的杂光遮光板的作用。
本发明的头戴式显示装置由于用双眼观察来自不同图象信息装置的图象，因此当然容易地使观察者自然地体验到三维图象。如果使用上述液晶快门，通过随时控制外界的光的变化，就能够把作为实际图象的外界信息和作为假想现实的图象信息装置的图象作为宛如同一图象信息那样的图象给出。
其次，本发明的显示用光学系统是具有图象显示装置、透过及反射来自图象显示装置的光的合成器、对于合成器配置在图象显示装置相反一侧的凹面反射镜、配置在图象显示装置和合成器之间的辅助透镜的系统，满足下面的条件式(1)、(2)。
0.8＜f/fR≤1.0 (1)0.65＜d/fR＜0.9 (2)上式中，f是光学系统总体的焦距，fR是凹面反射镜自身的焦距，d是凹面反射镜和辅助透镜的合成器一侧的面的间隔。
本发明的显示用光学系统如以上所述是配置了光学部件的系统，来自图象显示装置的光透过辅助透镜及对光轴几乎45°倾斜配置的合成器，由凹面反射镜反射并返回后再被合成器反射到达观察者的眼睛。由此，观察者观察主要被凹面反射镜放大了的图象显示装置的影象。另一方面，来自外界的光透过合成器到达眼睛，由观察者也观察外界的影象。这样，观察者把图象显示装置的放大影象和外界影象重合进行观察。
在该光学系统中，由于通过合成器观察图象信息装置的放大影象，因此为了对于观察者眼睛的位置确保放大影象的看得到的视野，合成器的孔径必须达到一定的大小。另外，由于通过合成器把来自外界的图象和图象显示装置的影象相重迭进行观察，为此，合成器也需要一定的孔径。还需要使这样一定大小的合成器处于辅助透镜和凹面反射镜之间的空间。
另外，为了进行作为放大镜的视度调节，考虑了使凹面反射镜上下移动的方法和使图象显示装置上下移动的方法这2种方法。
应用前面的方法，作为放大镜为了得到实际上重要的负视度，要使凹面反射镜向上方移动。即，使凹面反射镜向接近合成器的方向移动。为此，辅助透镜和凹面反射镜之间要留有更大的间隔。
还有，作为视度调节的方法采取后者的方法时，为了得到负视度，要把图象显示装置向下方移动，这需要向接近辅助透镜的方向移动，在辅助透镜和作为光学系统的成象面的图象显示装置之间也要留有空间。
另一方面，为了提高图象显示装置的放大影象的放大率需要缩短凹面反射镜和辅助透镜的合成焦距。若缩短该合成焦距，则凹面反射镜和作为光学系统总体成象点的图象显示装置要接近，这与二者之间留有空间存在不相容关系。
为使上述关系并存，本发明的光学系统满足上述的条件式(1)、(2)。
当条件式(1)的值成为1.0时，即凹面反射镜占有光学系统总体的放大率时，辅助透镜的放大率为0，成为平行平面板。另外，(1)的值不到1.0时，辅助透镜为弱凸透镜。(1)式的值越接近上限，凹面反射镜和图象显示装置越接近，确保凹面反射镜和辅助透镜之间以及辅助透镜和图象显示装置之间的空间就越困难，但在构成无视度调节的系统等方面是有利的。但一般更希望(1)式的值小于0.95。
另一方面，当成为低于(1)式的下限值时，则虽然可充分地得到器件间隔，但变成为观察者的眼睛接受从图象显示装置明显地斜向发出的光，在作为图象显示装置使用LCD那样方向性强的器件时，恶化了作为系统的性能。还有，辅助透镜的放大率强，色差成为问题。
从这样的理由出发，作为(1)式的更理想范围是0.85～0.95。
(2)式的条件式如上述那样，是用于使结合器的孔径做成必要值的条件。在作为视度调节方法采取使凹面反射镜6上下移动的方法时，要选择(2)式上限附近的值，在采取使图象显示装置上下移动的方法时，要选择接近下限的值。
辅助透镜除作为伴随(1)式的系统的放大率分配和象差修正的作用外，还兼有遮挡从LCD直接到达眼睛的杂光的作用和防尘的作用。
其次，本发明的光学系统由于是单纯的结构，故若决定了放大率分配，则将变为几乎不可能积极的修正象差。为此，向凹面反射镜或辅助透镜或者其二者导入非球面是有效的。这种情况下，即使辅助透镜是平行平面板也能够导入非球面。
由于在凹面反射镜上存在主放大率，因此光学系统的珀兹伐和为负，象面向过剩一侧弯曲。于是通过非球面的导入修正向负侧的象面，凹面反射镜的非球面度成为特别重要的了。
下面，说明本发明的光学系统中导入非球面时的所希望的形状。
作为本发明的光学系统所用的非球面是在以下述式(3)表示的椭圆旋转面S1和以下述式(4)表示的椭圆旋转面S2这两个面之间的非球面。z=Cy21+1-(k1+1)C2y2---(3)]]>其中，k1C2＝7.5×10-5z=Cy21+1-(k2+1)C2y2---(4)]]>其中，k2C2＝1.0×10-3另外，在上述的(3)式、(4)式中，k1、k2是非球面系数，C是面的曲率(曲率半径的倒数)。
这样，如果把以(3)、(4)分别表示的2个椭圆旋转面S1及S2之间所有的面都存在的那种规定的非球面作为凹面反射镜的凹面使用，则能够均衡良好地修正各象差。
当非球面变成为其非球面度弱且比之椭圆旋转面S1来处于与椭圆旋转面S2一侧相反的一侧(曲率C的球面一侧)的面时，则可通过和辅助透镜的组合修正来源于象面弯曲的非点象散和彗形象差，但从观察者看畸变象差变成为很强的绕线状，另外，成为和图象显示装置的方向性明显相反的结果。反之，若非球面度过强，超过了椭圆旋转面S2，则对于图象显示装置的方向性来讲有益，但难于进行各象差的修正。
在仅把凹面反射镜做成位于上述两椭圆旋转面S1和S2之间的非球面时能够进行光学系统的象差修正，而如果辅助透镜也使用非球面则能够更好地修正象差。
再有，仅在辅助透镜导入非球面，即使把凹面反射镜作为球面也能够良好地修正象差，但径向象面的残存稍大。
本发明的显示用光学系统是第5图所示的那种结构，由图象显示装置1、合成器3、凹面反射镜6、辅助透镜7构成。另外，4是观察者的眼睛。
在该光学系统中，来自图象显示装置1的光透过辅助透镜7和合成器3，由凹面反射镜6反射再被合成器3反射，投向眼睛4的方向。这样一来，在观察者处就可以观察图象显示装置1的放大象。另外，来自外界的光10通过玻璃窗8入射，透过合成器3投向眼睛4。这样，观察者也能观察到外界的象。即，能够重合并观察图象显示装置1的影象和外界的影象。
本发明的光学系统如第5图是由较少的元件构成并且是小型的结构，而且如以下所示第1～第5实施例的数据那样，通过具备满足条件式等上述的必要条件，在保持小型性的情况下，能够以广阔的视在视野观察对象差进行过修正的良好图象。
(第1实施例)面编号曲率半径面间隔折射率 阿贝数(mm) (mm)10.000 26.00001.0000020.000 -12.5000 -1.00000357.97120.50001.00000436.3542.6000 1.4919456.0950.000 5.8688 1.00000非球面系数第3面K＝0.2073932A2＝0.7371736×10-6A3＝-0.1855806×10-8A4＝0.3400349×10-12第4面K＝-0.6006190A2＝-0.3082918×10-4A3＝0.1129399×10-6A4＝0.1861033×10-9f/fR＝0.897d/fR＝0.707(第2实施例)面编号曲率半径面间隔折射率 阿贝数(mm) (mm)10.000 26.00001.0000020.000 -12.5000 -1.00000361.17720.50001.00000428.1243.5000 1.4919456.0950.000 6.2293非球面系数第3面K＝0.8034292A2＝0.3128657×10-6A3＝-0.1860154×108第4面K＝-0.1011022×10A2＝-0.2110857×10-4A3＝0.1310162×10-6f/fR＝0.850d/fR＝0.670(第3实施例)面编号曲率半径面间隔折射率 阿贝数(mm) (mm)10.000 26.00001.0000020.000 -12.5000 -1.00000357.97120.50001.00000436.3542.8000 1.4919456.0950.000 5.8688 1.00000非球面系数第3面 K＝-0.5609107A2＝0.7626161×10-6A3＝-0.1936394×10-9A4＝-0.4240364×10-12f/fR＝0.897d/fR＝0.707(第4实施例)面编号曲率半径面间隔折射率 阿贝数10.000 26.00001.0000020.000 -12.5000 -1.00000357.97120.50001.00000436.3542.6000 1.4919456.0950.000 5.8688 1.00000非球面系数第4面 K＝0.1556867×10A2＝-0.3047007×10-4A3＝0.5961372×10-6A4＝-0.3985710×10-8A5＝0.9794985×10-11f/fR＝0.897d/fR＝0.707(第5实施例)面编号曲率半径面间隔折射率阿贝数(mm) (mm)10.000 26.0000 1.0000020.000 -16.1100 -1.00000359.001 24.1100 1.00000419.697 3.50001.49194 56.0950.000 2.40481.00000非球面系数第3面 K＝-0.5219198A2＝0.1451053×10-5
A3＝-0.5070955×10-8A4＝0.1545496×10-10A5＝-0.1811484×10-13第4面K＝-0.1000000×102f/fR＝0.881d/fR＝0.817这些数据中，面编号1是观察者的眼睛，2是合成器，3是凹面反射镜，4是辅助透镜在合成器一侧的面，5是辅助透镜的图象显示装置一侧的面的位置。另外，间隔、折射率的负号意味着光朝相反方向前进。
这些实施例的凹面反射镜的非球面的垂度值及椭圆旋转面S1、S2的垂度值如下所述。另外，第4实施例是凹面反射镜为球面的例子，故未记述其垂度值。第1实施例凹面反射镜的非球面
S1面
k1＝0.2520478S2面
k2＝3.3606385第2实施例凹面反射镜的非球面
S1面
k1＝0.2806973S2面
k2＝3.74263第3实施例凹面反射镜的非球面
S1面
k1＝0.2520478S2面
k2＝3.3606385第5实施例凹面反射镜的非球面
S1面
k1＝0.2610797S2面
k2＝3.4810627
以上所示各实施例从数据可知满足上述条件式。另外，各实施例的非球面从其垂度值与椭圆旋转面S1、S2的垂度值可知位于面S1、S2之间。还有，从第6图至第10图的象差图可知，均衡良好地修正了各象差。另外，象差图是从眼睛一侧进入光线成象时的图，把到瞳孔边缘的高度取作纵轴的最大值。
实施例中的非球面形状可用下式表示。z=Cy21+1-(k+1)C2y2+Σi=2nAiy2]]>其次，在本发明的显示用光学系统中，要想形成更高倍率的结构，希望使用菲涅尔反射镜作为放大反射镜。即，由于在使用了凹面反射镜作为放大反射镜时，其反射面是凹面，故对于光轴反射点，凹面反射镜的周边部分接近于合成器。该凹面的深度(垂度)成为提高径倍率时的障碍。为要提高光学系统倍率，需要减小凹面反射镜的焦距fR，因此垂度就更深，另一方面，合成器为了视角需要加大，从这些需求点出发不得不加大用于配置光学系统的空间。
于是，作为解决这一问题的方法，如果做成使用菲涅尔反射镜作为放大反射镜的结构，则上述垂度量实质为0，故是极其有效的。即，使用了本发明的菲涅尔反射镜的光学系统是把对于上述合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的凹面反射镜改换为菲涅尔反射镜的系统，满足下述的条件式(5)、(6)。
0.8＜f/fR≤1.0 (5)0.65＜d/fR＜0.95(6)设定上述条件式(5)、(6)的理由，基于和上述使用一般凹面反射镜时的条件式(1)、(2)几乎相同的理由，依据下述的理由。
当条件式(5)的值为1.0时，即，凹面反射镜占光学系统总放大率时，辅助透镜的放大率为0，成为平行平面板。另外，当(5)的值不足1.0时，辅助透镜成为弱凸透镜。(5)式的值越接近上限，菲涅尔反射镜和图象显示装置越接近，越难于确保菲涅尔反射镜和辅助透镜之间以及辅助透镜和图象显示装置之间的空间，但在无视度调节并且尽可能加大倍率的情况时是有利的。
另一方面，当成为低于(5)式的下限时，则虽然能充分得到器件间隔，但观察者的眼睛将接受从图象显示装置明显地向斜方向发出的光，在作为图象显示装置如LCD那样使用方向性强的器件时，作为系统的性能劣化。另外，辅助透镜的放大率加强，色差成了问题。
从这种理由出发，(5)式更理想的范围是0.85～1.0。
(6)的条件式如上述那样是用于把合成器的孔径做成必要值的条件。作为视度调节方法而采取了使菲涅尔反射镜6上下移动的方法时，要选择式(6)的接近上限的值，而在采用使影象显示装置上下移动的方法时，要选择接近下限的值。
辅助透镜除伴随(5)式的系统放大率分配的作用之外，还兼有遮挡从LCD直接到达眼睛的杂光和防尘的作用。
还有，在上述使用了菲涅尔反射镜的显示用光学系统中，在为进一步修正象差导入非球面时，希望把菲涅尔面复原为连续的单一面时的非球面的形状是在以下述式(7)所示的椭圆旋转面S3和以下述式(8)所示的椭圆旋转面S4这两个面之间的非球面。z=Cy21+1-(k3+1)C2y2---(7)]]>其中，k3C2＝-7.5×10-5z=Cy21+1-(k4+1)C2y2---(8)]]>其中，k4C2＝-1.0×10-3另外，上述式(7)、(8)中，k3、k4是非球面系数，C是面的曲率，在使用如上述那样的菲涅尔反射镜时，和使用凹面反射镜时不同，没有珀兹线和为负的主要原因。于是和通常的折射光学系统相同，像面向修正不足的方向弯曲。从而，导入到菲涅尔面(菲涅尔凹面)的非球面成为把象面向正的一侧进行修正的方向。
为此，本发明中使用的非球面在把菲涅尔面复原为连续的单一面时，希望是在以上述式(7)所示的椭圆旋转面S3和以式(8)所示的椭圆旋转面S4这两者之间的非球面。
说明在本发明的显示用光学系统中为进一步高倍率化而使用了菲涅尔反射镜的光学系统的实施例。
第11图示出本发明的使用了菲涅尔反射镜的光学系统的结构，1是图象信息装置，3是合成器，4是观察者的眼睛，7是辅助透镜，8是菲涅尔反射镜，9是防尘用的透明平行平面板。
示于该图的光学系统也如上述一样，从图象信息装置1发出的光透过辅助透镜7和合成器3后，被菲涅尔反射镜8反射，再由合成器3反射后达到观察者的眼睛。由此，图象信息装置1的图象被观察者放大观察。另一方面，外界的光10透过合成器3到达观察者的眼睛4，图象信息装置1的放大图象和外界的图象被重合观察。
该使用了菲涅尔反射镜的示于第11图的光学系统，与使用了通常的凹面反射镜的示于第5图的光学系统比较已知能够得到极其小型化。而且，即使减小菲涅尔反射镜的曲率半径提高放大率，也不会使光学系统大型化。
通过把该菲涅尔反射镜的菲涅尔面复原为连续单一面时的面取为非球面，如上所述，能够良好地修正光学系统的各种象差，能够以极其良好的放大象进行观察。这时的非球面形状如前所述是在以条件式(7)所示的椭圆旋转面和以条件式(8)所示的椭圆旋转面之间的面。
在把菲涅尔反射镜取为非球面时，希望把其非球面复原为连续单一面时的形状是在以上述式(7)所示的椭圆旋转面S3和以式(8)所示的椭圆旋转面S4这两个面之间的非球面。
如前所述，之所以使用菲涅尔反射镜是为了消除在提高光学系统的倍率时产生的空间不足。为此，图象信息装置接近合成器的方向，和辅助透镜的间隔也变小。这种情况下，辅助透镜的放大率变小，上述条件式(5)的f/fR无限地接近1。这是由于若使辅助透镜具有放大率则和图象信息装置的方向性显著地矛盾。这样一来，若f/fR＝1则辅助透镜成为平行平面板。即使是平行平面板，也能够在其面上导入非球面。
在本发明的使用了菲涅尔反射镜的光学系统中，为了使其象差更好，人们认为把平行平面板9的至少一个面取为非球面。这种情况下的非球面由于来自外界的光10透过该平行平面板9后达到观察者的眼睛4，故也对该来自外界的光10带来影响。即，通过非球面观察来自外界的象的结果，可以看到畸变。从而，形成在平行平面板9的非球面希望是不使外界的影象上发生显著畸变的程度的弱非球面。
在该平行平面板中使用的非球面希望是在以光轴为中心的直径22cm的范围内对于平面的垂度量为绝对值在0.05mm以内的非球面。
如果使用垂度量的绝对值超过0.05mm的非球面，和菲涅尔反射镜的非球面合起来进行象差修正，可极良好地修正光学系统的象差，可更进一步提高图象信息的放大图象的质量，然而上述的畸变加大而不理想。另外，也可以构成为在光学系统的外界一侧也予设平行平面板，在该平行平面板上使用具有消除由上述的平行平面板9的非球面产生的影响的作用这样的非球面。
下面，示出使用了菲涅尔反射镜的本发明光学系统的实施例。
(第6实施例)面编号曲率半径(mm) 面间隔(mm) 折射率 阿贝数10.00011.70001.0000020.0001.5000 1.49149 56.0930.00011.75001.0000040.000-11.0000 -1.00000543.333 19.56001.0000060.0001.5000 1.49149 56.0970.0000.8647 1.00000非球面系数第2面 K＝0A2＝-1.556534×10-5A3＝2.850750×10-7A4＝-1.380076×10-9×10-7第5面 K＝-9.494072×10-1A2＝-4.039607×10-7A3＝1.789172×10-9A4＝-1.80002×10-12f/fR＝1d/fR＝0.903(第7实施例)面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm) 折射率阿贝数1 0.00011.70001.000002 0.0001.5000 1.4914956.093 0.00011.75001.000004 0.000-11.0000 -1.000005 43.333 19.56001.000006 0.0001.5000 1.4914956.097 0.0000.8646 1.00000非球面系数第1面K＝0A2＝0.9103500×10-6A3＝0.1572960×10-6A4＝0.6706500×10-9第3面K＝-0.9437329A2＝0.2296511×10-6A3＝0.8375823×10-9A4＝-0.5532406×10-12f/fR＝1d/fR＝0.903这些数据中面编号1是观察者的眼睛，2、3分别是眼睛一侧的平行平面板的眼睛一侧及合成器一侧的面，4是合成器，5是菲涅尔反射镜，6是辅助透镜的合成器一侧的面，7是辅助透镜在图象显示装置一侧的面的位置。另外，间隔、折射率的负号意味光向相反方向前进。
第6、第7实施例都是使用菲涅尔反射镜并且其菲涅尔面是把其复原为连续的单一面时的非球面，由此，若在进行象差修正同时把眼睛一侧的平行平面板的眼睛一侧的面作成为非球面，并由此，对由菲涅尔反射镜的非球面进行的象差修正进行补偿使得可以以良好的图象进行观察。这些实施例中，第6实施例眼睛一侧的平行平面板的非球面垂度量的绝对值是0.05mm以下，观察者即使透过该平行平面板观察外界，畸变也极小，对观察无妨碍。
另外，第7实施例是加大眼睛一侧的平行平面板的非球面垂度量，使光学系统总体的象差进一步减少的例子，透过该平行平面板观察外界时，可以见到图象有若干畸变。为解决该问题，在该实施例中，为消除上述那样的由眼睛一侧的平行平面板的非球面引起的象差，在外界一侧即在比合成器还向外界一侧设置的平行平面板上也导入非球面。这样一来，在以象差少的良好图象观察由图象显示部分显示的图象的同时，能够使没有非球面的影响的外界的象重合进行观察。
这些第6、第7实施例的菲涅尔反射镜的非球面垂度值及椭圆旋转面S3、S4的垂度值如下述。第6实施例菲涅尔凹面反射镜
S3面
S4面
眼睛一侧平行平面板(第2面)
第7实施例菲涅尔凹面反射镜
眼睛一侧平行平面板(第2图)
第6实施例及第7实施例中的象差状况如第12图及第13图所示。
下面，根据象差叙述在上述第6实施例及第7实施例中，外界的影象用具有非球面的眼睛一侧的平行平面板的非球面进行观察将会变成为什么样子。
下述的数据示出第14图所示的那样的从外界一侧使光入射后到达眼睛之间的系统，在作为第6面所示的眼睛的位置上设置理想透镜。面编号 曲率半径面间隔折射率阿贝数1 0.000 1960.15002 0.000 2.0000 1.49194 56.093 0.000 25.75004 0.000 1.5000 1.49194 56.095 0.000 11.75006 20.00020.20207 0.000 0.0000上述数据中，第6实施例虽然没有在外界一侧的平行平面板上设置非球面，但第7实施例中眼睛一侧的平行平面板的非球面的非球面量大，为此，外界影象畸变，在外界一侧的平行平面板上设置了用于修正该畸变的非球面。设在该第7实施例外界一侧的平行平面板的非球面的非球面系数如下述。另外，第4面是上述第6实施例及第7实施例中示出的非球面。
第3面K＝0A2＝7.548915×10-9A3＝-7.011273×10-9A4＝1.160533×10-12上述数据的象差图即从外界-0.5屈光度的位置使光入射，通过外界侧平行平面板，再通过眼睛一侧的平行平面板由无象差的理想透镜成象时的象差图如第15图至第17图所示。这些象差图中，第15图是在第6实施例中由上述来自外界的光产生的象差，第16图示出了在第7实施例中在外界一侧的平行平面板上没有设置非球面系的象差，第17图示出了在第7实施例中外界一侧的平行平面板上设置具有上述非球面系数的非球面系的象差。
如图所示，第6实施例中见到外界的影象时能够以没有什么象差的影象进行观察。另外，第7实施例中由于眼睛一侧的平行平面板的非球面，象差大。但是，通过在该第7实施例的外界一侧的平行平面板上设置非球面，象差减小。
如以上所述，本发明的头戴式显示装置是小型并取得均衡的结构，使用上理想。另外，其光学系统几乎没有色差，色差之外的各象差也保持良好平衡状态，能够以良好的图象进行观察，另外，如果把放大反射镜作成为菲涅尔反射镜，则在保持良好图象的同时能够进一步高倍率化及小型化。
权利要求
1.头戴式显示装置，在把用图象显示装置得到的图象和外界的影象重合起来进行观察的头戴式显示装置中，由透过及反射来自上述图象显示装置的图象的光的合成器和对于上述合成器配置在上述图象装置相反一侧的放大反射镜构成；来自上述图象显示装置的图象的光透过上述合成器，由放大反射镜反射后再被合成器反射投向观察者眼睛的方向，另一方面来自外界的光透过合成器投向观察者眼睛的方向，由此，使图象显示装置的影象和外界的影象重合进行观察。
2.头戴式显示装置，在把用图象显示装置得到的图象和外界的影象重合进行观察的头戴式显示装置中，由透过及反射来自上述图象显示装置的图象的光的合成器和对于上述合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的放大反射镜构成；另外，通过在上述图象显示装置和合成器之间配置象差修正用的放大率弱的透镜，来自上述图象显示装置的图象的光透过上述象差修正用的透镜后，透过上述合成器，由放大反射镜反射后再由合成器反射投向观察者眼睛的方向，另一方面来自外界的光透过合成器投向观察者眼睛的方向，由此，使图象显示装置的影象和外界的影象重合进行观察。
3.权利要求1或权利要求2中记述的头戴式显示装置，特征在于上述放大反射镜是凹面反射镜。
4.权利要求1或权利要求2中记述的头戴式显示装置，特征在于上述放大反射镜是菲涅尔反射镜。
5.光学系统，由图象显示装置、透过及反射来自该图象显示装置的光的合成器、对于该合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的凹面反射镜、配置在上述图象显示装置和上述合成器之间的辅助透镜构成；来自上述图象显示装置的图象的光通过上述辅助透镜和上述合成器被凹面反射镜反射后再由上述合成器投向观察者眼睛的方向，另外，外界的光透过上述合成器投向观察者眼睛的方向，使图象显示装置的影象和外界的影象重合进行观察，并满足下述条件式(1)和(2)，0.8＜f/fR≤1.0 (1)0.65＜d/fR＜0.9(2)上述式中f是光学系统总体的焦距，fR是仅仅凹面反射镜自身的焦距，d是凹面反射镜和辅助透镜的合成器一侧的面0屈光度时的间隔。
6.权利要求5中记述的显示用光学系统，其中，凹面反射镜是存在于以下面(3)式表示的椭圆旋转面S1和式(4)表示的椭圆旋转面S2之间存在的非球面，z=Cy21+1-(k1+1)C2y2---(3)]]>其中，k1C2＝7.5×10-5z=Cy21+1-(k2+1)C2y2---(4)]]>其中，k2C2＝1.0×10-3另外，上述(3)式、(4)式中，k1，k2是非球面系数，C是面的曲率(曲率半径的倒数)。
7.显示用光学系统，由上述图象显示装置，透过及反射来自该图象显示装置的光的合成器、对于该合成器配置在上述图象显示装置相反一侧的菲涅尔反射镜、配置在上述图象显示装置和上述合成器之间的辅助透镜构成；来自上述图象显示装置的图象的光透过上述合成器，由菲涅尔反射镜反射后由上述合成器投向观察者眼睛的方向，另外，外界的光透过上述合成器投向观察者眼睛的方向，使图象显示装置的影象和外界的影象重合进行观察，并且满足下述条件式(5)、(6)，0.8＜f/fR≤1.0 (5)0.65＜d/fR＜0.95(6)上述式中，f是光学系统总体的焦距，fR是仅仅菲涅尔反射镜自身的焦距，d是菲涅尔反射镜和辅助透镜的合成器一侧的面0屈光度时的间隔。
8.权利要求7中记述的显示用光学系统，其中，把菲涅尔反射镜复原为连续单一面时的面是存在于以下面式(7)表示的椭圆旋转面S3和以式(8)表示的椭圆旋转面S4之间的非球面，z=Cy21+1-(k3+1)C2y2---(7)]]>其中，k3C2＝7.5×10-5z=Cy21+1-(k4+1)C2y2---(8)]]>其中，k4C2＝-1.0×10-3另外，上述(7)式、(8)式中k3，k4是非球面系数，C是面的曲率(曲率半径的倒数)。
全文摘要
一种小型的头戴式显示装置，它使图象显示装置和放大反射镜对于合成器对称配置为大致上图象显示装置的象和外界的影象重合进行观察。另外，用菲涅尔反射镜进一步小型化。还有，放大反射镜是非球面，且通过把该非球面的形状作成为适宜的形状，使得可良好地修正象差。
文档编号H04N5/74GK1146244SQ95192121
公开日1997年3月26日 申请日期1995年12月7日 优先权日1994年12月9日
发明者中山茂, 户崎健司 申请人:株式会社恩普乐司, 世嘉企业股份有限公司