CN106796348A - 导光装置及虚像显示设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种导光装置和设置有导光装置的虚像显示设备，该导光装置不会引起图像光线和外部光的不均匀并且不会引起重影。导光装置包括平行光导、入射部和出射部。这里，导光装置被设置成使得图像光线被反射并且被引向观测者，而不从平行光导与反射单元之间的边界面反射。因此，图像光线仅通过位于从出射部的反射单元射出图像光线的位置或位于该位置附近的半反射镜。因此，可以通过减少要观测的图像光线通过半反射镜的次数来防止亮度不均匀或光减少。

Description

导光装置及虚像显示设备
技术领域
本发明涉及用于通过在头部佩戴使用的头戴式显示器的导光装置以及设置有导光装置的虚像显示设备。
背景技术
近年来，作为能够形成和观测虚像的、诸如头戴式显示器这样的虚像显示设备，建议了通过使用导光板将图像光线从显示设备引导至观测者的瞳孔的各种设备。
例如，作为将准直图像等引导至观测者的视角的装置，已知被如下构造的装置：在平行的平面导光板中布置多个半反射镜(下文中称为“HM”)，并且从HM反射图象光线以呈现给观测者(参见PTL(专利文献)1至5)。在PTL 1的设备中，从导光板的一个端部引导的图像光线被反射而相继透过多个倾斜穿过导光板的HM，并且到达观测者。在PTL 2的设备中，被引导至导光板的图像光线在导光板中被完全反射的情况下传播、从外表面被反射、从多个倾斜穿过导光板的HM被反射并且最终被引向观测者。在PTL 3的设备中，被引导至导光板的图像光线在导光板中被完全反射的情况下传播、从靠近观测者的表面被反射、从多个倾斜穿过导光板的HM被反射并且最终被引向观测者。在该情况下，为了提高效率，将入射到HM上的光线之中的、具有大入射角(50度至70度)的光线的反射率设置成大约为0，并且将入射到HM上的光线之中的、具有小入射角(40度或更小)的光线的反射率设置成预定反射率。在PTL4的设备中，被引导至导光板的图像光线在导光板中被完全反射的情况下传播、从靠近观测者的表面被反射、从多个HM被反射并且最终被引向观测者。这里，设置有HM的区域或层的厚度被设置成比导光板薄，因此观测者可以在图像光线未透射通过HM的情况下观测到该图像光线。在图1所示的PTL5的设备中，被引导至导光板的图像光线在导光板中被完全反射的情况下传播、从靠近外侧的表面被反射、从HM被反射并且最终被引向观测者。这里，设置有HM的区域具有与导光板相同的厚度，并且HM的反射率随着HM距显示器变得更远而逐渐增大。
作为另一种显示设备，存在一种包括粘附至平行板型导光板的一侧的薄微镜阵列的设备(参见PTL6)。在该设备中，为了形成图像，使用扫描光束图像源，并且瞳孔也垂直扩张。被引导至导光板的扫描光线在导光板和半反射镜阵列中传播、从靠近外侧的表面被反射、从半反射镜阵列中的靠近观测者的HM被反射并且最终被引向观测者。
在PTL1至3和PTL5所描述的设备中，由于每当图像光线透射穿过HM时亮度就降低，因此视角中出现不均匀性，并且不容易解决或抑制这种不均匀性。为了解决亮度不均匀性，当存在于与光源相对的一侧或内侧上的HM的反射率逐渐增加时，HM的透射率根据其反射率的增加而减小，并且在外部光(透视光)中出现不均匀性。在PTL 4所描述的装置中，由于被构造成布置有HM的反射单元的厚度比光导更薄，因此光线在不透过其它HM的情况下到达内侧上的HM。为此，不发生光量的不均匀性。然而，在反射单元中设置有被构造成使得两个小表面配对的HM部，并且图像光线从HM被反射两次。为此，反射效率趋于降低。在PTL6所描述的装置中，为了加宽光束的宽度，使用HM来分割光束。以这样的方式，由于图像光线朝向内侧传播，因此亮度降低，并且在视角中出现不均匀性。因此，不易解决或抑制这种不均匀性。
引用列表
专利文献
PTL 1：JP-A-3-15815
PTL 2：JP-A-2013-210633
PTL 3：JP-A-2010-164988
PTL 4：JP-A-2012-88588
PTL 5：国际公开No.WO2007/062098
PTL 6：国际公开No.WO2009/009268
发明内容
本发明的一些方面的优点在于，其提供一种不会使图像光和外部光不均匀并且不会产生重影的导光装置以及设有该导光装置的虚像显示设备。
根据本发明的一方面的导光装置包括：光导，其包括一对表面，所述一对表面彼此相对以对应于观测者和外侧并且彼此基本平行地延伸；入射部，其设置在光导的一端；以及出射部，其设置在光导的靠近观测者的另一端，其中，出射部包括反射单元，反射单元被构造成布置有多个用于反射图像光线的反射镜，并且多个反射镜朝着外侧向入射部倾斜、使入射在反射单元上的图像光线反射而不从光导与反射单元之间的边界面反射图像光线，并且使得经反射的图像光线被引向观测者。这里，光导是指包括插在一对表面之间的导光区域的构件。光导与反射单元之间的边界面包括功能意义上的边界，并且具体包括从材料的角度来看连续的功能边界以及从材料的角度来看不连续的接合面。光导可以与入射部和出射部中的之一或二者一体成型，并且在这种情况下，通过延伸一对表面而形成的部分可以被形成在入射部或出射部上。
根据导光装置，由于装置被设置成使得入射到反射单元的图像光线被反射而不从光导与反射单元之间的边界面反射图像光线，并且被引向观测者，因此图像光线仅通过位于从出射部射出图像光线的位置或该位置周围的位置的反射镜被反射，而不从边界面被反射。因此，可以通过减少要观测的图像光线通过反射镜的次数来防止亮度不均匀或光减少，并且可以通过防止不期望的图像光线出射来抑制重影光的出现。
根据本发明的一个特定方面，在根据该方面的导光装置中，反射单元的厚度小于光导的厚度。在这种情况下，可以减少从光导的靠近外侧的表面被反射并且入射在反射单元上的图象光线通过反射镜的次数，并且可以以较少的损耗向观测者输出图象光线。
根据本发明的另一特定方面，多个反射镜平行布置。在这种情况下，由于角度信息是与反射单元中的入射位置无关地被保持的，因此容易形成图像光线，并且可以显示高精度图像。
根据本发明的另一特定方面，多个反射镜以可变间距布置。在这种情况下，可以抑制衍射不均匀或莫尔条纹的出现。
根据本发明的另一特定方面，多个反射镜以随机间距布置。在这种情况下，可以抑制衍射不均匀或莫尔条纹的出现。
根据本发明的另一特定方面，多个反射镜以0.5mm至2.0mm的间距布置。通过以这样的间距布置多个反射镜，具有以下效果：当反射镜的间距相对变窄时抑制由于图像光线的干涉引起的波长色散的出现，或者当反射镜的宽度相对加宽时抑制由于光透射率的差异所导致的黑线的出现。
根据本发明的另一特定方面，在图像光线中，用于形成图像的光线入射到反射单元的反射镜上的角度随着反射镜远离入射部而减小。亦即，待观测的图像光线入射到反射镜上的角度在靠近图像光源的入口侧增大，而待观测的图像光线入射在反射镜上的角度在与图像光源分开的内侧上减小。
根据本发明的另一特定方面，用于形成图像的一束光线从光导的外侧上的预定表面区域被反射、入射到反射单元上，并且该光束的宽度在包括光轴的截面上从预定表面区域反射的前直线光路和后直线光路中的任一光路处变窄。在这种情况下，由于用于形成图像的光束一旦接近预定表面区域就变窄，因此相对加宽视角是容易的。可以减小使图像光线入射到光导上的投射透镜在包括光轴的截面方向上的尺寸，并且可以容易地制造投射透镜。
根据本发明的另一特定方面，在包括光轴的截面上，用于形成图像的光束入射到反射单元上的入射宽度大于用于形成图像的光束入射到预定表面区域上的入射宽度。如上所述，通过使用于形成图像的光束入射到预定表面区域上的入射宽度相对变窄，易于使图像光线入射到反射单元上而不是从光导与反射单元之间的边界面反射图像光线，并且易于从入射位置输出图像光。
根据本发明的另一特定方面，多个反射镜是半反射镜。在这种情况下，可以通过增加外部光的透射特性来促进透视观测。缩小多个反射镜之间的间隔是容易的，并且可以提高图像光线的利用效率。
根据本发明的另一特定方面，反射单元沿着光导的靠近观测者的表面布置。在这种情况下，通过使用多个反射镜，易于使从光导的靠近外侧的表面反射的图像光线反射。
根据本发明的另一特定方面，反射单元被布置为倾斜成使得远离入射部的部分相对靠近外侧。在这种情况下，可以通过使用多个反射镜而使从光导的靠近外侧的表面反射的图像光线反射到观测者。
根据本发明的另一特定方面，所有视角的图像光线在光导内被反射相同的次数、从多个反射镜被反射并到达观测者的眼睛。
根据本发明的另一特定方面，入射部包括曲面的入射面和反射面中的至少一个。
根据本发明的另一特定方面，光导包括彼此平行延伸的第一全反射面和第二全反射面作为一对相对面，并且通过来自第一全反射面和第二全反射面的全反射来引导由入射部接收的图像光线。
根据本发明的另一特定方面，通过将存在于入射部处的表面(例如，入射面或反射面)形成为非轴对称弯面，提高了设计的自由度，并且实现了有利的光学性能。
根据本发明的另一方面的虚像显示设备包括产生图像光线的图像装置和上述导光装置。
根据该虚像显示设备，通过使用导光装置，可以防止观测到图像的亮度不均匀或光减少，并且可以抑制重影光的出现。因此，可以观测高质量图像。
附图说明
图1A是示出根据第一实施方式的虚像显示设备的截面图；
图1B是导光装置的后视图；
图2是用于通过使用包括光轴的截面来描述图像光在导光装置中的光路的图；
图3是用于描述反射单元中的光路变化的局部放大图；
图4是用于描述制造反射单元的示例的图；
图5A是用于描述示例1的光学系统的截面图；
图5B是用于描述示例1的光学系统的截面图；
图6A是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图6B是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图6C是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图6D是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图6E是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图6F是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图7A是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图7B是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图7C是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图7D是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图7E是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图7F是用于描述示例1的光学系统的像差的图；
图8是用于描述示例2的光学系统的截面图；
图9A是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图9B是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图9C是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图9D是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图9E是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图9F是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图10A是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图10B是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图10C是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图10D是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图10E是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图10F是用于描述示例2的光学系统的像差的图；
图11是用于描述示例3的光学系统的截面图；
图12A是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图12B是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图12C是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图12D是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图12E是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图12F是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图13A是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图13B是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图13C是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图13D是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图13E是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图13F是用于描述示例3的光学系统的像差的图；
图14是用于描述示例4的光学系统的截面图；
图15A是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图15B是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图15C是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图15D是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图15E是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图15F是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图16A是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图16B是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图16C是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图16D是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图16E是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图16F是用于描述示例4的光学系统的像差的图；
图17是用于描述示例5的光学系统的截面图；
图18A是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图18B是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图18C是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图18D是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图18E是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图18F是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图19A是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图19B是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图19C是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图19D是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图19E是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图19F是用于描述示例5的光学系统的像差的图；
图20A是示出了根据第二实施方式的虚像显示设备的截面图；
图20B是导光装置的后视图；
图21是用于通过使用包括光轴的截面来描述图像光在导光装置中的光路的图；
图22是用于描述反射单元中的光路变化的局部放大图；
图23A是用于描述制造反射单元的示例的图；
图23B是用于描述制造反射单元的示例的图；
图24是用于描述图像光的光路的出射侧的修改例的截面图；
图25A示出了反射单元的布置修改例；
图25B示出了反射单元的结构修改例；
图26A是用于描述示例6的光学系统的截面图；
图26B是用于描述示例6的光学系统的截面图；
图27A是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图27B是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图27C是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图27D是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图27E是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图27F是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图28A是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图28B是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图28C是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图28D是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图28E是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图28F是用于描述示例6的光学系统的像差的图；
图29是示出了根据第三实施方式的虚像显示设备的截面图；
图30是用于描述反射单元中的光路变化的局部放大图；
图31A是用于描述导光装置的入射部的修改例的图；
图31B是用于描述导光装置的入射部的修改例的图。
具体实施方式
第一实施方式
在下文中，将描述根据本发明的第一实施方式的设置有导光装置的虚像显示设备。
1A.导光装置和虚像显示设备的结构
图1A所示的虚像显示设备100被应用于头戴式显示器，并且包括成对的图像形成装置10和导光装置20。图1A对应于图1B所示的导光装置20的A-A截面。
虚像显示设备100使得观测者将图像识别为虚像，并且使得观测者以透视的方式观测外部图像。在虚像显示设备100中，图像形成装置10和导光装置20通常设置为两对以对应于观测者的右眼和左眼。然而，由于用于右眼的一对和用于左眼的另一对彼此左右对称，因此在本说明书中仅说明用于左眼的一对，而不说明用于右眼的另一对。例如，虚像显示设备100就其整体而言具有一般的的眼镜外观(未示出)。
图像形成装置10包括作为图像装置的液晶装置11和用于光耦合的投射透镜12。液晶装置11(图像装置)对来自光源14的照明光进行空间调制，并且形成作为要显示的运动图像或其它目标的图像光线GL。投射透镜12是使从液晶装置11上的各点射出的图像光线GL成为基本平行的光线的准直透镜。投射透镜12由玻璃或塑料制成，但不限于一个透镜，而是可以是多个透镜。投射透镜12不限于球面透镜，而是可以是非球面透镜或自由曲面透镜。
导光装置20包括板状部。导光装置将在图像形成装置10中形成的图像光线GL作为虚像光朝向观测者的眼睛EY射出，并且基本上透射与外部图像相对应的外部光EL而没有改变。导光装置20包括：入射部21，其接收图像光线；平行光导22，其用于引导光；以及出射部23，其输出图像光线。入射部21和平行光导22的主体是由具有高透光性的树脂材料制成的整合体。在第一实施方式中，透过导光装置20的图像光线GL的光路与其中光线被反射相同次数的光路的类型相同，而不是其中组合了多种类型的光路的类型。平行光导22被布置为使得以观测者的眼睛EY为基准相对于光轴AX倾斜，并且其法线方向Z相对于光轴AX仅以角度k倾斜。在该情况下，平行光导22沿着观测者脸部的曲线布置，但平行光导22的法线相对于光轴AX具有梯度。如上所述，当平行光导22的法线相对于平行于光轴AX的x方向仅以角度k倾斜时，从反射单元30射出并且存在于其周围的光轴AX上的图像光线GL0相对于光出射面OS的法线形成角度
入射部21包括：光入射面IS，其从图像形成装置10接收图像光线GL；以及反射面RS，其反射接收到的图像光线GL以将反射光线引导至平行光导22。光入射面IS由凹曲面21b形成以靠近投射透镜12，并且曲面21b具有将从反射面RS反射的图像光线GL从内表面完全反射的功能。反射面RS也由凹曲面21a形成以靠近投射透镜12。反射面RS通过在曲面21a上进行诸如铝蒸镀这样的膜沉积而被形成，并且对从光入射面IS入射的图像光线GL进行反射以使光路沿预定方向弯曲。曲面21b将从反射面RS反射的图像光线GL从内表面完全反射以使光路沿预定方向弯曲。亦即，入射部21通过使从光入射表面IS入射的图像光线GL反射两次而使该图像光线弯曲，来在平行光导22内可靠地耦合图像光线GL。
平行光导22是平行于y轴并且相对于z轴倾斜的板部，并且也称为光导。平行光导(光导)22由透射性树脂材料制成，并且包括一对平行的平面22a和22b。由于平面22a和22b都是平行平面，因此外部图像没有被放大并且也没有失焦。+z侧或Z侧的一个平面22a用作对来自入射部21的图像光线进行完全反射的全反射面，并且用于以较小的损失将图像光线引导到出射部23。+z侧的平面22a布置在平行光导22的外侧以充当第一全反射面，并且在本说明书中也称为外侧面。-z侧的平面22b在本说明书中被称为观测者侧的面。后侧平面(观测者侧的面)22b向上延伸至出射部23的一端。这里，后侧平面22b的延伸平面是平行光导22与出射部23之间的边界面IF(见图2)。在平行光导22中，从入射部21的光入射面IS或反射面RS的内表面反射的图像光线GL入射在作为全反射面的平面22a上、在平面上被全反射并且被引导至导光装置20的内侧，即设置有出射部23的+x侧或X侧。平行光导22具有端面ES作为限定导光装置20的外观的+x侧或X侧的端面的侧面。平行光导22具有作为用于限定+/-y侧的端面的顶表面和底表面的上端面TP和下端面BP。
如图2所示，出射部23沿着后侧平面22b或边界面IF、以层状形成在平行光导22的内侧(+x侧)上。当从平行光导22的外侧平面(全反射面)22a上的预定表面区域FR全反射的图像光线GL透射时，出射部23以预定角度反射入射的图像光线GL，并且使经反射的图像光线朝向光出射面OS弯曲。这里，最初入射而没有透射至出射部23的图像光线GL是作为虚拟光的输出目标。亦即，即使在出射部23中存在从光出射面OS的内表面反射的光线，该反射光线也不用作图像光。出射部23具有反射单元30，反射单元30被构造成布置有多个具有透射特性的反射镜(即，多个半反射镜)，并且其具体结构将在下面参照图3进行描述。反射单元30形成为沿着平行光导22的观测者侧平面22b延伸。
由于导光装置20具有上述构造，从图像形成装置10射出并从光入射面IS入射到导光装置20的图像光线GL由入射部21经由反射多次弯曲、从平行光导22的平面22a的预定表面区域FR被完全反射并且基本上沿着光轴AX行进。从+z侧的平面22a的预定表面区域FR反射的图像光线GL入射到入射部23。在该情况下，在xy平面中，预定表面区域FR在其纵向方向上的宽度小于出射部23在其纵向方向上的宽度。亦即，一束图像光线GL入射到出射部23(或反射单元30)上的入射宽度大于图像光束GL入射到预定表面区域FR上的入射宽度。如上所述，通过将图像光束GL入射到预定表面区域FR上的入射宽度设定为相对窄，不会发生光路的干涉，并且边界面IF不用于引导光(即，图像光线GL不从边界面IF被反射)。因此，易于使来自预定表面区域FR的图像光线GL直接入射到出射部23(或反射单元30)上。入射到出射部23的图像光GL通过在出射部23中以适当的角度弯曲而输出，并且最终从光出射面OS射出。从光出射面OS射出的图像光线GL作为虚拟光入射到观测者的眼睛EY上。虚像光在观测者的视网膜上形成，因此观测者可以识别由于虚像所引起的图像光线GL。这里，用于形成图像的图像光线GL入射到出射部23上的角度随着反射镜变得远离与光源接近的入射部21而增大。亦即，在出射部23的内侧，具有相对于光轴AX或与外侧平面22a平行的Z方向的大倾斜的图像光线GL入射并且以比较大的角度弯曲。在出射部23的前侧，具有相对于光轴AX或Z方向的小倾斜度的图像光线GL入射并且以相对小的角度弯曲。
1B.图像光的光路
在下文中，将详细描述图像光线的光路。如图2所示，在从液晶装置11的出射面11a射出的图像光线中，将由虚线指示的从出射面11a的中心部射出的成分称为图像光线GL0，将由图中的点划线指示的从出射面11a的周边区域中的纸面上的左侧(-x和+z侧)射出的成分称为图像光线GL1，以及将在该图中由双点划线表示的从出射面11a的周边区域中的纸面上的右侧(+x和-z侧)射出的成分称为图像光线GL2。假定图像光线GL0的光路沿光轴AX延伸。
透射通过投射透镜12的各图像光线GL0、GL1和GL2的主要成分分别从导光装置20的光入射面IS入射、经由入射部21透射通过平行光导22的内部并且到达到出射部23。具体地，在图像光线GL0、GL1和GL2之中，从出射面11a的中心部射出的图像光线GL0由入射部21弯曲，然后在平行光导22内耦合。随后，图像光线GL0以标准反射角θ0入射在一个平面22a的预定表面区域FR上、被完全反射、透射通过平行光导22与出射部23(或反射单元30)之间的边界面IF而没有被反射并且直接入射到出射部23的中心部23k。图像光线GL0以预定角度从部分23k反射，并且沿光轴AX方向(相对于Z方向的角度k方向)从光出射面OS作为平行光束射出，光轴AX方向相对于包括光出射面OS的XY平面倾斜。从出射面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光线GL1由入射部21弯曲并且在平行光导22内耦合。随后，图像光线GL1以最大反射角度θ1入射在一个平面22a的预定表面区域FR上并且被完全反射。此后，图象光线GL1透射通过平行光导22与出射部23(或反射单元30)之间的边界面IF而没有被反射、以预定的角度从出射部23的内侧(+x侧)部分23h被反射并且沿预定角度方向从光出射面OS作为并行光束射出。在该情况下，形成出射角γ1以使返回入射部21的图象光线GL1的量相对变大。同时，从出射面11a的另一端侧(+x侧)射出的图像光线GL2由入射部21弯曲并且在平行光导22内耦合。图象光线GL2以最小反射角度θ2入射在一个平面22a的预定表面区域FR上并且被完全反射。图象光线GL2透射通过平行光导22与出射部23(或反射单元30)之间的边界面IF而没有被反射、以预定的角度从出射部23的入口侧(-x侧)部分23m反射并且沿预定角度方向从光出射面OS作为平行光束射出。在该情况下，形成出射角度γ2以使返回入射部21的图像光线GL2的量相对变小。已经描述了图像光线GL0、GL1和GL2表示所有图像光线GL中的一些图像光线。然而，与图像光线GL0类似地，由于构成其他图像光线GL的光线成分被引导并从光出射面OS射出，因此将不再说明或描述这些光线成分。
这里，作为用于入射部21和平行光导22的透明树脂材料的折射率n的例子，当n＝1.4时，其临界角θc的值为θc≈45.6°。通过将作为各图像光线GL0、GL1和GL2的反射角θ0、θ1和θ2中的最小值的反射角θ2设定为大于临界角θc，可以满足必要图像光在平行光导22内的平面22a上的全反射条件。引向中心部分的图像光线GL0以仰角φ0(＝90度-θ0)入射到出射部23的部分23k上，用于周边区域的图像光线GL1以仰角φ1(＝90度-θ1)入射到出射部23的部分23h上，并且用于周边区域的图像光线GL2以仰角φ2(＝90度-θ2)入射到出射部23的部分23m上。这里，通过反映反射角θ0、θ1和θ2之间的大小关系而在仰角φ0、φ1和φ2之间满足关系φ2>φ0>φ1。亦即，反射单元30的半反射镜31上的入射角ι(参见图3)以对应于仰角φ2的部分23m、对应于仰角φ0的部分23k和对应于仰角φ1的部分23h的顺序逐渐减小。换言之，半反射镜31上的入射角ι或来自半反射镜31的反射角随着反射镜远离入射部21而减小。
将描述从平行光导22的外侧平面22a反射并引向出射部23的图像光束GL的整体移动。在包括光轴AX的截面上，图像光束GL的宽度在从平行光导22的外侧上的预定表面区域FR反射的前直线光路P1和后直线光路P2中的任一直线光路处变窄。具体地，在包括光轴AX的截面上，图像光束GL的宽度在预定表面区域FR附近、即直线光路P1和P2之间的边界附近的横跨这两个直线光路P1和P2的位置处整体上变窄，因此光束宽度变窄。因此，图像光束GL在出射部23的前面变窄，因此易于相对加宽侧视角。虽然在所说明的例子中已经描述了图像光束GL的宽度在横跨直线光路P1和P2的位置处变窄并且光束宽度变窄，但是可以仅使直线光路P1和P2中的一个的宽度变窄并且光束宽度可以变窄。
1C.出射部的结构和由于出射部引起的光路弯曲
在下文中，将参照图2和图3详细描述出射部23的结构和由于出射部23引起的图像光线的光路弯曲。与平行光导22类似，出射部23沿着相对于光轴AX倾斜角度k的XY平面延伸。
首先，将描述出射部23的结构。出射部23具有反射单元30，反射单元30被构造成布置有分别反射图像光线GL的多个半反射镜31。反射单元30是矩形板状的构件，并且具有其中多个窄带形半反射镜31嵌入条纹图案的结构。亦即，反射单元30被构造成使得在y方向或Y方向上延伸的多个细长半反射镜31沿平行光导22延伸的方向(即，沿X方向)以预定间距PT布置。具体地，半反射镜31在与图2所示的平行光导22的平面22a和22b平行并且与布置半反射镜31的X方向垂直的方向中，沿着作为纵向方向的垂直y方向或Y方向直线延伸。半反射镜31朝着平行光导22的外侧而不是观测者向入射部21倾斜。具体地，半反射镜31通过使用纵向(Y方向)作为其轴并且使用与平面22a和22b正交的YZ平面作为其基准而倾斜成使得上端(+Z侧)沿逆时针方向旋转。亦即，当在XZ截面上观测时，各个反射镜31在-X方向和+Z方向之间的方向上延伸。所有半反射镜31彼此平行地仔细布置。
反射单元30具有其中接合多个块状构件32的结构，并且半反射镜31具有插在一对相邻块状构件32之间的薄膜形状。这里，虽然已经描述了块状构件32的折射率等于平行光导22的折射率，但是它们的折射率可以彼此不同。当其折射率不同时，必需调整或校正半反射镜31倾斜的角度δ。为了容易以透视方式观测外部光EL，半反射镜31关于图像光线GL的反射率被设定在图像光线GL的假定入射角范围的10％至50％的范围内。作为特定示例，半反射镜31关于图像光线GL的反射率被设定为例如20％，并且半反射镜关于图像光线GL的透射率被设定为例如80％。
将参考图4描述制造反射单元30的方法的示例。预先制备作为由玻璃制成的平行板的多个玻璃板91，并且通过其一个表面上形成作为金属反射膜或电介质多层膜的反射膜92来制备多个元件板90。此后，多个所形成的元件板90被层叠并且用粘合剂粘合，并且层叠的元件板作为整体沿着切割线C1和C2被倾斜地切割。因此，可以获得具有如下结构的反射单元30，其中利用金属反射膜或电介质多层膜形成的半反射镜31被插入在块状构件32之间，块状构件32是通过将平行板倾斜分割而获得的细长棱镜片。反射单元30通过粘合剂粘附到平行光导22的靠近观测者的适当位置并使粘合剂硬化来固定。
反射单元30中的半反射镜31的间距PT被设定为大约0.5mm至2.0mm。通过以这样的间距布置多个半反射镜31，可以获得以下效果：当半反射镜31的间距变窄时抑制由于图像光线的干涉法之间的差异而导致的色移，或者当半反射镜31的间距变宽时抑制由于光透射量的差异引起的黑线的出现。当使用图3所示的反射单元30时，已经描述了半反射镜31的间距稍微加宽，并且外部光EL的一部分直接透射，但是可以通过适当地调整半反射镜31的间距来防止外部光EL直接透射。
半反射镜31的间距PT不是等间隔，而是可变间距。更具体地，反射单元30中的半反射镜31的间距PT是随机间距，其通过使用基准间隔作为其中心而随机地增大或减小。如上所述，通过以随机间距在反射单元30中布置半反射镜31，可以可靠地抑制衍射不均匀性或莫尔条纹的出现。间距不限于随机间距，例如，可以重复包括在多个阶段增大或减小的间距的预定间距图案。
这里，反射单元30的厚度，即半反射镜31在Z轴方向上的厚度TI被设定为大约0.7mm至3.0mm。支承反射单元30的平行光导22的厚度例如设定为约几mm至10mm，优选为约4mm至6mm。当平行光导22的厚度充分地大于反射单元30的厚度时，易于使图像光线GL在反射单元30或边界面IF上的入射角减小，并且易于抑制来自位于图像光线GL没有被眼睛EY接收的位置的半反射镜31的反射。同时，当平行光导22的厚度相对较薄时，易于实现平行光导22和导光装置20的重量减轻。
在图2和图3所示的示例中，所有半反射镜31可以通过使用平行光导22的观测者侧的面22b作为其基准，沿顺时针方向形成例如约为48°至70°的倾斜角δ，具体地形成60°的倾斜角δ。这里，假设图像光线GL0的仰角φ0设为例如30°，图像光线GL1的仰角φ1设为例如22°，并且图像光线GL2的仰角φ2被设为例如38°。在该情况下，图像光线GL1和图像光线GL2入射到观测者的眼睛EY上，同时通过使用光轴AX为其基准而形成角度γ1＝γ2≈12.5°。
因此，在图像光线GL中，全反射角比较大的成分(图像光线GL1)主要入射到反射单元30的-x侧的部分23h上，全反射角比较小的成分(图像光线GL2)主要入射到出射部23的+x侧的部分23m上。以这样的方式，可以以能够作为整体而被收集在观测者的眼睛EY中的角度状态来有效地输出图像光线GL。由于图像光线GL以这样的角度关系输出，因此导光装置20可以使图像光线GL仅通过反射单元30一次，而基本上不使图像光线通过反射单元多次，并且能够以较小损失将图像光线GL作为虚像光输出。
在反射单元30的中心侧或内侧的部分23k和23h中，非常小部分的图像光线GL透过半反射镜31多次(具体地，通过包括反射一次和透射一次或更多次)。在该情况下，图像光线通过半反射镜31的次数是多次。然而，由于来自多个半反射镜31的反射光线分别作为图像光线GL入射到观测者的眼睛EY上，因此光量的损失不大。
在反射单元30的中心侧或内侧的部分23k和23h中，也很可能产生从平行光导22的后侧或观测者侧(即，光出射面OS或边界面IF等)反射的图像光线GL的成分。然而，图像光线GL作为从半反射镜31反射的无用光线GX(参见图3)而被引导到光路的外部，并且防止其入射到观测者的眼睛EY。通过半反射镜31的无用光线可能再次入射在外侧平面22a上。然而，当无用光线从外侧平面被完全反射时，大多数无用光线可以入射到反射单元30的内侧部分23h或者是入射到比内侧部分更内侧并且在有效区域外的区域上，并且不太可能入射到眼睛EY上。
1D.第一实施方式的结论
根据上述第一实施方式的导光装置20，由于导光装置被设定成使入射到反射单元30的图像光线GL被反射并被引向观测者，而不是从平行光导22与反射单元30之间的边界面IF反射图像光线GL，图像光线GL仅通过处于从出射部23的反射单元30输出图像光线的位置或处于该位置附近的半反射镜31，而不会被边界面IF反射。因此，通过减少待观测的图像光线GL通过半反射镜31的次数，可以防止亮度不均匀或光减少。从另一角度来看，在根据本实施方式的导光装置20中，反射单元30在光路AX方向上具有等于或小于平行光导22约一半的厚度，构成反射单元30的半反射镜31倾斜成在平行光导22的远离观测者的外侧靠近入射部21，并且反射单元30的靠近至少入射部21的部分被布置在平行光导22的靠近观测者的部分上。因此，要观测的图像光线GL相对于光轴AX的倾斜度在反射单元30的与入射部21分离的内侧相对增加，并且易于使来自入射部21图像光线GL直接入射到反射单元30的目标位置上。亦即，通过减少要观测的图像光线GL通过半反射镜31的次数，可以防止亮度不均匀或光减少，并且可以抑制重影光的出现。
虽然在上述第一实施方式中已经描述了平行光导22相对于垂直于通过眼睛的光轴AX的xy平面倾斜，但是可以使平行光导22平行于xy平面。已经描述了入射部21包括曲面21a和21b，但是曲面中一个曲面或两者可以是平面。在该情况下，对应于曲面21b的部分可以形成为平面，该平面通过延伸平行光导22的平面22b而形成。在入射部21中，从光入射面IS入射的图像光线GL可以无变化地耦合到平行光导22，而不会不从内表面反射。平行光导22不限于完全平行的板，而是可以具有轻微的弯曲或楔角。亦即，平行光导22的平面22a和22b可以是非球面表面或其他曲面，或者平面可以形成倾斜角。当平面22a和22b弯曲时，由于发生放大倍率或可见度的变化，因此平面优选较不弯曲。当平面22a和22b形成倾斜角时，由于发生色散，因此平面优选地形成小倾斜角。
1E.第一实施方式的示例
在下文中，将描述根据本实施方式的虚像显示设备所包括的光学系统的示例。下面描述各个示例中使用的标记。
STOP:对应于眼睛的停止表面
PLANE:在眼睛或图像表面前面的平面
IMAGE:图像表面
MA:反射镜阵列
PSi:平面(i＝相同类型表面的表面编号)
FFSj:自由曲面(j＝相同类型表面的表面编号)
ASPk:球形表面或平面(k＝相同类型表面的表面编号)
R：曲率半径
T：轴向表面距离
Nd：光学材料对d线的折射率
Vd:光学材料关于d线的阿贝(Abbe)数
TLY：光轴在特定表面的截面(XZ截面)上的倾斜角(°)
(在某些情况下，TLY在特定表面的前后变化)
DCX：X轴方向上的特定表面的截面(XZ截面)的光学偏移量
以下说明在所有示例中通用。
虚像的视角：25度*9.6度，对应于前方2.5米的50英寸监视器
显示设备:9.6mm*5.4mm(0.43英寸面板)
焦距：21.7mm
入射瞳孔直径：φ5mm
示例1
在表1中展示了示例1的光学表面的数据。例如，标记PS1和FFS2表示平行光导22的平面22a和22b，而标记FFS1和FFS2表示入射部21的反射面RS和光入射面IS。标记ASP1至ASP6表示投射透镜12的透镜表面。
[表1]
对于示例1的棱镜的光学表面，在表2中展示了在其横截面上的光轴偏离量(偏心)DCX和光轴倾斜角(倾斜)TLY。
[表2]
在表3中展示了通过对示例1的光学表面的自由曲面执行多项式展开而获得的系数Akm,n。在表3中，符号m和n表示系数Akm,n的变量或度数。这里，系数Akm,n是指构成表示作为目标的第k个表面的多项式的每个项Xm*Yn的系数。亦即，第个k表面被表示为Z＝Σ{Ak m,n*(Xm*Yn)}。
[表3]
对于示例1的光学表面的非球面，通过对其截面形状执行多项式展开而获得的系数Bi(i＝2,4,6，...)被表示在表4中。亦即，通过使用r2＝X2+Y2，将非球面表示为Z＝ΣBi*ri。
[表4]
图5A是示例1的导光装置20和投射透镜12的截面图。导光装置20包括作为平行光导22的一对平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1对应于光出射面OS。导光装置20包括在入射部21中的、为自由曲面并且在截面上具有相对小的负折射力的第三表面S3、为自由曲面并且在截面上具有相对小的正折射力的第四表面S4以及作为第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。这里，第五表面S5对应于光入射面IS。如本示例所示，通过在入射部21中形成自由曲面，可以减小投射透镜的负担，因此，可以形成薄光学系统。为了防止由入射折射表面和出射折射表面上的波长引起的色散，入射部21的光轴AX和出射部23的光轴AX在其中消除了色散的相同方向上倾斜。投射透镜12包括三个透镜L1、L2和L3。这些透镜L1、L2和L3的两个光学表面都是非球面。图5B具体地示出了构成导光装置20的第一表面S1至第五表面面S5的本地坐标。
图6A至图6F和图7A至7F示出了示例1的像差。在各个像差图中，水平轴表示瞳孔中的位置，而垂直轴表示像差量。具体地，图6A和6B以微米量级表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图6C和6D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角的Y方向和X方向上的像差。图6E和图6F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图7A和图7B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图7C和图7D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图7E和图7F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是当光线向后移动时在图像显示装置的图像表面上的像差量。
示例2
在表5中展示了示例2的光学表面的数据。
[表5]
对于示例2的棱镜的光学表面，在其横截面上的光轴偏移量DCX和光轴倾斜角TLY被展示在表6中。
[表6]
对于示例2的光学表面的非球面，通过对其截面形状执行多项式展开而获得的系数Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表7中。
[表7]
图8是示例2的导光装置20和投射透镜12的截面图。导光装置20包括作为平行光导22的一对平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1对应于光出射面OS。导光装置20包括在入射部21中的为平面的第三表面S3、为平面的第四表面S4和作为与第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。这里，第五表面S5对应于光入射面IS。在示例2中，入射部21的光轴AX和出射部23的光轴AX平行。投射透镜12包括三个透镜L1、L2和L3。这些透镜L1、L2和L3的两个光学表面都是非球面。
图9A至图9F和图10A至图10F示出了示例2的像差。在各个像差图中，水平轴表示瞳孔中的位置，而垂直轴表示像差量。具体地，图9A和9B以微米量级表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图9C和图9D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图9E和图9F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图10A和图10B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图10C和图10D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图10E和图10F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是当光线向后移动时在图像显示装置的图像表面上的像差量。
示例3
表8展示了示例3的光学表面的数据。
[表8]
对于示例3的棱镜的光学表面，在其横截面上的光轴偏移量DCX和光轴倾斜角TLY被展示在表9中。
[表9]
对于示例3的光学表面的非球面，通过对其截面形状执行多项式展开而获得的系数Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表10中。
[表10]
图11是示例3的导光装置20和投射透镜12的截面图。导光装置20包括作为平行光导22的一对平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1对应于光出射面OS。导光装置20包括在入射部21中的、为平面的第三表面S3、为平面的第四表面S4和作为与第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。这里，第五表面S5对应于光入射面IS。投射透镜12包括三个透镜L1、L2和L3。这些透镜L1、L2和L3的两个光学表面都是非球面。为了防止由于入射折射表面和出射折射表面上的波长引起的色散，入射部21的光轴AX和出射部23的光轴AX在其中消除了色散的相同方向上倾斜。
图12A至图12F和图13A至图13F示出了示例3的像差。在各个像差图中，水平轴表示瞳孔中的位置，而垂直轴表示像差量。具体地，图12A和12B以微米量级表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图12C和图12D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图12E和图12F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图13A和图13B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图13C和图13D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图13E和图13F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是当光线向后移动时在图像显示装置的图像表面上的像差量。
示例4
表11展示了示例4的光学表面的数据。
[表11]
对于示例4的棱镜的光学表面，在其横截面上的光轴偏移量DCX和光轴倾斜角TLY被展表在表12中。
[表12]
在表13中展示了通过对示例4的光学表面的自由曲面执行多项式展开而获得的系数Akm,n。
[表13]
图14是示例4的导光装置20和投射透镜12的截面图。导光装置20包括作为平行光导22的一对平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1对应于光出射面OS。导光装置20包括在入射部21中的、为平面的第三表面S3、为自由曲面并且在截面上具有相对小的负折射力的第四表面S4以及作为第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。这里，第五表面S5对应于光入射面IS。为了防止由于入射折射表面和出射折射表面上的波长引起的色散，入射部21的光轴AX和出射部23的光轴AX在其中消除了色散的相同方向上倾斜。投射透镜12包括三个透镜L1、L2和L3。这些透镜L1、L2和L3的两个光学表面都是非球面。
图15A至图15F和图16A至图16F示出了示例4的像差。在各个像差图中，水平轴表示瞳孔中的位置，而垂直轴表示像差量。具体地，图15A和15B以微米量级表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图15C和图15D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图15E和图15F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图16A和图16B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图16C和图16D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图16E和图16F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是当光线向后移动时在图像显示装置的图像表面上的像差量。
示例5
表14展示了示例5的光学表面的数据。
[表14]
对于示例5的棱镜的光学表面，在其横截面上的光轴偏移量DCX和光轴倾斜角TLY被展示在表15中。
[表15]
在表16中展示了通过对示例5的光学表面的自由曲面执行多项式展开而获得的系数Akm,n。
[表16]
对于示例5的光学表面的非球面，通过对其截面形状执行多项式展开而获得的系数Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表17中。
[表17]
图17是示例5的导光装置20和投射透镜12的截面图。导光装置20包括作为平行光导22的一对平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1对应于光出射面OS。导光装置20包括在入射部21中的第三表面S3，其是自由形状的曲面并且具有截面上的相对小的折射力。这里，第三表面S3对应于光入射面IS。为了防止由于入射折射表面和出射折射表面上的波长引起的色散，入射部21的光轴AX和出射部23的光轴AX在其中消除了色散的相同方向上倾斜。投射透镜12包括三个透镜L1、L2和L3。这些透镜L1、L2和L3的两个光学表面都是非球面。
图18A至图18F和图19A至图19F示出了示例5的像差。在各个像差图中，水平轴表示瞳孔中的位置，而垂直轴表示像差量。具体地，图18A和18B以微米量级表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图18C和图18D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图18E和图18F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图19A和图19B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图19C和图19D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图19E和图19F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是当光线向后移动时在图像显示装置的图像表面上的像差量。
第二实施方式
在下文中，将描述根据本发明的第二实施方式的设置有导光装置的虚像显示设备。通过部分地改变根据第一实施方式的导光装置来构造根据第二实施方式的导光装置，因此将省略对共同部分的描述。
2A.导光装置和虚像显示设备的结构
图20A所示的虚像显示设备10应用于头戴式显示器，并且包括成对的图像形成装置10和导光装置20。图20A对应于图20B所示的导光装置20的A-A截面。
与第一实施方式类似，虽然虚像显示设备100通常包括用于观测者的右眼和左眼的两对显示单元，其中图像形成装置10和导光装置20作为一个显示单元，但是在本说明书中仅说明用于左眼的一对，而将不说明用于右眼的一对。
与第一实施方式类似地，图像形成装置10包括作为图像装置的液晶装置11和用于光耦合的投射透镜12。
导光装置20包括在该图中与xy平面平行延伸的板状部分。导光装置将在图像形成装置10中形成的图像光线GL作为虚像光朝向观测者的眼睛EY射出，并且无变化地基本上透射与外部图像相对应的外部光EL。导光装置20包括：入射部21，其接收图像光线；平行光导22，其用于引导光；以及出射部23，其输出图像光线。入射部21和平行光导22的主体是由具有高透光性的树脂材料制成的整合体。在第二实施方式中，透过导光装置20的图像光线GL的光路包括其中光线被反射不同次数的多种类型的光路，并且是组合了多种类型的光路的类型。
入射部21包括：光入射面IS，其从图像形成装置10接收图像光线GL；以及反射面RS，其反射接收到的图像光线GL以将反射的光线引导至平行光导22。反射面RS通过在倾斜面21a上诸如铝蒸镀这样的膜沉积而形成，并且对入射的图像光线GL进行反射以使光路沿接近正交方向的预定方向弯曲。亦即，反射面RS通过弯曲图像光线使得从光入射面IS入射且整体上被引向+z方向的图像光线GL整体上被引向+x方向，来与平行光导22内的图像光线GL可靠地耦合。入射部21具有在z方向上突出的三角形棱镜，以确保反射面RS的尺寸。反射面RS在z方向上的宽度可以大于平行光导22的+z方向上的宽度或厚度，并且图像光线GL可以无损耗地耦合到平行光导22。
平行光导22是与该图中的xy平面平行地延伸的板部，也称为光导。平行光导(光导)22由光透射性树脂材料制成，并且包括与xy平面平行的一对平面22a和22b。由于平面22a和22b都是平面，因此外部图像没有被放大并且没有失焦。两个平面22a和22b都用作全反射面，其完全地反射被入射部21的反射面RS弯曲的图像光线，并且用于以更小的损失将图像光线引导到出射部23。这里，+z侧的平面22a布置在平行光导22的外侧以用作第一全反射面，并且在本说明书中也称为外侧面。-z侧的平面22b布置在平行光导22的观测者侧以用作第二全反射面，并且在本说明书中也称为观测者侧的面。后侧平面(观测者侧的面)22b的靠近图像形成装置10的一部分与光入射表面1S共用。亦即，观测者侧的面22b的一部分用作光入射面IS。后侧平面(观测者侧的面)22b向上延伸到出射部23的一端，并且布置在与出射部23的光出射面OS相同的平面中。亦即，平行光导22与出射部23之间的边界面IF布置在比后侧平面22b更内侧的缩回位置。在平行光导22中，从入射部21的反射面RS反射的图像光线GL最初入射到作为第二全反射面的平面22b上，并且被完全反射。随后，图像光线GL入射到作为第一全反射面的平面22a上，并且被完全反射。上述一对全反射被执行一次或重复多次，因此图像光线GL被引导到导光装置20的内侧，即，设有出射部23的+x侧。
出射部23沿着后侧平面(第二全反射面)22b或边界面IF以层叠形状形成在平行光导22的内侧(+x侧)上。当在从平行光导22的一对平面22a和22b全反射的情况下传播并且从外侧平面(第一全反射面)22a被完全反射的图像光线GL被透射时，出射部23以预定角度反射入射的图像光线GL，并且使经反射的图像光线朝向光出射面OS弯曲。这里，最初入射在出射部23上的图像光线GL是作为虚拟光的输出目标。亦即，即使在出射部23中存在从光出射面OS的内表面反射的光线，被反射的光线也不被用作图像光。出射部23具有反射单元30，反射单元30被构造成布置有多个具有透射特性的反射镜(即，多个半反射镜)。反射单元30形成为沿着平行光导22的观测者侧的平面22b延伸。亦即，出射部23或反射单元30的靠近入射部21并且与入射部21分离的两个部分均布置在平行光导22的观测者那侧。
由于导光装置20具有上述构造，因此从图像形成装置10射出并从光入射面IS入射到导光装置20的图像光线GL由入射部21均匀反射和弯曲、从平行光导22的一对平面22a和22b反复地完全反射并且基本上沿着光轴AX行进。从+z侧的平面22a的预定表面区域FR反射的图像光线GL的特定光线入射到入射部23上。在该情况下，在xy平面中，预定表面区域FR在其纵向方向上的宽度小于出射部23在其纵向方向上的宽度。亦即，图像光束GL入射到出射部23(或反射单元30)上的入射宽度大于图像光束GL入射到预定表面区域FR上的入射宽度。如上文所述，通过将图像光束GL入射到预定表面区域FR上的入射宽度设置为相对较窄，由于光出射面OS不用于引导光(即，图像光线GL不从光出射面OS被反射)，因此易于使来自预定表面区域FR的图像光线GL直接入射到发射部23(或反射单元30)上。入射到出射部23的图像光线GL通过在出射部23中以适当的角度被弯曲而被输出，并且最终从光出射面OS射出。从光出射面OS射出的图像光线GL作为虚拟光入射到观测者的眼睛EY上。虚像光在观测者的视网膜上形成图像，因此观测者可以识别由于虚像所引起的图像光线GL。这里，与第一实施方式类似，用于形成图像的图像光线GL入射到出射部23上的角度随着反射镜远离于靠近光源的入射部21而增大。亦即，在出射部23的内侧，相对于z方向具有大倾斜的图像光线GL入射并且以比较大的角度弯曲。在出射部23的前侧上，相对于z方向具有小倾斜度的图像光线GL入射并且以相对小的角度弯曲。
2B.图像光的光路
在下文中，将详细描述图像光线的光路。如图21所示，在从液晶装置11的出射面11a射出的图像光线之中，将由虚线指示的从出射面11a的中心部分射出的成分称为图像光线GL0、将图中由点划线指示的从出射面11a的周边区域中的纸面上的左侧(-x)射出的成分称为图像光线GL1并且将在图中由双点划线指示的从出射面11a的周边区域中的纸面上的右侧(+x)射出的成分称为图像光线GL2。
透射通过投射透镜12的各图像光线GL0、GL1和GL2的主要成分分别从导光装置20的光入射面IS入射，并且以不同的角度从与第一全反射面和第二全反射面相对应的平面22a和22b重复地完全反射。具体地，在图像光线GL0、GL1和GL2之中，从出射面11a的中心部分射出的图像光线GL0被入射部21反射为平行光束、以标准反射角θ0入射到平行光导22的观测者侧的平面22b上并且被完全反射。随后，图像光线GL0在保持标准反射角θ0的情况下从一对平面22a和22b被反复地完全反射。图像光线GL0从平面22a和22b被完全反射偶数次、透射通过平行光导22与出射部23或反射单元30之间的边界面IF而不被反射、并且入射到出射部23的中心部23k。图像光线GL0从部分23k以预定角度被反射，并且沿与包括光出射部OS的xy平面垂直的光轴AX方向、作为平行光束从光出射面OS射出。从出射面11a的一端侧(-x侧)射出的图像光线GL1从入射部21被反射成平行光束、以最大反射角θ1入射到平行光导22的观测者侧的平面22b上并且被完全反射。图象光线GL1从平面22a和22b被完全反射多次、透射通过平行光导22与出射部23或反射单元30之间的边界面IF而没有被反射、以预定的角度从出射部23的内侧(+x侧)部分23h被反射并沿预定角度方向作为平行光束从光出射面OS射出。在该情况下，出射角γ1被形成为使得图像光线GL1返回入射部21并且相对于+x轴具有锐角。同时，从出射面11a的另一端侧(+x侧)射出的图像光线GL2被入射部21反射成平行光束、以最小反射角θ2入射到平行光导22的观测者侧的平面22b上并且被完全反射。图象光线GL2从平面22a和22b被完全反射多次、透射通过平行光导22与出射部23或反射单元30之间的边界面IF而没有被反射、以预定的角度从出射部23的内侧(-x侧)部分23m被反射并且沿预定角度方向作为平行光束从光出射面OS射出。在该情况下，出射角γ2被形成为使得图像光线GL1与入射部21分离并且相对于+x轴具有锐角。图像光GL0、GL1和GL2在到达出射部23之前被完全反射的次数不一定相同。亦即，在该图的示例中，图像光线GL2被全反射的次数比图像光线GL1被完全反射的次数多一次或多次，而图像光线GL0被全反射的次数与图像光线GL1和GL2被完全反射的次数相同。由于来自平面22a和22b的全反射的光反射效率非常高，因此即使图像光线GL0、GL1和GL2被完全反射的次数不同，也不会发生由于这样的差别引起的亮度不均匀性。已经描述了图像光线GL0、GL1和GL2代表所有图像光线GL中的一些图像光线。然而，与图像光线GL0类似，由于构成其他图像光线GL的光线成分被引导并从光出射面OS射出，因此将不说明或描述这些光线成分。
这里，作为用于入射部21和平行光导22的透明树脂材料的折射率的例子，当n＝1.4时，其临界角θc的值为θc≈45.6°。通过将作为各图像光线GL0、GL1和GL2的反射角θ0、θ1和θ2中的最小值的反射角θ2设定为大于临界角θc，可以满足必要的图像光在平行光导22内的全反射条件。引向中心部分的图像光线GL0以仰角φ0(＝90°-θ0)入射到出射部23的部分23k上，针对周边区域的图像光线GL1以仰角φ1(＝90°-θ1)入射到出射部23的部分23h上，并且针对周边区域的图像光线GL2以仰角φ2(＝90°-θ2)入射到出射部23的部分23m上。这里，通过反映反射角θ0、θ1和θ2之间的大小关系，在仰角φ0、φ1和φ2之间满足关系φ2>φ0>φ1。亦即，反射单元30的半反射镜31上的入射角ι(参见图22)以对应于仰角φ2的部分23m、对应于仰角φ0的部分23k和对应于仰角φ1的部分23h的顺序逐渐减小。换言之，半反射镜31上的入射角ι或来自半反射镜31的反射角随着反射镜远离于入射部21而减小。
将描述从平行光导22的外侧平面22a被反射并引向出射部23的图像光束GL的整体移动。在包括光轴AX的截面上，图像光束GL的宽度在从平行光导22的外侧的预定表面区域FR被反射的前直线光路P1和后直线光路P2中的任一光路处变窄。具体地，图像光束GL的宽度沿在包括光轴AX的截面上执行从预定表面区域FR的反射之后的直线光路P2而整体上变窄，因此光束宽度变窄。因此，图像光束GL在出射部23的前面变窄，由此易于相对加宽侧视角。
2C.出射部的结构和由于出射部引起的光路弯曲
在下文中，将参照图21和图22详细描述出射部23的结构和由于出射部23引起的图像光线的光路的弯曲。
首先，将描述出射部23的结构。出射部23具有反射单元30，反射单元30被构造成布置有多个分别反射图像光线GL的半反射镜31。反射单元30是矩形板状构件，并且具有其中多个窄带形半反射镜31嵌入条纹图案的结构。亦即，反射单元30被构造成使得在y方向上延伸的多个细长半反射镜31沿平行光导22延伸的方向(即，沿X方向)以预定间距PT布置。更具体地，半反射镜31在与图21所示的平行光导22的平面22a和22b平行并且与布置半反射镜31的x方向垂直的方向中，沿垂直y方向以纵向方向直线延伸。半反射镜31朝着平行光导22的外侧而不是朝着观测者向入射部21倾斜。更具体地，半反射镜31通过使用纵向(y方向)作为其轴并且使用与平面22a和22b正交的yz平面作为其基准而倾斜成使上端(+z侧)沿逆时针方向旋转。亦即，当在xz截面上观测时，各个反射镜31在-x方向和+z方向之间的方向上延伸。所有半反射镜31彼此平行地仔细布置。
反射单元30具有与第一实施方式相同的结构，并且具有其中接合多个块状构件32的结构。半反射镜31具有插在一对相邻块状构件32之间的薄膜形状。
与第一实施方式类似，可以通过图4所示的方法来制造反射单元30。
反射单元30不限于与平行光导22分开制造的那种反射单元，而是可以与平行光导22一体成型。例如，如图23A所示，制备成为平行光导22的基础构件22i，并且形成锯齿状截面的三维结构部22k，在该三维结构部中在形成有反射单元30的位置处布置多个三角形截面部22j。成为半反射镜31的反射层22n形成在结构部22k的倾斜面22m上，并且液态树脂在结构部22k的槽中流动。因此，如图23B所示，形成多个三角形截面部分22p，并且完成层叠状出射部23即反射单元30，在三角形截面部分中用液态树脂填充构成结构部22k的各个槽。这里，假设在反射单元30和平行光导22之间的边界面IF上存在连接三角形截面部22j的靠近观测者的顶点的平面。边界面IF是指功能性边界，并且不是从材料的观点来看为非连续的接合面，而是从材料的观点来看为连续的面。因此，没有出现图像光线GL从边界面IF的反射。虽然在图23A中描述了反射单元30形成在成为平行光导22的基础构件22i上，但是反射单元30可以通过图23A所示的方法形成在与平行光导22分开形成的基础构件上，并且以这种方式形成的反射单元30可以接合至平行光导22。图23A和图23B所示的反射单元30的制造方法可应用于根据第一示例性实施方式的反射单元30制造方法。
与第一实施方式类似，反射单元30中的半反射镜31的间距PT被设定为约为0.5mm至2.0mm。
与第一实施方式类似地，半反射镜31的间距PT严格上来说不是等间隔，而是可变间距。具体地，反射单元30中的半反射镜31的间距PT是随机间距，其通过使用基准间隔作为其中心而随机地增大或减小。
这里，与第一实施方式类似，反射单元30的厚度，即半反射镜31的z轴方向的厚度TI，被设定为0.7mm至3.0mm左右。与第一实施方式类似，支承反射单元30的平行光导22的厚度被设定为例如大约几mm至10mm，优选地为大约4mm至6mm。
在图21和图22所示的示例中，所有半反射镜31可以通过使用平行光导22的观测者侧的面22b作为其基准，沿顺时针方向形成例如约为48°至70°的倾斜角δ，具体地，形成60°倾斜角δ。这里，假设图像光线GL0的仰角φ0被设为例如30°、图像光线GL1的仰角φ1被设定为例如22°并且图像光线GL2的仰角φ2被设定为例如38°。在该情况下，入射在反射单元30的中心上的图像光线GL0沿垂直于平面22b的-z方向射出，并且入射到观测者的眼睛EY上。入射到与反射单元30的入射部21分离的内侧部分23h上的图像光线GL1相对于图像光线GL0形成角度γ1＝12.5°，并且入射到观测者的眼睛EY上。入射到与反射单元30的靠近入射部21的前侧部23h上的图像光线GL2相对于图像光线GL0形成角度γ2＝12.5°，并且入射到观测者的眼睛EY上。
因此，在图像光线GL之中，其全反射角比较大的成分(图像光线GL1)主要入射到反射单元30的+x侧的部分23h上，其全反射角比较小的成分(图像光线GL2)主要入射到出射部23的-x侧的部分23m上。以这样的方式，可以以能够作为整体被收集在观测者的眼睛EY中的角度状态来有效地输出图像光线GL。由于图像光线GL以这样的角度关系输出，因此导光装置20可以使图像光线GL仅通过反射单元30一次，而基本上不使图像光线通过反射单元多次，并且能够以较小损失作为虚像光输出图像光线GL。
在反射单元30的中心侧或内侧的部分23k和23h中，图像光线GL透射通过半反射镜31多次(具体地，通过包括反射一次和透射一次或更多次)。在该情况下，图像光线通过半反射镜31的次数是多次。然而，由于来自多个半反射镜31的反射光线分别作为图像光线GL入射到观测者的眼睛EY上，因此光量的损失不大。在反射单元30的中心侧或内侧的部分23k和23h中，也很可能产生从平行光导22的后侧或观测者侧(即，光出射面OS)反射的图像光线GL的成分。然而，图像光线GL作为从半反射镜31反射的无用光线GX(参见图22)而被引导到光路的外部，并且防止其入射到观测者的眼睛EY上。通过半反射镜31的无用光线可能再次入射在外侧平面22a上。这里，当无用光线从外侧平面被完全反射时，大多数无用光线可以入射到反射单元30的内侧部分23h或者入射到比内侧部分更内侧且在有效区域外的区域，并且不太可能入射在眼睛EY上。
2D.第二实施方式的结论
根据上述第二实施方式的导光装置20，由于导光装置被设定成使入射到反射单元30的图像光线GL被反射并引向观测者，而不是从平行光导22与反射单元30之间的边界面IF反射图像光线GL，因此图像光GL仅通过处于从出射部23的反射单元30输出图像光线的位置或处于该位置附近的半反射镜31，而不被边界面IF反射。因此，通过减少待观测的图像光线GL通过半反射镜31的次数，可以防止亮度不均匀或光减少。因此，可以防止出现重影光线。从另一个角度看，在根据本实施方式的导光装置20中，反射单元30在光路AX方向上具有等于或小于平行光导22的约一半的厚度，构成反射单元30的半反射镜31倾斜成在平行光导22的远离于观测者的外侧上靠近入射部21，并且反射单元30的靠近至少入射部21的部分被布置在平行光导22的靠近观测者的部分上。因此，要观测的图像光线GL相对于光轴AX的倾斜度在反射单元30的与入射部21分离的内侧相对增加，并且易于使来自入射部21图像光线GL直接入射到反射单元30的目标位置上。亦即，通过减少要观测的图像光线GL通过半反射镜31的次数，可以防止亮度不均匀或光减少，并且可以抑制重影光的出现。
图像光线GL在平行光导22中被完全反射的次数不限于图21所示的示例。亦即，根据平行光导22的在z方向上的厚度或者其在x方向上的长度，可以适当地改变图像光线GL在到达出射部23之前从入射部21被完全反射的次数。
图24是用于描述改变导光装置20的出射部23的结构的示例的图。在该情况下，反射单元30的厚度随着反射单元靠近入射部21而增加，并且反射单元30的厚度随着反射单元远离入射部21而减小。图像光线GL2的仰角φ2在反射单元的远离入射部21的部分处减小，并且可以通过减小反射单元30的厚度来抑制图像光线通过半反射镜31的次数的增加。图24所示的反射单元30的形状或结构类似地适用于第一实施方式。
图25A是用于描述改变出射部23的布置的示例的图，并且是图21所示的导光装置20的一部分的放大截面图。在该情况下，平行光导22和反射单元30被分开设置，并且反射单元30粘附至形成在平行光导22的后侧的观测者侧的面22b。
图25B是用于描述改变反射单元30或出射部23的结构的示例的图，并且对应于图22。在该情况下，半反射镜31的间距稍微加宽，因此可以使得一些外部光EL直接通过。亦即，当从平行光导22的前表面观测时，外部光EL通过的间隙存在于一对相邻反射镜31之间，并且一些外部光EL通过形成在多个半反射镜31之间的多个间隙并且以相对较少的损失入射到观测者的眼睛EY上。如上文所述，当半反射镜31的间距变宽时，即使使用不具有透光性的简单反射镜来代替半反射镜31，也可以在反射单元30上透视外部光EL。
2.第二实施方式的示例
在下文中，将描述根据实施方式的设置在虚像显示设备中的光学系统的示例。示例6中使用的符号或规范与示例1至5相同。
示例6
表18示出了关于示例6的光学表面的数据。
[表18]
对于示例6的棱镜的光学表面，在其横截面上的光轴偏移量DCX和光轴倾斜角TLY被展示在表19中。
[表19]
对于示例6的光学表面的非球面，通过对其截面形状执行多项式展开而获得的系数Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表20中。
[表20]
图26A和图26B是示例6的导光装置20和投射透镜12的截面图。导光装置20包括作为平行光导22的一对平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1对应于光出射面OS。导光装置20包括入射部21中的为平面的第三表面S3和为平面的第四表面S4。这里，第四表面S4对应于光入射面IS。示例6包括反射次数不同但是具有与示例2基本相同的形状的多种类型的光路。图26A示出了在以+z方向作为其基准、在-x方向上倾斜的方向(沿逆时针方向倾斜的方向)上主要入射在眼睛EY上的图像光线GL。图26B示出了在以+z方向作为其基准、在+x方向上倾斜的方向(沿顺时针方向倾斜的方向)上主要入射在眼睛EY上的图像光线GL。投射透镜12包括三个透镜L1、L2和L3。这些透镜L1、L2和L3的两个光学表面都是非球面。
图27A至图27F和图28A至图28F示出了示例6的像差。在各个像差图中，水平轴表示瞳孔中的位置，而垂直轴表示像差量。具体地，图27A和27B以微米量级表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图27C和图27D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图27E和图27F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图28A和图28B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图28C和图28D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。图28E和图28F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角处的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是当光线向后移动时在图像显示装置的图像表面上的像差量。
第三实施方式
在下文中，将参照图29和图30描述根据第三实施方式的导光装置和虚像显示设备。根据本实施方式的导光装置和虚拟显示装置是图1A所示的第一实施方式和第二实施方式等的修改例，并且将省略对共用元素的描述。
如图29和图30所示，在根据本实施方式的导光装置20中，设置在出射部23中的反射单元30设置成倾斜。亦即，反射单元30倾斜成使得远离入射部21的内侧部分23h比靠近入射部21的前侧部分23m更靠近外侧。亦即，反射单元30的入射面30a和出射面30b以平行光导22的平面22b为基准沿逆时针方向以小于90°的角度适当地倾斜。出射部23包括棱镜构件23f，该棱镜构件23f在与平行光导22相反的一侧上耦合到反射单元30的出射面30b，其中反射单元30插在棱镜构件23f与平行光导22之间。因此，平行光导22的外侧平面22b和与平面22b相对的光出射面OS是平行的，因此可以自然地观测外部光EL。
如图30所示，即使反射单元30布置成倾斜的，由于第一实施方式和第二实施方式的角度条件相同(例如，参见图22)，因此从平行光导22的外侧平面22a反射的图像光线GL可以从多个半反射镜31反射，并且可以通过观测者侧的平面22b。从出射部23射出的图像光线GL0、GL1和GL2形成如图21等的情况中的虚像。这里，图像光束GL的宽度在包括光AX的截面上作为整体被反射之前、在预定表面区域FR的直线光路P1处变窄，并且光束宽度变窄。因此，图像光束GL在出射部23的前面变窄，因此易于相对加宽侧视角。
在第一实施方式和第二实施方式中，没有必要将反射单元30的远离入射部21的内侧端23p连接到外侧平面22a，并且端部23p可以与平面22a分开。反射单元30不必在平行光导22内在截面图中以平面形状或直线延伸。例如，当在图29的截面上观测时，反射单元可以在+z侧具有凹形形状，或者可以具有包括多个线段的形状。然而，反射单元需要具有连续的形状。
其他
虽然结合各实施方式描述了本发明，但是本发明不限于上述实施方式，而是可以在不背离其主旨的情况下以各种形式来实现。例如，本发明可以进行如下修改。
虽然设置在反射单元30中的多个半反射镜31的反射率彼此基本上一致，但是半反射镜31的反射率可以从入射部21至出射部23逐渐改变。
例如，虽然在第二实施方式中描述了入射部21反射图像光线GL并且使得图像光线入射到平行光导22的一个平面22b上，但是可以通过改变入射部21的形状(反射面RS或光入射面IS的倾斜度或它们之间的距离)而使得图像光线GL入射到平行光导22的另一平面22a上。
例如，在第二实施方式中，入射部21的光入射面IS不需要与构成平行光导22的一对平面22a和22b中的任一个共用，并且可以是与平面分开的表面。例如，如图31A所示，设置在平行光导22的光入射侧的入射部121可以从后侧平面22b突出。在该情况下，光入射面IS与观测者侧的面22b分开设置，但是易于使图像光线GL倾斜地入射在平行光导22上。如图31B所示，当形成从观测者侧的面22b突出的入射部121时，图像光线可以从倾斜表面21f被反射一次。在该情况下，可以增加在进行诸如图像形成装置10的布置这样的设计时的自由度。
已经描述了透射型液晶装置11用作图像装置。然而，图像装置不限于透射型液晶装置，并且可以使用各种装置。例如，可以将使用反射型液晶面板的装置用作图像装置，或者可以使用数字微镜装置来代替液晶装置11。可以使用由有机EL、LED阵列或有机LED表示的自发光器件。可以使用其中设置有激光光源、多角镜和其它扫描器的激光扫描器。
虽然描述了作为虚像显示设备100而设置两对图像形成装置10与导光装置20以对应于右眼和左眼，但是可以仅针对右眼和左眼中的任何一个来提供图像形成装置10和导光装置20，并且可以通过一只眼睛观测图像。
虽然描述了透视型虚像显示设备，但是出射部23适用于除了透视型以外的其他虚像显示设备。当不一定要观测外部图像时，平面22a可以具有大约100％的光反射率。
虽然具体描述了根据本实施方式的虚像显示设备100是头戴式显示器，但是虚像显示设备100可以应用于平视显示器和双目型手持显示器。
已经描述了图像光线从与空气的边界面完全反射并且被引导，而不是在平行光导22的表面21b或平面22a和22b上设置反射镜或半反射镜。然而，本发明中的全反射可以包括通过在整个平面22a和22b或其一部分上形成镜面涂层或半反射镜膜而进行的反射。例如，全反射可以包括在整个平面22a和22b或其一部分上进行镜面涂层的情况，并且当图像光线GL的入射角满足全反射条件时基本上所有的图像光线都被反射。
在第二实施方式中已经描述了平行光导22具有在x方向上的横向长度，并且光入射面IS形成为位于眼睛在与xy平面平行的平面上的左侧和右侧之外。然而，只要能够将图像光线GL适当地引导到导光装置20的内部，光入射面IS的位置就不限于上述位置。例如，光入射面可以形成在存在于导光装置20的顶部和底部上的上端面TP或下端面BP的一部分上。
尽管未描述，然而限定平行光导22的外观的外周的上端面TP或下端面BP可以是黑漆涂覆表面或喷砂表面。可以在除上端面TP或下端面BP之外的位置执行黑漆涂覆工艺或喷砂工艺。黑漆涂覆工艺或喷砂工艺可以在上端面TP或下端面BP的仅一部分中执行。
构成反射单元30的半反射镜31不限于适当地降低反射率的反射镜，并且可以使用全息反射镜。在该情况下，全息反射镜可以是一次处理RGB颜色的多层型，或者可以是针对每种颜色的单层膜。
附图标记列表
10：图像形成装置；11：液晶装置；11a：出射面；12：投射透镜；14：光源；20：导光装置；21：入射部；22：平行光导；22a，22b：平面(全反射面)；23：出射部；23h，23k，23m：部分；30：反射单元；31：半反射镜；32：块状构件；100：虚像显示设备；AX：光轴；EY：眼睛；GL：图像光线；GL0，GL1，GL2：图像光线；GX：无用光；IS：光入射面；OS：光出射面；RS：反射面；IF：边界面；FR：预定表面区域。

Claims (17)

1.一种导光装置，包括：
光导，所述光导包括彼此相对以对应于观测者和外侧并且彼此基本平行地延伸的一对表面；
入射部，所述入射部被设置在所述光导的一端；以及
出射部，所述出射部被设置在所述光导的另一端，
其中，所述出射部包括反射单元，所述反射单元被构造成布置有反射图像光线的多个反射镜，并且
所述多个反射镜朝着所述外侧向所述入射部倾斜，对入射在所述反射单元上的所述图像光线进行反射而不从所述光导与所述反射单元之间的边界面反射所述图像光线，并且使得经反射的图像光线被引向所述观测者。
2.根据权利要求1所述的导光装置，其中，所述反射单元的厚度小于所述光导的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的导光装置，其中，所述多个反射镜平行地布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的导光装置，其中，所述多个反射镜以可变间距布置。
5.根据权利要求4所述的导光装置，其中，所述多个反射镜以随机间距布置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的导光装置，其中，所述多个反射镜以0.5mm至2.0mm的间距布置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的导光装置，其中，在所述图像光线之中，用于形成图像的光线入射到所述反射单元的反射镜上的角度随着所述反射镜变得远离所述入射部而减小。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的导光装置，其中，用于形成图像的光束在所述外侧从所述光导的预定表面区域反射且入射到所述反射单元，并且所述光束的宽度在包括光轴的截面上从所述预定表面区域反射的前直线光路和后直线光路中的任一直线光路处变窄。
9.根据权利要求8所述的导光装置，其中，在所述包括光轴的截面上，用于形成图像的所述光束入射到所述反射单元上的入射宽度大于用于形成图像的所述光束入射到所述预定表面区域上的入射宽度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的导光装置，其中，所述多个反射镜是半反射镜。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的导光装置，其中，所述反射单元沿着所述光导的靠近所述观测者的表面而布置。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的导光装置，其中，所述反射单元被布置为倾斜成使得远离所述入射部的部分相对靠近所述外侧。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的导光装置，其中，所有视角中的图像光线在所述光导内被反射相同的次数、从所述多个反射镜被反射并且到达所述观测者的眼睛。
14.根据权利要求13所述的导光装置，其中，所述入射部包括为曲面的入射面和反射面中的至少一个。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的导光装置，其中，所述光导包括彼此平行延伸的第一全反射面和第二全反射面作为一对相对面，并且通过从所述第一全反射面和所述第二全反射面的全反射来引导由所述入射部接收的图像光线。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的导光装置，其中，存在于所述入射部处的表面是非轴对称曲面。
17.一种虚像显示设备，包括：
图像装置，所述图像装置产生图像光线；以及
根据权利要求1至16中任一项所述的导光装置。
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