CN107870428B - 图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

图像显示装置，能够观察失真较少的透视像。该图像显示装置具有：图像显示器件，其射出图像光；导光体，其具有第1面以及与第1面相反的第2面；投影透镜，其将图像光投射到导光体的光入射部；以及光取出单元，其设置于导光体的第1面或第2面，朝向位于导光体的所述第1面侧的出瞳取出在导光体内引导的图像光，光取出单元具有：第1边缘，其位于导光体的光入射部侧的端部；以及第2边缘，其位于与光入射部侧相反的端部，并且该光取出单元能够透过从第2面侧向第1面侧透过导光体而入射到出瞳的透视光，第1边缘和第2边缘的至少一方位于供透视光通过的透视视野范围的外侧。

Description

图像显示装置
技术领域
本发明涉及图像显示装置。
背景技术
近年来，作为如头戴式显示器这样能够进行虚像的形成和观察的透视型图像显示装置，已知有利用导光板将来自显示元件的影像光引导至观察者的光瞳的类型的图像显示装置(例如参照下述专利文献1)。该图像显示装置利用设置于导光板表面的半反射镜阵列来取出在导光板中引导的光，引导至观察者的眼睛。
专利文献1：日本特开2016-42136号公报
但是，在上述结构中具有如下这样的问题：当半反射镜阵列的边缘部分位于透视光的视野范围内时，成为透视像的障碍，透视像产生失真。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供能够观察失真较少的透视像的图像显示装置。
根据本发明的第1方式，提供一种图像显示装置，其具有：图像显示器件，其射出图像光；导光体，其具有第1面以及与所述第1面相反的第2面；投影透镜，其将所述图像光投射到所述导光体的光入射部；以及光取出单元，其设置于所述导光体的所述第1面或所述第2面，朝向位于所述导光体的所述第1面侧的出瞳取出在所述导光体内引导的所述图像光，所述光取出单元具有：第1边缘，其位于所述导光体的所述光入射部侧的端部；以及第2边缘，其位于与所述光入射部侧相反的端部，所述光取出单元能够透过从所述第2面侧向所述第1面侧透过所述导光体而入射到所述出瞳的透视光，所述第1边缘和所述第2边缘的至少一方位于所述透视光通过的透视视野范围的外侧。
根据第1方式的图像显示装置，由于第1边缘和第2边缘的至少一方位于透视视野范围的外侧，所以，能够观察没有失真的透视光。
在上述第1方式中，优选的是，所述光取出单元设置于所述导光体的所述第1面。
作为光入射侧的第2面的透视视野范围的宽度比第1面大。如果采用该结构，则将光取出单元配置于第1面，所以，与配置于第2面侧的情况相比，能够使光取出单元小型化。
在上述第1方式中，优选的是，在设所述出瞳的直径为D、从所述出瞳到所述光取出单元的距离为Er、规定通过所述出瞳的中心的光轴与所述透视视野范围所成的角的透视视野半角为θs、从所述光轴到所述第1边缘或所述第2边缘的距离为L时，满足L>Er·tan(θs)+D/2。
根据该结构，能够使第1边缘和第2边缘的至少一方位于透视视野范围的外侧。
在上述第1方式中，优选的是，所述透视视野半角被设定为30度以上。
根据该结构，在观察者的视野内，图像光形成的虚像与透视光(外界像)的平衡变好，所以，观察者能够观察异样感较少的图像。
在上述第1方式中，优选的是，所述光取出单元具有半反射镜阵列，该半反射镜阵列包含多个半反射镜，多个所述半反射镜配置成相对于所述导光体的所述第1面或所述第2面呈相同的倾斜角度。
根据该结构，能够在保持图像光的视场角的状态下朝向出瞳取出图像光。
在上述第1方式中，优选的是，所述半反射镜阵列在所述第1边缘或所述第2边缘与所述半反射镜阵列之间具有未设置所述半反射镜的虚设区域。
根据该结构，通过设置虚设区域，能够在不增加半反射镜的数量的情况下调整边缘的位置，所以，能够减少光取出单元的成本。
在上述第1方式中，优选的是，所述半反射镜阵列以所述第1边缘、所述第2边缘和所述半反射镜相互平行的方式形成。
根据该结构，光取出单元的制造变得容易。
在上述第1方式中，优选的是，相对于所述导光体的所述第1面或所述第2面，所述第1边缘设置为正锥形，所述第2边缘设置为倒锥形。
根据该结构，光取出单元的制造变得容易。
在上述第1方式中，优选的是，在所述第2边缘与所述导光体的所述第1面或所述第2面之间填充有树脂。
根据该结构，能够提供减少由于锐角的边缘露出而引起的光散射的产生、并减少了由于锐角的边缘引起的安全上的问题(由于边缘引起的手的受伤等)的光取出单元。
在上述第1方式中，优选的是，所述光取出单元是衍射光学元件。
根据该结构，能够使用光的衍射来有效地取出图像光。
在上述第1方式中，优选的是，所述透视视野范围是观察者能够伴随视线移动的同时至少识别所述透视光的有效视野范围。
根据该结构，能够使第1边缘和第2边缘的至少一方位于有效视野范围的外侧。
在上述第1方式中，优选的是，规定通过所述出瞳的中心的光轴与所述有效视野范围所成的角的有效视野半角被设定为20度以上。
根据该结构，观察者M能够伴随视线的移动的同时识别字符或图像等规定信息，并且能够自然地识别为图像光G的虚像和透视光(外界像)。
在上述第1方式中，优选的是，在将所述图像光引导至所述出瞳的视场角范围比所述有效视野范围大的情况下，所述第1边缘和所述第2边缘的至少一方位于所述视场角范围的外侧。
根据该结构，第1边缘或第2边缘的至少一方不与图像光重叠，所以，观察者能够观察质量良好的图像。
根据本发明的第2方式，提供一种图像显示装置，该图像显示装置具有：图像显示器件，其射出图像光；导光体，其具有第1面以及与所述第1面相反的第2面；投影透镜，其将所述图像光投射到所述导光体的光入射部；以及光取出单元，其设置于所述导光体，朝向位于所述导光体的一个面侧的出瞳取出在所述导光体内引导的所述图像光，所述导光体具有位于与所述光入射部侧相反的端部的端面，所述光取出单元能够透过从所述第2面侧向所述第1面侧透过所述导光体而入射到所述出瞳的透视光，所述导光体的所述端面位于所述透视光通过的透视视野范围的外侧。
根据第2方式的图像显示装置，导光板的端面位于透视视野范围的外侧，所以能够观察没有失真的透视光。
附图说明
图1是示出观察者佩戴了第1实施方式的图像显示装置的状态的图。
图2是第1实施方式的图像显示装置的立体图。
图3是示出图像显示部的概略结构的水平剖视图。
图4是从后侧观察图像显示部的主视图。
图5A是示出光取出单元的制造方法的图。
图5B是示出光取出单元的制造方法的图。
图5C是示出光取出单元的制造方法的图。
图6是用于说明直到入射到观察者的眼睛为止的图像光的光路的图。
图7是示出第2实施方式的图像显示部的结构的剖视图。
图8是示意性示出第3实施方式的图像显示部的有效视野范围的图。
图9是示出第3实施方式的图像显示部的结构的剖视图。
图10是示出第4实施方式的图像显示部的结构的剖视图。
图11是示出第5实施方式的图像显示部的结构的剖视图。
图12是示出第6实施方式的图像显示部的结构的剖视图。
标号说明
10：图像形成部；11：图像显示面板；12：投影透镜；21：导光体；22：光入射部；23：平行导光板；23a：第1面；23b：第2面；31、131：光取出单元；31b：半反射镜；33：第1边缘；34：第2边缘；35：光学树脂；100：图像显示装置；AX：光轴；D：直径；DM：虚设区域；Er：出瞳距离(eyerelief)；G：图像光；G0：图像光；G1：图像光；G2：图像光；KM：半反射镜形成区域；Lf：图像显示范围；M：观察者；ME：眼睛；SA：透视视野范围；SM：出瞳。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
另外，为了容易理解特征，在以下的说明所使用的附图中，方便起见，有时放大示出作为特征的部分，各结构要素的尺寸比例等未必与实际相同。
(第1实施方式)
本实施方式的图像显示装置是能够看到图像以及外界的透视型头戴式显示器。即，使观察者识别作为虚像的影像，并使观察者观察外界像作为透视光。
图1是示出观察者佩戴了本实施方式的图像显示装置的状态的图。图2是本实施方式的图像显示装置的立体图。
如图1所示，本实施方式的图像显示装置100由观察者M以戴眼镜的感觉佩戴于头部进行使用。
如图2所示，图像显示装置100具有：显示部111，其具有与眼镜类似的形状；以及控制装置(控制器)160，其具有观察者能够手持的程度的大小。显示部111和控制装置160以能够进行通信的方式通过有线或无线连接。在本实施方式中，构成显示部111的左眼用图像显示部111A以及右眼用图像显示部111B各自与控制装置160以能够进行有线通信的方式经由缆线150进行连接，对图像信号或控制信号进行通信。
显示部111具有主框架120、左眼用图像显示部111A和右眼用图像显示部111B。控制装置160具有显示画面部170和操作按钮部180。
显示画面部170例如显示赋予给观察者的各种信息或指示等。主框架120具有用于供观察者挂在耳朵上的一对镜腿部122A、122B。主框架120是支承左眼用图像显示部111A和右眼用图像显示部111B的部件。
右眼用图像显示部111B和左眼用图像显示部111A具有相同的结构，双方的显示部111内的各结构要素配置为左右对称。因此，以下，将左眼用图像显示部111A简记为图像显示部112进行详细说明，省略右眼用图像显示部111B的说明。
以下，在附图中使用XYZ坐标系。X方向相当于佩戴图像显示装置的观察者的前后方向，Y方向相当于观察者的左右方向，Z方向是与X方向以及Y方向垂直的方向，相当于观察者的上下方向。在本实施方式中，有时将-Y方向称作左方向(左侧)、+Y方向称作右方向(右侧)、+X方向称作前方向(前方或前侧)、-X方向称作后方向(后方或后侧)。
图3是示出图像显示部112的概略结构的水平剖视图。图3所示的截面是与XY平面平行的面中的截面。图4是从后侧观察图像显示部112的主视图。
如图3和如图4所示，图像显示部112具有图像形成部10和导光部20。图像形成部10具有图像显示面板11和投影透镜12。图像显示面板11由液晶显示面板、有机EL面板等图像显示器件构成。投影透镜12将图像显示面板11显示的图像光G投射到导光部20的光入射部22。投影透镜12由玻璃或塑料形成，也可以构成为多个，而不限于1个。
导光部20将由图像形成部10形成的图像光G作为虚像光朝向观察者M的眼睛ME射出，并使与外界像对应的外界光作为透视光SL透过。导光部20具有；导光体21；以及光取出单元31，其将在导光体21内引导的图像光G取出到外部。
导光体21是利用具有高透光性的树脂材料对光入射部22和平行导光板23进行成型的一体部件，该光入射部22将图像光G取入到内部。
光入射部22由三角棱镜状构成，具有：光入射面22a，其取入来自投影透镜12的图像光G；以及反射部22b，其反射所取入的图像光G并引导至平行导光板23内。反射部22b在棱镜形状的表面上形成铝蒸镀膜，反射所入射的图像光G，使其光路朝接近垂直方向的方向弯折。由此，图像光G从光入射部22入射到平行导光板23。
这里，设定光轴AX作为通过出瞳SM的中心的轴。在光学设计上，出瞳SM是在佩戴了图像显示装置100时观察者M的眼睛ME所处的位置。
平行导光板23由在观察者M的左右方向(两眼排列的Y方向)上延伸的板状构成。具体而言，平行导光板23配置为相对于通过出瞳SM的中心的光轴AX稍微倾斜。平行导光板23以接近后方(-X方向)即脸部的方式，朝向观察者M的左侧(-Y方向)倾斜。
根据这样的结构，平行导光板23沿着观察者M的脸部的曲线配置，所以，包含导光体21的图像显示部112自身也能够采用沿着脸部的曲线的形状。因此，具有该图像显示部112的图像显示装置100自身的设计性也变得优异。
平行导光板23具有相互平行的一对第1面23a、第2面23b。第1面23a和第2面23b是平行平面，所以，对于外界像，不会产生放大或对焦偏差。
第1面23a和第2面23b作为使在内部传播的图像光G全反射的全反射面发挥功能，以较少的损耗将图像光G引导至光取出单元31。在本实施方式中，第1面23a和上述光入射面22a形成连续的平面。
入射到平行导光板23的图像光G首先入射到第1面23a并进行全反射。然后，图像光G入射到第2面23b并进行全反射。图像光G在第1面23a与第2面23b之间进行1次以上全反射，由此，在从光入射部22远离的方向上传播，到达光取出单元31。
光取出单元31设置于平行导光板23的第1面23a，朝向出瞳SM取出在平行导光板23内传播的图像光G。出瞳SM位于平行导光板23的第1面23a侧。另外，光取出单元31被设计成满足规定的条件。在后面叙述光取出单元31的设计条件。
光取出单元31以光学方式粘接在平行导光板23的第1面23a。光取出单元31由板状部件构成，该板状部件沿着平行导光板23的第1面23a在Y方向上延伸。
如图3所示，光取出单元31具有透明部件31a、和嵌入到透明部件31a内的多个半反射镜31b。透明部件31a的折射率与平行导光板23的折射率大致相等。由此，可减少光取出单元31与平行导光板23的界面上的图像光G的反射。
在本实施方式中，光取出单元31包含形成有半反射镜31b的半反射镜形成区域KM、以及未形成有半反射镜31b的虚设区域DM。即，半反射镜形成区域KM是由透明部件31a和半反射镜31b构成的区域，虚设区域DM是仅由透明部件31a构成的区域。另外，在后面叙述虚设区域DM的效果。
多个半反射镜31b是在Z方向上具有长边的部件，按照规定间距配置在透明部件31a内。多个半反射镜31b在以使前侧端部31b2比后侧端部31b1更接近光入射部22侧(-Y侧)的方式相对于平行导光板23的第1面23a倾斜的状态下配置。多个半反射镜31b配置为与第1面23a呈相同的倾斜角度。即，多个半反射镜31b以相互平行的方式配置。
光取出单元31以形成于其两端的第1边缘33以及第2边缘34与半反射镜31b相互平行的方式形成。根据该结构，如后所述，光取出单元31的制造变得容易。
在本实施方式中，光取出单元31具有位于左右方向上的两侧的第1边缘33和第2边缘34。第1边缘33是形成光入射部22侧(-Y侧)的端部的部位，第2边缘34是形成与光入射部22侧相反(+Y侧)的端部的部位。
第1边缘33相对于第1面23a设置为正锥形，第2边缘34相对于第1面23a设置为倒锥形。
这里，正锥形是相对于第1面23a的倾斜角为钝角的状态，倒锥形是相对于第1面23a的倾斜角为锐角的状态。
倒锥形的第2边缘34成为锐角的边缘露出的状态，在本实施方式中，用光学树脂35填埋第2边缘34。由此，减少由于锐角的边缘露出而引起的光散射的产生，并减少了由于锐角的边缘引起的安全上的问题(由于边缘引起的手的受伤等)。
另外，优选使用接近光取出单元31的玻璃折射率的折射率，作为光学树脂35的折射率。或者，也可以使用吸收光而不产生无用的散射光的黑色的树脂。
如上所述，光取出单元31如上述那样由透明部件31a和半反射镜31b构成。因此，光取出单元31使从平行导光板23的第2面23b侧入射到第1面23a侧的光进一步透过并入射到上述出瞳SM。即，观察者M能够经由光取出单元31和导光部20观察外界像作为透视光SL。
接下来，对上述结构的光取出单元31的制造方法的一例进行说明。
图5A～图5C是示出光取出单元31的制造方法的图。
首先，如图5A所示，在表面层叠对大幅面半反射镜131a进行制膜后的玻璃板132，形成用玻璃块133夹着两侧的层叠体140。另外，层叠体140通过将各自的玻璃板132和玻璃块133进行光学粘接而构成。
接下来，通过如图5A的虚线所示以规定厚度对层叠体140进行切割(切断)，剪切出多个光取出单元31。另外，玻璃板132和玻璃块133被切断而构成透明部件31a，多个大幅面半反射镜131a被切断而构成多个半反射镜31b。
在切断层叠体140而进行单片化时，以使半反射镜31b相对于平行导光板23的第1面23a呈期望的倾斜角、且使光取出单元31成为期望的厚度的方式进行切割(切断)，对两个平面进行研磨。
这样剪切出的光取出单元31成为如图5B所示的板状，但形成在其两端的第1边缘33和第2边缘34成为与半反射镜31b平行的面。
此外，相当于玻璃块133的部位构成光取出单元31中的未形成有半反射镜31b的虚设区域DM。即，能够根据玻璃块133的厚度，适当调整虚设区域DM的大小。
接下来，如图5C所示，光取出单元31以光学方式粘接在平行导光板23的第1面23a。接下来，用光学树脂(填充树脂)35填埋第2边缘34的锐角边缘，该第2边缘34相对于第1面23a成为倒锥形。
由此，能够制造如下的光取出单元31：减少由于锐角的边缘露出而引起的光散射的产生，并减少了由于锐角的边缘引起的安全上的问题(由于边缘引起的手的受伤等)。
如上所述，能够形成导光部20，该导光部20具有导光体21和光取出单元31。
接下来，参照图6说明直到由图像形成部10形成的图像光G入射到观察者M的眼睛ME为止的光路。
在图6中，设从图像显示面板11射出的图像光G中的从虚线表示的中央部分射出的成分为图像光G0、从图6中单点划线表示的周边中的位于最左侧的左端射出的成分为图像光G1、从图6中双点划线表示的周边中的位于最右侧的最右端射出的成分为图像光G2。另外，图像光G0、G1、G2说明了图像光G的光线全体的一部分，但构成图像光G的其他光线成分也与图像光G0等同样被引导，从光出射面31A射出。因此，省略它们的图示和说明。
经过了投影透镜12的各图像光G0、G1、G2在分别从导光部20的光入射部22(光入射面22a)入射后，经过反射部22b并通过平行导光板23内，到达光取出单元31。
这里，图像光G入射到光取出单元31的角度随着从光入射部22远离而变大。即，相对于光轴AX的倾斜度较大的图像光G入射到光取出单元31的右侧(从光入射部22远离的一侧)并以比较小的角度弯折，相对于光轴AX的倾斜度较小的图像光G入射到光取出单元31的左侧(接近光入射部22的一侧)并以比较大的角度弯折。
具体而言，图像光G0不在平行导光板23的第1面23a与光取出单元31的界面处反射，而入射到光取出单元31的中央部分。图像光G0被半反射镜31b以规定角度反射，沿着相对于包含光出射面31A的平面倾斜规定角度的光轴AX方向，作为从光出射面31A朝向出瞳SM的平行光束射出。
此外，图像光G1不在平行导光板23的第1面23a与光取出单元31的界面处反射，而入射到光取出单元31的右侧(+Y侧)的部分。图像光G1被半反射镜31b以比图像光G0小的角度反射，作为从光出射面31A朝向出瞳SM的平行光束射出。
同样，图像光G2不在平行导光板23与光取出单元31的界面处反射，而入射到光取出单元31的左侧(-Y侧)的部分。图像光G2被半反射镜31b以比图像光G0大的角度反射，作为从光出射面31A朝向出瞳SM的平行光束射出。
如上所述，入射到光取出单元31的图像光G以所设计的角度弯折，由此成为能够朝向出瞳SM取出的状态，最终入射到位于出瞳SM的观察者M的眼睛ME。从光取出单元31射出的图像光G作为虚像光入射到观察者M的眼睛ME，虚像光在观察者M的视网膜上成像，由此，观察者M能够识别虚像的影像。
此外，本实施方式的图像显示装置100能够使观察者M观察外界像，作为透视光SL。以下，在图像显示装置100中，将使透视光SL入射到观察者M的眼睛ME(出瞳SM)的范围(能够观察外界像的范围)称作透视视野范围。
但是，光取出单元31在左右方向两端具有第1边缘33和第2边缘34。当第1边缘33或者第2边缘34存在于透视视野范围时，透视光SL的像产生失真，无法良好地观察透视光SL(外界像)。
因此，在本实施方式的图像显示装置100中，通过使光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)不位于透视视野范围，能够良好地观察透视光SL。以下，对透视视野范围与光取出单元31的边缘的位置关系进行说明。
在图6中，设出瞳SM的直径为D、沿着光轴AX的出瞳SM与光取出单元31的间隔(称作出瞳距离)为Er、透视视野半角(光轴AX与透视视野范围SA所成的角度)为θs、光轴AX到光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)的距离为L、规定显示图像光G(虚像)所需的视场角的图像显示范围为Lf。
这时，在本实施方式的光取出单元31中，满足规定了如下条件的下式(1)：距离L比透视视野范围SA大。
L>SA＝Er·tan(θs)+D/2……式(1)
在本实施方式的图像显示装置100中，半反射镜形成区域KM对应于图像显示范围Lf的区域。而且，通过在半反射镜形成区域KM的外侧设置虚设区域DM，使光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)位于图像显示范围Lf和透视视野范围SA的外侧。
此外，通过设置虚设区域DM，能够在不使半反射镜31b的数量增加的情况下调整第1边缘33和第2边缘34的位置，所以，能够减少光取出单元31的成本。
在本实施方式中，优选的是，将透视视野半角θs设定为30度以上。在将透视视野半角θs设定为上述范围时，观察者M的视野内的图像光G的虚像与透视光(外界像)的平衡变好，所以，观察者M能够观察异样感较少的图像。
具体而言，在设出瞳SM的直径D为8mm、出瞳距离Er为20mm、透视视野半角θs为45度时，透视视野范围SA为24mm。
因此，在本实施方式中，将光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)配置于从光轴AX远离24mm以上的位置。
这里，在设确定可利用图像光G进行观察的虚像的尺寸的图像半视场角θf为10度时，图像显示范围Lf为大约7.5mm。半反射镜形成区域KM比该7.5mm稍大，但位于最外侧的半反射镜31b至透视视野范围SA＝24mm之间成为未形成有半反射镜31b的虚设区域DM。
这样，根据本实施方式的图像显示部112，使光取出单元31的第1边缘33和第2边缘34位于透视视野范围SA的外侧。因此，根据具有这样的图像显示部112的本实施方式的图像显示装置100，能够观察没有失真的透视光(外界像)。
另外，根据构成图像显示部112的部件的布局的不同，有时无法将第1边缘33和第2边缘34双方配置于透视视野范围SA的外侧。在该情况下，光取出单元31通过使第1边缘33和第2边缘34的至少一方位于透视视野范围SA的外侧，能够观察失真较少的透视光。
根据本实施方式的光取出单元31，将半反射镜31b选择性地设置于使图像显示所需的图像光G透过的图像显示范围Lf，所以，通过减少形成半反射镜31b的工序，实现了低成本化。
此外，在本实施方式的图像显示部112中，将光取出单元31配置于平行导光板23的第1面23a侧。这里，如上所述，光取出单元31被设定为使第1边缘33和第2边缘34位于透视视野范围SA的外侧的大小。如图6所示，关于透视视野范围SA的宽度，作为光入射侧的第2面23b比第1面23a大。
因此，根据本实施方式，将光取出单元31配置于第1面23a，所以，与配置于第2面23b侧的情况相比，能够对光取出单元31进行小型化。
(第2实施方式)
接下来，对第2实施方式的图像显示部进行说明。另外，对与第1实施方式相同的结构标注相同标号，省略详细的说明。
图7是示出第2实施方式的图像显示部212的结构的剖视图。本实施方式的图像显示部212具有与第1实施方式不同的光取出单元131，除此以外的结构相同。因此，以下，以光取出单元131的结构为中心进行说明。
如图7所示，本实施方式的光取出单元131不具有虚设区域DM(参照图4)。即，在本实施方式的光取出单元131中，除了使图像显示所需的图像光G透过的图像显示范围Lf以外，半反射镜31b还形成至第1边缘33和第2边缘34的附近。
在第1实施方式的光取出单元31中，在透视视野范围SA内存在形成有半反射镜31b的区域(半反射镜形成区域KM)与未形成有半反射镜31b的区域(虚设区域DM)的边界，所以，可能成为透视光SL的观察的障碍。
与此相对，根据本实施方式，虽然无助于图像显示，但是使半反射镜31b形成至的光取出单元131的两侧边缘(第1边缘33和第2边缘34)，由此，能够在透视视野范围SA内消除存在半反射镜31b的区域与不存在半反射镜31b的区域的边界。因此，能够更加提高透视光SL的像的可视性。
并且，本发明并不限定于上述实施方式的内容，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行适当的变更。
例如，在上述实施方式中，列举了使用半反射镜阵列作为光取出单元31的情况，但本发明不限于此。作为光取出单元，例如，可以使用衍射光栅或体积全息元件等衍射光学元件。
此外，在上述实施方式中，列举了将光取出单元31配置于平行导光板23的第1面23a侧(观察者M侧)的情况，但也可以配置于平行导光板23的第2面23b侧。在该情况下，光取出单元31也使第1边缘33和第2边缘34的至少一方位于透视视野范围SA的外侧即可。
此外，在上述实施方式中，列举了透视视野范围SA比图像显示范围Lf大的情况，但本发明不限于此。例如，有时根据图像显示装置的规格，将视场角设定得较大。在该情况下，图像显示范围Lf有时比透视视野范围SA大。
在图像显示范围Lf比透视视野范围SA大的情况下，优选使第1边缘33和第2边缘34的至少一方位于图像显示范围Lf的外侧。
如果假设观察者的视线不移动，则位于图像显示范围Lf中的比透视视野范围SA更靠外侧的位置的外侧区域不入射到观察者的眼睛。但是，观察者通过移动视线，外侧区域能够被观察者的眼睛观察到。
与此相对，通过如上述那样使第1边缘33和第2边缘34的至少一方位于图像显示范围Lf的外侧，即使在观察者移动了视线的情况下，也可防止虚像与边缘重叠的情况。因此，即使在观察者稍微移动了视线的情况下，也能够良好地观察虚像和透视像。
(第3实施方式)
接下来，对第3实施方式的图像显示部进行说明。另外，对与第1实施方式相同的结构标注相同标号，省略详细的说明。
在本实施方式中，将使透视光SL入射到观察者M的眼睛ME(出瞳SM)的范围(能够观察外界像的范围)称作有效视野范围。有效视野范围是更具体地规定了透视视野范围后的范围。
图8是概念性地示出有效视野范围的图。在图8中，设观察者M在将眼睛ME的视线固定后的状态(无视线移动的状态)下能够识别字符或图像等规定信息的角度范围为信息识别视野A1、观察者M能够自然移动视线的角度范围为视线角度移动范围A2。
如图8所示，有效视野范围S相当于利用信息识别视野A1和视线角度移动范围A2规定的角度范围。即，有效视野范围S相当于观察者M能够伴随视线的移动的同时自然地(无异样地)识别字符或图像等规定信息的视野范围。
一般而言，信息识别视野A1为大概10度至20度，视线角度移动范围A2为大概30度。因此，有效视野范围S为大概40度至50度。
在本实施方式的图像显示装置中，通过使光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)不位于有效视野范围，能够良好地观察透视光SL。以下，对有效视野范围与光取出单元31的边缘的位置关系进行说明。
图9是示出第3实施方式的图像显示部312的结构的剖视图。本实施方式的图像显示部312具有与第1实施方式相同的光取出单元31。
在图9中，设出瞳SM的直径为D、沿着光轴AX的出瞳SM与光取出单元31的间隔(出瞳距离)为Er、有效视野半角(规定有效视野范围S的有效视野角θs的半角)为θe、光轴AX到光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)的距离为L、有效视野范围S的半宽(光轴AX到有效视野范围S的距离)为We、半反射镜形成区域KM的半宽为Wm、规定显示图像光G(虚像)所需的视场角的图像显示范围为Lf。
这时，在本实施方式的光取出单元31中，满足规定了如下条件的下式(2)：距离L比有效视野范围S大。
L>We＝Er·tan(θe)……式(2)
由此，本实施方式的图像显示部312能够使光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)位于有效视野范围S的外侧。
在本实施方式中，优选的是，有效视野半角θe设为20度以上。即，优选的是，有效视野角θs设定为40度以上。在将有效视野角θs设定为上述范围时，观察者M能够伴随视线的移动的同时识别字符或图像等规定信息，并且能够自然地识别为图像光G的虚像和透视光(外界像)。因此，观察者M能够观察异样感较少的图像。
这里，假设确定能够利用图像光G进行观察的虚像的尺寸的图像半视场角θf为10度，即，视场角为20度。视场角20度能够观察观察者M的眼睛ME的前方2.5m、对角尺寸大概为40英寸的虚像。
具体而言，如果设出瞳距离Er为20mm，则半反射镜形成区域KM的半宽Wm为大约3.5mm。另外，在平行导光板23相对于观察者M的眼睛ME倾斜的情况下，需要根据倾斜角θw求出所投影的距离，但在本实施方式中，倾斜角θw非常小，能够忽视其影响。
此外，如果设有效视野半角θe为20度、即有效视野角θs为40度时，则有效视野范围S的半宽We为大约7.3mm。
因此，在本实施方式中，将光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)配置于从光轴AX远离7.3mm以上的位置。
这样，根据本实施方式的图像显示部312，使光取出单元31的第1边缘33和第2边缘34位于有效视野范围S的外侧。因此，根据具有这样的图像显示部312的本实施方式的图像显示装置，在想要从透视光读取例如字符或图形等规定信息时，边缘不进入有效视野范围S，所以，不妨碍有效视野范围S内的信息观察。
另外，根据构成图像显示部312的部件的布局的不同，有时无法将第1边缘33和第2边缘34双方配置于有效视野范围S的外侧。在该情况下，光取出单元31通过使第1边缘33和第2边缘34的至少一方位于有效视野范围S的外侧，能够观察失真较少的透视光。
在本实施方式中，列举了有效视野范围S比图像显示范围Lf大的情况，但本发明不限于此。例如，根据图像显示装置的规格的不同，视场角有时大于40度。这里，视场角40度使观察者观察图像光G，作为2.5m前方、大约80英寸的虚像。
在图像显示范围Lf比有效视野范围S大的情况下，如果观察者的视线不移动，则图像显示范围Lf中的有效视野范围S的外侧区域不会被观察者的眼睛观察到，但当观察者移动视线时，会被观察到。与此相对，优选使第1边缘33和第2边缘34的至少一方位于图像显示范围Lf的外侧。
由此，即使在观察者移动了视线的情况下，也可防止光取出单元31的边缘重叠到视场角较大的虚像上的情况。
(第4实施方式)
接下来，对第4实施方式的图像显示部进行说明。另外，对与第1实施方式相同的结构标注相同标号，省略详细的说明。
根据本实施方式的图像显示部，即使在观察者M的眼睛ME左右稍微移动了的情况下，也能够良好地观察图像。
图10是示出第4实施方式的图像显示部412的结构的剖视图。本实施方式的图像显示部412具有与第1实施方式相同的光取出单元31。
在本实施方式中，满足规定了如下条件的下式(3)：即使眼睛ME移动了出瞳SM的直径D的一半(D/2)，光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)也不进入到有效视野范围S。
L>We＝Er·tan(θe)+(D/2)……式(3)
根据本实施方式的图像显示部412，即使观察者M的眼睛ME左右稍微移动，也能够使光取出单元31的边缘(第1边缘33和第2边缘34)位于有效视野范围S的外侧。
(第5实施方式)
图11是示出第5实施方式的图像显示部512的概略结构的水平剖视图。图11所示的截面是与XY平面平行的面中的截面。另外，在本实施方式中，对与第1实施方式相同的结构标注相同标号，省略详细的说明。
如图11所示，图像显示部512具有图像形成部10和导光部20A。导光部20A具有导光体21A、光入射部21B和光取出单元21C。
导光体21A由在观察者M的左右方向(两眼排列的Y方向)延伸的板状的平行导光板24构成。平行导光板24具有相互平行的一对第1面24a、第2面24b。第1面24a和第2面24b是平行平面，所以，对于外界像，不会产生放大或对焦偏差。第1面24a和第2面24b作为使在内部传播的图像光G全反射的全反射面发挥功能，以较少的损耗将图像光G引导至光取出单元21C。
光入射部21B用于将图像光G取入到导光体21A的内部，光取出单元21C用于将在导光体21A内导光的图像光G取出到外部。光入射部21B和光取出单元21C形成在平行导光板24的第2面24b上。光入射部21B和光取出单元21C由沿着平行导光板24的第2面24b在Y方向上延伸的板状的衍射光学元件构成，例如，当使用表面凹凸(surface relief)型的衍射光栅时，能够在较大的入射角范围内维持高衍射效率。
根据这样的结构，从平行导光板24的第1面24a侧入射的图像光G被第2面24b上设置的光入射部21B反射。而且，图像光G入射到第1面24a并进行全反射。图像光G在第1面24a与第2面24b之间进行1次以上全反射，由此，在从光入射部21B远离的方向上传播，到达光取出单元21。
光取出单元21C朝向出瞳SM取出在平行导光板24内传播的图像光G。光取出单元21C具有位于左右方向上的两侧的第1边缘33A和第2边缘34A。第1边缘33A是形成-Y侧的端部的部位，第2边缘34A是形成+Y侧的端部的部位。
在本实施方式的图像显示部512中，设计成不使光取出单元21C的边缘(第1边缘33A和第2边缘34A)位于透视视野范围或者有效视野范围。并且，设计成不使相当于与平行导光板24的光入射部21B侧的端部(端面24c)相反侧的端部的端面24d位于透视视野范围SA或者有效视野范围S。根据具有这样的图像显示部512的图像显示装置，能够观察没有失真的透视光SL(外界像)。
此外，根据本实施方式，由于用衍射光学元件构成光入射部21B和光取出单元21C，所以，能够利用光的衍射而使图像光G有效传播并取出。
(第6实施方式)
图12是示出第6实施方式的图像显示部612的概略结构的水平剖视图。图12所示的截面是与XY平面平行的面中的截面。另外，在本实施方式中，对与第1实施方式相同的结构标注相同标号，省略详细的说明。
如图12所示，图像显示部612具有图像形成部10和导光部20B。导光部20B具有：导光体21；光入射部22；以及光取出单元36，其将在导光体21引导的图像光G取出到外部。
在本实施方式中，光取出单元36设置于构成导光体2的平行导光板23的内部，朝向出瞳SM取出在平行导光板23内传播的图像光G。光取出单元36由多个半反射镜36a构成，该多个半反射镜36a嵌入到平行导光板23内。
在本实施方式的图像显示部612中，设定成不使相当于与平行导光板23的光入射部22相反侧的端部的端面23e位于透视视野范围SA或者有效视野范围S。根据具有这样的图像显示部612的图像显示装置，能够观察没有失真的透视光SL(外界像)。

Claims (12)

1.一种图像显示装置，其特征在于，其具有：
图像显示器件，其射出图像光；
导光体，其具有第1面以及与所述第1面相反的第2面；
投影透镜，其将所述图像光投射到所述导光体的光入射部；以及
光取出单元，其设置于所述导光体的所述第1面或所述第2面，朝向位于所述导光体的所述第1面侧的出瞳取出在所述导光体内引导的所述图像光，
所述光取出单元具有：第1边缘，其位于所述导光体的所述光入射部侧的端部；以及第2边缘，其位于与所述光入射部侧相反的端部，所述光取出单元能够透过从所述第2面侧向所述第1面侧透过所述导光体而入射到所述出瞳的透视光，
所述第1边缘和所述第2边缘的至少一方位于所述透视光通过的透视视野范围的外侧，
在设所述出瞳的直径为D、从所述出瞳到所述光取出单元的距离为Er、规定通过所述出瞳的中心的光轴与所述透视视野范围所成的角的透视视野半角为θs、从所述光轴到所述第1边缘或所述第2边缘的距离为L时，满足
L>Er·tan(θs)+D/2。
2.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述光取出单元设置于所述导光体的所述第1面。
3.根据权利要求1所述的图像显示装置，其特征在于，
所述透视视野半角被设定为30度以上。
4.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于，
所述光取出单元具有半反射镜阵列，该半反射镜阵列包含多个半反射镜，
多个所述半反射镜配置成相对于所述导光体的所述第1面或所述第2面呈相同的倾斜角度。
5.根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于，
所述光取出单元在所述第1边缘或所述第2边缘与所述半反射镜阵列之间具有未设置所述半反射镜的虚设区域。
6.根据权利要求4所述的图像显示装置，其特征在于，
所述半反射镜阵列以所述第1边缘、所述第2边缘和所述半反射镜相互平行的方式形成。
7.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于，
相对于所述导光体的所述第1面或所述第2面，所述第1边缘设置为正锥形，所述第2边缘设置为倒锥形。
8.根据权利要求7所述的图像显示装置，其特征在于，
在所述第2边缘与所述导光体的所述第1面或所述第2面之间填充有树脂。
9.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于，
所述光取出单元是衍射光学元件。
10.根据权利要求1或2所述的图像显示装置，其特征在于，
所述透视视野范围是观察者能够伴随视线移动至少识别所述透视光的有效视野范围。
11.根据权利要求10所述的图像显示装置，其特征在于，
规定通过所述出瞳的中心的光轴与所述有效视野范围所成的角的有效视野半角被设定为20度以上。
12.根据权利要求10所述的图像显示装置，其特征在于，
在规定将所述图像光引导至所述出瞳的视场角的图像显示范围比所述有效视野范围大的情况下，所述第1边缘和所述第2边缘的至少一方位于所述图像显示范围的外侧。
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