CN111443484A - 虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

虚像显示装置，能够在HMD的广角化时维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状。该虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；以及导光部件，其通过多个导光面的反射和透射来引导来自影像元件的影像光，关于多个导光面中的、相邻的入射侧导光面和射出侧导光面、与入射侧导光面以及射出侧导光面对置的对置导光面，使从入射侧导光面到对置导光面的厚度小于从射出侧导光面到对置导光面的厚度。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及以头戴式显示器为代表的虚像显示装置。
背景技术
作为头戴式显示器等虚像显示装置，例如，已知有如专利文献1那样在将影像光引导至观察者眼前的导光部件中使接近眼睛的一侧的平面与连接至该平面的自由曲面大致无台阶地连接的虚像显示装置。下面，也将头戴式显示器记为HMD。
专利文献1：日本特开2017-111363号公报
但是，例如，在专利文献1所示的结构中想要进行更广角化的情况下，在导光部件中进一步增大使影像光反射的面，导光部件整体的尺寸可能也会增大。存在要避免该情况的需求、即在HMD的广角化时将产品整体维持为与观察者(佩戴者)的头部形状匹配的更紧凑的形状的需求。
发明内容
本发明的一个方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；以及导光部件，其通过多个导光面的反射和透射来引导来自影像元件的影像光；关于多个导光面中的相邻的入射侧导光面和射出侧导光面、与入射侧导光面以及射出侧导光面对置的对置导光面，从入射侧导光面到对置导光面的厚度小于从射出侧导光面到对置导光面的厚度。
附图说明
图1是说明实施方式的虚像显示装置的一例的外观的立体图。
图2是示出虚像显示装置中的光学系统和影像光的光路的俯视剖面图。
图3是用于研究虚像显示装置中的导光装置的结构的示意性俯视剖面图。
图4是用于比较导光装置的结构的示意图。
图5是示出厚度之比与导光部长度的关系的曲线图。
图6是用于基于周边光的光路的观点研究导光装置的结构的示意图。
图7是提取了图6的一部分的示意图。
图8是提取了图6的另一部分的示意图。
图9是示出实施例1的虚像显示装置的俯视剖面图。
图10是示出实施例1涉及的厚度之比与导光部长度的关系的曲线图。
图11是示出实施例2涉及的厚度之比与导光部长度的关系的曲线图。
图12是示出实施例3涉及的厚度之比与导光部长度的关系的曲线图。
标号说明
10：导光部件；20：导光装置；25：水平视场角；30：投射光学系统；50：透光部件；80：图像显示装置；100：虚像显示装置；102：框架部；102a：中央部；102b：支承体；104：镜腿；105d：外装部件；A1～A3、B1～B3、C1～C3：曲线；AX：入射侧光轴；CC：中心部；CS：交点；CT：中心点；D：视距(eye relief)；DD1～DD3：区域；EY：位置；GL：影像光；GLc、GLp：成分光；IG：入射侧导光面；IP：像面；L：导光部长度；LS：投射透镜；LS1～LS4：透镜；Lc：距离；OG：射出侧导光面；OP：对置导光面；OX：视轴；PI：入射点；PP：周边部；PP1、QQ1：成分；PRc、PRp：成分；PT1～PT3：点；R1～R3：直线；S11～S15：面；SP：台阶部；SS：连接面；d：台阶；h1：厚度；h2：厚度；h2/h1：比；hc、hk、hm、hp、hQ：距离；i：视圈直径；nd：折射率；α、α1、α2：反射角；θ1：角度。
具体实施方式
以下，参照图1等，对本发明一个实施方式的虚像显示装置进行详细说明。
如图1等所示，本实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴式显示器(HMD)，能够使佩戴了该虚像显示装置100的观察者或使用者看到由虚像形成的图像光(影像光)，并且能够使观察者透视地看到或观察外界像。即，能够同时看到影像光和外界光。虚像显示装置100具有第1显示装置100A、第2显示装置100B和框架部102。
第1显示装置100A和第2显示装置100B是分别形成左眼用和右眼用的虚像的部分，分别具有以可透视的方式覆盖观察者眼前的第1光学部件101a和第2光学部件101b、以及第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b。之后进行叙述，但第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b分别由显示装置(影像元件)、投射透镜等用于形成像的光学系统、收纳这些光学系统的部件等构成。另外，显示装置(影像元件)、投射透镜等被罩状的外装部件(外壳部件)105d覆盖，由此被支承和收纳。第1光学部件101a和第2光学部件101b是使由第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b形成的影像光进行导光并且重叠地看到外界光和影像光的导光部，构成包括导光部件的导光装置。以下，也将第1光学部件101a或者第2光学部件101b称为导光装置20。另外，第1显示装置100A和第2显示装置100B也能单独作为虚像显示装置发挥功能。
框架部102是俯视时弯折成U字形的细长部件，具有：壁厚构造的中央部102a，其与第1光学部件101a和第2光学部件101b双方即一对导光装置20连接而设置；以及支承体102b，其从中央部102a沿着第1光学部件101a和第2光学部件101b延伸，形成弯折成U字形的部位。
另外，设置有作为从框架部102的左右两端向后方延伸的悬挂部分的镜腿104，该镜腿104能够作为与观察者的耳朵或鬓角等抵接并支承的部件使用。
以下，参照图2的俯视剖视图，示意性地说明用于进行虚像显示装置100的影像光GL的导光的构造等的一例。图2是示出第1显示装置100A的一部分的图，特别提取了光学系统的部分。另外，如上所述，用于进行影像光GL的导光的装置为第1显示装置100A和第2显示装置100B(参照图1)，但是，第1显示装置100A和第2显示装置100B具有左右对称且相同的构造，因此，仅说明第1显示装置100A，省略第2显示装置100B的说明。
如图2所示，第1显示装置100A具有：图像显示装置80，其形成影像光GL；投射光学系统30，其包括收纳于省略图示的镜筒中的成像用的投射透镜LS；以及导光装置20，其引导经过图像显示装置80和投射透镜LS的影像光GL。导光装置20由导光及透视用的导光部件10和透视用的透光部件50构成。这里，例如，第1显示装置100A进行水平视场角为25°以上的广角的影像显示。
图像显示装置80例如能够采用由有机EL等自发光型元件构成的影像元件(影像显示元件)。此外，图像显示装置80例如也可以构成为除了作为透射型空间光调制装置的影像显示元件以外，还具有作为向影像显示元件射出照明光的背照灯的照明装置、控制动作的驱动控制部。另外，图像显示装置80为矩形，形成矩形的像面IP，从像面IP的各位置射出影像光GL。这里，像面IP的法线方向与构成投射光学系统30的投射透镜LS的光轴AX延伸的光轴方向一致。
此外，如图所示，设从图像显示装置80的像面IP射出的影像光GL中的、从像面IP的中心部CC射出的成分光GLc的主光线的成分为成分PRc、从周边部PP射出的成分光GLp的主光线的成分为成分PRp。如图所示，在眼睛的位置EY处，来自中心侧的成分光GLc从无角度的正面方向入射，与此相对，来自周边侧的成分光GLp以角度较大的状态入射。即，在实现影像光GL的广角化方面，需要研究来自周边侧的成分光GLp。在本实施方式中，之后叙述成分光GLp的主光线的成分PRp的光路来代表成分光GLp。
投射光学系统30例如具有投射透镜LS作为结构要素，该投射透镜LS构成为具有沿着入射侧光轴AX延伸的方向排列的多个光学元件，投射透镜LS被未图示的镜筒这样的光学部件保持部件收纳并支承。在图示的例子中，投射透镜LS由4个透镜LS1～LS4构成。透镜LS1～LS4中例如包含由包括非轴对称的非球面(非轴对称非球面)和轴对称的非球面(轴对称非球面)双方在内的非球面透镜构成的透镜。即，投射透镜LS构成非对称光学系统。由此，能够与构成导光装置20的导光部件10的一部分协作而在导光部件10的内部形成与显示像对应的中间像。投射透镜LS使由图像显示装置80形成的影像光GL朝向导光装置20投射并入射。另外，虽然省略详细的说明，但是，收纳投射透镜LS的镜筒被图1的外装部件105d收纳并支承。
如上所述，导光装置20由导光及透视用的导光部件10和透视用的透光部件50构成。此外，通过在表面部分设置作为保护层的硬涂层，覆盖并保护导光装置20的主体部件。透光部件50是辅助导光部件10的透视功能的部件(辅助光学模块)即透光部，与导光部件10固定为一体，成为1个导光装置20。导光装置20通过被螺纹紧固于例如镜筒等光学部件保持部件，被高精度地定位并固定于投射透镜LS。
导光部件10具有第1面S11～第5面S15作为具有光学功能的侧面。这些中的第1面S11与第4面S14相邻，第3面S13与第5面S15相邻。此外，在第1面S11与第3面S13之间配置有第2面S12。半反射镜层附设于第2面S12的表面。该半反射镜层是具有透光性的反射膜(半透反射膜)，该半反射镜层是通过形成金属反射膜、电介质多层膜而形成的，适当设定了对于影像光的反射率。即，导光部件10具有在观察者佩戴时覆盖眼前的透过型反射面。此外，第1面S11～第5面S15中的第3面S13、第1面S11为平面。即，这些面形成在导光部件10的平面部上。另一方面，第2面S12、第4面S14和第5面S15为自由曲面。即，这些面形成在导光部件10的自由曲面部上。
此外，在上述的情况下，可以理解为导光部件10利用第1面S11～第5面S15形成了进行影像光GL的导光的多个导光面，即，通过该多个导光面上的反射和透过，引导经过投射光学系统30的来自图像显示装置80的影像光。
并且，在该情况下，关于作为多个导光面的第1面S11～第5面S15中的、相邻的第4面S14和第1面S11，还能够将相对接近图像显示装置80的一侧、即位于光路上游侧的第4面S14理解为位于使影像光入射的一侧的入射侧导光面IG，将相对接近观察者的眼睛的位置EY的一侧、即位于光路下游侧的第1面S11理解为位于使影像光射出的一侧的射出侧导光面OG。
此外，作为多个导光面的第1面S11～第5面S15中的、配置成与第4面S14以及第1面S11对置的第3面S13可以理解为与入射侧导光面IG以及射出侧导光面OG对置的对置导光面O。
特别是，在本实施方式中，关于上述的入射侧导光面IG、射出侧导光面OG和对置导光面OP，从入射侧导光面IG到对置导光面OP的厚度小于从射出侧导光面OG到对置导光面OP的厚度。
此外，在本实施方式中，为了形成上述的配置关系，导光部件10也可以在相邻的入射侧导光面IG与射出侧导光面OG之间具有台阶部SP。台阶部SP是在入射侧导光面IG与射出侧导光面OG之间存在台阶的状态下将导光面IG与射出侧导光面OG连续地连接的部分，具有用于将入射侧导光面IG与射出侧导光面OG连接的连接面SS。换言之，在本实施方式中，导光部件10采用了这样的方式：通过设置台阶部SP，在入射侧导光面IG和射出侧导光面OG中使利用距对置导光面OP的距离规定的厚度产生差异。另外，台阶部SP也可以采用在导光部件10的厚度方向上产生例如2.5mm以上的厚度的差异的形状，并且根据需要，对连接面SS或连接面SS的附近实施涂黑、皱纹加工(擦砂)。此外，连接面SS例如能够采用以射出侧导光面OG的法线方向为基准设置3°～10°的锥角而将两者连接的形状。通过将连接面SS或其附近预先形成为上述的结构，能够抑制由于外界光、影像光的无用成分的意外反射等引起的杂散光的产生。
此外，如果针对上述的导光部件10变换看法，则导光部件10具有在多个导光面中的配置于外界光的入射侧和相反侧(即观察者侧)并且相邻的入射侧导光面IG和射出侧导光面OG中使射出侧导光面OG比入射侧导光面IG突出的形状(使入射侧导光面IG比射出侧导光面OG凹陷的形状)。
透光部件50像上述那样与导光部件10一体地固定而成为一个导光装置20，且是辅助导光部件10的透视功能的部件(辅助光学模块)。作为透光部的透光部件50具有第1透射面S51、第2透射面S52和第3透射面S53作为具有光学功能的侧面。第2透射面S52配置于第1透射面S51与第3透射面S53之间。第1透射面S51位于将导光部件10的第1面S11延长后的面上，第2透射面S52是与第2面S12接合并一体化的曲面，第3透射面S53位于将导光部件10的第3面S13延长后的面上。换言之，第1面S11与第1透过面S51相邻，同样，第3面S13与第3透过面S53相邻，均形成处于定位成共面的状态的平滑面。
下面，参照图2对影像光GL的光路进行概略说明。导光部件10使影像光GL从投射透镜LS入射并且通过第1面S11～第5面S15上的反射等朝向观察者的眼睛进行导光。具体而言，来自投射透镜LS的影像光GL首先入射到第4面S14并被第5面S15反射，从内侧再次入射到第4面S14并被全反射，入射到第3面S13并被全反射，入射到第1面S11并被全反射。被第1面S11全反射的影像光GL入射到第2面S12，部分透过设置于第2面S12上的半反射镜层并部分反射而再次入射到第1面S11并通过、即透过第1面S11。通过第1面S11后的影像光GL作为大致平行光束入射到观察者的眼睛或者其等效位置EY。即，观察者利用作为虚像的影像光GL观察图像。
此外，如上所述，导光装置20利用导光部件10使观察者看到影像光，通过导光部件10与透光部件50的协作使观察者观察畸变较少的外界像。这时，第3面S13和第1面S11成为相互大致平行的平面(视度大约为0)，由此，针对外界光几乎不产生像差等。此外，同样，第3透射面S53和第1透射面S51成为相互大致平行的平面。并且，第3透射面S53和第1面S11成为相互大致平行的平面，由此，几乎不产生像差等。综上所述，观察者隔着透光部件50观察无畸变的外界像。
如上所述，在本实施方式中，在导光部件10的内部如上述那样通过包括至少2次全反射的从第1面S11到第5面S15的5次反射来引导来自图像显示装置80的影像光。由此，能够兼顾影像光的显示和看到外界光的透视，并且进行影像光GL的像差的校正。
另外，上述的结构在图1所示的第2显示装置100B中也相同。由此，能够分别形成与左右的眼睛各自对应的图像。
在本实施方式中，在以上述的方式进行影像光GL的导光的导光装置20中，如上所述，构成为，通过利用台阶部SP设置台阶来使从射出侧导光面OG到对置导光面OP的厚度h1与从入射侧导光面IG到对置导光面OP的厚度h2产生差异。即，使得h1>h2。由此，通过实现导光部件10的小型化，在显示的影像的广角化时，能够维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状。
在包括本实施方式的情况在内的、使导光装置沿着眼睛排列的方向即左右方向(水平方向)延伸而将影像光从观察者的耳侧引导至眼前的结构的HMD的情况下，导光部分的尺寸的调整特别重要。这是因为，如果过小，则观察者的面部无法进入，如果过大，则导致外观等设计性的问题、以及佩戴的困难性等。特别是在想要进行广角化的情况下，在导光部件中进一步增大使影像光反射的面，导光部件的尺寸以及装置整体的尺寸也存在增大的趋势。
特别是，关于尺寸，图2所例示的长度LLc、即导光部件10中的从影像光GL的入口到出口的长度明显成为问题。更具体而言，可知如长度LLc所例示的从影像光GL的基准入射位置到基准射出位置的距离为54mm左右或其以下，以维持适合作为导光部件10的尺寸，即使在进行了广角化的情况下，也优选能够抑制为该长度左右。但是，在实现广角化时，首先，关于导光部件10中的接近眼睛的光射出侧，基于维持视场角以及确保视圈、视距等的观点，必须以某种程度增大。并且，基于透视的观点，在光射出侧，针对反射面的形状也存在限制。因此，可认为难以形成用于抑制伴随广角化的大型化的结构。即，关于光射出侧的厚度h1，伴随广角化而所需的尺寸确定，难以变更。因此，在本实施方式中，构成为，通过将光入射侧的厚度h2设置成与光射出侧的厚度h1具有差异，在广角化中使相当于长度LLc的导光部件10的长度处于适当范围内。以下，将相当于长度LLc的导光部件10的长度称作导光部长度，对导光部长度适当进行定义。
以下，参照图3所示的示意性俯视剖面图等，沿着影像光GL中的、作为中心光的成分光GLc的主光线的成分PRc的光路，研究虚像显示装置100中的导光装置20的尺寸、更具体而言导光部件10的导光部长度。
这里，作为前提，在图3例示的导光装置20或导光部件10中，为了简化说明，进行下述的近似。
首先，关于构成导光部件10的多个导光面即第1面S11～第5面S15，以平面进行近似。特别是，这些面中的、射出侧导光面OG即第1面S11以及与第1面S11对置的对置导光面OP即第3面S13为相互平行的平面。并且，入射侧导光面IG即第4面S14以及与该第4面S14对置的对置导光面OP即第3面S13也为相互平行的平面。即，第4面S14原来为自由曲面、即形成为导光部件10的自由曲面部，但是，在图3的例子中视作平面。另外，在以上述记载为前提的情况下，第1面S11、第3面S13和第4面S14相互平行。并且，第2面S12和第5面S15是第1面S11与第2面S12形成的角等于第4面S14与第5面S15形成的角的平面。
接着，关于影像光GL，作为中心光的成分光GLc的主光线的成分PRc通过与入射侧光轴AX相等的光路，垂直入射到作为平面的第4面S14。在该情况下，根据上述第1面S11～第5面S15的条件，主光线的成分PRc经过各个面S11～S15而从第1面S11沿垂直方向射出。并且，在该情况下，主光线的成分PRc的相对于第1面S11、第3面S13以及第4面S14的反射角度始终相等。这里，设该反射角为反射角α。另外，在该情况下，第1面S11与第2面S12形成的角为α/2。此外，在射出时，成分PRc的光路与观察者的视轴OX相等，通过视圈的中心点CT、即作为观察者的理想光瞳的中心的点。
这里，如图所示，设第1面S11、第3面S13和第4d面S14的法线方向为Z方向，设第1面S11、第3面S13和第4面S14的面内方向中的眼睛排列的水平方向为X方向。在该情况下，Z方向成为规定从第1面S11或第4面S14到第3面S13的距离的方向，设该方向为导光部件10的厚度方向。即，如图所示，用Z方向上的距离定义从射出侧导光面OG(第1面S11)到对置导光面OP(第3面S13)的厚度h1和从入射侧导光面IG(第4面S14)到对置导光面OP的厚度h2。
并且，在以上的前提中，关于导光部件10的导光部长度L的定义，为了以从主光线的成分PRc的基准入射位置到基准射出位置为基准，采用图示那样的定义。即，将从入射侧光轴AX到视轴OX的X方向上的距离定义为导光部长度L。在附图中，以主光线的成分PRc的反射位置为基准，将导光部长度L划分为4个长度L1～L4。
即，
L＝L1+L2+L3+L4……(1)
此外，除了上述以外，如图所示，针对主光线的成分PRc，设从第2面S12的反射点到第1面S11的射出点的距离为距离hk、从第4面S14的入射点到第5面S15的反射点的距离为距离hm。这里，设为hk＝k×h1和hm＝m×h2。即，用相对于厚度h1、h2的比率表示距离hk、hm。
另外，通常，主光线的成分PRc位于影像光GL的光束整体的中心或中心附近，因此，该第2面S12的反射点、第5面S15的反射点优选大致位于各个面的中心附近。即，表示各个面的位置的比率的数值k、m优选为在0～1的范围内处于正中央的0.5或其附近的值。作为具体一例，设为k＝0.6左右、m＝0.7左右。
基于以上述的方式规定的各值，根据附图考虑三角比，则4个长度L1～L4分别为
L1＝hk×tanα＝k×h1×tanα…(2a)
L2＝h1×tanα…(2b)
L3＝h2×tanα…(2c)
L4＝hm×tanα＝m×h2×tanα…(2d)
因此，在将上式(2a)～(2d)代入式(1)进行整理时，得到
L＝L1+L2+L3+L4＝{(1+k)h1+(1+m)h2}×tanα…(3)。
根据上式(3)的右边可知，通过减小厚度h2，能够减小导光部长度L的值。并且，也可知能够以何种程度的数量级减小。另外，关于右边中的其他值，可认为无法像厚度h2那样进行变更。
例如，如上所述，根据与视场角(FOV)的值、在图中用i或2×i表示直径的视圈或者在图中用D表示的视距的关系来确定光射出侧的厚度h1，根据确定虚像显示装置100的结构的这些值而确定。即，当减小厚度h2的值时，必须减小视圈直径i、视距D或视场角。
此外，例如，当减小反射角α的值时，可能不满足全反射条件。另外，如已述那样，如果减小数值k或m，则影像光GL在各个面上的反射区域也会减小。
针对以上记载，关于厚度h2，可认为由于减小数值而引起的光学影响较小。例如，通过使伴随厚度h2与厚度h1之差而产生的台阶的位置、大小适当，并充分地确保射出侧导光面OG(第1面S11)、对置导光面OP(第3面S13)的尺寸，也能够确保使影像光和外界光通过射出侧导光面OG和对置导光面OP而被同时看到的透视。着眼于这方面，在本申请中，通过使厚度h2小于厚度h1，能够在影像的广角化时，抑制导光部长度L增大。
图4是用于对导光装置20或导光部件10的结构进行比较的示意图，是对应于图3的图。假设在图3例示的导光部件10中，在图中用虚线表示未设置有厚度h2与厚度h1之差的情况下的导光部件10中的主光线的成分PRc的光路。与实线表示的图3的情况相比，可知导光部长度L增大。
以下，参照图5的曲线图进行说明。该曲线图是示出厚度之比h2/h1与导光部长度L的关系的一例，横轴为厚度之比h2/h1(各厚度的单位为mm。)，纵轴为导光部长度L(单位为mm。)。另外，各曲线A1～A3、B1～B3、C1～C3示出视场角(FOV)、折射率n不同的情况。首先，对上式(3)进行变形，可获得
Figure BDA0002367837280000101
这里，右边保留厚度h1，但是，如上所述，厚度h1根据视场角(FOV)、视圈直径i、视距D而固定地确定，这里，视场角(FOV)以外的视圈直径i和视距D不变更，如果视场角(FOV)确定，则厚度h1确定。并且，基于导光部长度L为54mm左右或其以下、设为k＝0.6左右、m＝0.7左右以及反射角α在折射率nd时满足全反射条件，考虑优选使厚度之比h2/h1成为上式(4)的右边的值或其以下的值。
另外，如上所述，关于在图3等中近似地示出的事项，例如，将构成导光部件10的多个导光面全部视作平面，使主光线垂直入射到该平面。因此，在实际的光学系统中，使用自由曲面，或者还附带入射角度。但是，可认为这些形状、角度的差相对于大致的导光部长度为何种程度的计算是可视为误差的事项或可修改的事项。例如，关于入射角度等，为了考虑每个光线的不同、伴随该不同的全反射条件、或者入射侧光轴AX、视轴OX的倾斜、视圈直径i等，在上述各式中，替代上述的反射角α，例如，考虑使用利用下式定义的角度作为角度θ1。
Figure BDA0002367837280000102
图5中的各曲线A1～A3、B1～B3、C1～C3按照每个视场角(FOV)和折射率nd示出在替代k＝0.6、m＝0.7、sinα而采用角度θ1作为上述要素的情况下满足各条件的边界的曲线，例如，曲线A1～A3分别示出相对于设水平视场角为25°作为视场角的情况而设折射率nd＝1.50、1.55、1.60的情况下的边界的曲线。同样，曲线B1～B3示出设水平视场角为35°、折射率nd＝1.50、1.55、1.60的情况，曲线C1～C3示出设水平视场角为45°、折射率nd＝1.50、1.55、1.60的情况。根据曲线图可认为，如果例如设厚度之比h2/h1为0.5左右、即厚度h2为厚度h1的一半左右，则即使在设水平视场角为45°左右的广角化的显示中，也能够使导光部长度L为54mm左右。此外，根据曲线图可知，也取决于折射率nd的值、即也取决于导光部件10的材料，但是，在设水平视场角为25°以上时，需要使厚度h2小于厚度h1。更具体而言，例如，在像折射率nd＝1.50的情况那样折射率较低的情况下，在水平视场角超过大约32°时，需要使得h2<h1，并且，在水平视场角超过大约40°时，不取决于折射率，需要使得h2<h1。
另外，从不同的角度来看，也可以说上述的研究涉及厚度h2的上限或厚度之比h2/h1的上限，作为与厚度h2有关的一个限制事项。
接着，作为与厚度h2有关的另一限制事项，基于图2所例示的影像光GL中的、周边侧的成分光GLp的光路的观点，参照图6等研究导光装置20的结构。
如上所述，基于成分光GLp用于确定影像光GL的视场角(FOV)的观点，对导光部件10中的成分光GLp的光路进行研究成为重要事项之一。例如，在设置有台阶部SP以减小厚度h2的情况下，前提在于在台阶部SP的附近确保可供影像光GL的各成分光通过的范围。换言之，需要形成台阶部SP不与影像光GL的通过范围重叠的形状或构造，以使影像光GL不被台阶部SP断开而被切断。这里，为了考虑该事项，代表影像光GL中的作为周边光的成分光GLc，针对成分光GLp的主光线的成分PRp的光路考虑优选条件。
入射侧导光面IG与射出侧导光面OG的相邻部位即台阶部SP在连接面SS上沿厚度方向(Z方向)产生台阶d作为厚度h1与厚度h2之差。虽然也取决于各部的设定、要应用的材料的折射率等，但是例如在设视场角(FOV)为28°左右的情况下，在厚度h1达到13mm左右时，台阶d的值为2.5mm左右或者2.5mm以上的值，由此，能够将导光部长度L收敛至期望范围内。
图6是针对周边光即成分光GLc的主光线的成分PRp的光路研究导光装置20即导光部件10的结构的示意性俯视剖面图，是对应于图3的图。此外，图7是提取图6的一部分的图，图8是提取图6的另一部分的图。
这里，设关于作为研究对象的成分PRp中的光射出侧(+X侧)、换言之、观察者的鼻侧的视场角涉及的成分为在图中用单点划线表示的成分PP1、关于光入射侧(-X侧)、换言之，观察者的耳侧的视场角涉及的成分为在图中用虚线表示的成分QQ1。另外，这些成分PP1、QQ1相当于从图2所示的图像显示装置80的像面IP中的最靠周边的一端和另一端射出的成分的主光线。
这里，如图所示，设成分PP1与成分QQ1的交点(多个交点)中的、最接近相邻部位即台阶部SP的交点为交点CS。使得该交点CS不与台阶部SP重叠成为1个准则。因此，这里，设厚度方向(Z方向)上的从交点CS到对置导光面OP(第3面S13)的距离为距离hc，设厚度h2的值大于从交点CS到对置导光面OP的距离hc的值为确保成分光GLp的光路的条件，该距离hc的值将距离hc作为确定厚度h2的下限的基准。
以下，针对成分PP1和成分QQ1中的光路，研究从眼睛的位置EY起沿着相反方向到达交点CS。这里，设X方向(水平方向)上的从交点CS到视轴OX的距离为距离Lc。并且，如图所示，设导光部件10中的成分PP1的全反射角度为角度α1(即反射角α1)、成分QQ1的全反射角度为角度α2(即反射角α2)。
以上述记载为前提，下面，针对成分PP1和成分QQ1，示出通过用上述确定的各数值表示距离Lc来计算距离hc的方法的概要。
首先，参照图7，针对鼻侧的视场角(FOV)的确保、即成分PP1进行研究。成分PP1从眼睛的位置EY的中心即视圈的中心点CT起沿相对于视轴OX朝+X侧倾斜角度FOV/2的方向延伸，从第1面S11入射并，通过第1面S12的反射进行弯折，被射出侧导光面OG(第1面S11)反射，被对置导光面OP(第3面S13)反射，到达交点CS。在附图中，以成分PP1的反射位置为基准，将距离Lc划分为4个长度P1～P4。即，
Lc＝-P1+P2+P3+P4…(6)
这里，如果设从第1面S11的入射点到第2面S12的反射点的距离(相当于沿着光路的顺序的情况下的从第2面S12的反射点到第1面S11的射出点的距离)为距离hp，根据附图考虑三角比，则4个长度P1～P4分别为
P1＝(hp+D)×tan(FOV)/2)…(7a)
P2＝hp×tanα1…(7b)
P3＝h1×tanα1…(7c)
P4＝hc×tanα1…(7d)
关于距离hp，根据图3的距离hk的值、光束的形状等适当确定。在上述记载中，作为计算对象的距离hc仅包括在长度P4中，长度P1～P3由不包括距离hc的其它数值确定。另外，视距D与上述的记载相同。
接着，参照图8，针对耳侧的视场角(FOV)的确保、即成分QQ1进行研究。成分QQ1从眼睛的位置EY的中心即视圈的中心点CT起沿相对于视轴OX朝-X侧倾斜角度FOV/2的方向延伸，从第1面S11入射，通过第1面S12的反射进行弯折，被射出侧导光面OG(第1面S11)反射，到达交点CS。即，与图7等所示的成分PP1的情况的不同之处在于，在到达对置导光面OP(第3面S13)之前到达交点CS。在附图中，以成分QQ1的反射位置为基准，将距离Lc划分为3个长度Q1～Q3。即，
Lc＝Q1+Q2+Q3…(8)
这里，如果设从第1面S11的入射点到第2面S12的反射点的距离(相当于沿着光路的顺序的情况下的从第2面S12的反射点到第1面S11的射出点的距离)为距离hp，根据附图考虑三角比，则3个长度Q1～Q3分别为
Q1＝(hQ+D)×tan(FOV/2)…(9a)
Q2＝hQ×tanα2…(9b)
Q3＝(h1-hc)×tanα2…(9c)
另外，关于距离hQ，根据图3的距离hk的值、光束的形状等适当确定。在上述记载中，作为计算对象的距离hc仅包括在长度Q3中，长度Q1、Q2由不包括距离hc的其它数值确定。
综上所述，关于距离Lc，首先，根据上式(6)和(8)，得出
Lc＝-P1+P2+P3+P4＝Q1+Q2+Q3…(1O)
由此，如果在上式(10)的中间与右边进一步代入上式(7a)～(7d)和(9a)～(9c)，考虑距离hc仅包括在长度P4、Q3中从而整理中间和右边的距离hc，则能够获得距离hc应该满足的条件。
在本实施方式中，厚度h2相对于以上述的方式确定的距离满足：h2≥hc…(11)成为使交点CS不与台阶部SP重叠的优选条件。并且，如果提及厚度之比h2/h1，则优选成为h2/h1≥hc/h1…(12)
针对上式(12)的右边，当考虑视场角(FOV)、视距D、以及视圈直径i时，考虑优选使得厚度之比h2/h1满足
h2/h1≥0.5…(13)
另外，从不同的角度来看，也可以说上述的研究涉及厚度h2的下限或厚度之比h2/h1的下限，作为与厚度h2有关的另一个限制事项。
如上所述，本实施方式的虚像显示装置100具有：作为影像元件的图像显示装置80，其显示图像；以及导光部件10，其通过作为多个导光面的第1面S11～第5面S15的反射和透过而引导来自图像显示装置80的影像光GL，关于第1面S11～第5面S15中的、相邻的入射侧导光面IG(第4面S14)和射出侧导光面OG(第1面S11)、以及与入射侧导光面IG以及射出侧导光面OG对置的对置导光面OP(第3面S13)，从入射侧导光面IG到对置导光面OP的厚度h1小于从射出侧导光面OG到对置导光面OP的厚度h2。
在上述虚像显示装置100中，利用构成导光部件的多个导光面中的设置于上述部位的厚度的差异实现导光部件的小型化，由此，在广角化时，能够维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状。
[实施例1]
以下，参照图9等，对本实施方式的虚像显示装置的具体一例(实施例1)进行说明。
图9的俯视剖面图例示的虚像显示装置是在本实施方式中例示的虚像显示装置100的更具体的一个方式，图9是对应于图2的图。此外，图10是示出实施例1涉及的导光部件10的厚度之比h2/h1与导光部长度L的关系的曲线图。
另外，这里，如图9所示，导光部长度L用从投射光学系统30的光轴即入射侧光轴AX的导光部件10(或导光装置20)中的入射点PI到视轴OX的距离定义。此外，导光部长度L以50mm左右为目标。另外，在图10中，横轴表示导光部长度L，纵轴表示厚度之比h2/h1。
以上，在实施例1中，设水平视场角(FOV)为35°、折射率nd为1.50。并且，在实施例1中，利用图10中的点PT1所示的值构成导光部件10。即，导光部长度L成为作为目标的50mm左右，厚度之比h2/h1成为0.69。
这里，在上式(4)中，k＝0.6、m＝0.7，替代角度α而采用上式(5)的角度θ1之后设为折射率nd＝1.50的情况下，作为厚度之比h2/h1容许的范围为以图10中的直线R1为边界的区域DD1。在该情况下，L＝50mm的情况下的h2/h1的最大值为大约0.73左右。因此，在设h2/h1＝0.69的实施例1的情况下，满足该条件、即与上式(4)等有关的条件。此外，在设h2/h1＝0.69的情况下，还满足上式(13)的要件。即，厚度之比h2/h1满足与上限以及下限有关的条件双方。
如上所述，实施例1成为如下方式，关于水平视场角(FOV)为35°的广角化，能够维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状并且确保可靠的图像形成。
[实施例2]
以下，参照图11，对本实施方式的虚像显示装置的具体一例(实施例2)进行说明。
图11是示出与实施例2有关的导光部件10的厚度之比h2/h1与导光部长度L的关系的曲线图，对应于图10。另外，关于导光部件10的结构等，仅与实施例1的图9所例示的情况存在略微的形状的差异，构造相同，因此，省略图示。
以上，在实施例2中，水平视场角(FOV)为35°，折射率nd为1.55。并且，在实施例2中，利用图11中的点PT2所示的值构成导光部件10。即，使得导光部长度L成为作为目标的50mm左右，使得厚度之比h2/h1成为0.74。
这里，在上式(4)中，k＝0.6、m＝0.7，替代角度α采用上式(5)的角度θ1之后设为折射率nd＝1.55的情况下，作为厚度之比h2/h1容许的范围为以图11中的直线R2为边界的区域DD2。在该情况下，L＝50mm的情况下的h2/h1的最大值为大约0.9左右。因此，在h2/h1＝0.74的实施例2的情况下，满足该条件、即与上式(4)等有关的条件。此外，在h2/h1＝0.74的情况下，还满足上式(13)的要件。即，厚度之比h2/h1满足与上限以及下限有关的条件双方。
如上所述，实施例2成为如下方式，关于水平视场角(FOV)为35°的广角化，能够维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状并且确保可靠的图像形成。
[实施例3]
以下，参照图12，对本实施方式的虚像显示装置的具体一例(实施例3)进行说明。
图12是示出与实施例3有关的导光部件10的厚度之比h2/h1与导光部长度L的关系的曲线图，对应于图10、图11。另外，关于导光部件10的结构等，仅与实施例1的图9所例示的情况存在略微的形状的差异，构造相同，因此，省略图示。
以上，在实施例3中，水平视场角(FOV)为45°、折射率nd为1.55。并且，在实施例3中，利用图12中的点PT3所示的值构成导光部件10。即，导光部长度L为比作为目标的50mm左右更小的49mm，厚度之比h2/h1为下限(最小)的0.50。
这里，在上式(4)中，k＝0.6、m＝0.7，并且替代角度α而采用上式(5)的角度θ1之后设为折射率nd＝1.55的情况下，作为厚度之比h2/h1容许的范围为以图12中的直线R3为边界的区域DD3。在h2/h1＝0.50的实施例3的情况下，满足该条件、即与上式(4)等有关的条件。此外，还满足上式(13)的条件。即，厚度之比h2/h1满足与上限以及下限有关的条件双方。
如上所述，实施例1成为如下方式，关于水平视场角(FOV)为45°的广角化，能够维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状并且确保可靠的图像形成。
[其他]
以上，结合实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种形态实施。
首先，在上述记载中，例如水平视场角(FOV)等的数值是一个例子，可以根据所需的规格存在各种不同。
此外，作为图像显示装置80，除了上述记载以外，除作为透射型液晶显示设备的HTPS以外，还能够使用各种图像显示装置，例如，也可以是使用了反射型液晶显示设备的结构，还可以使用数字微镜器件等替代由液晶显示设备等构成的影像显示元件。
此外，也可以通过在各透镜的透镜面上适当设置AR涂层，进一步抑制重影光的产生等。
此外，本发明的技术除了应用于仅看到图像光的所谓封闭型(非透视)类型的虚像显示装置以外，还应用于能够使观察者透视地看到或观察外界像的装置，或者可以应对由显示器和摄像装置构成的所谓视频透视产品。
此外，本发明的技术还能够应用于双筒望远镜型的手持显示器等。
此外，在上述记载中，关于设置有使影像光的一部分透过并且使另一部分反射的半透反射膜的部位，取而代之，例如还可考虑通过设置体积全息元件等衍射元件这样的光学功能面，发挥相同的作用。
如上所述，本发明的一个方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；以及导光部件，其通过多个导光面的反射和透射来引导来自影像元件的影像光，关于多个导光面中的、相邻的入射侧导光面和射出侧导光面、与入射侧导光面以及射出侧导光面对置的对置导光面，从入射侧导光面到对置导光面的厚度小于从射出侧导光面到对置导光面的厚度。
在上述虚像显示装置中，通过利用构成导光部件的多个导光面中的、设置于上述部位的厚度之差实现导光部件的小型化，由此，在HMD的广角化时，能够维持为与观察者的头部形状匹配的更紧凑的形状。
在本发明的具体方面中，导光部件具有台阶部，该台阶部使入射侧导光面和射出侧导光面的到对置导光面的厚度产生差异。在该情况下，能够利用台阶部设置期望的厚度差异。
在本发明的又一方面中，台阶部使入射侧导光面与射出侧导光面沿厚度方向产生2.5mm以上的差异。在该情况下，能够产生小型化所需的足够的厚度差异。
在本发明的又一方面中，台阶部设有3°～10°的锥角而将入射侧导光面与射出侧导光面连接。在该情况下，通过设置上述锥角，能够抑制台阶部中的意外的光的反射。
在本发明的又一方面中，在设从射出侧导光面到对置导光面的厚度为h1、从入射侧导光面到对置导光面的厚度为h2的情况下，厚度之比h2/h1满足h2/h1≥0.5。在该情况下，导光部件能够确保考虑了视场角的影像光的光路。
在本发明的又一方面中，关于最接近入射侧导光面与射出侧导光面的相邻部位的交点，从入射侧导光面到对置导光面的厚度的值大于从该交点到对置导光面的距离的值，其中，该交点是影像光中的、从影像元件的最靠周边的一端和另一端射出的成分的主光线的交点。在该情况下，能够以该交点为基准，确保导光部件中的影像光的光路。
在本发明的又另一侧面中，导光部件包括非轴对称的曲面作为多个导光面，并在内部形成中间像。在该情况下，能够维持适于HMD的光路长度并形成高画质的图像。
在本发明的又一方面中，入射侧导光面形成于导光部件中的自由曲面部，射出侧导光面和对置导光面形成于导光部件中的平面部。在该情况下，自由曲面部能够进行像差校正并维持良好图像形成，并且能够在平面部确保透视。
在本发明的又一方面中，导光部件具有第1面、第2面、第3面和第4面作为多个导光面，第4面为入射侧导光面，第3面为对置导光面，第1面为射出侧导光面，影像光在被第4面反射、被第3面反射、被第1面反射、被第2面反射之后，透过第1面，到达观察侧。在该情况下，能够利用作为多个导光面的第1面、第3面和第4面，形成射出侧导光面、对置导光面和入射侧导光面。
在本发明的又一方面中，进行水平视场角25°以上的影像显示。在该情况下，能够形成比以往更大视场角的图像。
在本发明的又一方面中，在导光部件中，从影像光的基准入射位置到基准射出位置的距离为54mm以下。在该情况下，能够维持适合作为导光部件10的尺寸。
在本发明的又一方面中，导光部件在佩戴时沿着观察者的眼睛排列的方向引导影像光。在该情况下，能够避免成为在横向上大幅突出的设计。
在本发明的又一方面中，导光部件使影像光和外界光通过射出侧导光面和对置导光面而同时被看到。在该情况下，通过重叠地观察影像光和外界光的透视的图像形成，能够使观察者进行基于增强现实(AR)的观看。
此外，本发明的另一方式的虚像显示装置具有：影像元件，其显示图像；以及导光部件，其通过多个导光面的反射和透射来引导来自影像元件的影像光，关于多个导光面中的、配置于外界光的入射侧和相反侧且相邻的入射侧导光面和射出侧导光面，使射出侧导光面比入射侧导光面突出。

Claims (14)

1.一种虚像显示装置，其具有：
影像元件，其显示图像；以及
导光部件，其通过多个导光面的反射和透射来引导来自所述影像元件的影像光；
关于所述多个导光面中的相邻的入射侧导光面和射出侧导光面、以及与所述入射侧导光面和所述射出侧导光面对置的对置导光面，从所述入射侧导光面到所述对置导光面的厚度小于从所述射出侧导光面到所述对置导光面的厚度。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件具有台阶部，该台阶部使所述入射侧导光面和所述射出侧导光面到所述对置导光面的厚度产生差异。
3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中，
所述台阶部使所述入射侧导光面与所述射出侧导光面之间在厚度方向上产生2.5mm以上的差异。
4.根据权利要求2或3所述的虚像显示装置，其中，
所述台阶部设有3°～10°的锥角，将所述入射侧导光面与所述射出侧导光面连接。
5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
在设从所述射出侧导光面到所述对置导光面的厚度为h1、从所述入射侧导光面到所述对置导光面的厚度为h2的情况下，厚度之比h2/h1满足
h2/h1≥0.5。
6.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
关于离所述入射侧导光面与所述射出侧导光面的相邻部位最近的交点，从所述入射侧导光面到所述对置导光面的厚度的值大于从该交点到所述对置导光面的距离的值，其中，该交点是所述影像光中的、从所述影像元件的最靠周边的一端和另一端射出的成分的主光线的交点。
7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件包括非轴对称的曲面作为所述多个导光面，在内部形成中间像。
8.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述入射侧导光面形成于所述导光部件中的自由曲面部，
所述射出侧导光面和所述对置导光面形成于所述导光部件中的平面部。
9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件具有第1面、第2面、第3面和第4面作为所述多个导光面，
所述第4面为所述入射侧导光面，
所述第3面为所述对置导光面，
所述第1面为所述射出侧导光面，
所述影像光在被所述第4面反射、被所述第3面反射、被所述第1面反射、被所述第2面反射之后，透过所述第1面，到达观察侧。
10.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
该虚像显示装置进行水平视场角25°以上的影像显示。
11.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件的从所述影像光的基准入射位置到基准射出位置的距离为54mm以下。
12.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件在佩戴时沿着观察者的眼睛排列的方向引导所述影像光。
13.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件使所述影像光和外界光通过所述射出侧导光面和对置导光面而同时被看到。
14.一种虚像显示装置，其具有：
影像元件，其显示图像；以及
导光部件，其通过多个导光面的反射和透射来引导来自所述影像元件的影像光；
关于所述多个导光面中的、配置于外界光的入射侧和相反侧且相邻的入射侧导光面和射出侧导光面，使所述射出侧导光面比所述入射侧导光面突出。
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