眼镜型图像显示装置 |
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| 申请号 | CN201010268479.9 | 申请日 | 2010-08-30 | 公开(公告)号 | CN102004316A | 公开(公告)日 | 2011-04-06 |
| 申请人 | 奥林巴斯株式会社; | 发明人 | 杉原良平; 龙田成示; 井场阳一; 高桥浩一; | ||||
| 摘要 | 一种眼镜型图像显示装置，其具有：图像输出单元，其包括显示图像并设置在眼镜 框架 上的显示元件；以及反射单元，其被设置为邻近至少一个眼镜镜片并且将从图像输出单元输出的图像光向着眼球反射，使得观看者能看到图像的虚像。反射单元是具有正折射 力 的反射构件，并且从图像输出单元输出并到达观看者的眼球的有效光通量被构造为：使得对于与反射单元的光轴的入射面平行的光轴截面，与光轴垂直的光通量的宽度在反射单元处是最小的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种眼镜型图像显示装置，其包括： |
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| 说明书全文 | 眼镜型图像显示装置技术领域[0001] 本发明涉及眼镜型图像显示装置。 背景技术[0002] 通常地，建议将例如包括保持于眼镜的镜腿(temple)侧的图像输出单元和被保持为邻近眼镜镜片的目镜光学单元的装置作为眼镜型图像显示装置。这种眼镜型图像显 示装置被构造为使得从图像输出单元输出的待显示电子图像的图像光通过目镜光学单元 入射到观看者的眼球上，从而观看者可以看到图像。在这种眼镜型图像显示装置中，该电 子图像和透过眼镜镜片的背景图像通常被叠加并显示在眼球上(这被称作“透视显示(see through display)”)。 [0003] 作为这种技术，已知的是一种具有阻碍正面视线的凹面镜和多个投影镜的装置(参见例如JP5303056(A))以及设置有位于各个眼镜镜片上的全息元件的装置(参 见例如JP2006209144(A))。另外，作为这种眼镜型图像显示装置，已知的是被构造为通 过眼镜框架等来保持图像输出单元以允许图像光从眼镜镜片外部进入的装置(参见例 如JP2001522064(T))以及构造光路以允许图像光进入各个眼镜镜片的装置(参见例如 JP200511306(T))。 发明内容[0004] 然而，根据JP5303056(A)中描述的技术，为了校正由使用大凹面镜而引起的像差，使用复杂的投影光学系统。另外，存在诸如由于凹面镜的尺寸而引起的阻挡以及需要增加透视功能的问题。另外，根据JP2006209144(A)中描述的技术，由于全息光学元件的波长选择性很强，因此需要高成本的方法(例如，使用诸如激光束的光源或者利用高性能滤光 器而仅使用一部分波长)。另外，对于全息光学元件，难以根据每个观看者的屈光度(曲率)来增加调节功能。 [0005] 根据以上内容，本发明的目的在于提供一种眼镜型图像显示装置，该眼镜型图像显示装置使得观看者能同时看到外部视野和电子图像，而不会阻挡他/她的外部视野，并 且该眼镜型图像显示装置可以是体积小、重量轻且成本低的。 [0006] 为了解决上述问题，根据本发明的眼镜型图像显示装置包括：图像输出单元，其具有显示图像并设置在眼镜的框架上的显示元件；以及反射单元，其被设置为邻近至少一个眼镜镜片并且被构造为当观看者戴上所述眼镜时将从图像输出单元输出的图像光向着观 看者的眼球反射，使得观看者能看到所述图像的虚像，其中所述反射单元是具有正折射力 的反射构件，并且从图像输出单元输出并到达观看者的眼球的有效光通量被构造为：使得 对于与反射单元的光轴的入射面平行的光轴截面(包括光轴的截面)，与光轴垂直的有效 光通量的宽度在反射单元处最小。也就是说，在本发明的眼镜型图像显示装置的光学系统 中，反射构件实质上用作起孔径光阑。换言之，对于与入射面平行的光轴截面的出射瞳孔位置可以是反射构件。 [0007] 优选的是，与光轴垂直的截面的最小宽度小于4mm，该4mm是人的平均瞳孔直径。 [0008] 另外，优选地，对于反射构件的反射面，平行于入射面的方向上的宽度小于垂直于入射面的方向上的宽度。 [0009] 另外，优选地，显示元件是矩形形状，并且被设置为使得所述矩形形状的纵向方向对应于反射构件的反射面的最小宽度方向。换言之，即使反射构件是纵向长的，显示元件也可以是横向长的。 [0011] 另外，优选地，反射构件的反射面是自由面(free-form surface)。换言之，反射构件是所谓的自由面反射镜。 [0012] 另外，对于从图像输出单元输出并到达观看者的眼球的有效光通量，横向方向上的瞳孔位置位于反射构件附近，纵向方向上的瞳孔位置比横向方向上的瞳孔位置更靠近观 看者的眼球的瞳孔，其中所述横向方向上的瞳孔位置是对于与反射构件的入射面平行的光 轴截面的出射瞳孔位置，所述纵向方向上的瞳孔位置是对于与反射构件的入射面垂直的光 轴截面的出射瞳孔位置。换言之，对于与入射面平行的光轴截面，反射构件用作孔径光阑，但是对于与入射面垂直的光轴截面，其不用作孔径光阑。 [0013] 另外，优选地，反射构件被嵌入眼镜镜片中。 [0014] 另外，优选地，图像输出单元可绕反射单元的反射面旋转地被保持。 [0015] 另外，优选地，反射单元可旋转地被保持，其旋转轴位于反射构件的反射面中。 [0016] 另外，优选地，在显示元件与反射单元之间设置有偏转棱镜。 [0017] 另外，优选地，所述显示元件被设置为面向观看者的正向，并且从显示元件输出的光线入射到所述偏转棱镜上，被偏转50°至70°，并向着反射单元射出。 [0018] 另外，优选地，偏转棱镜被眼镜的桩头(endpiece)保持，显示元件被眼镜的镜腿保持，并且显示元件沿着与显示表面垂直的方向可移动和可调节。 [0019] 另外，优选地，偏转棱镜被眼镜的桩头保持，显示元件被眼镜的镜腿保持，并且显示元件沿着与显示表面平行的方向可移动和可调节。 [0020] 另外，优选地，在显示元件和反射单元之间设置有纵向像差校正透镜，其用于校正由反射单元的偏心引起的纵向像差。 [0021] 另外，优选地，纵向像差校正透镜的面为自由面的形状。 [0022] 另外，优选地，纵向像差校正透镜被集成在偏转棱镜中。 [0023] 另外，优选地，显示元件是有机EL。 [0024] 另外，优选地，显示元件被设置在相对于观看者正向的投影截面没有遮盖观看者的瞳孔的位置上。 [0026] 图1是示意性地示出根据本发明第一实施方式的眼镜型图像显示装置的主要部件的部分框图； [0027] 图2是示出用于执行本发明的反射单元的实例的示意图； [0028] 图3是当观看者戴上图1中的眼镜型图像显示装置时观看者的右眼侧的正视图； [0029] 图4是示出根据本发明第一实施方式的矩形反射单元的短边方向上的宽度的正视图； [0030] 图5是示出根据本发明第一实施方式的选取的光学元件的基本框图； [0031] 图6是根据本发明第一实施方式的光学系统的沿横向方向的光轴截面以及沿纵向方向的光轴截面的光线图； [0032] 图7是示出根据本发明第二实施方式的眼镜型图像显示装置的构造和使用状态的示意图； [0033] 图8是示出根据本发明第二实施方式的选取的光学元件的基本框图； [0034] 图9是示出根据本发明第二实施方式的瞳孔间调节的实例的示意图； [0035] 图10是示出根据本发明第二实施方式的瞳孔间调节的实例的示意图； [0036] 图11是示意性地示出根据本发明第三实施方式的眼镜型图像显示装置的示意图； [0037] 图12是示意性地示出根据本发明第四实施方式的眼镜型图像显示装置的示意图； [0038] 图13是根据本发明第四实施方式的光学系统的光线图； [0039] 图14是用于比较以示出本发明第四实施方式的效果的光线图； [0040] 图15是示出减小由于本发明的纵向长反射构件而引起的偏心像差的效果的光线图； [0041] 图16是当自由面反射镜的反射面为圆形时的像差图； [0042] 图17是当自由面反射镜的反射面为纵向长矩形时的像差图； [0043] 图18是当自由面反射镜的反射面为横向长矩形时的像差图； [0044] 图19是示意性地示出根据本发明第五实施方式的眼镜型图像显示装置的示意图； [0045] 图20是示意性地示出根据本发明第六实施方式的眼镜型图像显示装置的示意图； [0046] 图21是示意性地示出根据本发明第七实施方式的眼镜型图像显示装置的示意图；以及 [0047] 图22是示意性地示出根据本发明第八实施方式的眼镜型图像显示装置的示意图。 具体实施方式[0048] 以下参照附图来说明本发明的实施方式。 [0049] (第一实施方式) [0050] 图1是示意性地示出根据本发明第一实施方式的眼镜型图像显示装置的主要部件的部分框图。在该示意图中，还示出了当观看者带上眼镜型图像显示装置1时他/她右 眼的眼球2。如该示意图中所示出的，本实施方式的眼镜型图像显示装置1具有设置在眼镜 的框架单元3上的图像输出单元4和将从图像输出单元4输出的图像光向着观看者的眼球 2反射的反射单元5。 [0051] 图像输出单元4内具有显示元件(图1中未示出)，该显示元件显示二维图像并发射图像光。可以使用诸如液晶显示元件或有机EL元件的通用显示元件来作为显示元件。 众所周知，这些通用显示元件是成本低的装置。具体来讲，当有机EL元件用作显示元件时，不需要背光，因此可以实现需要较低功率的体积小且重量轻的装置。 [0052] 反射单元5是邻近眼镜镜片设置的具有正折射力(refractive power)的反射构件，并且被设置成当观看者戴上眼镜时，将图像输出单元4输出的图像光向着观看者的眼 球2反射，以允许观看者看到二维图像的虚像。如图2中所示，可以使用(a)前表面反射镜、(b)后表面反射镜、(c)嵌入眼镜镜片中的反射镜以及(d)全反射棱镜等来作为反射单元5。 可以使用前表面和后表面被分别用典型的反射镜涂层(例如，金属沉积或介电多层膜)处 理的反射镜来作为前表面反射镜和后表面反射镜。当使用嵌入眼镜镜片中的反射镜时，通 过眼镜镜片与空气之间的折射可以减小倾斜角。当使用全反射棱镜时，可以在没有反射镜 涂层的情况下实现折射。 [0053] 在图1中，眼镜框架3被固定到眼镜镜片6(或眼镜镜片6的框架)，并且包括位于眼镜前表面两端处的桩头7以及通过桩头7和铰链8可折叠地连接的镜腿9。根据本实施 方式的图像输出单元4通过铰链8被镜腿9保持，并且当眼镜框架3被折叠时与镜腿9一 起被折叠。 [0054] 在上述结构中，从图像输出单元4输出的、被反射单元5反射并且到达观看者眼球2的图像光透过由眼镜镜片6、眼镜框架3(和观看者的脸)环绕的空间。这种构造可以尽 可能地减少阻挡观看者视野的障碍，并且当眼镜框架3被折叠时不会使任何部件受到干扰 (例如，受图像输出单元4的干扰)。 [0055] 图3是当观看者戴上图1中的眼镜型图像显示装置时观看者的右眼侧的正视图。如图3中所示，在根据本实施方式的眼镜型图像显示装置中，对于相对于观看者正面方向 的投影截面，反射单元5设置在使得反射单元5没有遮盖观看者的瞳孔10的位置。在本实 施方式中，反射单元5设置在该位置，从而在正常情形下(当与来自眼镜型图像显示装置的 信息相比，观看者更注意他/她周围的信息时)可以充分保证观看者的视野。因此，即使当 观看者戴上根据本实施方式的眼镜型图像显示装置时，观看者也可以安全地到处移动。 [0056] 另外，如图3中所示，在根据本实施方式的眼镜型图像显示装置中，反射单元5是纵向长矩形的形状。另一方面，图像输出单元4及其内设置的显示元件是横向长矩形的形 状。换言之，该装置被构造为使得显示元件13的纵向方向对应于反射单元5的最小宽度方 向，由此，即使图像是横向长显示，图像光也可以被导向眼镜与脸之间的狭窄空间。另外，在根据本实施方式的眼镜型图像显示装置中，由于反射单元5是纵向长矩形的形状，所以在 装置被安装的状态下，具有大的纵向滑移方面的允差。另外，如果由纵向长反射单元引起的纵向滑移的允差被用作图像显示区域，则根据本实施方式的构造可以用于纵向长显示屏幕 (即，纵向长显示元件)。 [0057] 另外，根据本实施方式的纵向长矩形形状的反射单元5在光学性能方面具有优势。反射单元5的反射构件具有正折射力，并且如图1所示，从图形输出单元4输出的图像 光偏心地入射在反射单元5上，并向着眼睛瞳孔10被反射。换言之，对于根据本实施方式 的反射单元5，产生了平行于入射面的偏心像差。然而，由于根据本实施方式的反射单元5 是纵向长矩形形状(与入射面平行的方向上的宽度较小)，所以可减小反射单元5处产生的 偏心像差。至于像差的校正，参照第四实施方式中的像差图会给出详细解释。 [0058] 图4是示出根据本实施方式的沿着矩形反射单元的短边方向的宽度的示意图。如上文所述，在本实施方式中，从图像输出单元4输出的图像光被反射单元5反射并且被导向 眼球2的眼睛瞳孔10。因此，反射单元5相对于眼球2的视线(或者从图像输出单元4输 出的图像光的光轴)被倾斜地设置。换言之，对于观看者的视野而言，反射单元5的尺寸与 其实际尺寸不同。在本实施方式中，该装置被构造为使得反射单元5的垂直于光轴的截面 (沿着视线方向的投影截面)的宽度是4mm或更小。该数值4mm基于人的瞳孔的平均直径， 并且当反射单元5的垂直于光轴的截面的宽度小于4mm时，实现了被称作瞳孔分割透视的 现象，通过此现象，没有被反射单元5阻挡的背景光透过眼睛瞳孔10并在视网膜上形成图 像，从而从图像输出单元4输出的图像光被叠加在背景光上。 [0059] 图5是示出用于更详细说明根据本实施方式的光学系统的根据本实施方式的选取出的光学元件的基本框图。在根据本实施方式的光学系统中，如图5中所示，从光源11 输出的照明光被照明透镜12转换成大致平行的光，并且被施加到显示元件13(例如，液晶 显示元件)。此后，显示元件13输出包含图像信息的图像光，具有正折射力的反射单元5将 该图像光向着眼球反射，从而观看者可看到显示元件13的虚像。 [0060] 如图5中所示，在根据本实施方式的光学系统的沿着纸面方向的光轴截面中，反射单元5的孔径是最小的。换言之，对于与反射单元5的反射面的入射面平行的光轴截面， 反射单元5用作根据本实施方式的光学系统中的实质孔径光阑，或者可以说在反射单元5 中存在出射瞳孔位置。以此方式，在根据本实施方式的光学系统中，由于反射单元5是出射瞳孔位置，因此可以不考虑图像形状(即，显示元件的形状)而确定反射单元5的形状。因 此，在本实施方式中，如上文所描述的，即使显示元件13是横向长矩形形状，反射单元5也可以是纵向长矩形形状。 [0061] 另外，优选的是，该装置被构造为使得光源11的图像将位于反射单元5附近。根据该构造，由于从光源11的图像漫射的光以会聚状态被反射单元5反射，所以可获得提高 的照明效率。 [0062] 图6是示出根据本实施方式的光学系统的(a)横向方向的光轴截面(即，与反射单元的入射面平行的光轴截面)和(b)纵向方向的光轴截面(即，与反射单元的入射面垂 直的光轴截面)之间的差异的示意图。应该注意的是，在图6中，为了针对纸面进行描述， 反射单元5反射的光被表示为直线。 [0063] 在图6A和图6B中，分别用双点划线、实线、单点划线和虚线表示光轴上的主光线、光轴上的边缘光线、光轴外部的主光线、光轴外部的边缘光线。如图6A中所示，在根据本实施方式的光学系统中，由反射单元5限定横向光通量(换言之，反射单元5用作孔径光阑)。因此，光轴外部的边缘光线与光轴交叉。另一方面，如图6B中所示，由于反射单元5对于纵向方向具有足够大的孔径，所以反射单元5没有用作实质上的孔径光阑，因此眼睛瞳孔10 用作孔径光阑。 [0064] 应该注意的是，虽然本实施方式示出的眼镜型图像显示装置1被构造成向右眼显示电子图像，但是其也可以被构造为向左眼显示电子图像。 [0065] (第二实施方式) [0066] 图7是示意性地示出根据本发明第二实施方式的眼镜型图像显示装置的框图。在该示意图中，还示出了当观看者戴上眼镜型图像显示装置1时他/她的右眼的眼球2。如示 意图中所示，根据本实施方式的眼镜型图像显示装置1设置有：图像输出单元4，其设置在 眼镜的镜腿9上；偏转棱镜15，用于偏转从图像输出单元4输出的图像光的角度；以及反射 单元5，其被设置为邻近眼镜镜片6，并将从偏转棱镜15射出的图像光向着观看者的眼球2 反射。 [0067] 图像输出单元4在其内具有用于显示二维图像的显示元件13，并且输出图像光。如第一实施方式的情况中一样，可以使用诸如液晶显示元件和有机EL元件的通用显示元 件来作为显示元件13。此后，从显示元件13(例如，图像输出单元4)输出的图像光入射在 偏转棱镜15上，被偏转50°-70°，并且向着反射单元射出。作为具有正折射力的反射构 件，反射单元5放大显示元件13的图像，并且观看者看到显示元件13的虚像。在图7所示 的实施方式中，眼镜型图像显示装置具有纵向像差校正透镜14，该纵向像差校正透镜14被 集成在偏转棱镜15中，并校正由反射单元5的偏心所引起的像差。 [0068] 另外，作为偏转棱镜15的实例，可以使用顶角为30°、60°和90°的棱镜(被称为30°棱镜)。当使用30°棱镜时，可以如下实现60°的偏转：使图像光垂直于与90°顶 角相对的表面而进入，通过与60°顶角相对的表面来反射图像光，通过与90°顶角相对的 表面来全反射图像光，然后从与30°顶角相对的表面射出图像光。 [0069] 反射单元5是具有正折射力的反射构件，并且被设置成使得当观看者戴上眼镜时，其将从图像输出单元4输出的图像光向着观看者的眼球2反射，从而观看者可以看到二 维图像的虚像。如第一实施方式的情况一样，可以使用(a)前表面反射镜、(b)后表面反射 镜、(c)嵌入眼镜镜片中的反射镜以及(d)全反射棱镜等来作为反射单元5(参见图2)。应 该注意的是，如第一实施方式中的情况一样，相对于观看者的正面方向的投影截面，反射单元5设置在使得反射单元5没有遮盖观看者的眼睛瞳孔10的位置(见图3)。另外，在本实 施方式中，通常将反射单元5设置在该位置，这允许观看者充分保证他/她的视野，从而即 使当观看者戴上根据本实施方式的眼镜型图像显示装置时他/她也可以安全地到处移动。 具体来讲，在本实施方式中，偏转棱镜15允许光线以比第一实施方式更尖的角度入射到反 射单元5上，从而反射单元5可以设置在较少阻挡视野的位置上。 [0070] 在图7中所示的本实施方式中，偏转棱镜15由眼镜的桩头7保持。另外，图像输出单元4由眼镜的镜腿9保持，并且在与显示元件13的显示表面垂直的方向上可移动和可调 节。利用该构造，可以通过改变显示元件13与偏转棱镜15之间的距离来调节屈光度。另 外，如果显示元件13平行于显示表面可移动和可调节，则可以执行瞳孔间的调节。 [0071] 图8是示出用于更详细说明根据本实施方式的光学系统的本实施方式的选取出的光学元件的基本框图。如图8中所示，在根据本实施方式的光学系统中，含有图像信息的图像光从显示元件13输出，被偏转棱镜15偏转，并被导向反射单元5。反射单元5将入射 的图像光向着观看者的眼睛瞳孔10反射。在这种情况下，反射单元5的入射面的方向与纸 面的方向相同，当从观看者来看时该方向基本上是水平的。另外，集成在偏转棱镜15中的 纵向像差校正透镜14对由反射单元5的偏心所引起的像差进行校正。如可以看到的，同 样在本实施方式中，如第一实施方式中的情况一样，在纸面方向上的光轴截面的光通量直 径在反射单元5处是最小的。换言之，同样在本实施方式中，对于在入射面方向上的光轴截面，反射单元5实质上用作孔径光阑。这样，同样在本实施方式中，由于反射单元5是瞳孔 位置，因此，即使显示元件13是横向长矩形形状，反射单元5也可以是纵向长矩形形状。 [0072] 如图8所示的基本框图中可以看到的，在本实施方式中，通过改变显示元件13和偏转棱镜15之间的距离来改变显示元件13和反射单元5之间的距离，由此可以执行屈光 度调节。另外，如果显示元件13平行于显示表面而可移动和可调节，则显示元件13对于眼 睛瞳孔10的投影位置平行移位，因此，可以得到能够执行瞳孔间调节的构造。 [0073] 图9示出根据本实施方式的瞳孔间调节的另一个实例。图9A仅示出光学元件，图9B示出瞳孔间调节机构。 [0074] 在图9A中，如图8中所示的光学元件的情况一样，含有图像信息的图像光从显示元件13输出，被偏转棱镜15偏转，并被导向反射单元5。此后，反射单元5将入射的图像光 向着观看者的眼睛瞳孔10反射。此时，图像输出单元(在图9A中，包括显示元件13、偏转 棱镜15和纵向像差校正透镜14)围绕反射单元5旋转。结果，由于观看者的眼睛瞳孔10 上的可视位置发生移位，所以可以实现瞳孔间调节。 [0075] 根据瞳孔间调节结构的实例，在图9B中，图像输出单元4具有以反射单元5为圆心的弧形导向件21，并且图像输出单元4通过该导向件21被眼镜框架3保持，从而实现允 许图像输出单元4围绕反射单元5可旋转地被保持的构造，并且实现能够执行瞳孔间调节 的眼镜型图像显示装置。 [0076] 图10是示出根据本实施方式的瞳孔间调节的另一个实例的示意图。图10A仅示出光学元件，图10B示出瞳孔间调节机构。 [0077] 如图8中所示的光学元件的情况一样，在图10A中，含有图像信息的图像光从显示元件13输出，被偏转棱镜15偏转，并被导向反射单元5。此后，反射单元5将入射的图像光 向着观看者的眼睛瞳孔10反射。此时，反射单元5围绕位于反射单元的反射面中的轴线旋 转。结果，观看者的眼睛瞳孔10上的可视位置发生移位，从而可以实现瞳孔间调节。 [0078] 根据图10B所示的瞳孔间调节机构的实例，在眼镜镜片中形成具有凹面16的凹槽，并且进一步地，在凹槽的一部分上设置穿过眼镜镜片的通孔17。对于反射单元5，将凸面19设置为反射面18的后表面，并且形成穿过通孔17的柄(knob)20。凹面16和凸面19 彼此可滑动地配合，并且反射面18被穿过通孔17的柄20所偏转。利用这种构造，凹面16 和凸面19的曲率中心将成为反射面18的旋转中心，从而实现围绕位于反射面中的轴线的 旋转。也就是说，可以实现能够执行瞳孔间调节的眼镜型图像显示装置。 [0079] 应该注意的是，虽然使用第二实施方式示出了参照图9和图10的瞳孔间调节的实例，但是还可以通过第一实施方式来适当地执行这些实例。 [0080] (第三实施方式) [0081] 图11是示出根据本实施方式的选取的光学元件的基本框图，用于示出采用超环面反射镜(toroidal mirror)作为反射单元5的反射构件的第三实施方式的光学系统。采 用根据本实施方式的光学系统的眼镜型图像显示装置的构造可以与例如第二实施方式的 构造相同。换言之，根据第三实施方式的眼镜型图像显示装置设置有：图像输出单元4，其内具有显示元件13并被设置在眼镜的镜腿9上；偏转棱镜15，用于偏转从图像输出单元4 输出的图像光的角度；以及反射单元5，其设置为邻近眼镜镜片6并将从偏转棱镜15射出 的图像光向着观看者的眼球2反射。 [0082] 如图11A中所示，在根据本实施方式的光学系统中，含有图像信息的光从显示元件13输出，被偏转棱镜15偏转，并被导向反射单元5。反射单元5将入射的图像光向着观 看者的眼睛瞳孔10反射。如第一实施方式中的情况一样，同样在本实施方式中，沿纸面方 向的光轴截面的光通量直径在反射单元5处是最小的。换言之，同样在本实施方式中，对于入射面方向的光轴截面，反射单元5用作实质上的孔径光阑。因此，同样在本实施方式中，由于反射单元5处于瞳孔位置，因此即使显示元件13是横向长矩形形状，反射单元5也可 以是纵向长矩形形状。应当注意的是，图11A还示出保护图像输出单元4中的显示元件13 的覆盖玻璃22。 [0083] 图11B是示出反射单元5的反射面18的形状的示意图。如上所述，根据本实施方式的反射面18为纵向长矩形形状。应当注意的是，纵向长的矩形指的是在与图像光的入射 面平行的方向上的宽度窄于在与图像光的入射面垂直的方向上的宽度的形状。根据本实施 方式的反射面18为超环面，并且具有由Rx＞Ry表示的关系，其中Ry是垂直于入射面的曲 率半径，Rx是平行于入射面的曲率半径。换言之，对于根据本实施方式的反射面18，在较窄宽度方向上的曲率半径大于在较宽宽度方向上的曲率半径。以这样的方式，利用反射面18 的超环面反射镜来校正由偏心引起的象散差。在图11B所示的实例中，在平行于入射面的 方向上的宽度为2.5mm，在垂直于入射面的方向上的宽度为6.0mm。另外，平行于入射面的 曲率半径为86.7mm，而垂直于入射面的曲率半径为59.1mm。 [0084] (第四实施方式) [0085] 图12是示意性地示出根据本发明第四实施方式的眼镜型图像显示装置的框图。该示意图还示出了当观看者戴上该眼镜型图像显示装置1时他/她的眼球2。如图所示，根 据本实施方式的眼镜型图像显示装置1具有：显示元件13，其设置在眼镜的镜腿9上；以及 反射单元5，其设置为邻近眼镜镜片6并将从显示元件13输出的图像光向着观看者的眼球 2反射。 [0086] 在本实施方式中，自由面反射镜用作反射单元5的反射构件。另外，显示元件13相对于光轴倾斜设置，从而可减小由反射单元5的偏心引起的偏心像差。另外，在本实施方式的构造中，通过倾斜地设置显示元件13，可以使显示元件13被设置为近似平行于眼镜框架3，从而可实现体积更小的构造。应当注意的是，在图12所示的根据本实施方式的构造中，优选的是使用不需要背光的有机EL面板来作为显示元件13。 [0087] 以下参照图13和图14来示出通过倾斜设置显示元件13而得到的校正偏心像差的效果。 [0088] 图13是基于以下所示的透镜数据的、根据本实施方式的光学系统的光线图。图13是从虚像面(未示出)S0反向追踪的光线图，其示出从瞳孔S1按次序追踪到显示元件的显 示表面S6。 [0089] (用于第四实施方式的透镜数据：对应于图13) [0090]面号 曲率半径 面距离 偏心 折射率 阿贝数 S0(物面) ∞ -1000.00 S1 ∞ 12.00 S2 FFS[1] -34.23 偏心[1] S3 ∞ -1.00 偏心[2] 1.4917 55.3 S4 ∞ -2.30 S5 ∞ -0.70 1.5168 64.1 S6(像面) ∞ 0.00 [0091] ·FFS[1]： [0092] C4 -7.7508e-003 C6 -5.2233e-003 C8 -4.0470e-005 [0093] C10 -3.8198e-005 C11 -4.6443e-007 C13 2.4738e-006 [0094] C15 2.0797e-006 C17 -1.4429e-006 C19 -1.5141e-006 [0095] C21 -1.5459e-007 [0096] ·偏心[1]： [0097] X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 [0098] α -35.00 β 0.00 γ 0.00 [0099] ·偏心[2] [0100] X 0.00 Y -1.70 Z -1.30 [0101] α -35.00 β 0.00 γ 0.00 [0102] 图14是基于以下示出的透镜数据的、示出显示元件和覆盖玻璃没有被倾斜设置的状态以示出第四实施方式的效果的光线图。图14是从虚像面(未示出)S1反向追踪的 光线图，其示出从瞳孔S1按次序追踪到显示表面S6。图13与图14之间的不同之处在于： 从第三面S3(覆盖玻璃的顶面)至第六面S6(显示元件的显示表面)的多个面没有被倾斜 设置。 [0103] (用于显示元件被垂直设置时的透镜数据：对应于图14) [0104]面号 曲率半径 面距离 偏心 折射率 阿贝数 S0(物面) ∞ -1000.00 S1 ∞ 12.00 S2 FFS[1] -34.23 偏心[1] S3 ∞ -1.00 1.4917 55.3 S4 ∞ -2.30 S5 ∞ -0.70 1.5168 64.1 S6(像面) ∞ 0.00 [0105] ·FFS[1]： [0106] C4 -7.7508e-003 C6 -5.2233e-003 C8 -4.0470e-005 [0107] C10 -3.8198e-005 C11 -4.6443e-007 C13 2.4738e-006 [0108] C15 2.0797e-006 C17 -1.4429e-006 C19 -1.5141e-006 [0109] C21 -1.5459e-007 [0110] ·偏心[1]： [0111] X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 [0112] α -35.00 β 0.00 γ 0.00 [0113] 从图13与图14之间的比较可以看出，特别是对于第六面S6附近，图13所示光线的紊乱程度(turbulent)较图14所示光线为低。换言之，根据本发明的第四实施方式，应 当理解，可通过倾斜地设置显示元件13来降低由反射单元的偏心引起的偏心像差。 [0114] 现在，利用根据本发明的自由面光学系统来描述减小由于根据本发明的纵向长的反射构件所引起的偏心像差的效果。应当注意的是，减小由于根据本发明的纵向长的反射 构件所引起的偏心像差的效果不限于自由面反射镜的光学系统，对于根据本发明的其他实 施方式也产生类似效果。 [0115] 图15是基于以下所示的透镜数据的、根据本发明的具有自由面反射镜的光学系统的光线图。图15是从虚像面(未示出)S0反向追踪的光线图，并且示出从瞳孔S1按次 序追踪到显示元件的显示表面S6。图15与图13之间的不同之处在于：图15中不存在覆 盖玻璃(图13中的S3和S4)。 [0116]面号 曲率半径 面距离 偏心 折射率 阿贝数 S0(物面) ∞ -1000.00 S1 ∞ 12.00 S2 FFS[1] -31.02 偏心[1] S3 ∞ -0.70 偏心[2] 1.5168 61.4 S4(像面) ∞ -0.00 [0117] ·FFS[1]： [0118] C4 -1.1279e-002 C6 -7.6893e-003 C8 -1.2511e-004 [0119] C10 -8.5881e-005 C11 -3.1333e-005 C13 -6.5199e-006 [0120] C15 -3.7601e-006 C17 -2.1593e-006 C19 -1.6531e-006 [0121] C21 -9.6704e-007 [0122] ·偏心[1]： [0123] X 0.00 Y 0.00 Z 0.00 [0124] α -35.00 β 0.00 γ 0.00 [0125] ·偏心[2] [0126] X 0.00 Y -1.56 Z 5.21 [0127] α -24.30 β 0.00 γ 0.00 [0128] 对于以上所提及的透镜数据，图16、图17和图18分别示出了在第二面S2(自由面反射镜)的形状为圆形、纵向长和横向长的情况下，最大像高的每一点处的横向像差图。 图16是自由面反射镜的反射面为半径为1.74mm的圆形的情况下的像差图。图17是自由 面反射镜的反射面形状为矩形(其X为0.86×2mm，Y为1.74×2mm)的情况下的像差图，图 18是自由面反射镜的反射面形状为矩形(其X为1.74×2mm，Y为0.86×2mm)的情况下的 像差图，其中X是横向方向(平行于入射面)，Y是纵向方向(垂直于入射面)。 [0129] 从图16可以看出，对于根据本光学系统的像差，X方向上的像差大于Y方向上的像差。因此，如果自由面反射镜的反射面在X方向受限，则X方向上的像差减小。在将图17 的像差图(其中自由面反射镜的反射面在X方向受限)与图18的像差图(其中自由面反 射镜的反射面在Y方向受限)相比时，很明显图17的像差图获得更好的像差校正。 [0130] (第五实施方式) [0131] 图19是示意性地示出根据本发明第五实施方式的眼镜型图像显示装置的框图。该示意图还示出了当观看者戴上该眼镜型图像显示装置1时他/她的眼球2。如图所示，根 据本实施方式的眼镜型图像显示装置1具有：显示元件13，其设置在眼镜的镜腿9上；以及 反射单元5，其设置为邻近眼镜镜片6并将从显示元件13输出的图像光向着观看者的眼球 2反射。 [0132] 同样在本实施方式中，自由面反射镜用作反射单元5的反射构件。另外，可通过将显示元件13相对于光轴倾斜设置来减小由反射单元5的偏心引起的偏心像差。另外，对于反射单元5的反射面，可通过使平行于入射面的宽度小于垂直于入射面的宽度(纵向长的 形状)来进一步减小偏心像差。 [0133] 根据本实施方式的显示元件13是透射型液晶显示元件。因此，需要从显示元件13的后侧施加照明光。在本实施方式中，偏转棱镜15设置在显示元件13的后侧，来自光源11 的照明光被偏转棱镜15偏折，然后被施加到显示元件13的后侧。另外，在构造和生产方面，优选的是将照明透镜12一体模制在偏转棱镜15的被施加有来自光源11的照明光的入射 面上。 [0134] (第六实施方式) [0135] 图20是示意性地示出根据本发明第六实施方式的眼镜型图像显示装置的框图。该示意图还示出了当观看者戴上该眼镜型图像显示装置1时他/她的眼球2。如该图所示， 根据本实施方式的眼镜型图像显示装置1具有：显示元件13，其设置在眼镜的镜腿9上；以 及反射单元5，其被设置为邻近眼镜镜片6并将从显示元件13输出的图像光向着观看者的 眼球2反射。 [0136] 同样在本实施方式中，自由面反射镜用作反射单元5的反射构件。另外，可通过将显示元件13相对于光轴倾斜设置来减小由反射单元5的偏心引起的偏心像差。另外，对于反射单元5的反射面，可通过使平行于入射面的宽度小于垂直于入射面的宽度(纵向长的 形状)来进一步减小偏心像差。 [0137] 根据本实施方式的显示元件13是诸如LCOS和DMD的反射型显示元件。因此，需要从显示元件13的表面施加照明光。在本实施方式中，偏转棱镜15设置在显示元件13的表 面上，来自光源11的照明光被偏转棱镜15偏折，然后被施加到显示元件13的表面上。另 外，在构造和生产方面，优选的是将照明透镜12一体模制在偏转棱镜15的被施加有来自光 源11的照明光的入射面上。 [0138] (第七实施方式) [0139] 图21是示意性地示出根据本发明第七实施方式的眼镜型图像显示装置的框图。在本实施方式中，参照图7示出的眼镜型图像显示装置的使用被扩展到双目应用。换言之，根据本实施方式的眼镜型图像显示装置1具有：图像输出单元4，其设置在眼镜的镜腿9 上；偏转棱镜15，其用于偏转从图像输出单元4输出的图像光；纵向像差校正透镜14，其用于校正图像光的纵向像差；以及反射单元5，其用于将来自纵向像差校正透镜14的图像光 向着观看者的右眼和左眼的各个眼球2反射。这里，本实施方式的各个功能与根据第二实 施方式的眼镜型图像显示装置的功能类似，因此通过在附图中分配各个相同的符号而省略 了类似的说明。换言之，根据本实施方式的眼镜型图像显示装置具有根据第二实施方式的 眼镜型图像显示装置所拥有的功能和效果。 [0140] 如图21中所示，在本实施方式中，图像光的入射角对于右眼和左眼是相同的。换言之，戴上根据本实施方式的眼镜型图像显示装置的观看者在他/她前方看到一个图像。 此时，可以通过向右眼和左眼显示不一致的图像来显示三维图像。另外，通过将反射单元5沿着短边方向的宽度减小至小于4mm(人的平均瞳孔直径)，可以实现透视显示，由此可以 在围绕观看者的背景图像上叠加三维图像，结果，可以实现非常逼真的立体显示。另外，图像光的入射角可以对应于眼球的会聚量向内地形成角度。 [0141] 应当注意的是，尽管本实施方式被描述为第二实施方式的扩展应用，但是本实施方式的概念不限于第二实施方式，本发明的其他实施方式也可扩展到双目应用。 [0142] (第八实施方式) [0143] 图22是示意性地示出根据本发明第八实施方式的眼镜型图像显示装置的框图。在本实施方式中，根据参照图7所示的第二实施方式的眼镜型图像显示装置的使用被扩展 到双目应用。换言之，根据本实施方式的眼镜型图像显示装置1具有：图像输出单元4，其 设置在眼镜的镜腿9上；偏转棱镜15，其用于偏转从图像输出单元4输出的图像光；纵向像 差校正透镜14，其用于校正图像光的纵向像差；以及反射单元5，其用于将从纵向像差校正透镜14射出的图像光向着观看者的右眼和左眼的各个眼球2反射。这里，本实施方式的各 个功能与根据第二实施方式的眼镜型图像显示装置的功能类似，因此通过在附图中分配相 同的符号而省略了类似的说明。换言之，根据本实施方式的眼镜型图像显示装置具有根据 第二实施方式的眼镜型图像显示装置所拥有的功能和效果。 [0144] 如图22中所示，在本实施方式中，对于观看者的右眼和左眼而言，当从观看者一侧观看时，图像光的入射角导向外。也就是说，戴上根据本实施方式的眼镜型图像显示装置的观看者看到图像中的任一个。此时，通过在右眼和左眼之间显示不同的图像，观看者可以选择性地看到所需的显示。换言之，通过将用于右眼和用于左眼的各个图像放在一起，可以显示两个图像的信息。因此，本实施方式适于当根据本发明的眼镜型图像显示装置被用作 信息提供装置时的情况。 [0145] 应当注意的是，尽管本实施方式被描述为第二实施方式的扩展应用，但是本实施方式的概念不限于第二实施方式，其他实施方式的使用也可扩展到双目应用。 [0146] (对透镜数据的描述的注释) [0147] 对于描述本发明所使用的实施方式，每一面的偏心在Y-Z面内进行，每一旋转的不对称自由面的唯一对称面为Y-Z面。 [0148] 对于偏心面，提供从光学系统的原点中心到该面的面顶位置的偏心量(X轴、Y轴和Z轴方向分别被称为X、Y和Z)以及绕该面的各中心轴，即X轴、Y轴和Z轴(对于自由 面，Z轴为以下示出的公式(a)的Z轴，对于非球面，X轴为以下示出的公式(b)的X轴)的 倾斜角度(分别为α、β、γ(°))。在该情况下，α和β的各正值表示相对于各个轴的 正向的逆时针旋转，γ的正值表示相对于Z轴的正向的顺时针旋转。该面的中心轴如下旋 转α、β、γ的角度：首先，该面的中心轴以及X、Y和Z的正交坐标系绕X轴逆时针旋转α 度，然后该经旋转的面的中心轴绕新坐标系的Y轴逆时针旋转β度，同时，旋转了一次的坐标系绕Y轴逆时针旋转β度，然后，旋转了两次的该面的中心轴绕新坐标系的Z轴顺时针 旋转γ度。 [0149] 另外，在构成每一实施方式的光学系统的光学作用面中，当特定面与后续面形成同轴光学系统(包括表面反射棱镜)时，提供了面距离。除此之外，根据普通方法提供介质 折射率和阿贝数。 [0150] 应当注意的是，本发明所采用的自由面由以下公式(a)定义。公式的Z轴是自由面的轴。 [0151] [0152] 其中公式(a)的初始项为球面项，第二项为自由面项。 [0153] 在球面项中， [0154] R：顶点的曲率半径， [0155] k：Korenich常数(圆锥常数)，以及 [0156] [0157] 在自由面项中， [0158] [0159] [0160] [0161] [0162] [0163] [0164] [0165] [0166] [0167] 提供的Cj(j为大于1的整数)为系数。 [0168] 通常，对于上述自由面，X-Z面和Y-Z面均不具有对称面。然而，在本发明中，当X的所有奇数幂项为零时，可获得仅具有平行于Y-Z面的一个对称面的自由面。例如，在上面的公式(a)中，如果C2、C5、C7、C9、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35…中的每一项的系数为零，则可以获得。 [0169] 另外，当Y的所有奇数幂项为零时，可获得仅具有平行于X-Z面的一个对称面的自由面。例如，在上面的公式中，如果C3、C5、C8、C10、C12、C14、C17、C19、C21、C23、C25、C27、C30、C32、C34、C36…中的每一项的系数为零，则可以获得。 [0170] 另外，假如上述对称面的任一方向被定义为对称面，并且光学系统的偏心方向是例如与Y-Z面平行的相对于对称面的Y轴方向、以及与X-Z面平行的相对于对称面的X轴 方向，则由偏心引起的旋转不对称像差可被有效地校正，同时可以提高制造容易程度。 [0171] 另外，如上文所述，提供的公式(a)仅为一个实例，本发明的特点在于利用仅具有一个对称面的面对称自由面来校正由偏心引起的旋转不对称像差并提高制造容易程度，并且显然的是根据任何其他定义的公式也可以获得相同的效果。 [0172] 应当注意的是，关于自由面的没有给出数据的项为零。折射率针对线d(波长：587.56nm)。长度单位为mm。 |
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