CN102455461A - 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

本发明提供了能够抑制图像的分辨率降低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。各反射单元(23c)的尺寸在图像取出部(23)内沿Z方向变化，使得与导光部的全反射角度的状态关联。由此，在所有反射单元(23c)，能够充分确保入射的图像光的有效光束宽度。因此，能够避免在反射单元(23c)的反射引起的图像光的劣化，其结果是，能够抑制射出的虚像光引起的图像的分辨率降低。

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
如上所述从形成了平行的多个部分反射面的导光板取出光束的情况下，关于各光束，由于导光板内的全反射角度的不同，按沿导光板的导光方向配置的每个部分反射面取出的光束的宽度产生差异，所以存在图像的分辨率局部降低的可能性。
发明内容
于是，本发明的目的在于提供能够抑制分辨率的局部降低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。
为了解决上述课题，本发明的导光板具备：(a)光入射部，将图像光取入内部；(b)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；(c)图像取出部，具有在预定的排列方向排列的多个反射单元，能够将经由导光部入射的图像光通过在多个反射单元的光路的弯曲向外部取出；以及(d)光射出部，将经过了图像取出部的所述图像光射出到外部，(e)多个反射单元的反射面形状根据在所述多个反射单元弯曲的图像光在导光部的全反射角度的大小，在图像取出部内沿着预定的排列方向变化，以抑制图像光的分辨率降低。在此，全反射不仅包含所有光在内面反射传递的情况，还包括在满足全反射条件的面上实施镜覆盖层(mirror coat)、半透过的铝膜形成的半反射膜进行反射的情况等。此外，光射出部是指将在图像取出部使光路弯曲的图像光射出到导光板的外部的光射出面或包括该光射出面的部分。此外，关于多个反射单元的反射面形状的变化，例如包含在多个反射单元之间尺寸不同。
在上述导光板中，各反射单元的反射面形状根据在导光部的全反射角度的状态变化，使得在图像取出部内抑制分辨率降低，所以在各反射单元中，能够防止由于使尺寸变化等反射面形状的调整引起分辨率过度降低。特别在沿排列方向使反射单元的尺寸变化的情况下，能够将入射的图像光中最终由观察者认识的有效成分的光束宽度即有效光束宽度以在反射面的扩散或散射的前提下确保充分大。因此，能够避免在特定的反射单元反射引起的图像光的劣化，其结果是对射出的虚像光的图像能够可靠地抑制局部分辨率降低。
本发明的具体侧面中，图像取出部具有对全反射角度相对大的图像光进行光路的弯曲的第一反射单元和对全反射角度相对小的图像光进行光路的弯曲的第二反射单元，第一反射单元的反射面比第二反射单元的反射面大。在此情况下，对难以确保有效光束宽度的全反射角度相对大的图像光，通过使得与之对应的第一反射单元的反射面比较大，能够确保充分的有效光束宽度。
本发明的另一侧面中，将在图像取出部分别以不同的角度入射到多个反射单元的任一个的图像光的光束的入射角度分别设为α1、α2，将该图像光的光束入射的反射单元的间距分别设为d1、d2，则在α1＜α2的情况下，d1≤d2。在此情况下，通过反射单元具有与对此的光束的入射角度的变化对应的间距，能够确保各图像光的有效光束宽度。
本发明的另一侧面中，构成多个反射单元的各反射单元分别包括第一反射面和相对于所述第一反射面成预定角度的第二反射面，将由导光部引导的图像光通过第一反射面反射，并且通过第二反射面将在第一反射面反射后的所述图像光进一步反射而进行光路的弯曲。在此情况下，能够通过第一反射面和第二反射面两个阶段的反射取出图像光。
本发明的另一侧面中，在多个反射单元中位于离光入射部远的反光入射部侧的反射单元的尺寸比位于光入射部侧的反射单元的尺寸大。在此情况下，由于反射单元的尺寸的不同，能够使从位于反光入射部侧的反射单元取出的光束的有效光束宽度与从位于光入射部侧的反射单元取出的光束的有效光束宽度相同或近似。
本发明的另一侧面中，在多个反射单元中位于离光入射部远的反光入射部侧的反射单元的间距比位于光入射部侧的反射单元的间距大。在此情况下，通过调整反射单元的间距，能够使从位于反光入射部侧的反射单元取出的光束的有效光束宽度与从位于光入射部侧的反射单元取出的光束的有效光束宽度相同或近似。
本发明的另一侧面中，从光射出部的光射出面到在图像取出部的各反射单元中弯曲的所述图像光的射出方向的前端即射出侧端的距离一定。在此情况下，通过选择各反射单元的尺寸或间距，能够在该各反射单元中确定取入图像光的宽度。
本发明的另一侧面中，在多个反射单元中，越是尺寸大的反射单元，在该反射单元中弯曲的图像光的射出方向的前端即射出侧端越接近所述光射出部，所述多个反射单元在预定的排列方向根据各反射单元的尺寸在所述光射出部侧突出。在此情况下，越是尺寸大的反射单元，越能够高效地取入图像光。
本发明的另一侧面中，多个反射单元的尺寸进行变化，使得分别向各反射单元入射的图像光的有效光束宽度保持在预定值以上。在此情况下，使在各反射单元中使图像光的有效光束宽度增大到光束散乱不严重的程度，由此能够以将入射到图像取出部的所有图像光的分辨率保持在一定以上的水准的方式进行反射。
本发明的另一侧面中，多个反射单元的间距在0.5mm～1.3mm之间变化。在此情况下，通过设为0.5mm以上，能够降低散射、衍射等引起的光束散乱，通过设为1.3mm以下能够使得对于观察者反射单元的格纹不会变得显眼。
为了解决上述课题，本发明的虚像显示装置，具备：(a)上述任一记载的导光板；以及(b)形成导向所述导光板的图像光的图像形成装置。在此情况下，通过使用上述任一所述的导光板，虚像显示装置能够射出分辨率高的虚像光。
附图说明
图1的(A)是表示第一实施方式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的(A)是说明导光板内的图像取出部的中央部分的构造的截面图，(B)是说明图像取出部的里侧的部分的构造的截面图，(C)是说明图像取出部的入口侧的部分的构造的截面图。
图3是表示在图像取出部内的反射单元的变化的样子的图。
图4的(A)是用于说明反射单元中的有效光束宽度的图，(B)是比较例的图。
图5的(A)是说明变形例的导光板内的图像取出部的中央部分的构造的截面图，(B)是说明图像取出部的里侧的部分的构造的截面图，(C)是说明图像取出部的入口侧的部分的构造的截面图。
图6的(A)是用于说明第二实施方式的导光板内的图像取出部的里侧的部分的构造的截面图，(B)是说明图像取出部的入口侧的部分的构造的截面图。
图7的(A)是用于说明第三实施方式的导光板内的图像取出部的里侧的部分的构造的截面图，(B)是说明图像取出部的入口侧的部分的构造的截面图。
(标号的说明)
10图像形成装置；11液晶装置；12投射光学系统；20导光板；20a导光板主体部；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、123、223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；AX光轴；EY眼；GL1、GL2、GL3、GLa、GLb图像光；IS光入射面(光入射部)；OA光轴；OS光射出面(光射出部)；PS棱镜部；d横宽(间距)；α入射角度(全反射角度)；K、KK2、KK3顶点(射出侧端)；HS纵尺寸(反射单元的尺寸)；WS横尺寸(反射单元的尺寸)
具体实施方式
(第一实施方式)
下面参照附图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)。
如图1的(A)所示，图像形成装置10具备液晶装置11和投射光学系统12。其中，液晶装置11具有：射出二维照明光的照明装置31、作为透过型的空间光调制装置的液晶显示装置32、配置在它们之间的射出角调整部件33。液晶显示装置32将来自照明装置31的照明光进行空间地调制，形成要成为动图像等的显示对象的图像光。投射光学系统12是使从液晶显示装置32上的各点射出的图像光成为平行状态的光束的准直透镜。射出角调整部件33根据画面内的位置使照明光的射出角度分布变化，进行调整使得从液晶显示装置32射出的图像光最后入射到观察者的眼EY。
如图1的(A)～(C)所示，导光板20具备：导光板主体部20a、入射光弯曲部21、作为角度变换部的图像取出部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主体部20a形成。此外，导光板20的构造为：在较长方向的一端具有包括埋入导光板主体部20a的多个微镜的图像取出部23，在较长方向的另一端具有以扩张导光板主体部20a的方式形成的棱镜部PS和该棱镜部PS所附带的入射光弯曲部21。
导光板主体部20a具有：作为光入射部的光入射面IS，其由光透射性树脂材料等形成，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。导光板主体部20a作为该棱镜部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，作为以相对于光入射面IS倾斜的状态配置的入射光弯曲部21发挥作用。在导光板主体部20a，沿光射出面OS的里侧的平面形成有作为微细构造的图像取出部23。
作为与导光板主体部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通过在导光板主体部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主体部20a内。
此外，导光板主体部20a具有导光部22，该导光部22用于从入口侧的入射光弯曲部21向里侧的图像取出部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，作为平板状的导光板主体部20a的主面且相互相对的相对于YZ面平行延伸的两个平面。在此，第一全反射面22a为距离图像形成装置10远的背侧的面，第二全反射面22b为接近图像形成装置10的正侧的面。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的里侧即设置有图像取出部23的+Z侧。在此，用于导光板主体部20a的透明树脂材料的折射率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内部的图像光的视角比较小。
与导光板主体部20a的光射出面OS相对配置的图像取出部23，在导光部22的里侧(+Z侧)大致沿第一全反射面22a的延长平面接近于该延长平面形成。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向光射出面OS侧弯曲。即，图像取出部23作为变换图像光的角度的角度变换部发挥作用。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。关于图像取出部23的详细构造，通过图2的(A)在后面描述。
(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中的液晶显示装置32的射出面32a上分别射出的图像光中图中虚线所示的从射出面32a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32a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。
经过投射光学系统12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32a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α0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α0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。即，标准反射角α0决定图像光GL1向图像取出部23的入射角度。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32a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α+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中例如被全反射N-M次(M为自然数)，在图像取出部23中反光入射部侧(+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32a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α-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中最靠光入射面侧(-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。此时的射出方向为从入射光弯曲部21侧离开的方向，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，如图1的(B)所示，在纵向即Y方向观察的图像光即图像光GLy通过导光板20内，使得作为光束整体集束。
(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2的(A)～(C)等对图像取出部23的构造和基于图像取出部23的图像光的光路的弯曲进行详细说明。图2的(A)～(C)是分别扩大了图1的(A)所示的图像取出部23的中央部23k、周边部23m，23h的示意图。
首先，对图像取出部23的构造进行说明。图像取出部23由排列成条纹状的多个线状的反射单元23c构成。即，图像取出部23通过将在Y方向延伸的细长反射单元23c沿导光部22延伸的第一方向即Z方向排列多个而构成。各反射单元23c具有配置在里侧即+Z侧的一个反射面部分即第一反射面23a和配置在入口侧即-Z侧的其他一个反射面部分即第二反射面23b作为一组反射面。其中，至少第二反射面23b是能够透过一部分光的反射面，能够使观察者以透视方式观察外界像。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截面视图上成为V字或楔形状。更具体而言，第一和第二反射面23a、23b，以平行于图1的(A)等所示的第一全反射面22a、相对于反射单元23c排列的排列方向即Z方向垂直延伸的方向即Y方向作为较长方向，以线状延伸。此外，第一和第二反射面23a、23b以该较长方向为轴，相对于第一全反射面22a分别以不同角度(即相对于YZ面分别不同的角度)倾斜。结果是，第一反射面23a周期性地反复排列、相互平行地延伸，第二反射面23b也周期性地反复排列、相互平行地延伸。在图2的(A)等所示的具体例中，各第一反射面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，各第二反射面23b在相对于对应的第一反射面23a按逆时针方向成预定角度(相对角度)β的方向延伸。在此，相对角度β在具体例中例如为54.7°。
各第一反射面23a成为图像光的实际的入射面，但在本说明书中，将经过全反射面22a、22b入射到各图像光的第一和第二反射面23a、23b的图像光在全反射面22a、22b的全反射角度称为对图像取出部23的入射角度即向反射单元23c的入射角度。
本实施方式的情况下，如图2的(A)～图2的(C)所示，相互在截面视图上具有相似形状的各反射单元23c的大小，即图中的虚线所示的一个反射单元23c在纵向(X方向)的长度即纵尺寸HS、在横向(Z方向)的横尺寸WS根据在各反射单元23c弯曲的图像光在导光部22(参照图1的(A)等)的全反射角度即向反射单元23c或图像取出部23的入射角度，在图像取出部23内关于排列方向即Z方向变化。更具体而言，首先，如图2的(A)所示，在构成图像取出部23的多个反射单元23c中位于中央侧即中央部23k侧的反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS对应于以平均大小的入射角度α0入射的图像光GL1，成为中等程度。与此相对，如图2的(B)所示，位于图像取出部23的里侧即周边部23m侧的反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS对应于以比较大的入射角度α+入射的图像光GL2，比图2的(A)所示的中央反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS大。此外，如图2的(C)所示，位于图像取出部23的入口侧即周边部23h侧的反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS对应于以比较小的入射角度α-入射的图像光GL3，比图2的(A)所示的中央反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS小。结果是，与图2的(C)的图像光GL3对应的反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS比与图2的(B)的图像光GL2对应的反射单元23c的纵和横尺寸HS、WS小。由此，在图像取出部23中，将对全反射角度相对大的图像光GL2进行光路的弯曲的反射单元23c(第一反射单元)和对全反射角度相对小的图像光GL1、GL3进行光路的弯曲的反射单元23c(第二反射单元)进行比较的情况下，图像光GL2用的第一反射单元的反射面比图像光GL1(GL3)用的第二反射单元的反射面大。如上所述，关于各反射单元23c的尺寸，通过纵尺寸HS和横尺寸WS示出，但各反射单元23c的截面形状相互相似，所以可以仅以相当于其中的横尺寸WS的Z方向上的宽度即横宽d(参照图3)作为各反射单元23c的尺寸的基准。
此外，在图像取出部23整体中，如图3示意所示，相互相似的多个反射单元23c越是在图像取出部23的入口侧即-Z侧越小，随着去向里侧即+Z侧而变大，连接各反射单元23c的顶点P而得到的曲线L2以按照去向+Z侧在深度方向即X方向逐渐增加的方式倾斜。
在此，确定反射单元23c的尺寸的横宽d可以考虑为在反射单元23c的排列方向即Z方向的各反射单元23c的间距。具体而言，在图3中，将反射单元23c中在Z方向位于中央的一个反射单元23c的横宽d0确定为标准间距d0时，相对于该标准间距d0，各反射单元23c的横宽d即间距d随着朝向+Z侧逐渐增加(d+＞d0)，随着朝向-Z侧逐渐减少(d-＜d0)。此外，换言之，多个反射单元23c的尺寸或间距随着朝向+Z侧单调增大，所以多个反射单元23c中位于最远离光入射面IS(参照图1的(A))的反光入射面侧即里侧的反射单元23c的尺寸或间距比位于最靠光入射面侧即入口侧的反射单元23c的尺寸或间距大。通过调整反射单元23c的尺寸或间距，能够使入射到各反射单元23c的各图像光的有效光束宽度相同或近似。
返回图2的(A)～(C)，图像取出部23在深度方向即X方向具有一定的厚度H。即，构成图像取出部23的各反射单元23c的边界部分、图像取出部23的各反射单元23c的前端即在图像取出部23弯曲的图像光GL1等在射出方向的射出侧端即顶点K连接起来的线LL1相对于光射出面OS平行。因此，在导光板23的厚度方向(X方向)从光射出面OS到第二反射面23b的顶点K的距离HT一定，可以根据各反射单元23c的尺寸准确地规定各反射单元23c取入图像光的宽度。
下面对图像取出部23的图像光的光路的弯曲进行详细说明。首先，如图2的(A)所示，在图像光中以成为基准的中等程度的入射角度α0引导的图像光GL1入射到在图像取出部23中配置在中央侧的中央部23k的一个反射单元23c，最初在反光入射面侧即+Z侧的第一反射面23a反射，然后在光入射面侧即-Z侧的第二反射面23b反射。经过了该反射单元23c的图像光GL1不经过其他反射单元23c而从光射出面OS射出。即，图像光GL1在图像取出部23仅一次通过，弯曲成所希望的角度，在观察者侧取出。
此外，如图2的(B)所示，以入射角度的最大角度α+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23m配置的一个反射单元23c，与图2的(A)的图像光GL1的情况同样地，最初在反光入射面侧即+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，从光射出面OS射出。即，图像光GL2在图像取出部23通过一次，以所希望的角度弯曲，在观察者侧取出。
此外，如图2的(C)所示，以入射角度最小的角度α-引导的图像光GL3入射到在图像取出部23中在最接近的光入射面侧即-Z侧的周边部23h配置的一个反射单元23c，与图2的(A)的图像光GL1的情况同样地，最初在反光入射面侧即+Z侧的第一反射面23a反射，然后在光入射面侧即-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，在图像取出部23仅通过一次，以所希望的角度弯曲，在观察者侧取出。
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2的(A)～(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ψ都是ψ＝2(R-β)(R：直角)。即，弯曲角ψ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α0，α+，α-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23m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23h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能够不使图像光在图像取出部23多次通过而仅通过一次，能够将图像光以少损失作为虚像光取出。
导光部22的形状和折射率，在构成图像取出部23的反射单元23c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，将从光射出面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θ2和另一端的图像光GL3相对于X方向或光轴AX的角度θ3的大小大致相等且逆向。图像光GL2、GL3的角度θ2、θ3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θ2和角度θ3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视角。
(D.图像光的有效光束宽度)
下面，通过图4的(A)等对确保在图像取出部23即反射单元23c取出的图像光的有效光束宽度抑制图像光的分辨率的局部降低的原理进行说明。图4的(A)例示反射入射角度比较大的图像光GL的反射单元23c，是位于图像取出部23的里侧即+Z侧的周边部23m侧的扩大图。在图像取出部23取出图像光时的分辨率的降低起因于由于第一和第二反射面23a、23b上的瑕疵等的缺陷导致的镜面精度。因此，如果将在各反射单元23c最终取出的图像光的有效光束宽度W保持在一定程度的大小以上，则抑制分辨率降低。然而，尤其如图4的(A)所示的在周边部23m侧的反射单元23c，使图像光GL入射时的入射光束宽X受到限制而容易变小，确保有效光束宽度W的值不一定容易。即，确保图像光GL的入射光束宽X成为用于抑制分辨率的局部降低的重要问题。如图所示，以入射光束宽X入射到反射单元23c的图像光GL在第一和第二反射面23a、23b保持其宽度作为有效光束宽度W射出。
在此，入射光束宽X的值根据入射角度α、反射单元23c的开口OP的大小即表示反射单元23c的尺寸的横宽d确定。更具体说明，首先，将开口OP的两端即顶点K中位于里侧和入口侧的顶点分别设为顶点K1，K2，图像光GL在从通过顶点K1的成分到通过顶点K2的成分为止的范围取入。即，从表示通过顶点K1的成分的线PP1到表示通过顶点K2的成分的线PP2为止的宽度成为图像光GL的入射光束宽X。此外，在此，将从顶点K1向线PP2的垂足设为交点Q时，根据顶点K1，K2以及交点Q所形成的直角三角形，入射光束宽X成为
X＝d×sin(R-α)…(1)
即，如周边部23m侧的反射单元23c那样，入射角度α变大的情况下，为了确保入射光束宽X的值一定程度大，需要根据上式(1)使横宽d变大。在本实施方式中，如图3等所示，根据入射的图像光的入射角度即全反射角度，使各反射单元23c的尺寸或间距变化，尤其图像光的入射角度越大则使尺寸或间距越大，由此对入射到任意反射单元23c的图像光都能够使其入射光束宽充分大。
例如，作为比较例，如图4的(B)所示，与在周边部23m侧入射比较大的入射角度α的图像光GL无关地，周边部23m侧的反射单元23c为与周边部23h的反射单元23c(参照图2的(C))相同尺寸的横宽(即图4的(B)的横宽d′维持为小)时，在周边部23m侧的反射单元23c中能够取入的入射光束宽X′变小，作为结果取出的有效光束宽度W′也变小，在第一和第二反射面23a、23b的反射中，存在图像光GL的分辨率降低的可能性。与此相对，在本实施方式中，如图4的(A)等所示的周边部23m侧的反射单元23c代表的那样，在难以确保图像光GL的有效光束宽度W的图像取出部23的里侧，通过考虑上式(1)适当地增大横宽d的值，由此能够抑制在图像取出部23中尤其里侧的反射单元23c的反射时容易产生的分辨率的降低(局部降低)。
在此，为了考察图2的(B)所示的有效光束宽度中最难确保的图像光GL2的有效光束宽度W2，首先设导光板20的折射率为nd，设观察者识别的图像的最大视角为ω。在此情况下，根据图2的(B)所示的角度的关系，关于对应于图像光GL2的入射角度α+和角度ψ，表示为sin(α+-ψ)×n d＝sinω。即，入射角度α+表示为α+＝ψ+sin-1(sinω/nd)＝2×(R-β)+sin-1(sinω/nd)...(2)。因此，作为一例，设nd＝1.5、ω＝15°，β＝54.7°时，反射角为
Figure BDA0000100809550000151
根据该值，能够从(1)式算出将图像光GL2的入射光束宽X即有效光束宽度W确保在一定值以上的横宽d+的值。即，通过基于上述关系适当设定横宽d+，对图像光GL2能够获得充分的光束宽。例如，如图2的(B)和(C)所示，考虑以各反射单元23c的尺寸的单调增加为基调，以使得作为周边光的图像光GL2的有效光束宽度W2和图像光GL3的有效光束宽度W3变为大致相同程度的方式调整对应的各反射单元23c的尺寸，由此将所有图像光的有效光束宽度设为一定值以上。此外，此时，例如将反射单元23c的横宽d的具体数值范围设为0.2mm以上，作为更优选的一例为在0.5mm～1.3mm的范围变化。由于处于该范围，能够确保要取出的图像光的有效光束宽度，并且在图像取出部23不受衍射的影响且使得对于观察者而言反射单元23c产生的格纹不会变得显眼。
根据以上说明的本实施方式的导光板20，作为多个反射单元23c的反射面的形状变化的一例，各反射单元23c的尺寸根据在导光部22的全反射角度的状态在图像取出部23内沿Z方向变化。由此，在所有的反射单元23c中，能够充分确保入射的图像光的有效光束宽度。因此，能够避免在反射单元23c的反射引起的图像光的劣化，其结果能够抑制射出的虚像光引起的图像的分辨率降低。
此外，在图3中连接各反射单元23c的顶点P而得到的曲线LL2即各反射单元23c的尺寸以朝向+Z侧单调增大的方式变化，但如果能够确保图像光的有效光束宽度在一定值以上，则曲线LL2可以是除此以外的形状的曲线、直线等。即，各反射单元23c的尺寸的变化的程度可以根据虚像显示装置100的光学规格适当调整。
关于上述内容，例如作为一个变形例，如图5的(A)～(C)所示，可以使图像取出部23的多个反射单元23c变化。具体而言，也可以是如下方式：关于图5的(A)以及图5的(C)所示的从入口侧的周边部23h到中心侧的中央部23k的各反射单元23c，朝向里侧少许增减尺寸，设为大致一定的尺寸，关于图5的(A)和图5的(B)所示的从中心侧的中央部23k到里侧的周边部23m的各反射单元23c，朝向里侧逐渐增大尺寸。在此情况下，如图所示，能够进行调整使得在中央部23k反射的图像光GL1的有效光束宽度W1与其他有效光束宽度W2、W3大致相同。此外，例如，在入射到图像取出部23的入口侧的图像光的成分在反射面23a、23b的深侧即+X侧进入在反射单元23c反射而取出为止的期间存在一部分切断的可能性的方式中，通过增大入口侧反射单元23c的尺寸，可以确保有效光束宽度。在此情况下，例如可以使中央部23k附近的反射单元23c的尺寸最小，分别使反射单元23c的尺寸朝向周边部23m和周边部23h分别逐渐地增大。
此外，将排列多个同一尺寸的反射单元23c所得设为一个模块，通过使得在排列多个反射单元23c中至少包含一个以上的该模块，由此可以构成反射单元23c尺寸或间距阶段变化的图像取出部23。在此情况下，将图像光的光束的入射角度分别设为角度α1、α2，将该图像光的光束入射的反射单元23c的间距分别设为d1、d2时，在同一模块内，即使α1＜α2，也是d1＝d2，在图像取出部23整体中，关于任意的α1＜α2，可以设为d1≤d2。在图3的情况下，关于任意的α1＜α2，d1＜d2。
如上所述，关于反射单元23c的尺寸的变化程度，可以是各种方式，例如，可以一个一个调整各反射单元23c的尺寸，使得从各反射单元23c射出的图像光的有效光束宽度全部一致。
在图2的(A)等所示例子中，第一反射面23a相对于第一全反射面22a大致垂直，但如果能够确保有效光束宽度W，则可以根据导光板20的规格适当调整第一反射面23a的方向。例如，可以相对于第一全反射面22a以-Z方向为基准按逆时针例如从80°到100°的范围内成任意倾斜角度。此外，第二反射面23b的方向可以相对于第一全反射面22a以-Z方向为基准按逆时针例如从30°到40°的范围内成任意倾斜角度。其结果是，第二反射面23b相对于第一反射面23a在40°到70°的范围内具有任意相对角度。
(第二实施方式)
下面通过图6的(A)等对使第一实施方式变形后的第二实施方式进行说明。本实施方式的导光板120除了图像取出部的构造外具有与图1的(A)等所示的导光板20同样的构造，所以在图6的(A)和6(B)中仅示出与图2的(B)和图2的(C)所示的图像取出部23对应的图像取出部123的一部分及其周边扩大后的示意图，对导光板和虚像显示装置整体的构造省略图示和说明。
在导光板120中，图像取出部123由排列成条纹状的多个线状的反射单元123c构成。各反射单元123c与图2的(A)等各反射单元23c同样地，以在XZ截面视图上成为V字或楔形状的第一反射面123a和第二反射面123b为一组，在Z方向排列。
在此，如图6的(A)和图6的(B)所示，各反射单元123c的尺寸或间距越是里侧即+Z侧越大。在此情况下，位于图像取出部123的里侧即周边部123m侧与图像光GL2对应的反射单元123c的尺寸最大，位于图像取出部123的入口侧即周边部123h侧与图像光GL3对应的反射单元123c的尺寸最小。尤其是，在此，图像取出部123的厚度在深度方向即X方向不是一定的，随着反射单元123c的尺寸变化。具体而言，越是尺寸大的反射单元123c，其射出侧端即顶点K越在光射出面OS侧即-X侧突出，顶点K越接近光射出面OS，图6的(A)所示的里侧即+Z侧的图像取出部123在X方向的厚度H2比图6的(B)所示的入口侧即+Z侧的图像取出部123的厚度H3大。换言之，图6的(A)所示的与图像光GL2对应的反射单元123c的射出侧端即顶点KK2到光射出面OS的距离HT2比图6的(B)所示的与图像光GL3对应的反射单元123c的射出侧端即顶点KK3到光射出面OS的距离HT3短。由此，图像光的入射角度变大，与此对应，越是增大尺寸的反射单元123c，越高效地取入图像光。图像取出部123的突出程度可以根据光学规格进行各种调整。
根据以上说明的第二实施方式的导光板120，各反射单元123c的尺寸以与全反射角度即入射角度的状态相关联的方式在图像取出部123内沿Z方向变化，此外越是尺寸大的反射单元123c越向光射出面OS侧突出。由此，能够充分确保图像光的有效光束宽度，能够避免由在反射单元23c的反射引起的图像光的劣化，其结果是能够抑制射出的虚像光引起的图像分辨率降低。此外，在图像取出部123能够高效地取入图像光。
(第三实施方式)
下面通过图7的(A)等对将第一实施方式变形后的第三实施方式进行说明。本实施方式的导光板220除了图像取出部的构造外具有与图1的(A)等所示的导光板20同样的构造，所以在图7的(A)和7(B)中仅示出与图2的(B)和图2的(C)所示的图像取出部23对应的图像取出部223的一部分及其周边扩大后的示意图，对导光板和虚像显示装置整体的构造省略图示和说明。
下面，对本实施方式的导光板220的图像取出部223的详细构造进行说明。如图7的(A)和图7的(B)所示，图像取出部223由多个图像光反射面223a构成，各图像光反射面223a在相对于图像光反射面223a排列的Z方向垂直延伸的方向即Y方向延伸。多个图像光反射面223a相互平行，相对于第一全反射面22a分别成同一角度，透过图像光的光成分的一部分，成为反射剩下部分的部分反射面。各图像光反射面223a间通过不具有作为用于取出图像光的反射面等的功能的边界部223b连接。其结果是，图像光反射面223a沿Z方向周期反复排列并相互平行延伸。在此，以一个图像光反射面223a和与此相邻的一个边界部223b为一组称为反射单元223c。
下面对图像光的各成分中入射到图像取出部223的两端侧的图像光GLa和图像光GLb进行说明。作为前提，包括图像光GLa、GLb的图像光从光入射面IS入射到图1的(A)、图1的(B)等所示的导光板20，在入射光弯曲部21反射，作为整体，在导光部22中在偏向-X方向的+Z方向前进，如图7的(A)等所示，在导光部22的第一和第二全反射面22a、22b反复全反射而导光，到达图像取出部223。首先，如图7的(A)所示，以最小反射角α-在导光部22的第一和第二全反射面22a、22b全反射的图像光GLa通过图像取出部223N次(N为比1大的自然数)后，到达图像取出部223中周边部223m的位于最里侧(+Z侧)的图像光反射面223a，通过在图像光反射面223a的反射，相对于眼EY的中心轴即光轴AX以角度θ2从光射出面OS向眼EY作为平行光束射出。此时的射出角相对于+Z轴成钝角。在此，将图像光GLa的反射角α-作为对图像光反射面223a的入射角度。
另一方面，如图7的(B)所示，以最大反射角α+在导光部22的第一和第二全反射面22a、22b全反射的图像光GLb到达图像取出部223中周边部223h的位于最靠入口侧(-Z侧)的图像反射面223a，通过在图像光反射面223a的反射，相对于光轴AX以角度θ3从光射出面OS向眼EY作为平行光束射出。此时的射出角相对于+Z轴成锐角。在此，将图像光GLb的反射角α+作为对图像光反射面223a的入射角度。
图像光GLa的角度θ2和图像光GLb的角度θ3的大小大致相等且逆向，相当于基于图像光的虚像的视角。
在此，各反射单元223c即图像光反射面223a的尺寸或间距越在入口侧即-Z侧越大。具体而言，位于图像取出部223的入口侧即周边部223h侧与图像光GLb对应的图像光反射面223a的尺寸最大，位于图像取出部223的里侧即周边部223m侧与图像光GLa对应的图像光反射面223a的尺寸最小。即，关于在全反射面22a、22b的反射角即向图像取出部223的入射角度，与越大角度的图像光对应的图像光反射面223a，越是大的尺寸。由此，能够将所有图像光的有效光束宽度设为一定值以上。
如上所述，在第三实施方式中，各反射单元223c的尺寸或间距以与全反射角度即入射角度的状态关联的方式在图像取出部223内沿Z方向变化。由此，充分确保图像光的有效光束宽度，能够避免由在反射单元223c的反射引起的图像光的劣化，其结果是能够抑制射出的虚像光引起的图像的分辨率降低。在上述中关于图像取出部223的深度方向即X方向，厚度一定，但也可以根据反射单元223c的尺寸改变该厚度。
(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。
在上述说明中，作为多个反射单元23c的反射面形状的变化的一例，使各反射单元23c的尺寸变化，但作为反射面形状的变化，除了上述之外或在上述的基础上例如可以使构成图像取出部23的反射单元23c的朝向变化。即，可以将反射单元23c的朝向围绕Y轴进行微小旋转进行方向的调整。此时，只要使所有反射单元23c中的相对角度β一致，不需要使所有反射单元23c的朝向准确地一致。
在上述说明中，作为图像显示元件，使用了透过型的液晶装置11，但作为图像显示元件不限于透过型的液晶装置，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具备各一组图像形成装置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，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射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，具有在预定的排列方向排列的多个反射单元，能够将经由所述导光部入射的所述图像光通过在所述多个反射单元的光路的弯曲向外部取出；以及
光射出部，将经过了所述图像取出部的所述图像光射出到外部，
所述多个反射单元的反射面形状根据在所述多个反射单元弯曲的所述图像光的在所述导光部的全反射角度的大小，在所述图像取出部内沿着所述预定的排列方向变化，以抑制所述图像光的分辨率降低。
2.根据权利要求1所述的导光板，其中，
所述图像取出部具有对全反射角度相对大的所述图像光进行光路的弯曲的第一反射单元和对全反射角度相对小的所述图像光进行光路的弯曲的第二反射单元，所述第一反射单元的反射面比所述第二反射单元的反射面大。
3.根据权利要求2所述的导光板，其中，
将在所述图像取出部分别以不同的角度入射到所述多个反射单元的任一个的所述图像光的光束的入射角度分别设为α1、α2，将该图像光的光束入射的反射单元的间距分别设为d1、d2，则在α1＜α2的情况下，d1≤d2。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的导光板，其中，
构成所述多个反射单元的各反射单元分别包括第一反射面和相对于所述第一反射面成预定角度的第二反射面，将由所述导光部引导的所述图像光通过所述第一反射面反射，并且通过所述第二反射面将在所述第一反射面反射的所述图像光进一步反射而进行光路的弯曲。
5.根据权利要求4所述的导光板，其中，
在所述多个反射单元中位于离所述光入射部远的反光入射部侧的反射单元的尺寸比位于所述光入射部侧的反射单元的尺寸大。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的导光板，其中，
在所述多个反射单元中位于离所述光入射部远的反光入射部侧的反射单元的间距比位于所述光入射部侧的反射单元的间距大。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的导光板，其中，
从所述光射出部的光射出面到在所述图像取出部的各反射单元中弯曲的所述图像光的射出方向的前端即射出侧端的距离一定。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的导光板，其中，
在所述多个反射单元中，越是尺寸大的反射单元，在该反射单元中弯曲的所述图像光的射出方向的前端即射出侧端越接近所述光射出部，所述多个反射单元在所述预定的排列方向根据各反射单元的尺寸在所述光射出部侧突出。
9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的导光板，其中，
所述多个反射单元的尺寸进行变化，使得分别向各反射单元入射的所述图像光的有效光束宽度保持在预定值以上。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的导光板，其中，
所述多个反射单元的间距在0.5mm～1.3mm之间变化。
11.一种虚像显示装置，具备：
根据权利要求1至权利要求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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