虚像显示装置转让专利
申请号 : CN201910689325.8
文献号 : CN110780444B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 武田高司 , 高木将行 , 宫尾敏明 , 山口论人
申请人 : 精工爱普生株式会社
摘要 :
权利要求 :
1.一种虚像显示装置,其具有:图像形成部;
透镜,其使来自所述图像形成部的图像光折射;
第1反射镜部件,其反射通过所述透镜后的图像光;
第2反射镜部件,其反射被所述第1反射镜部件反射后的图像光;以及透过型的第3反射镜部件,其朝向出射光瞳的位置反射被所述第2反射镜部件反射后的图像光,
所述透镜在与由所述第1反射镜部件和所述第2反射镜部件规定的偏芯方向对应的第1方向上隔着光轴具有非对称性,在与所述第1方向正交的第2方向上隔着所述光轴具有对称性,
所述透镜的所述第1方向的屈光力小于所述第2方向的屈光力,所述透镜具有供来自所述图像形成部的所述图像光入射的入射面,该入射面具有与所述光轴大致正交的区域,
在所述透镜中,所述第1方向的一侧的端部的厚度与所述第1方向的另一侧的端部的厚度不同。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述透镜在穿过所述光轴的所述第1方向的截面中具有相互倾斜的一对平坦面区域。
3.根据权利要求2所述的虚像显示装置,其中,所述透镜的所述一对平坦面区域中的所述图像形成部侧的平坦面区域与所述光轴大致正交。
4.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述透镜在穿过所述光轴的所述第2方向的截面中、在整个系统的所述图像形成部侧赋予远心性。
5.根据权利要求4所述的虚像显示装置,其中,所述透镜在穿过所述光轴的所述第2方向的截面中具有正屈光力。
6.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件和所述第3反射镜部件的反射面是非球面或自由曲面。
7.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述透镜的透镜面是非球面或自由曲面。
8.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件、所述第3反射镜部件是具有在板状体的一个表面上形成了反射镜膜的构造的反射镜板。
9.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述虚像显示装置在所述第1反射镜部件与所述透镜之间的光路上还具有第4反射镜部件。
10.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述图像形成部显示对由所述透镜、所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件和所述第3反射镜部件引起的畸变像差进行校正的畸变的修正图像。
11.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述第3反射镜部件覆盖所述出射光瞳的位置,并且朝向所述出射光瞳的位置具有凹形状。
12.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,通过所述透镜、所述第1反射镜部件、所述第2反射镜部件和所述第3反射镜部件的光轴沿着与观察者的一对瞳孔排列的横向交叉且在大致纵向上延伸的平面配置。
13.根据权利要求12所述的虚像显示装置,其中,所述第1反射镜部件和所述第2反射镜部件配置在比所述第3反射镜部件更靠与观察者的头部侧对应的上侧的位置。
14.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述第1反射镜部件的面积大于所述第2反射镜部件的面积。
15.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述透镜由阿贝数为50以上的材料形成。
16.根据权利要求1所述的虚像显示装置,其中,所述第2反射镜部件与所述出射光瞳的位置的距离为14mm以上。
说明书 :
虚像显示装置
技术领域
背景技术
的类型的各种装置。
球面。通过利用偏芯曲面反射镜构成光学系统,与使用导光体的情况相比,容易实现轻量
化。
光学性能,不容易增大视场角。
发明内容
反射镜部件反射后的图像光;以及透过型的第3反射镜部件,其朝向出射光瞳的位置反射被
第2反射镜部件反射后的图像光,透镜在与由第1反射镜部件和第2反射镜部件规定的偏芯
方向对应的第1方向上隔着光轴具有非对称性,在与第1方向正交的第2方向上隔着光轴具
有对称性。
附图说明
反射镜部件;23:第3反射镜部件;24:第4反射镜部件;24a:反射镜板;24c:反射镜膜;24r:反
射面;40:透镜;41、42:透镜面;41a、42a:平坦面区域;50:外观部件;80:框架;100:虚像显示
装置;AX:光轴;DA:显示像;EP:出射光瞳;EY:瞳孔;GL:图像光;IG:投影像;II:中间像;OL:
外界光。
具体实施方式
相当于观察者US的前方向或正面方向。
件21、第2反射镜部件22、第3反射镜部件23。显示器件11、透镜40和第2反射镜部件22一体地
固定,在上部支承在框架80的主体部件81上。此外,第1反射镜部件21和第3反射镜部件23相
互连结而构成一体的外观部件50,在上部和侧部支承在框架80的主体部件81上。外观部件
50在比显示器件11、透镜40和第2反射镜部件22更靠外侧或外界侧以相对于这些显示器件
11进行定位的状态进行配置。外观部件50具有眼镜片状的轮廓,覆盖观察者US的眼睛且具
有向外侧凸出的弯曲形状。另外,在图1等中,仅示出右眼用的虚像显示装置100,但是,左眼
用的虚像显示装置100也具有相同构造,通过组合双眼用的虚像显示装置,成为整体具有眼
镜这种外观的虚像显示装置。另外,关于双眼用的虚像显示装置,能够省略右眼用或左眼用
的部分中的一方,该情况下,成为单眼型的头戴显示器。对光路的概要进行说明,从显示器
件11射出的图像光GL通过透镜40,被第1反射镜部件21反射而入射到第2反射镜部件22。入
射到第2反射镜部件22的图像光GL被第2反射镜部件22反射后被透过型的第3反射镜部件23
反射而入射到出射光瞳EP的位置。
光、Organic Electro‑Luminescence)、无机EL、LED阵列、有机LED、激光器阵列、量子点发光
型元件等为代表的自发光型显示元件,在二维的显示面11a上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。在使用有机EL的显示器
作为显示器件11的情况下,成为具有有机EL控制部的结构。在使用量子点显示器作为显示
器件11的情况下,构成为使蓝色发光二极管(LED)的光通过量子点膜而出现绿色或红色。显
示器件11不限于自发光型显示元件,也可以由LCD及其它光调制元件构成,通过背光这种光
源对该光调制元件进行照明,由此形成图像。作为显示器件11,还能够代替LCD而使用LCOS
(Liquid crystal on silicon,LCoS为注册商标)、数字微镜器件等。
去除梯形畸变这种畸变。由此,即使在投射光学系统12中残存有畸变,通过使显示面11a上
形成的显示像DA预先具有畸变,也能够使经过投射光学系统12而在出射光瞳EP的位置观察
到的虚像的投影像IG的像素排列成为网格图案,能够使轮廓成为矩形。由此,观察者US能够
观察畸变较少的投影像IG,投射光学系统12中的其他像差的校正容易。显示面11a上形成的
显示像(修正图像)DA可以是通过图像处理形成了强制畸变的像。在显示面11a为矩形的情
况下,通过形成强制畸变,形成有空白,但是,在这种空白中也能够显示附加信息。显示面
11a上形成的显示像(修正图像)DA不限于通过图像处理形成了强制畸变的像,例如,也可以
使显示面11a上形成的显示像素的排列对应于强制畸变。该情况下,不需要进行用于校正畸
变的图像处理。进而,还能够使显示面11a具有用于校正像差的弯曲。
定。具体而言,透镜40、第1反射镜部件21、第2反射镜部件22和第3反射镜部件23将偏芯方向
设定在YZ面内。即,通过透镜40、第1反射镜部件21、第2反射镜部件22和第3反射镜部件23的
光轴AX沿着与观察者的一对瞳孔EY排列的横向即X方向交叉且在大致纵向上延伸的平面进
行配置,更具体而言,沿着与X方向正交且在纵向上延伸的YZ平面进行配置。通过沿着纵向
的YZ平面配置光轴AX,容易扩大横向的视场角。即使包含光轴AX的面绕Z轴向顺时针方向或
逆时针方向(即左右)倾斜几10°左右,只要在大致纵向上延伸,则对视场角的影响不会太
大。此外,透镜40配置在比第1反射镜部件21更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧,
第1反射镜部件21配置在比第2反射镜部件22更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧,
第2反射镜部件22配置在比第3反射镜部件23更靠与观察者US的头部侧对应的上侧或+Y侧。
这里,以各反射镜部件21、22、23与光轴AX的交点或切点为基准来考虑上侧或+Y侧。
形成了防反射膜43的构造(参照图8)。透镜面41、42中的至少透镜面42是自由曲面,但也可
以设为非球面。两个透镜面41、42在位于YZ面内的与偏芯方向对应的纵向的第1方向D01上
隔着光轴AX具有非对称性,在与第1方向D01正交的横向的第2方向D02或X方向上隔着光轴
AX具有对称性。这里,纵向的第1方向D01的非对称性表现为一对透镜面41、42的倾斜、即一
对透镜面41、42相对于光轴AX中的透镜40内的部分的交叉角的差异或偏移。另一方面,横向
的第2方向D02的对称性表现为一对透镜面41、42相对于光轴AX中的透镜40内的部分的交叉
角的一致。透镜40例如由树脂形成,但是,也可以设为玻璃制。在抑制产生色像差的观点中,
优选透镜40由阿贝数为50以上的材料形成。
射光学系统12的像差。另外,自由曲面是不具有旋转对称轴的面,作为自由曲面的面函数,
能够使用各种多项式。此外,非球面是具有旋转对称轴的面,但是,是抛物面或多项式所表
示的球面以外的面。
区域41a与光轴AX大致正交,但是,第1反射镜部件21侧的平坦面区域41b相对于光轴AX呈几
10°以下的角度。其结果,透镜40在包含平坦面区域41a、42a的整体中具有在第1方向D01上
具有楔角θ的棱镜的作用,对第1反射镜部件21、第2反射镜部件22等产生的梯形畸变进行校
正。即,投射光学系统12是偏芯光学系统,因此,容易产生梯形畸变这种畸变,能够利用透镜
40的相反的梯形畸变来抵消第1反射镜部件21、第2反射镜部件22等产生的梯形畸变,能够
简易地减少作为虚像的投影像的畸变。另外,很难仅通过透镜40消除畸变,如图6中说明的
那样,通过与使显示面11a上形成的显示像DA预先具有畸变的方法进行组合,能够形成进一
步减少了畸变的投影像。
40在穿过光轴AX的第1方向D01的截面中几乎不具有屈光力,但是,在穿过光轴AX的第2方向
D02的截面中具有正屈光力。透镜40不仅在与穿过光轴AX的横向或X方向对应的第2方向D02
的截面中、在整个系统的显示器件(图像形成部)11侧赋予远心性,在与穿过光轴AX的纵向
或Y方向对应的第1方向D01的截面中,也在整个系统的显示器件(图像形成部)11侧赋予远
心性。即,在纵向的第1方向D01上,投射光学系统12是偏心系统,因此,仅通过轴对称的校正
很难实现,因此,在透镜40中还使用倾斜的面,关于纵向确保远心性。另一方面,在横向的第
2方向D02上,投射光学系统12为轴对称,因此,仅通过透镜40的正屈光力就能够确保远心
性。这里,当视场角增大时,来自显示器件11的主光线向外方向倾斜,因此,在横向的第2方
向D02上设透镜40为正屈光力,但是,在来自显示器件11的主光线向内方向倾斜的情况下,
在横向的第2方向D02上设透镜40为负屈光力。如上所述,通过在纵横方向具有远心性,不容
易由于显示器件11的光轴方向的位置偏移而产生倍率变化,能够进行基于显示器件11的对
焦调整。
了反射镜膜21c的构造的反射镜板21a(参照图9)。第1反射镜部件21的反射面21r例如是自
由曲面,具有与反射镜膜21c的表面或板状体21b的表面21s对应的形状。反射面21r不限于
自由曲面,也可以设为非球面。反射面21r在位于YZ面内的与偏芯方向对应的第1方向D1上
隔着光轴AX具有非对称性,在与第1方向D1正交的第2方向D2或X方向上隔着光轴AX具有对
称性。第1反射镜部件21的板状体21b例如由树脂形成,但是,也可以设为玻璃制。反射镜膜
21c例如由Al、Ag等金属的单层膜L11或多层膜L12形成,但是,也可以设为电介质多层膜
L13。反射镜膜21c能够通过包含蒸镀等方法在内的层叠来形成,但是,也可以通过粘贴片状
的反射膜来形成。
膜22c的构造的反射镜板22a(参照图10)。第2反射镜部件22的反射镜面即反射面22r例如是
自由曲面,具有与反射镜膜22c的表面或板状体22b的表面22s对应的形状。反射面(反射镜
面)22r不限于自由曲面,也可以设为非球面。反射面22r在与位于YZ面内的偏芯方向对应的
第1方向D31上隔着光轴AX具有非对称性,在与第1方向D31正交的第2方向D32或X方向上隔
着光轴AX具有对称性。第2反射镜部件22的板状体22b例如由树脂形成,但是,也可以设为玻
璃制。反射镜膜22c例如由Al、Ag等金属的单层膜L21或多层膜L22形成,但是,也可以设为电
介质多层膜L23。反射镜膜22c能够通过层叠来形成,但是,也可以通过粘贴片状的反射膜来
形成。
出射光瞳EP的位置具有凹形状。第3反射镜部件23是具有在板状体23b的一个表面23s上形
成了反射镜膜23c的构造的反射镜板23a(参照图11)。第3反射镜部件23的反射面23r例如是
自由曲面,具有与反射镜膜23c的表面或板状体23b的表面23s对应的形状。反射面23r不限
于自由曲面,也可以设为非球面。反射面23r在位于YZ面内的与偏芯方向对应的第1方向D41
上隔着光轴AX具有非对称性,在与第1方向D41正交的第2方向D42或X方向上隔着光轴AX具
有对称性。
界的透视观察,能够在外界像上重叠虚像。此时,如果板状体23b薄到几mm程度以下,则能够
将外界像的倍率变化抑制为较小。在容易进行图像光GL的亮度确保、基于透视的外界像观
察的观点中,反射镜膜23c的对于图像光GL或外界光OL的反射率在假设的图像光GL的入射
角范围内为10%以上且50%以下。第3反射镜部件23的板状体23b例如由树脂形成,但也可
以设为玻璃制。反射镜膜23c例如通过电介质多层膜L31形成,该电介质多层膜L31由调整了
膜厚的多个电介质层构成。反射镜膜23c也可以是调整了膜厚的Al、Ag等金属的单层膜L32
或多层膜L33。反射镜膜22c能够通过层叠来形成,但是,也可以通过粘贴片状的反射膜来形
成。
第3反射镜部件23的外界侧形成防反射膜。
别是在使用自由曲面的情况下,容易减少作为非共轴光学系统或偏芯光学系统的投射光学
系统12的像差。
到第2反射镜部件22而被反射镜面22r以接近100%的高反射率反射。来自第2反射镜部件22
的图像光GL入射到第3反射镜部件23,被反射面23r以50%程度以下的反射率反射。被第3反
射镜部件23反射后的图像光GL入射到配置有观察者US的瞳孔EY的出射光瞳EP。在第2反射
镜部件22与第3反射镜部件23之间形成有中间像II。第1反射镜部件21比第2反射镜部件22
更远离中间像II,第1反射镜部件21的面积大于第2反射镜部件22的面积。中间像II是对显
示器件11的显示面11a上形成的图像进行适当放大后的像。为了避免附着于反射面22r上的
异物等的影响,中间像II不与反射面22r交叉。关于在出射光瞳EP的位置观察到的视场角,
假设对角大约48°。
镜。
与第1方向D01正交的第2方向D02上隔着光轴AX具有对称性,因此,将具有多个反射镜的偏
芯反射镜系统作为基础,并且使透镜40的透镜面41、42具有校正适于第1方向和第2方向的
像差的作用,能够在宽视场角的范围内提高分辨率及其它光学性能。
式面的系数。
(XDE,YDE,ZDE)的平移移动的操作,得到(xi,yi,zi)坐标。然后,使(xi,yi,zi)坐标以相对
于其原点移动了倾斜偏置矢量(XOD,YOD,ZOD)的倾斜偏置点为中心旋转,得到赋予了偏芯
和倾斜的(x′,y′,z′)坐标。
像 球 0 无限 折射
光圈 球 0 0 折射
2 球 0 33.7 折射
3 M1 xy多项式面 ‑0.042 ‑15.2 反射
4 球 0 0 折射
5 M2 xy多项式面 ‑0.1 14.7 反射
6 球 0 0 折射
7 M3 xy多项式面 ‑0.045 0 反射
8 球 0 ‑18.1 折射
9 球 0 0 折射
10 xy多项式面 0 ‑4.4 树脂A 折射
11 xy多项式面 0 ‑1 折射
12 球 0 ‑1.1 SILICA 折射
13 球 0 0 折射
物体 球 0 0 折射
件23的反射面23r、第2反射镜部件22的反射镜面22r和第1反射镜部件21的反射面21r。在表
2中,记载了纵向的y曲率半径、相邻的面间的面间隔、折射介质的材质以及面的折射和反
射。另外,在折射介质的材质中,树脂A意味着在可视域内折射率为1.51左右且阿贝数为56
的树脂材质,SILICA意味着可视域内折射率为1.47左右的石英玻璃。
C1 ‑1 0 0 0 0
C2 0 0 0 0 0
C3 0 0 0 ‑2.6 0
C4 0.064 2.315 ‑0.242 ‑6.39 4.603
C5 0 0 0 0 0
C6 0.556 5.61 ‑0.139 0 0
C7 0 0 0 0 0
C8 0 0 0 0 0
C9 0 0 0 0 0
C10 0.653 0.31 ‑0.38 0 0
C11 ‑0.023 4.859 ‑0.017 0 0
C12 0 0 0 0 0
C13 ‑0.027 4.168 ‑0.002 0 0
C14 0 0 0 0 0
C15 0.339 1.227 0.578 0 0
C16 0 0 0 0 0
C17 0 0 0 0 0
C18 0 0 0 0 0
C19 0.009 ‑0.632 ‑0.038 0 0
C20 0 0 0 0 0
C21 0.0751 ‑1.5417 ‑0.3334 0 0
C22 0 0 0.016 0 0
C23 0 0 0 0 0
C24 0 0 ‑0.009 0 0
C25 0 0 0 0 0
C26 0 0 0 0 0
C27 0 0 0 0 0
C28 0 3.056 0.073 0 0
面21r,s10和s11意味着构成透镜40的一对透镜面41、42。另外,系数的数值使用归一化曲率
半径来表示。
x坐标 0 0 0 0
y坐标 13.09 4.13 2.484 7.99
z坐标 0 0 0 0
以x轴为中心而旋转 ‑1.23 ‑10.84 ‑3.5 27.48
以y轴为中心而旋转 0 0 0 0
以z轴为中心而旋转 0 0 0 0
透镜40与第1反射镜部件21之间的光路上还具有第4反射镜部件24。
反射镜部件24的反射面24r例如是自由曲面,具有与反射镜膜24c的表面或板状体24b的表
面24s对应的形状。反射面24r不限于自由曲面,也可以设为非球面。反射面24r在位于YZ面
内的与偏芯方向对应的第1方向D51上隔着光轴AX具有非对称性,在与第1方向D51正交的第
2方向D52或X方向上隔着光轴AX具有对称性。第4反射镜部件24的板状体24b例如由树脂形
成,但是,也可以设为玻璃制。反射镜膜24c例如由金属形成,但是,也可以设为电介质多层
膜。另外,与第1实施方式的情况不同,第2反射镜部件22作为凸面反射镜发挥功能。
镜面41、42在穿过光轴AX的纵向的第1方向D01上相互倾斜。其结果,透镜面41、42在穿过光
轴AX的第1方向D01的截面中具有相互倾斜的一对平坦面区域41a、42a。虽然在附图中无法
明确地知道,但是,在透镜40的下侧,间隔变窄。例如,如果绕X轴赋予坐标的倾斜、或者使自
由曲面的奇数次的系数具有差,则透镜面41、42在纵向的第1方向D01上相互倾斜。
明。
光圈 球 0 0 折射
2 球 0 38.3 折射
3 M1 xy多项式面 ‑0.0169 ‑27.2 反射
4 球 0 0 折射
5 M2 xy多项式面 ‑0.0454 0 反射
6 球 0 25.6 折射
7 M3 xy多项式面 ‑0.0128 ‑13.3 反射
8 球 0 ‑5.5 折射
9 球 0 0 折射
10 M4 xy多项式面 0.0006 0 反射
11 球 0 0 折射
12 球 0 15.1 折射
13 xy多项式面 0.0933 4.7 树脂A 折射
14 xy多项式面 ‑0.0351 0.9 折射
15 球 0 1.1 SILICA 折射
物体 球 0 0 折射
C1 ‑1 0 0 0 0 0
C2 0 0 0 0 0 0
C3 0 0 0 0 0 0
C4 ‑1.084 2.265 ‑1.017 0.849 ‑2.886 0
C5 0 0 0 0 0 0
C6 ‑1.351 12.981 ‑0.565 0.983 ‑0.201 4.781
C7 0 0 0 0 0 0
C8 0 0 0 0 0 4.27
C9 0 0 0 0 0 0
C10 ‑0.481 ‑8.314 0.221 ‑0.002 ‑0.592 1.876
C11 ‑0.019 3.179 ‑0.041 ‑0.092 ‑1.241 1.084
C12 0 0 0 0 0 0
C13 ‑0.056 ‑2.625 0.038 ‑0.139 1.387 ‑9.724
C14 0 0 0 0 0 0
C15 ‑0.318 5.798 0.145 ‑0.034 2.02 ‑10.538
C16 0 0 0 0 0 0
C17 0 0 0 0 0 0
C18 0 0 0 0 0 0
C19 ‑0.04 ‑0.516 0.057 0 0 0
C20 0 0 0 0 0 0
C21 ‑0.092 ‑3.008 0.062 0 0 0
C22 ‑0.004 1.236 ‑0.002 0 0 0
C23 0 0 0 0 0 0
C24 ‑0.007 ‑0.576 ‑0.001 0 0 0
C25 0 0 0 0 0 0
C26 ‑0.014 0.826 0.011 0 0 0
C27 0 0 0 0 0 0
C28 ‑0.012 0.664 0.01 0 0 0
x坐标 0 0 0 0 0 0
y坐标 18.53 ‑10.58 14.8 32.02 ‑1.11 2.9
z坐标 0 0 0 0 0 0
以x轴为中心而旋转 8.95 ‑6.72 25.77 12.2 ‑21.83 ‑5.22
以y轴为中心而旋转 0 0 0 0 0 0
以z轴为中心而旋转 0 0 0 0 0 0
的扫描仪而成的激光扫描仪。
液晶、电子遮光板等。调光器件也可以根据外光照度来调整透过率。在通过调光器件遮断外
界光OL的情况下,能够仅观察未受外界像的作用的虚像。此外,本发明的虚像显示装置能够
应用于遮断外光而仅观察图像光的所谓闭合型的头部搭载型显示装置(HMD)。该情况下,也
可以应对由虚像显示装置和摄像装置构成的所谓视频透视的产品。
件构成,还能够由衍射光栅构成。
中,头戴显示器还包括手持型显示器。