JP2007010830A - Image display optical system and image display apparatus - Google Patents

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Yumiko Ouchi
由美子 大内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To moderately suppress the occurrence of a twin image while securing a wide viewing field angle and a wide exit pupil, regarding an image display optical system. <P>SOLUTION: The image display optical system includes; a substrate 1 to which a luminous flux from an image display element 2 is guided so as to form an optical path therein; and a plurality of parallel partial reflection surfaces 61 and 62 inserted into the optical path. The whole width δα of an angle difference between two or more continuous partial reflection surfaces 61 and 62 satisfies an inequality (1): δα×n<1. In the inequality (1), (n) denotes the refractive index of the substrate 1 and a unit of δα is a minute. When the inequality (1) is satisfied, viewing from an observation eye opposite to the partial reflection surface, the deviation δα×n of the twin image in the image display element is suppressed below as small as one pixel, then, the twin image becomes inconspicuous certainly. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、イメージコンバイナなどの画像表示光学系、及びヘッドマウントディスプレイ、アイグラスディスプレイなどの画像表示装置に関する。   The present invention relates to an image display optical system such as an image combiner, and an image display device such as a head mounted display and an eyeglass display.

画像表示素子の拡大虚像を外界の風景に重畳して表示するアイグラスディスプレイの1つに、視野角(FOV)や射出瞳の拡大を図ったものがある(特許文献1など)。
特許文献1の図26などに記載されているように、この技術では、複数の部分反射面(ハーフミラー)を透明基板内に互いに平行な姿勢で設け、それら部分反射面で反射した複数の光束の全体で1つの大きな射出瞳を形成する。このように部分反射面を複数枚設けると、導光される光束の角度範囲も拡大されるので、射出瞳と同時に視野角も拡大される。
特表2003−536102号公報
One eyeglass display that displays an enlarged virtual image of an image display element superimposed on the scenery of the outside world is one in which the viewing angle (FOV) and the exit pupil are enlarged (Patent Document 1, etc.).
As described in FIG. 26 of Patent Document 1, etc., in this technique, a plurality of light beams reflected by the partial reflection surfaces are provided with a plurality of partial reflection surfaces (half mirrors) provided in parallel in the transparent substrate. To form one large exit pupil. If a plurality of partial reflection surfaces are provided in this way, the angle range of the guided light beam is also enlarged, so that the viewing angle is also enlarged simultaneously with the exit pupil.
Special table 2003-536102 gazette

しかしながら、本発明者が実際に試作品を製作し、その射出瞳に観察眼を配置してみると、画像表示素子の拡大虚像が二重に見え、非常に煩わしいことがわかった。その原因は基板の製造誤差にあると考えられるが、その製造誤差を抑えるにしても、製作の容易性や製造コストの面まで考慮すると、二重像の直接の原因を突き止め、かつそれをどの範囲まで抑えるべきか見積もる必要がある。   However, when the inventor actually produced a prototype and placed the observation eye on the exit pupil, it was found that the magnified virtual image of the image display element looks double, which is very troublesome. The cause is thought to be the manufacturing error of the board, but even if the manufacturing error is suppressed, the direct cause of the double image can be determined and taken into consideration when considering the ease of manufacturing and manufacturing cost. It is necessary to estimate whether it should be suppressed to the range.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、広視野角・広射出瞳を確保しながら二重像の発生を適度に抑えることのできる画像表示光学系を提供することを目的とする。
また、本発明は、広視野角・広射出瞳でありながら二重像の発生が適度に抑えられた画像表示装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an image display optical system capable of moderately suppressing the generation of a double image while ensuring a wide viewing angle and a wide exit pupil. To do.
It is another object of the present invention to provide an image display apparatus that has a wide viewing angle and a wide exit pupil, and is capable of moderately suppressing the generation of double images.

本発明の画像表示光学系は、画像表示素子からの光束を導入して内部に光路を形成する基板と、前記光路中に挿入された複数の平行な部分反射面とを備えた画像表示光学系において、連続2枚以上の前記部分反射面の角度差の全幅δαは、下式(1)を満たすことを特徴とする。
δα*n<1 ・・・(1)
但し、「n」は前記基板の屈折率、「δα」の単位は分である。
An image display optical system according to the present invention includes a substrate on which a light beam from an image display element is introduced to form an optical path therein, and a plurality of parallel partial reflection surfaces inserted into the optical path. The total width δα of the angle difference between two or more continuous partial reflection surfaces satisfies the following expression (1).
δα * n <1 (1)
Where “n” is the refractive index of the substrate and “δα” is in minutes.

さらに、下式(2)で表される連続N枚以上の前記部分反射面の角度差の全幅δαが上式(1)を満たすとよい。
N=INT[2/(T*tanα2i)]+2 ・・・(2)
但し、「T」は前記基板の厚さ、「α2i」は前記部分反射面が前記基板の法線と成す角度の設計値、Aの関数INT[A]はAの整数部分である。
Furthermore, it is preferable that the total width δα of the angle difference between the N or more continuous reflection surfaces expressed by the following formula (2) satisfies the above formula (1).
N = INT [2 / (T * tanα 2i )] + 2 (2)
However, “T” is the thickness of the substrate, “α 2i ” is the design value of the angle formed by the partial reflection surface and the normal of the substrate, and the function INT [A] of A is an integer part of A.

さらに、前記角度差の全幅δαは、下式(3)を満たすとよい。
δα*<0.5 ・・・(3)
さらに、前記角度差の全幅δαは、下式(4)を満たすとよい。
δα*n<0.2 ・・・(4)
また、前記基板が、前記光束を内面反射しながら伝搬するものであるときには、前記角度差の全幅δα、前記内面反射に供される基板面の角度差δθが下式(5)を満たすとよい。
Furthermore, the total width δα of the angle difference may satisfy the following formula (3).
δα * <0.5 (3)
Furthermore, the total width δα of the angle difference may satisfy the following formula (4).
δα * n <0.2 (4)
When the substrate propagates while reflecting the light beam on the inner surface, the total width δα of the angle difference and the angle difference δθ of the substrate surface used for the inner surface reflection satisfy the following expression (5). .

(δα+δθ)*n<1 ・・・(5)
但し、「δθ」の単位は分である。
さらに、前記角度差の全幅δα、前記内面反射に供される基板面の角度差δθは、下式(6)を満たすとよい。
(δα+δθ)*n<0.5 ・・・(6)
さらに、前記角度差の全幅δα、前記内面反射に供される基板面の角度差δθは、下式(7)を満たすとよい。
(Δα + δθ) * n <1 (5)
However, the unit of “δθ” is minutes.
Further, the total width δα of the angle difference and the angle difference δθ of the substrate surface used for the internal reflection preferably satisfy the following expression (6).
(Δα + δθ) * n <0.5 (6)
Further, it is preferable that the total width δα of the angle difference and the angle difference δθ of the substrate surface used for the internal reflection satisfy the following expression (7).

(δα+δθ)*n<0.2 ・・・(7)
また、本発明の画像表示装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子からの光束を平行光束化するコリメータと、前記光束を導光する本発明の画像表示光学系とを備えたことを特徴とする。
また、本発明の画像表示装置においては、前記画像表示素子、前記コリメータ、及び前記画像表示光学系を所定の位置関係で観察者の頭部に装着する装着手段が更に備えられてもよい。
(Δα + δθ) * n <0.2 (7)
The image display device of the present invention includes an image display element, a collimator that converts a light beam from the image display element into a parallel light beam, and the image display optical system of the present invention that guides the light beam. And
The image display device of the present invention may further include mounting means for mounting the image display element, the collimator, and the image display optical system on the observer's head in a predetermined positional relationship.

本発明の画像表示光学系によれば、広視野角・広射出瞳を確保しながら二重像の発生を適度に抑えることができる。また、本発明の画像表示装置によれば、広視野角・広射出瞳でありながら二重像の発生が適度に抑えられる。   According to the image display optical system of the present invention, it is possible to moderately suppress the occurrence of double images while ensuring a wide viewing angle and a wide exit pupil. In addition, according to the image display device of the present invention, the generation of double images can be moderately suppressed while having a wide viewing angle and a wide exit pupil.

[本発明の原理]
図1を参照して本発明の原理を説明する。
図1(a)において、画像表示素子2から射出した表示光束は、コリメータレンズ4により平行光束化されてから基板1に入射する。この表示光束のうち、或る画角の或る光線L1は、基板1中を内面反射しながら伝播し、平行な部分反射ミラー61,62で反射後、光線L2’、L3’となって基板1の外部へ射出し、観察眼へ同時に入射する。
[Principle of the present invention]
The principle of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 1A, the display light beam emitted from the image display element 2 is collimated by the collimator lens 4 and then enters the substrate 1. Of this display light beam, a certain light ray L1 having a certain angle of view propagates while being internally reflected in the substrate 1 and is reflected by parallel partial reflection mirrors 61 and 62 to become light rays L2 ′ and L3 ′. 1 to the outside, and simultaneously enter the observation eye.

仮に、2光線L2’,L3’の角度が同じであれば、観察者からは、2光線L2’,L3’が同じ画角の光線に見える。一方、2光線L2’,L3’の角度がずれていると、観察者からは、2光線L2’,L3’が異なる画角の光線に見える。このとき、二重像が観察される。
この二重像の回避を単純に試みるならば、2光線L2’,L3’の角度を一致させるべく、部分反射ミラー61,62の角度差δαをゼロにすればよい。
If the angles of the two light beams L2 ′ and L3 ′ are the same, the observer sees the two light beams L2 ′ and L3 ′ as light beams having the same angle of view. On the other hand, if the angles of the two light beams L2 ′ and L3 ′ are shifted, the two light beams L2 ′ and L3 ′ appear as light beams having different angles of view to the observer. At this time, a double image is observed.
To simply avoid this double image, the angle difference δα between the partial reflection mirrors 61 and 62 may be made zero in order to make the angles of the two light beams L2 ′ and L3 ′ coincide.

しかし、本発明者は、少なくとも条件式(1)さえ満足すれば、二重像が確実に目立たなくなることを見出した。また、本発明者は、さらに望ましくは条件式(3)を満足すればよく、より好ましくは条件式(4)を満足すればよいことを見出した。
δα*n<1 ・・・(1)
δα*n<0.5 ・・・(3)
δα*n<0.2 ・・・(4)
但し、「n」は基板の屈折率である。
However, the present inventor has found that the double image is surely inconspicuous if at least conditional expression (1) is satisfied. Further, the present inventor has found that it is more preferable that the conditional expression (3) is satisfied, and more preferably, the conditional expression (4) is satisfied.
δα * n <1 (1)
δα * n <0.5 (3)
δα * n <0.2 (4)
Here, “n” is the refractive index of the substrate.

(条件式(1),(3),(4)の導出)
条件式(1),(3),(4)の導出過程は、以下のとおりである。
先ず、基板1に入射する表示光束のうち、k画素分だけ画角の異なる2光線の角度差をφとおくと、その角度差φ、画像表示素子2の画素ピッチp、コリメータレンズ4の焦点距離fの間には、下式(11)の関係が成り立つ。
(Derivation of conditional expressions (1), (3), (4))
The derivation process of conditional expressions (1), (3), and (4) is as follows.
First, when the angle difference between two light beams having different angles of view by k pixels in the display light beam incident on the substrate 1 is denoted by φ, the angle difference φ, the pixel pitch p of the image display element 2, and the focal point of the collimator lens 4. The relationship of the following formula (11) is established between the distances f.

k*p=f*tanφ ・・・(11)
また、その角度差φと、同じ2光線の基板内における角度差φnとの間には、スネルの法則より、下式(12)が成り立つ。
sinφ=n*sinφn ・・・(12)
また、アイグラスディスプレイなどに用いられる一般的な画像表示素子2では、その有効領域の一辺が数mm程度であり、その画素配列にはVGA又はQVGAが採用される。その場合、画像表示素子2の画素ピッチpは10μm程度である。また、コリメータレンズ4の焦点距離fは、画像表示素子2のサイズと観察者の観察画角とから、20mm前後とするのが一般的である。
k * p = f * tanφ (11)
Further, the following equation (12) is established between the angle difference φ and the angle difference φ n within the substrate of the same two rays by Snell's law.
sinφ = n * sinφ n (12)
Further, in a general image display element 2 used for an eyeglass display or the like, one side of the effective area is about several mm, and VGA or QVGA is adopted for the pixel arrangement. In that case, the pixel pitch p of the image display element 2 is about 10 μm. Further, the focal length f of the collimator lens 4 is generally about 20 mm from the size of the image display element 2 and the observation angle of view of the observer.

そこで、p=10μm,f=20mm,及びsinφ〜φ,sinφn〜φnの近似式を、上述した式(11),(12)に適用する。そして、角度差φ,φnの単位を[分]になおして式を簡単にすると、角度差φ,φnは、下式(13)のとおり表されることがわかる。
φ≒2k,
φn≒2k/n ・・・(13)
したがって、仮に、観察眼へ向かう2光線L2’,L3’の角度差がφnであるときには、それら2光線L2’,L3’は、観察者にとってk=(φn*n/2)画素分だけ画角のずれた光線に見える。つまり、このときに観察される二重像のずれ量は、(φn*n/2)画素分である。
Therefore, p = 10μm, f = 20mm , and Sinfai~fai, an approximate expression of sin [phi n to [phi] n, the above Expression (11) is applied to (12). Then, when the units of the angle differences φ and φ n are changed to [minutes] and the formula is simplified, it can be seen that the angle differences φ and φ n are expressed as the following formula (13).
φ ≒ 2k,
φ n ≒ 2k / n (13)
Therefore, if the angle difference between the two light beams L2 ′ and L3 ′ toward the observation eye is φ n , the two light beams L2 ′ and L3 ′ are equivalent to k = (φ n * n / 2) pixels for the observer. Only the light beam with the angle of view shifted appears. That is, the shift amount of the double image observed at this time is (φ n * n / 2) pixels.

但し、本発明者は、その二重像のずれ量(φn*n/2)が、観察者によって認識されない程度(許容範囲)であった場合、全く問題とならないと考えた。その許容範囲は、本発明者が実験したところ、1画素分以内であることがわかった。さらに望ましくは、0.5画素分以内、より好ましくは、0.2画素分以内であることがわかった。
したがって、二重像のずれ量(φn*n/2)を許容範囲(1画素分以内、0.5画素分以内、0.2画素分以内)に収めるための条件式は、下式(14),(15),(16)となる。
However, the present inventor considered that there was no problem at all when the shift amount (φ n * n / 2) of the double image was not recognized by the observer (allowable range). As a result of experiments conducted by the present inventor, the permissible range was found to be within one pixel. Further, it has been found that it is preferably within 0.5 pixels, more preferably within 0.2 pixels.
Accordingly, a conditional expression for keeping the double image shift amount (φ n * n / 2) within an allowable range (within 1 pixel, within 0.5 pixel, within 0.2 pixel) is as follows: 14), (15), and (16).

φn*n/2<1 ・・・(14)
φn*n/2<0.5 ・・・(15)
φn*n/2<0.2 ・・・(16)
さらに、2光線L2’,L3’の角度差φnは、部分反射ミラー61,62の角度差δαの2倍であり、φn=2*δαである。よって、式(14),(15),(16)から、上述した条件式(1),(3),(4)が導出されることは明白である。
φ n * n / 2 <1 (14)
φ n * n / 2 <0.5 (15)
φ n * n / 2 <0.2 (16)
Further, the angle difference φ n between the two light beams L2 ′ and L3 ′ is twice the angle difference δα between the partial reflection mirrors 61 and 62, and φ n = 2 * δα. Therefore, it is clear that the conditional expressions (1), (3), and (4) described above are derived from the expressions (14), (15), and (16).

(条件式(5),(6),(7)の導出)
ところで、図1(a)に示した2光線L2’,L3’は、画角が共通なだけでなく、基板1中の内面反射回数も共通であった。そのため、内面反射に供される2つの基板面A,A’の平行度は、2光線L2’,L3’の角度差φnに何ら影響しなかった。
しかし、実際には、図1(b)に示すように、画角が同じであっても内面反射回数の異なる2光線L2’,L3’が観察眼へ同時に入射する可能性もある。
(Derivation of conditional expressions (5), (6), (7))
Incidentally, the two light beams L2 ′ and L3 ′ shown in FIG. 1A have not only the same angle of view but also the same number of internal reflections in the substrate 1. Therefore, the parallelism between the two substrate surfaces A and A ′ used for the internal reflection has no influence on the angle difference φ n between the two light beams L2 ′ and L3 ′.
However, actually, as shown in FIG. 1B, even if the angle of view is the same, two light beams L2 ′ and L3 ′ having different numbers of internal reflections may enter the observation eye at the same time.

その場合、内面反射に供される面A,A’の平行度が2光線L2’,L3’の角度差φnに影響するので、二重像のずれ量を許容範囲に収めるための条件式は、厳しくなる。
具体的に、2光線L2’,L3’の間で内面反射回数が異なるときには、2光線L2’,L3’の角度差φnは、部分反射ミラー61,62の角度差δαと、内面反射に供される面A,A’の角度差δθとにより、φn=2*(δα+δθ)で表される。
In this case, since the parallelism of the surfaces A and A ′ used for the internal reflection affects the angle difference φ n between the two light beams L2 ′ and L3 ′, a conditional expression for keeping the shift amount of the double image within an allowable range. Will be tougher.
Specifically, 2 light L2 ', L3' when the internal reflection times between different, the angle difference phi n of 2 light L2 ', L3', and the angle difference δα partially reflecting mirror 61, the internal reflection The angle difference δθ between the provided surfaces A and A ′ is expressed by φ n = 2 * (δα + δθ).

したがって、この場合、二重像のずれ量を許容範囲(1画素分以内、0.5画素分以内、0.2画素分以内)に収めるための条件式は、下式(5),(6),(7)となる。
(δα+δθ)*n<1 ・・・(5)
(δα+δθ)*n<0.5 ・・・(6)
(δα+δθ)*n<0.2 ・・・(7)
なお、これらの条件式(5),(6),(7)が必要となるのは、図1(b)に示す2光線L2’,L3の間隔Dが、観察眼の瞳の直径(最大で2mm)よりも狭い場合である。その間隔Dが瞳の直径より狭いと、2光線L2’,L3’が瞳に同時に入射する可能性があるからである。
Therefore, in this case, the conditional expressions for keeping the double image shift amount within an allowable range (within 1 pixel, within 0.5 pixel, within 0.2 pixel) are the following expressions (5), (6 ), (7).
(Δα + δθ) * n <1 (5)
(Δα + δθ) * n <0.5 (6)
(Δα + δθ) * n <0.2 (7)
These conditional expressions (5), (6), and (7) are necessary because the distance D between the two light rays L2 ′ and L3 shown in FIG. And 2 mm). This is because if the distance D is narrower than the pupil diameter, the two light beams L2 ′ and L3 ′ may enter the pupil simultaneously.

一方、図1(b)に示す2光線L2’,L3’の間隔Dが、観察眼の瞳の直径(最大で2mm)より広い場合は、条件式(1),(3),(4)で十分である。その間隔Dが瞳の直径より広いと、2光線L2’,L3’が観察眼の瞳に同時に入射する可能性は無いからである。
(間隔Dの導出)
間隔Dを求める式(部分反射ミラーにおける表示光束の光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鋭角」の場合)を以下に説明する。
On the other hand, when the distance D between the two light rays L2 ′ and L3 ′ shown in FIG. 1B is wider than the diameter (up to 2 mm) of the pupil of the observation eye, the conditional expressions (1), (3), (4) Is enough. This is because if the distance D is wider than the diameter of the pupil, there is no possibility that the two light beams L2 ′ and L3 ′ will enter the pupil of the observation eye at the same time.
(Derivation of interval D)
The formula for obtaining the distance D (when the sum of the incident angle and the reflection angle of the light beam of the display light beam in the partial reflection mirror is “acute angle”) will be described below.

図2において、光線L2’,L3’は同じ画角の光線である。光線L2’は内面反射回数nの後に1枚目の部分反射ミラー61で反射したものであり、光線L3’は内面反射回数n+2の後に2枚目の部分反射ミラー62で反射したものである。
図2中の点Oを原点(0,0)とし、図2の左右方向をX方向とし、図2の上下方向をY方向とする。
In FIG. 2, light rays L2 ′ and L3 ′ are light rays having the same angle of view. The light beam L2 ′ is reflected by the first partial reflection mirror 61 after the internal reflection count n, and the light beam L3 ′ is reflected by the second partial reflection mirror 62 after the internal reflection count n + 2.
A point O in FIG. 2 is an origin (0, 0), a horizontal direction in FIG. 2 is an X direction, and a vertical direction in FIG. 2 is a Y direction.

このとき、2枚目の部分反射ミラー62を表す直線R1は、部分反射ミラー61,62の配置角度α21,α22の設計値α2iにより、下式(21)で表される。なお、ここでは、「配置角度」を「基板法線となす角度」の意味で使用する。
y=x/tanα2i ・・・(21)
また、光線L3’の発生元となった光線を表す直線R2は、基板1中の内面反射角度αT,部分反射ミラー1つ分のx方向の幅D2により、下式(22)で表される。
At this time, the straight line R1 representing the second partial reflection mirror 62 is expressed by the following equation (21) by the design values α 2i of the arrangement angles α 21 and α 22 of the partial reflection mirrors 61 and 62. Here, “placement angle” is used to mean “angle formed with the substrate normal”.
y = x / tan α 2i (21)
Further, the straight line R2 representing the light beam that is the generation source of the light beam L3 ′ is expressed by the following equation (22) by the inner surface reflection angle α T in the substrate 1 and the width D 2 in the x direction of one partial reflection mirror. Is done.

y=−x/tanαT+D2/tanαT ・・・(22)
このとき、直線R1と直線R2との交点Pのx座標Xpは、下式(23)で表される。
Xp=D2*tanα2i/(tanαT+tanα2i) ・・・(23)
また、光線L2’の発生元の座標を図2中の点O’とみなせば、下式(24)が成り立つ。
y = −x / tan α T + D 2 / tan α T (22)
At this time, the x coordinate Xp of the intersection P between the straight line R1 and the straight line R2 is expressed by the following expression (23).
Xp = D 2 * tan α 2i / (tan α T + tan α 2i ) (23)
Further, if the coordinates of the generation source of the light beam L2 ′ are regarded as a point O ′ in FIG. 2, the following expression (24) is established.

D=D2−Xp ・・・(24)
また、幅D2は、基板1の厚さT、部分反射ミラー61,62の配置角度の設計値α2iにより、下式(25)で表される。
2=T*tanα2i ・・・(25)
また、内面反射角度αTは、基板1内に入射した光線を最初に反射する導入ミラーBの配置角度α2によって、次式(26)で表される。
D = D 2 −Xp (24)
Further, the width D 2 is expressed by the following expression (25) by the thickness T of the substrate 1 and the design value α 2i of the arrangement angle of the partial reflection mirrors 61 and 62.
D 2 = T * tan α 2i (25)
Further, the inner surface reflection angle α T is expressed by the following equation (26) by the arrangement angle α 2 of the introduction mirror B that first reflects the light incident on the substrate 1.

αT=2*(90°−α2) ・・・(26)
また、以下の公式が成り立つ。
tan(90°−θ)=1/tanθ,
tan(2θ)=2*tanθ/[1−(tanθ)2] ・・・(27)
また、部分反射ミラー61,62における光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鋭角」であるときには、下式(28)が成り立つ。
α T = 2 * (90 ° −α 2 ) (26)
The following formula holds.
tan (90 ° −θ) = 1 / tan θ,
tan (2θ) = 2 * tan θ / [1- (tan θ) 2 ] (27)
Further, when the sum of the incident angle and the reflection angle of the light beam at the partial reflection mirrors 61 and 62 is an “acute angle”, the following expression (28) is established.

α2=α2i ・・・(28)
以上の式(23),(24),(25),(26),(27),(28)を整理すると、間隔Dは、式(29)のとおり表される。
D=2*T*tanα2i/[(tanα2i2+1] ・・・(29)
(部分反射ミラーの枚数等)
図1,図2では、部分反射ミラーの総枚数を「2」としたが、実際には「3以上」のこともある。その場合、観察眼の位置が変化しても二重像の低減効果が保たれるように、連続する2枚の部分反射ミラーの各々が上述した条件式を満たす必要がある。
α 2 = α 2i (28)
When the above formulas (23), (24), (25), (26), (27), and (28) are rearranged, the interval D is expressed as the formula (29).
D = 2 * T * tan α 2i / [(tan α 2i ) 2 +1] (29)
(Number of partial reflection mirrors, etc.)
In FIG. 1 and FIG. 2, the total number of partially reflecting mirrors is “2”, but in actuality it may be “3 or more”. In that case, each of the two continuous partial reflection mirrors must satisfy the above-described conditional expression so that the effect of reducing the double image is maintained even if the position of the observation eye changes.

また、部分反射ミラーの総枚数が「3以上」のときには、同じ画角の光線が、連続する2枚以上の部分反射ミラーから同時に観察眼の瞳に入射する可能性もある。その場合、連続する3枚以上の部分反射ミラーが、上述した条件式を同時に満たさなければならない。すなわち、連続する枚数N枚の部分反射ミラーの角度差の全幅δαが、上述した条件式を満たさなければならない。   In addition, when the total number of partial reflection mirrors is “3 or more”, there is a possibility that rays having the same angle of view may simultaneously enter the pupil of the observation eye from two or more consecutive partial reflection mirrors. In that case, three or more continuous partial reflection mirrors must simultaneously satisfy the above-described conditional expression. That is, the full width δα of the angle difference between N consecutive partial reflection mirrors must satisfy the above-described conditional expression.

ここで、条件式を同時に満たすべき部分反射ミラーの枚数Nは、下式(2)で表される。
N=INT[2/(T*tanα2i)]+2 ・・・(2)
但し、Aの関数INT[A]はAの整数部分である。この式(2)中の第1項は、中心画角の光線を観察者の瞳へ同時に入射させることのできる部分反射ミラーの枚数を示している。第2項は、中心画角についての式を周辺画角にまで拡張するための補正値である。
Here, the number N of partial reflection mirrors that should satisfy the conditional expression at the same time is expressed by the following expression (2).
N = INT [2 / (T * tanα 2i )] + 2 (2)
However, the function INT [A] of A is an integer part of A. The first term in the equation (2) indicates the number of partially reflecting mirrors that can simultaneously allow a light beam having a central field angle to enter the observer's pupil. The second term is a correction value for extending the formula for the central field angle to the peripheral field angle.

[第1実施形態]
図3、図4を参照して本発明の第1実施形態を説明する。本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。
図3は、本アイグラスディスプレイの外観図である。図3に示すように、本アイグラスディスプレイは、眼鏡フレームと同様の構造のフレームFに、画像導入ユニットUや画像表示用の基板1などを固定してなる。このアイグラスディスプレイがフレームFによって観察者の頭部に装着されると、基板1は観察眼Eの前面に配置され、画像導入ユニットUは、観察眼Eの視界を妨げない位置に配置される。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is an embodiment of an eyeglass display.
FIG. 3 is an external view of the present eyeglass display. As shown in FIG. 3, the present eyeglass display is formed by fixing an image introducing unit U, an image display substrate 1 and the like to a frame F having a structure similar to that of a spectacle frame. When this eyeglass display is mounted on the observer's head by the frame F, the substrate 1 is disposed in front of the observation eye E, and the image introduction unit U is disposed at a position that does not obstruct the visual field of the observation eye E. .

図4は、本アイグラスディスプレイの光学系部分の概略断面である。図4に示すように、光学系部分には、照明光学系3、画像表示素子2、コリメータレンズ4、基板1などが備えられる。このうち、照明光学系3、画像表示素子2、及びコリメータレンズ4が画像導入ユニットU内に収められる。観察眼Eの前に配置され、かつ画像表示素子2からの表示光束と外界からの外界光束とを重畳する光学部材(ここでは基板1)が、所謂「イメージコンバイナ」である。   FIG. 4 is a schematic cross section of the optical system portion of the present eyeglass display. As shown in FIG. 4, the optical system portion includes an illumination optical system 3, an image display element 2, a collimator lens 4, a substrate 1, and the like. Among these, the illumination optical system 3, the image display element 2, and the collimator lens 4 are housed in the image introduction unit U. The optical member (here, the substrate 1) that is arranged in front of the observation eye E and superimposes the display light beam from the image display element 2 and the external light beam from the outside is a so-called “image combiner”.

画像表示素子2は、例えば、透過型LCDである。その有効領域の一辺は数mm程度、その画素配列はVGA又はQVGA、画素ピッチpは、10μm程度である。照明光学系3は、例えば、LED及び拡散板を組み合わせた光学系である。また、コリメータレンズ4の焦点距離fは、20mm程度である。また、基板1は、ガラスやプラスチック等の可視光に対し透明な光学材料からなり、観察者側の面A’と反観察者側(外界側)の面Aとが平行な平行平板である。   The image display element 2 is, for example, a transmissive LCD. One side of the effective area is about several mm, the pixel arrangement is VGA or QVGA, and the pixel pitch p is about 10 μm. The illumination optical system 3 is, for example, an optical system that combines an LED and a diffusion plate. The focal length f of the collimator lens 4 is about 20 mm. The substrate 1 is made of an optical material that is transparent to visible light, such as glass or plastic, and is a parallel plate in which the surface A ′ on the observer side and the surface A on the counter-observer side (external side) are parallel.

基板1の内部には、全反射ミラーである導入ミラーBと、互いに平行な2つの部分反射ミラー61,62とが形成されている。このうち、導入ミラーBの形成箇所は、画像導入ユニットUに対向する位置付近であり、その姿勢は、基板1の面A,A’に対し所定角度だけ傾斜した姿勢である。また、部分反射ミラー61,62の形成箇所は、観察眼Eに対向する位置付近であり、その姿勢は、基板1の面A’,Aに対し所定角度だけ傾斜した姿勢である。   Inside the substrate 1, an introduction mirror B which is a total reflection mirror and two partial reflection mirrors 61 and 62 parallel to each other are formed. Among these, the formation position of the introduction mirror B is in the vicinity of the position facing the image introduction unit U, and the posture thereof is inclined by a predetermined angle with respect to the surfaces A and A ′ of the substrate 1. Further, the portions where the partial reflection mirrors 61 and 62 are formed are in the vicinity of the position facing the observation eye E, and the posture thereof is inclined by a predetermined angle with respect to the surfaces A ′ and A of the substrate 1.

以上のアイグラスディスプレイにおいて、画像表示素子2は、その背後から照明光学系3によって照明され、入射した光を空間変調して画像表示用の光束(表示光束)を生成する。その表示光束は、コリメータレンズ4において平行光束となり、基板1の面A’から基板1の内部に導かれる。なお、図4では、中心画角の表示光束のみ(基板1中では代表する1光線のみ)を示した。   In the above eyeglass display, the image display element 2 is illuminated from behind by the illumination optical system 3 and spatially modulates the incident light to generate a light beam for image display (display light beam). The display light beam becomes a parallel light beam in the collimator lens 4 and is guided into the substrate 1 from the surface A ′ of the substrate 1. In FIG. 4, only the display light beam having the central angle of view (only one representative light beam in the substrate 1) is shown.

基板1の内部に入射した表示光束は、導入ミラーBにて45°より小さい反射角度で反射した後、基板1の面A’に対しその臨界角度より大きい入射角度で入射し、全反射する。その後、表示光束は、基板1の面Aに対し同じ入射角度で入射し、全反射する。そして、表示光束は、基板1の面A’,Aにて内面反射を繰り返し、観察眼Eの方向へ伝播すると、部分反射ミラー61,62へ順に入射し、それらの反射作用を受ける。反射した表示光束は、面A’を透過して基板1の外部の所定領域EPへ入射する。   The display light beam incident on the inside of the substrate 1 is reflected by the introduction mirror B at a reflection angle smaller than 45 °, and then incident on the surface A ′ of the substrate 1 at an incident angle larger than the critical angle and totally reflected. Thereafter, the display light beam enters the surface A of the substrate 1 at the same incident angle and is totally reflected. Then, when the display light beam repeats internal reflection on the surfaces A ′ and A of the substrate 1 and propagates in the direction of the observation eye E, it sequentially enters the partial reflection mirrors 61 and 62 and receives the reflection action thereof. The reflected display light beam passes through the surface A ′ and enters the predetermined region EP outside the substrate 1.

そこへ入射する或る画角の表示光束は平行光束化されているので、その平行光束の各光線は、所定領域EPに対し共通の入射角度で入射する。また、各画角の表示光束は、その所定領域EPに対し所定の入射角度関係をもって入射する。
このような所定領域EPの何れかの箇所に観察眼Eの瞳が配置されると、観察者は、外界側の無限遠方に画像表示素子2の拡大虚像を観察することができる。つまり、この所定領域EPは、射出瞳として機能する。
Since the display light beam having a certain angle of view incident thereon is converted into a parallel light beam, each light beam of the parallel light beam is incident on the predetermined region EP at a common incident angle. In addition, the display light flux at each angle of view enters the predetermined area EP with a predetermined incident angle relationship.
When the pupil of the observation eye E is arranged at any location in such a predetermined area EP, the observer can observe the magnified virtual image of the image display element 2 at infinity on the outside world side. That is, the predetermined area EP functions as an exit pupil.

また、外界から基板1に到来する外界光束の少なくとも1部は、基板1や部分反射ミラー61,62を透過して射出瞳EPへ入射する。よって、観察者は前記拡大虚像と共に外界の風景を観察することができる。
特に、本アイグラスディスプレイでは部分反射ミラーが複数化されているので、その分だけ射出瞳EPが広く、また射出瞳EPに到達可能な表示光束の角度範囲(つまり視野角度)も広い。
In addition, at least a part of the external light flux that arrives at the substrate 1 from the outside world passes through the substrate 1 and the partial reflection mirrors 61 and 62 and enters the exit pupil EP. Therefore, the observer can observe the scenery of the outside world together with the magnified virtual image.
In particular, in the present eyeglass display, since a plurality of partial reflection mirrors are provided, the exit pupil EP is correspondingly wide, and the angle range (that is, the viewing angle) of the display light beam that can reach the exit pupil EP is wide.

ここで、本アイグラスディスプレイでは、図4に示すとおり、部分反射ミラー61,62の姿勢が、観察者側の面A’で反射した直後の表示光束を面A’の側へ反射するように設定されている。この場合、部分反射ミラー61,62における光線の入射角度と反射角度との和の角度は鋭角になり、部分反射ミラー61,62の配置角度α21,α22は前述のとおり導入ミラーBの配置角度α2と同じになる。 Here, in the present eyeglass display, as shown in FIG. 4, the posture of the partial reflection mirrors 61 and 62 reflects the display light beam immediately after being reflected by the surface A ′ on the viewer side toward the surface A ′. Is set. In this case, the sum of the incident angle and the reflection angle of the light rays in the partial reflection mirrors 61 and 62 is an acute angle, and the arrangement angles α 21 and α 22 of the partial reflection mirrors 61 and 62 are the arrangement of the introduction mirror B as described above. Same as angle α 2 .

この姿勢の部分反射ミラー61,62は、面A’で反射した直後の光線を反射する一方で、面Aで反射した直後の光線については透過する必要がある。
そこで、部分反射ミラー61,62には、角度依存性のある反射率特性が付与される。角度依存性があれば、角度の異なる2種類の光線の一方を所定の反射率で反射し、他方を略100%の透過率で透過することが可能である。このような角度依存性を持つ反射面には、可視域ビームスプリッタと同じ反射膜を適用することができる。その成膜には、真空蒸着法などの既知の成膜方法が適用可能である。
The partial reflection mirrors 61 and 62 in this posture reflect the light beam immediately after being reflected by the surface A ′, while transmitting the light beam immediately after being reflected by the surface A.
Therefore, the partial reflection mirrors 61 and 62 are given an angle-dependent reflectance characteristic. If there is angle dependency, it is possible to reflect one of two kinds of light beams having different angles with a predetermined reflectance and transmit the other with a transmittance of approximately 100%. The same reflecting film as that of the visible beam splitter can be applied to the reflecting surface having such an angle dependency. For the film formation, a known film formation method such as a vacuum evaporation method can be applied.

以上の本アイグラスディスプレイでは、式(29)で表される間隔Dが2mmより大きい場合には、条件式(1),(3),(4)の何れかが満たされれば、二重像のずれが確実に目立たなくなる。一方、式(29)で表される間隔Dが2mmより小さい場合には、条件式(5),(6),(7)の何れかが満たされれば、二重像のずれが確実に目立たくなる。   In the above eyeglass display, when the distance D represented by the equation (29) is larger than 2 mm, if any one of the conditional equations (1), (3), (4) is satisfied, a double image The deviation is definitely not noticeable. On the other hand, when the distance D represented by the equation (29) is smaller than 2 mm, the deviation of the double image is surely conspicuous if any of the conditional equations (5), (6), and (7) is satisfied. Become.

このうち、条件式(1)又は条件式(5)が満たされたときには、二重像のずれが1画素分未満に抑えられる。また、条件式(3)又は条件式(6)が満たされたときには、二重像のずれが0.5画素分未満に抑えられる。また、条件式(4)又は条件式(7)が満たされたときには、二重像のずれが0.2画素分未満に抑えられる。
これらの条件式により、本アイグラスディスプレイは、広視野角・広射出瞳を確保しながら二重像の発生を適度に抑えることができる。
Among these, when the conditional expression (1) or the conditional expression (5) is satisfied, the shift of the double image is suppressed to less than one pixel. Further, when the conditional expression (3) or the conditional expression (6) is satisfied, the shift of the double image is suppressed to less than 0.5 pixels. Further, when the conditional expression (4) or the conditional expression (7) is satisfied, the shift of the double image is suppressed to less than 0.2 pixels.
By these conditional expressions, this eyeglass display can moderately suppress the generation of double images while ensuring a wide viewing angle and a wide exit pupil.

なお、本アイグラスディスプレイには、画像表示素子2として透過型LCDが用いられたが、反射型LCDや、自発光型の素子などの他のタイプの画像表示素子が用いられてもよい。
また、本アイグラスディスプレイには、コリメータレンズ4が用いられたが、コリメータレンズ4の代わりに、コリメータレンズ4と同等の機能を持つ単数又は複数の光学面を、画像表示素子2から導入ミラーBまでの表示光束の光路の何れかの箇所に設けてもよい。
In this eyeglass display, a transmissive LCD is used as the image display element 2. However, other types of image display elements such as a reflective LCD and a self-luminous element may be used.
In addition, the collimator lens 4 is used in this eyeglass display, but instead of the collimator lens 4, one or a plurality of optical surfaces having functions equivalent to those of the collimator lens 4 are introduced from the image display element 2 to the mirror B. You may provide in any location of the optical path of the display light beam until.

また、図3では、基板1の輪郭が眼鏡レンズと同様に整えられているが、表示光束の光路が確保される限り、他の形状であってもよい。
また、図3,図4では、画像表示素子2の配置箇所が基板1の近傍となっているが、基板1から離れた適当な箇所とし、リレー光学系によって基板1の近傍まで導光してもよい。また、スキャン光学系を用いて同位置に空中画像を形成してもよい。
Further, in FIG. 3, the outline of the substrate 1 is arranged in the same manner as the spectacle lens, but may have other shapes as long as the optical path of the display light beam is secured.
3 and 4, the image display element 2 is disposed in the vicinity of the substrate 1. However, the image display element 2 is guided to the vicinity of the substrate 1 by a relay optical system at an appropriate position away from the substrate 1. Also good. Further, an aerial image may be formed at the same position using a scanning optical system.

また、図3,図4では、画像導入ユニットUの配置箇所が基板1の観察者側となっているが、基板1の外界側であってもよい。その場合、導入ミラーBの傾斜方向が反対になる。
また、図3,図4では、画像導入ユニットUの配置箇所が観察者の側頭部近傍となっているが、観察者の視界を妨げない箇所であれば、例えば、観察眼Eの眉毛の近傍(フレームFのフロント上部)などであってもよい。
3 and 4, the arrangement place of the image introduction unit U is on the observer side of the substrate 1, but it may be on the outside of the substrate 1. In that case, the direction of inclination of the introduction mirror B is reversed.
3 and 4, the arrangement place of the image introduction unit U is in the vicinity of the observer's temporal region. However, for example, the eyebrow of the observation eye E can be used as long as it does not interfere with the observer's field of view. It may be in the vicinity (upper front of the frame F).

(第1実施形態の第1実施例)
次に、第1実施例を説明する。
本実施例では、各パラメータを以下のように設定した。
・部分反射ミラー61の反射率/透過率:30%/70%,
・部分反射ミラー62の反射率/透過率:50%/50%,
・基板1の屈折率n:1.5168,
・基板1の厚さT:4.5mm,
・導入ミラーBの配置角度α2:65°,
・部分反射ミラーの配置角度の設計値α2i:65°,
・基板1中の内面反射角度αT:50°
このような本実施例では、部分反射ミラー61に入射する光線の光量を100%とすると、その30%が観察者の側へ射出され、残り70%は透過して部分反射ミラー62へ向かう。また、部分反射ミラー62に入射する光線の光量を70%とすると、その50%(つまり、70%×50%=35%)が観察者の側へ射出される。
(First example of the first embodiment)
Next, a first embodiment will be described.
In this example, each parameter was set as follows.
-Reflectivity / transmittance of the partial reflection mirror 61: 30% / 70%,
-Reflectivity / transmittance of the partial reflection mirror 62: 50% / 50%,
The refractive index n of the substrate 1 is 1.5168,
・ Thickness T of substrate 1: 4.5 mm,
-Arrangement angle α 2 of introduction mirror B: 65 °,
・ Design value α 2i of the arrangement angle of the partial reflection mirror: 65 °,
-Internal reflection angle α T in substrate 1: 50 °
In this embodiment, assuming that the amount of light incident on the partial reflection mirror 61 is 100%, 30% of the light is emitted to the observer side, and the remaining 70% is transmitted to the partial reflection mirror 62. Further, assuming that the amount of light incident on the partial reflection mirror 62 is 70%, 50% (that is, 70% × 50% = 35%) is emitted toward the viewer.

また、本実施例では、各パラメータを式(29)に当てはめると、間隔D=3.4mmであることがわかる。この間隔D=3.4mmは観察眼Eの瞳の直径(最大で2mm)よりも大きい。
よって、本実施例が満たすべき条件式は、条件式(1),(3),(4)の何れかでよい。
Further, in this embodiment, when each parameter is applied to the equation (29), it can be seen that the distance D = 3.4 mm. This distance D = 3.4 mm is larger than the diameter (up to 2 mm) of the pupil of the observation eye E.
Therefore, the conditional expression to be satisfied by the present embodiment may be any one of conditional expressions (1), (3), and (4).

また、本実施例では、部分反射ミラーの総枚数が「2」なので検討するまでもないが、試しに各パラメータを式(2)に当てはめてみると、条件式を同時に満たすべき部分反射ミラーの枚数N=2であることがわかる。
次に、本実施例の基板1の製造方法を説明する。
本製造方法では、図5に示すように、四角柱の部品11を製作する。部品11は、基板1のうち、部分反射ミラー61,62で挟まれた部分であり、部品11の面61’,62’が、部分反射ミラー61,62となるべき面である。
In this embodiment, since the total number of partial reflection mirrors is “2”, there is no need to consider it. However, when each parameter is applied to the equation (2) as a trial, the partial reflection mirrors that should satisfy the conditional equation at the same time are considered. It can be seen that the number of sheets N = 2.
Next, the manufacturing method of the board | substrate 1 of a present Example is demonstrated.
In this manufacturing method, as shown in FIG. 5, a quadrangular prism part 11 is manufactured. The component 11 is a portion of the substrate 1 sandwiched between the partial reflection mirrors 61 and 62, and the surfaces 61 ′ and 62 ′ of the component 11 are surfaces to be the partial reflection mirrors 61 and 62.

図6は、本製造方法の手順を示すフローチャートである。
ステップS11:部品11の面71,72を両面研磨機で研磨する。
ステップS12:部品11の面61’,62’を両面研磨機で研磨する。
ステップS13:部品11の面81,82を両面研磨機で研磨する。
ステップS14:部品11の面61’,62’に角度依存性のある反射膜を蒸着する(部分反射ミラー61,62)。
FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the manufacturing method.
Step S11: The surfaces 71 and 72 of the part 11 are polished by a double-side polishing machine.
Step S12: The surfaces 61 ′ and 62 ′ of the part 11 are polished by a double-side polishing machine.
Step S13: The surfaces 81 and 82 of the part 11 are polished by a double-side polishing machine.
Step S14: A reflective film having an angle dependency is deposited on the surfaces 61 ′ and 62 ′ of the component 11 (partial reflection mirrors 61 and 62).

ステップS15:部品11以外の各部品の必要な面を研磨する。
ステップS16:部品11以外の各部品の必要な面(導入ミラーBとなるべき面)に反射膜を蒸着する。
ステップS17:部品11と他の各部品とを接着剤で接合する。その接着剤には、各部品と同じ屈折率のものを使用する。
Step S15: A necessary surface of each part other than the part 11 is polished.
Step S16: A reflective film is deposited on a necessary surface of each component other than the component 11 (a surface to be the introduction mirror B).
Step S17: The part 11 and each other part are joined with an adhesive. The adhesive has the same refractive index as each component.

ステップS18:接合後の部品のうち、外界側の面A、観察者側の面A’となるべき面に反射防止膜を蒸着する。その蒸着前に、必要であればそれらの面を研磨する。
以上、本製造方法では、部品11の面61’,62’を両面研磨機で研磨する。その両面研磨機の平行度精度は非常に高いので、本実施例の試作品では、面61’,62’の偏角は、20秒程度に抑えられた。
Step S18: An antireflection film is vapor-deposited on the surface to be the surface A on the outside and the surface A ′ on the viewer side of the joined parts. Before the vapor deposition, those surfaces are polished if necessary.
As described above, in this manufacturing method, the surfaces 61 ′ and 62 ′ of the component 11 are polished by the double-side polishing machine. Since the parallelism accuracy of the double-side polishing machine is very high, the declination of the surfaces 61 ′ and 62 ′ is suppressed to about 20 seconds in the prototype of this example.

これらの面61’,62’の偏角をεとおくと、そこに形成された部分反射ミラー61,62の角度差δαは、δα=ε/(n−1)となる。本実施例では、屈折率n=1.5168なので、部分反射ミラー61,62の角度差δαは、δα=39秒=0.64分となる。このとき、二重像のずれ量(δα*n)=0.98となる。
したがって、本製造方法によると、条件式(1)が満たされ、二重像のずれ量は1画素分未満、具体的には0.98画素分にまで抑えられる。
When the declination angles of these surfaces 61 ′ and 62 ′ are ε, the angle difference δα between the partial reflection mirrors 61 and 62 formed thereon is δα = ε / (n−1). In this embodiment, since the refractive index n = 1.5168, the angle difference δα between the partial reflection mirrors 61 and 62 is δα = 39 seconds = 0.64 minutes. At this time, the shift amount of the double image (δα * n) = 0.98.
Therefore, according to this manufacturing method, the conditional expression (1) is satisfied, and the shift amount of the double image is suppressed to less than one pixel, specifically 0.98 pixels.

(第1実施形態の第2実施例)
次に、第2実施例を説明する。
本実施例では、各パラメータを以下のように設定した。第1実施例との相違点は、部分反射ミラー61,62の反射率及び基板1の厚さにある。
・部分反射ミラー61の反射率/透過率:30%/70%,
・部分反射ミラー62の反射率/透過率:30%/70%,
・基板1の屈折率n:1.5168
・基板1の厚さT:2.5mm,
・導入ミラーBの配置角度α2:65°,
・部分反射ミラーの配置角度の設計値α2i:65°,
・基板1中の内面反射角度αT:50°
このような本実施例では、部分反射ミラー61に入射する光線の光量を100%とすると、その30%が観察者の側へ射出され、残り70%は透過して部分反射ミラー62へ向かう。また、部分反射ミラー62に入射する光線の光量を70%とすると、その30%(つまり、70%×70%=21%)が観察者の側へ射出される。
(Second example of the first embodiment)
Next, a second embodiment will be described.
In this example, each parameter was set as follows. The difference from the first embodiment is the reflectance of the partial reflection mirrors 61 and 62 and the thickness of the substrate 1.
-Reflectivity / transmittance of the partial reflection mirror 61: 30% / 70%,
-Reflectivity / transmittance of the partial reflection mirror 62: 30% / 70%,
-Refractive index n of substrate 1: 1.5168
・ Thickness T of substrate 1: 2.5 mm
-Arrangement angle α 2 of introduction mirror B: 65 °,
・ Design value α 2i of the arrangement angle of the partial reflection mirror: 65 °,
-Internal reflection angle α T in substrate 1: 50 °
In this embodiment, assuming that the amount of light incident on the partial reflection mirror 61 is 100%, 30% of the light is emitted to the observer side, and the remaining 70% is transmitted to the partial reflection mirror 62. Further, assuming that the amount of light incident on the partial reflection mirror 62 is 70%, 30% (that is, 70% × 70% = 21%) is emitted to the observer side.

また、本実施例では、各パラメータを式(29)に当てはめると、間隔D=1.5mmであることがわかる。この間隔D=1.5mmは観察眼Eの瞳の直径(最大で2mm)よりも小さい。
よって、本実施例が満たすべき条件式は、条件式(5),(6),(7)の何れかである。
Further, in this example, when each parameter is applied to the equation (29), it can be seen that the distance D = 1.5 mm. This distance D = 1.5 mm is smaller than the diameter (up to 2 mm) of the pupil of the observation eye E.
Therefore, the conditional expression to be satisfied by the present embodiment is any one of conditional expressions (5), (6), and (7).

また、本実施例では、部分反射ミラーの総枚数が「2」なので検討するまでもないが、試しに各パラメータを式(2)に当てはめると、条件式を同時に満たすべき部分反射ミラーの枚数N=2であることがわかる。
次に、本実施例の基板1の製造方法を説明する。本製造方法でも、第1実施例の製造方法と同様、図5に示すような四角柱の部品11を製作する。
In this embodiment, since the total number of partial reflection mirrors is “2”, it is needless to consider. However, when each parameter is applied to the expression (2) as a trial, the number N of partial reflection mirrors that should satisfy the conditional expression at the same time. It can be seen that = 2.
Next, the manufacturing method of the board | substrate 1 of a present Example is demonstrated. In this manufacturing method as well, as in the manufacturing method of the first embodiment, a rectangular column part 11 as shown in FIG. 5 is manufactured.

図7は、本製造方法の手順を示すフローチャートである。
図7に示すとおり、本製造方法は、第1実施例の製造方法(図6参照)において、接合工程(ステップS17)と反射防止膜の蒸着工程(ステップS18)との間に仕上げ研磨工程(ステップS21)が挿入されたものである。この仕上げ研磨工程(ステップS21)では、基板1の面A,A’となるべき面を、両面研磨機で研磨する。
FIG. 7 is a flowchart showing the procedure of the manufacturing method.
As shown in FIG. 7, in the manufacturing method of the first embodiment (see FIG. 6), this manufacturing method is a finish polishing step (step S17) between the joining step (step S17) and the antireflection film deposition step (step S18). Step S21) is inserted. In this final polishing step (step S21), the surfaces to be the surfaces A and A ′ of the substrate 1 are polished by a double-side polishing machine.

本製造方法では、仕上げ研磨工程(ステップS21)が追加されたので、仕上げ研磨工程(ステップS21)における研磨代の分だけ、各部品の厚さを予め余分に確保したり、部分反射ミラー61,62の重複量(観察者側から見た重複量)を予め余分に確保しておく必要がある。
このように、本製造方法では、面A,A’を両面研磨機で両面研磨してから反射防止膜を蒸着する。その両面研磨機の平行度精度は非常に高いので、本実施例の試作品では、面A,A’の偏角は、5秒程度に抑えられた。また、面61’,62’の偏角も、5秒程度に抑えられた。
In the present manufacturing method, since the finish polishing step (step S21) is added, an extra thickness is secured in advance for each polishing allowance in the finish polishing step (step S21), or the partial reflection mirror 61, It is necessary to secure an extra amount of duplication 62 (the amount of duplication seen from the observer side) in advance.
As described above, in this manufacturing method, the surfaces A and A ′ are polished on both sides with a double-side polishing machine, and then the antireflection film is deposited. Since the parallelism accuracy of the double-side polishing machine is very high, in the prototype of this example, the deflection angles of the surfaces A and A ′ were suppressed to about 5 seconds. Further, the deflection angles of the surfaces 61 ′ and 62 ′ were also suppressed to about 5 seconds.

このとき、部分反射ミラー61,62の角度差δα=9.7秒=0.16分、面A,A’の角度差δθ=0.16分となる。よって、二重像のずれ量(δα+δθ)*n=0.49となる。
したがって、本製造方法によると、条件式(6)が満たされ、二重像のずれ量は0.5画素分未満、具体的には0.49画素分にまで抑えられる。
At this time, the angle difference δα between the partial reflection mirrors 61 and 62 is 9.7 seconds = 0.16 minutes, and the angle difference between the surfaces A and A ′ is δθ = 0.16 minutes. Therefore, the double image shift amount (δα + δθ) * n = 0.49.
Therefore, according to this manufacturing method, the conditional expression (6) is satisfied, and the shift amount of the double image is suppressed to less than 0.5 pixels, specifically, to 0.49 pixels.

なお、本実施例の製造方法は、第1実施例の基板1の製造にも適用可能である。第1実施例の製造方法では、各部品を接合するときに、各部品の精度によって基板1の面A,A’に段差や傾きを生ずる可能性があり、それが二重像を引き起こす可能性がゼロではないからである。
[第2実施形態]
図8、図9を参照して本発明の第2実施形態を説明する。本実施形態も、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第1実施形態のアイグラスディスプレイとの相違点のみ説明する。
Note that the manufacturing method of this embodiment can also be applied to the manufacture of the substrate 1 of the first embodiment. In the manufacturing method of the first embodiment, when joining each component, there is a possibility that a step or an inclination is generated on the surfaces A and A ′ of the substrate 1 depending on the accuracy of each component, which may cause a double image. This is because is not zero.
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This embodiment is also an embodiment of an eyeglass display. Here, only differences from the eyeglass display of the first embodiment will be described.

図8は、本アイグラスディスプレイの光学系部分の概略断面図である。図8に示すように、主な相違点は、部分反射ミラー91,92,・・・の姿勢及び総枚数にある。その姿勢は、外界側の面Aで反射した直後の表示光束を観察者側の面A’の側へ反射するような姿勢である。このとき、部分反射ミラー91,92,・・・における光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鈍角」になるので、部分反射ミラー91,92,・・・に必要な反射率の角度特性が、フレネル反射の特性に近づく。よって、部分反射ミラー91,92,・・・の反射膜の膜構成を単純化できるメリットがある。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the optical system portion of the present eyeglass display. As shown in FIG. 8, the main difference is in the posture and the total number of partial reflection mirrors 91, 92,. The posture is such that the display light beam immediately after being reflected by the surface A on the outside world is reflected toward the surface A ′ on the viewer side. At this time, the sum of the incident angle and the reflection angle of the light beams in the partial reflection mirrors 91, 92,... Becomes “obtuse angle”, so that the reflectance required for the partial reflection mirrors 91, 92,. The angle characteristic approaches that of Fresnel reflection. Therefore, there is an advantage that the film configuration of the reflection film of the partial reflection mirrors 91, 92,.

また、部分反射ミラー91,92,・・・における光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鈍角」なので、部分反射ミラー91,92,・・・の配置角度の設計値α2iは、導入ミラーBの配置角度α2の余角、すなわちα2i=90°−α2となる。
また、この姿勢の部分反射ミラー91,92,・・・を観察者から見ると、第1実施形態のそれよりも小さくなるので、部分反射ミラーの必要最低枚数Kは、第1実施形態の必要最低枚数よりも多い。
Further, since the sum angle of the incident angle and the reflection angle of the light beams in the partial reflection mirrors 91, 92,... Is “obtuse angle”, the design value α 2i of the arrangement angle of the partial reflection mirrors 91, 92 ,. The additional angle of the arrangement angle α 2 of the introduction mirror B, that is, α 2i = 90 ° −α 2 .
Further, when the partial reflection mirrors 91, 92,... In this posture are viewed from the observer, they are smaller than those in the first embodiment, so the minimum required number K of partial reflection mirrors is necessary for the first embodiment. More than the minimum number.

必要最低枚数Kとは、導入ミラーBが反射した表示光束を確実に導光するために必要な部分反射ミラーの最低枚数であり、下式(30)で与えられる。
K=INT[2*(tanα22] ・・・(30)
式(30)より、本アイグラスディスプレイにおいて、例えば、導入ミラーBの配置角度α2=65°に設定した場合、必要最低枚数K=9となる(因みに、第1実施形態では、必要最低枚数K=2であった。)。
The necessary minimum number K is the minimum number of partial reflection mirrors necessary for reliably guiding the display light beam reflected by the introduction mirror B, and is given by the following equation (30).
K = INT [2 * (tan α 2 ) 2 ] (30)
From Equation (30), in the present eyeglass display, for example, when the arrangement angle α 2 of the introduction mirror B is set to 65 °, the minimum required number K = 9 (in the first embodiment, the minimum required number) K = 2).

このため、本アイグラスディスプレイの部分反射ミラーの総枚数は、「9」に設定される。
ここで、本アイグラスディスプレイでは、部分反射ミラー91,92,・・・における表示光束の光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鈍角」なので、間隔Dは、上述した式(29)とは異なる式で表される。
Therefore, the total number of partial reflection mirrors of the present eyeglass display is set to “9”.
In this eyeglass display, the sum of the incident angle and the reflection angle of the light beam of the display light beam in the partial reflection mirrors 91, 92,... Is “obtuse angle”. ) And a different formula.

(間隔Dの導出)
間隔Dを求める式(部分反射ミラーにおける表示光束の光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鈍角」の場合)を以下に説明する。
図9において、光線L2’,L3’は同じ画角の光線である。光線L2’は内面反射回数nの後に或る部分反射ミラーで反射したものであり、光線L3’は、内面反射回数n+2の後に隣接する部分反射ミラーで反射したものである。
(Derivation of interval D)
The formula for obtaining the distance D (when the sum of the incident angle and the reflection angle of the light beam of the display light beam in the partial reflection mirror is “obtuse angle”) will be described below.
In FIG. 9, light rays L2 ′ and L3 ′ are light rays having the same angle of view. The light beam L2 ′ is reflected by a partial reflection mirror after the number of internal reflections n, and the light beam L3 ′ is reflected by an adjacent partial reflection mirror after the internal reflection frequency n + 2.

図9中の点Oを原点(0,0)とし、図9の左右方向をX方向とし、図9の上下方向をY方向とする。また、点Oを通り面A’へ向かう光線が横切る部分反射ミラーの枚数を、m(図9ではm=2)とする(点Oにある反射ミラーを含む。)。
このとき、前記隣接する部分反射ミラーを表す直線R1は、下式(21’)で表される。
A point O in FIG. 9 is an origin (0, 0), a horizontal direction in FIG. 9 is an X direction, and a vertical direction in FIG. 9 is a Y direction. Further, the number of partial reflection mirrors that a light ray passing through the point O and traveling toward the plane A ′ crosses is m (m = 2 in FIG. 9) (including the reflection mirror at the point O).
At this time, a straight line R1 representing the adjacent partial reflection mirror is represented by the following expression (21 ′).

y=x/tanα2i+D2*(m−1)/tanα2i ・・・(21’)
また、光線L3’の発生元となった光線を表す直線R2は、下式(22’)で表される。
y=x/tanαT ・・・(22’)
これら直線R1と直線R2との交点Pのx座標Xpは、下式(23’)で表される。
y = x / tan α 2i + D 2 * (m−1) / tan α 2i (21 ′)
Further, a straight line R2 representing the light beam that is the generation source of the light beam L3 ′ is represented by the following expression (22 ′).
y = x / tan α T (22 ′)
The x coordinate Xp of the intersection P between the straight line R1 and the straight line R2 is represented by the following expression (23 ′).

Xp=D2*(m−1)*tanαT/(tanα2i−tanαT)] ・・・(23’)
また、光線L2’の発生元を点Oとみなせば、下式(24’)が成り立つ。
D=|Xp| ・・・(24’)
また、式(25),(26)が成り立つ。
Xp = D 2 * (m−1) * tan α T / (tan α 2i −tan α T )] (23 ′)
Further, assuming that the generation source of the light ray L2 ′ is a point O, the following expression (24 ′) is established.
D = | Xp | (24 ′)
Further, equations (25) and (26) are established.

2=T*tanα2i ・・・(25)
αT=2*(90°−α2) ・・・(26)
また、部分反射ミラー91,92,・・・における表示光束の光線の入射角度と反射角度との和の角度が「鈍角」なので、下式(28’)が成り立つ。
α2=90°−α2i ・・・(28’)
以上の式(23’),(24’),(25),(26),(28’)を整理すると、間隔Dは、下式(29’)で表される。
D 2 = T * tan α 2i (25)
α T = 2 * (90 ° −α 2 ) (26)
Further, since the sum of the incident angle and the reflection angle of the light beam of the display light beam in the partial reflection mirrors 91, 92,... Is “obtuse angle”, the following expression (28 ′) is established.
α 2 = 90 ° −α 2i (28 ′)
When the above formulas (23 ′), (24 ′), (25), (26), and (28 ′) are arranged, the interval D is expressed by the following formula (29 ′).

D=2(m−1)*T*tanα2i/[(tanα2i2+1] ・・・(29’)
さらに、部分反射ミラーの枚数m(光線が横切る枚数)を、部分反射ミラーの枚数N(条件式を満たすべき枚数)に対し、m=N−1と見積もると、下式(29”)が得られる。
D=2(N−2)*T*tanα2i/[(tanα2i2+1] ・・・(29”)
(第2実施形態の実施例)
次に、実施例を説明する。
D = 2 (m−1) * T * tan α 2i / [(tan α 2i ) 2 +1] (29 ′)
Further, when the number m of partial reflection mirrors (the number of light beams traversed) is estimated as m = N−1 with respect to the number N of partial reflection mirrors (the number that should satisfy the conditional expression), the following expression (29 ″) is obtained. It is done.
D = 2 (N−2) * T * tan α 2i / [(tan α 2i ) 2 +1] (29 ″)
(Example of the second embodiment)
Next, examples will be described.

本実施例では、各パラメータを次のとおり設定した。
・基板1の屈折率n:1.5168,
・基板1の厚さT:3mm,
・導入ミラーBの配置角度α2:65°
・部分反射ミラーの配置角度の設計値α2i:25°,
・基板1中の内面反射角度αT:50°,
また、部分反射ミラー91,92,・・・に設定した反射特性は、図10に示すとおりである。図10において「表示光強度」は反射率を示し、「外界光強度」が透過率を示している。
In this example, each parameter was set as follows.
The refractive index n of the substrate 1 is 1.5168,
・ Thickness T of substrate 1: 3 mm,
-Arrangement angle α 2 of introduction mirror B: 65 °
・ Design value α 2i of the arrangement angle of the partial reflection mirror: 25 °,
-Internal reflection angle α T in substrate 1: 50 °,
Further, the reflection characteristics set for the partial reflection mirrors 91, 92,... Are as shown in FIG. In FIG. 10, “display light intensity” indicates reflectance, and “external light intensity” indicates transmittance.

このような本実施例では、各パラメータを式(29”)に当てはめると、間隔D=2.3mmであることがわかる。この間隔D=2.3mmは2mm(つまり観察眼Eの瞳の直径)よりも大きい。
よって、本実施例が満たすべき条件式は、条件式(2),(3),(4)の何れかでよい。
In this embodiment, when each parameter is applied to the equation (29 ″), it can be seen that the distance D = 2.3 mm. This distance D = 2.3 mm is 2 mm (that is, the diameter of the pupil of the observation eye E). Larger than).
Therefore, the conditional expression to be satisfied by the present embodiment may be any one of conditional expressions (2), (3), and (4).

また、本実施例では、各パラメータを式(2)に当てはめると、条件式を同時に満たすべき部分反射ミラーの枚数N=3であることがわかる。
次に、本実施例の基板1の製造方法を説明する。
本製造方法では、部分反射ミラーの総枚数が9なので、図11に示すように、8個の四角柱の部品21−1,21−2,21−3,・・・,21−8を製作する。部品の個数が多い点以外は、第1実施形態の第1実施例の製造方法(図6)と同じである。
Further, in this embodiment, when each parameter is applied to the expression (2), it can be seen that the number N of partial reflection mirrors that should satisfy the conditional expression is N = 3.
Next, the manufacturing method of the board | substrate 1 of a present Example is demonstrated.
In the present manufacturing method, since the total number of the partial reflection mirrors is 9, as shown in FIG. 11, eight square pole parts 21-1, 21-2, 21-3,..., 21-8 are manufactured. To do. Except for the large number of parts, this is the same as the manufacturing method (FIG. 6) of the first example of the first embodiment.

すなわち、8個の部品21−1,21−2,・・・,21−8の各接合面を両面研磨機でそれぞれ研磨し、部分反射ミラー91,92,・・・,99を形成すべき9つの接合面に反射膜を蒸着する。その蒸着面は、1つおきに配置される4個の部品21−1,21−3,21−5,21−7の各接合面91’,92’,93’,94’,95’,96’,97’,98’と、部品21−8の一方の接合面99’とである。   That is, the joint surfaces of the eight parts 21-1, 21-2,..., 21-8 should be polished by a double-side polishing machine to form the partial reflection mirrors 91, 92,. A reflective film is deposited on the nine joint surfaces. The vapor deposition surface is formed by joining each of the four parts 21-1, 21-3, 21-5, 21-7, which are arranged every other part, 91 ', 92', 93 ', 94', 95 ', 96 ', 97', 98 'and one joining surface 99' of the part 21-8.

その後、部品21−1,21−2,・・・,21−8と、予め用意された他の各部品とを所定の接着剤で接合する。さらに、接合後の部品のうち、外界側の面A,観察者側の面A’となるべき面の各々を必要に応じて研磨し、そこへ反射防止膜を蒸着すれば、基板1が完成する。
前述した両面研磨機の平行度精度は非常に高いので、本実施例の試作品では、部分反射ミラー91,92,・・・,99の配置角度α21,α22,・・・α29(実測値。単位は[°])は、図12のとおりであった。
After that, the parts 21-1, 21-2,..., 21-8 and other parts prepared in advance are joined with a predetermined adhesive. Further, among the parts after joining, the substrate 1 is completed by polishing each of the surfaces to be the outside surface A and the viewer side surface A ′ as necessary, and depositing an antireflection film thereon. To do.
Since the parallelism accuracy of the double-side polishing machine described above is very high, in the prototype of this embodiment, the arrangement angles α 21 , α 22 ,... Α 29 (partial reflection mirrors 91, 92,. The measured value (unit: [°]) was as shown in FIG.

本実施例ではN=3なので、連続する3枚の部分反射ミラー毎に角度差の全幅δαを算出した。図13には、算出した角度差の全幅δαと、それによって正規する二重像のずれ量(δα*n)とを示した。このずれ量(δα*n)は、角度差の全幅δαの単位を分に変換してから屈折率nを乗算したものである。
図13に明らかなとおり、二重像のずれ量(δα*n)は、何れもδα*n<0.2であり、条件式(4)を満たしている。したがって、本実施例によると、二重像のずれ量は0.2画素分未満に抑えられる。
In this embodiment, since N = 3, the full width δα of the angle difference is calculated for each of the three consecutive partial reflection mirrors. FIG. 13 shows the calculated full width of the angle difference δα and the normal double image shift amount (δα * n). This deviation amount (δα * n) is obtained by converting the unit of the full width δα of the angle difference into minutes and then multiplying by the refractive index n.
As is apparent from FIG. 13, the double image shift amount (δα * n) is δα * n <0.2, which satisfies the conditional expression (4). Therefore, according to the present embodiment, the shift amount of the double image is suppressed to less than 0.2 pixels.

(その他)
なお、本実施例では、第1実施形態の第1実施例と同様の製造方法(図6)が適用されたが、第1実施形態の第2実施例と同様の製造方法(図7)が適用されてもよい。
また、本実施例では、反射膜の蒸着面を、1つおきの部品21−1,21−3,21−5,21−7の両方の接合面としたが、図14に示すとおり、連続する部品21−1,21−2,21−3,21−4,21−5,21−6,21−7の各々の一方の接合面としてもよい。図14中の符号91’,92’,・・・,99’が蒸着面である。
(Other)
In this example, the same manufacturing method (FIG. 6) as the first example of the first embodiment was applied, but the same manufacturing method (FIG. 7) as the second example of the first embodiment was used. May be applied.
Further, in this example, the deposition surface of the reflective film is the joint surface of every other component 21-1, 21-3, 21-5, 21-7, but as shown in FIG. It is good also as one joining surface of each of the components 21-1, 21-2, 21-3, 21-4, 21-5, 21-6, 21-7 to perform. Reference numerals 91 ′, 92 ′,..., 99 ′ in FIG.

その場合、部品21−1,21−2,21−3,21−4,21−5,21−6,21−7,21−8の各々は、接合面とそれに隣接する面102との角度が同じになるよう高精度に製作される。そして、反射膜を蒸着後、部品21−1,21−2,21−3,21−4,21−5,21−6,21−7,21−8を接合する際には、各々の面102を共通の基準Sbに押し当てれば、各接合面の平行度が高くなるようにそれらを位置合わせすることができる。   In that case, each of the components 21-1, 21-2, 21-3, 21-4, 21-5, 21-6, 21-7, 21-8 is an angle between the joint surface and the surface 102 adjacent thereto. Are manufactured with high precision so that When the components 21-1, 21-2, 21-3, 21-4, 21-5, 21-6, 21-7, 21-8 are joined after the reflective film is deposited, the respective surfaces are joined. If 102 is pressed against the common reference Sb, they can be aligned so that the parallelism of each joint surface becomes high.

[その他]
以上の各実施形態では、外界と虚像とを同時に観察することのできるアイグラスディスプレイを説明したが、本発明は、外界を遮断したヘッドマウントディスプレイにも適用可能である。
また、本発明は、非装着型の画像表示装置にも適用することが可能である。非装着型の画像表示装置は、例えば、部分反射ミラーを多数設けた大画面ディスプレイである。
[Others]
In each of the above embodiments, an eyeglass display capable of simultaneously observing the outside world and a virtual image has been described. However, the present invention can also be applied to a head mounted display that blocks the outside world.
The present invention can also be applied to a non-wearing type image display device. The non-wearable image display device is, for example, a large screen display provided with a number of partial reflection mirrors.

また、本発明の画像表示光学系を、照明光学系として用いることも可能である。この照明光学系は、画像表示素子2の代わりに光源を配置し、画像表示光学系の射出瞳(図4の符号EP)を照明領域として使用するものである。この画像表示光学系によれば、照明領域の各位置を、所定の広がりを持った光束で照明することができる。   The image display optical system of the present invention can also be used as an illumination optical system. In this illumination optical system, a light source is arranged instead of the image display element 2 and the exit pupil (symbol EP in FIG. 4) of the image display optical system is used as an illumination area. According to this image display optical system, each position of the illumination area can be illuminated with a light beam having a predetermined spread.

本発明の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of this invention. 各パラメータを説明する図である。It is a figure explaining each parameter. 第1実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。It is an external view of the eyeglass display of 1st Embodiment. 第1実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the optical system part of the eyeglass display of 1st Embodiment. 第1実施形態の第1実施例の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the 1st example of a 1st embodiment. 第1実施形態の第1実施例の製造方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of 1st Example of 1st Embodiment. 第1実施形態の第2実施例の製造方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the manufacturing method of 2nd Example of 1st Embodiment. 第2実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the optical system part of the eyeglass display of 2nd Embodiment. 第2実施形態の各パラメータを説明する図である。It is a figure explaining each parameter of a 2nd embodiment. 第2実施形態の実施例の部分反射ミラーの反射特性を示す図である。It is a figure which shows the reflective characteristic of the partial reflection mirror of the Example of 2nd Embodiment. 第2実施形態の実施例の製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the Example of 2nd Embodiment. 第2実施形態の実施例の精度を示す図である。It is a figure which shows the precision of the Example of 2nd Embodiment. 第2実施形態の実施例の二重像のずれ量を示す図である。It is a figure which shows the deviation | shift amount of the double image of the Example of 2nd Embodiment. 第2実施形態の実施例の製造方法の変形例を説明する図である。It is a figure explaining the modification of the manufacturing method of the Example of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板,2:画像表示素子,3:照明光学系,4:コリメータレンズ,B:導入ミラー,61,62,91,92,・・・:部分反射ミラー,E:観察眼
1: substrate, 2: image display element, 3: illumination optical system, 4: collimator lens, B: introduction mirror, 61, 62, 91, 92, ...: partial reflection mirror, E: observation eye

Claims (9)

画像表示素子からの光束を導入して内部に光路を形成する基板と、
前記光路中に挿入された複数の平行な部分反射面と
を備えた画像表示光学系において、
連続2枚以上の前記部分反射面の角度差の全幅δαは、下式(1)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
δα*n<1 ・・・(1)
但し、「n」は前記基板の屈折率、「δα」の単位は分である。
A substrate for introducing a light beam from the image display element to form an optical path therein;
In an image display optical system comprising a plurality of parallel partial reflection surfaces inserted in the optical path,
The image display optical system characterized in that the total width δα of the angle difference between the two or more continuous partial reflection surfaces satisfies the following expression (1).
δα * n <1 (1)
Where “n” is the refractive index of the substrate and “δα” is in minutes.
請求項1に記載の画像表示光学系において、
下式(2)で表される連続N枚以上の前記部分反射面の角度差の全幅δαが上式(1)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
N=INT[2/(T*tanα2i)]+2 ・・・(2)
但し、「T」は前記基板の厚さ、「α2i」は前記部分反射面が前記基板の法線と成す角度の設計値、Aの関数INT[A]はAの整数部分である。
The image display optical system according to claim 1,
An image display optical system characterized in that the total width δα of the angle difference between the N or more continuous reflecting surfaces represented by the following formula (2) satisfies the above formula (1).
N = INT [2 / (T * tanα 2i )] + 2 (2)
However, “T” is the thickness of the substrate, “α 2i ” is the design value of the angle formed by the partial reflection surface and the normal of the substrate, and the function INT [A] of A is an integer part of A.
請求項1又は請求項2に記載の画像表示光学系において、
前記角度差の全幅δαは、下式(3)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
δα*n<0.5 ・・・(3)
In the image display optical system according to claim 1 or 2,
The image display optical system characterized in that the full width δα of the angle difference satisfies the following expression (3).
δα * n <0.5 (3)
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の画像表示光学系において、
前記角度差の全幅δαは、下式(4)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
δα*n<0.2 ・・・(4)
In the image display optical system according to any one of claims 1 to 3,
The image display optical system characterized in that the full width δα of the angle difference satisfies the following expression (4).
δα * n <0.2 (4)
請求項1に記載の画像表示光学系において、
前記基板は、前記光束を内面反射しながら伝搬するものであり、
前記角度差の全幅δα、前記内面反射に供される基板面の角度差δθは、下式(5)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
(δα+δθ)*n<1 ・・・(5)
但し、「δθ」の単位は分である。
The image display optical system according to claim 1,
The substrate propagates while internally reflecting the light beam,
The image display optical system characterized in that the total width δα of the angle difference and the angle difference δθ of the substrate surface used for the internal reflection satisfy the following expression (5).
(Δα + δθ) * n <1 (5)
However, the unit of “δθ” is minutes.
請求項5に記載の画像表示光学系において、
前記角度差の全幅δα、前記内面反射に供される基板面の角度差δθは、下式(6)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
(δα+δθ)*n<0.5 ・・・(6)
In the image display optical system according to claim 5,
The image display optical system characterized in that the total width δα of the angle difference and the angle difference δθ of the substrate surface used for the internal reflection satisfy the following expression (6).
(Δα + δθ) * n <0.5 (6)
請求項5又は請求項6に記載の画像表示光学系において、
前記角度差の全幅δα、前記内面反射に供される基板面の角度差δθは、下式(7)を満たすことを特徴とする画像表示光学系。
(δα+δθ)*n<0.2 ・・・(7)
In the image display optical system according to claim 5 or 6,
The image display optical system characterized in that the total width δα of the angle difference and the angle difference δθ of the substrate surface used for the internal reflection satisfy the following expression (7).
(Δα + δθ) * n <0.2 (7)
画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光束を平行光束化するコリメータと、
前記光束を導光する請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の画像表示光学系と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
An image display element;
A collimator for converting the light beam from the image display element into a parallel light beam;
An image display device comprising: the image display optical system according to claim 1 that guides the light flux.
請求項8に記載の画像表示装置において、
前記画像表示素子、前記コリメータ、及び前記画像表示光学系を所定の位置関係で観察者の頭部に装着する装着手段を更に備えた
ことを特徴とする画像表示装置。

The image display device according to claim 8,
An image display apparatus, further comprising: a mounting unit that mounts the image display element, the collimator, and the image display optical system on a viewer's head in a predetermined positional relationship.

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