观察装置

技术领域

本公开的一个方面涉及一种观察装置。

背景技术

常规上已知观察装置通过经由观察光学系统放大和显示在图像显示表面上显示的原始图像并向用户提供大画面图像来提供逼真的体验。日本国内PCT公开No.2015-508182公开了一种观察装置，其包括使用自由曲面(free-form surface)棱镜的具有46度的对角视角(diagonal viewing angle)的观察光学系统和将光从观察表面引导至对观察侧进行成像的图像拾取装置的成像光学系统。

在日本国内PCT公开No.2015-508182中公开的观察装置中，试图进一步扩大观察光学系统的视角导致自由曲面棱镜更大并且观察光学系统更厚。

被配置为使用反射偏振器和半反射镜(half-mirror)在光轴上折叠观察光路的三通(triple-pass)光学系统的观察光学系统可以扩大视角并实现薄型构造。另外，其中观察光学系统的一部分用作成像光学系统的构造(观察系统通过透镜(TTL)构造)可以减小观察装置的尺寸。此时，在捕捉观察者的角膜反射(或反折)图像以检测观察者的视线时，已经透射通过反射偏振器的光被引导至图像拾取装置。

图9例示了相对于从空气到具有1.33的折射率(对应于角膜的折射率)的折射率界面的光入射角的S偏振光的反射率和P偏振光的反射率。S偏振光是与包含光入射角和反射角的平面正交的偏振光分量，P偏振光是与包含光入射角和反射角的平面平行的偏振光分量。来自角膜的反射光在许多入射角区域偏向S偏振光。因此，在使用已经穿过反射偏振器的光捕获角膜反射图像时，取决于反射偏振器的透射轴方向以及光源和图像拾取装置的布置，角膜反射图像可能在反射偏振器处消光(extinct)。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种能够令人满意地获取角膜反射图像的观察装置。

根据本公开的一个方面的观察装置被配置为使观察者能够观察显示在图像显示表面上的图像。观察装置包括：观察光学系统，该观察光学系统包括半透射反射表面和反射偏振器，该反射偏振器被配置为在第一方向上透射线性偏振光并且在与第一方向正交的第二方向上反射线性偏振光；以及成像光学系统，被配置为将已经透射通过反射偏振器的光引导至被配置为对观察侧成像的图像拾取装置。反射偏振器的第二方向上的波长为850nm的线性偏振光的透射率为30％或更高。

从以下参考附图对实施例的描述，本公开的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1A和图1B是根据本公开的一个实施例的观察装置的截面图。

图2A至图2C例示了根据本实施例的角膜反射光路图和观察装置中的成像表面上的角膜反射图像。

图3A和图3B例示了根据比较例的角膜反射光路图和观察装置中的成像表面上的角膜反射图像。

图4是根据示例1的观察装置的截面图。

图5解释了使用偏振的构造。

图6是根据示例2的观察装置的截面图。

图7是根据示例3的观察装置的截面图。

图8是根据示例4的观察装置的截面图。

图9解释了折射率界面处的反射率。

具体实施方式

现在参考附图，将给出根据本公开的实施例的详细描述。各图中的对应元件将由相同的附图标记指定，并且将省略其重复描述。

图1A和图1B分别是根据本公开的一个实施例的观察装置在XY平面上的截面图(XY截面图)和在YZ平面上的截面图(YZ截面图)。X轴方向是与沿着第一透镜G1(将在下文中描述)的光轴的方向(光轴方向)平行的方向。Y轴方向和Z轴方向是与X轴方向正交的两个正交方向。观察装置包括被配置为放大在显示元件的图像显示表面上显示的图像并使观察者能够观察该图像的观察光学系统，并且适合于头戴式显示器(HMD)等。观察装置可以包括被配置为照亮观察表面(角膜反射表面GC、光瞳平面、出射光瞳)侧的光源IRED。观察光学系统包括半透射反射元件PL1、具有半透射反射表面的半反射镜，以及作为凸透镜的第一透镜G1，该半透射反射元件PL1包括被配置为在第一方向上透射线性偏振光并在与第一方向正交的第二方向上反射线性偏振光的反射偏振器。观察光学系统是使用反射偏振器和半透射反射表面在光轴上折叠观察光路的三通光学系统。被配置为三通光学系统的观察光学系统可以提供具有更薄构造和更宽视角的观察光学系统。观察光学系统的一部分用作将光从观察表面引导至图像拾取装置CAM的成像光学系统。其中观察光学系统的一部分用作成像光学系统的构造(观察系统TTL构造)可以减小观察装置的尺寸。图像拾取装置CAM使用已经透射通过反射偏振器的光来捕获观察侧的图像。光圈(孔径光阑)SS部署在图像拾取装置CAM的观察侧。光源IRED围绕观察光学系统布置为圆形。由于每个光源IRED用作角膜反射图像的光源，因此可以基于角膜反射图像来检测视线。角膜反射表面GC是被建模为曲率半径为-8mm、折射率为1.33的折射率界面的表面。光轴上从半透射反射元件PL1的观察侧的表面到角膜反射表面GC的表面顶点的距离约为12mm。反射偏振器的透射轴方向(第一方向)被设置为Y轴方向。

在本实施例中，在与反射偏振器的透射轴正交的方向(第二方向)上的850nm的波长处的偏振光的透射率(对于0度入射的光)为30％或更高。本实施例中的反射偏振器例如为3M公司制造的IQP-E。观察光学系统的波段为可见光区域，并且可以包括450nm至680nm的波段，这是观察者的眼睛高度敏感的波段。为了将观察光学系统高效地用作三通光学系统，在可见光区域中，反射偏振器应具有对于在正交于透射轴的方向上的偏振光具有高反射率和低透射率(大消光比)的构造。波长为850nm的光是眼睛几乎不敏感的近红外光，并且是不用于观察光学系统的波段中的光。由于850nm附近的波长范围是图像拾取装置CAM中包括的诸如CMOS或CCD传感器之类的图像传感器敏感的波段，所以波长850nm附近的光适合于在观察侧成像(获取虹膜图像和角膜反射图像)。因此，本实施例通过增加在与反射偏振器的透射轴正交的方向上的偏振光在850nm的波长处的透射率来降低消光比。即，本实施例有意降低在近红外区域中作为反射偏振器的功能。

在与反射偏振器的透射轴正交的方向上的偏振光在850nm的波长处的透射率可以为50％或更高，或者70％或更高。

图2A、图2B和图2C例示了在根据本实施例的观察装置中围绕Z轴的角膜旋转角分别为0度、-20度和+20度的情况下的角膜反射光路和包括在图像拾取装置CAM中的图像传感器的成像表面上的角膜反射图像。图3A和图3B分别例示了在其中反射偏振器被建模为没有波长依赖性的理想反射偏振器的观察装置中围绕Z轴的角膜旋转角为0度和+20度的情况下的角膜反射光路和成像表面上的角膜反射图像。

在包括图3A和图3B中所示的理想反射偏振器的观察装置中，角膜反射光偏向S偏振光，并且S偏振光的偏振方向正交于反射偏振器的透射轴，角膜反射图像很可能消光。特别地，在角膜旋转角度为+20度的情况下，角膜反射图像全部消光，并且无法通过角膜反射法来检测视线。另一方面，在根据本实施例的包括反射偏振器的观察装置中，角膜反射光能够到达成像平面。

该构造能够实现能够令人满意地获取角膜反射图像的观察装置。

反射偏振器可以具有平面形状。由此，能够抑制诸如在将元件模制成弯曲表面的情况下产生的内部应力、向基板的弯曲表面粘贴时粘合剂中的气泡混入之类的各种制造问题。

半透射反射表面可以在观察侧具有凹表面。具有半透射反射表面的观察光学系统的主光焦度(焦距的倒数)的分布可以实现不产生色差的宽视场观察光学系统。

观察光学系统可以包括胶合透镜。与每个单个透镜单独保持在机械镜筒中的构造相比，这种构造对于相对透镜倾斜更加稳定。

胶合透镜的胶合表面可以是半透射反射表面。由此，能够保护半透射反射表面免受诸如吸湿、温度变化之类的外部环境变化的影响。

观察光学系统可以包括部署在半透射反射表面的图像显示表面侧的透射线性偏振器。由此，能够利用使用偏振的构造来实现高质量的观察光学系统，这将在下面描述。

在与部署在半透射反射表面的图像显示表面侧的透射线性偏振器的透射轴正交的方向上的波长为850nm的偏振光的透射率(对于0度入射的光)可以是30％或更高。由此，即使在图像拾取装置接收已经透射通过透射线性偏振器的光的情况下，也能够接收足够的光。

观察光学系统可以包括部署在反射偏振器的观察侧的透射线性偏振器。透射线性偏振器的透射轴方向和反射偏振器的透射轴方向可以彼此重合。由此，透射线性偏振器可以过滤(截断)来自反射偏振器的反射光，该反射光源于从观察侧入射的外部光。重合不仅包括严格匹配，而且还包括大致匹配(在±10度或更小的允许范围内)。

在与部署在反射偏振器的观察侧的透射线性偏振器的透射轴正交的方向上的偏振光在850nm的波长处的透射率(对于0度入射的光)可以是30％或更高。由此，在使用具有近红外区域中的波长的光进行成像期间，能够降低角膜反射光的偏振影响。

在与部署在观察侧的透射线性偏振器的透射轴正交的方向上的偏振光在850nm的波长处的透射率可以为50％或更高或者70％或更高。

从每个光源IRED发射的光可以是在700nm至1200nm的波长处具有发射峰的近红外光。700nm至1200nm的波长范围在可见光范围之外，并且在图像传感器敏感的范围内，并且可以实现通过观察光学系统观察图像显示表面的放大图像，并通过成像光学系统将光从观察表面引导至图像拾取装置。700nm或更小的短波长侧的区域是眼睛敏感的区域，并且用于在观察侧成像的照明光干扰图像显示表面上的虚像的观察。另一方面，图像传感器的灵敏度在1200nm或更高的长波长区域中降低。

从每个光源IRED发射的光可以在750nm至1100nm或800nm至1000nm的波长处具有发射峰。

从每个光源IRED发射的光的至少一部分可以透射反射偏振器并照亮观察者的眼睛。由此，能够使观察装置更小。由光源IRED发射的光的至少一部分可以在不透射反射偏振器的情况下照亮观察者的眼睛。

在图1A、图1B和图2A至图2C中，反射偏振器的偏振透射轴方向设置为与Y轴平行，但偏振透射轴方向可以任意设置。

示例1

图4是根据本示例的观察装置的截面图。根据本示例的观察装置包括观察光学系统，该观察光学系统具有约90度的对角视角，并且从观察侧到图像显示表面侧依次包括包含反射偏振器的半透射反射元件PL1、具有半透射反射表面的半反射镜HM，以及显示元件ID。半反射镜HM形成在作为凸透镜的第一透镜G1上。盖玻片CG部署在显示元件ID的观察侧。观察光学系统是同轴光学系统，其中来自显示元件ID的光透射通过半反射镜HM、在半透射反射元件PL1上反射、由半反射镜HM反射、透射通过半透射反射元件PL1，并被引导至光瞳平面SP。被配置为观察光学系统的三通光学系统可以实现观察装置的更宽视角和更薄轮廓。部署在半反射镜HM的图像显示表面侧的具有线性偏振器的透射元件PL2可以形成利用偏振的构造并且屏蔽在单通(single pass)中透射通过观察光学系统的不需要的光。

根据本示例的观察装置包括使用透射通过反射偏振器的光来捕获观察侧的图像拾取装置CAM和照亮观察侧的光源。在与反射偏振器的透射轴正交的方向上的偏振光在850nm的波长处的透射率为30％或更高，并且从光源发射近红外光可以高效地将来自角膜反射表面GC的反射光引导至图像拾取装置CAM。

根据本示例的成像光学系统的一部分用作观察光学系统，并且来自观察侧的光透射通过半透射反射元件PL1和半反射镜HM，并且被引导至图像拾取装置CAM。由此，可以减小观察侧的成像角度，并且可以缓和梯形失真(trapezoidal distortion)。

现在将描述利用偏振的构造。图5解释了利用偏振的构造。根据本示例的观察光学系统包括反射偏振器PBS(A)、第一四分之一波片QWP1(B)、半反射镜HM(C)、第二四分之一波片QWP2(D)以及线性偏振器POL(E)。半透射反射元件PL1包括反射偏振器PBS和第一四分之一波片QWP1。透射元件PL2包括第二四分之一波片QWP2和线性偏振器POL。

反射偏振器PBS是诸如线栅型偏振器之类的元件，其被配置为反射在穿过线性偏振器POL的方向上偏振的线性偏振光并且透射在与穿过线性偏振器POL的方向正交的方向上偏振的线性偏振光。例如，在反射偏振器PBS是线栅型偏振器的情况下，在反射偏振器PBS上形成的线栅形成表面用作半透射反射表面。第一四分之一波片QWP1和第二四分之一波片QWP2在它们的慢轴倾斜90度的状态下部署。第一四分之一波片QWP1在其慢轴相对于线性偏振器POL的偏振透射轴倾斜45度的状态下部署。半反射镜HM具有例如由电介质多层膜或金属气相沉积形成的半透射反射表面。

来自图像显示表面的光被线性偏振器POL转换成线性偏振光、被第二四分之一波片QWP2转换成圆偏振光，并且进入半反射镜HM。入射到半反射镜HM上的光的一部分被反射并变成反向旋转的圆偏振光并返回到第二四分之一波片QWP2。返回到第二四分之一波片QWP2的反向旋转的圆偏振光被第二四分之一波片QWP2转换成偏振方向与其最初穿过线性偏振器POL的方向正交的线性偏振光、返回到线性偏振器POL，并被线性偏振器POL吸收。

另一方面，入射到半反射镜HM上的光的一部分透射通过该半反射镜HM、被第一四分之一波片QWP1转换成在其穿过线性偏振器POL的方向上偏振的线性偏振光，并进入反射偏振器PBS。由于反射偏振器PBS的偏振选择性，在其穿过线性偏振器POL的方向上偏振的线性偏振光被反射。被反射偏振器PBS反射的光被第一四分之一波片QWP1转换成旋转方向与其首先被第二四分之一波片QWP2转换成圆偏振光的旋转方向相反的圆偏振光，并进入半反射镜HM。被半反射镜HM反射的光成为旋转方向与反射前的光的旋转方向相反的圆偏振光、进入第一四分之一波片QWP1、被转换成在与其首先穿过线性偏振器POL的方向正交的方向上偏振的线性偏振光，并且进入反射偏振器PBS。由于反射偏振器PBS的偏振选择性，在与其穿过线性偏振器POL的方向正交的方向上偏振的线性偏振光透射通过反射偏振器PBS并被引导至光瞳平面SP。

上述构造可以将已透射通过半反射镜HM、被反射偏振器PBS反射、被半反射镜HM偏转并透射通过反射偏振器PBS的光引导至光瞳平面SP。

示例2

图6是根据本示例的观察装置的截面图。虽然根据本实施例的观察装置的基本构造与根据示例1的观察装置的构造相似，但本实施例改变了观察光学系统的构造和成像光学系统的布置。

根据本示例的观察装置除了根据示例1的观察光学系统的构造以外，还包括第二透镜G2和第三透镜G3，以及对角视角为约58度的观察光学系统。在第二透镜G2上形成半反射镜HM。显示元件ID的纵横比为4∶3，并且XY截面是包含观察光学系统的显示元件ID的短边的平面。

根据本实施例的成像光学系统的一部分用作观察光学系统，并且来自观察侧的光透射通过包括反射偏振器的半透射反射元件PL1、半反射镜HM和包括线性偏振器的透射元件PL2，并且被引导至用于对观察侧成像的图像拾取装置CAM。

示例3

图7是根据本示例的观察装置的截面图。虽然根据本实施例的观察装置的基本构造与根据示例1的观察装置的基本构造相似，但本实施例改变了观察光学系统的构造和成像光学系统的布置。

根据本实施例的观察装置包括具有约80度的对角视角的观察光学系统，并且包括由第一透镜G1和第二透镜G2构成的胶合透镜。

根据本实施例的成像光学系统的一部分用作观察光学系统，并且来自观察侧的光透射通过包括反射偏振器的半透射反射元件PL1、半反射镜HM和在第二透镜G2的图像显示表面侧的表面的观察光学系统的有效区域外部的区域，并且被引导至捕获观察侧的图像拾取装置CAM。通过使观察光学系统的有效区域外部且成像光束的有效区域内的区域平坦化，可以减少像散的产生。

示例4

图8是根据本示例的观察装置的截面图。虽然根据本实施例的观察装置的基本构造与根据示例1的观察装置的基本构造相似，但本实施例改变了观察光学系统的构造和成像光学系统的布置。

根据本示例的观察装置除了示例1的观察光学系统的构造以外，还包括第二透镜至第七透镜G2至G7，以及形成对角视角为约69度的中间图像的观察光学系统。显示元件ID的纵横比为4∶3，并且XY截面是包含观察光学系统的显示元件ID的短边的平面。

根据该实施例的观察光学系统包括平行板，该平行板为由相同材料制成的第一透镜G1和第二透镜G2在空气界面为平面的情况下构成的胶合透镜。这里，在第一透镜G1的观察侧部署有包括反射偏振器和四分之一波片的半透射反射元件PL1，并且胶合透镜的胶合表面为半反射镜HM。包括四分之一波片和线性偏振器的透射元件PL2部署在第二透镜G2的图像显示表面侧。反射表面(第九表面)被部署为包括第二反射偏振器的平面状合波器(combiner)。由此，可以实现所谓的光学透视型观察光学系统，其中外部光在单通中穿过根据本实施例的胶合透镜并且以大致相同的尺寸被观察，并且显示元件IP的图像光在三通中穿过根据本实施例的胶合透镜并且被放大和观察。

根据本实施例的成像光学系统的一部分用作观察光学系统，并且来自观察侧的光透射通过包括反射偏振器的半透射反射元件PL1、半反射镜HM和第二透镜G2的图像显示表面侧的表面，并且被引导至对观察侧进行成像的图像拾取装置CAM。

现在将给出与示例1至示例4对应的数值示例1至数值示例4的描述。

在每个数值示例中的表面数据中，r表示每个光学表面的曲率半径，并且d(mm)表示第m个表面与第(m+1)个表面之间的轴上距离(光轴上的距离)，其中m是从光入射侧开始计数的表面编号。nd表示具有每个表面的光学元件的材料针对d线的折射率。νd是具有每个表面的光学元件的材料基于d线的阿贝数。某种材料的阿贝数νd被表达如下：

νd＝(Nd-1)/(NF-NC)

其中Nd、NF和NC分别是基于夫琅和费线中的d线(587.6nm)、F线(486.1nm)和C线(656.3nm)的折射率。透镜总长度是指光轴上从距物体最近的透镜表面到图像显示表面的距离。G(in G)表示用于保护图像显示元件的平面玻璃。透镜总长度(in G)和BF(in G)均表示包括平面玻璃在内的光轴上的距离。

在表面具有非球面形状的情况下，星号*附加到表面编号。非球面形状被表达如下：

x＝(h

其中x是在光轴方向上距表面顶点的位移量，h是在与光轴正交的方向上距光轴的高度，光行进方向被设置为正，R是近轴曲率半径，K是圆锥常数，A4、A6、A8和A10是非球面系数。圆锥常数中的“e±M”表示×10

数值示例1

单位：毫米

表面数据

非球面数据

第4表面

K＝-1.00000e+00A4＝4.50466e-07

第6表面

K＝-1.00000e+00A4＝4.50466e-07各种数据焦距18.00光瞳直径4.00视角45.00透镜总长度47.49BF(in G)16.49固定焦距透镜数据

数值示例2单位：毫米

表面数据

非球面数据

第4表面

K＝0.00000e+00A4＝1.14783e-05A6＝8.12048e-08A8＝-3.42503e-10

A10＝1.00372e-12

第6表面

K＝0.00000e+00A4＝1.14783e-05A6＝8.12048e-08A8＝-3.42503e-10

A10＝1.00372e-12

第8表面

K＝0.00000e+00A4＝1.14783e-05A6＝8.12048e-08A8＝-3.42503e-10

A10＝1.00372e-12

第10表面

K＝0.00000e+00A4＝-2.17485e-04A6＝1.14074e-06A8＝-3.03928e-09

A10＝2.89322e-12各种数据

固定焦距透镜数据

数值示例3单位：毫米

表面数据

非球面数据

第4表面

K＝0.00000e+00A4＝-2.58220e-06A6＝1.47199e-08A8＝-5.32418e-11

A10＝7.50680e-14

第6表面

K＝0.00000e+00A4＝-2.58220e-06A6＝1.47199e-08A8＝-5.32418e-11

A10＝7.50680e-14

第7表面

K＝0.00000e+00A4＝1.82030e-04A6＝-1.33313e-06A8＝2.80530e-09

各种数据

固定焦距透镜数据

数值示例4单位：毫米表面数据

非球面数据

第4表面

K＝0.00000e+00A4＝7.33649e-07A6＝-1.66877e-09A8＝5.28772e-12

A10＝-5.05759e-15

第6表面

K＝0.00000e+00A4＝7.33649e-07A6＝-1.66877e-09A8＝5.28772e-12

A10＝-5.05759e-15

第18表面

K＝0.00000e+00A4＝-5.74635e-04

第19表面

K＝0.00000e+00A4＝5.49158e-05A6＝6.48873e-06

各种数据

固定焦距透镜数据

每个示例都可以提供一种能够令人满意地获取角膜反射图像的观察装置。

虽然已经参考实施例描述了本公开，但是应当理解的是，本公开不限于所公开的实施例。所附权利要求的范围应给予最广泛的解释，以涵盖所有此类修改和等同的结构和功能。