CN112327495A - 导光体、虚像光学系统以及虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导光体、虚像光学系统以及虚像显示装置，其目的在于使得虚像显示装置用导光体的结构更加紧凑。本发明的导光体(50)具有包含光线入射部(101)和向外部射出图像光的光线射出部(104)的导光部件(100)、以及与导光部件一体形成的光学部件(200)。导光部件还具备相对于光线入射部(101)倾斜并对图像光进行导光的反射部(102)、以及交替设置相对于光线射出部倾斜的第一面(103a)和平行于光线射出部的第二面(103b)，用以将图像光从第一面引导到光线射出部的图像取出部(103)。光学部件具有平行于光线射出部的平行面(210)、以及相对于平行面倾斜并贴近图像取出部设置的倾斜部(203)。

Description

导光体、虚像光学系统以及虚像显示装置
本申请为下述申请的分案申请，
原申请的申请日：2016年9月27日，
原申请的国家申请号：201610857535.X，
原申请的发明名称：导光体、虚像光学系统以及虚像显示装置。
技术领域
本发明涉及导光体以及具备该导光体的虚像光学系统和虚像显示装置。
背景技术
具备导光体的虚像显示装置是利用虚像光学系统放大二维图像，供观察者观察经过放大的虚像的装置。头戴式显示器(Head Mounted Display，HMD)作为采用导光体的虚像显示装置的一种实施方式，近年来逐渐得到普及。HMD分为透射型和非透射型两种。透射型HMD例如有美国谷歌公司的Googleglass(注册商标)。关于非透射型HMD也有各种有关临场感的技术方案。
透射型HMD与信息终端组合使用，或者用于AR(Augmented Reality，增强现实)等应用，需要小型且具有良好的携带性。非透射型HMD用来提供电影或游戏以及VR(VirtualReality，假想现实)等，需要具有能获得临场感的大视角。
近年来，针对用户对透射型产品的薄型、小型、以及大视角的需求，专利文献提供了以下技术方案。
专利文献1(JP特许第4508655号公报)公开了一种虚像显示装置，其采用的方式是，重叠多个施加特殊反射率涂布的导光体，以光线入射角度来分离光线的反射和透射，取出图像。
具体为，导光体的光线入射部和光线射出部位于同一个面上，被设置为让准直光学系统的投射透镜的主光线垂直入射导光体，在光透射性基板上设有两个以上主要面和边缘。该虚像显示装置具有利用全反射使得光在光透射性基板上成像的装置、以及一个以上设于光透射性基板上的部分反射面。专利文献2(JP特许第5421285号公报)公开的虚像显示装置利用全反射，在通过导光体对图像光进行导光的同时，在导光体的图像取出一方设置与导光体的主平面平行的外光透射面，从而重合图像光和外光，具有能够观察的透射功能。
具体为，在具有两个面的光导波路上，具有让光束入射光导波路内的注入部分，通过光导波路的两个面的连续反射来运送光导波路中，使得光束射出。该虚像显示装置中，光导波路的两个面中的一个面上的平的表面上，具有微细结构，通过使得光导波路的两个面平行，使得透射的像和虚像重叠。
专利文献3(JP特许第5703875号公报)采用的方式是组合导光体，该导光体与相对设置延伸的全反射部、倾斜延伸的多个第一要素面、以及相对于该第一要素面构成为钝角延伸的多个第二要素面交替设置。
专利文献4(JP特开2014-153644号公报)公开的虚像显示装置使用具有自由曲面的导光体，将该导光体设置为相对于投射透镜倾斜，在导光体内形成从投射透镜射出的光线的中间像，而后在导光体的图像取出部，放大在导光体内形成的中间像，从而显示虚像。
在上述方式中，需要多个导光体用以实现透射性和大视角，还需要平面的导光体部分以保持透视性，进而需要增加导光体长度用以扩大视角。
发明内容
本发明的目的在于使得虚像显示装置用导光体结构更加紧凑。
为了达到上述目的，本发明提供一种虚像显示装置用的导光体，用于对来自图像显示元件的图像光进行导光后，射出经过导光的该图像光，用以显示虚像，其特征在于，具有导光部件和光学部件，该导光部件具有光线入射部、以及用于向外部射出从该光线入射部入射的所述图像光的光线射出部，所述光学部件与所述导光部件一体形成，所述导光部件还具备反射部和图像取出部，该反射部相对于所述光线入射部倾斜，在所述导光部内部对从所述光线入射部入射的所述图像光进行导光，所述图像取出部被形成为交替设置相对于所述光线射出部倾斜的第一面和平行于所述光线射出部的第二面，用来对所述图像光进行导光，将该图像光从所述第一面引导到所述光线射出部后，取出该图像光，所述光学部件具有平行于所述光线射出部的平行面、以及相对于所述平行面倾斜并贴近所述图像取出部设置倾斜部。
本发明还提供一种虚像光学系统，其中具备：光源，用于发射照明光；图象显示元件，用于在受到来自所述光源的照明光照射后输出用来作虚像显示的显示图像的图像光；准直光学系统，用于准直来自所述图像显示元件的图像光，并射出经过准直的所述图像光；以及，导光体，用于对来自所述准直光学系统的图像光进行导光后射出该图像光，所述导光体使用上述的导光体。
本发明进一步提供一种虚像显示装置，其中具备：权利要求上述虚像光学系统、以及用来照射所述虚像光学系统中的图像显示元件的光源。
本发明的效果在于能够使得虚像显示装置用的导光体结构更加紧凑。
附图说明
图1是本发明涉及的导光体的实施方式示意图。
图2是图1所示导光体的立体图。
图3是采用导光体的虚像显示光学系统的俯视图。
图4是导光体中导光部件的光线入射部和反射部的一部份放大图。
图5是导光体中导光部件的图像取出部的一部份放大图。
图6是导光体中导光部件的图像体取出部与光学部件的倾斜部之间的分界面的设置状态的示意图。其中，(a)显示导光体，(b)放大显示(a)中以虚线包围的境界部份。
图7是导光部件的其他实施方式的示意图。其中(a)放大显示图像取出部，(b)进一步放大显示图像取出部。
图8是图7所示的导光部件和光学部件的设置状态的放大图。其中，(a)放大显示图像取出部，(b)进一步放大显示图像取出部。
图9是一例采用实施方式的导光体的虚像显示装置的实施例的示意图。其中(a)显示双眼一体型导光体，(b)和(c)显示单眼型导光体，双眼左右分别使用导光体和只有单只眼使用导光体。
图10是采用实施方式的导光体的虚像显示装置的实施例1的示意图。
图11是采用实施方式的导光体的虚像显示装置的实施例2的示意图。
图12是图像光从导光体射出是光线不均匀状态的示意图。
图13是用粘结剂粘结导光部件和光学部件的导光体的部份放大示意图。
图14是用来描述光学部件效果的示意图。其中，(a)显示未设光学部件的导光体中的光的行进，(b)显示设有光学部件的导光体中的光的行进。
图15是用来说明导光部件其他构成例，放大显示导光体中导光部件和光学部件之间粘结部位的部份放大图。
图16是一例采用实施方式的导光体的虚像显示装置的实施例的示意图。
图17是本发明涉及的虚像光学系统的实施方式的示意图，其中显示图像显示元件、准直光学系统、以及导光体之间的位置关系。
图18是图1所示虚像光学系统的立体图。
图19是图1所示虚像光学系统的光路图。
图20是本发明涉及的导光体的实施方式示意图。
图21是本发明涉及的导光体的另一种实施方式示意图。
图22是采用图21所示导光体的虚像光学系统的立体图。
图23是各种导光体的示意图。其中(a)显示图20所示的导光体、(b)显示图21所示的导光体、以及(c)显示作为参考例的导光体。
图24是导光部件的一部分放大图，其中，(a)放大显示图像取出部的一部分，(b)进一步放大显示图像取出部的一部分。
图25是一例光学部件以及导光部件和光学部件的设置状态的部份放大图。其中，(a)放大显示图像取出部的一部分，(b)进一步放大显示图像取出部的一部分。
图26是用粘结剂粘结图9所示的导光部件和光学部件的状态的部份放大图。
图27是用粘结剂粘结图9所示的导光部件和其他示例的光学部件的状态的部份放大图。
图28是虚像光学系统使用的一例准直光学系统的光学元件设置图。
图29是用来说明虚像光学系统原理的光路图。
图30是用粘结剂粘结图7所示的导光部件和光学部件的状态的部份放大图。
图31是用粘结剂粘结图7所示导光部件和其他示例的光学部件的状态的部份放大图。
图32是具备本实施方式涉及的虚像光学系统的虚像显示装置的俯视图。
具体实施方式
以下参考附图描述采用了本发明的实施方式。以下描述的实施方式涉及透射型导光体以及采用该导光体的虚像显示装置。
[第一实施方式]
图1和图2显示本实施方式的导光体50，图3显示在虚像显示光学系统的光路上设置该导光体50的虚像显示装置的构成。图3所示的虚像显示装置中，用箭头表示虚像显示光学系统的光路，同时还模拟性地描绘了装置的用户即观察者的眼睛。在以下的描述中，对于导光体50的面，以观察者看到的位于前方(图3的下侧)的面为“后面”，位于后方的面(图3的上侧)的面为“前面”。
导光体50是用于对入射到该导光体50内部的、来自图像显示元件的图像光进行导光，并从该导光体50射出用以作虚像显示的元件，本实施方式中将导光部件100与光学部件200设为一体，整体外形大致呈多角柱形，正视图为非对称梯形。
导光体50的导光部件100用于将来自图像显示元件的图像光取入内部进行导光，而后射出到外部用作虚像显示。为此，导光部件100具备使得图像光入射内部的光线入射部102、将经过导光的图像光射出到外部用以取出图像光的图像取出部103、以及光线射出部104。
为了具有良好的透视性，导光部件100中，设有光线射出部104的后面、以及位于后方(图1上侧)的前面105均为平面，且互相平行。
光线入射部101和光线射出部104均设于导光部件100的后面。为此，光线入射部101和光线射出部104被设置在同一个面上。这样，将光线入射部101和光线射出部104设置在同一面上，能够提高导光部件100、进而提高导光体50的效率，并且使得导光部件100和导光体50整体结构简单。
导光部件100的图像取出部103用于反射经过内部导光的图像光，使该图像光射往光线射出部104。光线射出部104用于使得来自图像取出部103的图像光面对虚像观察者的眼睛射出到外部。
另一方面，光学部件200的外形为，俯视时呈锥形，与导光部件100的图像取出部103相对设置，主要用于确保光线射出部104和图像取出部103的光线透射性即透视性。
光学部件200具有平行于导光部件100的光线射出部104的平行面，即前面210、以及相对于前面210倾斜且与导光部件100的图像取出部103相对设置的倾斜面203。光学部件200的倾斜部203贴近导光部件100的图像取出部103设置，对此将在以下详述。
以下详述采用导光体50的虚像显示装置。图3所示的本实施方式的虚像显示装置具备包括输出显示图像的图像光的图像显示元件10、对来自图象显示元件10的图像光进行准直校正后射出的准直光学系统300、以及上述导光体50构成的虚像光学系统。
图象显示元件10是用来输出显示图像的图像光的器件。该显示图像以通过导光体50显示的虚像为基础。图像显示元件10优选以OELD(Organic Light Emitting Diode，有机ELD)或液晶显示元件构成，但也可以采用其他各种显示方式的器件，例如DMD(DigitalMicromirror Device)、TFT(Thin Film Transistor)、LCOS(Liquid Crystal OnSilicon)。进而也可以采用MEMS(Micro Electro Mechanical Systrms)。
图3显示一例用需要光源的LCOS或DMD作为图像显示元件10，其中增加了用来照射图像显示元件10的光源LS。光源LS可以采用各种光源，例如LED(Light Emitting Diode)、半导体激光(Laser Diode，LD)、放电灯等。
准直光学系统300以多个光学透镜以及光圈等构成，用于放大图像显示元件10输出的图像光，并使该图像光成为平行光射出。
在本实施方式的虚像显示装置中，受到光源LS照射的图像显示元件10的图像光经过准直光学系统300放大后，入射导光体50。换言之，经过准直光学系统300放大的图像光入射导光体50中的导光部件100的光线入射部101，经反射部102反射后在导光部件100内部受到导光。经过导光后的图像光受到图像取出部103的反射，作为图像信息，从光线射出部104向着用户的双目射出。用户通过导光部件100的光线射出部104和光学部件200观察前方，能够认识图像光的虚像。
以下参考图4进一步详述导光体50的构成。
关于导光部件的材料，考虑到透视性，优选具有高透射性的材料，进而考虑到以下将要描述的图像取出部103实施加工，优选以树脂材料形成。
导光部件100的光线入射部101和反射部102分别用来入射和反射经过准直光学系统300放大后的图像光的光束。为此，光线入射部101和反射部102的大小需要形成为图像光光束大小以上。
反射部102如图4所示，相对于光线入射部101以角度θ0倾斜，用于在导光体50内部对从光线入射部101入射的图像光导光。该倾斜角θ0为从光线入射部101入射的图像光的全反射角度，为了在导光体50内部对图像光良好地导光，优选倾斜角θ0为15度到75度。进而，考虑到下述的图像取出部103的第一面103a和光线射出部104之间的角度θa的优选范围，倾斜角θ0的设定范围优选为20度到30度。
反射部102上可以施加任意涂布。为了在导光体50的内对图像信息导光，优选在反射部102上施加铝、银、以及压电涂布等反射率较高的镜面涂布。
图像取出部103如图5所示，第一面103a和第二面103b交替设置，形成阶梯形状，其中，第一面103a与光线射出部104之间的角度为θa，第二面103b与光线射出部104之间的角度为θb。图5中，以虚线表示平行于光线射出部104的基准面，并用w表示第二面103b的宽度。
图像取出部103的第一面103a用于将入射导光部件100内部并受到导光的图像光引导到光线射出部104，并从光线射出部104射出。该第一面103是相对于光线射出部104倾斜的平面。在此，第一面103a相对于光线射出部104倾斜的方向与反射部102相对于光线入射部101的倾斜方向相反。第一面103相对于光线射出部104的倾斜角度θa的大小虽然取决于导光部件100的材料的折射率，但在此优选设定倾斜角度θa的大小范围为20度到30度。进一步优选将倾斜角度θa的大小设为与反射部相对于上述光线入射部101的倾斜角度θb相同。这样的设定有利于方便准直光学系统300的设置调整等。
另一方面，第二面103b作为反射面，用于在导光部件100的内部对入射的图象光进行导光，是平行于光线射出部104的平面。为此，角度θb＝0°。进而，第二面103b还作为透射面，让外部光从导光体50的前面和后面入射，用以确保透视性。
如果将第二面103b设为相对于光线射出部104倾斜，即θb≠0，则在导光部件100内部经过导光的图像光会因在第二面103b受到反射的反射角与在光线射出部104受到反射的反射角不一致而发生变化。此时，用从光线入射部101入射的光线与光线入射部101的法线之间形成的角度来定义的入射角θin不能够等于从光线射出部104射出的光线与光线射出部104之间的角度定义的射出角θout。进而，图像光在通过第一面103a和光线射出部104射出到导光体50外部时，会沿着不同方向射出，形成为不好的虚像。为此，本实施方式设定θb＝0°，第二面103b被形成为平行于光线射出部104。
导光部件100中的图像取出部103的第二面103b的宽度w的大小满足0.5mm＜w＜3.0mm的条件。
在此，宽度w是第二面103b沿着导光部件100的长度方向的长度，即入射的图像光行进方向上的长度。
以下详述第二面103b的宽度w的设定条件。
在此，能够认知虚像的视野宽度被称为“出瞳框”，并将能够认知光线射出部104与眼球之间的距离称为“出瞳距离”。设定出瞳框的直径为
Figure BDA0002756165870000082
出瞳距离为L，导光体的厚度为tI，与具有图像取出部103的光线射出部104平行的面，即第二面103b的数量为n，第二面103b的宽度w可用下式表示。
Figure BDA0002756165870000081
在此，出瞳框的越大，能够看见的范围也就越大，为此，一般希望出瞳框的直径
Figure BDA0002756165870000083
较大。但是如果出瞳框的直径
Figure BDA0002756165870000084
大，则导光体的厚度则变厚，从而提升导光体的设计难度。
通常，眼睛瞳孔直径约为5mm，但是由于导光体50需要按照个人差别有适当的位置设定，因此，可以将出瞳框的直径设得较大。而且，考虑到以下将要描述的导光体50在眼镜型虚像显示装置中的应用，出瞳距离L通常需要在15mm以上。
为此，如果设定出瞳距离为20mm，出瞳框在5mm以上到10mm以下，则第二面103b的宽度w需要满足上述条件0.5mm＜w＜3.0mm。
如果图像取出部103的第二面103b的宽度w小于0.5mm，则需要减小第一面103a的宽度，入射的图像光容易发生衍射现象，而且难以制造。进而，如果在不减小第一面103a的宽度的情况下，要在出瞳距离为20mm的位置上保证出瞳框在5mm以上到10mm以下，则需要增加导光体厚度，重量也会随此增大。
另一方面，如果第二面103b的宽度w超过3.0mm，则经过第一面103a发射从光线射出部104射出的光线密度下降，眼睛所处位置上的光量减少。为此，优选图像取出部103的第二面103b的宽度w满足条件0.5mm＜w＜3.0mm。
各个第二面103b的宽度w可以有不同的值。具体为，在通常情况下，离开反射部102距离越远，图像光的光线密度便越小。为此可以设定第二面102b离开反射部102距离越远，其宽度w便越小。如此设定能够使得离开反射部102越远，单位长度上第一面103a的设置数量越多，减小光量不均匀。
同样，为了减小光量不均匀，还可以使得图像取出部103的各个第一面103a的宽度不同。在此，第一面103a的宽度为沿着导光部件100的长度方向的长度，即入射的图像光的行进方向上第一面103a的长度。具体为，设定第一面103a离开反射部102的距离越大，其宽度便越大。如此设定能够使得第一面103a离开反射部102越远，单位长度上该第一面103a的面积越大，减小光量不均匀。
优选导光体50的厚度范围为1mm到8mm。如果导光体50的厚度小于1mm，则难以形成导光部件100的图像取出部103的形状。相反，如果导光体50的厚度超过8mm，则虽然有利于获得大视角，但是部件的重量将会变大。
光学部件
以下描述光学部件200的构成以及光学部件200相对于光导部件100的设置。图6的(b)放大显示图6的(a)所示的光导部件100与光学部件200之间的一部分界面(用虚线包围的部份)。此外用虚线表示平行于光学部件200的前面210的假想面。
如图6的(b)所示，光学部件200的倾斜部203隔着空气层，即空气间隙140与导光部件100的图像取出部103贴近设置。在本实施方式中，用微粉球型粘结剂来粘接导光部件100的图像取出部103端缘与光学部件200的倾斜部203的端缘。这样便能够使得取出部103和倾斜部203的空气间隔140为等间距，进一步提高了透视性。
在光学部件200的倾斜部203上，面对导光部件100的图像取出部103的部位，交替设置相对于前面210具有θa′角度的第3面203a和相对于前面210具有θb′角度的第4面203b。
前面210平行于导光部件100的光线射出部104。第4面203b平行于前面210，角度θb′＝0°。为此，第4面203b还平行于导光部件100的光线射出部104、第二面103b，θb＝θb′＝0°。如此设定能够提高导光体50的透视性。而第4面203b如果不平行于前面210、导光部件100的光线射出部104、第二面103b，则会发生菱镜效应，降低透视性能。
进而，优选设定第3面203a相对于前面210的角度θa′＝θa，θa即图像取出部103相对于光线射出部104的角度。在这种情况下，光学部件200的第3面203平行于导光部件100的第一面103a，能够进一步提高导光体50的透视性。
对于导光体50的透视性，为了获得最大效果，在使得导光部件100的第一面103a与光线射出部104的法线方向(图6中向上)平行移动时，尽可能消除与对面的第3面203a之间的偏差。为了消除了该偏差，可以在光学部件200上安装调整机构，用来调整光学部件100与导光部件100之间的间隔，即空气间隙140。
为了确保导光版50的透视性，优选导光部件100和光学部件200采用相同的材料。
取出部103和倾斜部203之间的空气间隙140可以夹持各种气体或液体，从确保透视性的观点出发，优选大气。
导光部件的变形例
以下参考图7和图8，描述导光部件100的其他构成例。
在上述图6所示的实施方式中，图像取出部103以两种平面，即第一面103a和第二面103b构成。换言之，图像取出部103上相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a和相对于光线射出部104具有θb角度的第二面103b交替设置，大致形成为阶梯形状。
对此，在图7所示的变形例中，图像取出部103是四平面构成，形成为锯齿形。具体为，图像取出部103所呈的形状为，依次排列相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a、具有θb角度的第二面103b、具有θc角度的第3面103c、相对于光线射出部104具有θd角度的第4面103d。图像取出部103中的第一面103a和倾斜面103c均相对于与光线射出部104平行的基准面倾斜，但是，倾斜的方向互不相同。
在上述四个面，第一面103a和第二面103b的功能和最佳范围均与上述实施方式相同，在此不再重复说明。
倾斜面103c用于确保第一面103a的面积宽广以及提高导光部件100的弯曲强度。
倾斜面103c相对于光线射出部104的θc角度范围被设为大于0°且在90°以下。如果角度θc为0°，则倾斜面103c与第二面103b成为同一面，即成为第二面103b的一部分，从而与上述实施方式具有相同构成。考虑到效率，优选角度θc的范围为45°到90°。进而，如果来自图像显示元件10的图像光照射到倾斜面103c，则容易产生乱反射等现象，因而，角度θc的范围优选尽可能避免受到来自图像显示元件10的图像光照射。
平面103d是主要用于保持透视性的部位，优选设定相对于光线射出部104的角度θd＝0°，即平行于光线射出部104。在角度θd＝0°的情况下，也可以设定为与第二面103b相同，用平面103d来反射来自图像显示元件10的图像光的构成。
作为进一步改变图7所示方式构成的变形例，也可以向图的上方延伸第一面103a和倾斜面103c，使得图像取出部103构成为第一面103a与倾斜面103c连接的3个平面的构成。此时图像取出部103上相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a、相对于光线射出部104具有θb角度的第二面103b、以及相对于光线射出部104具有θc角度的第一面103c依次连续设置。
如此，将图像取出部103形成为三平面构成或四平面构成，相比于图6所示的实施方式形状复杂，但是能够相对获得较大的第一面103a的面积。因而该形状能够相对地获得更多从光线射出部104射出的图像光的光量，而且还有利于弯曲强度的提高，尤其是导光部件100以树脂形成时比较有利。换言之，用树脂形成导光部件100时，导光部件100的厚度逐渐变小的前端弯曲强度也逐渐变小，而在此加上倾斜面103c，能够提高弯曲强度。
图8放大显示图像取出部103作为四平面构成时导光部件100和光学部件200之间的界面。在图8(a)和(b)所示的例子中，光学部件200隔着空气，即空气间隙140贴近导光部件100的图像取出部103设置。
图8所示的光学部件200具有图6所示的形状的倾斜部203。即光学部件200的倾斜部203为相对于前面210具有θa′角度的第3面203a以及相对于前面210具有θb′角度的第3面203b交替设置的二面构成。关于角度θa′和角度θb′，如在图6(b)的描述中所述，角度θa＝θa′,角度θa＝θb′。
关于增加倾斜面103c或平面103d，将图像取出部103形成为三平面构成或四平面构成的变形例并不仅限于实施于整个图像取出部103的构成，也可以实施于图像取出部103中的一部分。即以用第一面103a和第二面103b交替设置的图6所示的图像取出部103的构成为基础，在需要保证光量的部位或保证弯曲强度的部位上单独增加倾斜面103c，进而增加平面103d。
进而，在图像取出部103形成为三平面构成或四平面构成时，也可以将相对设置的光学部件200的倾斜面203形成为与所述三平面或四平面的变形形状相对应的形状。在这种情况下，如上所述，在使得导光部件100的第一面103a向着光线射出部104的发现方向平行移动时，设定其形状为不会与相对设置的光学部件200的第三面203a之间产生偏差，这样，导光体50便能够获得良好的透视性。为了消除该偏差，可以在光学部件200上安装调整机构，用来调整与导光部件100之间的间隙。
通过上述各种实施方式，能够实现结构紧凑且具有40度以上大视角的导光体。
上述图1至图8所示的实施方式的描述中，在虚像观察者的左侧设置导光部件100的光线入射部101，且图像光从虚像观察者的左侧入射。在与该设置左右相反的情况下，即在虚像观察者的右侧设置导光部件100的光线入射部101，且图像光从虚像观察者的右侧入射时，也能够获得同样的效果。
图9的(a)、(b)、(c)显示采用上述导光体50的眼镜型虚像显示装置即HMD。
图9(a)所示的HMD是一个导光体50同时用于双眼的HMD，导光部件100的光线入射部101被设置在虚像观察者即用户的右方。导光体50被固定在框架部400上，该框架部400起到镜架的作用，用来将眼镜架设在用户耳朵上。图9对框架部400仅作简单显示，而框架部400除了覆盖导光体50两端以外，还可以覆盖导光体50的上方或下方的边缘。
另一方面，图9的(b)和(c)显示采用单眼用的小型化导光体50的HMD。如图9的(b)所示，两个导光体50，50分别设置于对应于用户左右眼各自的位置上，各个导光体的光线入射部101分别位于左右外侧。
此外，上述图9中未显示虚像光学系统以及光源可以安装在框架部400上。即在图9的(a)和(c)的示例中，光源SL、图像显示元件10以及准直光学系统300安装在框架部的右眼一侧，而在图9的(b)的示例中，光源SL、图像显示元件10以及准直光学系统300则安装在框架部的左右双方。
上述实施方式描述了采用导光体50的眼镜型HMD。除了眼镜型HMD以外，导光体50还可以用于其他种类的HMD，进而用于头头戴式显示器(HUD)。导光体50尤其适用于以虚像显示通过微小器件光调制的光束形成的原图像。
如上所述，上述实施方式能够提供小型且具有40度以上的大视角的透射型导光体以及利用该导光体的紧凑型虚像显示装置。
虚像显示装置的实施例
以下参考图10和图11描述采用图1至图6所示的导光体50制作的虚像显示装置的具体实施例。图10和图11分别表示实施例1和实施例2的导光体中图像光的射出状态，用直线ER表示出瞳距离的位置，同时加注有关大小等标记。图中未显示图像显示元件10以及准直光学系统300等。以下所示角度为绝对值。
〈实施例1〉
图10显示实施例1，其中导光体的厚度tl＝1mm，长边的长度为Ll＝50mm，宽度＝40mm，角度θ0＝30，导光体的折射率(Nd)＝1.54(塑料)。导光体的水平视角为45度以上，出瞳距离为19mm时出瞳框达到5mm以上的第二面103b的宽度w＝2.20mm。
本例中导光体厚度为1mm，实现了导光体的轻型化，适用于例如图9的(b)和(c)显示的单独在每个眼睛上设置的虚像显示装置。
〈实施例2〉
在图11显示的实施例2中，导光体的长度Ll、宽度、角度θ0以及导光体的折射率(Nd)均与实施例1相同，而导光体的厚度tl＝4mm。另外，本实施例中导光体的水平视角为45度以上，出瞳距离为19mm时出瞳框达到5mm以上的第二面103b的宽度w＝0.90mm。
实施例2相比于实施例1，其第二面103b的宽度狭窄，因而与图10所示的实施例1相比可知，眼睛位置上的光量密度有所提高。
[第二实施方式]
图1和图2显示本实施方式的导光体50，图3显示在虚像显示光学系统的光路上设置该导光体50的虚像显示装置的构成。图3所示的虚像显示装置中，用箭头表示虚像显示光学系统的光路，同时还模拟性地描绘了装置的用户即观察者的眼睛。在以下的描述中，对于导光体50的面，以观察者看到的位于前方(图3的下侧)的面为“后面”，位于后方的面(图3的上侧)的面为“前面”。
导光体50是用于对入射到该导光体50内部的、来自图像显示元件的图像光进行导光，并从该导光体50射出图像光，用以作为虚像显示的元件，本实施方式中将导光部件100与光学部件200设为一体，整体外形大致呈多角柱形，正视图为非对称梯形。
导光体50的导光部件100用于将来自图像显示元件的图像光取入内部进行导光，而后射出到外部用作虚像显示。为此，导光部件100具备使得图像光入射内部的光线入射部102、取出经过导光的图像光射出到外部的图像取出部103、以及光线射出部104。
为了具有良好的透视性，导光部件100中，设有光线射出部104的后面、以及位于后方(图1上侧)的前面105均为平面，且互相平行。
光线入射部101和光线射出部104均设于导光部件100的后面。为此，光线入射部101和光线射出部104被设置在同一个面上。这样，将光线入射部101和光线射出部104设置在同一面上，能够提高导光部件100、进而提高导光体50的效率，并且使得导光部件100和导光体50整体结构简单。
导光部件100的图像取出部103用于反射经过内部导光的图像光，使该图像光射往光线射出部104。光线射出部104用于使得来自图像取出部103的图像光向着虚像观察者的眼睛射出到外部。
另一方面，光学部件200的外形为，俯视时呈锥形，与导光部件100的图像取出部103相对设置，主要用于确保光线射出部104和图像取出部103的光线透射性即透视性。
光学部件200具有平行于导光部件100的光线射出部104的平行面，即前面210、以及相对于前面210倾斜且与导光部件100的图像取出部103相对设置的倾斜面203。光学部件200的倾斜部203贴近导光部件100的图像取出部103设置，对此将在以下详述。
以下详述采用导光体50的虚像显示装置。图3所示的本实施方式的虚像显示装置具备包括输出显示图像的图像光的图像显示元件10、对来自图象显示元件10的图像光进行准直后射出的准直光学系统300、以及上述导光体50构成的虚像光学系统。
图象显示元件10是用来输出显示图像的图像光的器件。该显示图像以通过导光体50显示的虚像为基础。图像显示元件10优选以OELD(Organic Light Emitting Diode，有机LED)或液晶显示元件构成，但也可以采用其他各种显示方式的器件，例如DMD(DigitalMicromirror Device)、TFT(Thin Film Transistor)、LCOS(Liquid Crystal OnSilicon)。进而也可以采用MEMS(Micro Electro Mechanical Systrms)。
图3显示一例用需要光源的LCOS或DMD作为图像显示元件10，其中增加了用来照射图像显示元件10的光源LS。光源LS可以采用各种照明器件，例如LED(Light EmittingDiode)、半导体激光(Laser Diode，LD)、放电灯等。
准直光学系统300以多个光学透镜以及光圈等构成，放大图像显示元件10输出的图像光，并使该图像光成为平行光射出。
本实施方式的虚像显示装置中，受到光源LS照射的图像显示元件10的图像光经过准直光学系统300放大后，入射导光体50。换言之，经过准直光学系统300放大的图像光入射导光体50中的导光部件100的光线入射部101，经反射部102反射后在导光部件100内部受到导光。经过导光后的图像光受到图像取出部103的反射，作为图像信息，向着用户的双目，从光线射出部104射出。用户通过导光部件100的光线射出部104和光学部件200观察前方，能够认识图像光的虚像。
以下参考图4进一步详述导光体50的构成。
关于导光部件的材料，考虑到透镜性，优选具有高透射性的材料，进而考虑到以下将要描述的对图像取出部103实施加工，优选以树脂材料形成。
导光部件100的光线入射部101和反射部102用来入射和反射经过准直光学系统300放大后的图像光的光束。为此，光线入射部101和反射部102的大小需要形成为图像光光束大小以上。
反射部102如图4所示，相对于光线入射部101倾斜，其间的角度为θ0，用于将从光线入射部101入射的图像光引导到导光体50内部。该倾斜角θ0为从光线入射部101入射的图像光的全反射角度，为了在导光体50内部对图像光进行良好的导光，优选倾斜角θ0为15度到75度。进而，考虑到下述的图像取出部103的第一面103a和光线射出部104之间的角度θa的优选范围，倾斜角θ0的设定范围优选为20度到30度。
反射部102上可以施加任意涂布。为了在导光体50内部对图像光进行导光，优选在反射部102上施加铝、银、以及压电涂布等反射率较高的镜面涂布。
图像取出部103如图5所示，交替设置第一面103a和第二面103b，形成阶梯形状，其中，第一面103a与光线射出部104之间的角度为θa，第二面103b与光线射出部104之间的角度为θb。图5中，以虚线表示平行于光线射出部104的基准面，并用w表示第二面103b的宽度。
图像取出部103的第一面103a用于将入射导光部件100内部并受到导光的图像光引导到光线射出部104，并从光线射出部104射出。该第一面103是相对于光线射出部104倾斜的平面。在此，第一面103a相对于光线射出部104倾斜的方向与反射部102相对于光线入射部101的倾斜方向相反。
第一面103相对于光线射出部104的倾斜角度θa的大小虽然取决于导光部件100的材料的折射率，但在此优选设定倾斜角度θa的大小范围为20度到30度。进一步优选将倾斜角度θa的大小设为与反射部相对于上述光线入射部101的倾斜角度θb相同。这样的设定有利于方便准直光学系统300的设置调整等。
另一方面，第二面103b用于将入射的图象光引导到导光部件100的内部，为平行于光线射出部104的平面。为此，角度θb＝0°。进而，第二面103b还作为透射面，让外部光从导光体50的前面和后面入射，用以确保透视性能。
图像取出部103上的第一面103a和第二面103b上可以施加任意涂布。在此，考虑到导光体50让具有的透视性，优选在图像取出部103上施加确保具有一定程度透射率的半镜面等涂布。
如图12所示，从光线射出部104射出的图像光离开反射部102的距离越远，即越是射往靠近向图12中的右方，光线的间距便越分开。该现象意味着，图像光的灰度将随着观察位置，即观察者的眼睛，相对于光线射出部104的位置而发生变化，成为灰度不均匀的原因。
为了应对上述灰度不均匀的问题，优选图像取出部103构成如下。
第一构成为，设定在图像取出部103上，第一面103a的宽度随着离开反射部102的距离增大而增加。在此，第一面103a的宽度为导光部件100的长边方向，即入射的图像光的行进方向上的第一面103a的长度。该设定使得第一面103a的面积随着离开反射部102的距离的增大而增加，受到反射的图像光光量进一步增多，因而能够减少上述观察位置上的灰度不均匀。
第二构成为，设定在图像取出部103上第一面103a和第二面103b的反射率随着离开反射部102的距离增大而逐渐提高。该设定使得受到反射的图像光光量进一步增多，因而能够减少上述观察位置上的灰度不均匀。为了逐渐提高第一面103a和第二面103b的反射率，例如可以使用具有不同反射率的各种涂布材料，离开反射部102的距离越远，便选择反射率越高的材料来对图像取出部103施加涂布。
图17显示导光部件100和光学部件200的结合状态。光学部件200以粘结剂粘结到导光部件100的图像取出部103上，以该粘结状态，前面210与导光部件100的光线射出部104保持平行。
为了确保导光体50的透视性，优选导光部件100和光学部件200使用折射率相同或尽可能相近的材料。从同样的观点出发，优选粘结剂150使用具有与导光部件100和光学部件200的折射率相同或尽可能相近的折射率的材料。如果以用树脂形成导光部件100和光学部件200为前提，则优选使用折射率为1.4至1.9的粘结剂150。
本实施方式中导光部件100和光学部件200通过粘结剂150粘结，使得粘结部位不会出现空气层。此时，图像取出部103内的第二面103b上不会发生全反射，为此，需要在图像取出部103上施加具有反射特性的涂布。该构成能够用图像取出部103反射图像光，从而在导光部件100内对该图像光进行导光。
图14对比显示在(a)导光体50中未设光学部件200的参考例和(b)将光学部件200粘结到导光部件100上的本实施方式中，观察者从外部观察时看到的各自的光线折射形态。
如图14的(a)所示，只有导光部件100而未设光学部件200时，在观察者通过光线射出部104的观察方向上的光线在图像取出部103的部位发生折射。此时，观察者的观察方向与外部的实像方向不一致，因而透视性差。对此，本实施方式的导光体50构成为在导光部件100上粘结光学部件200，如图14的(b)所示，在观察者通过光线射出部104的观察方向上的光线在图像取出部103的部位不发生折射。为此在本实施方式中，观察者的观察方向与外部的实像方向一致，导光体50具有良好的透视性。
在图13所示的导光部件100的光线射出部104和光学部件200的前面210不是互相平行的面的情况下，通过光线射出部104的观察者的观察方向的光线在前面210上发生折射，透视性变差。对此，本实施方式的导光体50构成为粘结导光部件100和光学部件200，使得光线射出部104和光学部件200的前面210成为互相平行的平面，从而改善了透视性。
如上所述，用随着离开反射部102的距离增加而增加图像取出部103上的第一面103a的宽度、或者加大图像取出部103反射率的方法，可以减小射出光随光线射出部104的位置而发生的灰度不均匀。在利用这样的构成时，优选设定随着离开导光部件100的反射部102距离的增加，逐渐提高光学部件200的前面210的透射率。该设定能够在观察者通过导光部件100的光线射出部104观察外界景色时，减小该外界景色的灰度不均匀。关于逐渐提高光学部件200的前面210的透射率，例如可以具有不同透射率的各种涂布材料，选择离开反射部102距离越远透射率越高的涂布材料来对图像取出部103进行涂布。
导光部件的变形例
以下参考图7和图15描述导光部件100的其他构成例。
在上述图5所示的实施方式中图像取出部103包含第一面103a和第二面103b两种平面。即图像取出部103被形成为以相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a和相对于光线射出部104具有θb角度的第一面103b的阶梯形状。交替设置
对此，在图7所示的变形例中，图像取出部103呈以四种平面构成的锯齿形状。具体为，具体为，图像取出部103所呈的形状为，依次排列相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a、具有θb角度的第二面103b、具有θc角度的倾斜面103c、相对于光线射出部104具有θd角度的平面103d。图像取出部103中的第一面103a和倾斜面103c相对于与光线射出部104平行的基准面均倾斜，但是，倾斜的方向互不相同。
在上述四个面，第一面103a和第二面103b的功能和最佳范围均与上述实施方式相同，在此不再重复说明。
倾斜面103c用于确保第一面103a的面积宽广以及提高导光部件100的弯曲强度。倾斜面103c相对于光线射出部104的θc角度范围被设为大于0°且在90°以下。如果角度θc为0°，则倾斜面103c与第二面103b成为同一面，即成为第二面103b的一部分，从而与上述实施方式具有相同构成。考虑到效率，优选角度θc的范围为45°到90°。进而，如果来自图像显示元件10的图像光照射到倾斜面103c，则容易产生乱反射等现象，因而，角度θc的范围优选尽可能避免受到来自图像显示元件10的图像光照射。
平面103d是主要用于保持透视性的部位，优选设定相对于光线射出部104的角度θd＝0°，即平行于光线射出部104。在角度θd＝0°的情况下，也可以设定为与第二面103b相同，用平面103d来反射来自图像显示元件10的图像光的构成。
作为进一步改变图7所示方式构成的变形例，也可以向图的上方延伸第一面103a和倾斜面103c，使得图像取出部103构成为第一面103a与倾斜面103c连接的3个平面的构成。此时图像取出部103上相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a、相对于光线射出部104具有θb角度的第二面103b、以及相对于光线射出部104具有θc角度的第一面103c依次连续设置。
如此，将图像取出部103形成为三平面构成或四平面构成，相比于图5所示的实施方式形状复杂，但是能够相对获得较大的第一面103a的面积。因而该形状能够相对地获得更多从光线射出部104射出的图像光的光量，而且还有利于弯曲强度的提高，尤其是导光部件100以树脂形成时比较有利。换言之，用树脂形成导光部件100时，导光部件100的厚度逐渐变小的前端弯曲强度也逐渐变小，而在此加上倾斜面103c，能够提高弯曲强度。
图15放大显示图像取出部103作为四平面构成时导光部件100和光学部件200之间的界面。本例中，光学部件200的倾斜部203可以通过粘结剂150粘接在导光部件100的图像取出部103上。
在变形例中增加倾斜面103c或平面103d，使得图像取出部103构成为三平面构成或四平面构成。并不局限于在整个图像取出部103上实施增加倾斜面103c或平面103d，也可以在一部分图像取出部103上实施。换言之，以第一面103a和第二面103b交替设置的图5所示的图像取出部103为基本构成，在需要确保光量的部位和需要确保弯曲强度部位上，个别增加倾斜面103c，并进一步增加平面103d。
这样，利用上述各种实施方式，能够获得光量不均、结构紧凑且具有40度以上的大视角的导光体。
在以上图1至图5、图12至图15以及图7所示的实施方式中，以虚像观察者的左侧设置导光部件100的光线入射部101，图像光从虚像观察者的左侧入射为例进行描述。该设置如果左右相反，即在虚像观察者的右侧设置导光部件100的光线入射部101，且图像光从虚像观察者右侧入射，也能够获得与上述相同的效果。
图9的(a)、(b)、(c)显示采用上述导光体50的眼镜型虚像显示装置即HMD。
图9(a)所示的HMD是一个导光体50同时用于双眼的HMD，导光部件100的光线入射部101被设置在虚像观察者即用户的右方。导光体50被固定在框架部400上，该框架部400起到镜架的作用，用来将眼镜架设在用户耳朵上。图9对框架部400仅作简单显示，而框架部400除了覆盖导光体50两端以外，还可以覆盖导光体50的上方或下方的边缘。
另一方面，图9的(b)和(c)显示采用单眼用的小型化导光体50的HMD。如图9的(b)所示，两个导光体50，50分别设置于对应于用户左右眼各自的位置上，各个导光体的光线入射部101分别位于左右外侧。
此外，上述图9中未显示虚像光学系统以及光源可以安装在框架部400上。即在图9的(a)和(c)的示例中，光源SL、图像显示元件10以及准直光学系统300安装在框架部的右眼一侧，而在图9的(b)的示例中，光源SL、图像显示元件10以及准直光学系统300则安装在框架部的左右双方。
上述实施方式描述了采用导光体50的眼镜型HMD。除了眼镜型HMD以外，导光体50还可以用于其他种类的HMD，进而用于头戴式显示器(HUD)。导光体50尤其是用于以虚像显示通过微小器件光调制的光束形成的原图像。
〈虚像显示装置的实施例〉
以下参考图16描述采用图1至图5以及图12至图14所示的导光体50制作的虚像显示装置的具体实施例。图16显示实施例1和实施例2的导光体中图像光的光路状态以及观察者的眼睛。图中未显示光源LS。以下所示角度为绝对值。在此，将能够认知虚像的视野宽度被称为“出瞳框”，并将能够认知光线射出部104与眼球之间的距离称为“出瞳距离”。图12所示的实施例中，设定单眼用的虚像显示装置的导光体的厚度tl＝4mm，长边的长度为Ll＝50mm，宽度＝30mm，角度θ0＝30度，导光体的折射率(Nd)＝1.53(塑料)。导光体的水平视角＝45度，出瞳框为5mm以上，出瞳距离为15mm。本实施例中从光线射出部104射出的图像光的灰度整体上均匀，能够良好地确认虚像。
如上所述，上述实施方式和实施例能够提供具有40度以上的大视角小型透射型导光体、以及采用该导光体的灰度均匀的虚像显示装置。
以下参考附图描述采用本发明的实施方式。以下的实施方式有关于采用透射型导光体的虚像光学系统和虚像显示装置，首先描述虚像显示装置用的虚像光学系统。
[第三实施方式]
图17和图18显示的本实施方式的虚像光学系统具备输出显示图像的图像光的图像显示元件10、对来自图象显示元件10的图像光进行准直后射出的准直光学系统300、以及导光体50。导光体50用于在内部对来自准直光学系统300的经过放大射出的图像光进行导光，而后向外部即向着观察者的眼睛射出，用来进行虚像显示。图19用箭头表示虚像显示光学系统的光路，同时还模拟性地描绘了装置的用户即观察者的眼睛。在以下的描述中，对于导光体50的面，以观察者看到的位于前方(图3的下侧)的面为“后面”，位于后方的面(图3的上侧)的面为“前面”。
图象显示元件10是用来输出显示图像的图像光的器件。该显示图像以通过导光体50显示的虚像为基础。图像显示元件10优选以OELD(Organic Light Emitting Diode，有机ELD)或液晶显示元件构成，但也可以采用其他各种显示方式的器件，例如DMD(DigitalMicromirror Device)、TFT(Thin Film Transistor)、LCOS(Liquid Crystal OnSilicon)。进而也可以采用MEMS(Micro Electro Mechanical Systrms)。准直光学系统300用来放大图像显示元件10输出的图像光，并使该图像光成为平行光射出。如图19所示，准直光学系统300被设置为，其射出光中心轴(光轴)相对于以下将要描述的导光体50的光线射出部104倾斜。关于准直光学系统将在以下详述。
导光体
导光体50在来自准直光学系统300的图像光入射内部后，对该图像光进行导光，而后向外部即观察者的眼睛射出，用以像观察者提供作为虚像的图像光。导光体50如图20所示，具备用于进行图像光入射、导光以及射出的导光部件100和用于确保导光体50的透视性并与导光部件10一体形成的光学部件200。
导光部件
本实施方式中，导光体50的导光部件100具有接受来自准直光学系统300的图像光入射的光线入射部101和向外部射出图像光的光线射出部104。光线入射部101和光线射出部104分别以不同面形成。在此，不同面是指既不是同一个面也不是平行面，而是相对于一方倾斜的另一方的面。本实施方式中光线射出部104相对于光线入射部101呈钝角倾斜。
本实施方式中，光线入射部101和光线射出部104均为平面。这样，将光线入射部101和光线射出部104设为平面，能够提高导光部件100、进而提高导光体50的效率，并且使得导光部件100和导光体50整体结构简单。
此外，将光线入射部101和光线射出部104设置在不同面上，有利于优化入射光角度的设定，从而使得导光体结构紧凑，实现小型化和薄型化。进而，将光线入射部101和光线射出部104设置在不同面上，还能够扩大光线束的取入范围，有利于将视角设为广角。
而将光线入射部101和光线射出部104设置在同一个面上，虽然有利于加工和管理，但是光线入射部101和光线射出部104的自由度减小。为此，如果要扩大视角，则会招致导光体厚度增加，造成大型化。对此，本实施方式中的光线入射部101和光线射出部104位于不同面上。
为了具有良好的透视性，导光部件100中，设有光线射出部104的后面、以及位于后方(图1上侧)的前面105均为平面，且互相平行。
上述图20所示的实施方式的导光部件100中，包含光线射出部104在内的整个后面被形成为平面。对此，也可以如图21所示，将导光部件100的光线入射部101设为，从光线射出部104的延长面上平视时，呈三角形的突出形状。图22显示用图21所示的导光体构成的虚像光学系统的立体图。对比图18和图22可知，图21所示的实施方式中光线入射部101的面积相对较大，为此能够较大地取得入射的光线束，因而能够确保较大的视角。此外，图21所示的导光体还可以通过改变来自准直光学系统300的入射光线的角度，来获得更加大角度的图像光入射。
导光部件100具备图像取出部103，用于把从光线入射部101入射的图像光引导到光线射出部104后取出该图像光。关于光线取出部103将在以下详述。关于导光部件的材料，考虑到透镜性，优选具有高透射性的材料，进而考虑到以下将要描述的图像取出部103的加工，优选以树脂材料形成。
图23的(a)、(b)、(c)分别显示图20所示的导光体、图21所示的导光体、以及作为参考例，光线入射部101和光线射出部104位于同一个面上的图1所示的导光体，进行对比。如图23所示，从准直光学系统300入射的光线在导光体内部，一边前后斜向交互全反射，一边向光线射出部104一方前进。在此，光线入射部101和光线射出部104位于不同面上的图23的(a)和(b)所示的导光体，与光线入射部101和光线射出部104在同一个面上的图23的(c)所示的导光体相比，前者不仅能够缩短长边长度，而且还能够减少反射次数。这样，将光线入射部101和光线射出部104设于不同面上，有利于导光体小型化。
返回图20简要描述导光体20的光学部件200。光学部件50光学部件200的外形为，俯视时呈锥形，具有平行于导光部件100的光线射出部104的平行面即前面210、以及相对于前面210倾斜且与导光部件100的图像取出部103相对设置的倾斜面203。光学部件200的倾斜部203为与导光部件100的图像取出部103贴近设置的部位或粘结部位，对此将在以下详细描述。
导光体50的面位置配合设置，使得导光部件100的前面105和光学部件200的前面210位于同一个平面上。这样，导光体整体上呈保持前面和后面平行的形状。另外，作为导光体的变形例，可以形成为光学部件200的前面210从导光部件100的前面105的位置向前方突出，或者向后方凹入的形状。换言之，考虑到透视性，优选导光部件100的前面和光学部件200的前面的位置一致，但是考虑到携带性能和用途等等，也可以使得上述两个面的位置互相偏离。但是，优选导光部件100的图像取出部103不露出到外部。
导光体50中，导光部件100上的光线射出部104的平面平行于光学部件200的前面210。该构成使得通过光线射出部104的透视性良好。导光部件100的光线射出部104的面和管学部件200的前面210不平行，则会因菱镜效应，使得透视性下降。
以下参考图24(a)和(b)的部分放大平面图，描述导光部件100的图像取出部103。图24(a)放大显示导光部件100的图像取出部103和光线射出部104各自的一部分，图24(b)进一步放大显示图像取出部见103的一部分。图24(b)中的虚线表示平行于光线射出部104的假想面。
图像取出部103上，相对于光线射出部104具有θa角度的第一面103a和相对于光线射出部104具有θb角度的第二面103b交替设置，大致形成为阶梯形状(参见图24(b))。
图像取出部103的第一面103a用于将入射导光部件100内部并受到导光的图像光引导到光线射出部104，从光线射出部104射出。该第一面103是相对于光线射出部104倾斜的平面。第一面103相对于光线射出部104的倾斜角度θa的大小虽然取决于导光部件100的材料的折射率，但在此优选设定倾斜角度θa的大小范围为20度到30度。
另一方面，第二面103b用于作为反射面，将入射的图像光引导到导光部件100的内部，是平行于光线射出平面的平面。为此，角度θb＝0°。进而，第二面103b还作为透射面，让外部光从导光体50的前面和后面入射，用以确保透视性。
如果将第二面103b设为相对于光线射出部104倾斜，即θb≠0，则在导光部件100内部经过导光的图像光会因在第二面103b受到反射的反射角与在光线射出部104受到反射的反射角不一致而发生变化。此时，用从光线入射部101入射的光线与光线入射部101的法线之间形成的角度来定义的入射角θin不能够等于从光线射出部104射出的光线与光线射出部104之间的角度定义的射出角θout。进而，图像光在通过第一面103a和光线射出部104射出到导光体50外部时，会沿着不同方向射出，形成为不好的虚像。为此，本实施方式设定θb＝0°，第二面103b被形成为平行于光线射出部104。
设导光部件100中的图像取出部103的第二面103b的宽度为w的大小满足0.5mm＜w＜3.0mm的条件。
以下详述第二面103b的宽度w的设定条件。
在此，将能够认知虚像的视野宽度被称为“出瞳框”，并将能够认知光线射出部104与眼球之间的距离称为“出瞳距离”。设定出瞳框的直径为
Figure BDA0002756165870000252
出瞳距离为L，导光体的厚度为tI，与具有图像取出部103的光线射出部104平行的面，即第二面103b的数量为n，第二面103b的宽度w可用下式表示。
Figure BDA0002756165870000251
在此，出瞳框的宽度越大，能够看见的范围也就越大，为此，一般希望出瞳框的直径
Figure BDA0002756165870000253
较大。但是如果出瞳框的直径
Figure BDA0002756165870000254
大，则导光体的厚度则变厚，从而会提升导光体的设计难度。
通常，眼睛瞳孔直径约为5mm，但是由于导光体50需要按照个人差别有适当的位置设定，因此，可以将出瞳框的直径设得较大。而且，考虑到以下将要描述的导光体50在眼镜式虚像显示装置中的应用，优选设定出瞳距离L在15mm以上。
为此，如果设定出瞳距离为20mm，出瞳框在5mm以上到10mm以下，则第二面103b的宽度w需要满足上述条件0.5mm＜w＜3.0mm。
如果图像取出部103的第二面103b的宽度w小于0.5mm，则需要减小第一面103a的宽度，入射的图像光容易发生衍射现象。
另一方面，如果第二面103b的宽度w超过3.0mm，则经过第一面103a发射从光线射出部104射出的光线密度下降，眼睛所处位置上的光量减少。为此，优选图像取出部103的第二面103b的宽度w满足条件0.5mm＜w＜3.0mm。
各个第二面103b的宽度w可以有不同的值。据此能够减小光量不均。
优选导光体50的厚度范围为1mm到8mm。如果导光体50的厚度小于1mm，则难以形成导光部件100的图像取出部103的形状。相反，如果导光体50的厚度超过8mm，则虽然有利于获得大视角，但是部件的重量将会变大。
光学部件
以下描述光学部件200的构成和相对于导光部件100的位置。图25至图27放大显示导光部件100和光学部件200之间的界面。在图25的(a)和(b)所示的例子中，光学部件200隔着空气间隙140与导光部件100的图像取出部103贴近设置。而在图26和图27所示的例子中，光学部件200用粘结剂150粘接在导光部件100的图像取出部103上。
首先描述图25所示的方式。图25的(b)中用虚线表示与前面210平行的加像面。光学部件200的倾斜部203在面对导光部件100的图像取出部103的部位上，交替设置相对于前面210具有θa′角度的第3面203a和相对于前面210具有θb′角度的第4面203b(参见图25(b))。
前面210平行于导光部件100的光线射出部104。第4面203b平行于前面210，角度θb′＝0°。为此，第4面203b还平行于导光部件100的光线射出部104、第二面103b，θb＝θb′＝0°。如此设定能够提高导光体50的透视性能。而第4面203b如果不平行于前面210、导光部件100的光线射出部104、第二面103b，则会发生菱镜效应，降低透视性。
进而，优选设定第3面203a相对于前面210的角度θa′＝θa，θa即图像取出部103相对于光线射出部104的角度。在这种情况下，光学部件200的第3面203平行于导光部件100的第一面103a，能够进一步提高导光体50的透视性能。
对于导光体50的透视性，为了获得最大效果，在使得导光部件100的第一面103a与光线射出部104的法线方向(图25中向上)平行移动时，尽可能将与对面的第3面203a之间的偏差设为最小。组装时多少会发生偏差，大致上，约10μm以内的偏差能够保持透视性能。为了将偏差限制为最小，例如可以在光学部件200上安装调整机构，用来调整光学部件100与导光部件100之间的间隔，即空气间隙140。
为了确保导光版50的透视性，优选导光部件100和光学部件200采用相同的材料。以下描述用粘结剂固定导光部件100和光学部件200的形态。图26显示一例用粘接剂固定图9所示的导光部件100和光学部件200。导光部件100和光学部件200中相对设置的各个部位被设置与图25描述的例子相同，即导光部件100的各个第一面103a和与该第一面103先对的各个第三面203a之间的位置一致。这样的设置不仅能够保持导光部件100的第二面103b上的全反射，而且还能够保持导光体50的透视性能。
优选粘结剂150的折射率低于或者等同于导光部件100的材料的折射率。导光部件100的材料的折射率与粘结剂150的折射率相等同时，能够通过在粘接界面施加半镜面等涂布，来确保界面上的图像光的反射，同时提高导光体50的透视性能。如果粘结剂150的折射率大于导光部件100的材料的折射率，则图像光无法全反射，而是在粘结剂150的部位发生折射，为此难以显示虚像。
图11显示，与图10相同，用粘结剂150来固定导光部件100和光学部件200的方式，但是与图10不同的是，面对导光部件100的图像取出部103的光学部件200的倾斜部203是均一表面。在图11所示的例中，同样设定粘结剂150的折射率等同于导光部件100的材料的折射率，或者在导光部件100的材料的折射率以下，据此保持高透视性能。
准直光学系统的构成
以下描述准直光学系统300的具体构成以及具备该准直光学系统的虚像光学系统的原理。
图28所示的准直光学系统300从射出一方，即导光体50一方，依次设有光圈、第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4，为三组四片透镜构成。本例中，第一透镜L1是负弯月形透镜，其相对于导光体一侧为凹面。第二透镜L2和第四透镜L4是两侧均为凸面的正透镜。第三透镜L3是两侧均为凹面的负透镜。第三透镜L3和第四透镜L4被粘接在一起。
为了方便描述，图28中将图像显示元件10的表面即图像显示面S9显示为贴近第四透镜L4，但实际上，图像显示元件10与第四透镜L4之间设有规定间隔(参见图19)。
如图12和图13所示，图像显示元件10输出的图像光经过准直光学系统300将其位置信息转换为角度信息后，射往导光体50。从准直光学系统300射出的图像光入射导光体50的光线入射部101，而后从光线射出部104射出。射出角度被保持为与从准直光学系统300入射时的入射角度相同。
如果不保持上述入射角度和射出角度之间的关系，则图像显示元件10形成的图像光作为虚像将无法形成所需要的图像。
具体如图28和图29所示，设从图象显示元件10的中间和两端分别输出图像光A、B、C。这些图像光的位置信息通过准直光学系统300被转换为θA、θB、θC。这些图像光从准直光学系统300射出后入社导光体50的光线入射部101.此时，图像光A、B、C分别以角度θA、θB、θC入射光线入射部101。为了便于理解，图29中对于从准直光学系统300射出的各图像光A、B、C，在导光体50中θA、θB、θC分别以实线、一点锁线、以及虚线表示。
这样，入射光线入射部101的图像光被引导到导光体50内部，图像光A、B、C在导光体50内部移动。而后，图像光A、B、C从导光体50的光线射出部104射出时，如图13所示，分别保持各图象光的θA、θB、θC入射角度的状态。
这样，本实施方式以保持准直光学系统300射出时构成图像光的各条光线的入射角度，即角度信息的状态，从导光体50的光线射出部104射出，因而能够显示高质量虚像。
实施例
以下描述能够获得上述效果的准直光学系统的实施例。设定上述图28显示的三组四片透镜构成的准直光学系统300的光学参数如下。
焦距：10.0mm
F值：1.56
全长：21.9mm
射出角度：最大20度
R:曲率半径
D:间距·厚度
Nd：d线的折射率
νd：阿贝值
此外，表1显示关于准直光学系统的实施例的数值数据。
表1
镜面编号 R D Nd νd
1(光圈) - 1.50
2 -4.090 2.40 1.9460 17.98
3 -6.470 0.03
4 5.863 6.50 1.4974 81.50
5 -8.495 5.37
6 -5.341 0.54 1.6647 27.03
7 4.151 5.60 1.8822 40.85
8 -11.445 0.10
9(显示素子) - -
表1中，镜面编号S1至S9如图28所示从射出一方开始，S1为光圈，S9为图象显示元件10的表面，即表示图像显示面。此外，表1中镜面编号上附加“*”表示非球面。具体在本实施方式中，镜面编号S2至S5对应的第一透镜L1和第二透镜的两侧的镜面为非球面，S6、S7对应的第三透镜L3两侧均为球面。S7对应的第四透镜L4的射出一方的镜面为球面，S8对应的第四透镜L4的入射一方的镜面为非球面。表2显示非球面的数值数据。
表2
2 3 4 5 8
K 0 0 0 0 4.1787E+00
C<sub>4</sub> 3.3386E-03 8.0846E-04 -1.4944E-03 7.0642E-05 -1.1177E-04
C<sub>6</sub> 4.5738E-05 3.9755E-06 -1.5615E-05 -1.2738E-05 3.9561E-04
C<sub>8</sub> -7.3040E-06 -3.5313E-07 1.1711E-06 6.0025E-07 -4.7418E-05
C<sub>10</sub> 8.6029E-07 6.2372E-08 -4.5545E-08 -1.1631E-08 2.0884E-06
表2中上栏的S2、S3、S4、S5、S8为非球面镜面编号，K是圆锥系数，C4、C6、C8、C10为非球面系数。
下式是用上述圆锥系数和非球面系数来表示非球面的公知计算式。
Figure BDA0002756165870000291
上式中，X是“以镜面顶点为基准时，距离光轴的高度H的位置上，光轴方向上的位置变化”。非球面系数以C4、C6、C8、C10表示。
上述实施例是以三组四片构成为例的准直光学系统300，但是本发明不受此限制。准直光学系统300也可以采用其他构成，例如以两片透镜构成或透镜数量在5片以上。
该实施例中光圈位于准直光学系统中最靠近射出一方。考虑到与导光体50的组合，优选准直光学系统的光圈位置在最靠近射出一方，即靠近导光体50一侧，来自图像显示元件10的图像信息成为远心的图像信息。
实施例中设F值为1.56，但是可以变暗将F值延至3.0附近使用。优选准直光学系统300的F值满足条件
1.5＜F值＜3.0。
如果F值超过上述条件式的下限，则准直光学系统300的直径需要设得较大，从而会招致导光体50的大型化。相反，如果F值超过上述条件的上限，虽然有利于小型化，但是会使得虚像的亮度减小。
导光体的实施例
以下描述导光体的具体实施例的数值。
在以下的实施例1和实施例2中，设定导光体50即导光部件100和光学部件200使用折射率(Nd)＝1.54的塑料材料。设导光部件100的图像取出部103上第一面103a的角度θa＝30度。
<实施例1>
设导光部件100的厚度t＝1mm，图像取出部103上的第二面103b的宽度w＝2.20mm。
<实施例2>
设导光部件100的厚度t＝4mm，图像取出部103上的第二面103b的宽度w＝0.90mm。
实施例1着眼于减轻重量，实施例2追求光量，两个实施例均能用40度的水平视角，达到出瞳距离19mm、出瞳框5mm。上述的角度以绝对值表示。
实施例2的图像取出部103上的第二面103b的宽度w小于实施例1。实施例2由于第二面103b较狭窄，因而图像取出部103上的第一面103a的面的宽度能够比较狭小，从光线射出部104射出的光线密度较高，从而能够避免眼睛位置上的光量减少。
还可以将实施例1和实施例2合并形成的形态作为变形例。具体为，导光部件100的厚度t＝1mm，图像取出部103上的第二面103b的宽度w＝0.90mm。或者设定导光部件100的厚度t＝4mm，图像取出部103上的第二面103b的宽度w＝2.20mm。
上述实施例中，从图像显示元件10中输出的图像光通过准直光学系统300后，其位置信息被转换为角度信息，入射导光体50的光线入射部101。而后，在该图像光从光线射出部104射出到外部之际，以保持入射准直光学系统300时的入射角度的状态射出，为此能够获得高质量的虚像显示。而且还能够提供兼备良好的透视性能和40度以上的大视角的小型导光体50。
导光部件的变形例
以下利用图7、图8、图30，描述导光部件100的其他构成例。
图24等描述的上述实施方式中图像取出部103亿以第一面103a和第二面103b两个平面构成。即图像取出部103交替设置相对于光线射出部104具有角度θa的第一面103a、以及相对于光线射出部104具有角度θb的第一面103b，大致呈阶梯形状。
对此，图7所示的变形例中的图像取出部103以四个平面构成，呈锯齿形状。具体为图像取出部103上依次排列相对于光线射出部104具有θa的第一面103a、具有θb的第二面103b、具有θc的第三面103c、具有θd的第四面103d。
上述四个平面中，关于第一面103a和第二面103b的功能以及最佳范围等于上述实施方式相同，不再详述。
倾斜面103c用于确保第一面103a具有大面积和提高导光部件100的弯曲强度。
倾斜面103c相对于光线射出部104的角度θc被设为大于0的90度范围。如果角度θc为0度，则倾斜面103c与第二面102b成为同一面即第二面102b的一部分，与上述实施方式具有相同构成。考虑到制造效率，优选设定角度θc的范围为45度至90度。进而，来自图像显示元件10的图像光射到倾斜面103c上，会发生乱反射等现象，为此，优选尽可能能够避免来自图像显示元件10的图像光射到倾斜面103c上的角度范围。
平面103d是主要用于保持透视性能的部位，优选设定相对于光线射出部104的角度θd＝0度，即平行于光线射出部104。设定角度θd＝0度时，平面103d也可以构成为与第二面102b相同，反射来自图像显示元件10的图像光。
进而，作为图7的另一个变形例，将第一面103a以及倾斜面103c向上方伸展，使得图像取出部103形成为没有平面103d的三平面构成。此时，图像取出部103上依次排列相对于光线射出部104具有θa的第一面103a、具有θb的第一面103b、具有θc的倾斜面103c。
这样，用三平面构成或四平面构成来形成的图像取出部103，相比于图24等所示的实施方式，其形状相对复杂，但是，这样的形状能够获得相对大的第一面103a的面积。为此，能够确保从光线射出部104射出的图像光的光量较多。而且，该形状还能够提高弯曲强度，尤其有利于导光部件100用树脂形成时更加有利。即用树脂形成导光部件100时，导光部件100的前端的厚度减小，弯曲强度变差，，增加倾斜面103c有利于提高弯曲强度。
图8、图30和图31放大显示以四平面构成图像取出部103时的导光部件10和光学部件200之间的界面。图8的(a)和(b)所示的例中，光学部件200隔着空气间隙140与导光部件100的图像取出部103贴近设置。图30和图31显示的其他例子用粘结剂150将光学部件200年接到导光部件100的图像取出部103上。
在图8和图30所示的例子中，光学部件200的倾斜部203具有图25和图26描述的形状。即光学部件200的倾斜部203上交替设置相对于前面210具有角度θa′的第三面203a和相对于前面210具有角度θb′的第四面203b，形成两面构成。角度θa′和角度θb′的优选值与上述相同，而且在本例中角度θa＝θa′，角度θb＝θb′。在此，设粘结剂150的折射率等同于导光部件100的材料的折射率，或者在导光部件100的材料的折射率以下，因而与上述相同，能够保持高透视性能。
在图31所示的例子中，与图27相同，光学部件200的倾斜部203为均一的面，在这种情况下，也能够通过设定粘结剂150的折射率等同于导光部件100的材料的折射率，或者在导光部件100的材料的折射率以下，保持高透视性能。
在图像取出部103上增加倾斜面103c或平面103d，形成三平面或四平面构成的变形例并不局限于在整个图像取出部103上实施，也可以对图像取出部103中的一部分实施。也就是说，可以以第一面103a和第二面103b交替设置的图8所示的图像取出部103的构成为基础，在需要确保光量的部位或需要确保强度的部位上单独增加倾斜面103c，进而增加平面103d。
进而，在将图像取出部103形成为三平面构成或四平面构成的形状的情况下，可以将相对设置的光学部件200的倾斜部203设定为与上述三平面或四平面的变形形状相对应的形状。此时，如上所述，可以通过在使得导光部件100的第一面103a在光线射出部104的法线方向上平行移动时，不会与相对设置的光学部件200的第三面203a之间发生偏离的形状，从而使得导光体50具有良好的透视性能。而为了消除上述偏离，可以在光学部件200上安装调整机构，用来调整与导光部件100之间的间隙。
这样，上述各种实施方式能够提供实现40度以上大视角的紧凑型虚像显示装置用的导光体和虚像光学系统。
虚像显示装置
图32显示采用上述导光体50以及虚像光学系统的虚像显示装置的构成。图中用箭头显示图像光的光线路径，同时还模拟性地描绘了装置的用户即观察者的眼睛。图32所示的虚像显示装置是在图18所示的虚像光学系统上用来照射图像显示元件10的光源LS。对于同一部份不再重复描述。图象显示元件10使用需要光源的LCOS或DMD等。光源LS可采用各种光源，例如LED(Light Emitting Diode)、半导体激光器(Laser Diode:LD)、放电灯等。
在上述虚像显示装置中，受到光源LS照射的图像显示元件10的图像光经过准直光学系统300放大后，入射导光体50。换言之，经过准直光学系统300放大的图像光入射导光体50中的导光部件100的光线入射部101，经反射部102反射后受到导光，被引导到导光部件100内部。经过导光后的图像光受到图像取出部103的反射，作为图像信息，向着用户的双目，从光线射出部104射出。用户通过导光部件100的光线射出部104和光学部件200观察前方，能够认识图像光的虚像。
上述图17至图24所示的实施方式的描述中，在虚像观察者的左侧设置导光部件100的光线入射部101，且图像光从虚像观察者的左侧入射。在与该设置左右相反的情况下，即在虚像观察者的右侧设置导光部件100的光线入射部101，且图像光从虚像观察者的右侧入射时，也能够获得同样的效果。
图9的(a)、(b)、(c)显示采用上述导光体50的眼镜型虚像显示装置即HMD。
图9(a)所示的HMD是一个导光体50同时用于双眼的HMD，导光部件100的光线入射部101被设置在虚像观察者即用户的右方。导光体50被固定在框架部400上，该框架部400起到镜架的作用，用来将眼镜架设在用户耳朵上。图9对框架部400仅作简单显示，而框架部400除了覆盖导光体50两端以外，还可以覆盖导光体50的上方或下方的边缘。
另一方面，图9的(b)和(c)显示采用单眼用的小型化导光体50的HMD。如图9的(b)所示，两个导光体50，50分别设置于对应于用户左右眼各自的位置上，各个导光体的光线入射部101分别位于左右外侧。
此外，上述图9中未显示虚像光学系统以及光源可以安装在框架部400上。即在图9的(a)和(c)的示例中，光源SL、图像显示元件10以及准直光学系统300安装在框架部的右眼一侧，而在图9的(b)的示例中，光源SL、图像显示元件10以及准直光学系统300则安装在框架部的左右双方。
上述实施方式描述了采用导光体50的眼镜型HMD。除了眼镜型HMD以外，导光体50还可以用于其他种类的HMD，进而用于平视显示器(HUD)。导光体50尤其是用于以虚像显示通过微小器件光调制的光束形成的原图像。
如上所述，上述实施方式和实施例能够提供小型且具有40度以上的大视角的透射型导光体以及利用该导光体的紧凑型虚像显示装置。

Claims (20)

1.一种虚像显示装置用的导光体，用于对来自图像显示元件的图像光进行导光后，射出经过导光的该图像光，用以显示虚像，其特征在于，
具有导光部件和光学部件，该导光部件具有光线入射部、以及用于向外部射出从该光线入射部入射的所述图像光的光线射出部，该光学部件与所述导光部件被设为一体，
所述导光部件还具备反射部和图像取出部，该反射部相对于所述光线入射部倾斜，在所述导光部内部对从所述光线入射部入射的所述图像光进行导光，所述图像取出部被形成为,反复设置由第一面、连接着所述第一面的第二面、连接着所述第二面的第三面、以及连接着所述第三面的第四面构成的锯齿形状的面，用来对所述图像光进行导光，将该图像光从所述第一面引导到所述光线射出部后取出，所述第一面相对于所述光线射出部倾斜，所述第二面平行于所述光线射出部，所述第三面相对于所述光线射出部的倾斜方向不同于所述第一面相对于所述光线射出部的倾斜方向，
其中，所述导光部件的所述图像取出部上，所述第一面的宽度具有多个不同值，
所述光学部件具有平行于所述光线射出部的平行面、以及相对于所述平行面倾斜并贴近所述图像取出部设置倾斜部。
2.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光部件中的所述光线入射部与所述光线射出部分别以不同的面构成。
3.根据权利要求1或2所述的导光体，其中，
所述第一面相对于所述光线射出部的倾斜方向与所述反射部相对于所述光线入射部的倾斜方向相反，
所述第一面相对于所述光线射出部的倾斜角度与所述反射部相对于所述光线入射部的倾斜角度相等。
4.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述光学部件的所述倾斜部被形成为交替设置相对于所述平行面倾斜的第三面和平行于所述平行面的第四面。
5.根据权利要求4所述的导光体，其中，所述光学部件的所述第三面相对于所述平行面的倾斜角度与所述导光部件的所述第一面相对于所述光线射出部的倾斜角度相等。
6.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光部件的所述图像取出部上，所述第二面的宽度w满足以下条件式，
0.5mm＜w＜3.0mm，
所述宽度w的单位为mm。
7.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光部件的所述图像取出部上，各个所述第二面的宽度不相同。
8.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光部件的所述图像取出部离开所述反射部的距离越远，该图像取出部上的所述第一面的宽度越大。
9.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光体的所述光线入射部和所述光线射出部分别为平面。
10.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光部件中，所述光线入射部从所述光线射出部的面突出。
11.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述光学部件与所述导光部件用相同材料形成。
12.根据权利要求1所述的导光体，其中，在所述导光部件的所述图像取出部的所述第一面上，施加用来反射所述图像光的涂布。
13.根据权利要求12所述的导光体，其中，所述图像取出部的所述第一面上施加的涂布的反射率随着该第一面离开所述反射部的距离增加而增大。
14.根据权利要求1所述的导光体，其中，在所述光学部件的所述平行面上施加涂布，该涂布的透射率随着该平行面离开所述反射部的距离增加而增大。
15.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述光学部件的所述倾斜部被粘结在所述导光部件的所述图像取出部上。
16.根据权利要求15所述的导光体，其中，用折射率为1.4至1.9的粘结剂将所述光学部件的所述倾斜部粘结在所述导光部件的所述图像取出部上。
17.根据权利要求1所述的导光体，其中，所述导光部件与所述光学部件之间隔着空气间隙。
18.一种虚像光学系统，其中具备：
光源，用于发射照明光；
图象显示元件，用于在受到来自所述光源的照明光照射后，输出用来作虚像显示的显示图像的图像光；
准直光学系统，用于准直来自所述图像显示元件的图像光后，射出该图像光；以及，
导光体，用于对来自所述准直光学系统的图像光进行导光后，射出该图像光，
所述导光体使用权利要求1至17中任一项所述的导光体。
19.根据权利要求18所述的虚像光学系统，其中，所述准直光学系统的光轴相对于所述导光体的所述光线射出部倾斜设置。
20.根据权利要求18或19所述的虚像光学系统，其中，所述准直光学系统的F值满足以下条件式，
1.5＜F值＜3.0。
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