CN102385096A - 导光板以及具备该导光板的虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供提高了光利用效率的虚像显示装置用的导光板和装入有该导光板的虚像显示装置。从图像取出部23到光射出面OS的距离，关于反射单元23c的排列方向即Z方向在光路下游侧短于光路上游侧，所以能够减少由于以不入射到反射单元23c而通过图像取出部23和光射出面OS之间的方式传播使得无法向外部取出的图像光。即，能够使在导光板20内的全反射角大的图像光可靠地入射到图像取出部23，有效地从光射出面OS取出，所以能够提高在成像时的光利用效率。由此，能够提供明亮且高性能的虚像显示装置100。

Description

导光板以及具备该导光板的虚像显示装置
技术领域
本发明涉及安装在头部使用的头戴显示器等中使用的导光板和装入该导光板的虚像显示装置。
背景技术
近年来，作为像头戴显示器那样能够进行虚像的形成和观察的虚像显示装置，提出了各种通过导光板将来自显示元件的影像光引导至观察者的瞳孔的类型。作为这样的虚像显示装置用的导光板，已知使用全反射引导影像光，并且由相对于导光板的主面成预定角度而相互平行配置的多个部分反射面反射影像光而从导光板取出该影像光，由此使影像光到达观察者的视网膜(参照专利文献1、2)。设置于导光板的多个部分反射面例如可以是在截面锯齿状的部分形成反射层而得到的反射面(参照专利文献2的图5等)。
专利文献1：日本特表2003-536102号公报
专利文献2：日本特开2004-157520号公报
如上所述在截面锯齿状的部分形成有反射层的导光板，存在导光板内的全反射角为某程度以上大的光束不入射到反射层而通过导光板的情况，因此会产生不用于成像的光束，光的利用效率会降低。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供一种提高了光的利用效率的虚像显示装置用的导光板和装入该导光板的虚像显示装置。
为了解决上述问题，本发明的所涉及导光板具备：光入射部，将图像光取入内部；导光部，具有相对延伸的第一和第二全反射面，通过第一和第二全反射面的全反射引导从光入射部取入的图像光；图像取出部，包括在预定的排列方向排列、具有第一反射面和与第一反射面成预定角度的第二反射面而成的多个反射单元，在该反射单元中，通过由第一反射面反射由导光部引导的图像光并且通过第二反射面进一步反射在第一反射面反射后的图像光的光路的折弯，能够将图像光向外部取出；以及光射出部，具有将经过了图像取出部的图像光射出到外部的光射出面，图像取出部的反射单元的第一和第二反射面与光射出面的间隔在光入射部侧相对宽。在此，作为全反射，不仅包含所有的光在内面反射而传递的情况，还包含在满足全反射条件的面上施以镜覆盖层(mirror coat)、半透明的铝膜制的半反射镜膜而反射的情况等。
在上述导光板中，从构成图像取出部的反射单元的第一和第二反射面到光射出面的距离关于上述预定的排列方向在光入射部侧相对宽，所以从反射单元的第一和第二反射面到光射出面的距离在反光入射部侧相对窄，能够减少由于以不入射到构成图像取出部的反射单元而在图像取出部和光射出面之间通过的方式传播使得无法向外部取出的图像光。即，能够将导光板内的全反射角大的图像光多入射到图像取出部而从光射出部有效地的取出，所以能够提高在成像时的光利用率。
根据本发明的具体侧面，图像取出部中至少一个以上的反射单元的第一和第二反射面，与相比于所述至少一个以上的反射单元配置在光入射部侧的其他反射单元的第一和第二反射面比较，配置在接近光射出面的位置，使得将图像光多向光射出部侧反射。换言之，图像光的光路的通过宽度或导光宽度，在配置在反光入射部侧的所述至少一个以上的反射单元侧相对窄。在此情况下，通过在反光入射部侧接近光射出面的位置配置的反射单元，能够将导光板内的全反射角大的图像光朝向光射出面折弯，能够有效地回收导向导光板的图像光而用于成像。通过缩短从反射单元到光射出面的距离，能够提高将入射到反光入射部侧的反射单元的图像光集中在眼睛的方向的效果。
根据本发明的另一侧面，在图像取出部中配置在最靠反光入射部侧的反射单元的第一和第二反射面，比在图像取出部中配置在最靠光入射部侧的反射单元的第一和第二反射面，配置在更接近光射出面的位置。在此情况下，通过配置在最靠反光入射部侧的反射单元，能够将导光板内的全反射角大的图像光朝向光射出面延伸进而朝向眼睛弯曲，能够有效地回收在导光板引导的图像光并用于成像。
根据本发明的另一侧面，在图像取出部中关于预定的排列方向的反光入射部侧的部分区域中，反射单元的所述第一和第二反射面，越位于反光入射部侧越配置在接近光射出面的位置。在此情况下，能够可靠地使图像光入射到构成图像取出部的各反射单元的所述第一和第二反射面。
根据本发明的另一侧面，在图像取出部中比部分区域靠近光入射部侧的基本区域中，反射单元的第一和第二反射面被配置为将其与光射出面的间隔保持为一定。
根据本发明的另一侧面，部分区域中的反射单元的第一和第二反射面沿着从与第一全反射面平行的状态向预定的倾斜方向倾斜预定角度的倾斜平面配置。在此情况下，入射到沿倾斜平面配置的反射单元的图像光以比较均匀的状态朝向光射出部回收，用于成像。
根据本发明的另一侧面，部分区域中的反射单元的第一和第二反射面沿着从与第一全反射面平行的状态向预定的倾斜方向倾斜并且倾斜角变化的曲面配置。在此情况下，入射到沿曲面配置的反射单元的第一和第二反射面的图像光以错乱少的状态朝向光射出部回收并用于成像。
根据本发明的另一侧面，部分区域中的反射单元的第一和第二反射面沿着相对于第一全反射面的倾斜角在关于预定的排列方向的反光入射部侧变大的曲面配置。在此情况下，能够使图像光可靠地入射到沿曲面配置的各反射单元的第一和第二反射面。
根据本发明的另一侧面，图像取出部中反光入射部侧的至少一个反射单元的第一和第二反射面接近光射出面配置。在此情况下，能够有效地活用导向导光板的图像光。
根据本发明的另一侧面，图像取出部中光入射部侧的至少一个反射单元的第一和第二反射面接近第一全反射面配置。在此情况下，能够有效地活用导向导光板的图像光。
根据本发明的另一侧面，在各反射单元中，第一反射面相比于第二反射面与反光入射部侧相邻，在相对于导光部的第一全反射面大致正交的方向延伸。在此情况下，能够不浪费地反射向各反射单元的入射光而可靠地引导至位于光射出部前方的眼球。
为了解决上述问题，本发明的虚像显示装置具有(a)上述任一所述的导光板和(b)形成导向导光板的图像光动图像形成装置。在此情况下，通过使用上述任一所述的导光板，虚像显示装置能够防止亮度不均并且以高光利用效率射出虚像光。
附图说明
图1的(A)是表示第一实施方式所涉及的虚像显示装置的截面图，(B)和(C)是实施方式涉及的导光板的主视图和俯视图。
图2是说明导光板内的图像取出部的配置的截面图。
图3的(A)～(C)是用于对图像取出部中的图像光的光路进行说明的示意图。
图4的(A)、(B)是比较图像取出部设置的基本区域和部分区域中的光利用效率的图。
图5的(A)、(C)是说明由第一实施方式的虚像显示装置形成的像的二维亮度分布和截面亮度分布的图，(B)、(D)是说明由比较例的虚像显示装置形成的像的二维亮度分布和截面亮度分布的图。
图6的(A)～(C)是说明导光板的变形例的截面图。
图7是说明第二实施方式涉及的虚像显示装置的主要部分的截面图。
图8的(A)、(C)是说明由第二实施方式的虚像显示装置形成的像的二维亮度分布和截面亮度分布的图，(B)、(D)是说明由第一实施方式的虚像显示装置形成的像的二维亮度分布和截面亮度分布的图。
符号说明
10图像形成装置；11液晶装置；12准直透镜；20导光板；20a导光板本体部；21入射光弯曲部；22导光部；22a第一全反射面；22b第二全反射面；23图像取出部；23a第一反射面；23b第二反射面；23c反射单元；100虚像显示装置；A1、A2部分区域；AX光轴；CP曲面；EY眼；GL1、GL2、GL3图像光；IS光入射面；OA光轴；OS光射出面(光射出部)；PS棱镜部；TP倾斜平面
具体实施方式
第一实施方式
下面对本发明的第一实施方式所涉及的虚像显示装置用的导光板和装入导光板的虚像显示装置进行说明。
A.导光板和虚像显示装置的构造
图1的(A)所示的实施方式涉及的虚像显示装置100适用于头戴显示器，作为一组具备图像形成装置10、导光板20。图1的(A)对应于图1的(B)所示的导光板20的A-A截面。
虚像显示装置100使观察者识别基于虚像的图像光，并且使观察者以透视方式观察外界像。图像形成装置10和导光板20通常对应于观察者的右眼和左眼而各设置一组，左眼用和右眼用左右对称，所以在此仅示出左眼用，对右眼用省略图示。虚像显示装置100作为整体具有例如一般的眼镜的外观(未图示)。
图像形成装置10具备作为图像显示元件的液晶装置11和光束形成用的准直透镜12。液晶装置11将来自设置于背后的光源(未图示)的照明光进行空间调制，形成应该成为动图像等显示对象的图像光。准直透镜12使从液晶装置11上的各点射出的图像光成为平行状态的光束。准直透镜12的透镜材料可以设为玻璃或塑料的任一种。
如图1的(A)～(C)所示，本实施方式涉及的导光板20具备：导光板本体部20a、入射光弯曲部21、图像取出部23。导光板20将由图像形成装置10形成的图像光作为虚像光朝向观察者的眼EY射出，使之识别为图像。
导光板20的整体外观由与图中YZ面平行延伸的平板即导光板本体部20a形成。此外，导光板20的构造为：在长度方向的一端具有包括装入导光板本体部20a的多个微镜的图像取出部23，在长度方向的另一端具有在以扩张导光板本体部20a的方式形成的棱镜部PS所附带的入射光弯曲部21。
导光板本体部20a具有：作为光入射部的光入射面IS，其由光透过性树脂材料等形成，在平行于YZ面且与图像形成装置10相对的正面侧的平面上取入来自图像形成装置10的图像光；以及作为光射出部的光射出面OS，其用于使图像光朝向观察者的眼EY射出。导光板本体部20a作为设置于其一端的棱镜部PS的侧面，除了光入射面IS之外还具有矩形的斜面RS，在该斜面RS上以覆盖斜面RS的方式形成有镜层21a。在此，镜层21a通过与斜面RS合作，作为相对于光入射面IS倾斜的反射面即入射光弯曲部21发挥作用。另外，在导光板本体部20a的背面侧，以沿光射出面OS相对的方式形成有作为微细构造的图像取出部23。
作为与导光板本体部20a的光入射面IS相对并倾斜配置的镜层21a的入射光弯曲部21通过在导光板本体部20a的上述斜面RS上施以铝蒸镀等成膜而形成，作为反射入射光而将光路向接近大致垂直方向的预定方向弯曲的反射面发挥作用。即，入射光弯曲部21通过使从光入射面IS入射作为整体朝向+X方向的图像光以作为整体朝向少许偏向-X方向的+Z方向的方式弯曲，可靠地使图像光结合于导光板本体部20a内。
此外，导光板本体部20a具有导光部22，该导光部22用于从入口侧(即光入射部侧)的入射光弯曲部21向里侧(即反光入射部侧)的图像取出部23将经由入射光弯曲部21入射到内部的图像光导向图像取出部23。
导光部22具有将在入射光弯曲部21弯曲的图像光分别全反射的第一全反射面22a和第二全反射面22b，作为相当于平板状的导光板本体部20a的主面、且相互对向地相对于YZ面平行延伸的两个平面。在此，第一全反射面22a为位于距离图像形成装置10远的背面侧的面，第二全反射面22b为位于接近图像形成装置10的正面侧的面。此时，第二全反射面22b是与光入射面IS和光射出面OS共通的面部分。在入射光弯曲部21反射的图像光首先入射到第二全反射面22b而被全反射。然后，该图像光入射到第一全反射面22a而被全反射。以下通过重复该动作，图像光被导向导光板20的反光入射部侧即设置有图像取出部23的+Z侧。在此，用于导光板本体部20a的透明树脂材料是折射率n例如为1.5以上的高折射率材料。通过在导光板20使用折射率比较高的透明树脂材料，能够使得在导光板20内部容易引导图像光，且使导光板20内部的图像光的面角比较小。
与导光板本体部20a的光射出面OS相对配置的图像取出部23大致沿YZ面具有二维的展宽，但从图像取出部23到光射出面OS的距离如后面详述的那样不是一样的，在反光入射部侧短于光入射部侧。图像取出部23将经由导光部22的第一和第二全反射面22a、22b入射来的图像光以预定角度反射而向光射出面OS侧弯曲。在此，最初入射到图像取出部23的图像光是作为虚像光的取出对象。即，导向导光板本体部20a的图像光通过入射到图像取出部23仅一次，就向适当的方向弯曲而通过光射出面OS。
如图2所示，图像取出部23由排列成条纹状的多个细线状的反射单元23c构成。更具体而言，图像取出部23通过将在Y方向延伸的细长反射单元23c以预定的间距大致沿导光部22延伸的方向即Z方向周期排列多个而构成。即，Z方向成为反射单元23c的排列方向。
图像取出部23不完全一样，分成配置在光入射部侧的基本区域A1和配置在反光入射部侧的部分区域A2。基本区域A1是平坦的层状部分，接近于第一全反射面22a的延长平面平行延伸。此外，部分区域A2是平坦层状的部分，沿着以在反光入射部侧从第一全反射面22a的延长平面离开的方式倾斜的倾斜平面TP延伸。即，在基本区域A1，从构成图像取出部23的各反射单元23c到光射出面OS的距离与光轴OA延伸的Z方向的位置无关而保持相同。另一方面，在部分区域A2，从构成图像取出部23的各反射单元23c到光射出面OS的距离从光入射部侧即-Z侧的端部A21向反光入射部侧即+Z侧的端部A22逐渐变大。结果，在图像取出部23中配置在最反光入射部侧一端的反射单元23c比配置在最靠光入射部侧的一端的反射单元23c配置在更接近光射出面OS的位置。换言之，配置在最靠反光入射部侧的一端的反射单元23c和光射出面OS之间的间隔相对窄，配置在最靠光入射部侧的一端的反射单元23c和光射出面OS之间的间隔相对宽。在此，在图像取出部23中光路最下游或最上游侧的反射单元23c考虑为图像取出部23的有效区域。即，还存在如下情况：相比于图像取出部23的最靠+Z侧的反射单元23c，在-Z侧设置的若干反射单元23c在有效区域内处于最靠反光入射部侧。如上所述，设置部分区域A2而配置在最靠反光入射部侧一端的反射单元23c相对于光射出面OS配置在比较近的位置的情况下，如后面详述那样，能够减少在图像取出部23不弯曲而从其周边部23h向反光入射部侧漏出的光束。
部分区域A2的Z方向的宽度SW2在图示的例子中是图像取出部23的Z方向的整个宽度SW0的一半以下，也可以设为整个宽度SW0或接近该整个宽度SW0的值。此时，为实质上不存在基本区域A1的状态。此外，在配置部分区域A2的倾斜平面TP关于Z方向的倾斜角设为ε时，部分区域A2的纵深D2为D2＝SW2×tanε，设导光板本体部20a的X方向的厚度为D0时，SW2×tanε＜D0的关系成立。
B.图像光的光路
下面对图像光的光路进行详细说明。如图1的(A)所示，从液晶装置11的射出面11a上分别射出的图像光中图中虚线所示的从射出面11a的中央部分射出的成分设为图像光GL1，图中单点划线所示的从射出面11a的周边中纸面左侧(-Z侧)射出的成分设为图像光GL2，图中两点划线所示的从射出面11a的周边中纸面右侧(+Z侧)射出的成分设为图像光GL3。
经过准直透镜的各图像光GL1、GL2、GL3的主要成分从导光板20的光入射面IS分别入射后，在第一和第二全反射面22a、22b中以相互不同的角度反复全反射。具体而言，图像光GL1、GL2、GL3中，从液晶装置11的射出面11a的中央部分射出的图像光GL1作为平行光束在入射光弯曲部21反射后，以标准反射角θ0入射到导光部22的第二全反射面22b而被全反射。然后，图像光GL1在保持标准反射角θ0的状态下，在第一和第二全反射面22a、22b反复全反射。图像光GL1在第一和第二全反射面22a、22b被N次(N为自然数)全反射，入射到图像取出部23的中央部23k。图像光GL1在该中央部23k以预定的角度被反射，从光射出面OS向相对于包含该光射出面OS的YZ面垂直的光轴AX方向作为平行光束射出。从液晶装置11的射出面11a的一端侧(-Z侧)射出的图像光GL2作为平行光束在入射光弯曲部21反射后，以最大反射角θ+入射到导光部22的第二全反射面22b而被全反射。图像光GL2在第一和第二全反射面22a、22b中例如全反射N-M次(M为自然数)，在图像取出部23中最靠反光入射部侧(+Z侧)的周边部23m以预定的角度被反射，从光射出面OS向预定的角度方向作为平行光束射出。此时的射出方向为向入射光弯曲部21侧返回的方向，相对于+Z轴成钝角。从液晶装置11的射出面11a的另一端侧(+Z侧)射出的图像光GL3作为平行光束在入射光弯曲部21反射后，以最小反射角θ-入射到导光部22的第二全反射面22b而被全反射。图像光GL3在第一和第二全反射面22a、22b中例如全反射N+M次，在图像取出部23中最靠反光入射部侧(-Z侧)的周边部23h以预定的角度被反射，从光射出面OS向预定的角度方向作为平行光束射出。此时的射出方向为远离入射光弯曲部21侧的方向，相对于+Z轴成锐角。
在第一和第二全反射面22a、22b全反射的光反射效率非常高，所以如上所述即使在图像光GL1、GL2、GL3之间反射次数不同，也几乎不会由于这样的反射次数的差异产生亮度降低。此外，图像光GL1、GL2、GL3代表图像光的光束整体的一部分进行了说明，对于构成其他图像光的光束成分也与图像光GL等同样地被引导而从光射出面OS射出，所以对它们省略图示和说明。
C.图像取出部的构造和基于图像取出部的光路的弯曲
下面参照图3的(A)等对基于图像取出部23的图像光光路的弯曲进行详细说明。
图像取出部23通过在光入射部侧的基本区域A1和反光入射部侧的部分区域A2双方将在Y方向上延伸的细长反射单元23c以预定的节距PT在Z方向周期排列多个而构成。各反射单元23c具有配置在里侧即反光入射部侧的第一反射面23a和配置在入口侧即光入射部侧的第二反射面23b。在此，至少第二反射面23b是能够透过一部分光的部分反射面，能够使观察者透视观察外界像。此外，各反射单元23c通过相邻的第一和第二反射面23a、23b在XZ截面视图上呈V字或楔状。更具体而言，第一和第二反射面23a、23b相互成锐角，与作为整体的反射单元23c同样，以与平行于第一全反射面22a沿整体光路的Z方向垂直延伸的Y方向作为长度方向，以细长线状延伸。
反射单元23c的节距PT的具体数值范围为0.2mm以上，更优选为0.5mm～1.3mm。通过处于该范围，应该被取出的图像光能够在图像取出部23中不会受到衍射的影响且能够使反射单元23c的格子条纹对于观察者来说不显眼。
下面对构成反射单元23c的第一反射面23a和第二反射面23b的倾斜进行详细说明。
首先，在光入射部侧的基本区域A1，构成各反射单元23c的第一反射面23a沿相对于第一全反射面22a大致垂直的方向(X方向)延伸。此外，在该反射单元23c中，与第一反射面23a相邻的第二反射面23b在相对于第一反射面23a成预定角度(相对角度)α的方向延伸。在此，相对角度α考虑基于反射单元23c的图像光的取出效率来设定，在具体例中，例如为54.7°。
在反光入射部侧的部分区域A2，构成各反射单元23c的第一反射面23a也沿相对于第一全反射面22a大致垂直的方向(X方向)延伸。此外，在该反射单元23c，与第一反射面23a相邻的第二反射面23b与基本区域A1的反射单元23c同样，在相对于第一反射面23a成预定角度α(具体而言例如54.7°)的方向延伸。
在此，在部分区域A2中，在反光入射部侧反射单元23c以远离第一全反射面22a的方式倾斜配置，所以从反射单元23c的反射面23a、23b到第一全反射面22a的距离根据+Z方向的位置逐渐增加。因此，部分区域A2中的反射单元23c的情况下，第一反射面23a的长度d2比构成基本区域A1的反射单元23c的第一反射面23a的长度d1长补偿台阶的量。即，在部分区域A2中，第一反射面23a的面积相对变大。
下面对基于图像取出部23的图像光的光路的弯曲进行详细说明。在此，在图像光中示出入射到图像取出部23的两端侧的图像光GL2和图像光GL3，对于其他光路，与它们是同样的，所以省略图示等。
首先，如图3的(A)及其部分扩大图即图3的(B)所示，图像光中以全反射角度的最大反射角θ+引导的图像光GL2入射到在图像取出部23中在距离光入射面IS(参照图1的(A))最远的反光入射部侧即+Z侧的周边部23h配置的一个反射单元23c。图3(B)所示的反射单元23c中，图像光GL2最初在反光入射部侧即+Z侧的第一反射面23a反射，然后在光入射部侧即-Z侧的第二反射面23b反射。经过了该反射单元23c的图像光GL2不经过其他反射单元23c，从如图1的(A)等所示的光射出面OS射出。即，图像光GL2通过在图像取出部23仅通过一次，以所希望的角度弯曲，被取出到观察者侧。
此外，如图3的(A)及其部分扩大图即图3的(C)所示，以全反射角度的最小的反射角θ_引导的图像光GL3入射到在图像取出部23中在最接近光入射面IS(参照图1的(A))的光入射部侧即-Z侧的周边部23m配置的一个反射单元23c。在图3的(C)所示的反射单元23c中，图像光GL3与图3的(B)的图像光GL2的情况同样，最初在反光入射部侧即+Z侧的第一反射面23a反射，然后在光入射部侧即-Z侧的第二反射面23b反射。经过了该反射单元23c的图像光GL3不经过其他反射单元23c，通过在图像取出部23仅通过一次，以所希望的角度弯曲，被取出到观察者侧。
在此，如上述那样在第一和第二反射面23a、23b两个阶段的反射的情况下，如图3的(B)和图3的(C)所示，各图像光的入射时的方向和射出时的方向所成的角即弯曲角β都是β＝2(R-α)(R：直角)。即，弯曲角β是与相对于图像取出部23的入射角度即各图像光的全反射角度即θ0、θ+、θ-等值无关而恒定。由此，如上所述，使图像光中全反射角度比较大的成分在图像取出部23中+Z侧的周边部23h侧入射，使全反射角度比较小的成分在图像取出部23中-Z侧的周边部23m侧入射的情况下，也能够将图像光作为整体以聚集在观察者的眼EY的角度状态下高效地取出。因为是以这样的角度关系取出图像光的结构，所以导光板20能够使图像光在图像取出部23不是多次通过而是仅通过一次，能够损失少地将图像光作为虚像光取出。
在导光部22的形状和/或折射率、构成图像取出部23的反射单元23c的形状等的光学设计中，能够通过适当调整引导图像光GL2、GL3等的角度，使从光射出面OS射出的图像光作为以基本图像光GL1即光轴AX为中心整体保持对称性的状态的虚像光入射到观察者的眼EY。即，一端的图像光GL2相对于X方向或光轴AX的角度δ2和另一端的图像光GL3相对于X方向或光轴AX的角度δ3为大小大致相等且方向相反。图像光GL2、GL3的角度δ2、δ3相对于光射出面OS或第二全反射面22b接近比较垂直，以充分的透过率通过光射出面OS。此外，角度δ2和角度δ3需要严密地考虑通过光射出面OS或第二全反射面22b时的折射，相当于从图像形成装置10射出的图像光产生的虚像的面角。
在此，参照图3的(A)对反射单元23c的详细配置进行说明。在附图左侧即光入射部侧的基本区域A1中，反射单元23c的反射面23a、23b接近第一全反射面22a配置，结果最远离图2所示的光射出面OS。另一方面，在附图右侧即反光入射部侧的部分区域A2中，反射单元23c的反射面23a、23b以从第一全反射面22a逐渐远离的方式配置，结果在反光入射部侧逐渐接近图2所示的光射出面OS。在本说明书中，反射单元23c的反射面23a、23b与第一全反射面22a的间隔以各反射面23a、23b中图像光GL2、GL3入射的光路上的位置为基准在X方向上考虑。即，以具有楔形截面的反射单元23c中接近开口侧的部分关于X方向的位置为基准。在两反射面23a、23b中图像光GL2、GL3入射的X方向的位置不同的情况下，以两者的平均值进行考虑。同样，反射单元23c的反射面23a、23b与光射出面OS(参照图2)的间隔以各反射面23a、23b中图像光GL2、GL3入射的光路上的位置为基准在X方向上进行考虑。
如图4的(A)所示，入射到图像取出部23中的中央部23k的光束即图像光GL1入射到设置于基本区域A1的特定的多个反射单元23c，它们在反射单元23c折弯光路，以两全反射面22a、22b的法线NL大致平行的状态下通过光射出面OS。此时，具有光束宽度w1的图像光GL1通过在图像取出部23反射以光束宽度w1′的状态射出。在此情况下，反射单元23c的反射面23a、23b与光射出面OS的间隔相对宽。即，反射后的图像光GL1的光路关于X方向的通过宽度(X方向的导光宽度)接近于导光板本体部20a的厚度D0而相对宽。
此外，如图4的(B)所示，入射到图像取出部23中+Z侧的周边部23h的光束即图像光GL2入射到设置于基本区域A2的特定的多个反射单元23c，它们在反射单元23c折弯光路，以相对于两全反射面22a、22b的法线NL倾斜的状态下通过光射出面OS。此时，具有光束宽度w2的图像光GL2通过在图像取出部23反射以光束宽度w2′的状态射出。在此情况下，反射单元23c的反射面23a、23b与光射出面OS的间隔相对窄，朝向反光入射部侧逐渐变窄。即，反射后的图像光GL1的光路关于X方向的通过宽度(X方向的导光宽度)在反光入射部侧与导光板本体部20a的厚度D0相比逐渐变窄。
在上述中，中央部23k的反射单元23c存在的基本区域A1接近于第一全反射面22a的延长平面而平行延伸，周边部23h的反射单元23c存在的部分区域A2，以相对于第一全反射面22a的延长平面在反光入射部侧远离的方式倾斜延伸。即，部分区域A2以与第一全反射面22a的法线NL的方向(X方向)和各反射单元23c的排列方向(Z方向)双方垂直的方向即Y方向为旋转的轴向，从相对于第一全反射面22a平行的状态顺时针旋转倾斜角ε。结果以比较大的全反射角θ+传播的图像光GL2入射到部分区域A2的入射角θ+-ε接近以比较小的全反射角θ0传播的图像光GL1入射到基本区域A1的入射角θ0，图像光GL2的入射侧的光束宽度w2接近图像光GL1的入射侧的光束宽度w1。因此，图像光GL2的射出侧的光束宽度w2′也以与图像光GL1的出射侧的光束宽度w1′相当的程度变宽，能以高亮度观察图像。在部分区域A2不倾斜而与基本区域A1在同一平面上的情况下，图像光GL2的光束宽度w2比图像光GL1的光束宽度w1小很多，所以图像光GL2的出射侧的光束宽度w2′也比图像光GL1的出射侧的光束幅度w1′小很多，成为以低亮度观察图像而发生亮度不均的原因。
通过设置以从第一全反射面22a的延长平面在反光入射部侧远离的方式倾斜的部分区域A2，能够使在导光部22中传播的图像光GL2代表的全反射角大的图像光作为宽幅光束入射到光射出面OS侧而进行回收，能够提高聚集在观察者的眼EY的效果。由此，能够使全反射角大的图像光即在图像取出部23的反光入射部侧的部分反射而经由光射出面OS入射到观察者的眼EY的光束具有充分的亮度，能够使由虚像显示装置100形成的虚像的亮度关于位置具有高的均匀度。换言之，通过在反光入射部侧设置以接近光射出面OS的方式倾斜的部分区域A2，能够减少通过图像取出部23和光射出面OS之间而未用于虚像形成的图像光。即，能够减少引导至导光板本体部20a的内部但未通过图像取出部23在光射出面OS侧取出而向图像取出部23的反光入射部侧传播无法加以利用这样的光损失，所以能够提高图像取出部23特别是反光入射部侧的部分中的光利用效率，能够提高由虚像显示装置100形成的虚像的亮度的均匀度。
图5的(A)是说明由实施方式的虚像显示装置100形成的虚像型的图像光的二维亮度分布的图，图5的(B)是说明由比较例的虚像显示装置形成的虚像型的图像光的二维亮度分布的图。比较两图可知，在实施方式的虚像显示装置100的情况下大幅降低亮度不均的发生。比较例的虚像显示装置具有与实施方式的虚像显示装置100同样的构造，但在图像取出部23作为整体接近第一全反射面22a而平行延伸的方面不同。
图5的(C)是表示由实施方式的虚像显示装置100形成的图像光的沿光轴OA的Z方向的亮度分布的曲线图，图5的(D)是表示由比较例的虚像显示装置形成的图像光的沿光轴OA的Z方向的亮度分布的曲线图。比较两图可知，在实施方式的虚像显示装置100的情况下Z方向的亮度分布比较均匀。
D.导光板的制造方法
在此，参照图2简单说明导光板20的主要部分的制造方法。首先，用光透过性树脂材料一体形成应该成为导光部22和图像取出部23的基底等的母材部分。在母材部分形成与第一和第二反射面23a、23b的形状对应的锯齿状的表面。然后，在该母材部分的锯齿状的表面上通过铝蒸镀形成用于形成第一和第二反射面23a、23b的反射膜。然后，通过从反射膜上方涂敷紫外线硬化性树脂填埋凹部RE使其平坦化，照射紫外线使这样的紫外线硬化性树脂硬化。这样，制成在内部埋入有图像取出部23a的导光板20。
E.导光板的变形例
图6的(A)是说明第一变形例的导光板20的图，相当于图2。在此情况下，设置于部分区域A2的最靠光入射部侧的反射单元23c即其反射面23a、23b接近第一全反射面22a形成，设置于部分区域A2的最靠反光入射部侧的反射单元23c即其反射面23a、23b接近第一全反射面22b。即，配置有部分区域A2的倾斜平面TP的倾斜角ε最大。
图6的(B)是说明第二变形例的导光板20的图。在此情况下，部分区域A2沿相对于第一全反射面22a的延长平面的倾斜角向反光入射部侧变大的曲面CP延伸。即，图示的部分区域A2中，从构成图像取出部23的各反射单元23c即其反射面23a、23b到光射出面OS的距离从光入射部侧即-Z侧的端部A21向反光入射部侧即+Z侧的端部A22逐渐增加，其增加程度向反光入射部侧增加。此情况下，部分区域A2的光入射部侧的端部A21与基本区域A1的反光入射部侧的端部平滑连接。通过这样的导光板20，也能够减少未通过图像取出部23弯曲而向其反光入射部侧漏出的光束。
图6的(C)是说明第三变形例的导光板20的图。在此情况下，部分区域A2沿相对于第一全反射面22a的延长平面的倾斜角不同的两个倾斜平面TP1、TP2延伸。在图示的部分区域A2中，从构成图像取出部23的各反射单元23c即其反射面23a、23b到光射出面OS的距离也从光入射部侧即-Z侧的端部A21朝向反光入射部侧即+Z侧的端部A22逐渐增加。通过这样的导光板20，也能够减少未通过图像取出部23弯曲而向其反光入射部侧漏出的光束。部分区域A2不限于两个倾斜平面TP1、TP2而可以以沿着三个以上的倾斜平面折弯的方式延伸。
根据以上说明的本实施方式的导光板20，构成图像取出部23的反射单元23c的反射面23a、23b与光射出面OS的间隔关于反射单元23的排列方向即Z方向在反光入射部侧比在光入射部侧相对窄，所以能够减少由于不入射到反射单元23c而以通过图像取出部23和光射出面OS之间的方式传播从而无法取出到外部的图像光。即，能够使导光板20内的全反射角大的图像光可靠地入射到图像取出部23而从光射出面OS有效地取出，所以能够提高成像时的光利用效率。由此，能够提供明亮高性能的虚像显示装置100。
第二实施方式
下面通过图7等对将第一实施方式变形得到的第二实施方式进行说明。本实施方式涉及的导光板除了图像取出部的构造外具有与图2等所示的导光板20同样的构造，所以在图7中仅图示图像取出部及其周边，对导光板和虚像显示装置整体的构造省略图示和说明。图7所示的第二实施方式中，对于与图2等的导光板20相同的符号，只要不特别说明，则表示与在第一实施方式中说明的部件同等的部件。
在图7所示的第二实施方式的导光板20，部分区域A2具有相对于第一全反射面22a的延长平面平行延伸的多个分割区域B21、B22。各分割区域B21、B22接近于第一全反射面22a平行延伸，但从构成反光入射部侧的分割区域B22的反射单元23c的反射面23a、23b到光射出面OS的距离短于从构成光入射部侧的分割区域B21的反射单元23c的反射面23a、23b到光射出面OS的距离。结果从图像取出部23的反射单元23c的反射面23a、23b到光射出面OS的距离关于反射单元23c的排列方向即Z方向在反光入射部侧比在光入射部侧短。通过这样的导光板20，也能够减少不通过图像取出部23折弯而向其反光入射部侧漏出的光束。
图8的(A)是说明由第二实施方式的虚像显示装置100形成的图像光的二维亮度分布的图，图8的(B)是对应于图5的(A)说明第一实施方式的图像光的二维亮度分布的图。此外，图8的(C)是由第二实施方式的虚像显示装置100形成的图像光的沿光轴OA的Z方向的亮度分布的曲线图，图8的(D)是对应于图5的(C)表示第一实施方式的图像光的沿光轴OA的Z方向的亮度分布的曲线图。可知第二实施方式的虚像显示装置100的情况下，也能够与第一实施方式的虚像显示装置100相当的程度地减少亮度不均的发生。
以上说明的第二实施方式的导光板20在分割区域B21、B22间等形成台阶，所以与第一实施方式相比在亮度不均的方面不利，但正因为分割区域B21、B22与光射出面OS平行配置而调节台阶，所以导光板20的制造可以说比较简单。
其他
根据以上实施方式说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式，在不脱离其要旨的范围内能够在各种方式下实施，例如也可以进行如下变形。
首先，配置在图像取出部23中光入射部侧的基本区域A1不限于相对于第一全反射面22a的延长平面平行延伸，可以以从第一全反射面22a的延长平面在反光入射部侧少许离开的方式微小倾斜。
此外，上述说明中，与构成图像取出部23的特定的反射单元23c的反光入射部侧相邻的反射单元23c的反射面23a、23b与上述特定的反射单元23c的反射面23a、23b相比相对于光射出面OS为等距离或更接近。基本上优选这样的排列，但对于局部的一部分反射单元23c的反射面23a、23b，也可以是与更靠光入射部侧的特定的反射单元23c的反射面23a、23b相比从光射出面OS稍微离开的状态。
关于构成图像取出部23的反射单元23c的排列的节距PT，不限于在各第一反射面23a之间全部相同的情况，也包括各节距PT存在某种程度的差异的情况。
构成图像取出部23的反射单元23c的朝向不限于图示，可以使之围绕Y轴微小旋转来调整方向。此时，只要使所有反射单元23c的相对角度α一致，不需要使所有反射单元23c的朝向准确一致。
在上述说明中，作为图像显示元件，使用透过型的液晶装置11，但作为图像显示元件不限于透过型的液晶装置，也可以使用各种元件。例如，可以是使用反射型的液晶面板的结构，也可以代替液晶装置11使用数字微镜装置等。此外，也可以是使用LED阵列或OLED(有机EL)等为代表的自发光型元件的结构。此外，也可以是使用组合了激光光源和多角镜其他扫描器的激光扫描器的结构。在液晶装置11、其光源中，也能够考虑图像取出部23的光取出特性进行亮度模式的调整。
在上述说明中，虚像显示装置100对应于右眼和左眼双方而各具备一组图像形成装置10和导光板20，但也可以是仅对右眼或左眼的任一方设置图像形成装置10和导光板20而单眼识别图像的结构。
在上述说明中，对透视型的虚像显示装置进行了说明，但在没有必要观察外界像的情况下，可以将第一和第二反射面23a、23b双方的光反射率设为大致100％。
在上述说明中，将光入射面IS和光射出面OS配置在同一平面上，但不限于此，例如也可以将光入射面IS与第一全反射面22a配置在同一平面上，将光射出面OS与第二全反射面22b配置在同一平面上。
在上述说明中，对构成入射光弯曲部21的镜层21a和斜面RS的角度没有特别提及，但本发明可以根据用途和规格将镜层21等相对于光轴OA的角度设为各种值。
在上述说明中，反射单元23c形成的V字状的槽以前端尖锐的状态图示，但关于V字状的槽的形状，不限于此，也可以将前端切平或在前端进行倒角。
在上述说明中，以实施方式的虚像显示装置100为头戴显示器进行了具体说明，但实施方式的虚像显示装置100也可以改变为平视显示器。
在上述说明中，在第一和第二全反射面22a、22b，不在表面上施以镜、半反射镜等而通过与空气的界面使图像光全反射而进行引导，但关于本发明的全反射，也包含在第一和第二全反射面22a、22b上的整体或一部分形成镜覆盖层(mirror coat)、半反射膜进行的反射。例如，也包括如下情况：在图像光的入射角度满足全反射条件的基础上，在全反射面22a、22b的整体或一部分施以镜覆盖层等，实质上反射所有图像光。此外，如果能够得到充分亮度的图像光，则可以通过多少具有透过性的镜覆盖全反射面22a、22b的整体或一部分。

Claims (11)

1.一种导光板，具备：
光入射部，将图像光取入内部；
导光部，具有相对延伸的第一和第二全反射面，通过所述第一和第二全反射面的全反射引导从所述光入射部取入的所述图像光；
图像取出部，包括在预定的排列方向排列、具有第一反射面和与所述第一反射面成预定角度的第二反射面而成的多个反射单元，在该反射单元中，通过由所述第一反射面反射由所述导光部引导的所述图像光并且由所述第二反射面进一步反射在所述第一反射面反射后的所述图像光的光路的折弯，能够将所述图像光向外部取出；以及
光射出部，具有将经过了所述图像取出部的所述图像光射出到外部的光射出面，
所述图像取出部的所述反射单元的所述第一和第二反射面与所述光射出面的间隔在所述光入射部侧相对宽。
2.根据权利要求1所述的导光板，其中，
所述图像取出部中至少一个以上的反射单元的所述第一和第二反射面，与相比于所述至少一个以上的反射单元配置在所述光入射部侧的其他反射单元的所述第一和第二反射面比较，配置在接近所述光射出面的位置，使得将所述图像光多向所述光射出部侧反射。
3.根据权利要求1所述的导光板，其中，
在所述图像取出部中配置在最靠近反光入射部侧的反射单元的所述第一和第二反射面，比在所述图像取出部中配置在最靠近所述光入射部侧的反射单元的所述第一和第二反射面，配置在接近所述光射出面的位置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的导光板，其中，
在所述图像取出部中在关于所述预定的排列方向的反光入射部侧的部分区域中，所述反射单元的所述第一和第二反射面，越位于反光入射部侧越配置在接近所述光射出面的位置。
5.根据权利要求4所述的导光板，其中，
在所述图像取出部中比所述部分区域靠近所述光入射部侧的基本区域中，所述反射单元的所述第一和第二反射面被配置成其与所述光射出面的间隔保持为一定。
6.根据权利要求4或5所述的导光板，其中，
所述部分区域中的所述反射单元的所述第一和第二反射面沿着从与所述第一全反射面平行的状态向所述预定的倾斜方向倾斜预定角度的倾斜平面配置。
7.根据权利要求4或5所述的导光板，其中，
所述部分区域中的所述反射单元的所述第一和第二反射面沿着从与所述第一全反射面平行的状态向所述预定的倾斜方向倾斜并且倾斜角变化的曲面配置。
8.根据权利要求7所述的导光板，其中，
所述部分区域中的所述反射单元的所述第一和第二反射面沿着相对于所述第一全反射面的倾斜角在关于所述预定的排列方向的反光入射部侧变大的曲面配置。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的导光板，其中，
所述图像取出部中所述反光入射部侧的至少一个反射单元的所述第一和第二反射面接近所述光射出面配置。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的导光板，其中，
所述图像取出部中所述光入射部侧的至少一个反射单元的所述第一和第二反射面接近所述第一全反射面配置。
11.一种虚像显示装置，具备：
根据权利要求1～10中任一项所述的导光板；以及
形成导向所述导光板的所述图像光的图像形成装置。
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