CN112789546A - 头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够适当视认外部景色的头戴式显示器。其包括：合成器(121L)，对显示光和外部光进行合成，该显示光用于形成显示图像，该外部光来自佩戴了头戴式显示器的用户的前方；以及减光部(130L)，用于使来自比合成器(121L)更靠下方的外部光的一部分透射，具有合成器(121L)的透射率以下的透射率。

Description

头戴式显示器

技术领域

本发明涉及一种头戴式显示器。

背景技术

专利文献1中公开了一种透视型头戴式显示器。专利文献1的图5的头戴式显示器具备液晶显示元件、偏振分光器、凹面半镜、1/4波长板和偏振性衍射元件。偏振分光器使S偏振光反射，并使P偏振光透射。偏光性衍射元件使得被偏振分光器反射的偏振方向的光衍射，并使得被偏振分光器透射的偏振方向的光透射。

另外，专利文献1的图6的头戴式显示器具备液晶显示元件、凹面半镜、平面半镜、第一偏振单元和第二偏振单元。第一偏振单元是使P偏振光透射的偏光板。第二偏振单元是吸收P偏振光并使S偏振光透射的偏光板。两个偏光板以透射轴正交的方式配置。

在先技术文献

专利文件

专利文献1：日本特开平11-95160号公报。

发明内容

在专利文献1的结构中，存在外部光的亮度产生差异的问题。例如，来自前方的外部光在半镜和偏振分光器等中衰减。另一方面，在为了视认比显示图像更靠下侧的景色而确保前斜下方的视野的情况下，来自前斜下方的外部光不经由半镜而入射到用户的眼睛。来自前斜下方的外部光未被衰减而被视认。因此，存在来自前方的外部光和来自前斜下方的外部光的亮度产生差异的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够适当视认外部景色的头戴式显示器。

本实施方式涉及的头戴式显示器包括：合成器，对显示光和外部光进行合成，所述显示光用于形成显示图像，所述外部光来自佩戴了头戴式显示器的用户的前方；以及减光部，用于使来自比所述合成器更靠下方的外部光的一部分透射，具有所述合成器的透射率以下的透射率。

根据本发明，其目的在于提供一种能够适当视认外部景色的头戴式显示器、显示方法和显示系统。

附图说明

图1是示出本实施方式涉及的头戴式显示器的一部分结构的图；

图2是示出本实施方式涉及的头戴式显示器的功能块的图；

图3是示意性示出实施方式1涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的图；

图4是示意性示出实施方式2涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的图；

图5是示意性示出实施方式3涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的图；

图6是示意性示出实施方式4涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的图；

图7是示意性示出实施方式5涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的图；

图8是示意性示出实施方式6涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的图；

图9是示意性示出实施方式7涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的侧视图；

图10是示意性示出实施方式7涉及的头戴式显示器的光学系统的结构的俯视图。

具体实施方式

以下，参照附图，对应用了本发明的具体实施方式进行详细说明。但是，本发明不限于以下实施方式。另外，为了使说明明确，以下的记载和附图被适当简化。

参照附图，对本实施方式涉及的头戴式显示器及其显示方法进行说明。图1是示意性示出头戴式显示器100的一部分结构的立体图。图2是示出头戴式显示器100的一部分的功能块的图。图1、图2中主要示出了与头戴式显示器100的图像显示相关的结构。图1中示出了头戴式显示器100的内部结构，实际上，图1所示的各构成要素也可以由罩等覆盖。

头戴式显示器100可应用于游戏、娱乐、工业、医疗、飞行模拟等各种用途。头戴式显示器100例如是AR(Augmented Reality，增强现实)头戴式显示器、MR(Mixed Reality，混合现实)头戴式显示器。

以下，为了说明的明确化，使用XYZ三维正交坐标系进行说明。以用户为基准，将前后方向(进深方向)设为Z方向，将左右方向(水平方向)设为X方向，将上下方向(垂直方向)设为Y方向。将前方向设为+Z方向，将后方向设为-Z方向，将右方向设为+X方向，将左方向设为-X方向，将上方向设为+Y方向，将下方向设为-Y方向。

未图示的用户佩戴了头戴式显示器100。头戴式显示器100具备显示元件部101、框架102、左眼用光学系统103L、右眼用光学系统103R、控制部105。控制部105包括控制部105L和控制部105R。

框架102具有护目镜形状或眼镜形状，通过未图示的头带等而佩戴在用户的头部。在框架102上安装有显示元件部101、左眼用光学系统103L、右眼用光学系统103R、控制部105L、控制部105R。此外，在图1中，图示了两眼式的头戴式显示器100，但也可以是具有眼镜形状的头戴式显示器、单眼式的头戴式显示器。

显示元件部101包括左眼用显示元件101L和右眼用显示元件101R。左眼用显示元件101L生成左眼用显示图像。右眼用显示元件101R生成右眼用显示图像。左眼用显示元件101L和右眼用显示元件101R分别包括液晶监视器和有机EL(Electro-Luminescence，电致发光)监视器等平板显示器。左眼用显示元件101L和右眼用显示元件101R可以是具有曲面形状的显示器。左眼用显示元件101L和右眼用显示元件101R分别具备以阵列状配置的多个像素。在此，阵列状的配置不仅是二维矩阵的配置，也可以是像素排列(Pentile)等。左眼用显示元件101L配置在右眼用显示元件101R的左侧(-X侧)。

在显示元件部101的上方(+Y侧)设置有控制部105。向控制部105提供来自外部的影像信号、控制信号、电源。例如，通过HDMI(注册商标)等有线连接、或WiFi(注册商标)或BlueTooth(注册商标)等无线连接，将影像信号等输入到控制部105。头戴式显示器100可以具备生成影像信号的影像生成部(未图示)，也可以对控制部105输入影像生成部所生成的影像信号等。

控制部105L、控制部105R具备CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、以及存储器等硬件资源，按照存储器中保存的计算机程序进行动作。并且，控制部105L、控制部105R分别具备显示器的驱动电路等。控制部105L基于影像信号、控制信号等，生成左眼用图像的显示信号，并输出到左眼用显示元件101L。由此，左眼用显示元件101L输出用于显示左眼用图像的显示光。控制部105R根据影像信号、控制信号等，生成右眼用图像的显示信号，并输出到右眼用显示元件101R。由此，右眼用显示元件101R输出用于显示右眼用显示图像的显示光。即，控制部105将显示信号输出到显示元件部101。

此外，显示元件部101不限于将左眼用显示元件101L和右眼用显示元件101R设为不同显示元件的结构，也可以是设为单个显示元件的结构。单个显示元件可以生成左眼用显示图像和右眼用显示图像。在这种情况下，显示元件部101使用显示器的显示区域的单侧的一部分而生成左眼用图像，并使用相反侧的一部分而生成右眼用图像。

显示元件部101、控制部105等的一部分或全部不限于固定在框架102的结构，也可以相对于框架102可拆装地设置。例如，通过将智能电话或平板电脑等安装在框架102，也可以实现显示元件部101、控制部105等。在这种情况下，可以预先在智能电话等中安装用于生成头戴式显示器用显示图像的应用程序(APP)。

左眼用光学系统103L将左眼用显示元件101L所输出的显示光作为左眼用图像而引导到用户的左眼EL。右眼用光学系统103R将右眼用显示元件101R所输出的显示光作为右眼用图像PR而引导到用户的右眼。左眼用光学系统103L配置在右眼用光学系统103R的左侧(-X侧)。左眼用光学系统103L配置在用户的左眼EL的前方(+Z方向)。右眼用光学系统103R配置在用户的右眼ER的前方(+Z方向)。用户能够在正面前方(+Z方向)视认显示元件部101所生成的显示图像的虚像。

本实施方式涉及的头戴式显示器100是半透射型头戴式显示器100。因此，左眼用光学系统103L和右眼用光学系统103R包括后述的合成器。在半透射型头戴式显示器100中，来自显示元件部101的显示光和外部光入射到左眼EL和右眼ER。因此，用户能够视认在前方(+Z方向)的景色上重叠了显示图像的重叠图像。

以下，对左眼用光学系统103L和右眼用光学系统103R(以下，统称为光学系统)的具体实施方式进行说明。此外，由于左眼用光学系统103L和右眼用光学系统103R是相同的结构，因此在以下的说明中，仅对左眼用光学系统103L进行说明。

实施方式1

图3是示意性示出实施方式1涉及的光学系统的侧视图。左眼用光学系统103L包括合成器121L、偏振分光器122L、1/4波长板123L和减光部130L。合成器121L、偏振分光器122L、1/4波长板123L和减光部130L固定在图1所示的框架102。

合成器121L、偏振分光器122L和1/4波长板123L配置在用户的左眼EL的正面前方(+Z方向)。另外，合成器121L配置在偏振分光器122L的前方(+Z方向)。1/4波长板123L配置在合成器121L与偏振分光器122L之间。即，从+Z侧到-Z侧，依次配置有合成器121L、1/4波长板123L、偏振分光器122L、左眼EL。

左眼用显示元件101L配置在偏振分光器122L的上方(+Y方向)。即，左眼用显示元件101L配置在左眼EL的前斜上方。减光部130L配置在偏振分光器122L的下方(-Y方向)。即，减光部130L配置在左眼EL的前斜下方。

合成器121L是半镜等的分光器，使入射光的一部分反射，并使一部分透射。因此，当后述的显示光L12的合成器121L中的反射比与来自用户前方(+Z方向)的外部光L21的反射比相等时，外部光L21的大致一半会透射合成器121L。合成器121L为凹面镜。合成器121L可以增加显示光L12的反射比而减少外部光L21的透射比，或者可以减少显示光L12的反射比而增加外部光L21的透射比。

偏振分光器122L根据偏振状态，使光透射或反射。作为偏振分光器122L，可以使用反射型偏光板。偏振分光器122L的透射轴与纸面平行。在图3中，偏振分光器122L使得与纸面平行的偏振分量透射，并使得与纸面正交的偏振分量反射。偏振分光器122L使P偏振光透射，并使S偏振光反射。当无偏振的光入射到偏振分光器122L时，分成P偏振光的透射光和S偏振光的反射光。

1/4波长板123L对正交的偏振分量提供90°的相位差。当光透射1/4波长板123L时，偏振状态改变。例如，当直线偏振光透射1/4波长板123L时，变换为圆偏振光。当圆偏振光透射1/4波长板123L时，变换为直线偏振光。1/4波长板123L与XY平面平行地配置。

减光部130L包括ND(Neutral Density，中性密度)滤光器等的减光滤光器131L。在此，将透射率为25％的ND滤光器用作减光部130L。减光部130L作为用于得到前斜下方视野的下部窗而发挥作用。来自前斜下方的朝向左眼EL的外部光L41会透射减光滤光器131L。由于用户能够经由减光滤光器131L视认前斜下方，因此能够确保与减光滤光器131L的面积大小对应的下方视野。减光滤光器131L与XZ平面平行地配置。当然，设置减光滤光器131L的角度没有特别限定。例如，减光滤光器131L可以以-Z侧变高且+Z侧变低的倾斜来配置。减光部130L配置在从合成器121L到左眼EL的显示光的光路的外侧。

针对来自左眼用显示元件101L的显示光L11进行说明。左眼用显示元件101L的显示面面向于垂直下方(-Y方向)。因此，来自左眼用显示元件101L的显示光L11在-Y方向上出射。左眼用显示元件101L例如是具有液晶显示面板的液晶监视器。液晶显示面板通过控制来自背光的光的偏振状态来对光进行空间调制。因此，偏振膜1011L贴附在左眼用显示元件101L的液晶面板的出射侧。偏振膜1011L使得与纸面正交的直线偏振光透射，并吸收与纸面平行的直线偏振光。因此，显示光L11成为直线偏振光。在图3中，显示光L11成为与纸面正交的方向的直线偏振光，将该方向设为第一方向。

偏振分光器122L倾斜地配置在左眼用显示元件101L的下方(-Y方向)。因此，偏振分光器122L向前方(+Z方向)反射显示光L11。偏振分光器122L朝向合成器121L反射显示光L11。显示光L11相对于偏振分光器122L成为S偏振光。几乎所有的显示光L11都被偏振分光器122L反射。将被偏振分光器122L向前方(+Z方向)反射的显示光L11的反射光设为显示光L12。

被偏振分光器122L反射的显示光L12经由1/4波长板123L而入射到合成器121L。合成器121L向后方(-Z方向)反射显示光L12。合成器121L朝向偏振分光器122L反射显示光L12。并且，合成器121L是凹面镜，其反射显示光L12，以使显示光L12朝向左眼EL聚光。将被合成器121L反射的显示光L12的反射光设为显示光L13。显示光L13经由1/4波长板123L而入射到偏振分光器122L。

1/4波长板123L设置在合成器121L与偏振分光器122L之间。在偏振分光器122L与合成器121L之间往复的显示光会透射1/4波长板123L两次，因此显示光的偏振方向旋转90°。即，显示光L13成为与显示光L11的偏振方向正交的直线偏振光。在图3中，透射了1/4波长板123L的显示光L13成为与纸面平行的方向上的直线偏振光，将该方向设为第二方向。在与光轴正交的平面上，第一方向与第二方向是正交的关系。偏振分光器122L的透射轴与第二方向平行。

由于显示光L13相对于偏振分光器122L成为P偏振光，因此几乎所有的显示光L13透射偏振分光器122L。由此，通过将1/4波长板123L配置在偏振分光器122L与合成器121L之间，能够抑制显示光的损失。

透射了偏振分光器122L的显示光L13入射到左眼EL。由此，左眼用光学系统103L将来自左眼用显示元件101L的显示光引导到用户的左眼EL。显示光L13形成显示图像。通过光学系统，能够在用户的前方(+Z方向)显示虚像。

接下来，针对来自用户前方(+Z方向)的外部光L21进行说明。来自用户前方(+Z方向)的外部光L21的大致一半会透射合成器121L。外部光L21透射1/4波长板123L，并入射到偏振分光器122L。偏振分光器122L将外部光L21分成两束。将透射了偏振分光器122L的外部光L21设为外部光L22。外部光L22是与纸面平行的直线偏振光。

外部光L21的P偏振分量会透射偏振分光器122L，并成为外部光L22。P偏振的外部光L22入射到左眼EL。外部光L21的S偏振分量被偏振分光器122L反射，并入射到左眼用显示元件101L。当外部光L21是非偏振光时，即使透射了1/4波长板123L，也是非偏振光。通过了1/4波长板123L的无偏振的外部光L21被认为P偏振分量与S偏振分量是大致相等的量，因此，占外部光L21的大致一半的偏振分量、即P偏振分量会透射偏振分光器122L。

由于头戴式显示器100是半透射型，因此合成器121L对来自前方(+Z方向)的外部光L21和来自左眼用显示元件101L的显示光L11进行合成。通过在用户的前方(+Z方向)设置合成器121L，能够将头戴式显示器100作为光学透视方式。在用户的前方(+Z方向)的景色上重叠显示图像。即，用户能够视认重叠了显示图像的景色。

合成器121L的透射率为50％。因此，外部光L21的一半会透射合成器121L。并且，外部光L21会透射偏振分光器122L。当外部光L21是非偏振光时，偏振分光器122L相对于外部光L21的透射率成为50％。透射了1/4波长板123L的外部光L21的大致一半会透射偏振分光器122L。因此，外部光L21透射合成器121L和偏振分光器122L而衰减到25％。即，入射到合成器121L的外部光L21的1/4入射到左眼EL。此外，将1/4波长板123L的透射率设为100％。

接下来，针对从前斜下方朝向左眼EL的外部光L41进行说明。外部光L41入射到作为下部窗的减光滤光器131L。减光滤光器131L使得所入射的光的25％透射，并吸收或反射剩余的75％进行。外部光L41的一部分透射减光滤光器131L，并入射到左眼EL。将透射了减光滤光器131L的外部光L41设为外部光L42。外部光L42不经由偏振分光器122L而入射到左眼EL。由此，从前斜下方朝向左眼EL的外部光L41的一部分被减光滤光器131L遮挡，一部分入射到左眼EL。通过将减光滤光器131L作为下部窗使用，能够确保前方下侧的视野。

在此，减光部130L由透射率为25％的减光滤光器131L构成。外部光L41通过减光部130L而衰减到25％。衰减到25％的外部光L42入射到左眼EL。因此，能够使经过了减光滤光器131L的景色的亮度与经过了合成器121L的景色的亮度一致。因此，用户能够适当视认外部的景色。

将合成器121L中的外部光L21的透射率设为Tc，将减光部130L中的外部光L41的透射率设为Tw，将偏振分光器122L中的外部光L21的透射率设为Tm。Tw优选为Tc以下。进而，Tw优选为Tm以下。由此，能够抑制前斜下方的景色与前方景色的亮度的差异。由于能够防止前斜下方的视野变得比前方的视野更明亮，因此用户能够视认自然的景色。能够提高头戴式显示器100的视认性。

通过决定Tw以使变为Tw＝Tc*Tm，能够使经由合成器121L视认的前方景色与经由减光部130L视认的前斜下方景色的亮度一致。由此，能够抑制由于视认方向引起的亮度差异，用户能够视认自然的景色。

如上所述，通过将减光部130L用作下部窗，能够将视野扩展到前斜下方，能够在开放感高的状态下使用头戴式显示器。能够抑制透射了合成器121L和偏振分光器122L的来自前方(+Z方向)的外部光L22与透射了减光部130L的来自前斜下方的外部光L42的亮度差异。用户能够适当视认外部的景色。进而，由于能够看到脚下周边，因此能够视认设置在用户前方的桌子等上的操作设备等。

在上述说明中，以Tw＝25％、Tc＝50％、Tm＝50％进行了说明，但这些透射率的值没有特别限定。例如，在将Tc的透射率设为40％的情况下，只要与之相应地降低Tw的透射率即可。具体而言，优选设为Tw＝20％(＝40％*50％)。

另外，对于合成器121L、偏振分光器122L、1/4波长板123L、减光滤光器131L等光学元件，可以在各元件的表面上施加防反射涂层。由此，能够抑制左眼用光学系统103L内杂散光。另外，通过使用吸收型ND滤光器作为减光滤光器131L，能够抑制左眼用光学系统103L内杂散光。

另外，1/4波长板123L配置在偏振分光器122L与合成器121L之间。能够抑制来自左眼用显示元件101L的显示光L11的损失。因此，能够将对比度高、明亮的显示图像重叠在前方的景色上。

实施方式2

使用图4，对实施方式2涉及的头戴式显示器100的左眼用光学系统103L进行说明。在实施方式2中，减光部130L的结构与实施方式1不同。减光部130L以外的结构与实施方式1相同，因此省略说明。例如，在图4中，显示光L11～L13与实施方式1相同，因此省略。减光部130L具备偏光片132L和减光滤光器133L。

作为偏光片132L，可以使用吸收型偏光板。偏光片132L的透射轴与纸面平行。在图4中，偏光片132L使得与纸面平行的偏振分量透射，并吸收与纸面正交的偏振分量。偏光片132L使P偏振光透射，并吸收S偏振光。此外，作为偏光片132L，也可以使用反射型偏光板。偏光片132L与XZ平面平行地配置。

偏光片132L例如是线栅偏光片或电介质膜的偏光片。偏光片132L不限于如图3所示与XZ平面平行地配置的结构。例如，偏光片132L可以以-Z侧变高且+Z侧变低的倾斜来配置。一般而言，线栅偏光片与电介质膜的偏光片相比，即使在所入射的光的入射角的倾斜度大的情况下也具有优异的偏光特性。优异的偏光特性是指，使得期望的方向的偏振光透射，并反射与其不同方向的偏振光。因此，在偏光片132L倾斜地配置的情况下，可以选择线栅偏光片作为偏光片132L。当偏光片132L倾斜地配置、且选择电介质膜的偏光片作为偏光片132L时，优选选择具有针对后述的不必要反射光L31的入射角而优化了的偏光特性的电介质膜的偏光片。

在偏光片132L之上(+Y侧)配置有减光滤光器133L。减光滤光器133L可以使用透射率为50％的ND滤光器。此外，在图4中，示出了在偏光片132L之上(+Y侧)层叠有减光滤光器133L的结构，但偏光片132L和减光滤光器133L的顺序也可以相反。例如，可以在减光滤光器133L之上(+Y侧)层叠有偏光片132L。减光滤光器133L和偏光片132L可以一体成形。

在外部光L41是非偏振光的情况下，由于外部光L41被认为P偏振分量和S偏振分量是大致相等的量，因此作为外部光L41的50％的分量的P偏振分量会通过偏光片132L。通过了偏光片132L的外部光L41会通过减光滤光器133L。由于减光滤光器133L的透射率为50％，因此减光部130L整体的透射率为25％(＝50％*50％)。因此，与实施方式1同样地，能够使前方的景色与前斜下方的景色的亮度一致。

针对在桌子或衣服等物体150上反射后向上方(+Y方向)前进的不必要反射光L31进行说明。不必要反射光L31入射到作为下部窗的减光部130L。偏光片132L的透射轴与第二方向平行。偏光片132L使P偏振光透射，并吸收S偏振光。因此，只有不必要反射光L31的P偏振分量会透射减光部130L。将透射了减光部130L的不必要反射光L31作为不必要反射光L32。

不必要反射光L31是由物体150反射的反射光，因此S偏振分量比P偏振分量多。因此，通过使用对S偏振分量进行吸收或反射的偏光片132L，可以有效地遮挡不必要反射光L31。即，通过以透射P偏振光的方式配置偏光片132L，能够适当地遮挡不必要反射光L31。

透射了对S偏振光分量进行吸收或反射的偏光片132L的不必要反射光L32会成为P偏振光。另外，如上所述，偏振分光器122L使P偏振光透射，反射S偏振光。因此，P偏振光的不必要反射光L32不会被偏振分光器122L向左眼EL的方向反射。由此，能够防止来自用户下方的不必要反射光L31与显示光L13、外部光L22重叠而被视认。因此，能够防止对比度的降低。

在专利文献1的第三方式中，由于使用衍射光栅，因此产生波长依赖性。因此，在专利文献1的第三方式中，来自下方的外部光中所含的特定波长的光可能与显示图像重叠。在本实施方式中，由于使用了无波长依赖性的偏光片，因此与专利文献1的第三方式相比，能够适当重叠外部光与显示光。

不必要反射光L32成为与纸面平行的直线偏振光。不必要反射光L32相对于偏振分光器122L，成为P偏振光。因此，几乎所有的不必要反射光L32会透射偏振分光器122L，并入射到左眼用显示元件101L。不必要反射光L32被左眼用显示元件101L的偏振膜1011L吸收。由此，能够防止不必要反射光L32在框架102内成为杂散光。能够防止来自偏振分光器122L的正下方(-Y侧)的不必要反射光L32与显示光L13重叠而被视认，并能够抑制影像质量的劣化。

根据本实施方式的结构，能够确保前斜下方的视野的同时，能够防止来自下方的不必要反射光L32与显示光L13重叠。因此，能够通过对比度高、明亮的显示光L13，得到高质量的显示图像。特别是在AR、MR中使用的光学式透视型的头戴式显示器中，重要的是得到与外部光同等程度的明亮且高对比度的显示图像。根据本实施方式的结构，能够得到明亮且高对比度的显示图像。能够适当地使外部光与显示光重叠。

实施方式3

使用图5，对实施方式3涉及的头戴式显示器100的左眼用光学系统103L进行说明。在实施方式3中，使用分光器125L来代替图3的偏振分光器122L。此外，1/4波长板123L被移除。关于这些以外的结构，由于与实施方式1相同，因此省略说明。

分光器125L与偏振状态无关地对光进行分离。例如，分光器125L是透射率Tm为50％、反射率为50％的半镜。即，入射到分光器125L的光的大致一半会透射，剩余的一半会反射。合成器121L的透射率Tc与实施方式1同样为50％。

针对在显示元件部101中产生的显示光L11进行说明。显示光L11是与纸面垂直的直线偏振光。来自显示元件部101的显示光L11的大致一半被分光器125L向合成器121L的方向反射。将被分光器125L反射的显示光L11的反射光设为显示光L12。显示光L12的大致一半被合成器121L反射。将被合成器121L反射的显示光L12的反射光设为显示光L13。显示光L13的大致一半会透射分光器125L。

针对来自前方(+Z方向)的外部光L21进行说明。外部光L21的大致一半会透射合成器121L。外部光L21的大致一半会透射分光器125L。因此，当外部光L21透射合成器121L和分光器125L时，外部光L21衰减到25％。将透射了合成器121L和分光器125L的外部光L21设为外部光L22。衰减到25％的外部光L22会入射到左眼EL。

针对来自前斜下方的外部光L41进行说明。与实施方式1同样地，减光部130L由透射率为25％的减光滤光器131L构成。外部光L41通过减光部130L，由此衰减到25％。衰减到25％的外部光L42会入射到左眼EL。能够使经由合成器121L视认的前方景色与经由减光部130L视认的前斜下方景色的亮度一致。由此，用户能够视认自然的景色。

在本实施方式的结构中，与使用偏振分离的实施方式1、2相比，不需要1/4波长板123L。因此，能够减少部件数量。

另外，在本实施方式3中，与实施方式2同样地，减光部130L可以具备偏光片132L和减光滤光器133L。在这种情况下，如果偏光片132L是吸收与纸面正交的直线偏振光的吸收型偏光板，则透射了分光器125L的显示光L11被偏光片132L吸收。因此，能够防止透射了分光器125L的显示光L11成为杂散光。

实施方式4

使用图6，对实施方式4涉及的头戴式显示器100的左眼用光学系统103L进行说明。在实施方式4中，合成器121L不是凹面半镜，而是平面半镜127L。并且，透镜单元126L配置在左眼用显示元件101L与分光器125L之间的光路中。此外，关于其他结构，由于与实施方式3相同，因此适当省略说明。例如，在图6中，由于来自左眼用显示元件101L的显示光L11～L13与实施方式3相同，因此省略图示。

透镜单元126L配置在分光器125L的正上方(+Y侧)。透镜单元126L使得来自左眼用显示元件101L的显示光折射。具体地，透镜单元126L是对左眼用显示元件101L的像进行放大和投影的放大透镜系统。因此，与上述的实施方式同样地，形成显示图像。

在本实施方式中，减光部130L设置成下部窗。因此，能够使外部光L22与外部光L42的亮度一致。在实施方式4中，与实施方式2同样地，减光部130L也可以由偏光片132L和减光滤光器133L构成。由此，能够得到与上述的实施方式所示的效果相同的效果。

实施方式5

使用图7，对实施方式5涉及的头戴式显示器100的左眼用光学系统103L进行说明。合成器121L的结构与实施方式1不同。此外，关于其他结构，由于与实施方式1相同，因此适当省略说明。例如，在图7中，由于来自左眼用显示元件101L的显示光L11～L13与实施方式1相同，因此省略图示。

配置在用户前方(+Z方向)的凹面半镜128L成为合成器121L。具体地，成为合成器121L的凹面半镜128L从偏振分光器122L的上端部在正面方向(+Z方向)上延伸的位置延伸到偏振分光器122L的上端部在下方向(-Y方向)上延伸的位置。即，凹面半镜128L配置在从来自左眼用显示元件101L的显示光L12所入射的部分到外部光L41所入射的部分为止。凹面半镜128L在偏振分光器122L的前方(+Z方向)的部分成为合成器121L。具体地，在凹面半镜128L中，显示光L11所入射的部分成为合成器121L。

进而，凹面半镜128L的一部分成为减光部130L。即，凹面半镜128L中位于偏振分光器122L的下方向(-Y方向)的部分成为减光部130L。另外，凹面半镜128L具有不仅作为合成器121L还作为下部窗而发挥作用的面积大小。

减光部130L由凹面半镜128L的一部分和偏光片132L构成。偏光片132L使P偏振光透射，并对S偏振光进行吸收。另外，在外部光L41为非偏振光的情况下，偏光片132L的透射率为50％。凹面半镜128L的透射率为50％。因此，减光部130L整体的透射率变为25％。外部光L41透射减光部130L而衰减到25％。衰减到25％的外部光L42入射到左眼EL。

外部光L21会透射作为合成器121L而发挥作用的凹面半镜128L。并且，透射了合成器121L的外部光L21会透射偏振分光器122L。因此，外部光L21通过合成器121L和偏振分光器122L而衰减到25％。衰减到25％的外部光L22会入射到左眼EL。因此，与实施方式1～4同样地，能够使前斜下方景色与前方的景色的亮度一致。

此外，偏光片132L的配置不限于图7所示的结构。例如，在图7中，偏光片132L配置在凹面半镜128L的上侧(+Y侧)、即在凹面半镜128L与偏振分光器122L之间，但也可以配置在凹面半镜128L的下侧(-Y侧)。另外，在图7中，偏光片132L具有沿着凹面半镜128L的曲面形状，但也可以是如图4所示的平板状偏光板。另外，可以使用透射率为50％的减光滤光器来代替偏光片132L。进而，也可以使用实施方式3等所示的分光器125L来代替偏振分光器122L。

此外，在实施方式1～5中，减光部130L的透射率Tw、合成器121L的透射率Tc、偏振分光器122L的透射率Tm、分光器125L的透射率Tm不限于上述的值。可以适当地将Tw、Tc、Tm设为任意的值。减光部130L的透射率Tw只要在合成器121L的透射率Tc以下即可。

Tw的值也可以不严格地与Tm和Tc乘积的值一致。即，只要以前斜下方景色的亮度与前方景色的亮度的差异变得不显眼的方式设定透射率即可。例如，Tw可以是Tc以下。另外，Tw为Tm以下即可。当将Tm和Tc乘积的值设为1时，Tw的值也可以在0.7～1的范围内。

实施方式6

使用图8，对实施方式6涉及的头戴式显示器100的左眼用光学系统103L进行说明。在实施方式6中，与实施方式1～5不同，采用单镜方式。即，在左眼EL与合成器121L之间未设置偏振分光器122L或分光器125L。另外，与实施方式5同样地，凹面半镜128L的一部分成为合成器121L，凹面半镜128L的一部分成为减光部130L。

左眼用显示元件101L的设置角度与实施方式1～5不同。左眼用显示元件101L被倾斜地配置。即，左眼用显示元件101L的显示面朝向下方(-Y方向)和前方(+Z方向)。来自左眼用显示元件101L的显示光L11在-Y方向和+Z方向上出射。凹面半镜128L配置在左眼用显示元件101L的下方(-Y方向)和前方(+Z方向)。凹面半镜128L配置在从显示光L11所入射的部分到外部光L41所入射的部分为止。凹面半镜128L使光的一半透射，反射剩余的一半。

因此，凹面半镜128L的一部分作为合成器121L而发挥作用。合成器121L朝向左眼EL反射来自左眼用显示元件101L的显示光L11。合成器121L是凹面镜，其对显示光L11进行反射，以使显示光L11朝向左眼EL聚光。将被合成器121L反射的显示光L11的反射光设为显示光L12。左眼用光学系统103L将来自左眼用显示元件101L的显示光L12引导到左眼EL。通过光学系统，能够在用户的前方(+Z方向)显示虚像。

另外，外部光L21会透射合成器121L，并入射到左眼EL。将透射了合成器121L的外部光L21设为外部光L22。合成器121L的透射率为50％。因此，外部光L21透射合成器121L而衰减到50％。然后，衰减到50％的外部光L22入射到左眼EL。由此，能够在前方(+Z方向)的景色上重叠显示图像。

减光部130L由凹面半镜128L的一部分构成。因此，减光部130L的透射率也为50％。外部光L41透射减光部130L而衰减到50％。将透射了减光部130L的外部光L41设为外部光L42。衰减到50％的外部光L42入射到左眼EL。合成器121L和减光部130L的透射率相等。因此，与实施方式1～5同样地，能够使前斜下方景色与前方的景色的亮度一致。用户能够适当地视认外部的景色。

此外，在图8中，减光部130L由凹面半镜128L构成，但如实施方式1等所示，也可以由减光滤光器构成减光部130L。即，能够由其他光学部件构成合成器121L和减光部130L。在这种情况下，作为减光部130L，能够使用反射率为50％的减光滤光器。或者，作为减光部130L，如实施方式2等那样，也可以使用偏光片132L。在这种情况下，减光部130L仅由偏光片132L构成。

实施方式7

使用图9、图10，对本实施方式涉及的头戴式显示器进行说明。图9是示意性示出头戴式显示器的光学系统的侧视图。图10是示意性示出头戴式显示器的光学系统的俯视图。在实施方式7中，相对于实施方式1的结构，追加了成为侧部窗的侧方偏光片141L及侧方偏光片141R。设置作为下部窗而发挥作用的偏光片124L、124R来代替减光部130L。

侧方偏光片141L和侧方偏光片141R以外的基本结构与实施方式1相同，因此省略说明。例如，偏光片124L、124R与偏光片132L、132R相同，使P偏振分量透射，并吸收S偏振分量。由于外部光和显示光与实施方式1、2相同，因此在图9和图10中省略了外部光和显示光。另外，在图10中，为了说明的明确化，省略了左眼用显示元件101L和右眼用显示元件101R。侧方偏光片141L和侧方偏光片141R与偏光片124L同样地，成为吸收型偏光板。当然，侧方偏光片141L和侧方偏光片141R不限于吸收型偏光板，也可以是反射型偏光板。

侧方偏光片141L配置在头戴式显示器100的左侧面中的、偏振分光器122L与偏光片124L之间的空间的左侧方(-X侧)。头戴式显示器100的左侧面是指，头戴式显示器100的左侧方(-X侧)的端面。即，侧方偏光片141L以构成头戴式显示器100主体的侧面的一部分的方式配置。具体地，侧方偏光片141L配置在比偏振分光器122L和偏光片124L更靠左侧(-X侧)。侧方偏光片141L使得与偏光片124L所透射的直线偏振光相同方向的直线偏振光透射。即，侧方偏光片141L使P偏振光透射，并吸收S偏振光。

在ZY平面视图中，侧方偏光片141L成为与偏振分光器122L的倾斜角度对应的三角形状的窗。当然，侧方偏光片141L的形状也可以是三角形以外的形状。侧方偏光片141L作为左侧(-X侧)的侧部窗而发挥作用。即，用户能够通过侧方偏光片141L而视认左侧(-X侧)的景色。用户能够在比合成器121L更靠左侧(-X侧)得到视野。

侧方偏光片141R配置在头戴式显示器100的右侧面中的、偏振分光器122R与偏光片124R之间的空间的右侧方(+X侧)。头戴式显示器100的右侧面是指，头戴式显示器100的右侧方(+X侧)的端面。即，侧方偏光片141R以构成头戴式显示器100主体的侧面的一部分的方式配置。具体而言，在比偏振分光器122R和偏光片124R更靠右侧(+X侧)的位置配置有侧方偏光片141R。侧方偏光片141R使得与偏光片124R所透射的直线偏振光相同方向的直线偏振光透射。即，侧方偏光片141R使P偏振光透射，并吸收S偏振光。

在ZY平面视图中，侧方偏光片141R成为与偏振分光器122L的倾斜角度对应的三角形状的窗。当然，侧方偏光片141R的形状也可以是三角形以外的形状。侧方偏光片141R作为右侧(+X侧)的侧部窗而发挥作用。即，用户能够经由侧方偏光片141R而视认右侧(+X侧)的景色。用户能够在比合成器121R更靠右侧(+X侧)得到视野。

偏光片124L和侧方偏光片141L可以是通过将一个偏光片弯折而成形，也可以成形为曲面形状。偏光片124R和侧方偏光片141R可以是通过将一个偏光片弯折而成形，也可以成形为曲面形状。头戴式显示器100不限于具有偏光片124L和偏光片124R的结构，可以仅具有偏光片124L，也可以仅具有偏光片124R。

通过在头戴式显示器100主体侧面的一部分区域中配置侧方偏光片141L、141R，能够在左右两侧得到宽广的视野。因此，能够适当重叠外部光与显示光的同时，进一步提高开放感。

另外，在本实施方式中，设置有作为用于得到斜下方的视野的下部窗而发挥作用的偏光片124L、124R，但也可以如实施方式1～6那样设置减光部130L、130R。

图3～图10是示出光学系统的一个例子的图，光学系统不限于图3～图10的结构。光学系统只要是能够将来自显示元件部101的显示光和外部光引导到左眼EL和右眼ER的光学系统即可。例如，作为合成器121L，能够使用平面镜的半镜。在这种情况下，只要在偏振分光器122L与左眼用显示元件101L之间配置用于将显示光聚光到左眼EL的透镜等即可。

以上，基于实施方式1～7具体说明了本发明人完成的发明，但本发明不限于上述实施方式，显然能够在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。此外，实施方式1～7能够适当组合。例如，也可以在实施方式7中设置减光部130L、130R。例如，在图9的结构中，也可以如实施方式2那样追加减光滤光器133L、133R。

本申请主张以2019年2月19日申请的日本申请特愿2019-27170、以及2019年2月19日申请的日本申请特愿2019-27171为基础的优先权，其公开的全部内容引用在本文中。

工业应用性

本实施方式能够应用于头戴式显示器。

符号说明

EL…左眼；

ER…右眼；

100…头戴式显示器；

101…显示元件部；

101L…左眼用显示元件；

101R…右眼用显示元件；

102…框架；

103L…左眼用光学系统；

103R…右眼用光学系统；

121L…合成器；

122L…偏振分光器；

123L…1/4波长板；

125L…分光器；

126L…透镜单元；

128L…凹面半镜；

130L…减光部；

131L…减光滤光器；

132L…偏光片；

133…减光滤光器；

141L…侧方偏光片。

Claims (7)

1.一种头戴式显示器，包括：

合成器，对显示光和外部光进行合成，所述显示光用于形成显示图像，所述外部光来自佩戴了头戴式显示器的用户的前方；以及

减光部，用于使来自比所述合成器更靠下方的外部光的一部分透射，具有所述合成器的透射率以下的透射率。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，还包括：

分光器，位于所述减光部的上方，且配置在所述合成器与所述用户的左眼及右眼之间，

所述分光器将所述显示光朝向所述合成器反射，并使得被所述合成器反射的所述显示光透射，

所述减光部的透射率是所述分光器的透射率以下。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中，

在将所述合成器中的透射率设为Tc、将所述减光部的透射率设为Tw、将所述分光器的透射率设为Tm的情况下，

所述减光部的透射率在Tw至预定值的范围内，其中，Tw满足Tw＝Tc*Tm。

4.根据权利要求2或3所述的头戴式显示器，其中，

所述分光器是根据偏振状态而使光透射或反射的偏振分光器，

在所述分光器与所述合成器之间设置有1/4波长板。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的头戴式显示器，其中，

所述减光部具有偏光片。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的头戴式显示器，其中，

所述减光部具有ND滤光器。

7.根据权利要求5所述的头戴式显示器，还包括：

侧方偏光片，以构成头戴式显示器主体的侧面的一部分的方式配置。

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