JP2012068440A - Virtual image display device - Google Patents

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JP2012068440A JP2010213328A JP2010213328A JP2012068440A JP 2012068440 A JP2012068440 A JP 2012068440A JP 2010213328 A JP2010213328 A JP 2010213328A JP 2010213328 A JP2010213328 A JP 2010213328A JP 2012068440 A JP2012068440 A JP 2012068440A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a virtual image display device able to extract image light in a satisfactory state by preventing image deterioration due to uneven brightness while restraining a loss in a quantity of light.SOLUTION: In an angle conversion part 23, an upper limit size is provided while a condition required to take an image into an eye EY with regard to the width L of the angle conversion part 23 in the arrangement direction of a reflection unit 23c is obtained taking a lateral angle of view, an eye size, etc., into account. Thereby an excessive loss in a quantity of image light in the angle conversion part 23 is restrained, image deterioration due to uneven brightness, etc., can be prevented, and image light can be extracted in a satisfactory state.

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a virtual image display device such as a head mounted display that is used by being mounted on a head.

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から外部に取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている(特許文献1参照)。また、同様の技術として、映像光を取り出すために、映像光を取り出す表側の面に対向する裏側の面に隣接して鋸歯状の部分を設け、当該鋸歯状の部分に映像光の角度を変化させるための反射層を形成するものも知られている(特許文献2参照)。   2. Description of the Related Art In recent years, various types of virtual image display devices that enable formation and observation of virtual images, such as a head-mounted display, have been proposed that guide video light from a display element to an observer's pupil using a light guide plate. As a light guide plate for such a virtual image display device, a plurality of partial reflection surfaces arranged to be parallel to each other at a predetermined angle with respect to the main surface of the light guide plate while guiding image light using total reflection. There is known a technique in which image light is reflected and taken out from a light guide plate to allow the image light to reach an observer's retina (see Patent Document 1). Also, as a similar technique, in order to extract image light, a sawtooth portion is provided adjacent to the back surface opposite to the front surface from which image light is extracted, and the angle of the image light is changed in the sawtooth portion. There is also known one that forms a reflective layer for the purpose (see Patent Document 2).

特表2003−536102号公報Special table 2003-536102 gazette 特開2004−157520号公報JP 2004-157520 A

しかしながら、例えば特許文献1,2に用いられる導光板において、映像光の一部は複数の部分反射面を複数回通過した後に眼の方向に取り出されるため、映像光を導く方向に沿った位置に関して反射回数の差が生じ明るさムラが生じやすい。特に、部分反射面の通過回数が多くなることで、明るさムラが顕著になるとともに光量ロスが大きくなる可能性がある。   However, in the light guide plate used in Patent Documents 1 and 2, for example, a part of the image light is taken out in the direction of the eye after passing through the plurality of partial reflection surfaces a plurality of times, so that the position along the direction in which the image light is guided Differences in the number of reflections occur, and uneven brightness tends to occur. In particular, when the number of times of passage through the partial reflection surface increases, brightness unevenness becomes remarkable and light quantity loss may increase.

そこで、本発明は、光量ロスを抑えつつ明るさムラによる画像の劣化を防いで、良好な状態で画像光を取り出すことのできる虚像表示装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a virtual image display device capable of taking out image light in a good state while preventing image deterioration due to brightness unevenness while suppressing light amount loss.

上記課題を解決するため、本発明に係る第1の虚像表示装置は、(a)画像光を形成する画像形成装置と、(b1)画像形成装置で形成された画像光を内部に取り込む光入射部と、(b2)対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第1及び第2の全反射面での全反射により導く導光部と、(b3)所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、(b4)角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を有する(b)導光板と、を備える虚像表示装置であって、(c)角度変換部が、複数の反射面の所定の配列方向に関して、設定された横画角に対応する基本横幅を観察者の瞳の大きさ及び動きのうち少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させて得られる瞳影響分修正横幅の2倍以下の幅を有する。ここで、所定の配列方向とは、複数の反射面の配列される方向を言い、例えば細長い反射面を長手方向について隣り合うように並べた場合の当該長手方向に垂直な方向を意味する。また、設定された横画角とは、虚像表示装置の仕様上観察者にとっての横方向に対応して設定される画角を言う。また、瞳の大きさとは、虹彩の大きさを言うものとする。虹彩は、水晶体の前方に位置する瞳孔の大きさを調節することで網膜に入る光の調節をしている。なお、以上において、「横」とは、上記所定の配列方向に関連して定まる方向を指しており、観察者を基準とする縦・横としての横とは必ずしも一致しない。   In order to solve the above-described problems, a first virtual image display device according to the present invention includes (a) an image forming apparatus that forms image light, and (b1) a light incident that takes in image light formed by the image forming apparatus. And (b2) a light guide unit that has first and second total reflection surfaces extending opposite to each other and guides image light taken from the light incident unit by total reflection on the first and second total reflection surfaces And (b3) an angle at which image light having a plurality of reflection surfaces arranged in a predetermined arrangement direction and incident through the light guide is converted by the reflection by the plurality of reflection surfaces and taken out to the outside. A virtual image display device comprising: a conversion unit; and (b4) a light guide plate that includes (b4) a light emission unit that emits image light that has passed through the angle conversion unit to the outside, and (c) the angle conversion unit includes: With respect to a predetermined arrangement direction of a plurality of reflecting surfaces, the basic horizontal width corresponding to the set horizontal angle of view is set by the observer. Has twice less width of the pupil effect partial modification width obtained is increased by at least the influence of magnitude, of the pupil of the size and motion. Here, the predetermined arrangement direction means a direction in which a plurality of reflection surfaces are arranged, for example, a direction perpendicular to the longitudinal direction when elongated reflection surfaces are arranged adjacent to each other in the longitudinal direction. Further, the set horizontal angle of view refers to an angle of view set corresponding to the horizontal direction for the observer due to the specifications of the virtual image display device. The size of the pupil means the size of the iris. The iris adjusts the light entering the retina by adjusting the size of the pupil located in front of the lens. In the above description, “horizontal” refers to a direction determined in relation to the predetermined arrangement direction, and does not necessarily match the horizontal and vertical directions with respect to the observer.

上記虚像表示装置では、角度変換部が、複数の反射面の所定の配列方向に関して、横画角に対応する基本横幅を少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させるように修正した瞳影響分修正横幅の2倍以下の幅を有する。この場合、角度変換部に対して、上記所定の配列方向に関しての横画角や瞳の大きさ等を考慮して眼に画像を取り込むために必要な条件の確保を可能にしつつ上限サイズを設定することで、角度変換部における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。なお、2倍以下の幅とすることで、上記上限サイズを設定しつつ、観察者の眼やその動きに個人差がある場合や、虚像表示装置の装着状態がずれた場合等の種々の使用状況に対応可能なものとなる。   In the virtual image display device, the angle conversion unit corrects the pupil influence by correcting the basic horizontal width corresponding to the horizontal angle of view at least by the influence of the pupil size with respect to a predetermined arrangement direction of the plurality of reflecting surfaces. It has a width less than twice the width. In this case, an upper limit size is set for the angle conversion unit while ensuring the necessary conditions for capturing an image into the eye in consideration of the horizontal angle of view and the size of the pupil with respect to the predetermined arrangement direction. By doing so, it is possible to suppress an excessive light amount loss of the image light in the angle conversion unit, prevent deterioration of the image due to occurrence of uneven brightness and the like, and extract the image light in a good state. In addition, by setting the upper limit size to a width that is twice or less, there are various uses such as when there are individual differences in the observer's eyes and their movements, or when the wearing state of the virtual image display device is deviated. It becomes possible to respond to the situation.

本発明の具体的な側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅が、1以上2以下の係数kとし、観察者の瞳の大きさの標準値をAとし、角度変換部から観察者の眼までの距離をSとし、横画角の半分の値である横半画角をθとして、

Figure 2012068440
の式で与えられる。この場合、角度変換部の上記所定の配列方向に関する幅に上限サイズを設けることで、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことができ、かつ、下限サイズを設けることで、画像を取り込むのに十分な幅を有するものにして画像欠けの発生を防止することができる。 In a specific aspect of the present invention, the width of the angle conversion unit in a predetermined arrangement direction is a coefficient k of 1 or more and 2 or less, the standard value of the size of the observer's pupil is A, and the observation is performed from the angle conversion unit. The distance to the person's eyes is S, and the horizontal half angle of view, which is half the horizontal angle of view, is θ.
Figure 2012068440
Is given by In this case, by providing an upper limit size for the width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction, it is possible to prevent image deterioration due to occurrence of brightness unevenness and the like, and by providing a lower limit size, an image is captured. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of missing images by making the width sufficiently large.

本発明のさらに別の側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅が、角度変換部から観察者の眼までの距離に横画角の半分の値である横半画角θのtanθを掛けて2倍した値に、観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の値である。この場合、角度変換部の上記所定の配列方向に関する幅を必要最小限に制限することで、当該幅が過剰に増加することによる明るさムラの発生を確実に抑えることができる。なお、観察者の瞳の大きさ及び眼の動き量を加算することで、観察者の眼やその動きに個人差があっても、画像欠けの発生を防止できる。   In still another aspect of the present invention, the width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction is tan θ of the horizontal half angle of view θ that is a half value of the horizontal angle of view with respect to the distance from the angle conversion unit to the eyes of the observer. Is a value equal to or less than a value obtained by adding the maximum value of the size of the observer's pupil and the maximum value of the amount of movement of the eye of the observer to the value multiplied by 2 and multiplied. In this case, by limiting the width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction to the minimum necessary, it is possible to reliably suppress the occurrence of brightness unevenness due to excessive increase in the width. Note that by adding the size of the observer's pupil and the amount of eye movement, it is possible to prevent image loss even if there are individual differences in the observer's eyes and their movement.

本発明のさらに別の側面では、角度変換部が、複数の反射面として、第1の反射面部分と第1の反射面部分に対して所定角度をなす第2の反射面部分とを1組としてそれぞれ有する複数の反射ユニットを備え、各反射ユニットにおいて、第1の反射面部分により導光部を経て入射する画像光を反射するとともに第2の反射面部分により第1の反射面部分で反射された画像光をさらに反射して外部へ取り出す。この場合、第1の反射面部分と第2の反射面部分との2段階の反射で画像光の取出しが可能となる。   In still another aspect of the present invention, the angle conversion unit includes, as a plurality of reflection surfaces, one set of a first reflection surface portion and a second reflection surface portion that forms a predetermined angle with respect to the first reflection surface portion. A plurality of reflection units, each of which reflects image light incident through the light guide portion by the first reflection surface portion and is reflected by the first reflection surface portion by the second reflection surface portion. The reflected image light is further reflected and taken out to the outside. In this case, the image light can be extracted by two-stage reflection between the first reflecting surface portion and the second reflecting surface portion.

本発明のさらに別の側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅は、横画角が35°以上である場合に、20mm以上である。この場合、高画角な画像を形成することができる。   In still another aspect of the present invention, the width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction is 20 mm or more when the horizontal angle of view is 35 ° or more. In this case, an image with a high angle of view can be formed.

上記課題を解決するため、本発明に係る第2の虚像表示装置は、(a)画像光を形成する画像形成装置と、(b1)画像形成装置で形成された画像光を内部に取り込む光入射部と、(b2)対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第1及び第2の全反射面での全反射により導く導光部と、(b3)所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、(b4)角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を有する(b)導光板と、を備える虚像表示装置であって、(c)角度変換部が、光射出部から射出され観察者の瞳に入射する画像光の光束光軸に対して導光板での光入射側において、角度変換部から観察者の眼までの距離と設定された横画角の半分の値である横半画角θのtanθとの積に、画像光を観察する観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の幅を有する。   In order to solve the above-described problems, a second virtual image display device according to the present invention includes (a) an image forming apparatus that forms image light, and (b1) a light incident that captures image light formed by the image forming apparatus. And (b2) a light guide unit that has first and second total reflection surfaces extending opposite to each other and guides image light taken from the light incident unit by total reflection on the first and second total reflection surfaces And (b3) an angle at which image light having a plurality of reflection surfaces arranged in a predetermined arrangement direction and incident through the light guide is converted by the reflection by the plurality of reflection surfaces and taken out to the outside. A virtual image display device comprising: a conversion unit; and (b4) a light guide plate that includes (b4) a light emission unit that emits image light that has passed through the angle conversion unit to the outside, and (c) the angle conversion unit includes: The light incident side on the light guide plate with respect to the optical axis of the luminous flux of the image light emitted from the light emitting portion and entering the pupil of the observer In this case, the product of the distance from the angle conversion unit to the observer's eyes and the tan θ of the horizontal half angle of view θ that is a half value of the set horizontal angle of view is the size of the pupil of the observer observing the image light. And a width equal to or smaller than a value obtained by adding the maximum value of the height and the maximum value of the movement amount of the eye of the observer.

上記虚像表示装置では、角度変換部が、観察者の瞳に入射する画像光の光束光軸に対して導光板での光入射側において、角度変換部から観察者の眼までの距離と横半画角の正接との積に観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した横幅以下の幅を有する。この場合、角度変換部のうち導光板での光入射側の部分に対して、横画角や瞳の大きさ等を考慮して眼に画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。さらに、観察者の瞳の大きさ及び眼の動き量の最大値を加算することで、観察者の眼やその動きに個人差があっても、画像欠けの発生を防止できる。なお、この場合、角度変換部から観察者の眼までの距離をSとし、横半画角をθとし、画像光を観察する観察者の瞳の大きさである幅の最大値をAmaxとし、観察者の眼の動き量の最大値をBmaxとして、導光板での画像光の光束光軸から光入射側における角度変換部の幅Lmが、

Figure 2012068440
の関係を満たしていればよい。 In the virtual image display device, the angle conversion unit includes a distance from the angle conversion unit to the observer's eyes and a horizontal half on the light incident side of the light guide plate with respect to the light beam optical axis of the image light incident on the observer's pupil. It has a width equal to or smaller than the width obtained by adding the maximum value of the size of the observer's pupil and the maximum value of the amount of movement of the viewer's eyes to the product of the tangent of the angle of view. In this case, with respect to the light incident side portion of the light guide plate in the angle conversion unit, the upper limit size is ensured while ensuring the necessary conditions for capturing an image into the eye in consideration of the horizontal angle of view, the size of the pupil, etc. By suppressing the excessive light amount loss of the image light in the angle conversion unit, it is possible to prevent deterioration of the image due to occurrence of brightness unevenness and the like, and to extract the image light in a good state. Further, by adding the maximum size of the observer's pupil size and the amount of eye movement, it is possible to prevent image loss even if there are individual differences in the eyes and movement of the observer. In this case, the distance from the angle conversion unit to the observer's eyes is S, the horizontal half angle of view is θ, and the maximum width of the observer's pupil that observes the image light is A max. The maximum value of the amount of eye movement of the observer is B max , and the width Lm of the angle conversion unit on the light incident side from the light beam optical axis of the image light on the light guide plate is
Figure 2012068440
As long as the relationship is satisfied.

(A)は、第1実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光板の正面図及び平面図である。(A) is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 1st Embodiment, (B) and (C) are the front views and top views of a light-guide plate. (A)は、角度変換部の構造及び角度変換部における画像光の光路について説明するための模式的な図であり、(B)は、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、(C)は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。(A) is a schematic diagram for demonstrating the structure of an angle conversion part, and the optical path of the image light in an angle conversion part, (B) is a figure which shows the mode of the reflection in the back | inner side of an angle conversion part. (C) is a figure which shows the mode of reflection in the entrance side of an angle conversion part. (A)は、角度変換部の横幅について説明するための図であり、(B)及び(C)は、最大限動いた状態の眼について示す図である。(A) is a figure for demonstrating the horizontal width of an angle conversion part, (B) and (C) are figures shown about the eye of the state which moved to the maximum. (A)は、第2実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、(B)は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。(A) is a figure explaining the virtual image display apparatus which concerns on 2nd Embodiment, and is a figure which shows the mode of reflection in the back | inner side of an angle conversion part, (B) is the entrance side of an angle conversion part. It is a figure which shows the mode of reflection of.

〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について説明する。
[First Embodiment]
The virtual image display device according to the first embodiment of the present invention will be described below.

〔A.導光板及び虚像表示装置の構造〕
図1(A)に示す本実施形態に係る虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置10と、導光板20とを一組として備える。なお、図1(A)は、図1(B)に示す導光板20のA−A断面に対応する。
[A. Structure of light guide plate and virtual image display device]
A virtual image display device 100 according to this embodiment shown in FIG. 1A is applied to a head-mounted display, and includes an image forming device 10 and a light guide plate 20 as a set. 1A corresponds to the AA cross section of the light guide plate 20 shown in FIG.

虚像表示装置100は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置10と導光板20とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置100は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観(不図示)を有するものとなっている。   The virtual image display device 100 allows an observer to recognize image light based on a virtual image, and allows the observer to observe an external image in a see-through manner. The image forming apparatus 10 and the light guide plate 20 are usually provided one by one corresponding to the right eye and the left eye of the observer, but the right eye and the left eye are symmetrical in the right eye and the right eye here. For the left eye, the illustration is omitted. The virtual image display device 100 as a whole has, for example, an appearance (not shown) like general glasses.

画像形成装置10は、画像表示素子である液晶デバイス11と、光束形成用のコリメートレンズ12とを備える。液晶デバイス11は、光源(不図示)からの照明光を空間的に変調して、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。コリメートレンズ12は、液晶デバイス11上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にする。なお、コリメートレンズ12のレンズ材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。   The image forming apparatus 10 includes a liquid crystal device 11 that is an image display element, and a collimating lens 12 for forming a light beam. The liquid crystal device 11 spatially modulates illumination light from a light source (not shown) to form image light to be a display target such as a moving image. The collimating lens 12 converts the image light emitted from each point on the liquid crystal device 11 into a light beam in a parallel state. The lens material of the collimating lens 12 can be either glass or plastic.

図1(A)〜1(C)に示すように、本実施形態に係る導光板20は、導光板本体部20aと、入射光折曲部21と、画像取出部である角度変換部23とを備える。導光板20は、画像形成装置10で形成された画像光を虚像光として観察者の眼EYに向けて射出し、画像として認識させるものである。   As shown in FIGS. 1A to 1C, a light guide plate 20 according to this embodiment includes a light guide plate main body 20a, an incident light bending portion 21, and an angle conversion portion 23 that is an image extraction portion. Is provided. The light guide plate 20 emits the image light formed by the image forming apparatus 10 as virtual image light toward the observer's eye EY and recognizes it as an image.

導光板20の全体的な外観は、図中YZ面に平行に延びる平板である導光板本体部20aによって形成されている。また、導光板20は、長手方向の一端において導光板本体部20aに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部23を有し、長手方向の他端において導光板本体部20aを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する入射光折曲部21を有する構造となっている。   The overall appearance of the light guide plate 20 is formed by a light guide plate body 20a which is a flat plate extending parallel to the YZ plane in the drawing. In addition, the light guide plate 20 has an angle conversion unit 23 constituted by a large number of micromirrors embedded in the light guide plate body 20a at one end in the longitudinal direction, and extends the light guide plate body 20a at the other end in the longitudinal direction. The prism portion PS formed as described above and the incident light bending portion 21 associated therewith are configured.

導光板本体部20aは、光透過性の樹脂材料等により形成され、YZ面に平行で画像形成装置10に対向する表側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ISと、画像光を観察者の眼EYに向けて射出させる光射出部である光射出面OSとを有している。導光板本体部20aは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層21aが形成されている。ここで、ミラー層21aは、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部21として機能する。また、導光板本体部20aにおいて、光射出面OSの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部23が形成されている。   The light guide plate main body 20a is a light incident portion that is formed of a light-transmitting resin material or the like and takes in image light from the image forming apparatus 10 on a front side plane that is parallel to the YZ plane and faces the image forming apparatus 10. It has a certain light incident surface IS and a light emitting surface OS which is a light emitting portion for emitting image light toward the observer's eye EY. The light guide plate main body 20a has a rectangular inclined surface RS in addition to the light incident surface IS as a side surface of the prism portion PS, and a mirror layer 21a is formed on the inclined surface RS so as to cover it. . Here, the mirror layer 21a functions as the incident light bending portion 21 arranged in an inclined state with respect to the light incident surface IS by cooperating with the inclined surface RS. Further, in the light guide plate main body 20a, an angle conversion unit 23 having a fine structure is formed along a plane on the back side of the light exit surface OS.

導光板本体部20aの光入射面ISに対向し傾斜して配置されるミラー層21aとしての入射光折曲部21は、導光板本体部20aの上記斜面RS上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部21は、光入射面ISから入射し全体として−X方向に向かう画像光を、全体として+X方向に偏った+Z方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部20a内に確実に結合させる。   The incident light bending portion 21 as the mirror layer 21a disposed to be inclined and opposed to the light incident surface IS of the light guide plate main body portion 20a is formed by depositing aluminum vapor deposition or the like on the inclined surface RS of the light guide plate main body portion 20a. It is formed by applying, and functions as a reflection surface for reflecting incident light and bending the optical path in a predetermined direction close to a substantially orthogonal direction. That is, the incident light bending portion 21 guides the image light by bending the image light incident from the light incident surface IS and traveling in the −X direction as a whole so as to be directed in the + Z direction biased in the + X direction as a whole. It couple | bonds reliably in the optical plate main-body part 20a.

また、導光板本体部20aは、入口側の入射光折曲部21から奥側の角度変換部23にかけて、入射光折曲部21を介して内部に入射させた画像光を角度変換部23に導くための導光部22を有している。   In addition, the light guide plate main body 20 a receives image light incident on the inside through the incident light bending portion 21 from the incident light bending portion 21 on the entrance side to the angle conversion portion 23 on the back side. It has a light guide 22 for guiding.

導光部22は、平板状の導光板本体部20aの主面であり互いに対向しYZ面に対して平行に延びる2平面として、入射光折曲部21で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1の全反射面22aと第2の全反射面22bとを有している。ここでは、第1の全反射面22aが画像形成装置10から遠い裏側にあるものとし、第2の全反射面22bが画像形成装置10に近い表側にあるものとする。この場合、第2の全反射面22bは、光入射面IS及び光射出面OSと共通の面部分となっている。入射光折曲部21で反射された画像光は、まず、第2の全反射面22bに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第1の全反射面22aに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板20の奥側即ち角度変換部23を設けた+Z側に導かれる。   The light guide 22 is a main surface of the flat light guide plate main body 20a and is two planes facing each other and extending in parallel to the YZ plane, and totally reflects the image light bent by the incident light bending portion 21, respectively. The first total reflection surface 22a and the second total reflection surface 22b are provided. Here, it is assumed that the first total reflection surface 22 a is on the back side far from the image forming apparatus 10 and the second total reflection surface 22 b is on the front side close to the image forming apparatus 10. In this case, the second total reflection surface 22b is a common surface portion with the light incident surface IS and the light exit surface OS. The image light reflected by the incident light bending portion 21 first enters the second total reflection surface 22b and is totally reflected. Next, the image light enters the first total reflection surface 22a and is totally reflected. Hereinafter, by repeating this operation, the image light is guided to the back side of the light guide plate 20, that is, the + Z side where the angle conversion unit 23 is provided.

導光板本体部20aの光射出面OSに対向して配置される角度変換部23は、導光部22の奥側(+Z側)において、第1の全反射面22aの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部23は、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。つまり、角度変換部23は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部23に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。角度変換部23の詳しい構造については、図2(A)等により後述する。   The angle conversion unit 23 disposed to face the light exit surface OS of the light guide plate main body 20a is arranged along the extended plane of the first total reflection surface 22a on the back side (+ Z side) of the light guide unit 22. It is formed close to the extension plane. The angle conversion unit 23 reflects the image light incident through the first and second total reflection surfaces 22a and 22b of the light guide unit 22 at a predetermined angle and bends it toward the light exit surface OS. That is, the angle conversion unit 23 converts the angle of the image light. Here, it is assumed that the image light first incident on the angle conversion unit 23 is an extraction target as virtual image light. The detailed structure of the angle conversion unit 23 will be described later with reference to FIG.

なお、導光板本体部20aに用いる透明樹脂材料の屈折率nは、1.5以上の高屈折率材料であるものとする。導光板20に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板20内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板20内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。   In addition, the refractive index n of the transparent resin material used for the light-guide plate main-body part 20a shall be a high refractive index material of 1.5 or more. By using a transparent resin material having a relatively high refractive index for the light guide plate 20, it becomes easier to guide the image light inside the light guide plate 20, and the angle of view of the image light inside the light guide plate 20 is made relatively small. be able to.

導光板20が以上のような構造を有することから、画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光板20に入射した画像光は、入射光折曲部21で一様に反射されて折り曲げられ、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて繰り返し全反射されて光軸OAに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部23において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。   Since the light guide plate 20 has the above-described structure, the image light emitted from the image forming apparatus 10 and incident on the light guide plate 20 from the light incident surface IS is uniformly reflected by the incident light bending portion 21 and bent. The first and second total reflection surfaces 22a and 22b of the light guide unit 22 are repeatedly totally reflected and travel in a state of having a certain spread substantially along the optical axis OA. By being bent at an angle, it can be taken out and finally emitted from the light exit surface OS. The image light emitted to the outside from the light exit surface OS enters the observer's eye EY as virtual image light. By forming the virtual image light on the retina of the observer, the observer can recognize image light such as video light by the virtual image.

〔B.画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。図1(A)に示すように、液晶デバイス11の射出面11a上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面11aの中央部分から射出される成分を画像光GL1とし、図中一点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面右側(−Z側)から射出される成分を画像光GL2とし、図中二点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面左側(+Z側)から射出される成分を画像光GL3とする。なお、図中、導光板20のZ方向について、画像光の入射する光入射面ISを有するプリズムPSが配置されている側(図1(A)の右側)を光入射側と呼び、プリズムPSが配置されていない側(図1(A)の左側)を反光入射側と呼ぶものとする。
[B. (Optical path of image light)
Hereinafter, the optical path of the image light will be described in detail. As shown in FIG. 1A, a component emitted from the central portion of the emission surface 11a indicated by a dotted line in the image light emitted from the emission surface 11a of the liquid crystal device 11 is referred to as image light GL1. The component emitted from the right side (-Z side) of the drawing surface 11a indicated by the middle one-dot chain line is the image light GL2, and the left side (+ Z side) of the periphery of the emission surface 11a indicated by the two-dot chain line in the drawing. Let the component emitted from the image light GL3. In the drawing, the side where the prism PS having the light incident surface IS on which the image light is incident (the right side in FIG. 1A) in the Z direction of the light guide plate 20 is called the light incident side. The side on which no is arranged (the left side in FIG. 1A) is called the anti-light incident side.

コリメートレンズ12を経た各画像光GL1,GL2,GL3の主要成分は、導光板20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL1,GL2,GL3のうち、液晶デバイス11の射出面11aの中央部分から射出された画像光GL1は、平行光束として入射光折曲部21で反射された後、標準反射角γで導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。その後、画像光GL1は、標準反射角γを保った状態で、第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射を繰り返す。画像光GL1は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、角度変換部23の中央部23kに入射する。画像光GL1は、この中央部23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから光射出面OSを含むYZ面に対して垂直な光束光軸である光軸AX方向に平行光束として射出される。液晶デバイス11の射出面11aの一端側(−Z側)から射出された画像光GL2は、コリメートレンズ12において画像光GL1とクロスして平行光束として光入射面ISの+Z側に入射し入射光折曲部21で反射された後、最大反射角γで導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。画像光GL2は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部23のうち奥側(+Z側)の周辺部23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部21側に戻されるようなものになっており、+Z軸に対して鈍角となる。液晶デバイス11の射出面11aの他端側(+Z側)から射出された画像光GL3は、コリメートレンズ12において画像光GL1とクロスして平行光束として光入射面ISの−Z側に入射し入射光折曲部21で反射された後、最小反射角γで導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。画像光GL3は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部23のうち入口側(−Z側)の周辺部23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部21側から離れるようなものになっており、+Z軸に対して鋭角となる。なお、第1及び第2の全反射面22a,22bでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光GL1,GL2,GL3間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どなく、視認上画像ムラ等の影響を感じることはない。また、画像光GL1,GL2,GL3は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光GL1等と同様に導かれ光射出面OSから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。 The main components of the image lights GL1, GL2, and GL3 that have passed through the collimating lens 12 are all incident at different angles on the first and second total reflection surfaces 22a and 22b after entering from the light incident surface IS of the light guide plate 20, respectively. Repeat reflection. Specifically, among the image lights GL1, GL2, and GL3, the image light GL1 emitted from the central portion of the emission surface 11a of the liquid crystal device 11 is reflected by the incident light bending portion 21 as a parallel light flux, and then is standardized. The light enters the second total reflection surface 22b of the light guide unit 22 at the reflection angle γ 0 and is totally reflected. Thereafter, the image light GL1 is, while maintaining the standard reflection angle gamma 0, first and second total reflection surface 22a, repeating total reflection at 22b. The image light GL1 is totally reflected N times (N is a natural number) on the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, and enters the central portion 23k of the angle conversion unit 23. The image light GL1 is reflected at a predetermined angle at the central portion 23k, and is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS to the optical axis AX direction that is a light flux optical axis perpendicular to the YZ plane including the light exit surface OS. The The image light GL2 emitted from one end side (−Z side) of the emission surface 11a of the liquid crystal device 11 crosses the image light GL1 in the collimator lens 12 and enters the + Z side of the light incident surface IS as a parallel light beam and enters the incident light. After being reflected by the bent portion 21, it is incident on the second total reflection surface 22 b of the light guide portion 22 at the maximum reflection angle γ + and is totally reflected. The image light GL2 is totally reflected, for example, NM times (M is a natural number) on the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, and is predetermined in the peripheral portion 23h on the back side (+ Z side) of the angle conversion unit 23. And is emitted from the light exit surface OS as a parallel light beam in a predetermined angle direction. The exit angle at this time is such that it is returned to the incident light bending portion 21 side, and becomes an obtuse angle with respect to the + Z axis. The image light GL3 emitted from the other end side (+ Z side) of the emission surface 11a of the liquid crystal device 11 crosses the image light GL1 in the collimator lens 12 and enters the -Z side of the light incident surface IS as a parallel light flux. After being reflected by the light bent portion 21, the light is incident on the second total reflection surface 22 b of the light guide portion 22 at the minimum reflection angle γ and is totally reflected. The image light GL3 is totally reflected, for example, N + M times at the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, and is reflected at a predetermined angle at the peripheral portion 23m on the entrance side (−Z side) of the angle conversion unit 23, The light exits from the light exit surface OS in a predetermined angular direction as a parallel light flux. The exit angle at this time is such that it is away from the incident light bending portion 21 side, and is an acute angle with respect to the + Z axis. In addition, since the reflection efficiency of light by the total reflection at the first and second total reflection surfaces 22a and 22b is very high, the number of reflections differs between the image lights GL1, GL2, and GL3 as described above. However, this hardly causes luminance unevenness, and does not feel the influence of image unevenness or the like on visual recognition. Further, the image light GL1, GL2, and GL3 are described on behalf of a part of the entire light beam of the image light. However, light beam components constituting other image light are guided in the same manner as the image light GL1 and the like. Since these are emitted from the light exit surface OS, illustration and description thereof are omitted.

ここで、画像光GL2の反射角γはこの導光板20仕様上の最大値になっており、画像光GL3の反射角γはこの導光板20仕様上の最小値になっている。よって、他の有効な画像光の導光板20内における伝搬の全反射角は、これらの反射角γ,γの間の値となる。このような反射角の範囲即ち最大反射角γと最小反射角γとの差は、画像形成装置10側における光学設計上の横画角即ちZ方向についての画角に相当するものとなっている。なお、画像光GL2,GL3は、光射出面OSを通過する際に、多少屈折作用を受けるが、光入射面ISを通過する際に逆の屈折作用を受けているので、導光板20の前後において、全体としての屈折作用による影響は、略相殺されている。 Here, the reflection angle γ + of the image light GL2 has a maximum value in the light guide plate 20 specification, and the reflection angle γ of the image light GL3 has a minimum value in the light guide plate 20 specification. Therefore, the total reflection angle of propagation of other effective image light within the light guide plate 20 is a value between these reflection angles γ + and γ . The difference between the reflection angle range, that is, the maximum reflection angle γ + and the minimum reflection angle γ corresponds to the horizontal angle of view on the optical design on the image forming apparatus 10 side, that is, the angle of view in the Z direction. ing. The image lights GL2 and GL3 are slightly refracted when passing through the light exit surface OS, but are oppositely refracted when passing through the light incident surface IS. However, the influence of the refractive action as a whole is substantially cancelled.

入射光折曲部21及び導光部22に用いられる透明樹脂材料の屈折率nの値の一例として、n=1.5とすると、その臨界角γの値はγ≒41.8°となり、n=1.6とすると、その臨界角γの値はγ≒38.7°となる。各画像光GL1,GL2,GL3の反射角γ,γ,γのうち最小である反射角γを上記臨界角γよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部22内における全反射条件を満たすものにできる。 As an example of the value of the refractive index n of the transparent resin material used for the incident light bending portion 21 and the light guide portion 22, when n = 1.5, the value of the critical angle γ c is γ c ≈41.8 °. When n = 1.6, the critical angle γ c has a value of γ c ≈38.7 °. The minimum reflection angle γ of the reflection angles γ 0 , γ + , γ of each of the image lights GL1, GL2, and GL3 is set to a value larger than the critical angle γ c , thereby guiding the necessary image light. The total reflection condition in the portion 22 can be satisfied.

〔C.角度変換部の構造及び角度変換部による光路の折曲げ〕
以下、図2(A)等により、角度変換部23の構造及び角度変換部23による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
[C. (Structure of angle converter and bending of optical path by angle converter)
Hereinafter, the structure of the angle conversion unit 23 and the bending of the optical path of the image light by the angle conversion unit 23 will be described in detail with reference to FIG.

まず、角度変換部23の構造について説明する。角度変換部23は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット23cで構成される。つまり、図2(A)〜2(C)に示すように、角度変換部23は、Y方向に延びる細長い反射ユニット23cを所定のピッチPTで導光部22の延びる方向即ちZ方向に多数配列させることで構成されている。ここで、これらの反射ユニット23cが配列される方向即ちZ方向を配列方向とする。各反射ユニット23cは、奥側即ち反光入射側に配置される1つの反射面部分である第1の反射面23aと、入口側即ち光入射側に配置される他の1つの反射面部分である第2の反射面23bとを1組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第2の反射面23bは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット23cは、隣接する第1及び第2の反射面23a,23bにより、XZ断面視においてV字又は楔状となっている。より具体的には、第1及び第2の反射面23a,23bは、図1(A)等に示す第1の全反射面22aに平行で反射ユニット23cの配列される配列方向であるZ方向に対して垂直に延びる方向即ちY方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第1及び第2の反射面23a,23bは、当該長手方向を軸として、第1の全反射面22aに対してそれぞれ異なる角度(即ちYZ面に対してそれぞれ異なる角度)で傾斜している。結果的に、第1の反射面23aは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第2の反射面23bも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図2(A)等に示す具体例において、各第1の反射面23aは、第1の全反射面22aに対して略垂直な方向(X方向)に沿って延びているものとしている。また、各第2の反射面23bは、対応する第1の反射面23aに対して反時計方向に所定角度(相対角度)αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば54.7°となっているものとする。   First, the structure of the angle conversion unit 23 will be described. The angle conversion unit 23 includes a large number of linear reflection units 23c arranged in a stripe shape. That is, as shown in FIGS. 2A to 2C, the angle conversion unit 23 includes a plurality of elongated reflection units 23c extending in the Y direction at a predetermined pitch PT in the direction in which the light guide unit 22 extends, that is, in the Z direction. Is made up of. Here, the direction in which these reflection units 23c are arranged, that is, the Z direction is taken as the arrangement direction. Each reflecting unit 23c is a first reflecting surface 23a that is one reflecting surface portion disposed on the back side, that is, the light incident side, and another one reflecting surface portion that is disposed on the entrance side, that is, the light incident side. The second reflecting surface 23b is provided as a set. Among these, at least the second reflection surface 23b is a partial reflection surface capable of transmitting a part of light, and allows an observer to observe an external image in a see-through manner. Each reflection unit 23c is formed in a V shape or a wedge shape in the XZ sectional view by the adjacent first and second reflection surfaces 23a and 23b. More specifically, the first and second reflection surfaces 23a and 23b are parallel to the first total reflection surface 22a shown in FIG. 1A and the like and are arranged in the Z direction in which the reflection units 23c are arranged. A direction extending perpendicularly to the longitudinal direction, that is, the Y direction, is linearly extended. Further, the first and second reflection surfaces 23a and 23b are inclined at different angles (that is, different angles with respect to the YZ plane) with respect to the first total reflection surface 22a with the longitudinal direction as an axis. Yes. As a result, the first reflecting surfaces 23a are periodically and repeatedly arranged and extend in parallel with each other, and the second reflecting surfaces 23b are also periodically and repeatedly arranged and extend in parallel with each other. In the specific example shown in FIG. 2A and the like, each first reflection surface 23a is assumed to extend along a direction (X direction) substantially perpendicular to the first total reflection surface 22a. Each second reflecting surface 23b extends in a direction that forms a predetermined angle (relative angle) α counterclockwise with respect to the corresponding first reflecting surface 23a. Here, the relative angle α is assumed to be, for example, 54.7 ° in a specific example.

図2(A)等に示す具体例において、第1の反射面23aは、第1の全反射面22aに対して略垂直であるものとしているが、第1の反射面23aの方向は、導光板20の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第1の全反射面22aに対して−Z方向を基準として時計回りに例えば80°から100°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第2の反射面23bの方向は、第1の全反射面22aに対して−Z方向を基準として時計回りに例えば30°から40°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第2の反射面23bは、第1の反射面23aに対して40°から70°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。   In the specific example shown in FIG. 2A and the like, the first reflecting surface 23a is assumed to be substantially perpendicular to the first total reflecting surface 22a, but the direction of the first reflecting surface 23a is guided. Any tilt angle within a range of, for example, 80 ° to 100 ° clockwise with respect to the −Z direction with respect to the first total reflection surface 22a is appropriately adjusted according to the specifications of the optical plate 20. It can be made. Further, the direction of the second reflecting surface 23b makes any inclination angle within a range of, for example, 30 ° to 40 ° clockwise with respect to the −Z direction with respect to the first total reflecting surface 22a. And can. As a result, the second reflecting surface 23b has any relative angle within the range of 40 ° to 70 ° with respect to the first reflecting surface 23a.

以下、角度変換部23による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部23の両端側に入射する画像光GL2及び画像光GL3について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。   Hereinafter, the bending of the optical path of the image light by the angle conversion unit 23 will be described in detail. Here, among the image light, the image light GL2 and the image light GL3 that enter the both ends of the angle conversion unit 23 are shown, and the other optical paths are the same as these, so the illustration and the like are omitted.

まず、図2(A)及び2(B)に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γで導かれた画像光GL2は、角度変換部23のうち光入射面IS(図1(A)参照)から最も遠い+Z側の周辺部23hに1つ以上配置された反射ユニット23cに入射する。当該反射ユニット23cにおいて、画像光GL2は、最初に奥側即ち+Z側の第1の反射面23aで反射され、次に、入口側即ち−Z側の第2の反射面23bで反射される。当該反射ユニット23cを経た画像光GL2は、他の反射ユニット23cを経ることなく、図1(A)等に示す光射出面OSから射出される。つまり、画像光GL2は、角度変換部23での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。 First, as shown in FIGS. 2A and 2B, the image light GL2 guided at the reflection angle γ + having the largest total reflection angle among the image light is the light incident surface IS in the angle conversion unit 23. The light is incident on one or more reflection units 23c arranged in the peripheral portion 23h on the + Z side farthest from (see FIG. 1A). In the reflection unit 23c, the image light GL2 is first reflected by the first reflection surface 23a on the back side, that is, the + Z side, and then reflected by the second reflection surface 23b on the entrance side, that is, the −Z side. The image light GL2 that has passed through the reflection unit 23c is emitted from the light exit surface OS shown in FIG. 1A or the like without passing through the other reflection unit 23c. That is, the image light GL <b> 2 is bent to a desired angle by one pass through the angle conversion unit 23 and extracted to the viewer side.

また、図2(A)及び2(C)に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γで導かれた画像光GL3は、角度変換部23のうち光入射面IS(図1(A)参照)に最も近い−Z側の周辺部23mに1つ以上配置された反射ユニット23cに入射する。当該反射ユニット23cにおいて、画像光GL3は、画像光GL2の場合と同様に、最初に奥側即ち+Z側の第1の反射面23aで反射され、次に、入口側即ち−Z側の第2の反射面23bで反射される。当該反射ユニット23cを経た画像光GL3は、他の反射ユニット23cを経ることなく、角度変換部23での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。 Also, as shown in FIGS. 2A and 2C, the image light GL3 guided at the reflection angle γ having the smallest total reflection angle is included in the light incident surface IS (see FIG. The light is incident on one or more reflecting units 23c arranged in the peripheral portion 23m on the -Z side closest to (see A). In the reflection unit 23c, as in the case of the image light GL2, the image light GL3 is first reflected by the first reflection surface 23a on the back side, that is, the + Z side, and then the second light on the entrance side, that is, the −Z side. Is reflected by the reflecting surface 23b. The image light GL3 that has passed through the reflection unit 23c is bent to a desired angle by one pass through the angle conversion unit 23 without passing through the other reflection unit 23c, and is taken out to the viewer side.

ここで、上記のような第1及び第2の反射面23a,23bでの2段階での反射の場合、図2に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ=2(R−α)(R:直角)となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部23に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ,γ,γ等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部23のうち+Z側の周辺部23h側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部23のうち−Z側の周辺部23m側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼EYに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光板20は、画像光を角度変換部23において複数回通過させず、1回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。 Here, in the case of the two-stage reflection on the first and second reflecting surfaces 23a and 23b as described above, as shown in FIG. 2, the direction when each image light is incident and the direction when it is emitted The bending angle ψ which is an angle formed is ψ = 2 (R−α) (R: right angle). That is, the bending angle ψ is constant regardless of the incident angle with respect to the angle conversion unit 23, that is, the values of the reflection angles γ 0 , γ + , γ − and the like that are the total reflection angles of the respective image lights. Accordingly, as described above, a component having a relatively large total reflection angle in the image light is made incident on the + Z side peripheral portion 23h side of the angle conversion unit 23, and a component having a relatively small total reflection angle is incident on the angle conversion unit. Even when the light beam is incident on the peripheral portion 23m side on the −Z side of the image 23, the image light can be efficiently extracted in an angle state so as to collect the image light as a whole on the eye EY of the observer. Since the configuration is such that the image light is extracted with such an angle relationship, the light guide plate 20 can pass the image light only once without passing through the angle conversion unit 23 a plurality of times, and the image light can be passed through the virtual image with little loss. It can be extracted as light.

また、導光部22の形状や屈折率、角度変換部23を構成する反射ユニット23cの形状等の光学的な設計において、画像光GL2,GL3等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面OSから射出される画像光を、基本の画像光GL1即ち光軸AXを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼EYに入射させることができる。ここでは、一端の画像光GL2のX方向又は光軸AXに対する角度θと、他端の画像光GL3のX方向又は光軸AXに対する角度θとは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。つまり、画像光は、光軸AXを中心にして対称性のある状態で眼EYに対して射出されている。ここで、上記のように、角度変換部23における折り曲げ角ψの角度は、全ての画像光について等しい。このため、角度変換部23は、画像光GL2の角度θと画像光GL3のθとを合わせた角度の大きさ即ち眼EYに入る画像光の横画角の大きさに影響を与えず、最大反射角γと最小反射角γとの差即ち図1(A)の画像形成装置10側で光学的設計上定められる画像光の横画角が、そのまま光射出面OSから射出される角度θと角度θとによる画像光の横画角として反映されるものとなる。 In addition, in the optical design such as the shape and refractive index of the light guide 22 and the shape of the reflection unit 23c constituting the angle conversion unit 23, by appropriately adjusting the angle etc. through which the image light GL2, GL3, etc. are guided, The image light emitted from the light exit surface OS can be incident on the observer's eye EY as virtual image light with the overall symmetry maintained around the basic image light GL1, that is, the optical axis AX. Here, a angle theta 2 with respect to the X direction or the optical axis AX of the image light GL2 at one end, the angle theta 3 with respect to the X direction or the optical axis AX of the image light GL3 at the other end, a substantially equal opposite magnitude It shall be. That is, the image light is emitted to the eye EY in a symmetric state about the optical axis AX. Here, as described above, the angle of the bending angle ψ in the angle conversion unit 23 is the same for all image lights. Therefore, the angle conversion unit 23, without affecting the magnitude of the lateral angle of the magnitude of the angle a combination of the angle theta 2 and theta 3 of the image light GL3 of the image light GL2 or image light entering the eye EY The difference between the maximum reflection angle γ + and the minimum reflection angle γ −, that is, the horizontal angle of view of the image light determined by the optical design on the image forming apparatus 10 side in FIG. the angle theta 2 and the angle theta 3 becomes to be reflected as the transverse angle of the image light by that.

なお、既に説明したように、一群の反射ユニット23cを構成する第1の反射面23a又は第2の反射面23bは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼EYに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。角度変換部23を構成する各反射ユニット23cの間隔であるピッチPTの具体的な数値範囲は、0.2mm以上、より好ましくは0.2mm〜1.3mmとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、角度変換部23において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット23cによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。   As already described, the first reflecting surface 23a or the second reflecting surface 23b constituting the group of reflecting units 23c have a constant pitch and are parallel to each other. Thereby, the image light which is the virtual image light incident on the eye EY of the observer can be made uniform, and the deterioration of the quality of the observed image can be suppressed. A specific numerical range of the pitch PT that is an interval between the reflection units 23c constituting the angle conversion unit 23 is 0.2 mm or more, and more preferably 0.2 mm to 1.3 mm. By being in this range, the image light to be taken out can be prevented from being affected by diffraction in the angle conversion unit 23, and the lattice fringes by the reflection unit 23c can be made inconspicuous for the observer.

〔D.角度変換部の光学的仕様〕
以下、図3(A)により、角度変換部23の光学的仕様、具体的には、反射ユニット23cの配列方向についての角度変換部23の具体的な反射ユニット23c全体の幅である変換部幅Lとこれに関連する数値との関係について、詳しく説明する。
[D. Optical specifications of angle conversion unit)
Hereinafter, referring to FIG. 3A, the optical specification of the angle conversion unit 23, specifically, the conversion unit width that is the specific width of the entire reflection unit 23c of the angle conversion unit 23 with respect to the arrangement direction of the reflection units 23c. The relationship between L and the numerical value related to this will be described in detail.

まず、既述のように、図1(A)等に示す最大反射角γと最小反射角γとの差が、画像形成装置10から射出される画像光のZ方向についての横画角(即ち、反射ユニット23cの配列方向であるZ方向に関する画角である横画角)に相当する。この結果として、画像光は、角度θと角度θとの和を最大角度として射出されるものとなっている。ここでは、角度θと角度θとの角度が等しく、光軸AXに対して対称性があるとすることで、角度θ及び角度θを、横画角の半分の値である横半画角となる。つまり、角度θ、角度θが横半画角θにそれぞれ相当し、θ=θ=θとなる。また、横画角は、2θとなる。この場合において、図3(A)に示すように、角度変換部23の裏面である反光射出面ASから観察者の眼EYのうち導光板20に最も近い点である頂点PKまでのX方向についての距離を距離Sとすると、角度変換部23の変換部幅Lを定めるにあたって、まず、横半画角θの画像を確保するために距離Sとの関係で必須の基本横幅である基準横幅Lは、

Figure 2012068440
で表される。ここで、観察者の眼EYの瞳PUの大きさ即ち虹彩の大きさは、Z方向についてある程度の幅を有する。ここでは、人種等による違いを考慮して、瞳PUのZ方向の大きさについては、最大の幅Amaxをとるものとする。また、眼EYは、矢印ARに示すように動く結果、最大限で図3(B)や図3(C)に示す状態となり得る。従って、角度変換部23が実際に有する変換部幅Lは、上記基準横幅Lに対して、幅Amaxと、瞳PUの動く量即ち眼EYの動き量の最大値Bm,Bhの合計である幅Bmaxとを加算したものとする。つまり、これらの幅Amax,Bmaxによる影響分だけ加味するように必須の幅である基準横幅Lを増加させた値を角度変換部23の具体的な変換部幅Lとする。従って、変換部幅Lは、
Figure 2012068440
で表される。この場合、角度変換部23は、幅Lについて、基準横幅Lを確保することで、画像を確実に取り込むのに最低限必要な幅を有する状態即ちZ方向について光軸AXに垂直な方向から観た画像に実質的な画像欠けのない状態にできる。さらに、瞳PUの大きさや動きについて最大値である幅Amax,Bmaxを加算することで、眼EYのサイズ等に個人差があっても実質的な画像欠けや減光を生じさせないものにできる。一方、幅Lに余剰な長さを持たせず必要最小限とすることで、角度変換部23において意図しない画像光の角度変換を回避し明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことができるものとなっている。なお、この場合、画像光の有効成分が角度変換部23において1回だけ反射するという条件も確保している。 First, as described above, the difference between the maximum reflection angle γ + and the minimum reflection angle γ shown in FIG. 1A or the like is the horizontal field angle of the image light emitted from the image forming apparatus 10 in the Z direction. (That is, a horizontal field angle that is an angle of view with respect to the Z direction that is the arrangement direction of the reflection units 23c). As a result, the image light is emitted with the sum of the angle θ 2 and the angle θ 3 as the maximum angle. Here, by assuming that the angle θ 2 and the angle θ 3 are equal and symmetrical with respect to the optical axis AX, the angle θ 2 and the angle θ 3 are set to horizontal values that are half the horizontal angle of view. Half angle of view. That is, the angle θ 2 and the angle θ 3 correspond to the horizontal half angle of view θ, and θ 2 = θ 3 = θ. The horizontal field angle is 2θ. In this case, as shown in FIG. 3A, the X direction from the reflected light exit surface AS, which is the back surface of the angle conversion unit 23, to the vertex PK, which is the point closest to the light guide plate 20 among the eyes EY of the observer. When the distance S is defined as the distance S, the reference width L, which is an essential basic width in relation to the distance S in order to secure an image having the horizontal half angle of view θ, is first determined in determining the conversion width L of the angle conversion section 23. 0 is
Figure 2012068440
It is represented by Here, the size of the pupil PU of the observer's eye EY, that is, the size of the iris, has a certain width in the Z direction. Here, in consideration of the difference due to race or the like, the maximum width A max is assumed for the size of the pupil PU in the Z direction. Further, as a result of the movement of the eye EY as indicated by the arrow AR, the state shown in FIG. 3B or FIG. Accordingly, the conversion unit width L actually included in the angle conversion unit 23 is the sum of the width A max and the maximum amount Bm, Bh of the movement amount of the pupil PU, that is, the movement amount of the eye EY, with respect to the reference lateral width L 0 . It is assumed that a certain width B max is added. That is, a value obtained by increasing the reference width L 0 which is an essential width so as to take into account the influences of these widths A max and B max is set as a specific conversion portion width L of the angle conversion portion 23. Therefore, the conversion part width L is
Figure 2012068440
It is represented by In this case, the angle conversion unit 23 secures the reference lateral width L 0 for the width L, so that the angle conversion unit 23 has a minimum necessary width for reliably capturing an image, that is, from the direction perpendicular to the optical axis AX in the Z direction. The viewed image can be made substantially free of image defects. Further, by adding the maximum widths A max and B max for the size and movement of the pupil PU, even if there are individual differences in the size of the eye EY, etc., no substantial image loss or dimming occurs. it can. On the other hand, the width L does not have an excessive length and is minimized so that the angle conversion unit 23 avoids unintended angle conversion of image light and prevents image deterioration due to occurrence of uneven brightness. It is possible. In this case, the condition that the effective component of the image light is reflected only once by the angle conversion unit 23 is also secured.

なお、上記(2)式では、瞳PUの大きさ及び眼EYの動き量の最大値に基づいて幅Lを規定しているが、角度変換部23において画像を取り込むのに実質的な画像欠けを生じることのないように十分な幅を確保できれば、変換部幅Lの値は、(2)式の右辺の値以下であってもよい。例えば、最大である幅Amaxに代えて瞳PUの大きさを例えば一般成人の標準的な虹彩の大きさ(標準値)とすることも可能である。 In the above equation (2), the width L is defined on the basis of the size of the pupil PU and the maximum value of the movement amount of the eye EY. If a sufficient width can be ensured so as not to occur, the value of the converter width L may be equal to or less than the value on the right side of the equation (2). For example, instead of the maximum width Amax , the size of the pupil PU can be set to, for example, the standard iris size (standard value) of a general adult.

また、変換部幅Lに許容される範囲については、例えばZ方向についての瞳PUの大きさの標準値を幅Aとし、これを基準横幅Lに加え、1以上2以下の値を取る係数kを掛け合わせた値を用いて規定することが考えられる。具体的には、幅Lが、幅A、基準横幅L及び係数kにより、

Figure 2012068440
で表される。この場合、係数kを1以上2以下の範囲で適宜定めることにより、例えば図中点線で示す眼EYの動き量即ち瞳PUが動く量を加味して幅Lを規定することができ、観察者の眼EYの瞳PUが動く場合にも実質的な画像欠けを生じさせることなく画像を問題なく視認できるようにできる。また、観察者の眼EYが特殊である場合にも対処することができる。さらに、虚像表示装置100の装着状態が多少ずれた場合にも対処することができる。なお、ここで、上式中辺又は右辺のカッコ内に示す値、つまり基準横幅Lに幅Aを加算した値を、基準横幅Lを修正した瞳影響分修正横幅とすると、幅Lは、観察者の瞳PUの大きさ及び眼EYの動きのうち少なくとも瞳PUの大きさの影響分だけ増加させた瞳影響分修正横幅の2倍以下の範囲にあることになる。なお、より確実にマージンを確保する観点からは、眼EYの標準的な動き量をBとして、
Figure 2012068440
とすることが望ましい。 For the range allowed for the conversion unit width L, for example, the standard value of the size of the pupil PU in the Z direction is set as the width A, and this is added to the reference lateral width L 0 to take a value of 1 or more and 2 or less. It may be specified using a value obtained by multiplying k. Specifically, the width L is determined by the width A, the reference lateral width L 0 and the coefficient k.
Figure 2012068440
It is represented by In this case, by appropriately determining the coefficient k in the range of 1 or more and 2 or less, for example, the width L can be defined in consideration of the amount of movement of the eye EY, that is, the amount of movement of the pupil PU indicated by the dotted line in the figure. Even when the pupil PU of the eye EY moves, the image can be viewed without any problem without causing substantial image loss. In addition, it is possible to cope with the case where the observer's eye EY is special. Furthermore, it is possible to cope with a case where the mounting state of the virtual image display device 100 is slightly deviated. Here, values shown in the above equation edge or in parentheses on the right side, that is, the value obtained by adding the reference width L 0 in the width A, when a pupil effect partial modifications width that fix reference width L 0, the width L Thus, the pupil influence amount is increased by at least the effect of the size of the pupil PU among the size of the observer's pupil PU and the movement of the eye EY. In addition, from the viewpoint of securing a margin more reliably, the standard amount of movement of the eye EY is set as B,
Figure 2012068440
Is desirable.

ここで、上記(2)式の条件を満たす変換部幅Lは、上記(3)式の条件を満たすものと考えることができる。つまり、(3)式は、(2)式よりも条件の幅が広い。(2)式の右辺におけるAmaxは最大値であり、標準値である(3)式の右辺におけるAの値よりも大きいため、係数kが最小の1である場合、(3)式の右辺の値は(2)式の右辺の値より小さい。しかし、(3)式において、係数kを最大の2とすれば、(2)式のAmax+Bmaxの値を考慮しても、(3)式の右辺の値は(2)式の右辺の値以上となる。つまり、(3)式の右辺と(2)式の右辺とが等しくなるような係数kが1以上2以下の範囲で存在し、(2)式の条件は(3)式の条件に含まれると言える。また、k=1、A=0とすれば、(3)式は、(1)式の右辺も含んでいることになる。 Here, the conversion part width L that satisfies the condition of the above expression (2) can be considered to satisfy the condition of the above expression (3). That is, the range of the condition of the expression (3) is wider than that of the expression (2). Since A max on the right side of equation (2) is the maximum value and is larger than the value of A on the right side of equation (3), which is a standard value, when coefficient k is 1, which is the minimum, right side of equation (3) Is smaller than the value on the right side of equation (2). However, in equation (3), if the coefficient k is 2, which is the maximum, even if the value of A max + B max in equation (2) is considered, the value on the right side of equation (3) is the right side of equation (2). It becomes more than the value of. That is, the coefficient k in which the right side of the expression (3) is equal to the right side of the expression (2) exists in the range of 1 to 2, and the condition of the expression (2) is included in the condition of the expression (3). It can be said. If k = 1 and A = 0, the expression (3) includes the right side of the expression (1).

以上のように、本実施形態の場合、角度変換部23において、横画角や瞳の大きさ等を考慮して、反射ユニット23cの配列方向についての角度変換部23の幅Lに関して眼EYに画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部23における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができるものとなっている。   As described above, in the case of the present embodiment, the angle conversion unit 23 considers the horizontal angle of view, the size of the pupil, and the like, and the eye EY relates to the width L of the angle conversion unit 23 in the arrangement direction of the reflection units 23c. By providing the upper limit size while ensuring the necessary conditions for capturing images, it is possible to suppress excessive light loss of image light in the angle conversion unit 23 and prevent deterioration of the image due to occurrence of uneven brightness, etc. In this state, the image light can be taken out.

なお、瞳の大きさの最大値は7mm程度、眼の動き量の最大値は、4mm程度が想定される。この値を考慮して上記のように幅Amax,Bmax延いては幅Lを定めることで、観察者に個人差があっても実質的な画像欠けや減光が生じないようにできる。 It is assumed that the maximum pupil size is about 7 mm and the maximum eye movement amount is about 4 mm. Considering this value, the widths A max and B max and the width L are determined as described above, so that even if there are individual differences among observers, substantial image omission and dimming can be prevented.

また、上記において、横半画角θの値を、例えばθ=17.5°とする、つまり横画角を35°とすることで、例えば、虚像光である画像光によって仮想的に2.5m先に62インチの画像IMを形成するのに相当する画像を視認させることができる。この場合、角度変換部23の幅Lは、20mm程度となる。また、角度変換部23の幅Lを20mm以上とすることで、横半画角θ=17.5°以上の高画角な画像を形成することもできる。   In the above description, the horizontal half angle of view θ is set to θ = 17.5 °, for example, that is, the horizontal angle of view is set to 35 °. An image equivalent to forming a 62-inch image IM 5 m ahead can be viewed. In this case, the width L of the angle conversion unit 23 is about 20 mm. In addition, by setting the width L of the angle conversion unit 23 to 20 mm or more, it is possible to form a high angle of view image with a horizontal half angle of view θ = 17.5 ° or more.

また、上記実施形態について、別の観点として、角度変換部23の反射ユニット23cの配列方向についての幅のうち、導光板20内において光軸AXより光入射側即ち−Z側のみに着目して角度変換部23の光学的仕様を考えることもできる。つまり、図中角度変換部23のうち光軸AXより−Z側の幅Lmが満たすべき条件のみを考えてもよい。   Further, as another aspect of the above embodiment, focusing on only the light incident side, ie, the −Z side, from the optical axis AX within the light guide plate 20 in the width of the angle conversion unit 23 in the arrangement direction of the reflection units 23c. The optical specifications of the angle conversion unit 23 can also be considered. That is, only the condition that the width Lm on the −Z side from the optical axis AX should satisfy in the angle conversion unit 23 in the drawing.

以下、上記の場合について考察する。まず、上記のように光軸AXについての対称性がある場合、幅Lmは、全体の幅Lの最大幅の半分以下であればよい。つまり、例えば、上記のうち(2)式の右辺を参照して、

Figure 2012068440
の関係が満たされていればよいものとできる。この関係が満たされていれば、少なくとも導光板20の光入射側から導かれた画像光が角度変換部23のうち光入射側の部分即ち入口側の周辺部23m付近で不要な通過をすることを回避でき、画像光の過度の光量ロスを抑制できるので、明るさムラ等の発生を防止できる。 Hereinafter, the above case will be considered. First, when there is symmetry about the optical axis AX as described above, the width Lm may be less than or equal to half the maximum width of the entire width L. That is, for example, referring to the right side of equation (2) above,
Figure 2012068440
As long as the relationship is satisfied, it can be done. If this relationship is satisfied, at least the image light guided from the light incident side of the light guide plate 20 may pass unnecessarily in the light incident side portion of the angle conversion unit 23, that is, in the vicinity of the peripheral portion 23m on the entrance side. Can be avoided and excessive light loss of image light can be suppressed, so that occurrence of uneven brightness can be prevented.

また、上記のような各条件を満たしながら、角度変換部23をより長いもの即ちより横幅の広いものとする場合、角度変換部23の反光入射側即ち+Z側に延長することができる。なお、このような場合であっても、角度変換部23において画像光を1回だけの反射に留めることを確保する等の構造上必要な他の要件を満たす範囲での延長であることが要される。   Further, when the angle conversion unit 23 is made longer, that is, wider in width while satisfying the above-described conditions, the angle conversion unit 23 can be extended to the light incident side, that is, the + Z side. Even in such a case, it is necessary to extend the angle conversion unit 23 within a range that satisfies other structural requirements such as ensuring that the image light is only reflected once. Is done.

また、上記の幅Lmについて、瞳PUの大きさや眼EYの動き量については、十分なマージンを取る必要がある場合、全体の幅Lに対して半分とせず、最大値をそのまま採用してもよい。つまり、上記(4)式の右辺についての瞳PUの大きさや眼EYの動き量に関する値を取り替えて、幅Lmの条件を

Figure 2012068440
としてもよい。 In addition, with respect to the width Lm described above, the pupil PU size and the amount of movement of the eye EY may not be halved with respect to the entire width L, and the maximum value may be adopted as it is when a sufficient margin is required. Good. That is, by replacing the values related to the size of the pupil PU and the amount of movement of the eye EY for the right side of the above equation (4), the condition of the width Lm is changed.
Figure 2012068440
It is good.

〔第2実施形態〕
以下、図4(A)等により、第2実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態の虚像表示装置100の変形例であり、角度変換部123及びその周辺についてのみ示し、他の構造については、説明及び図示を省略する。また、第1実施形態の虚像表示装置100と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the virtual image display apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The virtual image display device according to the present embodiment is a modification of the virtual image display device 100 according to the first embodiment, and only the angle conversion unit 123 and its periphery are shown, and description and illustration of other structures are omitted. . Further, the same reference numerals as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment have the same functions unless otherwise described.

以下、本実施形態に係る虚像表示装置200を構成する角度変換部123の詳しい構造について説明する。図4(A)等に示すように、角度変換部123は、多数の画像光反射面123aで構成され、各画像光反射面123aは、画像光反射面123aの配列されるZ方向に対して垂直に延びる方向即ちY方向に延びている。多数の画像光反射面123aは、互いに平行であり、第1の全反射面22aに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、各画像光反射面123a間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部123bによって繋がれている。結果的に、画像光反射面123aは、Z方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。   Hereinafter, the detailed structure of the angle conversion part 123 which comprises the virtual image display apparatus 200 which concerns on this embodiment is demonstrated. As shown in FIG. 4A and the like, the angle conversion unit 123 includes a large number of image light reflection surfaces 123a, and each image light reflection surface 123a is in the Z direction in which the image light reflection surfaces 123a are arranged. It extends in the direction extending vertically, that is, in the Y direction. The multiple image light reflecting surfaces 123a are parallel to each other, have the same angle with respect to the first total reflecting surface 22a, respectively, and partially reflect the light components of the image light and reflect the rest. It has become. The image light reflecting surfaces 123a are connected by a boundary portion 123b that does not have a function as a reflecting surface or the like for extracting image light. As a result, the image light reflecting surfaces 123a are arranged periodically and repeatedly along the Z direction and extend in parallel with each other.

以下、図4(A)及び4(B)により、画像光の各成分のうち、角度変換部123の両端側に入射する画像光GLa及び画像光GLbについて説明する。なお、他の光路の成分については、これらと同様であるので図示等を省略する。前提として、画像光GLa,GLbを含む画像光は、図1(A)、1(B)等に示す導光板20に光入射面ISから入射し、入射光折曲部21で反射され、全体として、導光部22において+X方向に偏った+Z方向に進み、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射を繰り返して導光されて、角度変換部123に到る。まず、図4(A)に示すように、最小反射角γで導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射される画像光GLaは、角度変換部123をN回(Nは1より大きい自然数)通過した後、観察者の眼EYに入射できる位置である角度変換部123のうち奥側(+Z側)の周辺部23hに達し、周辺部23hでの反射により、眼EYの中心軸AXに対して角度θで光射出面OSから眼EYに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、+Z軸に対して鈍角となる。 Hereinafter, the image light GLa and the image light GLb that enter the both ends of the angle conversion unit 123 among the components of the image light will be described with reference to FIGS. 4 (A) and 4 (B). The other optical path components are the same as those described above, and are not shown. As a premise, the image light including the image lights GLa and GLb is incident on the light guide plate 20 shown in FIGS. 1A and 1B from the light incident surface IS, reflected by the incident light bending portion 21, and entirely. As described above, the light guide unit 22 travels in the + Z direction biased in the + X direction, and is repeatedly guided by the first and second total reflection surfaces 22a and 22b of the light guide unit 22 to be transmitted to the angle conversion unit 123. It arrives. First, as shown in FIG. 4A, the image light GLa totally reflected by the first and second total reflection surfaces 22a and 22b of the light guide section 22 at the minimum reflection angle γ After passing N times (N is a natural number greater than 1), it reaches the peripheral part 23h on the back side (+ Z side) of the angle conversion part 123, which is a position where it can enter the eye EY of the observer, and is reflected at the peripheral part 23h. Accordingly, it emitted as a parallel light beam toward the eye EY from the light exit surface OS at an angle theta 2 with respect to the central axis AX of the eye EY. The emission angle at this time is an obtuse angle with respect to the + Z axis.

一方、図4(B)に示すように、最大反射角γで導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射される画像光GLbは、観察者の眼EYに入射できる位置である角度変換部123のうち入口側(−Z側)の周辺部23mに達し、周辺部23mでの反射により、眼EYの中心軸AXに対して角度θで光射出面OSから眼EYに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、+Z軸に対して鋭角となる。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, the image light GLb totally reflected by the first and second total reflection surfaces 22a and 22b of the light guide unit 22 at the maximum reflection angle γ + is the eye EY of the observer. reaches the peripheral portion 23m of the inlet side of the angle conversion unit 123 is a position that can be incident (-Z side) by reflection at the peripheral portion 23m, the light exit plane at an angle theta 3 with respect to the central axis AX of the eye EY It is emitted as a parallel light beam from the OS toward the eye EY. The emission angle at this time is an acute angle with respect to the + Z axis.

ここで、画像光GL2の角度θと画像光GL3のθとを合わせた角度の大きさ即ち眼EYに入る画像光の角度の大きさについては、最大反射角γと最小反射角γとの差に相当するものとなる。また、ここでは、角度θと角度θとの角度が等しく、光軸AXに対して対称性があり、角度θ、角度θがそれぞれ横半画角に相当するものとする。 Here, with respect to the magnitude of the angle θ 2 of the image light GL 2 and the angle θ 3 of the image light GL 3 , that is, the angle of the image light entering the eye EY, the maximum reflection angle γ + and the minimum reflection angle γ - the equivalent to the difference between. Here, it is assumed that the angle θ 2 and the angle θ 3 are equal and symmetrical with respect to the optical axis AX, and the angles θ 2 and θ 3 correspond to the horizontal half angle of view.

ここで、本実施形態においても、第1実施形態の場合と同様に、角度変換部123が横幅つまり画像光反射面123aの配列方向であるZ方向に関しての変換部幅Lについて一定の条件を満たすものとなっている。例えば、幅Lは、横半画角θを確保するために距離Sとの関係で必須の幅である基準横幅Lと、瞳PUのZ方向についての大きさの最大値である幅Amaxと、眼EYの動き量の合計を幅Bmaxとの関係において、上記(2)式や(3)式、あるいは(3)'式の

Figure 2012068440
Figure 2012068440
Figure 2012068440
を満たしている。または、角度変換部123のうち光軸AXから光入射側についての幅Lmが、例えば上記(4)式や(5)式の
Figure 2012068440
Figure 2012068440
を満たしている。これにより、画像を取り込むのに十分な幅を有して実質的な画像欠けや減光を抑制することが可能となる。また、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことも可能となる。 Here, also in the present embodiment, as in the case of the first embodiment, the angle conversion unit 123 satisfies a certain condition for the horizontal width, that is, the conversion unit width L with respect to the Z direction that is the arrangement direction of the image light reflection surfaces 123a. It has become a thing. For example, the width L is a reference width L 0 that is an essential width in relation to the distance S in order to secure the horizontal half angle of view θ, and a width A max that is the maximum value of the size of the pupil PU in the Z direction. And the total amount of movement of the eye EY in relation to the width Bmax , the above formulas (2), (3), or (3) ′
Figure 2012068440
Figure 2012068440
Figure 2012068440
Meet. Alternatively, the width Lm from the optical axis AX to the light incident side of the angle conversion unit 123 is, for example, the expression (4) or (5)
Figure 2012068440
Figure 2012068440
Meet. As a result, it is possible to suppress substantial image loss and dimming with a sufficient width for capturing an image. It is also possible to prevent image deterioration due to occurrence of brightness unevenness or the like.

また、本実施形態の場合、画像光GLaは、角度変換部123を複数回透過した後の残りの成分のうち周辺部23hにおいて反射された成分が光射出面OSから射出される。これに対して、画像光GLbは、角度変換部123を複数回透過することなく、角度変換部123の周辺部23mにおいて反射された成分が光射出面OSから射出される。従って、角度変換部123において光の反射・透過量の精密な調整等を行うことで、映し出される虚像光が、入口側(−Z側)から奥側(+Z側)に向かって通過回数に応じて相対的に暗くなっていくことや明るさムラを生じることを抑制する必要があり、角度変換部123の光入射側即ち入口側(−Z側)の周辺部23mにおいて、画像光の通過回数を規定以上に増加させないことが特に重要となる。このため、角度変換部123について、その周辺部23m側の端であるエッジEGの位置を、画像光GLa,GLb等の設計に応じてずれることなく設定し、意図しない画像光の通過を生じさせないようにしている。もしも、図4(A)、4(B)中において点線で示すように、エッジEGの位置が本来あるべき位置よりも−Z側にずれて余剰の角度変換部分EPが意図しない位置に存在した状態となっていると仮定すると、その余剰の角度変換部分EPを画像光GLa,GLbが通過して、意図しない光量ロスを生じて明るさムラ等を発生させる可能性がある。   In the case of the present embodiment, among the remaining components after the image light GLa has been transmitted through the angle conversion unit 123 a plurality of times, the component reflected by the peripheral portion 23h is emitted from the light emission surface OS. On the other hand, in the image light GLb, the component reflected by the peripheral portion 23m of the angle conversion unit 123 is emitted from the light emission surface OS without passing through the angle conversion unit 123 a plurality of times. Therefore, by performing precise adjustment of the amount of reflected / transmitted light in the angle conversion unit 123, the projected virtual image light corresponds to the number of passes from the entrance side (−Z side) toward the back side (+ Z side). Therefore, the number of times image light passes through the peripheral portion 23m on the light incident side, that is, the entrance side (−Z side) of the angle conversion unit 123 must be suppressed. It is particularly important not to increase the value more than specified. Therefore, the position of the edge EG that is the end on the peripheral portion 23m side of the angle conversion unit 123 is set without being shifted according to the design of the image light GLa, GLb, etc., and unintentional image light does not pass through. I am doing so. 4A and 4B, the position of the edge EG is shifted to the −Z side from the position where it should be, and the excessive angle conversion portion EP exists at an unintended position. Assuming that it is in a state, there is a possibility that the image light GLa and GLb pass through the excessive angle conversion part EP, causing an unintended light amount loss and causing uneven brightness.

本実施形態の場合、以上のような角度変換部123の横幅についての条件を満たすことや、角度変換部123のエッジEGの位置が調整されることにより、画像光の通過回数を増加させないようにすることができ、画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。なお、本実施形態においても、角度変換部123をより長いもの即ちより横幅の広いものとする場合、角度変換部123の反光入射側即ち+Z側に延長することができる。また、本実施形態の場合、第1実施形態と異なり、各画像光が角度変換部23において1回だけ反射する、といった条件は課されないが、一般に反光入射側ほど光量ロスが多くなり、暗くなりやすいため、画像として許容される範囲の光量を有する限りにおいて反光入射側への延長ができる。   In the case of the present embodiment, the number of times the image light passes is not increased by satisfying the above-described conditions regarding the lateral width of the angle conversion unit 123 and adjusting the position of the edge EG of the angle conversion unit 123. It is possible to suppress an excessive light amount loss of image light, prevent deterioration of the image due to occurrence of brightness unevenness and the like, and extract image light in a good state. Also in the present embodiment, when the angle conversion unit 123 is longer, that is, wider in width, the angle conversion unit 123 can be extended to the light incident side, that is, the + Z side. In the case of this embodiment, unlike the first embodiment, the condition that each image light is reflected only once by the angle conversion unit 23 is not imposed, but in general, the amount of light loss increases toward the anti-light incident side and becomes darker. Since it is easy, it can be extended to the reflected light incident side as long as it has a light quantity within the range allowed for the image.

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
[Others]
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Such modifications are also possible.

また、角度変換部23を構成する反射ユニット23cの配列のピッチPTについては、各第1の反射面23a間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチPTにある程度の差異がある場合も含むものとする。   In addition, the pitch PT of the arrangement of the reflection units 23c constituting the angle conversion unit 23 is not limited to the case where all the first reflection surfaces 23a are the same, and there is a certain difference in the pitch PT. Shall also be included.

上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス11を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス11に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。   In the above description, the transmissive liquid crystal device 11 is used as the image display element. However, the image display element is not limited to the transmissive liquid crystal device, and various devices can be used. For example, a configuration using a reflective liquid crystal panel is possible, and a digital micromirror device or the like can be used instead of the liquid crystal device 11. Moreover, the structure using the self-light-emitting element represented by LED array, OLED (organic EL), etc. is also possible. Furthermore, a configuration using a laser scanner in which a laser light source and a polygon mirror or other scanner are combined is possible.

上記の説明では、虚像表示装置100は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置10及び導光板20設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置10と導光板20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。   In the above description, the virtual image display device 100 is configured to provide the image forming device 10 and the light guide plate 20 one by one corresponding to both the right eye and the left eye, but either the right eye or the left eye. Only the image forming apparatus 10 and the light guide plate 20 may be provided so that the image is viewed with one eye.

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、角度変換部23は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第1及び第2の反射面23a,23b双方の光反射率を略100%することが可能である。   In the above description, a see-through type virtual image display device is described, but the angle conversion unit 23 can also be applied to a virtual image display device other than the see-through type. When it is not necessary to observe an external image, the light reflectance of both the first and second reflecting surfaces 23a and 23b can be made approximately 100%.

上記の説明では、光入射面ISと光射出面OSとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ISを第1の全反射面22aと同一の平面上に配置し、光射出面OSを第2の全反射面22bと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。   In the above description, the light incident surface IS and the light exit surface OS are arranged on the same plane. However, the present invention is not limited to this. For example, the light incident surface IS is the same plane as the first total reflection surface 22a. The light emission surface OS may be disposed on the same plane as the second total reflection surface 22b.

上記の説明では、入射光折曲部21を構成するミラー層21aや斜面RSの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層21a等を光軸OAに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。   In the above description, the mirror layer 21a constituting the incident light bending portion 21 and the inclination angle of the slope RS are not particularly mentioned, but the present invention is not limited to other specifications of the application of the mirror layer 21a and the like with respect to the optical axis OA. Various values can be used depending on the value.

上記の説明では、反射ユニット23cによるV字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、V字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にR(丸み)を付けているものであってもよい。   In the above description, the V-shaped groove formed by the reflection unit 23c is illustrated with the tip sharpened. However, the shape of the V-shaped groove is not limited to this, and the tip is cut flat. It may be one that has an R (roundness) at the tip.

上記の説明では、虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。   In the above description, the virtual image display device 100 has been specifically described as being a head-mounted display, but the virtual image display device 100 can be modified to a head-up display.

上記の説明では、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第1及び第2の全反射面22a,22b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、全反射面22a,22bの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面22a,22bの全体又は一部がコートされていてもよい。   In the above description, in the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, image light is totally reflected and guided by the interface with air without applying a mirror, a half mirror, or the like on the surface. The total reflection in the present invention includes reflection formed by forming a mirror coat or a half mirror film on the whole or a part of the first and second total reflection surfaces 22a and 22b. For example, the case where the incident angle of the image light satisfies the total reflection condition and the whole or a part of the total reflection surfaces 22a and 22b is subjected to mirror coating or the like to reflect substantially all the image light is included. . Moreover, as long as image light with sufficient brightness can be obtained, the whole or a part of the total reflection surfaces 22a and 22b may be coated with a somewhat transmissive mirror.

10…画像形成装置、 11…液晶デバイス、 20,120…導光板、 20a…導光板本体部、 21…入射光折曲部、 22…導光部、 22a,22b…全反射面、 23,123…角度変換部、 23a,23b…反射面、 23c…反射ユニット、 100…虚像表示装置、 IS…光入射面(光入射部)、 OS…光射出面(光射出部)、 EY…眼、 PU…瞳、 PT…ピッチ、 RS…斜面、 GL1,GL2,GL3…画像光、 S…距離、 θ…横半画角、 2θ…横画角、 α…角度、 AX…光軸(光束光軸)、 L…変換部幅、 A,B,Amax,Bmax…幅(瞳の大きさ、瞳の動き量)、 L…基準横幅、 Lm…幅(光路変換部の光軸AXから光入射側の幅)、 k…係数、 n…屈折率 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image forming apparatus 11 ... Liquid crystal device 20, 120 ... Light guide plate, 20a ... Light guide plate main-body part, 21 ... Incident light bending part, 22 ... Light guide part, 22a, 22b ... Total reflection surface, 23,123 ... Angle converter, 23a, 23b ... Reflecting surface, 23c ... Reflecting unit, 100 ... Virtual image display device, IS ... Light entrance surface (light entrance portion), OS ... Light exit surface (light exit portion), EY ... Eye, PU ... pupil, PT ... pitch, RS ... slope, GL1, GL2, GL3 ... image light, S ... distance, θ ... horizontal half angle of view, 2θ ... horizontal angle of view, α ... angle, AX ... optical axis (light beam optical axis) , L: conversion section width, A, B, A max , B max ... width (pupil size, pupil movement amount), L 0 ... reference lateral width, Lm ... width (light incident from optical axis AX of optical path conversion section) Side width), k ... coefficient, n ... refractive index

Claims (6)

画像光を形成する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第1及び第2の全反射面での全反射により導く導光部と、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板と、
を備える虚像表示装置であって、
前記角度変換部は、前記複数の反射面の前記所定の配列方向に関して、設定された横画角に対応する基本横幅を観察者の瞳の大きさ及び動きのうち少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させて得られる瞳影響分修正横幅の2倍以下の幅を有する、虚像表示装置。
An image forming apparatus for forming image light;
A light incident part for taking in the image light formed by the image forming apparatus; and first and second total reflection surfaces extending opposite to each other; and the image light taken in from the light incident part. A light guide part guided by total reflection at the first and second total reflection surfaces; and a plurality of reflection surfaces arranged in a predetermined arrangement direction, and the image light incident through the light guide part is reflected by the plurality of reflections. A light guide plate having an angle conversion unit that converts an angle by reflection on a surface and can be extracted and a light emission unit that emits the image light that has passed through the angle conversion unit;
A virtual image display device comprising:
The angle conversion unit calculates a basic horizontal width corresponding to a set horizontal angle of view with respect to the predetermined arrangement direction of the plurality of reflecting surfaces, and determines an influence of at least the pupil size among the size and movement of the observer's pupil. A virtual image display device having a width equal to or less than twice the lateral width corrected for pupil influence obtained by increasing the amount of
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、1以上2以下の係数kとし、前記観察者の瞳の大きさの標準値をAとし、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離をSとし、前記横画角の半分の値である横半画角をθとして、
Figure 2012068440
の式で与えられる、請求項1に記載の虚像表示装置。
A width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction is a coefficient k of 1 or more and 2 or less, a standard value of the size of the pupil of the observer is A, and from the angle conversion unit to the eye of the observer And the horizontal half angle of view, which is half the horizontal angle of view, as θ,
Figure 2012068440
The virtual image display device according to claim 1, which is given by:
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離に前記横画角の半分の値である横半画角θのtanθを掛けて2倍した値に、前記観察者の瞳の大きさの最大値と前記観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の値である、請求項2に記載の虚像表示装置。   The width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction is 2 by multiplying the distance from the angle conversion unit to the eyes of the observer by tan θ of the horizontal half field angle θ that is a half value of the horizontal field angle. The virtual image display device according to claim 2, wherein the virtual image display device has a value equal to or less than a value obtained by adding a maximum value of a size of the observer's pupil and a maximum value of a movement amount of the eye of the observer to the multiplied value. 前記角度変換部は、前記複数の反射面として、第1の反射面部分と前記第1の反射面部分に対して所定角度をなす第2の反射面部分とを1組としてそれぞれ有する複数の反射ユニットを備え、各反射ユニットにおいて、前記第1の反射面部分により前記導光部を経て入射する前記画像光を反射するとともに前記第2の反射面部分により前記第1の反射面部分で反射された前記画像光をさらに反射して外部へ取り出す、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The angle conversion unit includes a plurality of reflections each having a first reflection surface portion and a second reflection surface portion forming a predetermined angle with respect to the first reflection surface portion as the plurality of reflection surfaces. Each of the reflection units reflects the image light incident through the light guide portion by the first reflection surface portion and is reflected by the first reflection surface portion by the second reflection surface portion. The virtual image display device according to any one of claims 1 to 3, wherein the image light is further reflected and extracted to the outside. 前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、前記横画角が35°以上である場合に、20mm以上である、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The virtual image according to any one of claims 1 to 4, wherein a width of the angle conversion unit in the predetermined arrangement direction is 20 mm or more when the horizontal angle of view is 35 ° or more. Display device. 画像光を形成する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第1及び第2の全反射面での全反射により導く導光部と、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板と、
を備える虚像表示装置であって、
前記角度変換部は、前記光射出部から射出され観察者の瞳に入射する前記画像光の光束光軸に対して前記導光板での光入射側において、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離と設定された横画角の半分の値である横半画角θのtanθとの積に、前記画像光を観察する観察者の瞳の大きさの最大値と前記観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の幅を有する、虚像表示装置。
An image forming apparatus for forming image light;
A light incident part for taking in the image light formed by the image forming apparatus; and first and second total reflection surfaces extending opposite to each other; and the image light taken in from the light incident part. A light guide part guided by total reflection at the first and second total reflection surfaces; and a plurality of reflection surfaces arranged in a predetermined arrangement direction, and the image light incident through the light guide part is reflected by the plurality of reflections. A light guide plate having an angle conversion unit that converts an angle by reflection on a surface and can be extracted and a light emission unit that emits the image light that has passed through the angle conversion unit;
A virtual image display device comprising:
The angle conversion unit is configured so that, on the light incident side of the light guide plate with respect to the light beam optical axis of the image light emitted from the light emitting unit and entering the observer's pupil, the angle conversion unit and the observer's eyes Is the product of the tan θ of the horizontal half angle of view θ, which is a half value of the set horizontal angle of view, and the maximum value of the pupil size of the observer observing the image light and the eyes of the observer A virtual image display device having a width equal to or less than a value obtained by adding the maximum value of the movement amount.
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