Область техники
[001] Настоящее изобретение относится к прибору отображения виртуального изображения, с которого наблюдателю представляется видеоизображение, формируемое элементом визуализации изображения или чем-либо подобным, и в частности, к прибору отображения виртуального изображения, который пригоден для укрепляемого на голове устройства отображения, закрепляемого на голове наблюдателя.
Уровень техники
[002] Различные оптические системы предлагались в качестве оптической системы, встраиваемой в прибор отображения виртуального изображения, такой как укрепляемое на голове устройство отображения (также называемое нашлемным устройством отображения), закрепляемое на голове наблюдателя (см. патентную литературу с 1 по 4).
[003] Что касается прибора отображения виртуального изображения, такого как нашлемное устройство отображения, то желательно увеличивать угол наблюдения света видеоизображения и уменьшать размеры и вес. При уменьшении размера и веса можно снизить толщину в направлении зрительной оси наблюдателя и перенести центр тяжести ближе к наблюдателю и тем самым облегчить подгонку.
[004] Если поле зрения наблюдателя полностью закрыто и поэтому виден только свет видеоизображения, внешняя обстановка не замечается наблюдателем, что приводит к беспокойству наблюдателя. Кроме того, внешнюю обстановку и видеоизображение отображают с наложением, создают различные новые ситуации, такие как виртуальная реальность. По этой причине имеется необходимость в устройстве отображения, в котором свет видеоизображения отображается в соответствии со способом наложения без загораживания поля зрения внешнего мира.
[005] Для облегчения подгонки к наблюдателю и улучшения внешнего вида желательно располагать устройство отображения видеоизображения по ширине лица, а не располагать выше глаз.
[006] Чтобы уменьшить размеры оптической системы и чтобы расположить устройство отображения видеоизображения на месте, находящемся на некотором расстоянии от глаз наблюдателя, таким образом, чтобы не загораживать поле зрения, предпочтительно отображать изображение в соответствии со светом изображения в оптической системе после формирования промежуточного изображения и использовать оборачивающую оптическую систему, в которой увеличивается промежуточное изображение, подлежащее отображению.
[007] Например, в патентной литературе 1 предложена оборачивающая оптическая система, в которой использованы плоская световодная пластина, на торцевой поверхности которой расположено параболическое зеркало, и проекционный объектив, а промежуточное изображение формируется внутри световодной пластины. Однако в случае оптической системы из патентной литературы 1 проекционный объектив имеет большой размер и препятствует снижению размера и веса системы.
[008] В патентной литературе 2 предложена оптическая система, в которой использован световодный элемент, имеющий криволинейную излучающую и отражающую поверхность, и проекционный объектив, который вводит свет видеоизображения в световодный элемент. Однако в оптической системе из патентной литературы 2 не рассматривается показ внешней обстановки наблюдателю. Для показа внешней обстановки с помощью оптической системы необходимо присоединять компенсирующий элемент к отражающей поверхности, продолжающейся на всем протяжении световодного элемента, и располагать полупрозрачное зеркало на поверхности соединения. Однако, поскольку свет видеоизображения дважды отражается поверхностью полупрозрачного зеркала, видеоизображение становится очень темным.
[009] В патентной литературе 3 предложена оборачивающая оптическая система, которая имеет проекционный объектив, вогнутое зеркало и световодную пластину. В этой оптической системе объединены волновая пластинка и поляризационное полупрозрачное зеркало, в результате чего повышается эффективность отражения. Однако, чтобы показывать внешнюю обстановку с помощью оптической системы из патентной литературы 3, необходимо присоединять компенсирующую линзу к наружной стороне вогнутого зеркала, что приводит к увеличению толщины в целом.
[010] В патентной литературе 4 предложена оборачивающая оптическая система, которая имеет небольшую общую длину и компактную компоновку вследствие изогнутого оптического пути. Однако в случае оптической системы из патентной литературы 4 выпуклый участок в центре световодного элемента или проекционного объектива загораживает поле зрения. Кроме того, поскольку свет видеоизображения проходит через полупрозрачное зеркало, далее возвращается и снова отражается полупрозрачным зеркалом, и поступает к глазам, наблюдаемое видеоизображение затемняется.
Список источников
Патентная литература
[011] Патентная литература 1: патент Японии №2746697;
Патентная литература 2: патент Японии №3787399;
Патентная литература 3: патент Японии №4218553;
Патентная литература 4: патент Японии №4819532.
Краткое изложение изобретения
Решение задачи
[012] Преимущество некоторых аспектов изобретения заключается в создании небольшого и легкого прибора отображения виртуального изображения, которое имеет широкий угол обзора и хорошие характеристики.
[013] Аспект изобретения касается прибора отображения виртуального изображения, включающего видеоэлемент, который генерирует свет видеоизображения, световодный элемент, который включает в себя две или большее количество неосесимметричных криволинейных поверхностей и является частью оптической системы, при этом промежуточное изображение формируется внутри световодного элемента, и проекционный объектив, который вводит свет видеоизображения от видеоэлемента в световодный элемент, в котором проекционный объектив включает в себя по меньшей мере одну неосесимметричную асферическую поверхность, первая поверхность и третья поверхность из числа множества поверхностей, образующих световодный элемент, расположены друг против друга и свет видеоизображения от видеоэлемента полностью отражается третьей поверхностью, полностью отражается первой поверхностью, отражается второй поверхностью, проходит через первую поверхность и достигает стороны наблюдения. В данном случае предполагается, что две или большее количество неосесимметричных криволинейных поверхностей включают в себя, например, две или большее количество криволинейных поверхностей, которые являются основными поверхностями, вносящими вклад в направление света, такой как отражение света видеоизображения.
[014] В приборе отображения виртуального изображения, описанном выше, световодный элемент включает в себя две или большее количество неосесимметричных криволинейных поверхностей, а проекционный объектив включает в себя неосесимметричную асферическую поверхность. Например, когда группу поверхностей произвольной формы используют в качестве неосесимметричных криволинейных поверхностей световодного элемента или неосесимметричной асферической поверхности проекционного объектива, можно получать коррекцию аберрации. В этом случае, например, даже когда имеется ограничение на некоторые формы поверхности на стороне световодного элемента, на предел коррекции асимметричной аберрации, коррекция аберрации достигается при использовании неосесимметричной асферической поверхности, образованной на стороне проекционного объектива, в результате чего можно выполнять в достаточной степени коррекцию аберрации оптической системы в целом и реализовывать прибор отображения виртуального изображения, который имеет широкий угол обзора и хорошие характеристики и является компактным и легким с тонким светодиодным элементом. Что касается внешнего света, то формы первой поверхности и третьей поверхности определены надлежащим образом, в результате чего диоптрийная погрешность (величина диоптрии) или кажущаяся погрешность увеличения может быть по существу нулевой. Световодный элемент может иметь форму в соответствии с формой лица наблюдателя, при этом центр тяжести может быть приведен близко к лицу, и может быть получено хорошее конструктивное решение.
[015] Согласно конкретному аспекту изобретения в световодном элементе первая поверхность и третья поверхность являются плоскими поверхностями, по существу параллельными друг другу. Что касается внешнего света, который наблюдается через первую поверхность и третью поверхность, то в этом случае диоптрийная ошибка может быть по существу нулевой. В частности, кажущаяся ошибка увеличения, относящаяся к изображению внешней обстановки, может быть по существу нулевой, и может быть получено такое состояние, как состояние невооруженного глаза. Если первая поверхность и третья поверхность являются плоскими поверхностями, параллельными друг другу, диоптрийная ошибка и кажущаяся ошибка увеличения могут быть по существу нулевыми.
[016] Согласно другому аспекту световодный элемент имеет четвертую поверхность, которая расположена на стороне падения света по отношению к третьей поверхности и направляет свет видеоизображения к третьей поверхности, и пятую поверхность, которая направляет свет видеоизображения к четвертой поверхности, а в световодном элементе промежуточное изображение находится на оптическом пути света видеоизображения от третьей поверхности к пятой поверхности. В этом случае можно поддерживать баланс размеров между стороной переднего каскада и стороной заднего каскада оптической системы с промежуточным изображением, расположенным между ними, для уменьшения размера оптической системы в целом.
[017] Согласно еще одному аспекту изобретения в световодном элементе вторая поверхность, четвертая поверхность и пятая поверхность являются неосесимметричными криволинейными поверхностями. В этом случае, даже когда первая поверхность или третья поверхность является по существу близкой к плоской поверхности и коррекция аберрации нелегко достигается на первой поверхности или третьей поверхности, можно реализовать конфигурацию, в которой аберрация может быть в достаточной степени скорректирована на другой поверхности, такой как вторая поверхность.
[018] Согласно еще одному аспекту изобретения оптическая ось проекционного объектива в проекционном объективе и зрительная ось, принимаемая в качестве направления глаз наблюдателя, образуют угол, равный или больший чем 0° и равный или меньший чем 30°. В этом случае, например, когда создают конфигурацию, в которой видеоэлемент расположен по ширине лица, а не расположен выше глаз, можно улучшать подгонку к наблюдателю и предотвращать загораживание оптической системы при поддержании внешнего вида в лучшем состоянии.
[019] Согласно дальнейшему аспекту изобретения, когда выражение для формы поверхности разлагают как многочлен в значениях ортогональных координат x и y, продолжающихся в тангенциальном направлении от начала, с началом каждой поверхности, образующей оптическую систему, в качестве начала отсчета, а коэффициент члена xm×yn многочленного выражения, представляющего k-тую поверхность, есть Akm,n, удовлетворяются следующие условия с (1) по (3):
[Математическое соотношение 1]
-10-1<А10,2+А12,0<10-2 и -10-1<А30,2+А32,0<10-2, (1)
|А12,0-А10,2|<10-1 и |А32,0-А30,2|<10-1, (2)
|А12,0-А32,0|<10-2 и |А10,2-А30,2|<10-2. (3)
В данном случае локальные координаты (x, y, z), включающие ортогональные координаты x и y каждой поверхности, имеют определенную точку на криволинейной поверхности (в том числе на плоской поверхности) в качестве начала, ось z расположена в направлении, нормальном к поверхности, ось x и ось y расположены в тангенциальном направлении поверхности, и форма криволинейной поверхности точно определена в локальных координатах. Предполагается, что начало криволинейной поверхности находится, например, на месте, через которое проходит центр светового потока.
[020] В этом случае некоторые поверхности проекционного объектива, например неосесимметричная асферическая поверхность (не вращательно асимметричная асферическая поверхность), имеют форму, которой обладает поверхность произвольной формы или подобная, в результате чего достигается получения оптической системы с высоким качеством изображения. По этой причине, например, даже когда первая поверхность и третья поверхность, которые вовлечены в процесс наблюдения внешнего света, а также света видеоизображения, являются плоскими поверхностями, можно выполнять достаточную коррекцию аберрации и делать диоптрийную ошибку или ошибку увеличения по существу совершенно нулевой. Например, когда первая поверхность и третья поверхность являются поверхностями произвольной формы, степень свободы этих криволинейных поверхностей эффективно используют для образования компактной оптической системы.
[021] Действие каждой из первой поверхности и третьей поверхности, то есть действие криволинейной поверхности, в основном определяется кривизной криволинейной поверхности, а кривизна вблизи начала прежде всего определяется значениями коэффициентов Ak2,0 и Ak0,2 (где k=1, 3). По этой причине важно надлежащим образом задавать значения коэффициентов Ak2,0 и Ak0,2.
[022] Условием (1) точно определяется величина кривизны первой поверхности и кривизны третьей поверхности вблизи начала. Если величина превышает верхний предел условия (1), первая поверхность и третья поверхность имеют выпуклую форму для наблюдателя и в соответствии с этим форма в целом прирастает и коррекция аберрации является трудной. Если величина превышает нижний предел условия (1), кривизна чрезмерно повышается, коррекцию аберрации выполнять трудно, а место нахождения световодного элемента или проекционного объектива приближается к лицу, приводя к неудобству при подгонке.
[023] Условием (2) точно определяется различие между кривизной в направлении оси x и кривизной в направлении оси y первой поверхности и третьей поверхности. Если различие превышает верхний предел условия (2), астигматизм, который создается на первой поверхности и третьей поверхности, чрезмерно повышается и коррекция аберрации является трудной.
[024] Условием (3) точно определяются различие между кривизной первой поверхности и кривизной третьей поверхности относительно направления оси x и направления оси y и влияние диоптрии световодного элемента на внешний свет. Если толщина световодного элемента составляет Т и показатель преломления составляет N, диоптрия Dx в направлении оси x и диоптрия Dy в направлении оси y относительно оптической оси световодного элемента даются следующими выражениями:
[Математическое соотношение 2]
Dx=2000(N-1)(A12,0-A32,0+(2T(N-1)/N)×A12,0×A32,0),
Dy=2000(N-1)(A10,2-A30,2+(2T(N-1)/N)×A10,2×A30,2).
В общем случае, если ошибка дальней диоптрии превышает ±1D, возникает неудовлетворенность, поэтому желательно ослаблять диоптрию световодного элемента на ±1D, и если возможно, ослаблять так, чтобы ошибка была равна или меньше чем ±0,5D. Поскольку в рассмотренных выше выражениях диоптрия на оптической оси связана с толщиной или показателем преломления световодного элемента, диоптрия на оптической оси определяется не только значениями асферических коэффициентов. Между тем, если коэффициенты находятся в пределах диапазона, который удовлетворяет условию (3), диоптрия на оптической оси может быть ослаблена в пределах диапазона ±1D.
[025] Первая поверхность и третья поверхность имеют форму, удовлетворяющую условиям с (1) по (3), в результате чего коррекция аберрации внешнего света и света видеоизображения осуществляется удовлетворительно и может быть получено хорошее качество изображения.
[026] Согласно дальнейшему аспекту изобретения, когда выражение для формы поверхности разлагают как многочлен в значениях ортогональных координат x и y, продолжающихся в тангенциальном направлении от начала, при начале неосесимметричной асферической поверхности как начале координат, и когда коэффициент члена xm×yn многочленного выражения, представляющего неосесимметричную асферическую поверхность, есть Am,n, А2,0 и А0,2 имеют противоположные знаки и удовлетворяют следующему условию:
[Математическое соотношение 3]
10-2<|А2,0-А0,2|. (4)
В этом случае проекционный объектив имеет неосесимметричную асферическую поверхность, которая имеет в качестве составной части неосесимметричную поверхность произвольной формы или подобную, в результате чего можно корректировать аберрацию, такую как астигматизм, создающуюся на отражающей поверхности, и получать хорошее качество изображения.
[027] Согласно дальнейшему аспекту изобретения внутри световодного элемента свет видеоизображения от видеоэлемента направляется путем пятикратного отражения, включающего по меньшей мере двукратное полное внутреннее отражение. В этом случае можно получать отображение света видеоизображения, и осуществлять сквозной просмотр для визуального распознавания внешнего света, и выполнять коррекцию аберрации света видеоизображения.
[028] Согласно дальнейшему аспекту изобретения полупрозрачное зеркало образовано на второй поверхности, свет видеоизображения подается к наблюдателю, пропускающий свет элемент расположен целиком снаружи второй поверхности, диоптрия по отношению к внешнему свету по существу приводится к 0, а внешний свет и свет видеоизображения подаются к наблюдателю с наложением. В этом случае можно уменьшить дефокусировку и искажение внешнего света, наблюдаемые на протяжении второй поверхности.
[029] Согласно дальнейшему аспекту изобретения проекционный объектив включает в себя две или большее количество осесимметричных асферических поверхностей в виде других, а не неосесимметричной асферической поверхности. В этом случае проекционный объектив выполнен с возможностью включения многих осесимметричных асферических поверхностей, в результате чего можно облегчить изготовление и объединение проекционного объектива с другими деталями.
[030] Согласно дальнейшему аспекту изобретения оптическая система, в том числе световодный элемент, покрывает часть передней стороны глаз наблюдателя и имеется участок, на котором передняя сторона глаз не покрыта.
[031] Согласно дальнейшему аспекту изобретения видеоэлемент имеет формирующий свет сигнала блок, который излучает свет сигнала, модулированный соответственно изображению, и оптическую систему сканирования, которая осуществляет сканирование света сигнала, поступающего с формирующего свет сигнала блока, для излучения света сигнала в виде сканируемого света.
Краткое описание чертежей
[032] На чертежах:
фиг. 1 - перспективный вид, иллюстрирующий внешний вид прибора отображения виртуального изображения согласно варианту осуществления изобретения;
фиг. 2 - вид спереди, показывающий внешний вид прибора отображения виртуального изображения;
фиг. 3 - вид в плане в сечении участка основной части первого устройства отображения, входящего в состав прибора отображения виртуального изображения;
фиг. 4 - сечение, иллюстрирующее оптическую поверхность или оптический путь в световодном элементе из первого устройства отображения;
фиг. 5 - схема, иллюстрирующая оптическую систему из примера 1;
фиг. 6 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 1;
фиг. 7 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 1;
фиг. 8 - схема, иллюстрирующая оптическую систему из примера 2;
фиг. 9 - сечение, иллюстрирующее оптическую поверхность или оптический путь в световодном элементе из примера 2;
фиг. 10 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 2;
фиг. 11 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 2;
фиг. 12 - схема, иллюстрирующая оптическую систему из примера 3;
фиг. 13 - сечение, иллюстрирующее оптическую поверхность или оптический путь в световодном элементе из примера 3;
фиг. 14 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 3;
фиг. 15 (С А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 3;
фиг. 16 - схема, иллюстрирующая оптическую систему из примера 4;
фиг. 17 - сечение, иллюстрирующее оптическую поверхность или оптический путь в световодном элементе из примера 4;
фиг. 18 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 4;
фиг. 19 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 4;
фиг. 20 - схема, иллюстрирующая оптическую систему из примера 5;
фиг. 21 - сечение, иллюстрирующее оптическую поверхность или оптический путь в световодном элементе из примера 5;
фиг. 22 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 5;
фиг. 23 (с А по F) - диаграммы, иллюстрирующие аберрацию оптической системы из примера 5;
фиг. 24 - схема, иллюстрирующая прибор отображения виртуального изображения из примера модификации;
фиг. 25А - перспективный вид, иллюстрирующий световодное устройство и прибор отображения виртуального изображения с использованием световодного устройства согласно другому примеру; и
фиг. 25В - вид спереди световодного устройства и прибора отображения виртуального изображения с использованием световодного устройства.
Описание вариантов осуществления
[033] Ниже с обращением к фиг. 1 и другим будет подробно описан вариант осуществления прибора отображения виртуального изображения согласно изобретению.
[034] Как показано на фиг. 1, прибор 100 отображения виртуального изображения согласно этому варианту осуществления представляет собой укрепляемое на голове устройство отображения, которое имеет внешний вид, подобный внешнему виду очков, и может позволять наблюдателю или пользователю, на котором закреплен прибор 100 отображения виртуального изображения, визуально распознавать свет изображения по виртуальному изображению и позволять наблюдателю визуально распознавать или наблюдать изображение внешней обстановки при сквозном просмотре. Прибор 100 отображения виртуального изображения включает в себя первый и второй оптические элементы 101а и 101b, которые покрывают переднюю сторону глаз наблюдателя с обеспечением сквозного просмотра, рамочную часть 102, которая поддерживает оба оптических элемента 101а и 101b, и первую и вторую формирующие изображение основные части 105а и 105b, которые прикреплены к участкам от левого и правого концов рамочной части 102 до задних дужных частей (дужек) 104. Первое устройство 100А отображения, в котором, как показано на левой стороне чертежа, первый оптический элемент 101а и первая формирующая изображение основная часть 105а объединены, представляет собой узел, который формирует виртуальное изображение для правого глаза и самостоятельно функционирует как прибор отображения виртуального изображения. Второе устройство 100В отображения, в котором, как показано на правой стороне чертежа, второй оптический элемент 101b и вторая формирующая изображение основная часть 105b объединены, представляет собой узел, который формирует виртуальное изображение для левого глаза и самостоятельно функционирует как прибор отображения виртуального изображения.
[035] Как показано на фигурах 1 и 2, рамочная часть 102, образованная в приборе 100 отображения виртуального изображения, включает в себя рамку 107, которая расположена на верхней стороне, и протектор 108, который расположен на нижней стороне. В рамочной части 102 рамка 107 на верхней стороне представляет собой удлиненный пластинчатый элемент, который в плоскости XZ изогнут с образованием U-образной конфигурации и включает в себя передний участок 107а, продолжающийся в горизонтальном направлении вправо-влево (направлении X), и пару боковых участков 107b и 107с, которые продолжаются в направлении глубины вперед-назад (направлении Z). Рамка 107, то есть передний участок 107а и боковые участки 107b и 107с, представляет собой металлический составляющий единое целое компонент, образованный литьем под давлением алюминия или других металлических материалов. Ширина переднего участка 107а в направлении глубины (направлении Z) в достаточной степени больше, чем толщина или ширина световодного устройства 20, соответствующего первому и второму оптическим элементам 101а и 101b. На левой стороне рамы 107, в частности на участке от левой оконечной части на переднем участке 107а до бокового участка 107b, первый оптический элемент 101а и первая формирующая изображение основная часть 105а выровнены и для поддержания непосредственно скреплены, например, винтами. На правой стороне рамы 107, в частности на участке от правой оконечной части на переднем участке 107а до бокового участка 107с, второй оптический элемент 101b и вторая формирующая изображение основная часть 105b выровнены и для поддержания непосредственно скреплены, например, винтами. Первый оптический элемент 101а и первую формирующую изображение основную часть 105а выравнивают относительно друг друга при сборке и второй оптический элемент 101b и вторую формирующую изображение основную часть 105b выравнивают относительно друг друга при сборке. В рамочной части 102 протектор 108, расположенный на нижней стороне, представляет собой нижний ободковый элемент и расположен и закреплен ниже рамки 107. Протектор 108 представляет собой удлиненный пластинчатый элемент, который изогнут с образованием двухступенчатой кривошипной конфигурации и полностью образован из металлического материала или смоляного материала.
[036] Рамка 107 выполняет функцию не только поддержания первой и второй формирующих изображение основных частей 105а и 105b, но также защиты внутренней стороны первой и второй формирующих изображение основных частей 105а и 105b совместно с внешним элементом 105d, который покрывает первую и вторую формирующие изображение основные части 105а и 105b. Рамка 107 и протектор 108 отделены от эллиптического периферийного участка световодного устройства 20 или находятся в неплотном контакте с ним, за исключением стороны основания, соединенной с первой и второй формирующими изображение основными частями 105а и 105b. По этой причине, даже при наличии различия в коэффициентах теплового расширения центрального световодного устройства 20 и рамочной части 102, включающей в себя рамку 107 и протектор 108, расширение световодного устройства 20 внутри рамочной части 102 будет допустимым, в результате чего можно предотвращать возникновение дисторсии, деформации и повреждения световодного устройства 20.
[037] Вместе с рамкой 107 предусмотрено переносье 40. Переносье 40 выполняет функцию поддержания рамочной части 102 при приходе ее в контакт с носом наблюдателя. То есть, рамочная часть 102 расположена перед лицом наблюдателя благодаря переносью 40, поддерживаемому носом и парой дужных частей 104, поддерживаемых ушами. Переносье 40 закреплено винтами таким образом, что оно заключено между передним участком 107а рамки 107, являющейся составной частью рамочной части 102, и центральным участком протектора 108, являющегося составной частью рамочной части 102. Внешний вид, показанный с обращением к фиг. 1, является примером, и конструкция устройства, закрепляемого, например, винтами и т.п., может быть изменена вблизи детали, не включенной непосредственно в оптическое устройство.
[038] Как показано на фигурах 2 и 3, первое устройство 100А отображения можно полагать включающим в себя проекционное устройство 70 сквозного видения, которое представляет собой оптическую систему для проецирования, и устройство 80 визуализации изображения, которое формирует свет видеоизображения. На фиг. 3 показано сечение по опорной поверхности SR (см. фиг. 2), которая включает в себя оптическую ось АХ оптической системы в приборе 100 отображения виртуального изображения. Проекционное устройство 70 сквозного видения выполняет функцию проецирования изображения, образуемого первой формирующей изображение основной частью 105а, на глаза наблюдателя в качестве виртуального изображения. Проекционное устройство 70 сквозного видения включает в себя световодный элемент 10 для направления света и сквозного просмотра, пропускающий свет элемент 50 для сквозного просмотра и проекционный объектив 30 для построения изображения. То есть, первый оптический элемент 101а или световодное устройство 20 образовано световодным элементом 10 и пропускающим свет элементом 50, а первая формирующая изображение основная часть 105а образована устройством 80 визуализации изображения и проекционным объективом 30.
[039] Ниже устройство 80 визуализации изображения и проекционный объектив 30, образующие первую формирующую изображение часть 105а, будут описаны с обращением к фиг. 3.
[040] Устройство 80 визуализации изображения имеет осветительное устройство 81, которое излучает подсвечивающий свет, элемент 82 визуализации видеоизображения, который представляет собой пропускающее устройство пространственной модуляции света, и блок 84 управления возбуждением, который управляет работой осветительного устройства 81 и элемента 82 визуализации видеоизображения.
[041] Осветительное устройство 81 устройства 80 визуализации изображения имеет источник 81а света, который генерирует свет, содержащий три цвета, красный, зеленый и голубой, и направляющий свет задней подсветки компонент 81b, который рассеивает свет от источника света, чтобы преобразовать свет в световой поток, имеющий прямоугольное сечение. Элемент 82 визуализации видеоизображения (видеоэлемент) образован, например, жидкокристаллическим устройством отображения, имеет множество пикселей и пространственно модулирует подсвечивающий свет от осветительного устройства 81 для формирования отображаемого света изображения, такого как движущееся изображение. Блок 84 управления возбуждением включает в себя схему 84а возбуждения источника света и схему 84b возбуждения жидких кристаллов. Со схемы 84а возбуждения источника света подается электропитание на осветительное устройство 81 для излучения подсвечивающего света со стабильной яркостью. Со схемы 84b возбуждения жидких кристаллов выводится сигнал изображения или управляющий сигнал на элемент 82 визуализации видеоизображения (видеоэлемент), в результате чего формируется свет цветного видеоизображения или свет изображения, являющийся источником движущегося или неподвижного изображения в виде прозрачной картины. Хотя функция обработки изображения может осуществляться в схеме 84b возбуждения жидких кристаллов, функция обработки изображения может осуществляться во внешней схеме управления.
[042] Проекционный объектив 30 представляет собой проекционную оптическую систему, которая включает в себя в качестве компонентов три оптических элемента с 31 по 33 по оптической оси AXI стороны падения, и включает в себя оправу объектива (непоказанную), в которой содержатся и поддерживаются оптические элементы с 31 по 33. Оптические элементы с 31 по 33 представляют собой, например, асферические линзы, которые включают в себя неосесимметричную асферическую поверхность и осесимметричную асферическую поверхность и образуют промежуточное изображение, соответствующее визуальному изображению элемента 82 визуализации изображения внутри световодного элемента 10 в сочетании с частью световодного элемента 10. Первая линза 31 является линзой, которая расположена на стороне световодного элемента 10 и имеет поверхность 31а линзы, которая является поверхностью излучения света, обращенной к поверхности падения света световодного элемента 10, и поверхность 31b линзы, которая является поверхностью падения света. Вторая линза 32 расположена на оптическом пути света на стороне верхнего каскада относительно первой линзы 31 и имеет поверхность 32а линзы, которая является поверхностью излучения света, и поверхность 32b линзы, которая является поверхностью падения света. Третья линза 33 расположена на оптическом пути света на стороне верхнего каскада относительно второй линзы 32 и имеет поверхность 33а линзы, которая является поверхностью излучения света, и поверхность 33b линзы, которая является поверхностью падения света. Поверхность 33b третьей линзы 33 соответствует поверхности падения, которая обращена к элементу 82 визуализации видеоизображения. В частности, в данном случае первая линза 31, которая представляет собой один из трех оптических элементов, имеет поверхность 31а линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью. Под неосесимметричной асферической поверхностью имеется в виду поверхность, которая является неосесимметричной, то есть не является ни вращательно симметричной, ни сферической, и обычно представляет собой поверхность произвольной формы, не имеющую симметрии или чего-либо подобного. Например, можно образовывать неосесимметричную асферическую поверхность, такую как анаморфотная асферическая поверхность, которая не является вращательно симметричной и имеет два симметричных сечения. В проекционном объективе 30 пять поверхностей 31b, 32a, 32b, 33a и 33b линз, за исключением поверхности 31а линзы, являются осесимметричными асферическими поверхностями. То есть, проекционный объектив 30 включает в себя две или большее количество осесимметричных асферических поверхностей в качестве других поверхностей, а не неосесимметричной асферической поверхности. Проекционный объектив 30 включает в себя больше осесимметричных асферических поверхностей, чем неосесимметричных асферических поверхностей, в результате чего в пределах возможного можно исключать трудности при изготовлении проекционного объектива 30 или установке проекционного объектива 30 в другой элемент.
[043] Ниже функция, работа и т.п. проекционного устройства 70 сквозного видения и т.п. будет подробно описана с обращением к фиг. 3. В проекционном устройстве 70 сквозного видения световодный элемент 10, который является частью призматического световодного устройства 20, представляет собой элемент, в котором участок на периферийной стороне вблизи уха (отстоящий от носа) имеет, например, форму дуги, изогнутой в плане так, что участок облегает лицо, а участок на центральной стороне (передней стороне глаза) вблизи носа имеет линейную форму. В световодном элементе 10 первый световодный участок 11 расположен на центральной стороне вблизи носа, то есть стороне излучения света, и имеет первую поверхность S11, вторую поверхность S12 и третью поверхность S13 в качестве поперечной поверхности, обладающей оптической функцией. Второй световодный участок 12 расположен на периферийной стороне, отстоящей от носа, то есть стороне падения света, и имеет четвертую поверхность S14 и пятую поверхность S15 в качестве поперечных поверхностей, обладающих оптической функцией. Из них первая поверхность S11 и четвертая поверхность S14 непрерывно прилегают друг к другу, и третья поверхность S13 и пятая поверхность S15 непрерывно прилегают друг к другу. Вторая поверхность S12 расположена между первой поверхностью S11 и третьей поверхностью S13, а четвертая поверхность S14 и пятая поверхность S15 прилегают друг к другу под большим углом. В данном случае первая поверхность S11 и третья поверхность S13, находящиеся против друг друга, имеют формы плоских поверхностей, по существу параллельных друг другу. С другой стороны, другие поверхности, обладающие оптической функцией, то есть вторая поверхность S12, четвертая поверхность S14 и пятая поверхность S15 соответствуют неосесимметричным криволинейным поверхностям (поверхностям произвольной формы).
[044] Ниже каждая поверхность, образующая световодный элемент 10, будет описана подробно. В световодном элементе 10 первая поверхность S11 представляет собой плоскую поверхность, которая имеет в качестве локальной оси z оптическую ось AXО стороны излучения, параллельную оси Z, вторая поверхность S12 представляет собой поверхность произвольной формы, которая имеет в качестве локальной оси z оптическую ось АХ1, включенную в опорную поверхность (сечение на чертеже), параллельную плоскости XZ и наклоненную относительно оси Z, и третья поверхность S13 представляет собой плоскую поверхность, которая имеет в качестве локальной оси z оптическую ось АХО стороны излучения. Четвертая поверхность S14 представляет собой поверхность произвольной формы, которая имеет в качестве локальной оси z оптическую ось, параллельную биссектору пары оптических осей АХ3 и АХ4, включенных в опорную поверхность, параллельную плоскости XZ и наклоненную относительно оси Z, и пятая поверхность S15 представляет собой поверхность произвольной формы, которая имеет в качестве локальной оси z оптическую ось, параллельную биссектору пары оптических осей АХ4 и АХ5, включенных в опорную поверхность, параллельную плоскости XZ и наклоненную относительно оси Z. На протяжении оптической оси АХ5 на стороне пятой поверхности S15 расположена оптическая ось АХ1 стороны падения. Поверхности с первой по пятую, с S11 по S15, имеют симметричную форму относительно направления вертикальной оси Y и в то же время включают между собой опорную поверхность (сечение на чертеже), которая параллельна плоскости XZ, продолжающейся в горизонтальном направлении и в котором проходят оптические оси с АХ1 по АХ 5 и т.п.
[045] Среди множества поверхностей, образующих световодный элемент 10, по меньшей мере одна поверхность произвольной формы из поверхностей S14 и S15, а не поверхность из числа поверхностей с первой по третью, с S11 по S13, включает в себя по меньшей мере одну точку, в зависимости от направления отличающуюся знаком кривизны. С учетом этого можно уменьшать размер световодного элемента 10, а также точно регулировать направление света видеоизображения.
[046] В световодном элементе 10 основная часть 10s образована из смоляного материала, имеющего хорошие свойства пропускания света в видимой области, и получена литьем под давлением и отверждением термопластичной смолы внутри формы. В качестве материала основной части 10s можно использовать, например, циклоолефиновый полимер или подобный. Хотя, как описано выше, основная часть 10s представляет собой объединенное изделие, функцию световодного элемента 10 можно рассматривать на первом световодном участке 11 и втором световодном участке 12. Первый световодный участок 11 обеспечивает направление света и излучение света GL видеоизображения и обеспечивает возможность сквозного просмотра внешнего света HL. Второй световодный участок 12 обеспечивает падение и направление света GL видеоизображения.
[047] На первом световодном участке 11 первая поверхность S11 функционирует как преломляющая поверхность, которая излучает свет GL видеоизображения за пределы первого световодного участка 11 и функционирует как поверхность полного внутреннего отражения, которая полностью отражает свет GL видеоизображения на внутренней стороне поверхности. Первая поверхность S11 расположена перед глазом EY и, как описано выше, имеет форму плоской поверхности. Первая поверхность S11 представляет собой поверхность, которая образована из твердого покровного слоя 27 на поверхности основной части 10s.
[048] Вторая поверхность S12 представляет собой поверхность основной части 10s и к ней прикреплен полупрозрачный зеркальный слой 15. Полупрозрачный зеркальный слой 15 представляет собой отражающую пленку (то есть прозрачно-отражающую пленку), обладающую свойством пропускания света. Полупрозрачный зеркальный слой (прозрачно-отражающая пленка) 15 образован на узком в вертикальном направлении по оси Y отдельном участке РА второй поверхности S12, а не на всей второй поверхности S12 (см. фиг. 2). Полупрозрачный зеркальный слой 15 образован металлической отражающей пленкой или диэлектрической многослойной пленкой на отдельном участке РА подстилающей поверхности основной части 10s. Отражательную способность полупрозрачного зеркального слоя 15 для света GL видеоизображения задают равной или большей чем 10% и равной или меньшей чем 50% в предполагаемом диапазоне углов падения света GL видеоизображения, исходя из облегчения наблюдения внешнего света HL при сквозном просмотре. В частности, в конкретном примере отражательную способность полупрозрачного зеркального слоя 15 для света GL видеоизображения задают, например, равной 20%, а прозрачность полупрозрачного зеркального слоя 15 для света GL видеоизображения задают, например, равной 80%.
[049] Третья поверхность S13 функционирует как поверхность полного внутреннего отражения, которая полностью отражает свет GL видеоизображения на внутренней стороне поверхности. Третья поверхность S13 расположена перед глазом EY и подобно первой поверхности S11 имеет форму плоской поверхности. Первая поверхность S11 и третья поверхность S13 представляют собой поверхности, которые параллельны друг другу, в результате чего при наблюдении внешнего света HL, проходящего через первую поверхность S11 и третью поверхность S13, диоптрия по существу равна 0. В частности, переменное увеличение не возникает. Третья поверхность S13 представляет собой поверхность, которая образована твердым покровным слоем 27 на поверхности основной части 10s.
[050] На втором световодном участке 12 четвертая поверхность S14 функционирует как поверхность полного внутреннего отражения, которая полностью отражает свет GL видеоизображения на внутренней стороне поверхности. Четвертая поверхность S14 также функционирует как преломляющая поверхность, с которой свет GL видеоизображения вводится на второй световодный участок 12. То есть, четвертая поверхность S14 одновременно служит поверхностью падения света, которая делает возможным вхождение извне света GL видеоизображения в световодный элемент 10, и отражающей поверхностью, которая делает возможным прохождение света GL видеоизображения по световодному элементу 10. Четвертая поверхность S14 представляет собой поверхность, которая образована твердым покровным слоем 27 на поверхности основной части 10s.
[051] На втором световодном участке 12 пятая поверхность S15 образована светоотражающей пленкой RM из неорганического материала на поверхности основной части 10s, и функционирует как отражающая поверхность.
[052] Как описывалось выше, в этом варианте осуществления внутри световодного элемента 10 свет видеоизображения от элемента 82 визуализации видеоизображения направляется от первой поверхности S11 к пятой поверхности S15 при пятикратном отражении, включая по меньшей мере двукратное полное внутреннее отражение. В этом случае можно получать отображение света GL видеоизображения и сквозной просмотр для визуального распознавания внешнего света HL и выполнять коррекцию аберрации света GL видеоизображения.
[053] В описанной выше конфигурации оптическая ось AXI стороны падения, которая является оптической осью проекционного объектива 30, и оптическая ось AXO стороны излучения, которая соответствует зрительной оси, принимаемой в качестве направления глаз наблюдателя, образуют угол, равный или больший чем 0° и равный или меньший чем 30°. Например, в этом случае, то есть в этом варианте осуществления, когда образована конфигурация, в которой элемент 82 визуализации видеоизображения расположен по ширине лица, а не расположен выше глаза EY пользователя, можно улучшить подгонку под наблюдателя и исключить препятствия поддержанию внешнего вида конструкции оптической системы в лучшем состоянии.
[054] Как описывалось выше, пропускающий свет элемент 50 скреплен как неотъемлемая часть со световодным элементом 10 и образован как единое световодное устройство 20. Пропускающий свет элемент 50 является элементом (вспомогательным оптическим блоком), который поддерживает функцию сквозного просмотра световодного элемента 10 и имеет первую пропускающую поверхность S51, вторую пропускающую поверхность S52 и третью пропускающую поверхность S53 в качестве поперечной поверхности, обладающей оптической функцией. Вторая пропускающая поверхность S52 расположена между первой пропускающей поверхностью S51 и третьей пропускающей поверхностью S53. Первая пропускающая поверхность S51 находится на поверхности, продолжающейся от первой поверхности S11 световодного элемента 10, вторая пропускающая поверхность S52 является криволинейной поверхностью, которая соединена как неотъемлемая часть с второй поверхностью S12 с помощью клеевого слоя СС, и третья пропускающая поверхность S53 находится на поверхности, продолжающейся от третьей поверхности S13 световодного элемента 10. Из этого следует, что вторая пропускающая поверхность S52 и вторая поверхность S12 световодного элемента 10 объединены благодаря соединению тонким клеевым слоем СС и поэтому имеют форму с по существу одной и той же кривизной.
[055] Пропускающий свет элемент 50 (вспомогательный оптический блок) обладает свойством высокого пропускания света в видимой области, а участок основной части пропускающего свет элемента 50 образован из термопластичной смолы, имеющей по существу такой же показатель преломления, какой имеет основная часть 10s световодного элемента 10. Пропускающий свет элемент 50 образуют осаждением твердого покрытия на основную часть 10s в состоянии, когда участок основной части соединен с основной частью 10s световодного элемента 10. То есть, подобно световодному элементу 10 в пропускающем свет элементе 50 твердый покровный слой 27 образуют на поверхности участка основной части. Первая пропускающая поверхность S51 и третья пропускающая поверхность S53 являются поверхностями, которые образованы твердым покровным слоем 27 на поверхности участка основной поверхности.
[056] Ниже будет описан оптический путь света GL видеоизображения или чего-либо подобного в устройстве 100 отображения виртуального изображения. Свет GL видеоизображения, излучаемый от элемента 82 визуализации видеоизображения (видеоэлемента), сходится при прохождении через линзы с 31 по 33, образующие проекционный объектив 30, и попадает на четвертую поверхность S14, имеющую положительную преломляющую способность, которая определяется предполагаемым астигматизмом, и подается в световодный элемент 10. Астигматизм уменьшается при прохождении на протяжении каждой поверхности световодного элемента 10 и, наконец, свет видеоизображения излучается в первоначальном состоянии к глазам наблюдателя.
[057] Свет GL видеоизображения, который входит и проходит на протяжении четвертой поверхности S14 световодного элемента 10, продвигается вперед и в то же время сходится, при прохождении по второму световодному участку 12 отражается пятой поверхностью S15, имеющей сравнительно слабую положительную преломляющую способность, попадает на четвертую поверхность S14, и на этот раз изнутри, и далее отражается.
[058] Свет GL видеоизображения, отраженный четвертой поверхностью S14 второго световодного участка 12, попадает на третью поверхность S13 и полностью отражается третьей поверхностью S13, по существу не обладающей преломляющей способностью на первом световодном участке 11 для обеспечения полного внутреннего отражения, и попадает на первую поверхность S11 и полностью отражается первой поверхностью S11, по существу не обладающей преломляющей способностью.
[059] До и после прохождения на протяжении третьей поверхности S13 свет GL видеоизображения образует промежуточное изображение в световодном элементе 10. Поверхность II промежуточного изображения соответствует поверхности OI изображения элемента 82 визуализации видеоизображения. Хотя поверхность II промежуточного изображения, показанная на чертеже, образована на оптическом пути света видеоизображения от третьей поверхности S13 к четвертой поверхности S14, поверхность II изображения может быть образована на других местах, а в этом варианте осуществления предполагается, что поверхность II изображения образована на оптическом пути света видеоизображения от третьей поверхности S13 к пятой поверхности S15.
[060] Наряду с тем, что свет GL видеоизображения, полностью отражаемый первой поверхностью S11, попадает на вторую поверхность S12, в частности, свет GL видеоизображения, попадающий на полупрозрачный зеркальный слой 15, частично пропускается и частично отражается полупрозрачным зеркальным слоем 15, и опять попадает на первую поверхность S11, и проходит на протяжении первой поверхности S11. Полупрозрачный зеркальный слой 15 ведет себя по отношению к свету GL видеоизображения как имеющий сравнительно сильную положительную преломляющую способность, так что свет отражается полупрозрачным зеркальным слоем 15. Первая поверхность S11 ведет себя по отношению к свету GL видеоизображения как не имеющая преломляющей способности и пропускает его.
[061] Свет GL видеоизображения, проходящий через первую поверхность S11, попадает на зрачок глаза EY наблюдателя или на эквивалентное место как по существу параллельный световой поток. То есть, наблюдатель видит изображение, образованное на элементе визуализации изображения 82 (видеоэлементе) светом GL видеоизображения, как виртуальное изображение.
[062] С другой стороны, составляющая света из внешнего света HL, которая попадает на сторону -X с второй поверхности S12 световодного элемента 10, проходит на протяжении третьей поверхности S13 и первой поверхности S11 первого световодного участка 11. В этом случае третья поверхность S13 и первая поверхность S11 являются плоскими поверхностями, по существу параллельными друг другу, в результате чего аберрация или что-либо подобное возникает редко. То есть, на протяжении световодного элемента 10 наблюдатель видит изображение внешней обстановки без искажения. Аналогично этому, составляющая света из внешнего света HL, которая попадает на сторону +X с второй поверхности S12 световодного элемента 10, то есть входит в пропускающий свет элемент 50, проходит через третью пропускающую свет поверхность S53 и первую пропускающую свет поверхность S51, имеющиеся в пропускающем свет элементе 50. В этом случае третья пропускающая поверхность S53 и первая пропускающая поверхность S51 являются плоскими поверхностями, по существу параллельными друг другу, вследствие чего аберрация или что-либо подобное не возникает. То есть, на протяжении пропускающего свет элемента 50 наблюдатель видит изображение внешней обстановки без искажения. Составляющая света из внешнего света HL, которая входит в пропускающий свет элемент 50, соответствующий второй поверхности S12 световодного элемента 10, проходит через третью пропускающую поверхность S53 и первую поверхность S11. В этом случае третья пропускающая поверхность S53 и первая поверхность S11 являются плоскими поверхностями, по существу параллельными друг другу, вследствие чего аберрация или что-либо подобное возникает редко. То есть, наблюдатель видит изображение внешней обстановки с небольшим искажением на протяжении пропускающего свет элемента 50. Вторая поверхность S12 световодного элемента 10 и вторая пропускающая поверхность S52 пропускающего свет элемента 50 имеют по существу одну и ту же форму криволинейной поверхности и по существу один и тот же показатель преломления, а промежуток между обеими поверхностями заполнен клеевым слоем СС, имеющим по существу такой же показатель преломления. То есть, вторая поверхность S12 световодного элемента 10 или вторая пропускающая поверхность S52 пропускающего свет элемента 50 по отношению к внешнему свету HL не ведет себя как преломляющая поверхность.
[063] Однако, поскольку внешний свет HL, попадающий на полупрозрачный зеркальный слой 15, частично проходит и частично отражается полупрозрачным зеркальным слоем 15, внешний свет HL с направления, соответствующего полупрозрачному зеркальному слою 15, легко повреждается при пропускании полупрозрачным зеркальным слоем 15. С другой стороны, поскольку свет GL видеоизображения входит с направления, соответствующего полупрозрачному зеркальному слою 15, наблюдатель видит изображение внешней обстановки вместе с изображением, образованным на элементе визуализации видеоизображения 82 (видеоэлементе) в направлении полупрозрачного зеркального слоя 15.
[064] Из света GL видеоизображения, который распространяется по световодному элементу 10 и попадает на вторую поверхность S12, составляющая света, которая не отражается полупрозрачным зеркальным слоем 15, входит в пропускающий свет элемент 50 и не возвращается в световодный элемент 10 благодаря антиотражающему участку (непоказанному), образованному в пропускающем свет элементе 50. То есть, свет GL видеоизображения, проходящий через вторую поверхность S12, не возвращается на оптический путь и становится рассеянным светом. Кроме того, внешний свет HL, который входит со стороны пропускающего свет элемента 50 и отражается полупрозрачным зеркальным слоем 15, возвращается в пропускающий свет элемент 50 и не излучается в световодный элемент 10 благодаря антиотражающему участку (непоказанному), образованному в пропускающем свет элементе 50. То есть, внешний свет HL, отражаемый полупрозрачным зеркальным слоем 15, не возвращается на оптический путь и становится рассеянным светом.
[065] На фиг. 4 представлена схема, иллюстрирующая оптические оси с AX1 по AX4 в световодном элементе 10 или в локальных координатах. В нижеследующем описании с учетом всех обстоятельств оценивания или удобства представления оптической системы оптическая поверхность или оптический путь определяется на основе обратного направления от глаза EY наблюдателя к элементу 82 визуализации видеоизображения устройства 80 визуализации видеоизображения. В случае реальной оптической системы, когда свет, излучаемый от элемента 82 визуализации изображения, последовательно проходит через проекционный объектив 30 и световодный элемент 10 и достигает глаза EY, в этом состоянии, трудно оценивать оптическую систему. По этой причине оценивание и расчет выполняют в предположении, что свет от бесконечно удаленного источника света, от диафрагмы около места нахождения глаза EY, входит в световодный элемент 10 и отображается на элемент 82 визуализации видеоизображения через проекционный объектив 30, и данные оптической системы, подробно описываемые ниже, показываются в этом порядке. Пропускающий свет элемент 50, который соединен со световодным элементом 10 и используется как неотъемлемая часть, представляет собой продолжение формы световодного элемента 10 и описание его будет опускаться.
[066] В световодном элементе 10, показанном на чертеже, оптическая ось первой поверхности S11 согласована с оптической осью AXO стороны излучения, а локальные координаты (x, y, z) первой поверхности S11 связаны трансляционным соотношением с глобальными координатами (X, Y, Z) и имеют начало на первой поверхности S11. То есть, направление z локальной координаты представляет собой направление продвижения вперед (обратное направление светового пучка) по оптической оси AXO стороны излучения, а направление y локальной координаты параллельно направлению Y глобальной координаты. На последующих поверхностях направление y локальной координаты параллельно направлению Y глобальной координаты.
[067] Оптическая ось второй поверхности S12 надлежащим образом наклонена относительно оптической оси AXO стороны излучения, а локальная координата второй поверхности S12 надлежащим образом повернута вокруг оси Y и параллельно перенесена относительно глобальной координаты и имеет начало на второй поверхности S12. Направление z локальной координаты второй поверхности S12 представляет собой промежуточное направление между оптической осью АХО стороны излучения и оптической осью АХ1 в центре светового потока от второй поверхности S12 к первой поверхности S11.
[068] Оптическая ось третьей поверхности S13 согласована с оптической осью АХО стороны излучения, а локальная координата третьей поверхности S13 связана трансляционным соотношением с глобальной координатой и имеет начало на поверхности, продолженной от третьей поверхности S13, то есть на третьей пропускающей поверхности S53.
[069] В приведенном выше случае промежуточное направление между оптической осью АХ1 в центре светового потока от второй поверхности S12 к первой поверхности S11 и оптической осью АХ2 в центре светового потока от первой поверхности S11 к третьей поверхности S13 согласовано с направлением, нормальным к первой поверхности S11 в центре (точке пересечения оптических осей АХ1 и АХ2) светового потока на первой поверхности S11. Промежуточное направление между оптической осью АХ2 в центре светового потока от первой поверхности S11 к третьей поверхности S13 и оптической осью АХ3 в центре светового потока от третьей поверхности S13 к четвертой поверхности S14 согласовано с направлением, нормальным к третьей поверхности S13 в центре (точке пересечения оптических осей АХ2 и АХ3) светового потока на третьей поверхности S13.
[070] На оптическом пути от третьей поверхности S13 к следующей четвертой поверхности S14 локальная координата соответствует направлению продвижения вперед (обратному направлению светового пучка). То есть, направление z локальной координаты от третьей поверхности S13 к четвертой поверхности S14 согласовано с оптической осью АХ3 в центре светового потока, а направление y локальной координаты параллельно направлению Y глобальной координаты.
[071] Начало локальной координаты четвертой поверхности S14 находится на четвертой поверхности S14. Направление z локальной координаты четвертой поверхности S14, то есть оптическая ось четвертой поверхности S14, представляет собой биссектор оптической оси АХ3 в центре светового потока от третьей поверхности S13 к четвертой поверхности S14 и оптической оси АХ4 в центре светового потока от четвертой поверхности S14 к пятой поверхности S15.
[072] Начало локальной координаты пятой поверхности S15 находится на пятой поверхности S15. Направление z локальной координаты пятой поверхности S15, то есть оптическая ось пятой поверхности S15, представляет собой биссектор оптической оси АХ4 в центре светового потока от четвертой поверхности S14 к пятой поверхности S15 и оптической оси АХ5 в центре светового потока от пятой поверхности S15 к четвертой поверхности S14.
[073] Форма первой поверхности S11 световодного элемента 10 представляется нижеследующим выражением с использованием локальных координат (x, y, z) первой поверхности S11:
[Математическое соотношение 4]
z=Σ{A1m,n×(xm×yn)}. (5)
В данном случае A1m,n является коэффициентом члена (m×n), разлагаемым как многочлен, а m и n являются целыми числами, которые равны или больше чем 0.
Однако в примере, показанном на фигурах 3 и 4, первая поверхность S11 имеет форму плоской поверхности и каждый коэффициент A1m,n обращается в 0.
[074] Форма второй поверхности S12 световодного элемента 10 представляется нижеследующим выражением с использованием локальных координат (x, y, z) второй поверхности S12:
[Математическое соотношение 5]
z=Σ{A2m,n×(xm×yn)}. (6)
В данном случае A2m,n является коэффициентом члена (m×n), разлагаемым как многочлен.
[075] Форма третьей поверхности S13 световодного элемента 10 представляется нижеследующим выражением с использованием локальных координат (x, y, z) третьей поверхности S13:
[Математическое соотношение 6]
z=Σ{A3m,n×(xm×yn)}. (7)
В данном случае A3m,n является коэффициентом члена (m×n), разлагаемым как многочлен.
Однако в примере, показанном на фигурах 3 и 4, третья поверхность S13 имеет форму плоской поверхности и каждый коэффициент A3m,n обращается в 0.
[076] В этом варианте осуществления поверхности с первой по третью, с S11 по S13, световодного элемента 10 удовлетворяют следующим трем условиям:
[Математическое соотношение 7]
-10-1<А10,2+А12,0<10-2 и -10-1<А30,2+А32,0<10-2, (1)
|А12,0-А10,2|<10-1 и |А32,0-А30,2|<10-1, (2)
|А12,0-А32,0|<10-2 и |А10,2-А30,2|<10-2. (3)
Формы поверхностей с первой по третью, с S11 по S13, задают так, чтобы удовлетворялись три условия, в результате чего может удовлетворительно выполняться коррекция аберраций внешнего света HL и света GL видеоизображения и может быть получено высокое качество изображения.
[077] Интервал между первой поверхностью S11 и третьей поверхностью S13 световодного элемента 10 равен или больше чем 5 мм и равен или меньше чем 15 мм. Угол наклона второй поверхности S12 относительно первой поверхности S11 равен или больше чем 20° и равен или меньше чем 40°.
[078] Четвертая поверхность S14 или пятая поверхность S15 световодного элемента 10 образована для изменения оптического пути или более точной коррекции аберрации.
[079] Форма четвертой поверхности S14 световодного элемента 10 представляется нижеследующим выражением с использованием локальных координат (x, y, z) четвертой поверхности S14:
[Математическое соотношение 8]
z=Σ{A4m,n×(xm×yn)}. (8)
В данном случае A4m,n является коэффициентом члена (m×n), разлагаемым как многочлен.
[080] Форма пятой поверхности S15 световодного элемента 10 представляется нижеследующим выражением с использованием локальных координат (x, y, z) пятой поверхности S15:
[Математическое соотношение 9]
z=Σ{A5m,n×(xm×yn)}. (9)
В данном случае A5m,n является коэффициентом члена (m×n), разлагаемым как многочлен.
[081] В этом варианте осуществления четвертая поверхность S14 или пятая поверхность S15, представленная выражением (8) или (9), является поверхностью с кривизной противоположного знака, которая включает в себя по меньшей мере одну точку кривизны противоположного знака, отличающуюся знаком кривизны в зависимости от направления.
[082] Как описывалось выше, в этом варианте осуществления световодный элемент 10 имеет поверхность произвольной формы, такую как вторая поверхность S12, а проекционный объектив 30 имеет неосесимметричную асферическую поверхность, которая является поверхностью произвольной формы, вследствие чего достигается коррекция аберрации.
[083] Ниже будет описана неосесимметричная асферическая поверхность (поверхность произвольной формы), включенная в проекционный объектив 30. Первая линза 31, которая обращена к световодному элементу 10, из числа трех линз с 31 по 33, образующих проекционный объектив 30, имеет поверхность 31а линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью (поверхностью произвольной формы). Аналогично этому, форма поверхности 31а линзы точно описывается на основании локальной координаты. В частности, начало локальной координаты поверхности 31а линзы находится на поверхности 31а линзы. Направление z локальной координаты поверхности 31а линзы, то есть оптическая ось поверхности 31а линзы согласована с оптической осью AXI стороны падения, соединенной с точкой пересечения (точкой прохождения) оптической оси АХ5 и четвертой поверхности S14, а направление y локальной координаты параллельно направлению Y глобальной координаты.
[084] Форма поверхности 31а первой линзы 31 представляется нижеследующим выражением с использованием локальных координат (x, y, z) поверхности 31а линзы:
[Математическое соотношение 10]
z=Σ{Am,n×(xm×yn)}. (10)
В данном случае Am,n является коэффициентом члена (m×n), разлагаемым как многочлен.
[085] Что касается поверхности 31а линзы проекционного объектива 30, то в этом варианте осуществления в выражении (10) коэффициенты А2,0 и А0,2 имеют противоположные знаки и удовлетворяют следующему соотношению:
[Математическое соотношение 11]
10-2<|А2,0-А0,2|. (4)
Как описывалось выше, в этом случае аберрация, такая как астигматизм, возникающая на отражающей поверхности световодного элемента 10, корректируется поверхностью 31а линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью проекционного объектива 30, в результате чего можно получать хорошее качество изображения.
[086] Как описывалось выше, в этом варианте осуществления световодный элемент 10 включает в себя две или большее количество неосесимметричных криволинейных поверхностей (соответствующих на чертеже трем поверхностям, второй поверхности S12, четвертой поверхности S14 и пятой поверхности S15, и эти поверхности являются криволинейными поверхностями, которые отражают свет GL видеоизображения и вносят вклад в направление света GL видеоизображения), а проекционный объектив 30 включает в себя поверхность 31а линзы в качестве неосесимметричной асферической поверхности. При этом на стороне световодного элемента, даже когда имеется ограничение на форму, заключающееся в том, что первая поверхность S11 или третья поверхность S13, которая является поверхностью, вносящей вклад в направление света, является плоской поверхностью, а коррекция асимметричной аберрации ограниченна, становится возможным выполнять достаточную коррекцию аберрации оптической системы в целом, включающей проекционный объектив 30. Поэтому прибор 100 отображения виртуального изображения может иметь широкий угол обзора и хорошую характеристику и может быть сделан небольшим и легким. В описанном выше приборе 100 отображения виртуального изображения первая поверхность S11 и третья поверхность S13 световодного элемента 10 являются плоскими поверхностями, по существу параллельными друг другу, в результате чего для внешнего света диоптрийная ошибка может быть по существу нулевой. В частности, кажущаяся ошибка увеличения может быть по существу нулевой и может быть получено такое состояние, как состояние невооруженного глаза. В данном случае ошибка увеличения означает ошибку, которая возникает, когда изображение внешней обстановки наблюдается в увеличенном или уменьшенном масштабе по сравнению с реальным изображением внешней обстановки, когда наблюдение осуществляется через пропускающий свет элемент, такой как световодный элемент. На внешний свет, который наблюдается через пропускающий свет элемент, ошибка увеличения оказывает влияние в большей или меньшей степени вследствие того, что элемент обладает криволинейной поверхностью, имеющей конечную кривизну или толщину, отражательную способность или что-либо подобное, за исключением случая, когда образована идеальная плоская поверхность. В описанном выше случае первая поверхность S11 и третья поверхность S13 являются плоскими поверхностями, вследствие чего кажущаяся ошибка увеличения может быть нулевой.
[087] В приборе 100 отображения виртуального изображения согласно этому варианту осуществления промежуточное изображение формируется внутри световодного элемента 10 проекционным объективом 30 или чем-либо подобным, а свет GL видеоизображения, полностью отражающийся от двух или большего количества поверхностей, по порядку от третьей поверхности S13, первой поверхности S11 и второй поверхности S12, проходит через первую поверхность S11 и достигает глаза EY наблюдателя. Таким образом, можно реализовать устройство отображения с высокой яркостью, с широким углом обзора и в то же время уменьшить толщину световодного элемента 10, который вытянут для отклонения пучка в горизонтальном направлении, чтобы уменьшить размер и вес всей оптической системы. Внешний свет HL можно видеть через первую поверхность S11 и третью поверхность S13, и в этом случае диоптрия является по существу нулевой. По этой причине можно уменьшить дефокусировку или дисторсию внешнего света HL при наблюдении внешнего света HL способом сквозного просмотра. Световодный элемент 10 может продолжаться на всем протяжении лица наблюдателя, центр тяжести может быть придвинут близко к лицу и может быть получена хорошая конструкция. В частности, четвертая поверхность S14 или какая-либо другая, за исключением первой поверхности S11 и третьей поверхности S13, является криволинейной поверхностью, в зависимости от направления вдоль поверхности имеющей небольшое различие в кривизне, вследствие чего можно уменьшить размер световодного элемента 10 и следовательно, размер и вес всего прибора 100 отображения виртуального изображения.
[088] Хотя в приведенном выше описании рассмотрен случай, когда первая поверхность S11 или третья поверхность S13 в световодном элементе 10 является плоской поверхностью, как показано в примерах (примерах с 2 по 5), рассмотренных ниже, каждая поверхность, включая первую поверхность S11 или третью поверхность S13, может быть неосесимметричной криволинейной поверхностью. В этом случае криволинейная форма первой поверхности S11 или третьей поверхности S13 точно описывается, например, коэффициентами, представленными в выражениях (5) и (7).
[089] Примеры
Ниже будут описаны примеры проекционного устройства сквозного видения, установленного в приборе отображения виртуального изображения согласно изобретению. Обозначения, используемые в каждом примере, представлены ниже:
SPH: зрачок;
FFSk: поверхность произвольной формы (k в световодном элементе или проекционной оптической системе показывает число поверхностей, если только плоская поверхность может быть включена в узел);
ASPk: осесимметричная асферическая поверхность (k в проекционной оптической системе показывает число поверхностей);
SPH: сферическая поверхность или плоская поверхность (защитная стеклянная поверхность);
R: радиус кривизны;
Т: осевой интервал поверхности;
Nd: показатель преломления оптического материала относительно линии d;
Vd: число Аббе оптического материала относительно линии d;
TLY: угол наклона (в градусах) оптической оси на сечении (сечении XZ) конкретной поверхности (TLY может изменяться до и после конкретной поверхности);
DCX: отклонение оптической оси в направлении оси X на сечении (сечении XZ) конкретной поверхности.
[090] (Пример 1)
Для проекционного устройства сквозного видения из примера 1 данные относительно оптической поверхности, образующей световодный элемент, и проекционного объектива (проекционной оптической системы) показаны в таблице 1. В данном случае прослеживался световой пучок в противоположном направлении относительно распространения света видеоизображения от положения глаза и выполнялись измерения. Например, FFS1 означает первую поверхность S11, FFS2 означает вторую поверхность S12 и FFS3 означает третью поверхность S13. Однако FFS6 означает поверхность 31а линзы, которая является поверхностью излучения первой линзы из проекционного объектива. ASP1 означает поверхность падения первой линзы из проекционного объектива, а не поверхность излучения, и ASP2 означает поверхность излучения второй линзы.
[091] Что касается оптической поверхности в световодном элементе согласно примеру 1, то (наклон) угол TLY наклона оптической оси на сечении и (децентрирование) отклонение DCX оптической оси показаны в таблице 2. Как и в случае четвертой поверхности S14, имеется в виду угол наклона при втором проходе.
[092] Что касается каждой оптической поверхности в световодном элементе согласно примеру 1, то коэффициент Akm,n, разложенный как многочлен поверхности произвольной формы (в том числе плоской поверхности), и коэффициент Am,n, разложенный как многочлен неосесимметричной асферической поверхности, из числа оптических поверхностей в проекционном объективе показаны в таблице 3. В таблице 3 обозначения m и n означают переменные или степени в коэффициентах Akm,n и Am,n. Обозначение FFSk (где k=1÷5) означает k-тую поверхность из числа поверхностей с первой по пятую, с S11 по S15, которые являются поверхностями произвольной формы. Обозначение FFSk (где k=6) означает поверхность 31а линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью. Коэффициент Akm,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который является составной частью многочленного выражения, представляющего k-тую поверхность. Коэффициент Am,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который является составной частью многочлена, представляющего целевую неосесимметричную асферическую поверхность. Локальная координата каждой поверхности соответствует локальным координатам, показанным на фигуре 4, и поэтому дополнительно не показана.
В таблице 3 и последующих таблицах цифры после Е при численном значении означают десятичный показатель степени и, например, «-1,022Е-02» означает -1,022×10-02.
[093] Коэффициенты асферической оптической поверхности (осесимметричной асферической поверхности, которая является другой поверхностью, а не поверхностью 31а линзы в виде неосесимметричной асферической поверхности), входящей в состав проекционного объектива в проекционном устройстве сквозного видения из примера 1, показаны в таблице 4.
В таблице 4 обозначениями K и Bi представлены коэффициенты, точно определяющие асферические поверхности с ASP1 по ASP5, которые являются другими поверхностями линз, а не поверхностью 31а линзы из числа трех линз 31, 32, 33, образующих проекционный объектив 30. Асферическая поверхность точно определяется следующим многочленным выражением (выражением для асферической поверхности):
[Математическое соотношение 12]
Здесь R обозначает радиус кривизны каждой поверхности, h обозначает высоту от оптической оси, K обозначает конический коэффициент целевой поверхности линзы и Bi (где i=4, 6, 8…) обозначает коэффициент асферической поверхности высокого порядка для целевой поверхности линзы.
[094] На фиг. 5 представлено сечение проекционного устройства 70 сквозного видения из примера 1. Однако световой поток отклоняется не только на опорную поверхность SR, но также в направлении Y от опорной поверхности SR. В проекционном устройстве 70 сквозного видения световодный элемент 10 включает в себя первую поверхность S11, по существу не имеющую преломляющей способности, вторую поверхность S12, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность, третью поверхность S13, по существу не имеющую преломляющей способности, четвертую поверхность S14, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность, и пятую поверхность S15, имеющую сравнительно слабую отрицательную преломляющую способность. В данном случае четвертая поверхность S14 функционирует как отражающая поверхность и преломляющая поверхность. В частности, четвертая поверхность S14 является поверхностью полного внутреннего отражения для светового потока (фактически, света от пятой поверхности S15), повернутого в противоположном направлении от третьей поверхности S13, и является пропускающей поверхностью для светового потока (фактически, света от проекционного объектива 30), повернутого в противоположном направлении от пятой поверхности S15. То есть, четвертая поверхность S14 обладает функцией изгибания оптического пути и функцией, связанной со схождением светового потока. Проекционный объектив 30 включает в себя первую линзу 31, имеющую положительную преломляющую способность, вторую линзу 32, имеющую отрицательную преломляющую способность, и третью линзу 33, имеющую положительную преломляющую способность. Оптическая система из примера 3 имеет следующие конкретные характеристики. Горизонтальный угол обзора равен 20,1°, вертикальный угол обзора равен 11,4°, размер области отображения элемента визуализации видеоизображения составляет 9,22×5,18 мм, диаметр зрачка равен 5 мм и фокусное расстояние составляет около 26 мм.
[095] На фигурах 6 и 7 показаны аберрации из примера 1. На каждой диаграмме аберраций по горизонтальной оси представлено положение на зрачке, а по вертикальной оси представлена величина аберрации в единицах микрометров. В частности, на (А) и (В) из фиг. 6 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 5,7° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 6 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 5,7° в направлении Y, и на (Е) и (F) из фиг. 6 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 5,7° в направлении Y. На (А) и (В) из фиг. 7 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 0,0° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 7 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 0,0° в направлении Y, и на (Е) и (F) из фиг. 7 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 0,0° в направлении Y. Величина аберрации, показанная на чертежах, представляет собой величину аберрации на поверхности изображения элемента визуализации видеоизображения, когда ради удобства световой пучок повернут в противоположном направлении.
[096] (Пример 2)
Применительно к проекционному устройству сквозного видения из примера 2 данные для оптической поверхности, образующей световодный элемент, и проекционного объектива (проекционной оптической системы), показаны в таблице 5. FFS7 означает поверхность 31а линзы, которая является поверхностью излучения первой линзы из проекционного объектива. ASP1 означает поверхность падения первой линзы из проекционного объектива, а не поверхность излучения, и ASP2 означает поверхность излучения второй линзы.
[097] Что касается оптической поверхности в световодном элементе согласно примеру 2, то (наклон) угол TLY наклона оптической оси на сечении и (децентрирование) отклонение DCX оптической оси показаны в таблице 6.
[098] Что касается каждой оптической поверхности в световодном элементе согласно примеру 2, то коэффициент Akm,n, разложенный как многочлен поверхности произвольной формы (в том числе плоской поверхности), и коэффициент Am,n, разложенный как многочлен неосесимметричной асферической поверхности, из числа оптических поверхностей в проекционном объективе, показаны в таблице 7. В таблице 7 обозначения m и n означают переменные или степени в коэффициентах Akm,n и Am,n. Обозначение FFSk (где k=1÷6) означает k-тую поверхность из числа с первой по шестую поверхность, с S11 по S16, которые являются поверхностями произвольной формы. Обозначение FFSk (где k=7) означает поверхность 31а линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью. Коэффициент Akm,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который входит в многочленное выражение, представляющее k-тую поверхность. Коэффициент Am,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который входит в многочлен, представляющий целевую неосесимметричную асферическую поверхность. Как показано на фиг. 8, в этом примере предполагается, что световодный элемент 10 имеет шестую поверхность S16, которая прилегает к четвертой поверхности S14. Как показано на чертеже, шестая поверхность S16 является поверхностью падения света и обладает функцией, связанной со сходимостью светового пучка. Четвертая поверхность S14 обладает функцией изгибания оптического пути. То есть, в примере 2 функции четвертой поверхности S14 из примера 1 разделены между четвертой поверхностью S14 и шестой поверхностью S16.
[099] Коэффициенты асферической оптической поверхности (осесимметричной асферической поверхности, которая является другой поверхностью, а не поверхностью 31а линзы в виде неосесимметричной асферической поверхности), входящей в состав проекционного объектива в проекционном устройстве сквозного видения из примера 2, показаны в таблице 8.
В таблице 8 обозначениями K и Bi представлены коэффициенты для точного определения асферических поверхностей с обозначениями с ASP1 по ASP5, которые являются другими поверхностями линз, а не поверхностью 31а линзы из числа трех линз 31, 32, 33, образующих проекционный объектив 30.
[100] На фиг. 8 представлено сечение проекционного устройства 70 сквозного видения из примера 2. На фиг. 9 представлена схема с показом локальных координат на световодном элементе. В проекционном устройстве 70 сквозного видения световодный элемент 10 включает в себя первую поверхность S11, имеющую слабую отрицательную преломляющую способность, вторую поверхность S12, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность, третью поверхность S13, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, четвертую поверхность S14, имеющую сравнительно слабую отрицательную преломляющую способность, пятую поверхность S15, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, и шестую поверхность S16, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность. Проекционный объектив 30 включает в себя первую линзу 31, имеющую положительную преломляющую способность, вторую линзу 32, имеющую отрицательную преломляющую способность, и третью линзу 33, имеющую положительную преломляющую способность. Оптическая система из примера 2 имеет следующие конкретные характеристики. Горизонтальный угол обзора составляет 20,1°, вертикальный угол обзора составляет 11,4°, размер участка отображения элемента визуализации видеоизображения составляет 9,22×5,18 мм, диаметр зрачка равен 5 мм и фокусное расстояние составляет около 26 мм.
[101] На фигурах 10 и 11 показаны аберрации из примера 2. На каждой диаграмме аберраций по горизонтальной оси представлено положение на зрачке, а по вертикальной оси представлена величина аберрации в единицах микрометров. В частности, на (А) и (В) из фиг. 10 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 5,7° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 10 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 5,7° в направлении Y, и на (Е) и (F) из фиг. 10 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 5,7° в направлении Y. На (А) и (В) из фиг. 11 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 0,0° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 11 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 0,0° в направлении Y, и на (Е) и (F) из фиг. 11 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 0,0° в направлении Y. Величина аберрации, показанная на чертежах, представляет собой величину аберрации на поверхности изображения элемента визуализации видеоизображения, когда ради удобства световой пучок повернут в противоположном направлении.
[102] [Пример 3]
Применительно к проекционному устройству сквозного видения из примера 3 данные для оптической поверхности, образующей световодный элемент, и проекционного объектива (проекционной оптической системы) показаны в таблице 9. Как показано на фиг. 12, в примере 3 поверхность 32b линзы, которая является поверхностью падения второй линзы 32, а не первой линзы 31, в проекционном объективе 30 является неосесимметричной асферической поверхностью, а FFS6 означает поверхность 32b линзы. Например, в то время как ASP1 означает поверхность падения первой линзы из проекционного объектива и ASP2 означает поверхность падения первой линзы, ASP4 означает поверхность излучения третьей линзы, а не поверхность падения второй линзы.
[103] Что касается оптической поверхности световодного элемента согласно примеру 3, то (наклон) угол TLY наклона оптической оси на сечении и отклонение (децентрирование) DCX оптической оси показаны в таблице 10.
[104] Что касается каждой оптической поверхности световодного элемента согласно примеру 3, то коэффициент Akm,n, разложенный как многочлен поверхности произвольной формы (в том числе плоской поверхности), и коэффициент Am,n, разложенный как многочлен неосесимметричной асферической поверхности, из числа оптических поверхностей в проекционном объективе показаны в таблице 11. В таблице 11 обозначения m и n означают переменные или степени в коэффициентах Akm,n и Am,n. Обозначение FFSk (где k=1÷5) означает k-тую поверхность из числа поверхностей с первой по пятую, с S11 по S15, которые являются поверхностями произвольной формы. Обозначение FFSk (где k=6) означает поверхность 32b линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью. Коэффициент Akm,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который является составной частью многочленного выражения, представляющего k-тую поверхность. Коэффициент Am,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который является составной частью многочлена, представляющего целевую неосесимметричную асферическую поверхность. Как показано на фиг. 12, в этом примере, аналогично четвертой поверхности S14 из примера 1, четвертая поверхность S14 обладает функцией изгибания оптического пути и функцией, связанной со сходимостью светового потока.
[105] Коэффициенты асферической оптической поверхности (осесимметричной асферической поверхности, которая является другой поверхностью, а не поверхностью 32b линзы в виде неосесимметричной асферической поверхности), входящей в состав проекционного объектива в проекционном устройстве сквозного видения из примера 3, показаны в таблице 12.
В таблице 12 обозначениями K и Bi представлены коэффициенты для точного определения асферических поверхностей с обозначениями с ASP1 по ASP5, которые являются другими поверхностями линз, а не поверхностью 31b линзы из числа трех линз 31, 32, 33, образующих проекционный объектив 30.
[106] На фиг. 12 представлено сечение проекционного устройства 70 сквозного видения из примера 3. На фиг. 13 представлена схема с показом локальных координат на световодном элементе. В проекционном устройстве 70 сквозного видения световодный элемент 10 включает в себя первую поверхность S11, имеющую слабую отрицательную преломляющую способность, вторую поверхность S12, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность, третью поверхность S13, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, четвертую поверхность S14, имеющую сравнительно слабую отрицательную преломляющую способность, пятую поверхность S15, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, и шестую поверхность S16, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность. Проекционный объектив 30 включает в себя первую линзу 31, имеющую положительную преломляющую способность, вторую линзу 32, имеющую отрицательную преломляющую способность, и третью линзу 33, имеющую положительную преломляющую способность. Оптическая система из примера 4 имеет следующие конкретные характеристики. Горизонтальный угол обзора составляет 20,1°, вертикальный угол обзора составляет 11,4°, размер участка отображения элемента визуализации видеоизображения составляет 9,22×5,18 мм, диаметр зрачка равен 5 мм и фокусное расстояние составляет около 26 мм.
[107] На фигурах 14 и 15 показаны аберрации из примера 3. На каждой диаграмме аберраций по горизонтальной оси представлено положение на зрачке, а по вертикальной оси представлена величина аберраций в единицах микрометрах. В частности, на (А) и (В) из фиг. 14 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 5,7° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 14 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 5,7° в направлении Y, и на (Е) и (F) из фиг. 14 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 5,7° в направлении Y. На (А) и (В) из фиг. 15 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 0,0° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 15 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 0,0° в направлении Y, и на (Е) и (F) из фиг. 15 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 0,0° в направлении Y. Величина аберрации, показанная на чертежах, представляет собой величину аберрации на поверхности изображения элемента визуализации видеоизображения, когда ради удобства световой пучок повернут в противоположном направлении.
[108] (Пример 4)
Применительно к проекционному устройству сквозного видения из примера 4 данные для оптической поверхности, образующей световодный элемент, и проекционного объектива (проекционной оптической системы) показаны в таблице 13. Как показано на фиг. 16, в примере 4 поверхность 32b линзы, которая является поверхностью падения второй линзы 32, а не первой линзы 31, в проекционном объективе 30 является неосесимметричной асферической поверхностью, а FFS7 означает поверхность 32b линзы. Например, в то время как ASP1 означает поверхность падения первой линзы из проекционного объектива и ASP2 означает поверхность падения первой линзы, ASP4 означает поверхность излучения третьей линзы, а не поверхность падения второй линзы.
[109] Что касается оптической поверхности световодного элемента согласно примеру 4, то (наклон) угол TLY наклона оптической оси на сечении и отклонение (децентрирование) DCX оптической оси показаны в таблице 14.
[110] Что касается каждой оптической поверхности световодного элемента согласно примеру 4, то коэффициент Akm,n, разложенный как многочлен поверхности произвольной формы (в том числе плоской поверхности), и коэффициент Am,n, разложенный как многочлен неосесимметричной асферической поверхности, из числа оптических поверхностей в проекционном объективе показаны в таблице 15. В таблице 15 обозначения m и n означают переменные или степени в коэффициентах Akm,n и Am,n. Обозначение FFSk (где k=1÷6) означает k-тую поверхность из числа поверхностей с первой по шестую, с S11 по S16, которые являются поверхностями произвольной формы. Обозначение FFSk (где k=7) означает поверхность 32b линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью. Коэффициент Akm,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который входит в многочленное выражение, представляющее k-тую поверхность. Коэффициент Am,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который входит в многочлен, представляющий целевую неосесимметричную асферическую поверхность. Как показано на фиг. 16, в этом примере предполагается, что световодный элемент 10 имеет шестую поверхность S16, которая непрерывно прилегает к четвертой поверхности S14. Как показано на чертеже, шестая поверхность является поверхностью падения света и обладает функцией, связанной со сходимостью светового потока. Четвертая поверхность S14 обладает функцией изгибания оптического пути. То есть, в примере 4 функции четвертой поверхности S14 из примера 1 разделены между четвертой поверхностью S14 и шестой поверхностью S16.
[111] Коэффициенты асферической оптической поверхности (осесимметричной асферической поверхности, которая является другой поверхностью, а не поверхностью 31b линзы в виде неосесимметричной асферической поверхности), входящей в состав проекционного объектива в проекционном устройстве сквозного видения из примера 4, показаны в таблице 16.
В таблице 16 обозначениями K и Bi представлены коэффициенты для точного определения асферических поверхностей с обозначениями с ASP1 по ASP5, которые являются другими поверхностями линз, а не поверхностью 31b линзы из числа трех линз 31, 32, 33, образующих проекционный объектив 30.
[112] На фиг. 16 представлено сечение проекционного устройства 70 сквозного видения из примера 4. На фиг. 17 представлена схема с показом локальных координат на световодном элементе. В проекционном устройстве 70 сквозного видения световодный элемент 10 включает в себя первую поверхность S11, имеющую слабую отрицательную преломляющую способность, вторую поверхность S12, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность, третью поверхность S13, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, четвертую поверхность S14, имеющую сравнительно слабую отрицательную преломляющую способность, пятую поверхность S15, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, и шестую поверхность S16, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность. Проекционный объектив 30 включает в себя первую линзу 31, имеющую положительную преломляющую способность, вторую линзу 32, имеющую отрицательную преломляющую способность, и третью линзу 33, имеющую положительную преломляющую способность. Оптическая система из примера 4 имеет следующие конкретные характеристики. Горизонтальный угол зрения составляет 20,1°, вертикальный угол зрения составляет 11,4°, размер участка отображения элемента визуализации видеоизображения составляет 9,22×5,18 мм, диаметр зрачка равен 5 мм и фокусное расстояние составляет около 26 мм.
[113] На фигурах 18 и 19 показаны аберрации из примера 4. На каждой диаграмме аберраций по горизонтальной оси представлено положение на зрачке, а по вертикальной оси представлена величина аберрации в единицах микрометров. В частности, на (А) и (В) из фиг. 18 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 5,7° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 18 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 5,7° в направлении Y, а на (Е) и (F) из фиг. 18 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 5,7° в направлении Y. На (А) и (В) из фиг. 19 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 0,0° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 19 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 0,0° в направлении Y, а на (Е) и (F) из фиг. 19 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 0,0° в направлении Y. Величина аберрации, показанная на чертежах, представляет собой величину аберрации на поверхности изображения элемента визуализации видеоизображения, когда ради удобства световой пучок повернут в противоположном направлении.
[114] (Пример 5)
Применительно к проекционному устройству сквозного видения из примера 5 данные для оптической поверхности, образующей световодный элемент, и проекционного объектива (проекционной оптической системы) показаны в таблице 17. FFS7 означает поверхность 31b линзы, которая является поверхностью излучения первой линзы из проекционного объектива. ASP1 означает поверхность падения первой линзы из проекционного объектива, а не поверхность излучения, и ASP2 означает поверхность излучения второй линзы. Как показано на фиг. 20, в примере 5 проекционный объектив 30 имеет две линзы 31 и 32.
[115] Что касается оптической поверхности световодного элемента согласно примеру 5, то (наклон) угол TLY наклона оптической оси на сечении и отклонение (децентрирование) DCX оптической оси показаны в таблице 18.
[116] Что касается каждой оптической поверхности световодного элемента согласно примеру 5, то коэффициент Akm,n, разложенный как многочлен поверхности произвольной формы (в том числе плоской поверхности) и коэффициент Am,n, разложенный как многочлен неосесимметричной асферической поверхности из числа оптических поверхностей в проекционном объективе, показаны в таблице 19. В таблице 19 обозначения m и n означают переменные или степени в коэффициентах Akm,n и Am,n. Обозначение FFSk (где k=1÷6) означает k-тую поверхность из числа поверхностей с первой по шестую, с S11 по S16, которые являются поверхностями произвольной формы. Обозначение FFSk (где k=7) означает поверхность 31b линзы, которая является неосесимметричной асферической поверхностью. Коэффициент Akm,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который входит в многочленное выражение, представляющее k-тую поверхность. Коэффициент Am,n означает коэффициент каждого члена xm×yn, который входит в многочлен, представляющий целевую неосесимметричную асферическую поверхность. Как показано на фиг. 20, в этом примере предполагается, что световодный элемент 10 имеет шестую поверхность S16, которая непрерывно прилегает к четвертой поверхности S14. Как показано на чертеже, шестая поверхность S16 является поверхностью падения света и обладает функцией, связанной со сходимостью светового потока. Четвертая поверхность S14 обладает функцией изгибания оптического пути. То есть, в примере 5 функции четвертой поверхности S14 из примера 1 разделены между четвертой поверхностью S14 и шестой поверхностью S16.
[117] Коэффициенты асферической оптической поверхности (осесимметричной асферической поверхности, которая является другой поверхностью, а не поверхностью 31b линзы в виде неосесимметричной асферической поверхности), входящей в состав проекционного объектива в проекционном устройстве сквозного видения из примера 5, показаны в таблице 20.
В таблице 20 обозначениями K и Bi представлены коэффициенты для точного определения асферических поверхностей с обозначениями с ASP1 по ASP3, которые являются поверхностями линз за исключением поверхности 31b линзы 31 из числа линз 31 и 32, образующих проекционный объектив 30.
[118] На фиг. 20 представлено сечение проекционного устройства 70 сквозного видения из примера 5. На фиг. 21 представлена схема с показом локальных координат на световодном элементе. В проекционном устройстве 70 сквозного видения световодный элемент 10 включает в себя первую поверхность S11, имеющую слабую отрицательную преломляющую способность, вторую поверхность S12, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность, третью поверхность S13, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, четвертую поверхность S14, имеющую сравнительно слабую отрицательную преломляющую способность, пятую поверхность S15, имеющую сравнительно слабую положительную преломляющую способность, и шестую поверхность S16, имеющую сравнительно сильную положительную преломляющую способность. Проекционный объектив 30 включает в себя первую линзу 31, имеющую отрицательную преломляющую способность, и вторую линзу 32, имеющую положительную преломляющую способность. Оптическая система из примера 5 имеет следующие конкретные характеристики. Горизонтальный угол обзора составляет 20,1°, вертикальный угол обзора составляет 11,4°, размер участка отображения элемента визуализации видеоизображения составляет 9,22×5,18 мм, диаметр зрачка равен 5 мм и фокусное расстояние составляет около 26 мм.
[119] На фигурах 22 и 23 показаны аберрации из примера 5. На каждой диаграмме аберраций по горизонтальной оси представлено положение на зрачке, а по вертикальной оси представлена величина аберраций в единицах микрометров. В частности, на (А) и (В) из фиг. 22 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 5,7° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 22 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 5,7° в направлении Y, а на (Е) и (F) из фиг. 22 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 5,7° в направлении Y. На (А) и (В) из фиг. 23 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 10° в направлении X и 0,0° в направлении Y, на (С) и (D) из фиг. 23 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте 0,0° в направлении X и 0,0° в направлении Y, а на (Е) и (F) из фиг. 23 показаны аберрации в направлениях Y и X, на азимуте -10° в направлении X и 0,0° в направлении Y. Величина аберрации, показанная на чертежах, представляет собой величину аберрации на поверхности изображения элемента визуализации видеоизображения, когда ради удобства световой пучок повернут в противоположном направлении.
[120] Что касается примеров с 1 по 5, то числовые данные, относящиеся к условным выражениям с (1) по (3), приведены в таблице 21.
[121] Что касается примеров с 1 по 5, то числовые данные, относящиеся к интервалу между первой поверхностью S11 и третьей поверхностью S13 и углу между зрительной осью (оптической осью AXO стороны излучения) и осью z второй поверхности S12, приведены в таблице 22.
23,8
23
25
24
24
[122] Условное выражение (3) касается диоптрии световодного элемента по отношению к внешнему свету, и если толщина световодного элемента составляет Т, а показатель преломления равен N, диоптрия Dx в направлении оси x и диоптрия Dy в направлении y на оптической оси световодного элемента даются следующими выражениями:
[Математическое соотношение 13]
Dx=2000(N-1)(A12,0-A32,0+(2T(N-1)/N)×A12,0×A32,0),
Dy=2000(N-1)(A10,2-A30,2+(2T(N-1)/N)×A10,2×A30,2).
Что касается примеров с 1 по 5, то числовые данные, относящиеся к диоптриям, основанные на рассмотренных выше выражениях, приведены в таблице 23.
[123] Коэффициенты А2,0 и А0,2, относящиеся к неосесимметричной асферической поверхности, имеют противоположные знаки и коэффициенты А2,0 и А0,2, которые удовлетворяют нижеследующему условному выражению (4), являются значениями, которые представляют показатель для коррекции аберрации, такой как астигматизм, возникающей на отражающей поверхности световодного элемента в соответствии с неосесимметричной асферической поверхностью проекционного объектива, вследствие чего получается хорошее качество изображения:
[Математическое соотношение 14]
10-2<|А2,0-А0,2|. (4)
Рассмотренные выше требования из примеров с 1 по 5 приведены в таблице 24. Во всех примерах удовлетворяются рассмотренные выше требования.
[124] Угол между оптической осью AXI стороны падения (оптической осью проекционного объектива) и оптической осью AXO стороны излучения (зрительной осью) проекционного объектива 30 для каждого из примеров с 1 по 5 приведен в таблице 25. Во всех примерах угол больше чем 0° и равен или меньше чем 30°.
2,67
0,92
6,31
11,30
9,87
[125] Прочее
Хотя изобретение было описано на основе изложенного выше варианта осуществления, изобретение не ограничено изложенным выше вариантом осуществления и может быть выполнено в различных формах без отступления от сущности изобретения. Например, могут быть сделаны следующие модификации.
[126] Хотя в приведенном выше описании проекционный объектив имеет одну неосесимметричную асферическую поверхность, проекционный объектив может иметь две или большее количество неосесимметричных асферических поверхностей.
[127] Хотя в приведенном выше описании полупрозрачный зеркальный слой (прозрачно-отражающая пленка) 15 образован в виде горизонтального прямоугольного участка, контур полупрозрачного зеркального слоя 15 может быть надлежащим образом изменен в соответствии с пользовательскими и другими требованиями. Коэффициент пропускания или отражения полупрозрачного зеркального слоя 15 может быть изменен в соответствии с пользовательскими и другими требованиями.
[128] Хотя в приведенном выше описании распределение яркости отображения в элементе 82 визуализации видеоизображения конкретно не регулируется, но когда изменение яркости отображения возникает в зависимости от положения или чего-либо подобного, распределение яркости отображения можно регулировать на нерегулярной основе или подобным образом.
[129] Хотя в приведенном выше описании элемент 82 визуализации видеоизображения, который включает в себя работающее на пропускание жидкокристаллическое устройство отображения или подобное, используется как устройство 80 визуализации изображения, устройство 80 визуализации изображения не ограничено элементом 82 визуализации видеоизображения, который включает в себя работающее на пропускание жидкокристаллическое устройство отображения или подобное, и различные устройства могут использоваться. Например, может быть образована конфигурация с использованием отражательного жидкокристаллического устройства отображения, или цифровое микрозеркальное устройство или что-либо подобное может использоваться вместо элемента 82 визуализации изображения, который включает в себя жидкокристаллическое устройство отображения или подобное. В качестве устройства 80 визуализации изображения может использоваться самосветящийся элемент, представленный матрицей светоизлучающих диодов или органических светоизлучающих диодов (органических элементов).
[130] Хотя в приведенном выше варианте осуществления используется устройство 80 визуализации изображения, которое включает в себя работающее на пропускание жидкокристаллическое устройство отображения или подобное, в ином случае можно использовать устройство отображения со сканированием изображения.
[131] В частности, как показано на фиг. 24, первое устройство 100А отображения, которое представляет собой прибор отображения виртуального изображения, включает в себя световодное устройство 20 и устройство 380 визуализации изображения. Световодное устройство 20 соответствует участку, на котором световодный элемент 10 и пропускающий свет элемент 50 соединены, и поэтому описание его будет опущено. Устройство 380 визуализации изображения представляет собой устройство, которое формирует свет сигнала, модулированный по интенсивности, и излучает свет сигнала в виде сканируемого света TL и имеет блок 381 формирования света сигнала и оптическую систему 382 сканирования.
[132] Блок 381 формирования света сигнала включает в себя источник света и излучает свет LL сигнала, который модулируется и формируется на основании управляющего сигнала с управляющей схемы (непоказанной). Оптическая система 382 сканирования осуществляет сканирование и излучение света LL сигнала, проходящего через блок 381 формирования света сигнала. В данном случае оптическая система 382 сканирования включает в себя зеркало на основе микроэлектромеханической системы или что-либо подобное и выполняет двумерное сканирование, изменяя в продольном направлении и поперечном направлении угол излучения светового пучка (сканируемого света TL) путем изменения политики синхронизации модуляции света LL сигнала с помощью блока 381 формирования света сигнала для регулирования оптического пути света LL сигнала. В соответствии с изложенным выше, из устройства 380 визуализации изображения сканируемый свет TL, будущий свет GL видеоизображения, входит в световодное устройство 20 и сканируемый свет TL развертывается по всему отдельному участку второй поверхности S12, на котором образован полупрозрачный зеркальный слой 15.
[133] Теперь будет описана работа первого устройства 100А отображения, показанного на чертеже. Устройство 380 визуализации изображения излучает свет LL сигнала в качестве сканируемого света TL, описанного выше, к четвертой поверхности S14 как к поверхности падения света световодного устройства 20 через проекционный объектив 30, имеющий линзу 31, включающую неосесимметричную асферическую поверхность 31а линзы, и другие линзы 32 и 33. Световодное устройство 20 направляет сканируемый свет TL, проходящий на протяжении четвертой поверхности S14 за счет полного внутреннего отражения или чего-либо подобного, и сканируемый свет TL доходит до полупрозрачного зеркального слоя 15. При этом сканируемый свет TL развертывается по поверхности полупрозрачного зеркального слоя 15, в результате чего виртуальное изображение образуется светом GL видеоизображения как траектория сканируемого света TL. Человек, на котором закреплен прибор, захватывает глазом EY виртуальное изображение, чтобы визуально распознать изображение.
[134] Хотя в приведенном выше варианте осуществления световодный элемент 10 и пропускающий свет элемент 50, который является вспомогательным оптическим блоком, выполнены с возможностью покрытия всей передней стороны глаза EY наблюдателя, изобретение не ограничено этим, и например, как показано на фигурах 25А и 25В, можно выполнить небольшую конструкцию, в которой участок, включающий вторую поверхность S12, которая является поверхностью криволинейной формы, имеющей полупрозрачный зеркальный слой 15, покрывает только часть глаза EY, то есть покрывает часть передней стороны глаза и имеется непокрытый участок. В этом случае даже при такой конструкции, в которой световодный элемент 10 и пропускающий свет элемент 50 являются достаточно малыми, а зеркало для полного внутреннего отражения расположено вместо полупрозрачного зеркального слоя 15 без использования способа сквозного просмотра, человек, на котором закреплен прибор, может наблюдать внешнюю обстановку вблизи световодного элемента 10 и пропускающего свет элемента 50. Хотя в случае, показанном на чертежах, полупрозрачный зеркальный слой 15 образован на всей второй поверхности S12 или по существу всей второй поверхности S12, полупрозрачный зеркальный слой 15 может быть образован только на части второй поверхности S12. Хотя в примере из фиг. 25В полупрозрачный зеркальный слой 15 расположен по существу перед глазом EY, полупрозрачный зеркальный слой 15 может быть расположен со смещением от передней стороны глаза и наблюдатель может перемещать глаза для визуального распознавания изображения. Например, глаз EY может быть несколько опущен (световодный элемент 10 и пропускающий свет элемент 50 несколько подняты). В этом случае нижняя половина глаза EY находится в состоянии просмотра ниже световодного элемента 10 и пропускающего свет элемента 50.
[135] Хотя в приведенном выше описании был рассмотрен прибор 100 отображения виртуального изображения, включающий пару устройств 100А и 100В отображения, можно использовать одно устройство отображения. То есть, можно создавать конструкцию, в которой проекционное устройство 70 сквозного видения и устройство 80 визуализации изображения образованы только для правого глаза или левого глаза, чтобы осуществлять просмотр изображения одним глазом, и не образовывать набор из проекционного устройства 70 сквозного видения и устройства 80 визуализации изображения для правого глаза и левого глаза.
[136] Хотя в приведенном выше описании интервал в направлении X между парой устройств 100А и 100В отображения не рассмотрен, интервал между устройствами 100А и 100В отображения не ограничен фиксированным интервалом и интервал может регулироваться механическим устройством или чем-либо подобным. То есть, интервал в направлении X между устройствами 100А и 100В отображения может регулироваться в соответствии с расстоянием между зрачками глаз наблюдателя или чем-либо подобным.
[137] Хотя в приведенном выше описании полупрозрачный зеркальный слой 15 является простой полупрозрачной пленкой (например, металлической отражающей пленкой или диэлектрической многослойной пленкой), полупрозрачный зеркальный слой 15 может быть заменен плоским или криволинейным голограммным элементом.
[138] Хотя в приведенном выше описании свет видеоизображения полностью отражается на границе раздела с воздухом и направляется без зеркала, полупрозрачного зеркала или чего-либо подобного на первую поверхность S11 и третью поверхность S13 световодного элемента 10, предполагается, что полное внутреннее отражение в приборе 100 отображения виртуального изображения согласно изобретению включает в себя отражение зеркальным покрытием или полупрозрачным зеркальным слоем, который образован на всей или части первой поверхности S11 или третьей поверхности S13. Например, полное внутреннее отражение может включать в себя случай, когда угол падения света изображения удовлетворяет условию полного внутреннего отражения, и зеркальное покрытие или что-либо подобное образуют на всей или части первой поверхности S11 или третьей поверхности S13 для отражения по существу всего света изображения. Кроме того, всю или часть первой поверхности S11 или третьей поверхности S13 можно покрывать зеркалом, обладающим свойством слабого пропускания в такой степени, чтобы можно было получать яркое изображение.
[139] Хотя в приведенном выше описании световодный элемент 10 или подобный вытянут в горизонтальном направлении, по которому расположены глаза EY, световодный элемент 10 может быть вытянут в вертикальном направлении. В этом случае световодный элемент 10 имеет структуру с параллельным расположением элементов, а не с последовательным. Конфигурации, относящиеся к вертикальному направлению и горизонтальному направлению, могут надлежащим образом заменяться в соответствии с направлением, по которому свет видеоизображения (свет изображения) направляется в отличие от случая в приведенном выше описании.
[140] Перечень позиций
С AX1 по AX5: оптическая ось;
AXI: оптическая ось стороны падения;
AXO: оптическая ось стороны излучения;
EY: глаз;
GL: свет видеоизображения;
HL: внешний свет;
II: поверхность промежуточного изображения;
PA: отдельный участок;
С S11 по S16: поверхности с первой по шестую;
С S51 по S53: пропускающая поверхность;
SL: подсвечивающий свет;
SR: опорная поверхность;
10: световодный элемент;
10s: основная часть;
11, 12: световодный участок;
15: полупрозрачный зеркальный слой;
20: световодное устройство;
30: проекционный объектив;
31, 32, 33: линза;
31a, 31b, 32b: поверхность линзы (неосесимметричная асферическая поверхность);
32a, 33a, 33b: поверхность линзы;
50: пропускающий свет элемент;
70: проекционное устройство сквозного видения;
80: устройство визуализации изображения;
81: осветительное устройство;
82: элемент визуализации видеоизображения (видеоэлемент);
OI: поверхность изображения;
84: блок управления возбуждением;
100: прибор отображения виртуального изображения;
100А, 100В: устройство отображения;
101a, 101b: оптический элемент;
102: рамочная часть;
104: дужная часть;
105a, 105b: формирующая изображение основная часть;
105d: внешний элемент;
107: рамка;
107а: передний участок;
107b, 107c: боковой участок;
108: протектор;
15: полупрозрачный зеркальный слой;
СС: клеевой слой.
Прибор отображения виртуального изображения содержит видеэлемент, световодный элемент, проекционный объектив. При этом световодный элемент содержит пять поверхностей, которые переотражают свет. Причём две поверхности световода выполнены несимметричными криволинейными поверхностями, а проекционный объектив включает в себя поверхность линзы в виде неосесимметричной асферической поверхности. Технический результат заключается в обеспечении широкого угла обзора, уменьшении габаритов и массы. 10 з.п. ф-лы, 26 ил., 25 табл.
1. Прибор отображения виртуального изображения, содержащий:
видеоэлемент, который генерирует свет видеоизображения;
световодный элемент, который включает в себя две или большее количество неосесимметричных криволинейных поверхностей и является частью оптической системы, при этом промежуточное изображение формируется внутри световодного элемента, и
проекционный объектив, который вводит свет видеоизображения от видеоэлемента в световодный элемент,
в котором проекционный объектив включает в себя по меньшей мере одну неосесимметричную асферическую поверхность,
первая поверхность и третья поверхность из числа множества поверхностей, образующих световодный элемент, расположены друг против друга, и когда внешняя обстановка визуально распознается через первую поверхность и третью поверхность, диоптрия, по существу, становится 0, и
свет видеоизображения от видеоэлемента полностью отражается третьей поверхностью, полностью отражается первой поверхностью, отражается второй поверхностью, проходит через первую поверхность и достигает стороны наблюдения,
при этом световодный элемент имеет четвертую поверхность, которая расположена на стороне падения света от третьей поверхности и отражает свет видеоизображения к третьей поверхности, и пятую поверхность, которая отражает свет видеоизображения к четвертой поверхности,
в световодном элементе вторая поверхность, четвертая поверхность и пятая поверхность являются неосесимметричными криволинейными поверхностями.
2. Прибор отображения виртуального изображения по п.1,
в котором в световодном элементе первая поверхность и третья поверхность являются плоскими поверхностями, по существу параллельными друг другу.
3. Прибор отображения виртуального изображения по п.1,
в котором в световодном элементе промежуточное изображение находится на оптическом пути света видеоизображения от третьей поверхности к пятой поверхности.
4. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором оптическая ось проекционного объектива в проекционном объективе и зрительная ось, принимаемая в качестве направления глаз наблюдателя, образуют угол, равный или больший чем 0° и равный или меньший чем 30°.
5. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором, когда выражение для формы поверхности разлагается как многочлен в значениях ортогональных координат x и y, продолжающихся в тангенциальном направлении от начала, с началом каждой поверхности, образующей оптическую систему, в качестве начала отсчета, а коэффициент члена xm*yn многочленного выражения, представляющего k-тую поверхность, есть Akm,n, удовлетворяются следующие условия с (1) по (3):
-10-1<А10,2+А12,0<10-2 и -10-1<А30,2+А32,0<10-2, (1)
|А12,0-А10,2|<10-1 и |А32,0-А30,2|<10-1, (2)
|А12,0-А32,0|<10-2 и |А10,2-А30,2|<10-2. (3)
6. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором, когда выражение для формы поверхности разлагается как многочлен в значениях ортогональных координат x и y, продолжающихся в тангенциальном направлении от начала, с началом неосесимметричной асферической поверхности проекционного объектива в качестве начала отсчета, и когда коэффициент члена xm*yn многочленного выражения, представляющего неосесимметричную асферическую поверхность, есть Am,n, А2,0 и А0,2, имеют противоположные знаки и удовлетворяют следующему условию:
10-2<|А2,0-А0,2|. (4)
7. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором внутри световодного элемента свет видеоизображения от видеоэлемента направляется путем пятикратного отражения, включающего по меньшей мере двукратное полное внутреннее отражение.
8. Прибор отображения виртуального изображения по п.1,
в котором полупрозрачное зеркало образовано на второй поверхности, свет видеоизображения подается к наблюдателю, пропускающий свет элемент расположен целиком снаружи второй поверхности, диоптрия по отношению к внешнему свету, по существу, приводится к 0, а внешний свет и свет видеоизображения подаются к наблюдателю с наложением.
9. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором проекционный объектив включает в себя две или большее количество осесимметричных асферических поверхностей в качестве поверхностей, которые отличны от неосесимметричной асферической поверхности.
10. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором оптическая система, включающая в себя световодный элемент, покрывает часть передней стороны глаз наблюдателя и предусмотрен участок, на котором передняя сторона глаз не покрыта.
11. Прибор отображения виртуального изображения по п. 1,
в котором видеоэлемент имеет блок формирования света сигнала, который излучает свет сигнала, модулированный в соответствии с изображением, и оптическую систему сканирования, которая сканирует свет сигнала, поступающий с блока формирования света сигнала, для излучения света сигнала в виде сканируемого света.
| EP 1804103 B1 17.06.2009 | |||
| US 20130222896 A1 29.08.2013 | |||
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ САМОРАЗРЯДА СВИНЦОВОГО АККУМУЛЯТОРА | 1998 |
|
RU2138886C1 |
| EP 922985 B1 19.04.2006. | |||
