圖像顯示裝置和頭戴式顯示器的製作方法

2023-10-29 07:50:37

專利名稱：圖像顯示裝置和頭戴式顯示器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用來使觀察者能夠觀察由成像裝置形成的二維圖像的圖像顯示裝置， 以及頭戴式顯示器(HMD)，該頭戴式顯示器結合了該圖像顯示裝置並且包括將配戴在觀察 者頭部的眼鏡形狀的框架。
背景技術：
由日本專利文件JP-A-2006-162767公知一種虛擬圖像顯示裝置(圖像顯示裝 置)，其中虛擬圖像光學系統容許觀察者觀看由成像裝置形成的作為放大的虛擬圖像的二 維圖像。如概要圖1所示，圖像顯示裝置100包括成像裝置111，其具有以二維矩陣排布 的多個像素；準直光學系統112，其用於準直從成像裝置111的像素射出的光；和光學裝置 (導光裝置)120，被準直光學系統112準直過的光入射到光學裝置120上。入射光被引導並 從光學裝置射出。光學裝置120包括導光板121、第一偏轉構件130 (例如，單層反光膜) 和第二偏轉構件140 (例如，具有多層層疊結構的多層反光膜)。入射光在導光板121中以 全反射傳播，然後從導光板121射出。第一偏轉構件130對入射到導光板121上的光進行 反射，以使入射到導光板121上的光在導光板121中被全反射，而第二偏轉構件140把在導 光板121中全反射傳播的光從導光板121射出。例如，如果頭戴式顯示器由這種圖像顯示 裝置100構成，則可實現裝置的尺寸和重量上的減小。而且，由日本專利文件JP-A-2007-94175公知一種採用全息衍射光柵的虛擬圖像 顯示裝置(圖像顯示裝置)，其中虛擬圖像光學系統容許觀察者觀看由成像裝置形成的作 為放大的虛擬圖像的二維圖像。如概要圖6A和6B所示，圖像顯示裝置300基本包括成像裝置111，其用於顯示 圖像；準直光學系統112 ；和光學裝置(導光裝置)320，被成像裝置111顯示的光入射到光 學裝置320上。入射光被引導至觀察者的眼睛41。這裡，光學裝置320包括導光板321; 和設置在導光板321上的第一和第二衍射光柵構件330和340。第一和第二衍射光柵構件 330和340各由反射式體全息衍射光柵構成。從成像裝置111中的像素射出的光進入準直 光學系統112，在準直光學系統112中光被轉換成平行光，該平行光進入導光板321。平行 光入射到導光板321上，並從導光板321的第一表面322射出。另一方面，第一和第二衍射 光柵構件330和340安裝到導光板321的第二表面323，該第二表面323平行於導光板321 的第一表面322。由例如日本專利文件JP-A-2000-312319公知一種頭戴式顯示器，其採用姿態傳 感器(attitude sensor)檢測頭戴式顯示器傾斜離開水平平面的角度，並且通過圖像處理 或者控制驅動裝置(例如電機)始終水平地保持顯示圖像。通過使用具有這種機構的頭戴 式顯示器，即使觀察者的頭部傾斜，也可讓觀察者觀察水平的圖像。同時，在日本未經審查的專利申請公布文件2000-312319中所公開的技術，需要 旋轉傳動機構，例如姿態傳感器和電機，因此存在例如整個頭戴式顯示器的重量增加、製造成本增加並且功率消耗增加等問題。並且，當顯示圖像是通過圖像處理旋轉該顯示圖像而 得以水平地保持的時候，由於在這種處理中顯示圖像被旋轉，因此不僅需要一種具有大顯 示區域的成像裝置，而且字符等也被偏斜地顯示。因此，為了顯示漂亮的字符，需要增大成 像裝置的解析度。

發明內容
因此，期望提供一種頭戴式顯示器，其容許即使配戴該頭戴式顯示器的觀察者的 頭部傾斜，觀察者仍可觀察水平地保持的圖像，而不引起重量增加、製造成本增加和功率消 耗增加，並且無需通過圖像處理旋轉顯示圖像；以及提供一種適用於該頭戴式顯示器的圖 像顯示裝置。根據本發明的一個實施例，提供一種圖像顯示裝置，包括(A)成像裝置；(B)光學系統，其將從成像裝置射出的光轉換成平行光；(C)光學裝置，被光學系統轉換成平行光的光束進入光學裝置中，在光學裝置中光 束被引導，然後光束從光學裝置射出；和(D)支撐構件，其相對於光學裝置轉動地支撐至少成像裝置。這裡，由至少成像裝 置與支撐構件構成的組件的重心處於偏離支撐構件的轉動中心軸的位置，並且至少成像裝 置受重力而相對於光學裝置轉動，由此成像裝置被水平地保持。根據本發明的第一實施例，提供一種頭戴式顯示器，包括(a)框架，其形狀像眼 鏡，用於配戴在觀察者的頭部，和(b)圖像顯示裝置，其安裝到框架，並且圖像顯示裝置由 上述的本發明實施例的成像裝置構成。根據本發明的第一實施例的頭戴式顯示器，可包括 本發明的實施例的一個圖像顯示裝置(單眼型)或者兩個圖像顯示裝置(雙眼型)。在光 學裝置與框架之間沒有相對運動。即，光學裝置相應於框架靜止地布置。根據本發明的第二實施例，提供一種頭戴式顯示器，包括(a)框架，其形狀像眼鏡，用於戴在觀察者的頭部，和(b)成像裝置，其通過支撐構件轉動地安裝到框架。這裡，成像裝置與支撐構件構 成的組件的重心處於偏離支撐構件的轉動中心軸的位置，並且成像裝置受重力而相對於框 架轉動，由此成像裝置被水平地保持。根據本發明的第二實施例的頭戴式顯示器，可包括一 個圖像顯示裝置(單眼型)或者兩個圖像顯示裝置(雙眼型)。在根據本發明的實施例的圖像顯示裝置中，或者在根據本發明的第一實施例的頭 戴式顯示器中的圖像顯示裝置中，由至少成像裝置與支撐構件構成的組件的重心處於偏離 支撐構件的轉動中心軸的位置，並且至少成像裝置受重力而相對於光學裝置轉動，由此成 像裝置被水平地保持。並且，在根據本發明的第二實施例的頭戴式顯示器中，成像裝置與支 撐構件構成的組件的重心處於偏離支撐構件的中心轉軸的位置，並且成像裝置受重力而相 對於框架轉動，由此成像裝置被水平地保持。因此，即使配戴頭戴式顯示器的觀察者的頭部 傾斜，觀察者仍可通過簡單的配置和結構來觀察被水平地保持的圖像。並且，不會使重量增 力口、製造成本增加和功率消耗增加，也無需通過圖像處理旋轉顯示圖像，無需具有大顯示區 域的成像裝置，也無需增加成像裝置的解析度。


圖1是實例1的圖像顯示裝置的概要圖。圖2A和2B是示意地顯示構成實例1的圖像顯示裝置的導光板中的光的傳播的視 圖和顯示導光板等的布置狀態的概要圖。圖3是從上面看實例1的頭戴式顯示器的示意圖。圖4是從側面看實例1的頭戴式顯示器的示意圖。圖5是實例2的圖像顯示裝置的概要圖。圖6A和6B是實例3的圖像顯示裝置的概要圖。圖7是實例4的圖像顯示裝置的概要圖。圖8是顯示構成實例5的圖像顯示裝置的導光板等的布置狀態的概要圖。圖9A和9B是示意地顯示構成實例6的圖像顯示裝置的導光板中的光的傳播的視 圖和顯示導光板等的布置狀態的概要圖。圖10是從側面看實例6的頭戴式顯示器的示意圖。圖IlA和IlB是示意地顯示構成實例7的圖像顯示裝置的導光板中的光的傳播的 視圖和顯示導光板等的布置狀態的概要圖。圖12是從側面看實例8的頭戴式顯示器的示意圖。圖13A和13B是示意圖，顯示即使配戴該實施例的頭戴式顯示器的觀察者的頭部 傾斜，觀察者仍可觀察水平保持的圖像。圖14A和14B是概要圖，顯示分別構成實例1和實例5的圖像顯示裝置的導光板 等的變型的布置狀態。圖15是從側面看實例1的頭戴式顯示器的一種形式的示意圖。
具體實施例方式在下文中，雖然對本發明將在實施例的基礎上參考附圖進行說明，但是本發明不 限於這些實施例，並且這些實施例中的各種數值和材料為示意性的。說明將按以下順序給出。1.關於根據本發明的實施例的圖像顯示裝置和根據本發明的第一與第二實施例 的頭戴式顯示器的總體說明。2.實例1(根據本發明的實施例的圖像顯示裝置，和根據本發明的第一實施例的 頭戴式顯示器)3.實例2 (實例1的變型)4.實例3 (實例1的另一變型)5.實例4 (實例1的又一變型)6.實例5 (實施例1至4的變型)
7.實例6 (實施例1至5的變型)8.實例7 (實例6的另一變型)9.實例8(根據本發明的第二實施例的頭戴式顯示器，及其它)關於根據本發明的實施例的圖像顯示裝置和根據本發明的第一與第二實施例的 頭戴式顯示器的總體說明
在根據本發明的實施例的圖像顯示裝置和根據本發明的第一實施例的頭戴式顯 示器中的圖像顯示裝置(在下文中，這些一般簡單地稱為「根據本發明的實施例的圖像顯 示裝置」)中，圖像顯示裝置可進行配置，以使支撐構件相對於光學裝置和光學系統轉動地 支撐成像裝置。在這種配置中，圖像顯示裝置可如此實現支撐構件包 括第一筒狀構件、第 二筒狀構件和轉動構件，轉動構件布置在第一筒狀構件與第二筒狀構件之間來使第一筒狀 構件和第二筒狀構件相對轉動，成像裝置布置在第一筒狀構件中，光學系統布置在第二筒 狀構件中，並且光學裝置安裝到第二筒狀構件。成像裝置在第一筒狀構件中的布置，可通過以適當的安裝構件或者安裝方法將成 像裝置安裝到第一筒狀構件的內表面來執行。並且，光學裝置在第二筒狀構件中的布置，可 通過以適當的安裝構件或者安裝方法將光學裝置安裝到第二筒狀構件的內表面來執行。並 且，第二筒狀構件到光學裝置的安裝，可通過以適當的安裝構件或者安裝方法將第二筒狀 構件安裝到光學裝置來執行。支撐構件，更具體地，第二筒狀構件可安裝到框架。此安裝也 可以適當的安裝構件或者安裝方法來執行。並且，支撐構件，更具體地，第二筒狀構件可固 定到框架(具體地，邊撐部分、前部、或者邊緣部分)，或者可拆離式地安裝到框架(具體地， 邊撐部分、前部、或者邊緣部分)。或者，根據本發明的實施例的圖像顯示裝置可進行配置，以使支撐構件相對於光 學裝置轉動地支撐成像裝置和光學系統。在這種配置中，根據本發明的實施例的圖像顯示 裝置可如此實現支撐構件包括第一筒狀構件、第二筒狀構件和轉動構件，轉動構件布置在 第一筒狀構件與第二筒狀構件之間來使第一筒狀構件和第二筒狀構件相對轉動，成像裝置 和光學系統布置在第一筒狀構件中，光學裝置安裝到第二筒狀構件。成像裝置和光學系統在第一筒狀構件中的布置，可通過以適當的安裝構件或者安 裝方法將成像裝置和光學系統安裝到第一筒狀構件的內表面來執行。並且，第二筒狀構件 到光學裝置的安裝，可通過以適當的安裝構件或者安裝方法將第二筒狀構件安裝到光學裝 置來執行。支撐構件，更具體地，第二筒狀構件可安裝到框架。此安裝也可以適當的安裝構 件或者安裝方法來執行。並且，支撐構件，更具體地，第二筒狀構件可固定到框架(具體地， 邊撐部分、前部、或者邊緣部分)，或者可拆離式地安裝到框架(具體地，邊撐部分、前部、或 者邊緣部分)。在根據本發明的實施例的圖像顯示裝置中，由至少成像裝置與支撐構件構成的組 件的重心偏離(偏心於)支撐構件的中心轉軸的位置。具體地，成像裝置等可由支撐構件支 撐，使組件的重心不位於支撐構件的中心轉軸上。並且，在根據本發明的第二實施例的頭戴 式顯示器中，成像裝置的重心偏離(偏心於)支撐構件的中心轉軸的位置。具體地，成像裝 置可由支撐構件支撐，使成像裝置的重心不位於支撐構件的中心轉軸上。即，更具體地，根 據本發明的實施例的圖像顯示裝置，可如此實現支撐構件的重心與支撐構件的中心轉軸 一致，成像裝置的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸；亦可如此實現成像裝置的重心與 支撐構件的中心轉軸一致，支撐構件的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸；亦可如此實現 成像裝置與支撐構件構成的整個組件的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸。進一步，根據 本發明的第二實施例的頭戴式顯示器，可具體地如此實現支撐構件的重心與支撐構件的 中心轉軸一致，成像裝置的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸；亦可如此實現成像裝置 的重心與支撐構件的中心轉軸一致，支撐構件的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸；亦可如此實現成像裝置與支撐構件構成的整個組件的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸。在根據本發明的實施例的圖像顯示裝置中，構成支撐構件的第一筒狀構件和第二 筒狀構件可由例如塑料或者金屬製成，並且第一筒狀構件和第二筒狀構件的尺寸(直徑和 長度)可考慮成像裝置、光學系統、光學裝置、整個頭戴式顯示器等的尺寸來確定。第一筒 狀構件與第二筒狀構件可經由轉動構件而布置成嵌套狀。第一筒狀構件和第二筒狀構件 可布置成使第一筒狀構件覆蓋第二筒狀構件；並且第一筒狀構件和第二筒狀構件亦可布置 為使第二筒狀構件覆蓋第一筒狀構件。布置在第一筒狀構件與第二筒狀構件之間的轉動 構件，可由例如球軸承、止推軸承、滾子軸承和滑動軸承構成。在根據本發明的第二實施例的頭戴式顯示器中，支撐構件可由第一筒狀構件和第 二筒狀構件構成，第一筒狀構件和第二筒狀構件由例如塑料或者金屬製成，並且第一筒狀 構件和第二筒狀構件的尺寸(直徑和長度)可考慮成像裝置、整個頭戴式顯示器等的尺寸 來確定。與以上相似，第一筒狀構件與第二筒狀構件可通過在第一筒狀構件與第二筒狀構 件之間布置轉動構件來相對轉動。第一筒狀構件和第二筒狀構件可經由轉動構件布置成嵌 套狀。第一筒狀構件與第二筒狀構件可布置成使第一筒狀構件覆蓋第二筒狀構件；並且第 一筒狀構件和第二筒狀構件亦可布置為使第二筒狀構件覆蓋第一筒狀構件。成像裝置可 布置在第一筒狀構件中，並且成像裝置在第一筒狀構件中的布置，可通過以適當的安裝構 件或者安裝方法將成像裝置安裝到第一筒狀構件的內表面來執行。並且，成像裝置通過支 撐構件安裝到框架以便對框架可轉動。具體地，第二筒狀構件可安裝到框架，更具體地，第 二筒狀構件到框架的安裝，可通過以適當的安裝構件或者安裝方法將第二筒狀構件安裝到 框架來執行。支撐構件可固定到框架(更具體地，邊撐部分、前部、或者邊緣部分)，和可以 可拆離式地安裝到框架(更具體地，邊撐部分、前部、或者邊緣部分)。為了阻止第一筒狀構件與第二筒狀構件之間的過度的相對旋轉，轉動構件可包括 適當的轉動控制構件(某種制動器)，或者適當的轉動控制構件(某種制動器)可布置在第 一筒狀構件與第二筒狀構件之間。在根據本發明的實施例的圖像顯示裝置中，從成像裝置的中心射出並穿過光學系 統在成像裝置一側的節點的中心光束在一點處進入光學裝置，該點被定義為光學裝置中心 點。進一步，穿過光學裝置中心點且平行於光學裝置的軸方向的軸，被定義為X軸；而穿過 光學裝置中心點且與光學裝置的法向軸一致的軸，被定義為Y軸。在根據本發明的實施例的圖像顯示裝置中，中心光束可配置為以除0度外的角度 (Θ)相交XY平面。由此，當圖像顯示裝置安裝到眼鏡形狀的框架的安裝部分時，對圖像顯 示裝置的安裝角度幾乎沒有限制，從而可獲得設計上的高自由度。在這種情況下，從易於圖 像顯示裝置的操作、設置和安裝的觀點來看，中心光束優選地包括在YZ平面內。並且，光學 系統的光軸可配置為包括在YZ平面內、並且以除0度外的角度相交XY平面，或者光學系統 的光學軸可配置為平行於YZ平面、平行於XY平面、並且穿過平移自成像裝置的中心的一個 位置。假定XY平面與水平平面一致，則中心光束與XY平面相交的角度θ可為仰角。艮口， 中心光束從XY平面下方朝向XY平面地入射在XY平面上。在這種情況下，優選是XY平面 以除0度外的角度相交垂直平面，並且也優選XY平面以角度θ相交垂直平面。另外，雖然 θ的最大值未限制，但最大值可為5度。這裡，水平平面是這樣一個平面，它包括當觀察者 觀看水平放置的物體(例如，水平方向、在無限遠處的物體、地平線或者水平線)時的視線
8(「觀察者的水平視線」)，和包括處於水平位置的觀察者的雙眼。並且，垂直平面是垂直於 此水平平面的平面。或者，當觀察者觀看水平放置的物體(例如，水平方向、在無限遠處的 物體、地平線或者水平線)時，從光學裝置射出並進入觀察者的眼睛的中心光束可形成俯 角。例如，5度至45度可作為相應於水平平面的俯角的例子。在根據本發明的實施例等包括上述的優選配置和實施例的圖像顯示裝置中，光學 裝置包括(a)導光板，入射光在導光板中以全反射傳播後，從導光板射出；(b)第一偏轉構件，其將入射到導光板上的光進行偏轉，以使入射到導光板上的光 在導光板中被全反射；和(c)第二偏轉構件，其對導光板中以全反射傳播的光進行多次偏轉，以便把在導光 板中以全反射傳播的光從導光板中射出。術語「全反射」是指在導光板中的全內反射或全反射。這也適用於下文。第一偏 轉裝置的中心點相當於光學裝置中心點。這裡，第一偏轉構件可對入射到導光板上的光進行反射，第二偏轉構件可對在導 光板中以全反射傳播的光進行多次透射和反射。在這種情況中，第一偏轉構件可用作反射 鏡，第二偏轉構件可用作半透射鏡。在此配置中，第一偏轉構件，可由例如以金屬包括合金製成的反光膜(某種鏡)構 成並且配置來對入射到導光板上的光進行反射，或者由衍射光柵(例如，全息衍射光柵膜) 構成而用於將入射到導光板上的光進行衍射。第二偏轉構件可由層疊有多個介電層疊膜的 多層層疊結構半鏡、偏振光分束器、或者全息衍射光柵膜構成。雖然第一偏轉構件和第二偏 轉構件布置(結合)在導光板中，但是第一偏轉構件對入射到導光板上的平行光進行反射 或者衍射，以使入射的平行光在導光板中被全反射。另一方面，第二偏轉構件對在導光板中 以全反射傳播的平行光進行多次反射或者衍射，並且將平行光從導光板射出。或者，第一偏轉構件可對入射到導光板上的光進行衍射，而第二偏轉構件可對在 導光板中以全反射傳播的光進行多次衍射。在這種情況中，第一偏轉構件和第二偏轉構件 各可由衍射光柵元件構成。並且，衍射光柵元件可由反射式衍射光柵元件或者透射式衍射 光柵元件構成。或者，衍射光柵元件中的一個可由反射式衍射光柵元件構成，而另一個衍射 光柵元件可由透射式衍射光柵元件構成。示例的反射式衍射光柵元件可包括反射式體全息 衍射光柵。為了方便，由反射式體全息衍射光柵構成的第一偏轉構件有時稱作「第一衍射光 柵構件」，由反射式體全息衍射光柵構成的第二偏轉構件有時稱作「第二衍射光柵構件」。當根據本發明的實施例的圖像顯示裝置進行彩色圖像顯示時，為了衍射或反射具 有P種不同的波段(或波長)的P種光束(例如，對應於紅、綠、籃，P = 3)，在第一衍射光 柵構件或第二衍射光柵構件中可層疊P層衍射光柵層，而各層衍射光柵層由反射式體全息 衍射光柵構成。各層衍射光柵層形成有相應於一個波段(或波長)的幹涉條紋。或者，為 了衍射或反射具有P種不同的波段(或波長)的P種光束，第一衍射光柵構件或第二衍射 光柵構件可由設置有P種幹涉條紋的一層衍射光柵層構成。或者，例如，觀看角度可被分為 三部分，並且第一衍射光柵構件或第二衍射光柵構件可通過對應於觀看角度的各部分層疊 衍射光柵層而構成。通過採用這些結構，當具有多波段(或者波長)的光束通過第一衍射 光柵構件或者第二衍射光柵構件被衍射或者反射時，就可以提高衍射效率、增大可接受的衍射角度、並且優化衍射角度。 構成第一衍射光柵構件和第二衍射光柵構件的實例材料，可包括光聚合物材料。 由反射式體全息衍射光柵構成的第一衍射光柵構件和第二衍射光柵構件的材料和基本結 構，可與本領域中反射式體全息衍射光柵的相同。反射式體全息衍射光柵是指僅對+1級衍 射的光進行衍射和反射的全息衍射光柵。儘管衍射光柵構件形成有從衍射光柵構件的內部 延伸到外部的幹涉條紋，但是幹涉條紋的形成方法可與本領域中所採用的相同。具體地，例 如，將構成衍射光柵構件的材料(例如光聚合物材料)在第一預定方向以對象光進行輻照， 並且將該材料同時地在第二預定方向以參考光進行輻照，由此，對象光和參考光形成的幹 涉條紋可被記錄在構成衍射光柵構件的材料中。通過適當地選取第一預定方向、第二預定 方向、和對象光與參考光的波長，就可在衍射光柵構件的表面上以理想的節距和理想的傾 斜角布置幹涉條紋。這裡，幹涉條紋的傾斜角是指在衍射光柵構件(或衍射光柵層)的表 面與幹涉條紋之間形成的角度。當第一衍射光柵構件和第二衍射光柵構件被構成為具有層 疊了P層衍射光柵層(各層由反射式體全息衍射光柵構成)的層疊結構時，P層衍射光柵 層被單獨形成且然後以例如紫外線固化樹脂粘接劑被層疊(接合)。或者，P層衍射光柵層 可這樣構成形成一層粘接劑光聚合物材料的衍射光柵層，然後在其上依次接合粘接劑光 聚合物材料層。或者，根據本發明的實施例的圖像顯示裝置可如此實現光學裝置由半透射鏡構 成，從成像裝置射出的光進入半透射鏡，並從半透射鏡中朝向觀察者的眼睛射出。從成像裝 置射出的光，可在空氣中傳播後，或者在透光構件例如玻璃板或者塑料板(具體地，由與形 成導光板的材料類似的材料所形成的構件，其將在下面說明)中傳播後，進入半透射鏡。半 透射鏡可經由透光構件或者經由不同於透光構件的構件而安裝到成像裝置。根據本發明的實施例包括上述的優選實施例與配置的圖像顯示裝置可實現為使 成像裝置具有以二維矩陣排布的多個像素。為了方便，具有此配置的成像裝置，被稱為具有 第一配置的成像裝置。在具有第一結構的成像裝置中，例如，成像裝置可由包括反射式空間光調節器和 光源的成像裝置、包括透射式空間光調節器和光源的成像裝置、或者包括光發射元件(例 如有機電致發光(EL)元件、無機EL元件、或者發光二極體(LED))的成像裝置而構成。特 別地，優選成像裝置包括反射式空間光調節器和光源。例如，空間光調節器可由光閥、透射 式或反射式液晶顯示器例如矽基液晶(LCOS)或者數字微鏡裝置(DMD)、和光源構成，光源 可由光發射元件構成。並且，反射式空間光調節器可包括液晶顯示器和偏振分束器，偏振分 束器對來自光源的部分光進行反射和導向至液晶顯示器，並把被液晶顯示器反射的部分光 透射和導向至光學系統。構成光源的光發射元件可包括例如，紅光發射元件、綠光發射元 件、藍光發射元件和白光發射元件，或者白光可通過將使用光管的紅光發射元件、綠光發射 元件和藍光發射元件射出的紅光、綠光和藍光進行色彩混合和亮度均衡而獲得。光發射元 件可由半導體雷射元件、固態雷射器或LED構成。像素的數量可根據圖像顯示裝置的規格 而確定。例如，像素的具體數量可為320*240、432*240、640*480、1024*768或者1920*1080。 通過在下側布置光源，可使成像裝置的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸。或者，在根據本發明的實施例的包括上述的優選實施例與配置的圖像顯示裝置 中，成像裝置可包括光源和掃描構件，掃描構件對從光源射出的平行光進行掃描。為了方便，具有這種結構的成像裝置，被稱為具有第二配置的成像裝置。具有第二結構的成像裝置中的光源，可包括光發射元件作為光源，更具體地，紅光 發射元件、綠光發射元件、藍光發射元件和白光發射元件，或者白光可通過將使用光管的紅 光發射元件、綠光發射元件和藍光發射元件射出的紅光、綠光和藍光進行色彩混合和亮度 均衡而獲得。光發射元件可由半導體雷射元件、固態雷射器或LED構成。具有第二結構的 成像裝置中的像素的數量(虛擬像素)，也可根據圖像顯示裝置的規格而確定。例如，像素 (虛擬像素)的具體數量為320*240、432*240、640*480、1024*768或者1920*1080。當進行 彩色圖像顯示時，光源例如包括紅光發射元件、綠光發射元件和藍光發射元件，優選使用正 交稜鏡進行色彩合成。掃描構件可由微機電系統(MEMS)構成，微機電系統具有在二維方向 可旋轉的微鏡或者檢流計反射鏡，掃描構件水平地和垂直地掃描從光源射出的光。通過在 底端布置光源，可使成像裝置的重心位置偏離支撐構件的中心轉軸。
在具有第一配置的成像裝置或具有第二配置的成像裝置中，被光學系統(一種將 射出的光轉換成平行光束的光學系統，可被稱為「平行光發射光學系統」，具體地，例如準直 光學系統或中繼光學系統)轉換成多束平行光束的光被引入導光板。光束要成為平行光 束的原因，是基於這樣的事實當這種光束已進入導光板，甚至在該光束已經經由第一偏轉 構件和第二偏轉構件而從導光板中射出去後，均需要存儲光波面信息。為了產生多束平行 光束，例如，成像裝置的光學發射部分可位於對應平行光發射光學系統的焦距的地方(位 置)。平行光發射光學系統，在光學裝置的光學系統中用作將像素的位置信息轉換成角度信 息。例如，平行光發射光學系統可由總體上具有正的屈光度的光學系統構成，具有正的屈光 度的光學系統包括凸透鏡、凹透鏡、表面可調節的稜鏡或者全息透鏡中的單獨一個或者這 些的組合。具有開口的遮光構件，可布置在平行光發射光學系統與導光板之間，以使防止不 需要的光從平行光發射光學系統射出和進入導光板。導光板具有平行於導光板的軸(X軸)延伸的兩個平行表面(第一和第二表面)。 假定光入射到導光板上的表面為入射表面，光從導光板射出的表面為出射表面，入射表面 和出射表面都可被定義為第一表面，或者入射表面可被定義為第一表面，而出射表面可被 定義為第二表面。例如，導光板可由玻璃材料，包括光學玻璃例如石英玻璃或者BK7 ；或者 塑料材料(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯樹脂、丙烯酸樹脂、非晶態聚丙烯樹 月旨、或者苯乙烯樹脂(包括AS樹脂))而構成。導光板不限於平板，而可以是彎曲的。根據本發明的第二實施例的頭戴式顯示器中的成像裝置，可包括例如由透射式 空間光調節器和光源所構成的成像裝置，具體地，光源為透射式液晶顯示器。像素的數量 可根據成像裝置的規格而確定。例如，像素的具體數量可為320*240、432*240、640*480、 1024*768 或者 1920*1080。通過例如根據本發明的實施例的圖像顯示裝置，頭戴式顯示器可如此構造，以使 裝置的重量和尺寸上的減小可實現、裝置被配戴時的不舒適感可顯著減輕、並且製造成本 可縮減。在根據本發明的第一和第二實施例包括上述的優選實施例與配置的頭戴式顯示 器中，框架可包括布置在觀察者的前方的前部；和兩個邊撐部分，其經由鉸接件轉動地安 裝到前部的相對端部。端蓋部分安裝到各邊撐部分的頂端部分。在本發明的實施例包括上述的各種配置和實施例的頭戴式顯示器中，可容納鼻墊。即，當觀察者觀看本發明的實施例的整個頭戴式顯示器時，框架與鼻墊構成的組件具有 與普通眼鏡基本相同的結構。並且，邊緣部分可設置或者可不設置。構成框架的材料可與 構成普通眼鏡的材料相同，例如金屬、合金、或者塑料、及其組合。鼻墊也可具有公知的配置 和結構。在本發明的實施例的頭戴式顯示器中，從設計或者易於容納的觀點來看，期望從 一個或兩個成像裝置延伸的布線(信號線、電源線等)經由邊撐部分和端蓋部分的內部而 從端蓋部分的頂端部分延伸到外部，並且安裝到外部電路(控制電路)。並且，頭戴式顯示 器可實施為使各成像裝置包括耳機部分，以及用於各圖像成像設備的耳機部分的布線經由 邊撐部分和端蓋部分的內部，從端蓋部分的頂端部分延伸至耳機部分。耳機部分可包括，例 如，內耳式耳機部分和耳道式耳機部分。更具體地，優選是，用於耳機部分的布線從端蓋部 分的頂端部分延伸至耳機部分，以便圍繞在耳廓(外耳)的後面。本發明的實施例的頭戴式顯示器可用於例如電影標題的顯示；戲劇、歌舞劇 (kabuki)、能劇(Noh play)、狂言(kyogen)、歌劇、演唱會、芭蕾、各種劇場、娛樂場、藝術博 物館、旅遊勝地、遊樂勝地、景觀導覽等的各種說明的顯示；在各種裝置的運行、操縱、維修、 拆裝等中的符號、標記、標識、標誌、設計等的各種說明的顯示；有關人、物體等的符號、標 記、標識、標誌、設計等的各種說明的顯示；和閉合字幕的顯示。實例1實例1涉及根據本發明的實施例的圖像顯示裝置，和根據本發明的第一實施例的 頭戴式顯示器。實例1的圖像顯示裝置的概要圖顯示在圖1中，在構成實例1的圖像顯示 裝置的導光板中的光的傳播示意地顯示在圖2A中，顯示構成實例1的圖像顯示裝置的導光 板等的布置狀態的概要圖顯示在圖2B中。並且，實例1的頭戴式顯示器從上面看的示意圖 顯示在圖3中，該頭戴式顯示器從側面看的示意圖顯示在圖4中。在實例1或者實施例2至7(見下文)中，圖像顯示裝置100、200、300或者400包 括(A)成像裝置 111 或 211 ；(B)光學系統(平行光發射光學系統)112或254，其將從成像裝置111或211射 出的光轉換成平行光；(C)光學裝置120或320，被光學系統112或254轉換成平行光的光束進入光學裝 置120或320中並被引導而從光學裝置120或320中射出；和(D)支撐構件500或600，其相對於光學裝置120或320轉動地支撐至少成像裝置 111 或 211。並且，實例1的或者實施例2至7 (見下文)的頭戴式顯示器包括(a)框架10，其形狀像眼鏡，用於戴在觀察者的頭部，和(b)圖像顯示裝置100、200、300和400，其安裝到框架10。此外，儘管在實施例的 頭戴式顯示器中具體地採用了包括兩個圖像顯示裝置的雙眼型顯示器，但是也可採用包括 一個圖像顯示裝置的單眼型顯示器。成像裝置111或211顯示單色的圖像。在實例1或者實施例2至7 (見下文)中，由至少成像裝置與支撐構件500或600 構成的組件的重心CG在偏離支撐構件500或600的中心轉軸AX的位置，並且至少成像裝 置111或211受重力而相對於光學裝置120或320轉動，由此成像裝置111或211被水平地保持。在圖2A、8、12、14A和14B中，支撐構件500或600的中心轉軸AX以虛線顯示，穿 過重心CG並且平行於中心轉軸AX的軸以點劃線顯示。在實例1或者實施例2至4(見下文)中，支撐構件500相對於光學裝置120或 320和光學系統112或254轉動地支撐成像裝置111或211。支撐構件500包括第一筒狀 構件501、第二筒狀構件502和轉動構件503，轉動構件 503布置在第一筒狀構件501與第 二筒狀構件502之間來使第一筒狀構件501和第二筒狀構件502相對轉動。並且，成像裝 置111或211布置在第一筒狀構件501中，光學系統112或254布置在第二筒狀構件502 中，並且光學裝置120或320安裝到第二筒狀構件502。第一筒狀構件501和第二筒狀構件502由例如塑料或金屬製成。第一筒狀構件 501和第二筒狀構件502的尺寸(直徑和長度)可考慮成像裝置111或211、光學系統112 或254、光學裝置120或320、整個頭戴式顯示器等的尺寸來適當地確定。第一筒狀構件501 和第二筒狀構件502經由球軸承構成的轉動構件503而布置成嵌套狀。成像裝置111或211在第一筒狀構件501中的布置，可通過以適當的安裝構件或 者安裝方法將成像裝置111或211安裝到第一筒狀構件501的內表面來執行。具體地，成像 裝置通過這樣的方法而安裝將容納成像裝置111或211的殼體113A或213A配合到第一 筒狀構件501的內表面。並且，光學系統112或254在第二筒狀構件502中的布置，可通過 以適當的安裝構件或者安裝方法將光學系統112或254安裝到第二筒狀構件502的內表面 來執行。具體地，光學系統通過這樣的方法而安裝將容納光學系統112或254的殼體113B 或213B配合到第二筒狀構件502的內表面。支撐構件500，更具體地，第二筒狀構件502安 裝到框架10。具體地，支撐構件500，更具體地，第二筒狀構件502固定到框架10 (更具體 地，邊撐部分13)。此外，支撐構件可以可拆離式地安裝到邊撐部分13。在光學裝置120或 320與框架10之間沒有相對運動。即，光學裝置120或320相應於框架10靜止地布置。在實例1或實施例2至7(見下文)中，由至少成像裝置111或211與支撐構件 500或600構成的組件的重心CG偏離(偏心於)支撐構件500或600的中心轉軸AX的位 置。具體地，成像裝置111或211等可由支撐構件500或600支撐，而使組件的重心CG不 位於支撐構件500或600的中心轉軸AX上。在實例1或實施例2至7 (見下文)中，從成像裝置111或211的中心射出並穿過 光學系統112或254在成像裝置一側的節點的中心光束CL在一點處進入光學裝置120或 320，該點被定義為光學裝置中心點0，穿過光學裝置中心點0且平行於光學裝置120或320 的軸方向的軸，被定義為X軸，穿過光學裝置中心點0且與光學裝置120或320的法向軸一 致的軸，被定義為Y軸。在實例1或者實施例2至7 (見下文)中，光學裝置120或320包括(a)導光板121或321，入射光在導光板中以全反射傳播後，從導光板射出；(b)第一偏轉構件130或330，其將入射到導光板121或321上的光進行偏轉，以 使入射到導光板121或321上的光在導光板121或321中被全反射；和(c)第二偏轉構件140或340，其對導光板121或321中以全反射傳播的光進行多 次偏轉，以便把在導光板121或321中以全反射傳播的光從導光板121或321射出。第一偏 轉構件130或330的中心點相當於光學裝置中心點0。光學裝置120或320為透視型(半 透射)。
這裡，在實例1中，第一偏轉構件130和第二偏轉構件140布置在導光板121中。 第一偏轉構件130對入射到導光板121上的光進行反射，第二偏轉構件140把在導光板121 中以全反射傳播的光進行多次透射和反射。即，第一偏轉構件130用作反射鏡，第二偏轉構 件140用作半透射鏡。更具體地，設置在導光板121中的第一偏轉構件130由反光膜(某 種鏡)構成，該反射膜由鋁製成並且配置來對入射到導光板121上的光進行反射。另一方 面，設置在導光板121中的第二偏轉構件140由層疊了多層介電層疊膜的多層層疊結構構 成。介電層疊膜包括，例如，由高介電常數材料製成的TiO2膜，和由低介電常數材料製成的 SiO2膜。層疊了多層介電層疊膜的多層層疊結構在日本專利文件JP-T-2005-521099中公 開。儘管在附圖中顯示六層介電層疊膜，但是介電層疊膜的數量不限於此。由與導光板121 的材料相同的材料製成的薄片夾放在介電層疊膜之間。第一偏轉構件130對入射到導光板 121上的平行光進行反射(或衍射)，以使入射到導光板121上的平行光在導光板121中被 全反射。另一方面，第二偏轉構件140對在導光板121中以全反射傳播的平行光進行多次 反射(或衍射)，並且將平行光從導光板121朝向觀察者的眼睛41而射出。
導光板121的提供第一偏轉部分130的部分124被切除，從而在導光板121上形 成斜面，在該斜面上將形成第一偏轉構件130，反光膜通過真空澱積而形成在該斜面上，並 且導光板121的切除部分124然後被接合到第一偏轉構件130。並且，多層層疊結構被構 成，與導光板121的材料相同的材料(例如玻璃)製成的多層膜以及多層介電膜(例如，由真空澱積形成)層疊在多層 層疊結構中，導光板121的部分125被切除從而形成斜面，在該斜面處第二偏轉構件140將 形成，多層層疊結構接合到該斜面，並且導光板的外部由例如拋光成形。這樣，可獲得具有 設置在導光板121中的第一偏轉構件130和第二偏轉構件140的光學裝置120。在實例1或者實施例2至7(見下文)中，由光學玻璃或塑料材料形成的導光板 121或321具有平行於導光板121或321的全內反射光傳播方向(X軸)延伸的兩個平行表 面(第一表面122或322與第二表面123或323)。第一表面122或322與第二表面123或 323相互面對。平行光從用作光入射表面的第一表面122或322進入，在導光板121中以全 反射傳播，然後從用作光出射表面的第一表面122或322射出。然而，本發明不限於此，並 且光入射表面可由第二表面123或323構成，而光出射表面可由第一表面122或322構成。在實例1或下面將說明的實例3中，成像裝置111為具有第一配置的成像裝置，並 且具有以二維矩陣排布的多個像素。具體地，成像裝置111包括反射式空間光調節器150 和光源153，光源153由用於發射白光的光發射二極體構成。整個成像裝置111容納在殼體 113A中(在圖1中以點劃線顯示)，光學系統112容納在殼體113B中(在圖1中以點劃線 顯示)，開口(未顯示)設置在殼體113B中，光通過開口從光學系統112 (平行光發射光學 系統或準直光學系統)被射出。反射式空間光調節器150包括液晶顯示器(LCD) 151，其由 用作光閥的矽基液晶(LCOS)構成；和偏振分束器152，其將來自光源153的部分反光和導 向至液晶顯示器151，並且把被液晶顯示器151反射的部分光透射和導向至光學系統112。 液晶顯示器151包括以二維矩陣排布的多個(例如640*480)像素(液晶單元)。偏振分 束器152具有與本領域中的偏振分束器相同的配置和結構。從光源153射出的非偏振光入 射到偏振分束器152上。P偏振光分量穿過偏振分束器152，並且被發射至系統的外部。另 一方面，S偏轉光分量被偏振分束器152反射，進入液晶顯示器151，在液晶顯示器151中被反射，然後從液晶顯示器151射出。這裡，在從液晶顯示器151射出的光中，從用於顯示白 色的像素射出的光包含許多P偏振光分量，從用於顯示黑色的像素射出的光包含許多S偏 振光分量。因此，從液晶顯示器151射出且入射到偏振分束器152上的光中的P偏振光分 量，穿過偏振分束器152，並被引導至光學系統112。另一方面，S偏轉光分量被偏振分束器 152反射，然後返回光源153。光學系統112由例如凸透鏡構成。為了產生平行光，成像裝 置111 (具體地，液晶顯示器151)布置在對應於光學系統112的焦距的地方(位置)。光源 153布置在液晶顯示器151的下側。框架10由前部11、兩個邊撐部分13和端蓋部分14構成，前部11布置在觀察者前 方，兩個邊撐部分13經由鉸接件12轉動地安裝到前部11的兩端，端蓋部分14 (被稱為端單 元(tip cell)、耳罩(earmuff)和耳墊(ear pad))安裝到各邊撐部分13的頂端部分。並 且，鼻墊(未顯示)安裝到框架。殼體11313或213B可以可拆離式地通過安裝構件18而 安裝到邊撐部分13。框架10由金屬或者塑料製成。支撐構件500或600可被安裝而通過 安裝構件18而固定到邊撐部分13。支撐構件可以通過安裝構件18而可拆離式地安裝到擁 有和配戴眼鏡的觀察者所擁有的眼鏡的框架的邊撐部分。從一個成像裝置IllA延伸的布線(信號線、電源線等)15，經由邊撐部分13和端 蓋部分14的內部，並從端蓋部分14的頂端部分延伸至外部。各成像裝置IllA或IllB包 括耳機部分16和用於耳機部分的布線17，從各成像裝置IllA或IllB延伸的布線17，經由 邊撐部分13和端蓋部分14的內部，並從端蓋部分14的頂端部分延伸至耳機部分16。更具 體地，用於耳機部分的布線17從端蓋部分14的頂端部分延伸至耳機部分16，以便圍繞在耳 廓(外耳)的後面。通過採用這種配置，可形成簡潔的頭戴式顯示器，而不會給人的印象為 耳機部分16和耳機部分的布線17是隨便布置的。在實例1的圖像顯示裝置100中，成像裝置111與支撐構件500構成的組件的重 心CG在偏離支撐構件500的中心轉軸AX的位置，並且成像裝置111受重力而相對於光學 裝置120轉動，由此成像裝置111被水平地保持。因此，即使配戴頭戴式顯示器的觀察者的 頭部傾斜，通過簡單的配置和結構，觀察者仍可觀察被水平地保持的圖像。圖13A和13B示 意地顯示，即使配戴本實施例的頭戴式顯示器的觀察者的頭部傾斜，觀察者仍可觀察被水 平地保持的圖像。並且，不會使重量增加、製造成本增加和功率消耗增加，也無需通過圖像 處理旋轉顯示圖像，無需帶大顯示區域的成像裝置，也無需增加成像裝置的解析度。實例2實例2是實例1的變型。圖5是根據實例2的頭戴式顯示器中的圖像顯示裝置 200的概念視圖。如圖5所示，實例2中的成像裝置211由具有第二配置的成像裝置構成。 即，成像裝置包括光源251和掃描構件253，掃描構件253掃描從光源251射出的平行光。 更具體地，成像裝置211包括(a)光源 251;(b)準直光學系統252，其將從光源251射出的光轉換成平行光；(c)掃描構件253，其掃描從準直光學系統252射出的平行光；和(d)中繼光學系統254，其將掃描構件253掃描過的平行光進行中繼和發射。光源 251、準直光學系統252和掃描構件253容納在殼體213A中(在圖5中以點劃線顯示)，平 行光發射光學系統(中繼光學系統254)容納在殼體213B中(在圖5中以點劃線顯示)，開口(未顯示)設置在殼體213B中，光通過該開口從中繼光學系統254射出。支撐構件500 通過安裝構件18而可拆離式地安裝到邊撐部分13。光源251布置在準直光學系統252和 掃描構件253的下方。光源251包括用 於發射白光的光發射元件。從光源251射出的光進入準直光學 系統252，並作為平行光射出去，準直光學系統252總體上具有正的屈光度。平行光被全反 射鏡256反射，被掃描構件253水平地和垂直地掃描，並且被轉換成某種二維圖像，由此產 生虛擬像素(像素的數量可製成與實例1的相同)，掃描構件253由MEMS構成，MEMS可在 二維方向旋轉微鏡以便二維地掃描入射的平行光。來自虛擬像素的光，穿過中繼光學系統 (平行光發射光學系統)254，然後被轉換成平行光的光束進入光學裝置120，中繼光學系統 254由本領域的中繼光學系統構成。被中繼光學系統254轉換成平行光的光束進入光學裝置120，並且在光學裝置120 中光束被引導，然後從光學裝置120射出。由於光學裝置120具有與實例1中採用的光學 裝置相同的配置和結構，因此省略對其的詳細說明。並且，由於實例2的頭戴式顯示器與實 例1的頭戴式顯示器，如上述除了成像裝置211不同外，具有基本相同的配置和結構，因此 省略對其的詳細說明。實例3實例3也是實例1的變型。圖6A是根據實例3的頭戴式顯示器中的圖像顯示裝 置300的概念視圖。圖6B是反射式體全息衍射光柵的一部分的放大的示意截面視圖。在 實例3中，成像裝置110具有第一配置的成像裝置構成，類似實例1。光學裝置320，除了第 一偏轉構件和第二偏轉構件的配置和結構外，具有與實例1的光學裝置120相同的基本配 置和結構。在實例3中，第一偏轉構件和第二偏轉構件布置在導光板321的一個表面(具體 地，導光板321的第二表面323)上。第一偏轉構件將入射到導光板321上的光進行衍射， 第二偏轉構件對在導光板321中以全反射傳播的光進行多次衍射。這裡，第一和第二偏轉 構件各由衍射光柵元件構成，具體地，反射式衍射光柵元件，更具體地，反射式體全息衍射 光柵。在以下說明中，為了方便，由反射式體全息衍射光柵構成的第一偏轉構件，有時稱為 「第一衍射光柵構件330」，由反射式體全息衍射光柵構成的第二偏轉構件有時稱為「第二衍 射光柵構件340」。在實例3或下面將說明的實例4中，在第一衍射光柵構件330和第二衍射光柵構 件340的每一個中，層疊了一層衍射光柵層。由光聚合物材料製成的各層衍射光柵層形成 有對應一個波段(或波長)的幹涉條紋，並且幹涉條紋通過本領域的方法而形成。形成在 衍射光柵層(衍射光學元件)上的幹涉條紋，以固定的間距線性地延伸並且平行於Z軸方 向。第一衍射光柵構件330的軸和第二衍射光柵構件340的軸平行於X軸，並且法向軸平 行於Y軸。圖6B是反射式體全息衍射光柵的放大的部分截面示意視圖。反射式體全息衍射 光柵形成有幹涉條紋，並且幹涉條紋具有傾斜角φ。這裡，傾斜角φ是指在反射式體全息衍射 光柵的表面與幹涉條紋之間形成的角度。幹涉條紋形成為從反射式體全息衍射光柵的內部 延伸到外部。幹涉條紋滿足布拉格條件。這裡，布拉格條件用來滿足下列表達式α。在表達 式A中，m是正整數，λ表示波長，d表示光柵表面的間距(包括幹涉條紋的虛擬面之間在法線方向的距離)，Θ表示幹涉條紋上的入射角的補角。當光以入射角φ進入衍射光柵構件 時，補角 、傾斜角ψ和入射角φ具有由表達式B給出的關係Μ*λ = 2*d*sin( ) (A)
Θ= 90。-(φ+ ψ)(Β)如上述，第一衍射光柵構件330布置(接合)在導光板321的第二表面323上，並 且對從第一表面322入射到導光板321上的平行光進行衍射和反射，以使入射到導光板321 上的平行光在導光板321中被全反射。並且，如上述，第二衍射光柵構件340布置(接合) 在導光板321的第二表面323上，並且對在導光板321中以多次全反射傳播的平行光進行 衍射和反射，並且使平行光從導光板321穿過第一表面322射出。平行光在導光板321中也以全反射傳播，然後被射出。在這種情況中，由於導光板 321薄並且在導光板321中的光路長，因此在光束到達第二衍射光柵構件340之前，光束所 進行的全反射的次數根據視角而變化。更具體地，在入射在導光板321上的平行光束中，朝 向第二衍射光柵構件340傾斜入射在導光板321上的平行光束的反射次數小於離開第二衍 射光柵構件340傾斜入射在導光板321上的平行光束的反射次數。這是因為，在導光板321 中傳播的光入射在導光板321的內表面上時，在第一衍射光柵構件330處衍射和反射並朝 向第二衍射光柵構件340傾斜入射在導光板321上的平行光束與沿相反方向傾斜入射在導 光板321上的平行光束相比，相對導光板321的法向之間形成的角度更小。形成於第二衍 射光柵構件340內部的幹涉條紋的形狀和形成於第一衍射光柵構件330內部的幹涉條紋的 形狀，關於垂直於導光板321的軸的假想平面對稱。下面將說明的實例4中的導光板321，具有與上述的導光板321相同的配置和結 構。如上述，除了光學裝置320不同外，實例3的頭戴式顯示器具有與實例1的頭戴式 顯示器基本相同的配置和結構，因此省略對其的詳細說明。實例4實例4是實例3的變型。圖7是根據實例4的頭戴式顯示器中的圖像顯示裝置的 概念視圖。在實例4的圖像顯示裝置400中，光源251、準直光學系統252、掃描構件253、平 行光發射光學系統(中繼光學系統254)等具有與實例2中所採用的(具有第二配置的成 像裝置)各部件相同的配置和結構。並且，實例4中的光學裝置320具有與實例3中的光 學裝置320相同的配置和結構。除了上述不同外，由於實例4的頭戴式顯示器具有與實例 1的頭戴式顯示器基本相同的配置和結構，因此省略對其的詳細說明。實例5實例5是實施例1至4的變型。在實施例1至4中，支撐構件600相對於光學裝 置120或320和光學系統112或254轉動地支撐成像裝置111或211。另一方面，在實例5 中，如顯示導光板等的布置狀態的概要圖8所示，支撐構件600相對於光學裝置120或320 轉動地支撐成像裝置111或211和光學系統112或254。支撐構件600包括第一筒狀構件 601、第二筒狀構件602和轉動構件603，轉動構件603布置在第一筒狀構件601與第二筒狀 構件602之間來使得第一筒狀構件601和第二筒狀構件602相對轉動，成像裝置111或211 和光學裝置112或254布置在第一筒狀構件601中，光學裝置120或320安裝到第二筒狀構件602。成像裝置111或211和光學系統112或254在第一筒狀構件601中的布置，可通 過以適當的安裝構件或者安裝方法將成像裝置111或211和光學系統112或254安裝到第 一筒狀構件601的內表面來執行。具體地，成像裝置和光學系統通過這樣的方法而安裝將 容納成像裝置111或211和整個光學系統112或254的殼體配合到第一筒狀構件601的內 表面。具體地，第二筒狀構件602到光學裝置120或320的安裝，可通過以適當的安裝構件 或者安裝方法將第二筒狀構件602安裝到光學裝置來執行。支撐構件600，更具體地，第二 筒狀構件602安裝到框架10。此安裝也可以適當的安裝構件或者安裝方法來執行。並且， 支撐構件600，更具體地，第二筒狀構件602可固定到框架(具體地，邊撐部分13)，或者可 以可拆離式地安裝到框架10 (更具體地，邊撐部分13)。除了上述方面外，由於實例5的圖像顯示裝置和頭戴式顯示器可製成為與實施例 1至4的圖像顯示裝置和頭戴式顯示器相同的配置和結構，因此省略對其的詳細說明。實例6實例6是實施例1至5的變型。在構成實例6的圖像顯示裝置的導光板中的光傳 播通常如圖9A中所示，構成實例6的圖像顯示裝置的導光板等的布置狀態在圖9B中作為 概要圖顯示，並且實例6的頭戴式顯示器從側面看的示意視圖顯示在圖10中。在實施例1至5中，圖像顯示裝置100或300被進行設計，以使從成像裝置111的 中心射出並穿過光學系統112或254的在成像裝置一側的節點的中心光束CL，垂直於導光 板121或321地入射到導光板121或321上。S卩，中心光束CL設計為以零入射角進入導光 板121或321。此時，要顯示的圖像的中心與導光板121或321的第一表面122或322的垂 直方向一致。在圖像顯示裝置100所代表的這類圖像顯示裝置中，如圖2A和2B中所示，從成像 裝置111的中心射出的、在準直光學系統112的光學軸上的中心光束CL被準直光學系統 112轉換成基本上平行的光，然後垂直於導光板121地進入導光板121的第一表面(入射 表面)122。然後，光沿傳播方向A運行，同時在第一表面122與第二表面123之間被第一 偏轉構件130全反射。隨後，中心光束CL被第二偏轉構件140反射和衍射，並被從導光板 121的第一表面122垂直地射出，然後到達觀察者的眼睛41。當觀察者在透視型頭戴式顯示器中觀看水平放置的物體時，為了防止光學裝置 120或320成為障礙，需要將光學裝置120或320平移和布置到觀察者的水平視線的下方。 在這種情況中，整個圖像顯示裝置100或300被布置在觀察者的視線的下方。同時，在這種 配置中，如圖15中所示，需要將整個成像裝置100傾斜角度θ 『『。在這種情況中，從與用於 配戴在觀察者的頭部的形狀像眼鏡的框架的安裝部分(邊撐部分)的關係的角度而言，圖 像顯示裝置100可傾斜的角度θ 「可能受到限制，或者設計自由度可能變低。因此，期望提 供一種圖像顯示裝置，其容許高自由度的布置和在設計上具有高自由度，以使其不會成為 觀察者的水平視線的障礙。在實例6中，中心光束CL以除0度外的角度(Θ)相交XY平面。中心光束CL被 包括在YZ平面中。在實例6或下面將說明的實例7中，光學系統112或254的光軸被包括 在YZ平面內並且以除0度外的角度，具體地，以角度θ相交XY平面(參考圖9Α和9Β)。 在實例6或下面將說明的實例7的頭戴式顯示器中，假定XY平面與水平平面一致，則中心
18光束CL相交XY平面的角度θ為仰角。S卩，中心光束CL從XY平面的下方朝向XY平面地 入射在XY平面上。XY平面以除O度外的角度，具體地，以角度θ相交垂直平面。
在實例6中，θ =5度。更具體地，在這種配置中，中心光束CL(在圖10中以虛 線顯示)被包括在水平平面中。光學裝置120或320相應於垂直平面傾斜角度θ。換句話 說，光學裝置120或320相應於水平平面傾斜角度(90-Θ)。並且，從光學裝置120或320 射出的中心光束CL'(在圖10中以點劃線顯示)相應於水平平面傾斜角度2 θ。g卩，當觀 察者觀看水平方向和無窮遠處的物體時，從光學裝置120或320射出並進入觀察者的眼睛 的中心光束CL'形成俯角Θ' ( = 20)(參考圖10)。中心光束CL'與光學裝置120或 320的法向形成的角度是θ。在圖9Α或下面將說明的圖IlA中，，中心光束CL'從光學裝 置120或320射出的一點以0'表示，穿過點0'並且平行於X軸、Y軸和Z軸的軸以X' 軸、Y'軸和Z'軸表示。此外，從成像裝置111或211的中心射出的中心光束CL不限於該 中心光束被包括在水平平面內的這種形式，而可實現為使中心光束以除0度外的期望的角 度(俯角)相交水平平面。並且，當觀察者觀看水平方向和無窮遠處的物體時，可實現使從 光學裝置120或320射出並且進入觀察者的眼睛的中心光束CL'形成仰角。在實例6的圖像顯示裝置、或者構成實例6的頭戴式顯示器的圖像顯示裝置中，中 心光束以除ο度外的角度(Θ)相交XY平面。這裡，若從光學裝置射出並且進入觀察者的 眼睛的中心光束CL'形成俯角Θ'，則滿足關係θ' =2Θ。另一方面，在圖15所示的實 例中，若希望獲得相同的俯角時，需要將整個成像裝置傾斜角度θ 「。這裡，θ 「與θ之 間的關係是θ 「 = 2 θ。最終，在圖15中所示的實例中，光學裝置應當相應於垂直平面傾 斜2Θ。另一方面，在實例6中，光學裝置只要相應於垂直平面傾斜θ，並且成像裝置只要 保持水平。由此，當圖像顯示裝置安裝到眼鏡形狀的框架的安裝部分時，對圖像顯示裝置的 安裝角度幾乎沒有限制，從而可獲得設計上的高自由度。並且，由於光學裝置相應於垂直平 面的傾斜小於圖15所示實例的情況，因此戶外日光被光學裝置反射並且進入觀察者的眼 睛的現象幾乎不會發生。因此，可顯示更高質量的圖像。實例7實例7是實例6的變型。在構成實例7的圖像顯示裝置的導光板中的光傳播示意 地顯示在圖IlA中，並且顯示構成實例7的圖像顯示裝置的導光板等的布置狀態的概要圖 顯示在圖1IB中。這裡，在實例7中，光學系統(平行光發射光學系統或準直光學系統)112 的光軸平行於YZ平面、平行於XY平面、並且穿過平移自成像裝置111的中心的一個位置。 通過採用這種配置，中心光束CL被包括在YZ平面內，並且以仰角θ相交XY平面。實例8實例8涉及根據本發明的第二實施例的頭戴式顯示器。圖12是實例8的頭戴式 顯示器從側面看的示意圖，如圖12所示，實例8的頭戴式顯示器包括(a)框架10，其形狀像眼鏡，用於戴在觀察者的頭部，和(b)成像裝置711，其通過支撐構件700轉動地安裝到框架10，成像裝置711與支撐構件700構成的組件的重心CG在偏離支撐構件700的中心 轉軸AX的位置，並且成像裝置711受重力而相應於框架10轉動，由此成像裝置711被水平 地保持。儘管在實例8(雙眼型)中設置了兩個成像裝置711，但是也可採用包括一個圖像 顯示裝置的單眼型。並且，成像裝置711為由透射式空間光調節器和光源構成的成像裝置，該透射式空間光調節器顯示單色的(白色的)圖像，而該光源具體地為透射式液晶顯示器。 像素的數量與實例1的相同。在實例8的頭戴式顯示器中，成像裝置711的重心CG偏離(偏心於)支撐構件 700的中心轉軸AX的位置。具體地，成像裝置711由支撐構件700支撐，而使成像裝置711 的重心CG不位於支撐構件700的中心轉軸AX上。即使在實例8中，支撐構件700也由例如塑料或金屬製成的第一筒狀構件701和 第二筒狀構件702構成。第一筒狀構件701和第二筒狀構件702的尺寸(直徑和長度)可 考慮成像裝置711、整個頭戴式顯示器等的尺寸來適當地確定。與實例1相似的轉動構件 703布置在第一筒狀構件701與第二筒狀構件702之間，並且第一筒狀構件701和第二筒 狀構件702可相對轉動。第一筒狀構件701與第二筒狀構件702經由轉動構件703而布置 成嵌套狀。成像裝置711可布置在第一筒狀構件701中，並且成像裝置711在第一筒狀構 件701中的布置，可通過以適當的安裝構件或者安裝方法將成像裝置711安裝到第一筒狀 構件701的內表面來執行。具體地，成像裝置通過這樣的方法而安裝將成像裝置711的殼 體配合進第一筒狀構件701的內表面。並且，成像裝置711通過支撐構件700而安裝到框 架10，以便對框架10可轉動。具體地，第二筒狀構件702可安裝到框架10，更具體地，第二 筒狀構件702可被固定到、或者通過適當的安裝構件或者安裝方法而可拆離式地安裝到邊 緣部分、前部11、或者邊撐部分13。在實例8的頭戴式顯示器中，成像裝置711與支撐構件700構成的組件的重心CG 在偏離支撐構件700的中心轉軸AX的位置，並且成像裝置711受重力而相應於框架10轉 動，由此成像裝置711被水平地保持。因此，即使配戴頭戴式顯示器的觀察者的頭部傾斜， 通過簡單的配置和結構，觀察者仍可觀察被水平地保持的圖像。並且，不會使重量增加、制 造成本增加和功率消耗增加，也無需通過圖像處理旋轉顯示圖像，無需帶大顯示區域的成 像裝置，也無需增加成像裝置的解析度。儘管已基於優選實施例對本發明進行說明，但是本發明不限於這些實施例。在實 施例中已進行說明的圖像顯示裝置、支撐構件和頭戴式顯示器，僅僅是圖示性的，並且可被 適當地更改。例如，在實例1或者實例5中說明的支撐構件中的第一筒狀構件和第二筒狀 構件的結構也可更改為如圖14A和14B所示。即，可採用一種結構，在該結構中，面向觀察 者的第二筒狀構件502或602設置有底板504或604，從底板504或604的中心部分朝向內 部設置有突出部分505或605，並且第一筒狀構件501或601經由轉動構件503或603而圍 繞突出部分505或605轉動。如果構成支撐構件的兩個構件相互可轉動，則這些構件的形 狀可不是筒狀的。並且，表面浮雕型(surface relief-type)全息圖(參考美國專利申請 公開文件2004/0062505A1)可布置在導光板中。實例3或4的光學裝置320也可實現為使 衍射光柵元件由透射式衍射光柵元件構成，或者第一偏轉構件和第二偏轉構件中的任何一 個由反射式衍射光柵元件構成，而另一個由透射式衍射光柵元件構成。或者，反射式閃耀衍 射光柵元件也可用作衍射光柵元件。本申請包括2009年8月31日向日本專利局提交的日本優先權專利申請文件JP 2009-199568中所公開內容相關的主題，其全部內容引用結合於此。本領域技術人員應當理解，在附加的權利要求或其等同形式的範圍之內，依據設 計需要與其它因素，可進行各種修改、組合、子組合和替代。
權利要求
1.一種圖像顯示裝置，包括(A)成像裝置；(B)光學系統，其將從所述成像裝置射出的光轉換成平行光；(C)光學裝置，被所述光學系統轉換成所述平行光的光束進入所述光學裝置中，在所述 光學裝置中所述光束被引導並從所述光學裝置射出；和(D)支撐構件，其相對於所述光學裝置轉動地支撐至少所述成像裝置，其中，由至少所述成像裝置與所述支撐構件構成的組件具有的重心處於偏離所述支撐 構件的中心轉軸的位置，並且至少所述成像裝置受重力而相對於所述光學裝置轉動，由此 所述成像裝置被水平地保持。
2.根據權利要求1的所述圖像顯示裝置，其中所述支撐構件相應於所述光學裝置和所述光學系統轉動地支撐所述成像裝置。
3.根據權利要求2的所述圖像顯示裝置，其中，所述支撐構件包括第一筒狀構件、第二筒狀構件和轉動構件，所述轉動構件布置 在所述第一筒狀構件與所述第二筒狀構件之間來使所述第一筒狀構件和所述第二筒狀構 件相對轉動，所述成像裝置布置在所述第一筒狀構件中，所述光學系統布置在所述第二筒狀構件中，和所述光學裝置安裝到所述第二筒狀構件。
4.根據權利要求1的所述圖像顯示裝置，其中，所述支撐構件相對於所述光學裝置轉動地支撐所述成像裝置和所述光學系統。
5.根據權利要求4的所述圖像顯示裝置，其中，所述支撐構件包括第一筒狀構件、第二筒狀構件和轉動構件，所述轉動構件布置 在所述第一筒狀構件與所述第二筒狀構件之間來使所述第一筒狀構件和所述第二筒狀構 件相對轉動，所述成像裝置和所述光學裝置布置在所述第一筒狀構件中，和所述光學裝置安裝到所述第二筒狀構件。
6.一種頭戴式顯示器，包括(a)框架，其形狀像眼鏡，用於戴在觀察者的頭部；和(b)安裝到所述框架的圖像顯示裝置，所述圖像顯示裝置包括(A)成像裝置；(B)光學系統，其將從所述成像裝置射出的光轉換成平行光；(C)光學裝置，被所述光學系統轉換成所述平行光的光束進入所述光學裝置，在所述光 學裝置中所述光束被引導並從所述光學裝置射出；和(D)支撐構件，其相對於所述光學裝置轉動地支撐至少所述成像裝置，其中，由至少所述成像裝置與所述支撐構件構成的組件的重心處於偏離所述支撐構件 的所述中心轉軸的位置，並且至少所述成像裝置受重力而相對於所述光學裝置轉動，由此 所述成像裝置被水平地保持。
7.根據權利要求6的所述頭戴式顯示器，其中所述支撐構件相應於所述光學裝置和所述光學系統轉動地支撐所述成像裝置。
8.根據權利要求7的所述頭戴式顯示器，其中，所述支撐構件包括第一筒狀構件、第二筒狀構件和轉動構件，所述轉動構件布置 在所述第一筒狀構件與所述第二筒狀構件之間來使所述第一筒狀構件和所述第二筒狀構 件相對轉動，所述成像裝置布置在所述第一筒狀構件中， 所述光學系統布置在所述第二筒狀構件中，和 所述光學裝置安裝到所述第二筒狀構件。
9.根據權利要求6的所述頭戴式顯示器，其中，所述支撐構件相對於所述光學裝置轉動地支撐所述成像裝置和所述光學系統。
10.根據權利要求9的所述頭戴式顯示器，其中，所述支撐構件包括第一筒狀構件、第二筒狀構件和轉動構件，所述轉動構件布置 在所述第一筒狀構件與所述第二筒狀構件之間來使所述第一筒狀構件和所述第二筒狀構 件相對轉動，所述成像裝置和所述光學裝置布置在所述第一筒狀構件中，和 所述光學裝置安裝到所述第二筒狀構件。
11.根據權利要求6的所述頭戴式顯示器，其中所述框架由前部和兩個邊撐部分構成，所述前部布置在觀察者的前方，所述兩個 邊撐部分通過鉸接件轉動地安裝到所述前部的兩端。
12.—種頭戴式顯示器，包括(a)框架，其形狀像眼鏡，用於戴在觀察者的頭部，和(b)成像裝置，其通過支撐構件轉動地安裝到所述框架，其中，所述成像裝置與所述支撐構件構成的組件的重心處於偏離所述支撐構件的所述 中心轉軸的位置，並且所述成像裝置受重力而相對於所述框架轉動，由此所述成像裝置被 水平地保持。
13.一種圖像顯示裝置，包括(A)成像裝置；(B)光學系統，其將從所述成像裝置射出的光轉換成平行光；(C)光學裝置，被所述光學系統轉換成平行光的光束進入所述光學裝置並被引導而從 所述光學裝置射出；和(D)支撐構件，其相對於所述光學裝置轉動地支撐所述成像裝置， 其中，所述成像裝置受重力而相對於所述光學裝置轉動。
14.根據權利要求13的所述圖像顯示裝置， 其中所述支撐構件包括第一構件， 第二構件，和轉動構件，其布置在所述第一構件與所述第二構件之間來使所述第一構件和所述第二 構件相對轉動，其中，所述成像裝置安裝到所述第一構件，和 其中，所述光學裝置安裝到所述第二構件。
全文摘要
一種圖像顯示裝置，包括(A)成像裝置；(B)光學系統，其將從成像裝置射出的光轉換成平行光；(C)光學裝置，被光學系統轉換成平行光的光束進入光學裝置，在光學裝置中光束被引導，並且光束被從光學裝置射出；和(D)支撐構件，其相對於光學裝置轉動地支撐至少成像裝置，其中由至少成像裝置與支撐構件構成的組件的重心處於偏離支撐構件的中心轉軸的位置，並且至少成像裝置受重力而相對於光學裝置轉動，由此成像裝置被水平地保持。
文檔編號G02B27/01GK102004312SQ201010261309
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月23日 優先權日2009年8月31日
發明者武川洋 申請人:索尼公司