專利名稱：視覺顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能通過雙眼進行觀察的視覺顯示裝置。
背景技術(shù)：
關(guān)于視覺顯示裝置例如已知專利文獻1 專利文獻4中的技術(shù)。專利文獻1記載的視覺顯示裝置采用如下配置，即第1反射面與2維圖像顯示元 件相對，第2反射面與眼點相對，并且將第1反射面和2維圖像顯示元件連接的光軸與將第 2反射面和眼點連接的光軸交叉。本視覺顯示裝置通過采用這種配置，從而整體尺寸變得緊 湊，目鏡光學系統(tǒng)內(nèi)的光亮降低度小，而且能在寬的視場角內(nèi)對像差進行良好校正。另外，根據(jù)專利文獻2、3公開了如下的視覺顯示裝置，使具有特定形狀的2個反射 面彼此相對，從一個方向觀察配置于另一方向的物體，從而能觀察真實的物體虛像。另外，專利文獻4公開了通過將2個凹面鏡相對于物體配置于特定位置，從而相對 于觀察者在空間上形成物體的3維像的視覺顯示裝置以及能把3維像與通過錄像帶放映出 的視頻合成的視覺顯示裝置。專利文獻專利文獻1日本專利第3486465號公報專利文獻2日本專利第3092162號公報專利文獻3美國專利第4802750號說明書專利文獻4美國專利第5311357號說明書在專利文獻1 專利文獻4所述的視覺顯示裝置中，沒有詳細提及雙眼觀察時的 問題點。在專利文獻1所述的視覺顯示裝置中，僅公開了嘗試雙眼觀察時，通過在單只眼上 配置由顯示元件和目鏡光學系統(tǒng)構(gòu)成的一組顯示單元，使用2組這樣的顯示單元來進行觀 察的內(nèi)容，沒有任何有關(guān)雙眼觀察時產(chǎn)生的問題點的內(nèi)容。另外，專利文獻2是將裝置內(nèi)的多個顯示面投影于裝置外的不同空間的光學系 統(tǒng)。專利文獻3、專利文獻4也涉及將裝置內(nèi)的顯示面和物體投影于裝置外與觀察者之間的 空間的光學系統(tǒng)，沒有任何關(guān)于雙眼觀察時的問題點的特別描述。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術(shù)中通過雙眼進行觀察的視覺顯示裝置的問題點而完成的， 其目的在于提供一種通過1個2維圖像顯示面在能通過雙眼觀察的遠方顯示虛像，使虛像 的可見度與雙眼觀察時的集合大致一致，從而能抑制觀察者的眼部疲勞的視覺顯示裝置。為了達成上述目的，本發(fā)明的視覺顯示裝置由顯示觀察像的1個2維圖像顯示面 和形成用于把上述觀察像引導至觀察者的雙眼的2個眼點的目鏡光學系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在 于，上述目鏡光學系統(tǒng)至少包括具有第1反射面的第1光學元件和具有第2反射面的第2光 學元件，該視覺顯示裝置被配置成，按照從上述眼點至2維顯示面的反向追蹤的光路順序， 上述第1反射面與上述眼點相對，并且該視覺顯示裝置被配置成，上述第2反射面與上述2
3維圖像顯示面相對，并且將上述第1反射面和上述眼點相連接的光軸與將上述第2反射面 和上述2維圖像顯示面相連接的光軸交叉，上述第1反射面和上述第2反射面都具有正的 屈光力，基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的可見度之差SOiT1)大致一致。說明一下該構(gòu)成的作用。通常的方法是使用具有正屈光力的大型透射透鏡或菲涅 耳透鏡來放大較小的顯示面來進行觀察，而在通過直線來確保光路長度的情況下，存在裝 置在縱深方向變得大型的問題。雖然采用偏心光路使光路彎折也能實現(xiàn)小型化，然而這種 情況下觀察者與顯示面會產(chǎn)生干涉而使偏心角度變大，產(chǎn)生較大的偏心像差，無法觀察到 較寬的眼點和高精度的視頻。以往存在在雙眼分別配置目鏡光學系統(tǒng)和顯示元件來提供觀察像的所謂 HMD (Head Mount Display，頭戴顯示器)那樣的視覺顯示裝置，而在這種提供能通過雙眼觀 察的像的視覺顯示裝置中，在采取偏心光路的情況下無法忽視目鏡光學系統(tǒng)的偏心像差。在通過雙眼進行觀察的本發(fā)明這樣的光學系統(tǒng)的情況下，由于人類的瞳距為 55 66mm，因此使?jié)M足這種條件的寬眼點不存在像差是不可能的，會產(chǎn)生某種程度的像 差。由于在兩個眼點之間發(fā)生這樣的像差，因此產(chǎn)生基于幅楱的虛像位置。另一方面，觀察 視頻的瞳孔直徑大約為4mm，像差導致的像的惡化較少，基于可見度的虛像位置的變化也較 少，因而會產(chǎn)生基于可見度與基于集合的虛像位置的差異。這種基于可見度的虛像位置與 基于集合的虛像位置的差異就成為觀察圖像的觀察者眼部疲勞的原因。本發(fā)明使用2面的反射面并采用交叉光路，而且構(gòu)成為2個反射面都為具有正屈 光力的反射面，從而既能實現(xiàn)裝置小型化，又能避免顯示面與觀察者的干擾，能通過較寬的 眼點提供廣角且高精度的觀察像，在這種視覺顯示裝置中，通過使基于可見度的虛像位置 與基于集合的虛像位置大致一致，從而能提供對于觀察者而言眼部疲勞較少的觀察像。更為優(yōu)選的是，基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的可見度之差 SOiT1)滿足如下條件式(1) -0. 5彡S彡0. 5. · · (1)。說明一下該構(gòu)成的作用。通過使基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的 可見度之差SOiT1)的上限為0. 5m—1、下限為-0. 5m—1，從而能進一步抑制觀察者的眼部疲勞。更為優(yōu)選的是，基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的可見度之差 SOiT1)滿足如下條件式 O) :-0. 2 ^ S ^ 0. 2. .. (2) ο說明一下該構(gòu)成的作用。通過使基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的 可見度之差SOiT1)的上限為0. 2m—1、下限為-0. 2m—1，從而能更為有效地抑制觀察者的眼部疲勞。更為優(yōu)選的是，上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1個面是自由曲面。說明一下該構(gòu)成的作用。通過使上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1個 面為自由曲面，從而能校正在畫面上下方向非對稱地產(chǎn)生的偏心像差，有效抑制基于可見 度的虛像位置與基于集合的虛像位置的可見度之差S。還優(yōu)選上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1個面的形狀為，隨著上述第1 反射面與上述第2反射面的距離變短，連接上述2個眼點的方向的曲率變緩和。說明一下該構(gòu)成的作用。在使具有正屈光力的第1反射面與第2反射面相對的情 況下，隨著第1反射面與第2反射面的距離變短，共軛距離也變短，這種共軛距離之差就成 為像面彎曲的原因。在本構(gòu)成中第1反射面、第2反射面中的至少1個面采用隨著第1反射面與第2反射面的距離變短、連接2個眼點的方向(X方向)的曲率變緩和的形狀，從而 能減弱第1反射面與第2反射面的距離較短部位處的屈光力，能抑制像面彎曲的產(chǎn)生。另外，通過采取這種形狀，從而基于集合的虛像位置在觀察畫面上下方是不同的， 即使基于可見度的虛像位置在畫面上下方存在一定距離，也能解決由于基于集合的虛像位 置上下不對稱地變化而使得通過雙眼觀察時會觀察到顯示面傾斜的問題。更為優(yōu)選的是使上述第1反射面的自由曲面具有X2Y項，從而隨著第1反射面與第 2反射面的距離變短，連接2個眼點的方向(X方向)的曲率有效地變緩和。對自由曲面的 定義式適當賦予X2Y項，從而能易于校正基于集合的觀察虛像面的傾斜。另外特征還在于，當按照從上述眼點至上述2維圖像顯示面的光路順序設(shè)上述 第1光學元件的焦距為F1、上述第2光學元件的焦距為F2時，滿足如下條件式(3) 0. 1 < F1/F2 < 2. · · (3)。說明一下該構(gòu)成的作用。即使超過了上述條件式的下限，或即使超過了上限，則1 個光學元件也會具有極端屈光力。這種屈光力的偏頗會增大光學系統(tǒng)整體的偏心像差，基 于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置會不同。在本構(gòu)成之中，通過考慮到第1光學 元件與第2光學元件的屈光力的平衡，從而能抑制偏心像差的產(chǎn)生。特征還在于第1反射面、第2反射面之中的至少1個面為復(fù)曲面。尤其優(yōu)選為了校 正較多產(chǎn)生的像散而利用復(fù)曲面構(gòu)成在從眼點至顯示面的光路上鄰近眼點的第1反射面。 通過采用復(fù)曲面能改變Y-Z剖面與X-Z剖面的曲率，能校正像散。而且還能既抑制像散的 產(chǎn)生也能有效校正基于集合的虛像位置。更為優(yōu)選的是，使第1反射面與第2反射面都為復(fù)曲面。通過使兩個面都為復(fù)曲 面，能更好地校正像散的產(chǎn)生。進而，在本發(fā)明中，通過投影光學系統(tǒng)放大投影小型顯示元件也能形成2維圖像 顯示面。通過在攝影像附近配置具有擴散性的擴散面，能使得投影光學系統(tǒng)的光束直徑變 細，在減少投影光學系統(tǒng)的負擔的同時，可確保即使觀察者略有動作也能觀察到觀察視頻 的較寬的觀察區(qū)域。進而，當配置與左右眼球?qū)?yīng)的2個投影光學系統(tǒng)，將2個投影光學系統(tǒng)的投影像 投影于擴散面的同時，控制擴散面的擴散角以不引起2個視頻的交調(diào)失真來觀察立體像。 另外，使用偏光板和偏光眼鏡，或者使用液晶快門眼鏡的分時顯示也能進行雙眼立體觀察。 進而，通過使與眼點相對的第1光學元件為半透射面，從而還能構(gòu)成為重疊顯示外部視頻 與電子像的所謂合成器。如上，根據(jù)本發(fā)明能通過可使用雙眼觀察可見度與集合大致一致的圖像的視覺顯 示裝置來抑制觀察者的眼部疲勞。


圖1是包含本發(fā)明實施例1的光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖2是包含本發(fā)明實施例1的光學系統(tǒng)的中心光線的X-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖3是表示本發(fā)明實施例1的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖的圖。
圖4是包含本發(fā)明實施例2的光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖5是包含本發(fā)明實施例2的光學系統(tǒng)的中心光線的X-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖6是表示本發(fā)明實施例2的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖的圖。圖7是包含本發(fā)明實施例3的光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖8是包含本發(fā)明實施例3的光學系統(tǒng)的中心光線的X-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖9是表示本發(fā)明實施例3的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖的圖。圖10是包含本發(fā)明實施例4的光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖11是包含本發(fā)明實施例4的光學系統(tǒng)的中心光線的X-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖12是表示本發(fā)明實施例4的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖的圖。圖13是包含本發(fā)明實施例5的光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖14是包含本發(fā)明實施例5的光學系統(tǒng)的中心光線的X-Z剖面圖和光線的投影 圖。圖15是表示本發(fā)明實施例5的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖的圖。圖16是表示本發(fā)明各實施例的相對于觀察視場角的X方向的像偏移量的圖。符號說明1第1光學元件；11第1反射面；2第2光學元件；21第2反射面；3像面Q維圖 像顯示面)；4(R、L)光圈；41(R、L)光圈中心；10(R、L)中心光線。
具體實施例方式下面根據(jù)實施例1 實施例5說明本發(fā)明的視覺顯示裝置。并且在這些實施例中， 設(shè)定所觀察的虛像面(軌跡上為物體面)在an遠，但也可以任意設(shè)定。首先關(guān)于以下的數(shù) 值實施例說明中使用的坐標系和偏心面進行說明。其中，以對實施例ι進行說明的圖1、圖 2為例進行說明，而對于其他實施例中的坐標系和偏心面也相同。圖1是包含實施例1的光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影圖，圖2 是包含實施例1的光學系統(tǒng)的中心光線的X-Z剖面圖和光線的投影圖。如圖2所示，設(shè)左 右兩個光圈中心41L和41R的中間點為原點0。本實施方式的光學系統(tǒng)配置成垂直于連接 左右兩個光圈中心41L、41R的直線、且關(guān)于包含原點0的平面A(Y-Z平面)對稱。并且，在 各實施例中，左右兩個光圈41L、41R間的距離、即觀察者雙眼的眼距被設(shè)計為60mm。圖1示出包含右光圈中心41R且被平行于平面A的平面切斷的剖面圖以及光線在 平行于該平面A的平面上的投影圖。并且，本實施方式的光學系統(tǒng)關(guān)于平面A而對稱配置， 因而關(guān)于左光圈中心41L的剖面圖、光線的投影圖與圖1相同。在該剖面圖中，從像面3 O維圖像顯示面)的中心放射的光具有在第2光學元件2的反射面21、第1光學元件1的反射面11被反射，射入光圈中心41R的光路。把該光路 定義為中心光線10。如果延長圖2所示的左右中心光線10R、10L，則這些中心光線10RU0L 彼此交叉。在本實施方式之中，連接原點0與該交叉點的直線為Z軸。圖1示出右方向具 有該Z軸的正向的Y-Z平面和以從紙面近前側(cè)朝背面?zhèn)鹊姆较蜃鳛檎较虻腦軸。另外， 圖2示出右向具有Z軸正方向的X-Z平面和以從紙面背面?zhèn)瘸皞?cè)的方向作為正方向的 Y軸。關(guān)于偏心面，對其賦予了該面的面頂位置(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向分別為 X、Y、Z，單位mm)相對于光學系統(tǒng)的原點中心的偏心量以及分別以該面的中心軸(對于自 由曲面而言是后述(a)式的Z軸)的X軸、Y軸、Z軸為中心的傾角(分別為α、β、γ，單 位° )。這種情況下，α和β的正表示相對于各軸正方向的逆時針旋轉(zhuǎn)，Y的正表示相 對于Z軸正方向的順時針旋轉(zhuǎn)。并且，面的中心軸的α、β、Υ的旋轉(zhuǎn)方式是使面的中心軸 及其XYZ正交坐標系首先繞X軸逆時針旋轉(zhuǎn)α，然后使該旋轉(zhuǎn)后的面的中心軸繞新的坐標 系的Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)β，并且使旋轉(zhuǎn)了 1次的坐標系也繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)β，接下來使該 旋轉(zhuǎn)了 2次的面的中心軸繞新的坐標系的新坐標系的Z軸順時針旋轉(zhuǎn)Y。另外，當構(gòu)成各數(shù)值實施例的光學系統(tǒng)的光學作用面中特定的面和與其連續(xù)的面 構(gòu)成共軸光學系統(tǒng)的情況下，將被賦予面間隔。關(guān)于折射率、阿貝系數(shù)，標記出相對于d線 (波長587. 56nm)的數(shù)值。并且，下述數(shù)據(jù)中的“e-OOn (η為整數(shù))，，表示“ X 10_η”。 參照圖1 圖3對實施例1說明其構(gòu)成以及數(shù)值實施例。圖1是包含實施例1的 光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影圖，圖2是包含實施例1的光學系統(tǒng)的中 心光線的X-Z剖面圖和光線的投影圖。在這些圖中，描述了基于從光圈4朝向像面乂2維 圖像顯示面)的逆光軌跡的光線。如圖1所示，本實施方式的視覺顯示裝置構(gòu)成為包含顯示圖像的像面乂2維圖像 顯示面)以及具有第1光學元件1和第2光學元件2的目鏡光學系統(tǒng)。該目鏡光學系統(tǒng)形 成用于把顯示于像面3上的觀察像引導至觀察者雙眼的2個眼點(正好相當于光圈4)。像面3能通過各種顯示元件形成。作為形成該像面的顯示元件，除了液晶顯示元 件那樣通過像面3直接形成圖像的部件之外，還能采用將像面用作屏幕的投影光學系統(tǒng)。 采用投影光學系統(tǒng)的情況下，通過把具有擴散性的擴散面配置于投影像附近，從而能使得 投影光學系統(tǒng)的光束直徑變細，在減輕投影光學系統(tǒng)的負擔的同時，即使觀察者略有動作 也能確?？捎^察到觀察視頻的較寬的觀察區(qū)域。進而，配置與左右眼球?qū)?yīng)的2個投影光學系統(tǒng)，能將2個投影光學系統(tǒng)的投影像 投影于擴散面，同時控制擴散面的擴散角以不會引起2個視頻的交調(diào)失真來觀察立體像。 另外，使用偏光板和偏光眼鏡，或者通過使用液晶快門眼鏡的分時顯示也能進行雙眼立體 觀察。第1光學元件1和第2光學元件2是背面分別具有第1反射面11、第2反射面21 的(所謂“背面鏡”)的光學元件。并且，通過使位于與眼點相對的一側(cè)的第1光學元件1 為半透射面，從而還能構(gòu)成為重疊顯示外部視頻與電子像的所謂合成器。形成于像面3 O維圖像顯示面)上的圖像在第2光學元件2的第2反射面21、第 1光學元件1的第1反射面11被反射，被引導至光圈4由觀察者觀察。本實施方式中，通過使基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置大致一致，從而能提供對于觀察者而言眼 部疲勞較少的觀察像。對于這些基于可見度的虛像位置和基于集合的虛像位置以及這些它 們的可見度之差，在所有實施例中進行統(tǒng)一說明。 圖3表示實施例1的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖。該橫像差圖中，左上所示角度表 示(水平方向視場角、垂直方向視場角)，表示該視場角下的Y方向(子午方向)和χ方向 (弧矢方向)的橫像差。并且，負的視場角對于水平方向視場角而言表示朝Y軸正方向向右 旋轉(zhuǎn)的角度，對于垂直方向視場角而言表示朝X軸正方向向右旋轉(zhuǎn)的角度。
數(shù)值實施例1 單位 mm
視場角35° 上下20° 入射瞳孔直徑(反向追蹤)
面編號曲率半徑
物體面圓筒形面1:
1光圈面
2-822.82
3-822.82 (反射面)
4-822.82
51044.14
61044.14 (反射面)
71044.14
15. 00
面間隔 -2000.00
像面OO
圓筒形面1
X方向曲率半徑-200000
Y方向曲率半徑OO
偏心⑴
X 30.00 Y 0.00Z0. 00
α 0.00 β 0.00Y0. 00
偏心⑵
X 0.00 Y 0.00Z255. 00
α 22. 50 β 0.00Y0. 00
偏心⑶
X 0.00 Y 0.00ζ0. 00
α 22. 50 β 0.00Y0. 00
偏心⑷
X 0.00 Y-75.00Z 180.00
α 67. 50 β0. 00γ 0. 00
偏心 折射率 阿貝數(shù) 偏心(1)
偏心(2) 1.4918 57.4 偏心(3) 1.4918 57.4 偏心(2)
偏心(4) 1.4918 57.4 偏心(5) 1.4918 57.4 偏心⑷ 偏心(6)
偏心(5)X 0. 00 Y -80. 00 Z 180. 00α 67. 50 β 0.00 γ 0. 00偏心(6)X 0. 00 Y 78. 98 Z 181. 58α 90.00 β 0.00 γ 0. 00參照圖4 圖6對實施例2說明其構(gòu)成以及數(shù)值實施例。圖4是包含實施例2的 光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影圖，圖5是包含實施例2的光學系統(tǒng)的中 心光線的X-Z剖面圖和光線的投影圖。在這些圖中，描繪了基于從光圈4朝向像面乂2維 圖像顯示面)的逆光軌跡的光線。如圖4所示，本實施方式的視覺顯示裝置構(gòu)成為包含顯示圖像的像面乂2維圖像 顯示面)以及具有第1光學元件1和第2光學元件2的目鏡光學系統(tǒng)。該目鏡光學系統(tǒng)形 成用于把顯示于像面3上的觀察像引導至觀察者雙眼的2個眼點(正好相當于光圈4)。像面3表示顯示圖像的面，如實施例1所說明的那樣，能通過投影光學系統(tǒng)等各種 顯示元件來形成。第1光學元件1和第2光學元件2是背面分別具有第1反射面11、第2反射面21 的(所謂“背面鏡”)的光學元件。在本實施方式中尤其采取了使各光學元件中的光射入一 側(cè)的形狀(本實施方式中為使曲率半徑為⑴的平面形狀)與光反射的一側(cè)(反射面)的形 狀不同，從而抑制偏心像差的設(shè)計。并且，通過使位于與眼點相對一側(cè)的第1光學元件1為 半透射面，從而還能構(gòu)成為重疊顯示外部視頻與電子像的所謂合成器。形成于像面3 O維圖像顯示面)上的圖像在第2光學元件2的第2反射面21、第 1光學元件1的第1反射面11被反射，被引導至光圈4由觀察者觀察。本實施方式中，通過 使基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置大致一致，從而能提供對于觀察者而言眼 部疲勞較少的觀察像。對于這些基于可見度的虛像位置和基于集合的虛像位置以及它們的 可見度之差，在所有實施例中進行統(tǒng)一說明。圖6表示實施例2的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖。該橫像差圖中，左上所示角度表 示(水平方向視場角、垂直方向視場角)，表示該視場角下的Y方向(子午方向)和χ方向 (弧矢方向)的橫像差。并且，負的視場角對于水平方向視場角而言表示朝Y軸正方向向右 旋轉(zhuǎn)的角度，對于垂直方向視場角而言表示朝X軸正方向向右旋轉(zhuǎn)的角度。數(shù)值實施例2單位 mm視場角 35° 上下20°入射瞳孔直徑(反向追蹤)15.00
面編號 曲率半徑 面間隔 偏心 折射率 阿貝數(shù)
物體面 圓筒形面1-2000.001 9光圈面L 3-1133.47 (反射面)4OO
5CO6 η2573.09 (反射面)/ 像面OO
圓筒形面1
X方向曲率半徑 -200000
Y方向曲率半徑①
偏心⑴
X 30.00Y0.00 Z0. 00
α 0. 00β0.00 γ0. 00
偏心
X 0.00Y0.00 Z250.00
α 22. 50β0.00 γ0. 00
偏心⑶
X 0.00Y0.00 Z260.00
α 22. 50β0. 00 γ0. 00
偏心
X 0.00Y-70.00 Z180.00
α 67. 50β0.00 γ0. 00
偏心⑶
X 0.00Y-80.00 Z180.00
α 67. 50β0.00 γ0. 00
偏心(6)
X 0.00Y78.98 Z181. 35
α 90.00β0.00 γ0. 00
參照圖 圖9對實施例3說明其構(gòu)成以及
偏心(1)
偏心(2)1.4918 57.4
偏心(3)1.4918 57.4 偏心(2)
偏心(4)1.4918 57.4
偏心(5)1.4918 57.4 偏心(4) 偏心(6)
宣實施例。圖7是包含實施例3的 光學系統(tǒng)的中心光線的Y-Z剖面圖和光線的投影圖，圖8是包含實施例3的光學系統(tǒng)的中 心光線的X-Z剖面圖和光線的投影圖。在這些圖中，描述出基于從光圈4朝向像面乂2維 圖像顯示面)的逆光軌跡的光線。如圖7所示，本實施方式的視覺顯示裝置構(gòu)成為包含顯示圖像的像面乂2維圖像 顯示面)以及具有第1光學元件1和第2光學元件2的目鏡光學系統(tǒng)。該目鏡光學系統(tǒng)形 成用于把顯示于像面3的觀察像引導至觀察者雙眼的2個眼點(正好相當于光圈4)。像面3表示顯示圖像的面，如實施例1所說明的那樣，能通過投影光學系統(tǒng)等各種顯示元件來形成。第1光學元件1和第2光學元件2是背面分別具有第1反射面11、第2反射面21 的(所謂“背面鏡”)的光學元件。在本實施方式中尤其采取了使各光學元件中的光射入一 側(cè)的形狀(本實施方式中為使曲率半徑為⑴的平面形狀)與光反射一側(cè)(反射面)的形狀 不同，從而抑制偏心像差的設(shè)計。并且，通過使位于與眼點相對一側(cè)的第1光學元件1為半 透射面，從而還能構(gòu)成為重疊顯示外部視頻與電子像的所謂合成器。形成于像面3 (2維圖像顯示面)的圖像在第2光學元件2的第2反射面21、第1 光學元件1的第1反射面11被反射，被引導至光圈4由觀察者觀察。本實施方式中，通過 使基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置大致一致，從而能提供對于觀察者而言眼 部疲勞較少的觀察像。對于這些基于可見度的虛像位置和基于集合的虛像位置以及它們的 可見度之差，在所有實施例中進行統(tǒng)一說明。圖9表示實施例3的光學系統(tǒng)整體的橫像差圖。該橫像差圖中，左上所示角度表 示(水平方向視場角、垂直方向視場角)，表示該視場角下的Y方向(子午方向)和χ方向 (弧矢方向)的橫像差。并且，負的視場角對于水平方向視場角而言表示朝Y軸正方向向右 旋轉(zhuǎn)的角度，對于垂直方向視場角而言表示朝X軸正方向向右旋轉(zhuǎn)的角度。本實施方式中在第1反射面11、第2反射面21采用菲涅耳面。通過采用菲涅耳 面，既能實現(xiàn)第1光學元件1、第2光學元件2的薄型化，又能使裝置整體變小。并且，對數(shù)值實施例中描述的菲涅耳面進行定義的k是對如下非球面進行定義的 定義式中所示的圓錐常數(shù)。Z= (y2/R)/[l+(l-(l+k)y2/R2)1/2]+Ay4+By6+Cy8+Dy10+......其中，R是近軸曲率半徑，A、B、C、D分別是4次、6次、8次、10次的非球面系數(shù)，本 實施方式的菲涅耳面中這些非球面系數(shù)都為0。數(shù)值實施例3單位 mm視場角 35° 上下20°入射瞳孔直徑(反向追蹤)15.00
權(quán)利要求
1.一種視覺顯示裝置，其由顯示觀察像的1個2維圖像顯示面和目鏡光學系統(tǒng)構(gòu)成，該 目鏡光學系統(tǒng)形成用于把上述觀察像引導至觀察者的雙眼的2個眼點，其特征在于，上述目鏡光學系統(tǒng)至少包括具有第1反射面的第1光學元件和具有第2反射面的第2 光學元件，該視覺顯示裝置被配置成，按照從上述眼點至2維顯示面的光路的反向追蹤的順序， 上述第1反射面與上述眼點相對，該視覺顯示裝置被配置成，上述第2反射面與上述2維圖像顯示面相對，并且將上述第 1反射面和上述眼點相連接的光軸與將上述第2反射面和上述2維圖像顯示面相連接的光 軸交叉，上述第1反射面和上述第2反射面都具有正的屈光力，基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的可見度之差SOiT1)大致一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺顯示裝置，其特征在于，基于可見度的虛像位置與基于 集合的虛像位置的可見度之差SOiT1)滿足如下條件式(1)-0. 5 彡 S 彡 0. 5. · · (1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺顯示裝置，其特征在于，基于可見度的虛像位置與基于 集合的虛像位置的可見度之差SOiT1)滿足如下條件式O)-0. 2 彡 S 彡 0. 2. · · (2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺顯示裝置，其特征在于，上述第1反射面、上述第2反射 面中的至少1個面是自由曲面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的視覺顯示裝置，其特征在于，上述第1反射面、上述第2反射 面中的至少1個面的形狀為，隨著上述第1反射面與上述第2反射面的距離變短，連接上述 2個眼點的方向的曲率變緩和。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的視覺顯示裝置，其特征在于，當按照從上述眼點至上述2維圖 像顯示面的光路順序設(shè)上述第1光學元件的焦距為F1、上述第2光學元件的焦距為F2時， 滿足如下條件式(3)·0. 1 < F1/F2 < 2. · · (3)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種視覺顯示裝置，通過用雙眼觀察能見度與集合大致一致的圖像，從而能抑制觀察者的疲勞。作為解決手段，本發(fā)明的視覺顯示裝置的特征在于，按照從眼點(4)至2維顯示面(3)的反向追蹤的光路順序，將第1反射面(11)配置為與眼點(4)相對，將第2反射面(21)配置為與2維顯示面(3)相對，并且配置成將第1反射面(11)和眼點(4)相連接的光軸與將第2反射面(21)和2維圖像顯示面(3)相連接的光軸交叉，第1反射面(11)和第2反射面(21)都具有正屈光力，基于可見度的虛像位置與基于集合的虛像位置的可見度之差(S)大致一致。
文檔編號G02B27/22GK102109668SQ20101029063
公開日2011年6月29日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者研野孝吉 申請人:奧林巴斯株式會社