CN115793129A - 导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴显示器，其目的在于提高光利用效率。本发明的导光部件具备第一导光部(32)和第二导光部(34)，第一导光部具有多个反射面(323a，323b)，该多个反射面将从光入射部(320)入射的入射光束分为多束光束，第二导光部引导经过多个反射面分开的多束光束从光出射部射出，多个反射面包括至少一个第一反射面(323a)和至少一个第二反射面(323b)，入射光束中的一部分光束入射第一反射面，受到第一反射面反射后被引导到第二导光部，第二反射面反射未入射第一反射面而入射第二反射面的入射光束中的另一部分光束，将该另一部分光束引导到第二导光部。

Description

导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴式显示器

技术领域

本发明涉及导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴显示器。

背景技术

众所周知，虚像显示装置用来放大图像显示元件上显示的图像，供观察者观察经过放大的虚像。例如，专利文献1(美国专利申请公开第2020/200963号公报)公开了这种虚像显示装置的具体构成。

如上述专利文献1的描述，虚像显示装置构成为让来自图像显示元件的光(以下记为“图像光”)入射导光部件，用导光部件引导入射的图像光，使经过导光的图像光向观察者射出，让观察者可以观察到作为经过放大的虚像的所射出的图像光。

专利文献1公开的导光部件具有多个部分反射面，用于将从光入射部入射的图像光分为反射光和透射光。图像光被多个部分反射面分成多束光束，被分多数光束的各束光束作为不同视角的光被导向观察者的眼睛。由于大视角的光到达观察者的眼睛，因此观察者能够观察到大视角的虚像。

但是，专利文献1公开的导光部件中，越是位于远离光入射部的部分反射面，图像光就经过越多的部分反射面入射。图像光每当经过部分反射面都会发生损失，因而未能到达观察者眼睛的光就会增加。为此，导光部件的光利用效率降低，虚像的视觉认知性下降。

发明内容

本发明是鉴于上述问题提出的技术方案，其目的在于，提供一种能够提高光利用效率的导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴式显示器。

本发明的一种实施方式的导光部件具备第一导光部和第二导光部，所述第一导光部具有多个反射面，该多个反射面将从光入射部入射的入射光束分为多束光束，所述第二导光部引导经过所述多个反射面分开的所述多束光束从光出射部射出，所述多个反射面包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，入射光束中的一部分光束入射所述第一反射面，受到所述第一反射面反射后被引导到所述第二导光部，所述第二反射面反射未入射所述第一反射面而入射所述第二反射面的入射光束中的另一部分光束，将该另一部分光束引导到所述第二导光部。

本发明的效果在于可以提高导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴式显示器中的光利用效率。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式涉及的作为一例虚像显示装置的头戴显示器的构成的示意图。

图2是本发明的一个实施方式涉及的头戴式显示器所具备的导光部件的构成的示意图。

图3A、图3B、图3C均是佩戴了本发明的一个实施方式涉及的头戴式显示器的佩戴者的状态的示意图。

图4是本发明另一实施方式涉及的头戴式显示器所具备的导光部件的结构的示意图。

图5是本发明的实施例1的模拟中使用的导光部件的模型的示意图。

图6是本发明的实施例1的光量分布图。

图7是本发明的实施例2的模拟中使用的导光部件的模型的示意图。

图8是本发明的实施例2的光量分布图。

图9是本发明的实施例3的模拟中使用的导光部件的模型的示意图。

图10是本发明的实施例3的光量分布图。

图11是本发明的实施例4的模拟中使用的导光部件的模型的示意图。

图12是本发明的实施例4的光量分布图。

图13是本发明的实施例5的模拟中使用的导光部件的模型的示意图。

图14是本发明的实施例5的光量分布图。

图15是本发明的实施例6的模拟中使用的导光部件的模型的示意图。

图16是本发明的实施例6中的光量分布图。

具体实施方式

以下参考附图，说明本发明的一个实施方式涉及的导光部件、光学单元、虚像显示装置以及头戴式显示器。在以下的说明中，对于共通的或者对应的要素，标注相同或者类似的标记，并适当地简略或者省略重复的说明。

图1是本实施方式涉及的一例虚像显示装置的头戴式显示器1的构成的示意图。如图1所示，头戴式显示器1具备图像显示元件10以及光学单元。光学单元包括传播光学系统20和导光部件30。图1中符号EY表示头戴式显示器1的佩戴者(观察者)的眼睛。

图像显示元件10用来显示作为虚像需要观察的图像，例如OLED(Organic LightEmitting Diode)阵列、LD(Laser Diode)阵列、LED(Light Emitting Diode)阵列、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、DMD(Digital Micromirror Device)等。

从图像显示元件10的各像素发出的光(即图像光)入射传播光学系统20。传播光学系统20用来传送来自作为光源的图像显示元件10的图像光，使图像光作为平行光入射导光部件30的光入射部320。

通过传播光学系统20使图像光作为平行光入射光入射部320，图像光经过导光部件30，在佩戴者的眼睛的视网膜上的一点成像。由此，能够得到画质良好的虚像图像。

导光部件30引导从传播光学系统20入射的图像光，使图像光朝着眼睛EY射往导光部件30的外部用来虚像显示。佩戴者可以将从导光部件30射出的图像光作为经过放大的虚像来观察。

在以下的说明中，将图像显示元件10、传播光学系统20以及导光部件30所排列的第一水平方向作为z方向，与z方向正交的第二水平方向作为y方向，与y方向和z方向双方同时正交的垂直方向作为x方向。互相正交的X方向、Y方向以及Z方向形成右手系统。方向的称呼是为了方便说明构成要素的相对位置关系而使用的称呼，并不表示绝对方向。根据头戴式显示器1的姿势，例如y方向和z方向不一定是水平方向，也可以是垂直方向。

图2是导光部件30的构成的示意图。图1是从X方向正方看到的导光部件30的图，图2是从Z方向正方(佩戴者的眼睛EY一方)看导光部件30的图。

如图1及图2所示，导光部件30具备第一导光部32及第二导光部34。

第一导光部32具有光入射部320。来自传播光学系统20的图像光入射光入射部320。如图1所示，从光入射部320入射的图像光(入射光束)受到反射面321反射，向Y方向正方传送。

在第一导光部32的内部设有反射面322(第3反射面)。另外，在第一导光部32的内部设有多个反射面323，用来将从光入射部320入射的图像光(入射光束)分为多束光束。从光入射部320入射后受到反射面321反射的入射光束在反射面322上没有透射，而是朝多个反射面323反射。

多个反射面323包括至少一个第一反射面323a和至少一个第二反射面323b。在图1和图2的示例中，包括四个第一反射面323a和一个第二反射面323b，共计五个反射面。在图1及图2的例子中，第一反射面323a的数量比第二反射面323b的数量多，但本发明的构成不限于此。第二反射面323b的数量比第一反射面323a的数量多的构成也属于本发明的范畴。在不需要区别第一反射面323a和第二反射面323b的说明中，无论是第一反射面323a还是第二反射面323b都记为反射面323。

在光入射部320和反射面323之间设置反射面322，与不设反射面322的构成相比，提高了光入射部320的设置自由度。例如，通过在光入射部320的设置上下功夫，可以进一步小型化导光部件30。

第一导光部32具有相互平行设置的第一面324及第二面325。第一面324及第二面325是与包括X方向及Y方向的XY平面平行的面，与第一反射面323a及第二反射面323b正交。第一反射面323a及第二反射面323b设置于第一面324与第二面325之间。

第一面324和第二面325的间隔与第一反射面323a及第二反射面323b的宽度(Z方向的尺寸)相同。即，第一反射面323a及第二反射面323b具有跨越第一导光部32整个Z方向的大小。

通过采用具有相互平行配置的第一面324及第二面325的构成，能够在第一面324和第二面325的一对平面中，通过全反射传播从光入射部320入射的入射光束。因此，有利于第一导光部32的薄型化设计。

如果采用比如除了第一面324和第二面325，还包括另一对平面，共计两对平面，各自通过全反射传播入射光束的结构，则很难进行满足各平面的平行度和表面精度的加工。对此，本实施方式采用只用一对平面全反射传播入射光束的结构，这与在两对平面中通过全反射传播入射光束的构成相比，加工变得相对容易。

第一导光部32和第二导光部34例如是不同的部件。将不同部件的第一导光部32和第二导光部34粘接起来一体形成导光部件30。第一导光部32具有射出面326，从该设出面326射出被多个反射面323分开的多束光束。第二导光部34具有入射面341，从射出面326射出的多束光束入射入射面341。射出面326和入射面341相互平行。在此补充说明，将射出面326和入射面341粘接起来，第一导光部32和第二导光部34便一体形成。

由于射出面326和入射面341平行，所以能够抑制来自第一导光部32的各光束入射到第二导光部34时各种像差的发生。另外，通过一体形成第一导光部32和第二导光部34，相比于第一导光部32和第二导光部34分开设置的构成，对于射出面326和入射面341不要求高的表面精度。因此，导光部件30的加工变得容易。

第二导光部34具有相互平行的两个面。一个面是与第一面324位于同一面上的第三面342。另一面是与第二面325位于同一面上的第四面343。在第二导光部34中，从入射面341入射的各光束一边在第3面342和第4面343的各平面上全反射一边传播。

第二导光部34的内部设有多个部分反射面344，用来将从入射面341入射的各光束分为反射光和透射光。多个部分反射面344在Y方向上以规定间隔排列设置。各部分反射面344被设置成与第三面342形成规定角度的朝向。部分反射面344例如是半反射镜。

在此，第一导光部32中多个反射面323将从光入射部320入射的入射光束分为与垂直方向(X方向)的各视角对应的多束光束。被分到垂直方向上的多束光束分别在第二导光部34中被多个部分反射面344进一步分为与水平方向(Y方向)的各视角相对应的多束光束。被分到水平方向后的各视角的光束在各部分反射面344上被偏转到与各部分反射面344的设置角度相应的方向，而后从第三面342(换言之即光射出部)射出。由此，佩戴者便能够识别在垂直方向和水平方向上具有大视角的虚像。

如此，第二导光部34构成为，由相互平行的两个面(第三面342和第四面343)分别对从第一导光部32入射的多束光束进行导光，偏转经过导光的各束光束，而后从光射出部(第三面342)射出各光束。

图1及图2所示的导光部件30用比如以下的方法制造。

在构成第一导光部32的一个光学块的一个面上成膜，形成反射面321。在构成第一导光部32的一个光学块的一个面的一部分上成膜，形成反射面322。在构成第一导光部32的四个光学块各自的一个面的一部分上成膜，形成第一反射面323a。在构成第一导光部32的一个光学块的一个面的一部分上成膜形成第二反射面323b。各反射面例如由通过蒸镀金属材而形成的蒸镀膜构成。另外，为了提高与光学块的密着性，也可以在光学块的一个面上形成底漆层后再形成反射面。通过用粘合剂将形成有反射面的各光学块粘接起来，便形成不仅具有反射面321，而且内部设有反射面322及多个反射面323的第一导光部32。

在构成第二导光部34的多个光学块的一个面上成膜，形成部分反射面344。部分反射面344也由例如蒸镀金属材料而形成的蒸镀膜构成。用粘接剂将形成有部分反射面344的各光学块粘接起来，完成将部分反射面344配置在其内部的第二导光部34。

接着，将第一导光部32的射出面326和第二导光部34的入射面341用粘接剂粘接，从而完成导光部件30。

导光部件30的各光学块例如是塑料等合成树脂制的成形品。这样可以轻量化导光部件30。通过轻量化导光部件30，可以降低施加在佩戴者鼻子上的负荷，因此例如可以减轻佩戴者长时间佩戴头戴式显示器1时的疲劳。

图3A～图3C是表示佩戴者佩戴头戴式显示器1的状态的概略图。图3A～图3C所示的头戴式显示器1有时也称为智能眼睛。

图3A所示的头戴式显示器1是双眼型头戴式显示器，该头戴式显示器构成为将长度与佩戴者脸部宽度相当的单一导光部件30固定在框架100上。导光部件30在包含左右两眼的区域中形成眼箱。图像显示元件10及传播光学系统20比如内置于框架100的镜腿中。框架100除了形成在导光部件30的两端，也可以以覆盖导光部件30的上侧边缘和下侧边缘的形状形成。

图3B所示的头戴式显示器1也是双眼型头戴式显示器，构成为将分别与左右眼对应的一对头戴式显示器固定在框架100上。与右眼对应的导光部件30在包含右眼的区域中形成眼箱。与左眼对应的导光部件30在包含左眼的区域中形成眼箱。

图3C所示的头戴式显示器1是单眼型头戴式显示器，构成为将与右眼对应的单一头戴式显示器固定在框架100上。将与左眼对应的单一头戴式显示器固定在框架100上的单眼型头戴式显示器也属于本发明的范畴。

另外，本实施方式的导光部件30不限于头戴式显示器，也可以适用于其他的虚像显示装置，例如仰视显示器。

进一步详述第一导光部32。

在第一导光部32中，从光入射部320入射的入射光束受到反射面322向多个反射面323反射。在反射面322上，入射光束没有透射而受到反射，因此反射面322上实质上没有光量损失。

受到反射面322反射的入射光束中，一部分光束入射各第一反射面323a后受到反射，被引导到第二导光部34。入射光束中的另一部分没有入射到其他任何一个第一反射面323a而到达第二反射面323b的光束，入射第二反射面323b后受到反射，被引导到第二导光部34。这样，受反射面322反射的入射光束通过入射多个反射面323的各个反射面而受到反射，分为多束光束，被引导到第二导光部34。

在专利文献1所例示的以往的导光部件中，越是位于远离光入射部的部分反射面，入射其中的图像光就经过越多的部分反射面。由于每次经过部分反射面的图像光都会发生损失，因此无法到达佩戴者眼睛的光就会增加。所以，导光部件的光利用效率低。

对此，在本实施方式中，实质上没有光量损失的光束入射远离光入射部320的第二反射面323b。这样的光束受到第二反射面323b反射后，被从第一导光部32引导到第二导光部34，朝佩戴者的眼睛EY射出。这样，在本实施方式中，导光部件30内光束经过反射面323的次数与以往相比变少。因此能够抑制经由反射面323时的光量损失，因此可以提高导光部件30的光利用效率。为此，抑制了光量不均(虚像的亮度不均)，而且提高了虚像视觉认知性。

用第二导光部34的光射出部(第三面342)射出的图像光的光量(射出光量)与入射第一导光部32的光入射部320的图像光的光量(入射光量)之比(即射出光量/入射光量)表示导光部件30的光利用效率。在本实施方式中，将入射到佩戴者眼睛EY的瞳孔的光的光量视为射出光量。设眼睛EY的瞳孔为半径3mm的圆。

在相对于视角光量均匀的图像光入射导光部件30的情况下，使用在眼睛EY的视网膜上成像的虚像的视角范围内光量的最大值和最小值，用如下方式表示光量不均(虚像亮度不均)。

光量不均＝(视角范围内的光量的最大值-视角范围内的光量的最小值)/(视角范围内的光量的最大值)

优选光量不均为80％以下，更优选为40％以下。如果光量不均超过80％，则图像光量较低部分就会被视觉认知为欠缺。而如果光量不均在40％以下，则可以毫无不适地视觉认知图像。

多个(本实施方式为四个)第一反射面323a中的一个第一反射面323a设置在多个反射面323之中光路上最靠近光入射部320。为方便起见，将多个反射面323之中光路上最靠近光入射部320的第一反射面323a称为“入射方第一反射面323a”。

第二反射面323b设置在光路上比第一反射面323a更远离光入射部320的位置。

在此，关于垂直方向(X方向)的视角，将从通过眼睛EY的瞳孔中心且从包括Y方向和Z方向的YZ平面(水平面)的上方到达眼睛EY的光的视角设为正视角，从上述YZ平面的下方到达眼睛EY的光的视角设为负视角。

在垂直方向上，视角+n°～-n°范围的光到达眼睛EY。具体来说，当眼睛EY在X方向上的位置位于眼箱的+X方向的端部时，受到入射方第一反射面323a反射的光束成为+n°的视角(即最大视角)的光，到达眼睛EY，当眼睛EY在X方向上的位置位于眼箱的-X方向的端部时，受到第二反射面323b反射的光束，成为-n°的视角(即最小视角)的光，到达眼睛EY。反射到达眼睛EY的视角为+n°～-n°范围的光的第一反射面323a和第二反射面323b取决于眼睛EY在眼箱中的位置。例如，当眼睛EY位于眼箱的+X方向的端部时，入射方第一反射面323a反射的+n°的视角的光入射眼睛EY，处于比入射方第一反射面323a更-X方向的第一反射面323a(例如从入射方第一反射面323a起-X方向的第三个第一反射面323a)反射的-n°的视角的光入射眼睛EY。同样，例如在眼睛EY的位置位于眼箱的-X方向的端部时，第二反射面323b反射的-n°的视角的光入射眼睛EY，处于比第二反射面323b更+X方向的第一反射面323a(例如从第二反射面323b起+X方向第三个第一反射面323a)反射的+n°的视角的光入射眼睛EY。入射方第一反射面323a以外的其他各第一反射面323a所反射的光束成为最大视角和最小视角之间的各视角的光，到达眼睛EY。在此补充一下，越是与大视角相对应的光束，反射面323上的反射角度越大。具体而言，在到达位于眼箱中规定位置的眼睛EY的光束之中，入射方第一反射面323a的反射角和离入射方第一反射面323a越近的第一反射面323a的反射角就越大，第二反射面323b的反射角和离第二反射面323b越近的第一反射面323a的反射角就越小。

在本实施方式中，实质上没有光量损失的光束入射远离光入射部320的第二反射面323b。因此，即便在以往的导光部件中光量损失较多的、眼睛EY位于眼箱的-X一方端部时为最小视角的光，也能够确保光量。由此，在提高导光部件30的光利用效率的同时，抑制了眼箱位置和视角所引起的光量不均，提高了虚像的视觉认知性。

设垂直入射光入射部320的入射面320a、经过多个反射面323的各自反射后从第二导光部34射出的各视角的光的合计光量为LV，垂直入射光入射部320的入射面320a的光之中、经过多个反射面323之中在光路上最靠近光入射部320设置的第一反射面323a(即入射方第一反射面323a)反射后从第二导光部34射出的最大视角的光的光量为LV1时，导光部件30满足下式(1)。

0.001＜LV1/LV＜0.5 (1)

满足上述式(1)，可以进一步提高导光部件30的光利用效率，同时抑制光量不均。如果LV1/LV为0.5以上，则经过多个反射面323之中入射方第一反射面323a以外的其他反射面反射后从第二导光部34射出的视角的光的光量变得过低，导致导光部件30的光利用效率的下降和光量不均。而如果LV1/LV为0.001以下，则最大视角的光的光量相对于其他视角的光的光量过低，因此会导致导光部件30的光利用效率的下降和光量不均。

多个第一反射面323a中至少一个(在本实施方式中是全部的第一反射面323a)是让入射到第一反射面323a的一部分光透过的部分反射面，例如是半反射镜。多个反射面323之中至少两个反射面323的面积彼此不同。

当某一个反射面(本段落中以下记作“该反射面”。)323的面积相对于其他反射面323的面积变大时，由该反射面323反射的光的面积增加，因此对应的垂直方向(X方向)的视角(例如入射方第一反射面323a为+n°的视角)的光的光量相对于垂直方向的其他视角的光的光量增加。不过，该反射面323的面积比其他反射面323的面积变大也会带来另一方面的问题，即与其他视角相对应的光在入射到其他反射面323之前或者受到其他反射面323反射后，入射到该反射面323等，容易发生光量减少。因此，即使增大反射面323的面积，对应的垂直方向的视角的光的光量并不是单纯地增加。

考虑到上述问题，多个反射面323各自的面积被设定为，其大小在水平方向加大所对应的垂直方向的视角的光(例如，在该视角中，将水平方向的视角范围扩大到足以覆盖眼睛EY的瞳孔宽度和设想的眼箱宽度的大小)时，也能够确保具有足够亮度。

这样，根据所对应的垂直方向的视角设定多个反射面323各自的面积，因此多个反射面323之中至少两个反射面323的面积彼此不同。由此，不仅能够提高导光部件30的光利用效率，同时还能够抑制光量不均，而且，通过例如将多个第一反射面323a各自的面积抑制得尽可能地小，可以小型化导光部件30。

多个反射面323相互平行设置。

通过相互平行设置多个反射面323，可以使经过各反射面323反射后从第二导光部34射出的各视角的光在眼睛EY的网膜上的一点成像，实现虚像图像的高画质。

当设多个反射面323的设置间隔(换言之，与相邻的两个反射面323正交且以与该两个反射面323的一方的交点为起点、以与另一方的交点为终点的线段的长度)为d时，导光部件30满足下式(2)。

0.5mm＜d＜4mm (2)

通过满足上述式(2)，在提高导光部件30的光利用效率的同时，经过相邻的两个反射面323反射后从第二导光部34射出的两个视角的光的一部分以相互重叠的状态到达眼睛EY的瞳孔。为此，可抑制光量不均。如果设置间隔d为4mm以上，上述两个视角的光互不重叠，以在垂直方向(X方向)上分离的状态到达眼睛EY的瞳孔。为此，在光量不均增加的同时，未到达眼睛EY的瞳孔的光增加，导光部件30的光利用效率降低。如果设置间隔d为0.5mm以下，则上述两个视角的光相互重叠的部分变大，反而使光量不均增加，同时，未到达眼睛EY的瞳孔的光增加，导光部件30的光利用效率降低。

满足下式(3)，可以进一步提高导光部件30的光利用效率，同时抑制光量不均。

1mm＜d＜3mm (3)

如上所述，导光部件30使从光射出部(第3面342)射出的图像光作为虚像被佩戴者视觉认知。当设与图像显示元件10的第一边方向(本实施方式中为图像显示元件10的短边方向)所对应的虚像方向平行的方向(即X方向)，和多个反射面323各自的所构成的角度为θ时，导光部件30满足下式(3)。

30°＜θ＜60° (3)

如果改变角度θ，则为了获得提高导光部件30的光利用率和抑制光量不均的效果所要求的各反射面323的区域和设置将发生变化。

如果角度θ为60°以上，则为得到上述效果所要求的反射面323的位置过于靠近第二导光部34一方，会发生例如各反射面323进入视界的情况。头戴式显示器1为透视型头戴式显示器时，外界的视觉认知性有可能降低。另外，由于为得到上述效果所要求的各反射面323的面积过大，第一导光部32内与各视角对应的光容易入射更多的反射面323等，从而导致光量减少。为此，在导光部件30的光利用效率下降的同时，光量不均变大。

如果角度θ为30°以下，则为了得到上述效果所要求的反射面323的面积过小。为了确保大视角，需要在第一导光部32的内部设置更多的反射面323。为此将造成导光部件30大型化，难以满足作为例如眼镜型可穿戴设备的形状。另外，反射面323的数量增加，会使得第一导光部32内与各视角对应的光入射更多的反射面323等，从而容易发生光量减少。为此，在导光部件30的光利用效率降低的同时，光量不均变大。

因此，导光部件30成为满足上述式(3)的构成。通过满足上述式(3)，可以确保外界的视觉认知性，同时小型化导光部件30，进而可以提高导光部件30的光利用效率，抑制光量不均。

当反射面323的数量为N时，导光部件30满足下式(4)。

4≤N≤14 (4)

满足上述式(4)，可以提高导光部件30的光利用效率，同时抑制光量不均。如果反射面323的数量N达到15以上，则受到相邻的两个反射面323反射后从第二导光部34射出的两个视角的光之中相互重叠的部分变大，光量不均反而增大，同时未到达眼睛EY的瞳孔的光增加，导光部件30的光利用效率降低。另外，由于设置间隔d变窄，因而对反射面323要求的设置精度变高，加工变得困难。而如果反射面323的数量N为3以下，则上述两个视角的光互不重叠，以在垂直方向(X方向)分离的状态到达眼睛EY的瞳孔。因此，在光量不均增加的同时，未到达眼睛EY的瞳孔的光增加，导光部件30的光利用效率降低。

满足下式(4-1)，可以进一步提高导光部件30的光利用效率，同时抑制光量不均。

6≤N≤10 (4-1)

当入射光束相对于多个反射面323之中在光路上最靠近光入射部320配置的入射方第一反射面323a的入射角为45°时，该入射方第一反射面323a的反射率R1满足下式(5)。

5％＜R1＜40％ (5)

满足上述式(5)，可以进一步抑制光量不均。当反射率R1为40％以上时，对于远离光入射部320的入射侧第一反射面323a以外的反射面323，没有足够光量的光入射，因此难以抑制光量不均。当反射率R1为5％以下时，由入射侧第一反射面323a反射而从第二导光部34出射的视角的光的光量较少，因此难以提高导光部件30的光利用效率。

多个第一反射面323a包括第一部分反射面和与第一部分反射面相比设置在光路上距离光入射部320更远的位置上的第二部分反射面(例如入射方第一反射面323a和配置在与入射方第一反射面a相比在光路上离光入射部320较远位置上的反射面323)。光束的入射角为45°时的第二部分反射面的反射率高于光束的入射角为45°时入射第一部分反射面的反射率。具体举例来说，在导光部件30中，越是配置在光路上离光入射部320远的位置的第一反射面323a，入射光束的入射角为45°时的反射率就越高。

越是配置在光路上离光入射部320远的位置的第一反射面323a，由于受到伴随入射光束入射其他第一反射面323a等带来的光量减少的影响，入射光束的光量就越少。因此，例如，如果多个第一反射面323a的反射率全部相同，则从光入射部320被配置在光路上较远位置的第一反射面323a反射并从第二导光部34出射的视角的光的光量越小，容易产生光量不均。对此，如上所述，通过设定第一反射面323a的反射率，各视角的光的光量差异变小，光量不均得到抑制。

第二反射面323b也可以与第一反射面323a一样是部分反射面。但是，更优选第二反射面323b是不让入射光透射的反射面。

具体而言，如果将设置在光路上比第一反射面323a更远离光入射部320的位置上的第二反射面323b作为部分反射面，则透过第二反射面323b的光成为漫射光，不能到达眼睛EY的瞳孔的光增加，导光部件30的光利用效率下降。对此，优选第二反射面323b不是部分反射面，而是不让入射第二反射面323b的光透过的反射面。通过消除透过第二反射面323b的光，可以防止上述漫射光的发生，提高导光部件30的光利用效率。

图4是另一实施方式涉及的导光部件30的构成的示意图。在上述实施方式中，各反射面323被设置为其朝向使得来自反射面322的入射光束向Y方向正方反射。对此，在另一个实施方式中，各反射面323被设置为其朝向使得来自反射面322的入射光束向Y方向负方反射。为此，在另一实施方式中，第二导光部34在Y方向负方与第一导光部32相邻设置。这样，通过改变反射面323的朝方，可以改变第二导光部34相对于第一导光部32的位置。这样，导光部件30的形态具有自由度，可以进行各种设计更改。

接下来显示头戴式显示器1的具体实施例1～6。在实施例1～6中，显示了在光学模拟软件上模拟的结果。实施例1～6的共通事项如下。另外，在实施例1～6中，折射率表示d线(波长587.56nm)的折射率。

《实施例1～6的共通事项》

●图像显示元件10

◆垂直方向(X方向)的视角

20°

◆有效像素区域(发出图像光的显示区域)

0.01mm(短边方向(X方向))×0.76mm(长边方向(Y方向))

●传播光学系统20(在模拟上设定为理想透镜)

◆焦距

2.13mm

◆最终透镜面(传播光学系统20包含的镜面之中最靠近光入射部320一方的镜面)和光入射部320之间的距离

1.3mm

◆从传播光学系统20射出的光束的直径

4mm

(但在实施例4～6中，分别为3.3mm、2mm、5mm)

◆折射率

1.533(材料:Zeonex(登录商标)E48R)

●导光部件30

◆第一导光部32及第二导光部34的折射率

1.533(材料:Zeonex(登录商标)E48R)

◆粘接第一导光部32和第二导光部34的粘接剂的折射率

1.533

●眼箱

垂直方向(X方向)为6mm以上

◆出瞳距离

15mm以上

●眼睛EY(在模拟中作为理想透镜设定)

◆焦距

12mm

◆镜头半径(瞳孔半径)

3mm

在实施例1～6例中，将设置在光路上离光入射部320越近位置的反射面323与越小的自然数n关联起来进行说明。例如实施例1在第一导光部32的内部设置7个反射面323。对此，在第一实施例中，从配置在光路上离光入射部320较近位置的反射面323的反射率开始依次赋予标记R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7进行说明。相邻两个反射面323的射置间隔d用设置间隔d(n，n+1)表示。例如，设置间隔d(1,2)表示设置在光路上离光入射部320最近位置上的入射方第一反射面323a、和设置在光路上离光入射部320第二近的位置上的反射面323之间的配置间隔d。

在实施例1～6中，设于第一导光部32内部的反射面323之中，设置在光路上离光入射部320最远的位置的反射面323是第二反射面323b，除此以外的反射面323是第一反射面323a。图5是在第一实施例的模拟中使用的导光部件30的模型的示意图。

[实施例1]

图6是实施例1的模拟计算中采用的导光部件30的模型的示意图，图6是实施例1的模拟计算求出的眼睛EY的视网膜上的虚像位置和照度之间的关系图，表示光量不均。纵轴是视网膜上垂直方向(X方向)的位置(单位:mm)，横轴是照度(单位:W/mm²)。另外，图6的曲线表示经过位于眼睛EY的瞳孔中心前方的部分反射面344a(参见图5)反射后从光出射部(第3面342)射出到达视网膜的光。

通常，头戴式显示器的导光部件的光利用效率不超过10％。对此，实施例1中，导光部件30的光利用效率为18％，可以得知达到较高的光利用效率。另外，如图6所示，光量不均被控制在30％。因此，佩戴者能够自然舒适地观察虚像图像。

实施例1的头戴式显示器1的具体数值构成如下。如具体的数值构成所示，在实施例1中，式(1)～(5)全部满足。因此，在第一实施例中，由于满足式(1)～(5)而产生的全部效果都发挥出来。

●第一导光部32

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

15mm

◆光入射部320的入射面320a与反射面321所构成的角度

26.5°

◆反射面322与垂直方向(X方向)所构成的角度

40°

◆反射面323

▼数量

7片(全部是部分反射面)

▼角度θ

40°

▼入射角度为45°时的反射率

R1:14.3％

R2:16.7％

R3:15％

R4:23％

R5:25％

R6:25％

R7:32％

▼LV1/LV

0.12

▼设置间隔d

d(1,2):2.5mm

d(2,3):2.45mm

d(3,4):2.55mm

d(4,5):2.72mm

d(5,6):2.87mm

d(6,7):2.9mm

●第二导光部34

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

27mm

◆部分反射面344与光射出部(第3面342)构成的角度

26.5°。

[实施例2]

图7、图8分别是与图5、图6相同的图。具体地说，图7是实施例2的模拟中使用的导光部件30的模型的示意图。图8是实施例2的模拟计算求出的眼睛EY的视网膜上的虚像位置和照度之间的关系图，表示光量不均。

在第二实施例中，导光部件30的光利用效率为33％，可知实现了高的光利用效率。另外，如图8所示，光量不均被控制在20％。因此，佩戴者能够自然舒适地观察虚像图像。

第二实施例的头戴式显示器1的具体数值构成如下。如具体的数值构成所示，在实施例2中，式(1)～(5)全部满足。因此，在第二实施例中，满足式(1)～(5)所产生的全部效果都得到了体现。

●第一导光部32

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

13mm

◆光入射部320的入射面320a与反射面321构成的角度

26.5°

◆反射面322与垂直方向(X方向)构成的角度

45°

◆反射面323

▼数量

7片(6张是部分反射面)

▼角度θ

45°

▼入射角度为45°时的反射率

R1:20％

R2:30％

R3:40％

R4:50％

R5:60％

R6:70％

R7:100％(不是部分反射面的反射面)

▼LV1/LV

0.14

▼设置间隔d

d(1,2):2.15mm

d(2,3):2.2mm

d(3,4):2.55mm

d(4,5):2.17mm

d(5,6):2.1mm

d(6,7):2.95mm

●第二导光部34

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

27mm

◆部分反射面344与光射出部(第3面342)构成的角度

26.5°

[实施例3]

图9、图10分别是与图5、图6相同的图。具体而言，图9是实施例3的模拟中使用的导光部件30的模型的示意图。图10是实施例3的模拟计算求出的眼睛EY的视网膜上的虚像位置和照度之间的关系图，表示光量不均。

在第三实施例中，导光部件30的光利用效率为23％，可知达到了高的光利用效率。另外，如图10所示，光量不均被控制在30％。因此，佩戴者能够自然舒适地观察虚像图像。

第三实施例的头戴式显示器1的具体数值构成如下。如具体的数值构成所示，在实施例3中，式(1)～(5)全部满足。因此，在第三实施例中，满足式(1)～(5)的所有效果都得到了体现。

●第一导光部32

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

13mm

◆光入射部320的入射面320a与反射面321构成的角度

26.5°

◆反射面322与垂直方向(X方向)构成的角度

55°

◆反射面323

▼数量

7片(全部部分反射面)

▼角度θ

55°

▼入射角度为45°时的反射率

R1:16.5％

R2:19.5％

R3:20％

R4:30％

R5:32.6％

R6:35％

R7:50％

▼LV1/LV

0.16

▼配置间隔d

d(1,2):1.7mm

d(2,3):2.1mm

d(3,4):2.0mm

d(4,5):2.2mm

d(5,6):1.95mm

d(6,7):1.8mm

●第二导光部34

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

27mm

◆部分反射面344与光出射部(第3面342)构成的角度

26.5°。

[实施例4]

图11、图12分别是与图5、图6相同的图。具体而言，图11是实施例4的模拟中使用的导光部件30的模型的示意图。图12是实施例4的模拟中计算求出的眼睛EY的视网膜上的虚像位置和照度的关系图，表示光量不均。

在第四实施例中，导光部件30的光利用效率为23％，由此可知实现了高的光利用效率。另外，如图12所示，光量不均被控制在40％。因此，佩戴者能够似然舒适地观察虚像图像。

第四实施例的头戴式显示器1的具体数值构成如下。如具体的数值构成所示，在实施例4中，式(1)～(5)全部满足。因此，在第四实施例中，满足式(1)～(5)所产生的全部效果都得到了体现。

●第一导光部32

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

13mm

◆光入射部320的入射面320a与反射面321构成的角度23°

◆反射面322与垂直方向(X方向)构成的角度

40°

◆反射面323

▼数量

8片(全部为部分反射面)

▼角度θ

40°

▼入射角度为45°时的反射率

R1:12％

R2:15％

R3:23％

R4:25％

R5:28％

R6:30％

R7:32％

R8:50％

▼LV1/LV

0.23

▼配置间隔d

d(1,2):2.1mm

d(2,3):2.35mm

d(3,4):2.45mm

d(4,5):2.75mm

d(5,6):2.75mm

d(6,7):2.1mm

d(7,8):2.1mm

●第二导光部34

◆厚度(Z方向)

2.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

27mm

◆部分反射面344与光射出部(第3面342)构成的角度

23°。

[实施例5]

图13、图14分别是与图5、图6相同的图。具体地说，图13是实施例5的模拟中使用的导光部件30的模型的示意图。图14是实施例5的模拟计算求出的眼睛EY的视网膜上的虚像位置和照度之间的关系图，表示光量不均。

在实施例5中，导光部件30的光利用效率为30％，由此可知实现了高光利用效率。另外，如图14所示，光量不均被抑制为40％。因此，佩戴者能够自然输入地观察虚像图像。

第五实施例的头戴式显示器1的具体数值构成如下。如具体的数值构成所示，在实施例5中，式(1)～(5)全部满足。因此，在第五实施例中，满足式(1)～(5)的所有效果都得到了体现。

●第一导光部32

◆厚度(Z方向)

1.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

14mm

◆光入射部320的入射面320a与反射面321构成的角度

22°

◆反射面322与垂直方向(X方向)构成的角度

40°

◆反射面323

▼数量

12片(全部部分反射面)

▼角度θ

40°

▼入射角度为45°时的反射率

R1:10％

R2:15％

R3:20％

R4:23％

R5:25％

R6:27％

R7:28％

R8:32％

R9:35％

R10:35％

R11:40％

R12:50％

▼LV1/LV0.01

▼配置间隔d

d(1,2):1.4mm

d(2,3):1.15mm

d(3,4):1.4mm

d(4,5):1.3mm

d(5,6):1.55mm

d(6,7):1.45mm

d(7,8):1.45mm

d(8,9):1.7mm

d(910):1.7mm

d(1011):1.8mm

d(1112):1.7mm

●第二导光部34

◆厚度(Z方向)

1.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

27mm

◆光射出部(第3面342)与部分反射面344构成的角度

22°。

[实施例6]

图15、图16分别是与图5、图6相同的图。具体地说，图15是实施例6的模拟中使用的导光部件30的模型的示意图。图16是实施例6的模拟计算求出的眼睛EY的视网膜上的虚像位置和照度之间的关系图，表示光量不均。

在实施例6中，导光部件30的光利用效率为23％，由此可知达到了高光利用效率。另外，如图16所示，光量不均被抑制在80％。因此，虽然佩戴者观察到图像的不均匀，但是看不到图像缺损。即，实施例6也能够显示良好的图像。

第六实施例的头戴式显示器1的具体数值构成如下。如具体的数值构成所示，在实施例6中，式(1)～(5)全部满足。因此，在第六实施例中，满足式(1)～(5)的所有效果都得到了体现。

●第一导光部32

◆厚度(Z方向)

3.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

12mm

◆光入射部320的入射面320a与反射面321构成的角度

26.5°

◆反射面322与垂直方向(X方向)构成的角度

40°

◆反射面323

▼数量

5片(4片是部分反射面)

▼角度θ

55°

▼入射角为45°时的反射率

R1:10％

R2:15％

R3:40％

R4:20％

R5:100％(不是部分反射面的反射面)

▼LV1/LV

0.19

▼配置间隔d

d(1,2):2.7mm

d(2,3):2.9mm

d(3,4):3.4mm

d(4,5):3.1mm

●第二导光部34

◆厚度(Z方向)

3.5mm

◆长度(Y方向)

37mm

◆宽度(X方向)

27mm

◆部分反射面344与光射出部(第3面342)构成的角度

26.5°

以上举例说明了本发明的实施方式。本发明的实施方式不受上述说明限制，在本发明的技术构思范围内可以作各种各样的变化。例如把说明书中例示性给出的实施方式等或显而易见的实施方式等结合起来构成的内容也属于本发明的实施方式。

附图标记说明

1 :头戴式显示器

10 :图像显示元件

20 :传播光学系统

30 :导光部件

32 :第一导光部

34 :第二导光部

320 :光入射部

323a :第一反射面

323b :第二反射面

Claims (19)

1.一种导光部件，其特征在于，

具备第一导光部和第二导光部，所述第一导光部具有多个反射面，该多个反射面将从光入射部入射的入射光束分为多束光束，所述第二导光部引导经过所述多个反射面分开的所述多束光束从光出射部射出，

所述多个反射面包括至少一个第一反射面和至少一个第二反射面，

入射光束中的一部分光束入射所述第一反射面，受到所述第一反射面反射后被引导到所述第二导光部，

所述第二反射面反射未入射所述第一反射面而入射所述第二反射面的入射光束中的另一部分光束，将该另一部分光束引导到所述第二导光部。

2.根据权利要求1所述的导光部件，其特征在于，

所述第一导光部具有第一面和第二面，该第一面和该第二面与所述第一反射面及所述第二反射面正交，且相互平行设置，

所述第一反射面和所述第二反射面设置在所述第一面和所述第二面之间。

3.根据权利要求1或2所述的导光部件，其特征在于，所述第二反射面设置在光路上比所述第一反射面更远离所述光入射部的位置。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的导光部件，其特征在于，所述至少一个第一反射面之中的一个第一反射面被设置成在所述多个反射面之中在光路上离所述光入射部最近。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的导光部件，其特征在于，当设定相对于所述光入射部的入射面垂直入射、经过所述多个反射面各自反射后从所述第二导光部射出的各束光的合计光量为LV，相对于所述光入射部的入射面垂直入射的光之中、经过所述多个反射面中在光路上最靠近所述光入射部设置的第一反射面反射后从所述第二导光部射出的光的光量为LV1时，满足下式

0.001＜LV1/LV＜0.5。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的导光部件，其特征在于，具有第三反射面，所述入射光束在该第三反射面上不透射，而是朝向所述多个反射面反射。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的导光部件，其特征在于，

所述第一反射面之中至少一个反射面是部分反射面，入射所述第一反射面的一部分光透过该部分反射面，

所述多个反射面之中至少两个反射面的面积彼此不同。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的导光部件，其特征在于，

所述第一反射面之中至少一个反射面是部分反射面，入射所述第一反射面的一部分光透过该部分反射面，

所述多个反射面相互平行设置。

9.根据权利要求8所述的导光部件，其特征在于，当设定所述多个反射面的设置间隔为d时，满足下式

0.5mm＜d＜4mm。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的导光部件，其特征在于，

所述入射光束是来自图像显示元件的图像光，

所述导光部件使从所述光射出部射出的图像光作为虚像被视觉认知，

当设定与所述图像显示元件的第一边方向所对应的虚像方向平行的方向、和所述多个反射面各自所构成的角度为θ时，满足下式

30°＜θ＜60°。

11.根据权利要求1至10中任意一项所述的导光部件，其特征在于，当设定所述多个反射面的数量为N时，满足下式

4≤N≤14。

12.根据权利要求1至11中任意一项所述的导光部件，其特征在于，当所述入射光束相对于所述多个反射面之中在光路上最靠近所述光入射部设置的第一反射面的入射角为45°时，该第一反射面的反射率R1满足下式

5％＜R1＜40％。

13.根据权利要求1至12中任意一项所述的导光部件，其特征在于，

所述第一导光部具有多个所述第一反射面，

多个所述第一反射面是让入射所述第一反射面的一部分光透射的部分反射面，

多个所述第一反射面包括第一部分反射面和第二部分反射面，该第二部分反射面设置在比所述第一部分反射面在光路上更远离所述光入射部的位置上，

所述第二部分反射面在所述入射光束的入射角为45°时的反射率大于所述第一部分反射面在所述入射光束的入射角为45°时的反射率。

14.根据权利要求1至13中任意一项所述的导光部件，其特征在于，所述第二反射面设置在光路上比所述第一反射面更远离所述光入射部的位置，并不让入射该第二反射面的光透射。

15.根据权利要求1至14中任意一项所述的导光部件，其特征在于，所述第二导光部通过相互平行的两个面，对从所述第一导光部入射的所述多束光束的每束光进行导光，使经过导光的各光束偏转后从所述光射出部射出。

16.根据权利要求1至15中任意一项所述的导光部件，其特征在于，

所述第一导光部和所述第二导光部是不同部件，

所述第一导光部具有射出面，所述多束光束从该射出面射出，

所述第二导光部具有入射面，从所述射出面射出的所述多束光束入射该入射面，

所述第一导光部的所述射出面和所述第二导光部的所述入射面互相平行。

17.一种光学单元，其特征在于，具备

权利要求1至16中任意一项所述的导光部件；以及

光学系统，该光学系统使来自光源的光作为平行光，入射所述导光部件的所述光入射部。

18.一种虚像显示装置，其特征在于，具备

显示图像的图像显示元件；以及

权利要求17所述的光学单元，

所述光学系统使来自所述图像显示元件的图像光入射所述导光部件的所述光入射部。

19.一种头戴式显示器，其特征在于，具备

显示图像的图像显示元件；以及

权利要求17所述的光学单元，

所述光学系统使来自所述图像显示元件的图像光入射所述导光部件的所述光入射部。

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