JP2015127828A - Virtual image display device - Google Patents

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将行 ▲高▼木
将行 ▲高▼木
Masayuki Takagi
敏明 宮尾
Toshiaki Miyao
敏明 宮尾
貴洋 戸谷
Takahiro Totani
貴洋 戸谷
小松 朗
Akira Komatsu
朗 小松
武田 高司
Takashi Takeda
高司 武田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a virtual image display device in which luminance spot is suppressed.SOLUTION: A filter 50 is arranged between a projection optical system 12 and a light guide device 20, and changes a spatial distribution of a transmitted light volume. Consequently, an image with suppressed luminance spot is displayed to an observer, even when the image as the virtual image formed by the projection optical system and a light guide device 20 has a comparatively large luminance spot. Thus, the virtual image displayed by a virtual image display device 100 is made high quality while enlarging the size of the displayed image.

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画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。   2. Description of the Related Art In recent years, various types of virtual image display devices capable of forming and observing virtual images such as a head-mounted display have been proposed that guide image light from a display element to an observer's pupil using a light guide plate.

このような虚像表示装置において、画像光と外界光とを重畳させるために、シースルー光学系の提案がなされている(特許文献1、2参照)。   In such a virtual image display device, a see-through optical system has been proposed to superimpose image light and external light (see Patent Documents 1 and 2).

しかし、特許文献1等に記載の装置では、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いる瞳分割方式によってシースルーを実現しているため、虚像の表示サイズを大きくすることが困難である。また、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いるため、人間の個々の眼幅に対応するために有効瞳径(虚像の取り込みを可能にする採光径であり、アイリング径とも呼ぶ)を大きくすることが困難である。また、物理的に瞳付近に導光光学系の射出開口や筐体が配置されるため、死角が生じてしまい完全なシースルーとはいえなくなる。   However, in the apparatus described in Patent Document 1 and the like, see-through is realized by a pupil division method using a light guide optical system smaller than the pupil size, so it is difficult to increase the display size of the virtual image. In addition, since a light guide optical system smaller than the pupil size is used, an effective pupil diameter (a light-collecting diameter that enables capturing of a virtual image, also referred to as an eye ring diameter) is increased in order to cope with human individual eye widths. Difficult to do. In addition, since the exit opening and the housing of the light guide optical system are physically disposed near the pupil, a blind spot is generated and it cannot be said that the see-through is complete.

なお、頭部装着ディスプレイ用の光学システムとして、導光角度の異なる複数の光モードを進行させることができる導光パイプを備えるものが存在する(特許文献3参照)。このような光学システムをおいて、射出側の第3光学面をハーフミラーとし第3光学面の透過光が直進するような工夫をすることで、シースルー型の表示装置にすることも考えられる。   There is an optical system for a head-mounted display that includes a light guide pipe that can advance a plurality of light modes having different light guide angles (see Patent Document 3). In such an optical system, it is conceivable to make a see-through display device by devising such that the third optical surface on the emission side is a half mirror and the transmitted light of the third optical surface goes straight.

しかし、特許文献3の光学システムでは、複数の光モードによる像が互いに位置ずれしていることを前提として、光モードごとに異なる入射角度に設定されたコリメート光で液晶パネルを照明する。そして、各光モードで表示内容を変更するとともに各光モードの表示をシーケンシャルに実行することで、各光モードの画像をつなぎ合わせて全体画像を得るようにしている。この場合、1つの液晶パネルによって、全体画像を構成する中央の画像と左右の画像とを時間差で変更しつつ表示しなければならず、虚像表示装置が複雑化し観察画像も暗くなる。   However, in the optical system of Patent Document 3, the liquid crystal panel is illuminated with collimated light set at different incident angles for each light mode on the premise that images in a plurality of light modes are displaced from each other. Then, the display contents are changed in each light mode and the display in each light mode is executed sequentially, so that images in the respective light modes are connected to obtain an entire image. In this case, the central image and the left and right images constituting the entire image must be displayed while being changed with a time difference by one liquid crystal panel, which complicates the virtual image display device and darkens the observation image.

以上とは別に、眼前を覆うような光射出部を有する導光部材によって外界光に重ねて虚像の観察を可能にする虚像表示装置であって、時間差で画像をつなぎ合わせる必要のないものも考えられるが、大きな画像を表示することは容易でなく、画像に輝度斑が生じやすい。   Apart from the above, a virtual image display device that enables observation of a virtual image superimposed on external light by a light guide member having a light emitting part that covers the front of the eye, which does not need to join images with a time difference However, it is not easy to display a large image, and luminance spots are easily generated in the image.

特開2006−3879号公報JP 2006-3879 A 特開2010−224473号公報JP 2010-224473 A 特開2008−535001号公報JP 2008-535001 A

本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、輝度斑を抑えた虚像表示装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems of the background art, and an object thereof is to provide a virtual image display device in which luminance spots are suppressed.

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、(a)画像光を形成する画像表示装置と、(b)画像表示装置から射出された画像光を入射させる投射光学系と、(c)導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にする導光装置とを備え、(d)前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第1反射面と第2反射面とを有し、(e)前記光入射部は、前記第1反射面に対して所定の角度をなす第3反射面を有し、(f)前記光射出部は、前記第1反射面に対して所定の角度をなす第4反射面を有し、(g)前記反射面を介して前記光射出部の前記第4反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材をさらに備え、(h)投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターとを備える。   In order to solve the above problems, a virtual image display device according to the present invention includes (a) an image display device that forms image light, (b) a projection optical system that makes the image light emitted from the image display device enter, c) a light guide unit, a light incident unit that causes the image light to enter the light guide unit, and a light emission unit that emits the image light guided by the light guide unit to the outside. And (d) the light guide unit includes a first reflection surface and a second reflection surface that are arranged in parallel to each other and enable light guide by total reflection. (E) The light incident part has a third reflection surface that forms a predetermined angle with respect to the first reflection surface, and (f) the light emission part has a predetermined value with respect to the first reflection surface. Having a fourth reflecting surface forming an angle, and (g) having a light transmitting surface bonded to the fourth reflecting surface of the light emitting part via the reflecting surface, A light transmitting member that constitutes a see-through unit by being combined with the light guiding device, and (h) a filter that is disposed between the projection optical system and the light guiding device and changes a spatial distribution of the passing light amount. Prepare.

上記虚像表示装置では、光入射部の第3反射面で反射された画像光が導光部の第1及び第2反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の第4反射面で反射されて虚像として観察者の眼に入射する。この場合、有効瞳径を大きくでき、表示される虚像を高品位で大きなサイズとすることができる。また、導光装置と光透過部材とを組み合わせることによって、透視部を介してシースルー観察が可能になり、外界像に虚像の画像を重ね合わせて観察することができる。さらに、上記虚像表示装置では、フィルターが投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。   In the virtual image display device, the image light reflected by the third reflecting surface of the light incident portion is propagated while being totally reflected by the first and second reflecting surfaces of the light guide portion, and is reflected by the fourth reflecting surface of the light emitting portion. And enters the observer's eyes as a virtual image. In this case, the effective pupil diameter can be increased, and the displayed virtual image can be made large in size with high quality. Further, by combining the light guide device and the light transmitting member, see-through observation is possible through the fluoroscopic part, and a virtual image can be superimposed on the external image and observed. Furthermore, in the virtual image display device, the filter is disposed between the projection optical system and the light guide device, and changes the spatial distribution of the amount of light passing through, so as a virtual image formed by the projection optical system and the light guide device. Even if the image has a relatively large luminance spot, an image in which the luminance spot is suppressed can be displayed to the observer.

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、フィルターが、吸収によって減光を行うNDフィルターである。この場合、吸収率のパターンによって直接的に輝度斑を補償することができる。   In a specific aspect of the present invention, in the virtual image display device, the filter is an ND filter that attenuates light by absorption. In this case, luminance spots can be directly compensated by the absorption rate pattern.

本発明の別の側面では、フィルターが、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである。この場合、反射率のパターンによって輝度斑を補償することができる。   In another aspect of the present invention, the filter is a filter in which a metal reflective film is formed on a light-transmitting substrate. In this case, the luminance unevenness can be compensated by the reflectance pattern.

本発明のさらに別の側面では、フィルターが、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。この場合、吸収膜自体の吸収率や反射膜自体の反射率の調整が不要となり、透過部と遮光部とを組み合わせた各領域における透過率の調整が簡易で精密なものとなる。   In still another aspect of the present invention, the filter is a micro-pattern type filter in which a transmission part and a light-shielding part are formed in a predetermined pattern. In this case, adjustment of the absorption rate of the absorption film itself and the reflection rate of the reflection film itself becomes unnecessary, and the adjustment of the transmittance in each region where the transmission part and the light shielding part are combined becomes simple and precise.

本発明のさらに別の側面では、所定パターンを形成するフィルターの透過部が、それぞれ0.2mm以上のサイズを有する。この場合、微小パターン型のフィルターによる回折を抑制できる。   In still another aspect of the present invention, the transmission parts of the filter forming the predetermined pattern each have a size of 0.2 mm or more. In this case, diffraction by the fine pattern type filter can be suppressed.

本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系と光入射部の光入射面との間に設けられている。この場合、空間の確保が容易でフィルターの保護も容易である。   In still another aspect of the present invention, the filter is provided between the projection optical system and the light incident surface of the light incident portion. In this case, it is easy to secure space and protect the filter.

本発明のさらに別の側面では、導光装置が、導光部と光入射部と光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、フィルターが、導光装置の光入射面に導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して光入射面に接着されている。この場合、フィルターの固定が容易であり、導光部での全反射の確保が容易である。   In still another aspect of the present invention, the light guide device is a block-shaped member in which the light guide unit, the light incident unit, and the light emitting unit are integrated, and the filter guides the light incident surface of the light guide device. It is adhered to the light incident surface through a light transmission layer having a refractive index lower than that of the device by a predetermined value or more. In this case, it is easy to fix the filter, and it is easy to ensure total reflection at the light guide section.

本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている。   In still another aspect of the present invention, the filter is formed on the surface of a lens constituting the projection optical system.

本発明のさらに別の側面では、フィルターが、光射出部の光射出面上に配置されている。この場合、透過光量の分布に直接的に対応するパターンによって輝度斑を補償することができる。   In still another aspect of the present invention, the filter is disposed on the light exit surface of the light exit section. In this case, luminance unevenness can be compensated by a pattern that directly corresponds to the distribution of transmitted light amount.

本発明のさらに別の側面では、フィルターが、第2反射面と第3反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている。この場合、第2反射面又は第3反射面での反射に際して透過率又は反射率の分布が調整され、輝度斑を補償することができる。   In still another aspect of the present invention, a filter is provided along with at least one of the second reflecting surface and the third reflecting surface. In this case, at the time of reflection on the second reflection surface or the third reflection surface, the transmittance or the distribution of the reflectance is adjusted, and the luminance unevenness can be compensated.

本発明のさらに別の側面では、フィルターが、位置によって異なる透過率分布を有している。この場合、光路差の補償も可能になる。   In yet another aspect of the present invention, the filter has a transmittance distribution that varies depending on the position. In this case, compensation for the optical path difference is also possible.

本発明のさらに別の側面では、画像表示装置における第1部分領域から射出される第1画像光の導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して第1部分領域とは異なる第2部分領域から射出される第2画像光の導光部における反射回数とは、互いに異なる。この場合、反射回数の異なる画像光を利用することで、光射出部から射出される画像光の射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置における異なる表示領域からの画像光を比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように反射回数が異なる画像光を取り出す構造とすることにより、導光部をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部を大きくすることができるので、良好なシースルー観察が可能になる。   In still another aspect of the present invention, the first portion regarding the number of reflections of the first image light emitted from the first partial region in the image display device in the light guide and the confinement direction in which the optical path is turned back by the reflection during the light guide. The number of reflections of the second image light emitted from the second partial region different from the region is different from each other. In this case, by using image light having a different number of reflections, it is possible to increase the angle width of the emission angle of the image light emitted from the light emitting unit. That is, image light from different display areas in the image display device can be captured with a relatively wide viewing angle, and a large display size of a virtual image observed through the light emitting unit can be secured. By adopting a structure for extracting image light with different number of reflections in this way, the light emission part can be enlarged so as to cover the pupil without making the light guide part too thick, so that good see-through observation is possible. .

本発明のさらに別の側面では、閉じ込め方向が、投射光学系を通る第1光軸と前記第3反射面の法線とを含む断面に平行な方向である。上記閉じ込め方向に関して異なる位置からの画像光は、射出角度すなわち光入射部への入射角度を互いに異なるものとすることで、導光部における反射回数を異なるものとできる。   In still another aspect of the invention, the confinement direction is a direction parallel to a cross section including the first optical axis passing through the projection optical system and the normal line of the third reflecting surface. The image light from different positions with respect to the confinement direction can be made to have a different number of reflections in the light guide portion by making the emission angle, that is, the incident angle to the light incident portion, different from each other.

本発明のさらに別の側面では、導光装置が、射出成型によって成型され、導光装置が、熱重合型の樹脂材料によって成型される。   In still another aspect of the present invention, the light guide device is molded by injection molding, and the light guide device is molded by a heat polymerization type resin material.

第1実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the virtual image display apparatus of 1st Embodiment. (A)は、虚像表示装置を構成する第1表示装置の本体部分の平面図であり、(B)は、本体部分の正面図である。(A) is a top view of the main-body part of the 1st display apparatus which comprises a virtual image display apparatus, (B) is a front view of a main-body part. (A)は、導光部材の光入射部における第3反射面の構造を説明する図であり、(B)は、導光部材の導光部における第1反射面の構造を説明する図であり、(C)は、導光部材の導光部における第2反射面の構造を説明する図であり、(D)は、導光部材の光射出部における第4反射面の構造を説明する図である。(A) is a figure explaining the structure of the 3rd reflective surface in the light-incidence part of a light guide member, (B) is a figure explaining the structure of the 1st reflective surface in the light guide part of a light guide member. (C) is a figure explaining the structure of the 2nd reflective surface in the light guide part of a light guide member, (D) demonstrates the structure of the 4th reflective surface in the light emission part of a light guide member. FIG. (A)は、縦の第1方向に関する光路を展開した概念図であり、(B)は、横の第2方向に関する光路を展開した概念図である。(A) is the conceptual diagram which expand | deployed the optical path regarding the vertical 1st direction, (B) is the conceptual diagram which expand | deployed the optical path regarding the horizontal 2nd direction. 虚像表示装置の光学系における光路を具体的に説明する平面図である。It is a top view explaining the optical path in the optical system of a virtual image display apparatus concretely. (A)は、液晶表示デバイスの表示面を示し、(B)は、観察者に見える液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図であり、(C)及び(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。(A) shows the display surface of a liquid crystal display device, (B) is a figure explaining notionally the virtual image of the liquid crystal display device which an observer can see, (C) and (D) comprise a virtual image It is a figure explaining the partial image to do. (A)は、画像表示装置から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートであり、(B)は、液晶表示デバイスの画素構造を説明する概念的拡大図である。(A) is a chart explaining the light distribution pattern of the image light inject | emitted from an image display apparatus, (B) is a notional enlarged view explaining the pixel structure of a liquid crystal display device. (A)は、フィルターの正面図であり、(B)は、フィルターの吸収率パターンを概念的に説明する図である。(A) is a front view of a filter, (B) is a figure which illustrates the absorptivity pattern of a filter notionally. (A)は、具体例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、(B)は、輝度分布をグラフ化したものであり、(C)は、比較例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、(D)は、輝度分布をグラフ化したものである。(A) shows the luminance distribution of the image seen by the observer in the specific example, (B) is a graph of the luminance distribution, and (C) shows the luminance distribution of the image seen by the observer in the comparative example. (D) is a graph showing the luminance distribution. 導光部材に稜を除去するような端面を設けている理由を説明する図である。It is a figure explaining the reason which has provided the end surface which removes a ridge in a light guide member. (A)は、変形例における画像光の導光状態を説明する図であり、(B)は、変形例における液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。(A) is a figure explaining the light guide state of the image light in a modification, (B) is a figure explaining notionally the virtual image of the liquid crystal display device in a modification. 第2実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。It is a top view of the principal part which comprises the virtual image display apparatus of 2nd Embodiment. (A)は、フィルターの斜視図であり、(B)は、フィルターの拡大断面である。(A) is a perspective view of a filter, (B) is an expanded section of a filter. (A)及び(B)は、金属反射膜の微細パターンを説明する図である。(A) And (B) is a figure explaining the fine pattern of a metal reflective film. 第3実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。It is a top view of the principal part which comprises the virtual image display apparatus of 3rd Embodiment. フィルターの低透過率分布を説明する図である。It is a figure explaining the low transmittance | permeability distribution of a filter. 第4実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。It is a top view of the principal part which comprises the virtual image display apparatus of 4th Embodiment. (A)は、第5実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、(B)は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。(A) is a top view of the principal part which comprises the virtual image display apparatus of 5th Embodiment, (B) is a conceptual diagram explaining the cross-sectional structure of a filter periphery. (A)は、第6実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、(B)は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。(A) is a top view of the principal part which comprises the virtual image display apparatus of 6th Embodiment, (B) is a conceptual diagram explaining the cross-sectional structure of a filter periphery. 変形例における液晶表示デバイスの画像を概念的に説明する図である。It is a figure which illustrates notionally the image of the liquid crystal display device in a modification.

〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔A.虚像表示装置の外観〕
図1に示す第1実施形態の虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置100は、観察者の眼前を覆う光学パネル110と、光学パネル110を支持するフレーム121と、フレーム121のヨロイからテンプルにかけての部分に付加された第1及び第2駆動部131,132とを備える。ここで、光学パネル110は、第1パネル部分111と第2パネル部分112とを有し、両パネル部分111,112は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第1パネル部分111と第1駆動部131とを組み合わせた第1表示装置100Aは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2パネル部分112と第2駆動部132とを組み合わせた第2表示装置100Bは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
[A. Appearance of virtual image display device)
The virtual image display device 100 according to the first embodiment shown in FIG. 1 is a head-mounted display having an appearance like glasses, and allows an observer wearing the virtual image display device 100 to recognize image light due to a virtual image. In addition, it is possible to make the observer observe the outside world image with see-through. The virtual image display device 100 includes an optical panel 110 that covers the viewer's eyes, a frame 121 that supports the optical panel 110, and first and second drive units 131 and 132 that are added to a portion of the frame 121 from the end to the temple. With. Here, the optical panel 110 has a first panel portion 111 and a second panel portion 112, and both the panel portions 111 and 112 are plate-like parts integrally connected at the center. The first display device 100A in which the first panel portion 111 on the left side and the first drive unit 131 are combined in the drawing is a portion that forms a virtual image for the left eye, and functions alone as a virtual image display device. Further, the second display device 100B in which the second panel portion 112 on the right side and the second driving unit 132 in the drawing are combined is a portion that forms a virtual image for the right eye, and functions alone as a virtual image display device.

〔B.片側の表示装置の構造〕
図2(A)等に示すように、第1表示装置100Aは、画像形成装置10と、導光装置20と、フィルター50とを備える。ここで、画像形成装置10は、図1における第1駆動部131に相当し、導光装置20は、図1における第1パネル部分111に相当する。なお、図1に示す第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第2表示装置100Bの詳細な説明は省略する。
[B. (Structure of display device on one side)
As shown in FIG. 2A and the like, the first display device 100A includes an image forming device 10, a light guide device 20, and a filter 50. Here, the image forming apparatus 10 corresponds to the first driving unit 131 in FIG. 1, and the light guide device 20 corresponds to the first panel portion 111 in FIG. Note that the second display device 100B shown in FIG. 1 has the same structure as the first display device 100A and is simply flipped left and right, and thus detailed description of the second display device 100B is omitted.

画像形成装置10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、2次元的な照明光SLを射出する照明装置31と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス32と、照明装置31及び液晶表示デバイス32の動作を制御する駆動制御部34とを有する。   The image forming apparatus 10 includes an image display device 11 and a projection optical system 12. Among these, the image display device 11 operates the illumination device 31 that emits the two-dimensional illumination light SL, the liquid crystal display device 32 that is a transmissive spatial light modulation device, and the operations of the illumination device 31 and the liquid crystal display device 32. And a drive control unit 34 for controlling.

照明装置31は、赤、緑、青の3色を含む光を発生する光源31aと、光源31aからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部31bとを有する。液晶表示デバイス32は、照明装置31からの照明光SL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。駆動制御部34は、光源駆動回路34aと、液晶駆動回路34bとを備える。光源駆動回路34aは、照明装置31の光源31aに電力を供給して安定した輝度の照明光SLを射出させる。液晶駆動回路34bは、液晶表示デバイス32に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路34bに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。投射光学系12は、液晶表示デバイス32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コリメートレンズである。   The illuminating device 31 includes a light source 31a that generates light including three colors of red, green, and blue, and a backlight light guide unit 31b that diffuses light from the light source 31a into a light beam having a rectangular cross section. The liquid crystal display device 32 spatially modulates the illumination light SL from the illumination device 31 to form image light to be a display target such as a moving image. The drive control unit 34 includes a light source drive circuit 34a and a liquid crystal drive circuit 34b. The light source driving circuit 34a supplies electric power to the light source 31a of the lighting device 31 to emit the illumination light SL having a stable luminance. The liquid crystal driving circuit 34b outputs an image signal or a driving signal to the liquid crystal display device 32, thereby forming color image light that is a source of a moving image or a still image as a transmittance pattern. The liquid crystal driving circuit 34b can have an image processing function, but an external control circuit can also have an image processing function. The projection optical system 12 is a collimating lens that converts image light emitted from each point on the liquid crystal display device 32 into light beams in a parallel state.

液晶表示デバイス32において、第1方向D1は、投射光学系12を通る第1光軸AX1と、後述する導光部材21の第3反射面21cに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第2方向D2は、上記第1光軸AX1と、上記第3反射面21cの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、第1方向D1は、後述する導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとの交線CLに平行な方向であり、第2方向D2は、上記第1反射面21aの平面と平行であり、上記第1反射面21aと第3反射面21cとの交線CLに垂直な方向となっている。
なお、液晶表示デバイス32の有効サイズは、第1方向D1よりも第2方向D2に長い横長となっている。一方、投射光学系12の射出開口幅は、第2方向D2よりも第1方向D1に長い縦長となっている。
In the liquid crystal display device 32, the first direction D1 is a direction in which a longitudinal section including a first optical axis AX1 passing through the projection optical system 12 and a specific line parallel to a third reflecting surface 21c of the light guide member 21 described later extends. The second direction D2 corresponds to a direction in which a transverse section including the first optical axis AX1 and the normal line of the third reflecting surface 21c extends. In other words, the first direction D1 is a direction parallel to an intersection line CL between a first reflecting surface 21a and a third reflecting surface 21c of the light guide member 21 described later, and the second direction D2 is the first reflecting surface. The direction is parallel to the plane of 21a and perpendicular to the line of intersection CL between the first reflecting surface 21a and the third reflecting surface 21c.
Note that the effective size of the liquid crystal display device 32 is longer in the second direction D2 than in the first direction D1. On the other hand, the exit aperture width of the projection optical system 12 is longer in the first direction D1 than in the second direction D2.

導光装置20は、導光部材21と光透過部材23とを接合したものであり、全体としてXY面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。   The light guide device 20 is formed by joining a light guide member 21 and a light transmission member 23, and constitutes a flat plate-like optical member that extends parallel to the XY plane as a whole.

導光装置20のうち、導光部材21は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第4反射面21dとを有する。また、導光部材21は、第1、第2、第3、及び第4反射面21a,21b,21c,21dに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。ここで、第1及び第2反射面21a,21bは、XY面に沿って延び、導光部材21の厚みtだけ離間する。また、第3反射面21cは、XY面に対して45°以下の鋭角αで傾斜しており、第4反射面21dは、XY面に対して例えば45°以下の鋭角βで傾斜している。第3反射面21cを通る第1光軸AX1と第4反射面21dを通る第2光軸AX2とは平行に配置され距離Dだけ離間している。なお、以下に詳述するが、第1反射面21aと第3反射面21cとの間には、稜を除去するように端面21hが設けられている。導光部材21は、この端面21hも含めると、7面の多面体状の外形を有するものとなっている。   In the light guide device 20, the light guide member 21 is a trapezoidal prism-like member in plan view, and includes, as side surfaces, a first reflection surface 21 a, a second reflection surface 21 b, a third reflection surface 21 c, and a fourth reflection surface. A reflective surface 21d. The light guide member 21 includes an upper surface 21e and a lower surface 21f that are adjacent to the first, second, third, and fourth reflecting surfaces 21a, 21b, 21c, and 21d and that face each other. Here, the first and second reflecting surfaces 21 a and 21 b extend along the XY plane and are separated by the thickness t of the light guide member 21. The third reflecting surface 21c is inclined at an acute angle α of 45 ° or less with respect to the XY plane, and the fourth reflecting surface 21d is inclined at an acute angle β of 45 ° or less with respect to the XY surface, for example. . The first optical axis AX1 passing through the third reflecting surface 21c and the second optical axis AX2 passing through the fourth reflecting surface 21d are arranged in parallel and separated by a distance D. As will be described in detail below, an end surface 21h is provided between the first reflecting surface 21a and the third reflecting surface 21c so as to remove a ridge. The light guide member 21 has a polyhedral outer shape with seven surfaces including the end surface 21h.

導光部材21は、第1及び第2反射面21a,21bによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材21で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向は、第1及び第2反射面21a,21bに垂直(Z軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第2方向D2に相当するものとなり、導光に際して反射によって折り返されない縦方向すなわち自由伝搬方向は、第1及び第2反射面21a,21b及び第3反射面21cに平行(Y軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第1方向D1に相当する。   The light guide member 21 performs light guide using total reflection by the first and second reflection surfaces 21a and 21b, and is a direction that is folded by reflection when light is guided and a direction that is not folded by reflection when light is guided. There is. When an image guided by the light guide member 21 is considered, the lateral direction that is turned back by a plurality of reflections during light guide, that is, the confinement direction, is perpendicular to the first and second reflecting surfaces 21a and 21b (parallel to the Z axis) Thus, when the optical path is expanded to the light source side as will be described later, it corresponds to the second direction D2 of the liquid crystal display device 32, and the longitudinal direction that is not turned back by reflection during light guide, that is, the free propagation direction is When the optical path is expanded to the light source side as will be described later in parallel to the second reflecting surfaces 21a and 21b and the third reflecting surface 21c (parallel to the Y axis), it corresponds to the first direction D1 of the liquid crystal display device 32.

導光部材21は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材21は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。このように導光部材21は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができる。   The light guide member 21 is formed of a resin material that exhibits high light transmittance in the visible range. The light guide member 21 is a block-like member integrally molded by injection molding, and is formed by, for example, injecting a thermopolymerization resin material into a molding die and thermosetting it. Thus, although the light guide member 21 is an integrally formed product, it can be functionally divided into the light incident part B1, the light guide part B2, and the light emitting part B3.

光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための矩形の全反射ミラーである。   The light incident part B1 is a triangular prism-shaped part, and includes a light incident surface IS that is a part of the first reflective surface 21a and a third reflective surface 21c that faces the light incident surface IS. The light incident surface IS is a flat surface on the back side or the viewer side for taking in the image light GL from the image forming apparatus 10 and extends perpendicularly to the first optical axis AX1 facing the projection optical system 12. The third reflecting surface 21c is a rectangular total reflection mirror for reflecting the image light GL that has passed through the light incident surface IS and guiding it into the light guide B2.

図3(A)は、第3反射面21cを説明する図であり、光入射部B1における表面部分P1の部分拡大断面図である。第3反射面21cは、ミラー層25を有し保護層26で被覆されている。このミラー層25は、全反射のコーティングであり、導光部材21の斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。   FIG. 3A is a diagram illustrating the third reflecting surface 21c, and is a partial enlarged cross-sectional view of the surface portion P1 in the light incident portion B1. The third reflecting surface 21 c has a mirror layer 25 and is covered with a protective layer 26. The mirror layer 25 is a total reflection coating, and is formed by depositing aluminum on the inclined surface RS of the light guide member 21 by vapor deposition. The third reflecting surface 21c is inclined with respect to the first optical axis AX1 or the XY plane of the projection optical system 12, for example, at an acute angle α = 25 ° to 27 °, and is incident from the light incident surface IS in the + Z direction as a whole. The image light GL that is directed is bent so as to be directed in the −X direction that is closer to the −Z direction as a whole, so that the image light GL is reliably coupled into the light guide portion B2.

図2(A)等に戻って、導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。第1及び第2反射面21a,21bの間隔すなわち導光部材21の厚みtは、例えば9mm程度とされている。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。   Referring back to FIG. 2A and the like, the light guide B2 is formed as two planes facing each other and extending in parallel to the XY plane, and a first reflecting surface 21a that totally reflects the image light bent at the light incident portion B1. And a second reflecting surface 21b. The distance between the first and second reflecting surfaces 21a and 21b, that is, the thickness t of the light guide member 21 is, for example, about 9 mm. Here, it is assumed that the first reflecting surface 21a is on the back side or the viewer side close to the image forming apparatus 10, and the second reflecting surface 21b is on the front side or the outside side far from the image forming apparatus 10. In this case, the first reflecting surface 21a is a surface portion common to the above-described light incident surface IS and a light emitting surface OS described later. The first and second reflection surfaces 21a and 21b are total reflection surfaces using a difference in refractive index, and are not provided with a reflection coating such as a mirror layer.

図3(B)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。また、図3(C)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。ただし、第1及び第2反射面21a,21bは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層27で被覆されている。このハードコート層27は、導光部材21の平坦面FS上にUV硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21b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、導光装置20の奥側即ち光射出部B3を設けた−X側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。   FIG. 3B is a diagram illustrating the first reflecting surface 21 a and is a partial enlarged cross-sectional view of the surface portion P <b> 1 in the light guide portion B <b> 2 of the light guide member 21. FIG. 3C is a diagram for explaining the first reflecting surface 21 a and is a partial enlarged cross-sectional view of the surface portion P <b> 1 in the light guide portion B <b> 2 of the light guide member 21. However, the first and second reflecting surfaces 21a and 21b are covered with a hard coat layer 27 in order to prevent the surface from being damaged and the resolution of the image from being lowered. The hard coat layer 27 is formed by depositing a UV curable resin, a thermosetting resin, or the like on the flat surface FS of the light guide member 21 by dipping or spray coating. The image light GL reflected by the third reflecting surface 21c of the light incident part B1 first enters the first reflecting surface 21a and is totally reflected. Next, the image light GL enters the second reflecting surface 21b and is totally reflected. Thereafter, by repeating this operation, the image light is guided to the back side of the light guide device 20, that is, the -X side provided with the light emitting part B3. In addition, since the 1st and 2nd reflective surfaces 21a and 21b are not provided with the reflective coating, the external light or the external light incident on the second reflective surface 21b from the external side passes through the light guide B2 with high transmittance. pass. In other words, the light guide B2 is a see-through type that allows the external image to be seen through.

以上の第1及び第2反射面21a,21bでの全反射は、ハードコート層27の屈折率の設定によっており、ハードコート層27の表面SSの内側で生じさせることができるが、平坦面FSの内側で生じさせることもできる。   The total reflection on the first and second reflecting surfaces 21a and 21b described above depends on the setting of the refractive index of the hard coat layer 27 and can be generated inside the surface SS of the hard coat layer 27, but the flat surface FS. It can also occur inside.

図2(A)等に戻って、光射出部B3は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光射出面OSと、光射出面OSに対向する第4反射面21dとを有する。光射出面OSは、画像光GLを観察者の眼EYに向けて射出するための裏側の平面であり、光入射面ISと同様に第1反射面21aの一部となっており、第2光軸AX2に垂直に延びている。光射出部B3を通る第2光軸AX2と光入射部B1を通る第1光軸AX1との距離Dは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば50mmに設定されている。第4反射面21dは、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを反射して光射出部B3外に射出させるための矩形の平坦面であり、ハーフミラー層28を有している。このハーフミラー層28は、光透過性を有する反射膜(すなわち半透過反射膜)であり、その表面は半透過反射面となっている。   Returning to FIG. 2A and the like, the light emission part B3 is a triangular prism-like part, and a light emission surface OS that is a part of the first reflection surface 21a and a fourth reflection that faces the light emission surface OS. 21d. The light exit surface OS is a flat surface on the back side for emitting the image light GL toward the observer's eye EY. The light exit surface OS is a part of the first reflecting surface 21a like the light incident surface IS. It extends perpendicular to the optical axis AX2. The distance D between the second optical axis AX2 passing through the light emitting part B3 and the first optical axis AX1 passing through the light incident part B1 is set to, for example, 50 mm in consideration of the width of the observer's head. The fourth reflecting surface 21d is a rectangular flat surface for reflecting the image light GL incident through the first and second reflecting surfaces 21a and 21b and emitting it outside the light emitting portion B3. have. The half mirror layer 28 is a light-transmissive reflective film (that is, a semi-transmissive reflective film), and the surface thereof is a semi-transmissive reflective surface.

図3(D)は、第4反射面21dを説明する図であり、光射出部B3における表面部分P4の部分拡大断面図である。第4反射面21dには、ハーフミラー層(光透過性の反射膜又は半透過反射膜)28が付随しており、ハーフミラー層28は、導光部材21の斜面RS上に金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光GL'の観察を容易にする観点で、想定される画像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、画像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。   FIG. 3D is a diagram illustrating the fourth reflecting surface 21d, and is a partial enlarged cross-sectional view of the surface portion P4 in the light emitting portion B3. The fourth reflecting surface 21d is accompanied by a half mirror layer (light-transmitting reflecting film or semi-transmitting reflecting film) 28. The half mirror layer 28 is formed of a metal reflecting film or the like on the slope RS of the light guide member 21. It is formed by forming a dielectric multilayer film. The reflectance of the half mirror layer 28 with respect to the image light GL is set to 10% to 50% in the assumed incident angle range of the image light GL from the viewpoint of facilitating observation of the external light GL ′ by see-through. The reflectance of the half mirror layer 28 of the specific embodiment with respect to the image light GL is set to 20%, for example, and the transmittance with respect to the image light GL is set to 80%, for example.

第4反射面21dは、第1反射面21aに垂直な第2光軸AX2又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、上記ハーフミラー層28により、導光部B2の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを部分的に反射して全体として−Z方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面OSを通過させる。なお、第4反射面21dを透過した画像光GLは、光透過部材23に入射し、映像の形成には利用されない。   The fourth reflecting surface 21d is inclined with respect to the second optical axis AX2 or XY plane perpendicular to the first reflecting surface 21a, for example, at an acute angle α = 25 ° to 27 °, and is guided by the half mirror layer 28. The image light GL incident through the first and second reflecting surfaces 21a and 21b of the portion B2 is partially reflected and bent so as to be directed in the −Z direction as a whole, thereby allowing the light exit surface OS to pass therethrough. Note that the image light GL transmitted through the fourth reflecting surface 21d is incident on the light transmitting member 23 and is not used to form an image.

光透過部材23は、導光部材21の本体と同一の屈折率を有し、第1面23aと、第2面23bと、第3面23cとを有する。第1及び第2面23a,23bは、XY面に沿って延びる。また、第3面23cは、XY面に対して傾斜しており、導光部材21の第4反射面21dに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材23は、第2面23bと第3面23cとに挟まれた楔状の部分を有する部材となっている。光透過部材23は、導光部材21と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材23は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。   The light transmission member 23 has the same refractive index as that of the main body of the light guide member 21, and includes a first surface 23a, a second surface 23b, and a third surface 23c. The first and second surfaces 23a and 23b extend along the XY plane. The third surface 23 c is inclined with respect to the XY plane, and is disposed in parallel to face the fourth reflecting surface 21 d of the light guide member 21. That is, the light transmission member 23 is a member having a wedge-shaped portion sandwiched between the second surface 23b and the third surface 23c. Similar to the light guide member 21, the light transmissive member 23 is formed of a resin material exhibiting high light transmittance in the visible region. The light transmitting member 23 is a block-like member that is integrally molded by injection molding, and is formed, for example, by injecting a thermopolymerization resin material into a molding die and thermosetting it.

光透過部材23において、第1面23aは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に配置され、観察者の眼EYに近い裏側にあり、第2面23bは、導光部材21に設けた第2反射面21bの延長平面上に配置され、観察者の眼EYから遠い表側にある。第3面23cは、接着剤によって導光部材21の第4反射面21dに接合される矩形の透過面である。以上の第1面23aと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第2反射面21bと第4反射面21dとのなす角度εと等しくなっており、第2面23bと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとのなす角度βと等しくなっている。   In the light transmission member 23, the first surface 23 a is disposed on the extended plane of the first reflecting surface 21 a provided on the light guide member 21, is on the back side close to the observer's eye EY, and the second surface 23 b is guided. It is arranged on the extended plane of the second reflecting surface 21b provided on the optical member 21, and is on the front side far from the observer's eye EY. The third surface 23c is a rectangular transmission surface joined to the fourth reflection surface 21d of the light guide member 21 by an adhesive. The angle formed by the first surface 23a and the third surface 23c is equal to the angle ε formed by the second reflective surface 21b and the fourth reflective surface 21d of the light guide member 21, and the second surface 23b and the third surface 23c are the same. The angle formed with the surface 23 c is equal to the angle β formed between the first reflecting surface 21 a and the third reflecting surface 21 c of the light guide member 21.

光透過部材23と導光部材21とは、両者の接合部分及びその近傍において、観察者の眼EY前に対向して透視部B4を構成している。光透過部材23のうち、互いに鋭角を成す第2面23bと第3面23cとに挟まれて−X方向に広がる楔状の部材23mは、同様に楔状の光射出部B3と接合されることにより、全体として平板状の透視部B4におけるX方向に関する中央部分を構成する。第1及び第2面23a,23bには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材21の導光部B2と同様に外界光GL'を高い透過率で透過させる。第3面23cも、外界光GL'を高い透過率で透過可能であるが、導光部材21の第4反射面21dがハーフミラー層28を有していることから、第3面23cを通過する外界光GL'は、例えば20%減光される。つまり、観察者は、20%に減光された画像光GLと80%に減光された外界光GL'とを重畳させたものを観察することになる。   The light transmitting member 23 and the light guide member 21 constitute a see-through portion B4 in front of the eyes EY of the observer at the joint portion between them and in the vicinity thereof. Of the light transmitting member 23, a wedge-shaped member 23m that is sandwiched between the second surface 23b and the third surface 23c that form an acute angle and expands in the −X direction is similarly joined to the wedge-shaped light emitting portion B3. The central portion in the X direction of the flat see-through portion B4 as a whole is configured. Since the first and second surfaces 23a and 23b are not provided with a reflective coating such as a mirror layer, the external light GL ′ is transmitted with a high transmittance similarly to the light guide portion B2 of the light guide member 21. The third surface 23c can also transmit the external light GL ′ with high transmittance, but since the fourth reflecting surface 21d of the light guide member 21 has the half mirror layer 28, the third surface 23c passes through the third surface 23c. The ambient light GL ′ to be reduced is reduced by 20%, for example. That is, the observer observes the image light GL that has been reduced to 20% and the external light GL ′ that has been reduced to 80%.

フィルター50は、投射光学系12と導光部材21との隙間部分に挿入するように配置されている。フィルター50は、シート状の部材であり、図1に示す第1駆動部131のケース内に固定されてXY面に平行に延びている。フィルター50は、例えばNDフィルターであり、透過光量の空間的な分布を変化させる役割を有する。   The filter 50 is disposed so as to be inserted into a gap portion between the projection optical system 12 and the light guide member 21. The filter 50 is a sheet-like member, and is fixed in the case of the first drive unit 131 shown in FIG. 1 and extends parallel to the XY plane. The filter 50 is, for example, an ND filter, and has a role of changing the spatial distribution of the transmitted light amount.

〔C.画像光の光路の概要〕
図4(A)は、液晶表示デバイス32の縦断面CS1に対応する第1方向D1の光路を説明する図である。第1方向D1に沿った縦断面すなわちYZ面(展開後のY'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bの上端側(+Y側)から射出される成分を画像光GLaとし、図中二点差線で示す表示領域32bの下端側(−Y側)から射出される成分を画像光GLbとする。
[C. Overview of optical path of image light)
4A is a diagram illustrating an optical path in the first direction D1 corresponding to the longitudinal section CS1 of the liquid crystal display device 32. FIG. In the longitudinal section along the first direction D1, that is, the YZ plane (the unfolded Y′Z ′ plane), among the image light emitted from the liquid crystal display device 32, the upper end side of the display area 32b indicated by the alternate long and short dash line in FIG. The component emitted from the (+ Y side) is referred to as image light GLa, and the component emitted from the lower end side (−Y side) of the display area 32b indicated by the two-dot chain line in the drawing is referred to as image light GLb.

上側の画像光GLaは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ1の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光GLbは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ2(|φ2|=|φ1|)の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ1,φ2は、上下の半画角に相当し、例えば6.5°に設定される。 The upper image light GLa is converted into a parallel light flux by the projection optical system 12 and passes through the light incident part B1, the light guide part B2, and the light emission part B3 of the light guide member 21 along the developed optical axis AX ′. The incident light is inclined with respect to the eye EY of the observer in a parallel light flux state from above the angle φ 1 . On the other hand, the lower image light GLb is converted into a parallel light flux by the projection optical system 12, and along the developed optical axis AX ′, the light incident part B <b> 1, the light guide part B <b> 2, and the light emission part of the light guide member 21. The light passes through B3 and is incident on the observer's eye EY in a state of a parallel light beam, tilted from below the angle φ 2 (| φ 2 | = | φ 1 |). The above angles φ 1 and φ 2 correspond to the upper and lower half angles of view, and are set to, for example, 6.5 °.

図4(B)は、液晶表示デバイス32の横断面CS2に対応する第2方向(閉じ込め方向又は合成方向)D2の光路を説明する図である。第2方向(閉じ込め方向又は合成方向)D2に沿った横断面すなわちXZ面(展開後のX'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bに向かって右端側(+X側)の第1表示点P1から射出される成分を画像光GLcとし、図中二点差線で示す表示領域32bに向かって左端側(−X側)の第2表示点P2から射出される成分を画像光GLdとする。図6(B)中には、参考のため、右寄り内側から射出される画像光GLeと、左寄り内側から射出される画像光GLfとを追加している。   FIG. 4B is a diagram illustrating an optical path in the second direction (confinement direction or synthesis direction) D2 corresponding to the cross section CS2 of the liquid crystal display device 32. In the cross section along the second direction (confinement direction or synthesis direction) D2, that is, the XZ plane (X′Z ′ plane after development), the image light emitted from the liquid crystal display device 32 is indicated by a one-dot chain line in the figure. The component emitted from the first display point P1 on the right end side (+ X side) toward the display area 32b is the image light GLc, and the component on the left end side (−X side) toward the display area 32b indicated by the two-dot difference line in the figure. A component emitted from the second display point P2 is defined as image light GLd. In FIG. 6B, image light GLe emitted from the inner right side and image light GLf emitted from the inner left side are added for reference.

右側の第1表示点P1からの画像光GLcは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ1の左方向から傾いて入射する。一方、左側の第2表示点P2からの画像光GLdは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ2(|θ2|=|θ1|)の右方向から傾いて入射する。以上の角度θ1,θ2は、左右の半画角に相当し、例えば10°に設定される。 The image light GLc from the first display point P1 on the right side is converted into a parallel light beam by the projection optical system 12, and along the developed optical axis AX ′, the light incident part B1, the light guide part B2, Then, it passes through the light emitting part B3 and is incident on the observer's eye EY in a state of a parallel light beam inclined from the left direction of the angle θ 1 . On the other hand, the image light GLd from the second display point P2 on the left side is converted into a parallel light beam by the projection optical system 12, and along the developed optical axis AX ′, the light incident part B1 and the light guide part of the light guide member 21. The light passes through B2 and the light emission part B3, and enters the observer's eye EY in a state of a parallel light beam, tilted from the right direction at an angle θ 2 (| θ 2 | = | θ 1 |). The above angles θ 1 and θ 2 correspond to the left and right half angles of view, and are set to 10 °, for example.

なお、第2方向D2の横方向に関しては、導光部材21中で画像光GLc,GLdが反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光GLc,GLdが導光部材21中で不連続に表現されている。また、観察者の眼EYについては、図2(A)の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材21を高精度に加工することで、液晶表示デバイス32の右半分の画像と液晶表示デバイス32の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光GLc,GLdの導光部材21内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光GLcの射出角度θ1'と左側の画像光GLdの射出角度θ2'とは異なるものに設定されている。 Note that, in the horizontal direction of the second direction D2, the image lights GLc and GLd are folded back by reflection in the light guide member 21 and the number of reflections is different, so that each image light GLc and GLd is in the light guide member 21. It is expressed discontinuously. In addition, regarding the observer's eye EY, the viewing direction is upside down compared to the case of FIG. As a result, the screen is horizontally reversed as a whole in the horizontal direction, but the right half image of the liquid crystal display device 32 and the liquid crystal display device can be obtained by processing the light guide member 21 with high accuracy as will be described in detail later. The images on the left half of 32 are continuously joined without any gap. In consideration of the fact that the number of reflections of the two image lights GLc and GLd in the light guide member 21 is different from each other, the emission angle θ 1 ′ of the right image light GLc and the emission angle θ 2 ′ of the left image light GLd. Is set to something different.

以上により、観察者の眼EYに入射する画像光GLa,GLb,GLc,GLdは、無限遠からの虚像となっており、縦の第1方向D1に関しては液晶表示デバイス32に形成された映像が正立し、横の第2方向D2に関しては液晶表示デバイス32に形成された映像が反転する。   As described above, the image lights GLa, GLb, GLc, and GLd incident on the observer's eye EY are virtual images from infinity, and the image formed on the liquid crystal display device 32 is correct in the first vertical direction D1. The image formed on the liquid crystal display device 32 is reversed with respect to the second horizontal direction D2.

〔D.横方向に関する画像光の光路〕
図5は、第1表示装置100Aにおける具体的な光路を説明する断面図である。投射光学系12は、3つのレンズL1,L2,L3を有している。
[D. (The optical path of image light in the horizontal direction)
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a specific optical path in the first display device 100A. The projection optical system 12 has three lenses L1, L2, and L3.

液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL11,GL12は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第1反射角γ1で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL11,GL12は、第1反射角γ1を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、次いで再度第1反射面21aに入射して全反射される(第3回目の全反射)。結果的に、画像光GL11,GL12は、第1反射角γ1を保った状態で、第1及び第2反射面21a,21bで全反射を繰り返す。画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計3回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL11,GL12は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ1の傾きで平行光束として射出される。 The image lights GL11 and GL12 from the first display point P1 on the right side of the liquid crystal display device 32 pass through the lenses L1, L2 and L3 of the projection optical system 12 to be converted into parallel light beams, and the light incident surface of the light guide member 21 Incident on IS. The image lights GL11 and GL12 guided into the light guide member 21 repeat total reflection at the same angle on the first and second reflection surfaces 21a and 21b, and are finally emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS. . Specifically, the image lights GL11 and GL12 are reflected by the third reflection surface 21c of the light guide member 21 as parallel light beams, and then enter the first reflection surface 21a of the light guide member 21 at the first reflection angle γ1. , Total reflection (first total reflection). Thereafter, the image lights GL11 and GL12 are incident on the second reflecting surface 21b and totally reflected (second total reflection) while maintaining the first reflection angle γ1, and then incident on the first reflecting surface 21a again. And is totally reflected (third total reflection). As a result, the image lights GL11 and GL12 repeat total reflection on the first and second reflection surfaces 21a and 21b while maintaining the first reflection angle γ1. The image lights GL11 and GL12 are totally reflected a total of three times on the first and second reflecting surfaces 21a and 21b, and enter the fourth reflecting surface 21d. The image lights GL11 and GL12 are reflected by the fourth reflection surface 21d at the same angle as the third reflection surface 21c, and are angled from the light emission surface OS to the second optical axis AX2 direction perpendicular to the light emission surface OS. The light is emitted as a parallel light beam with an inclination of θ 1 .

液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL21,GL22は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第2反射角γ2(γ2<γ1)で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL21,GL22は、第2反射角γ2を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、再度第1反射面21aに入射して全反射され(第3回目の全反射)、再度第2反射面21bに入射して全反射され(第4回目の全反射)、再々度第1反射面21aに入射して全反射される(第5回目の全反射)。結果的に、画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計5回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL21,GL22は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ2の傾きで平行光束として射出される。 The image lights GL21 and GL22 from the second display point P2 on the left side of the liquid crystal display device 32 pass through the lenses L1, L2, and L3 of the projection optical system 12 to be converted into parallel light beams, and the light incident surface of the light guide member 21 Incident on IS. The image lights GL21 and GL22 guided into the light guide member 21 repeat total reflection at equal angles on the first and second reflection surfaces 21a and 21b, and are finally emitted from the light exit surface OS as parallel light beams. . Specifically, the image lights GL21 and GL22 are reflected by the third reflecting surface 21c of the light guide member 21 as a parallel light beam, and then the first reflection of the light guide member 21 at the second reflection angle γ2 (γ2 <γ1). The light enters the surface 21a and is totally reflected (first total reflection). Thereafter, the image lights GL21 and GL22 enter the second reflection surface 21b and are totally reflected (second total reflection) while maintaining the second reflection angle γ2, and then enter the first reflection surface 21a again. Are totally reflected (third total reflection), are incident again on the second reflecting surface 21b and totally reflected (fourth total reflection), and are again incident on the first reflecting surface 21a and totally reflected. (5th total reflection). As a result, the image lights GL21 and GL22 are totally reflected five times on the first and second reflecting surfaces 21a and 21b and enter the fourth reflecting surface 21d. The image lights GL21 and GL22 are reflected by the fourth reflecting surface 21d at the same angle as the third reflecting surface 21c, and are angled from the light emitting surface OS to the second optical axis AX2 direction perpendicular to the light emitting surface OS. It is emitted as a parallel light beam by theta 2 gradient.

図5において、導光部材21を展開した場合に第1反射面21aに対応する仮想的な第1面121aと、導光部材21を展開した場合に第2反射面21bに対応する仮想的な第2面121bとを描いている。このように展開することにより、第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、光入射面ISに対応する入射等価面IS'を通過した後、第1面121aを2回通過し第2面121bを1回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かり、第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、光入射面ISに対応する入射等価面IS"を通過した後、第1面121aを3回通過し第2面121bを2回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かる。見方を変えると、観察者は、2つの位置の異なる入射等価面IS',IS"の近傍に存在する投射光学系12のレンズL3を重ねて観察していることになる。   In FIG. 5, when the light guide member 21 is developed, a virtual first surface 121a corresponding to the first reflective surface 21a, and when the light guide member 21 is deployed, a virtual corresponding to the second reflective surface 21b. The 2nd surface 121b is drawn. By developing in this way, the image lights GL11 and GL12 from the first display point P1 pass through the first surface 121a twice after passing through the incident equivalent surface IS ′ corresponding to the light incident surface IS. It can be seen that the light passes through the surface 121b once, is emitted from the light exit surface OS, and enters the observer's eye EY, and the image lights GL21 and GL22 from the second display point P2 are incident corresponding to the light entrance surface IS. After passing through the equivalent surface IS ", it can be seen that it passes through the first surface 121a three times, passes through the second surface 121b twice, is emitted from the light exit surface OS, and enters the observer's eye EY. In other words, the observer observes the lens L3 of the projection optical system 12 existing in the vicinity of the two incident equivalent planes IS ′ and IS ″ at two different positions.

図6(A)は、液晶表示デバイス32の表示面を概念的に説明する図であり、図6(B)は、観察者に見える液晶表示デバイス32の虚像を概念的に説明する図であり、図6(C)及び6(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図6(A)に示す液晶表示デバイス32に設けた矩形の画像形成領域ADは、図6(B)に示す虚像表示領域AIとして観察される。虚像表示領域AIの左側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から右側にかけての部分に相当する第1投射像IM1が形成され、この第1投射像IM1は、図6(C)に示すように右側が欠けた部分画像となっている。また、虚像表示領域AIの右側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から左側にかけての部分に相当する投射像IM2が虚像として形成され、この第2投射像IM2は、図6(D)に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。   6A is a diagram for conceptually explaining the display surface of the liquid crystal display device 32, and FIG. 6B is a diagram for conceptually explaining a virtual image of the liquid crystal display device 32 visible to an observer. FIGS. 6C and 6D are diagrams for explaining partial images constituting a virtual image. A rectangular image forming area AD provided in the liquid crystal display device 32 shown in FIG. 6A is observed as a virtual image display area AI shown in FIG. On the left side of the virtual image display area AI, a first projection image IM1 corresponding to a portion from the center to the right side of the image formation area AD of the liquid crystal display device 32 is formed. This first projection image IM1 is shown in FIG. ) As shown in FIG. Further, on the right side of the virtual image display area AI, a projection image IM2 corresponding to a portion from the center to the left side of the image formation area AD of the liquid crystal display device 32 is formed as a virtual image. This second projection image IM2 is shown in FIG. As shown in (D), the left half is a partial image.

図6(A)に示す液晶表示デバイス32のうち第1投射像(虚像)IM1のみを形成する第1部分領域A10は、例えば液晶表示デバイス32の右端の第1表示点P1を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計3回全反射される画像光GL11,GL12を射出する。液晶表示デバイス32のうち第2投射像(虚像)IM2のみを形成する第2部分領域A20は、例えば液晶表示デバイス32の左端の第2表示点P2を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計5回全反射される画像光GL21,GL22を射出する。液晶表示デバイス32の画像形成領域ADの中央寄りにおいて第1及び第2部分領域A10,A20に挟まれて縦長に延びる帯域SAからの画像光は、図6(B)に示す重複画像ISを形成している。つまり、液晶表示デバイス32の帯域SAからの画像光は、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第1投射像IM1と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第2投射像IM2となって、虚像表示領域AI上で重畳していることになる。導光部材21の加工が精密で、投射光学系12によって正確にコリメートされた光束が形成されているならば、重複画像ISについて、2つの投射像IM1,IM2の重畳によるズレや滲みを防止することができる。   The first partial region A10 that forms only the first projected image (virtual image) IM1 in the liquid crystal display device 32 illustrated in FIG. 6A includes, for example, the first display point P1 at the right end of the liquid crystal display device 32. The image lights GL11 and GL12 that are totally reflected three times in total in the light guide portion B2 of the light guide member 21 are emitted. The second partial area A20 that forms only the second projection image (virtual image) IM2 in the liquid crystal display device 32 includes, for example, the second display point P2 at the left end of the liquid crystal display device 32, and the light guide member 21 guides the light. The image light GL21 and GL22 that are totally reflected five times in the portion B2 are emitted. Image light from the band SA extending vertically and sandwiched between the first and second partial areas A10 and A20 near the center of the image forming area AD of the liquid crystal display device 32 forms an overlapping image IS shown in FIG. 6B. doing. That is, the image light from the band SA of the liquid crystal display device 32 is a total of 5 in the first projection image IM1 formed by the image light GL11 and GL12 totally reflected three times in the light guide B2, and in the light guide B2. The second projected image IM2 formed by the image lights GL11 and GL12 that are totally reflected once is superimposed on the virtual image display area AI. If the light guide member 21 is precisely processed and a light beam accurately collimated by the projection optical system 12 is formed, the overlapping image IS is prevented from being displaced or blurred due to the superimposition of the two projection images IM1 and IM2. be able to.

〔E.フィルターの機能〕
以下、投射光学系12と導光装置20との間に配置されるフィルター50の機能について詳細に説明する。
[E. (Filter function)
Hereinafter, the function of the filter 50 disposed between the projection optical system 12 and the light guide device 20 will be described in detail.

図7(A)は、画像表示装置11から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートである。横軸は横のX方向の射出角度を示し、縦軸は縦のY方向の射出角度を示す。図からも明らかなように、画像表示装置11の液晶表示デバイス32から射出される光束は、第1光軸AX1に沿った中心側では、輝度が高いが、第1光軸AX1に対して傾斜した周辺側では射出角度の増加に伴って輝度が急速に減少していることが分かる。なお、縦のY方向の方が比較的傾斜の大きな周辺まで高輝度であるのは、液晶表示デバイス32のサブ画素が縦長であることに起因している。   FIG. 7A is a chart for explaining a light distribution pattern of image light emitted from the image display device 11. The horizontal axis indicates the horizontal X-direction injection angle, and the vertical axis indicates the vertical Y-direction injection angle. As is apparent from the figure, the luminous flux emitted from the liquid crystal display device 32 of the image display device 11 has high brightness on the center side along the first optical axis AX1, but is inclined with respect to the first optical axis AX1. On the peripheral side, it can be seen that the brightness decreases rapidly as the emission angle increases. Note that the higher luminance in the vertical Y direction up to the periphery having a relatively large inclination is due to the fact that the sub-pixels of the liquid crystal display device 32 are vertically long.

図7(B)は、液晶表示デバイス32の画素配列の一例を説明する図である。図示の例では、液晶表示デバイス32上に略正方形に近い輪郭を有する画素23gがマトリックス状に繰り返し配列されている。各画素23gは、RGBの3色のサブ画素23sで構成され、各サブ画素23sは、細い縦長の輪郭を有する。このような液晶表示デバイス32から射出される画像光GLは、サブ画素23sの細長い開口を通過したものであり、縦のY方向に関して射出角度が大きくなっても比較的高輝度となる。   FIG. 7B is a diagram for explaining an example of a pixel array of the liquid crystal display device 32. In the illustrated example, pixels 23g having a substantially square outline are repeatedly arranged in a matrix on the liquid crystal display device 32. Each pixel 23g is composed of RGB sub-pixels 23s, and each sub-pixel 23s has a thin vertical profile. The image light GL emitted from such a liquid crystal display device 32 passes through the elongated opening of the sub-pixel 23s, and has relatively high luminance even when the emission angle increases in the vertical Y direction.

以上の状況は、液晶表示デバイス32の中心からの光束に限らず周辺からの光束についても当てはまり、投射光学系12から射出される画像光GLは、第1光軸AX1から離れた周辺ほど暗くなる傾向がある。   The above situation applies not only to the light beam from the center of the liquid crystal display device 32 but also to the light beam from the periphery, and the image light GL emitted from the projection optical system 12 becomes darker as the periphery is away from the first optical axis AX1. Tend.

また、導光装置20の導光部材21で伝搬される画像光GLには、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL21,GL22とが存在する。いずれの画像光GL11,GL12,GL21,GL22も、導光部材21の形状的制限によって伝搬条件の限界があり、全反射回数が少ないモードで伝播する画像光GL11,GL12による画像の周辺でケラレ(部分的な遮光)によって減光が生じ、全反射回数が多いモードで伝播する画像光GL21,GL22による画像の周辺でケラレ(部分的な遮光)によって減光が生じる。よって、仮にフィルター50が存在しなければ、図6(C)に示す第1の投射像IM1の周辺は、中央に比較してかなり暗いものになり、図6(D)に示す第2の投射像IM2の周辺も、中央に比較してかなり暗いものになる。   Further, the image light GL propagated by the light guide member 21 of the light guide device 20 includes image light GL11 and GL12 totally reflected three times in the light guide B2, and total reflection five times in the light guide B2. Image light GL21 and GL22 to be present. Any of the image lights GL11, GL12, GL21, and GL22 have a propagation condition limit due to the shape limitation of the light guide member 21, and vignetting (periphery of the image light GL11, GL12 around the image) Dimming occurs due to (partial shading), and dimming occurs due to vignetting (partial shading) around the image by the image light GL21 and GL22 propagating in a mode with a large number of total reflections. Therefore, if the filter 50 does not exist, the periphery of the first projection image IM1 shown in FIG. 6C is considerably darker than the center, and the second projection shown in FIG. The periphery of the image IM2 is also considerably darker than the center.

図8(A)に示すフィルター50は、その主面50aに沿って2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとなっており、例えば図8(B)に示す等高線CLのようなパターンで中心部分の吸収率が高く周辺部分の吸収率が低くなっている。このようなフィルター50により、図7の配光パターンや導光部材21での伝搬に際しての減光の空間分布を補償することができ、図6(B)に示す有効表示領域又は虚像表示領域AIに表示される画像の輝度を略一様に設定することができる。   The filter 50 shown in FIG. 8A is an ND filter having a two-dimensional absorption distribution along the main surface 50a. For example, the filter 50 is centered in a pattern like a contour line CL shown in FIG. 8B. The absorption rate of the part is high and the absorption rate of the peripheral part is low. Such a filter 50 can compensate for the light distribution pattern of FIG. 7 and the spatial distribution of dimming during propagation through the light guide member 21, and the effective display area or virtual image display area AI shown in FIG. 6B. The luminance of the image displayed on the screen can be set substantially uniformly.

図9(A)は、図6(B)の有効表示領域又は虚像表示領域AIに相当するものであり、観察者に見える画像の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図9(B)は、図9(A)のAA断面における輝度分布をグラフ化したものである。図9(A)及び9(B)から明らかなように、フィルター50を設けたことにより、有効表示領域又は虚像表示領域AI内の輝度分布は比較的一様なものとなっている。   FIG. 9A corresponds to the effective display area or the virtual image display area AI in FIG. 6B, and shows the luminance distribution of the image seen by the observer as a specific gray-scale distribution. FIG. 9B is a graph showing the luminance distribution in the AA cross section of FIG. As is clear from FIGS. 9A and 9B, by providing the filter 50, the luminance distribution in the effective display area or the virtual image display area AI is relatively uniform.

図9(C)は、比較例の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図9(D)は、図9(C)のAA断面における輝度分布をグラフ化したものである。この比較例では、図2(A)等に示す第1表示装置100Aからフィルター50が除かれている。図9(C)及び9(D)から明らかなように、フィルター50を設けない場合、有効表示領域又は虚像表示領域AI内の輝度分布は、図6に示す一対の投射像IM1,IM2の領域に対応して大きな偏りを有するものとなっている。   FIG. 9C shows the luminance distribution of the comparative example as a specific light and shade distribution, and FIG. 9D is a graph showing the luminance distribution in the AA cross section of FIG. 9C. In this comparative example, the filter 50 is removed from the first display device 100A shown in FIG. As is clear from FIGS. 9C and 9D, when the filter 50 is not provided, the luminance distribution in the effective display area or the virtual image display area AI is the area of the pair of projection images IM1 and IM2 shown in FIG. Corresponding to the above.

〔F.その他〕
図10は、図2(A)等に示す導光部材21に稜を除去するような端面21hを設けている理由を説明する拡大図である。導光部材21の稜121hに近い位置に入射した画像光GLは、第3反射面21cで反射された後に第1反射面21aで反射されるが、第1反射面21aでの反射後に第3反射面21cで再度反射されてしまう。このような再反射光としての不要光HLは、第3反射面21cでの反射によって元の画像光GLと平行でなくなってしまい想定外の光路に導かれるが、その一部が光射出部B3に導かれて光射出面OSから射出される可能性がある。つまり、稜121hで発生する不要光HLは、望まれないゴースト光GGとなるので、予め除去することが望ましい。このため、稜121hを除去して迷光阻止用の端面21hを設け、不要光HLの光路に制限を設けている。
[F. Others]
FIG. 10 is an enlarged view for explaining the reason why the light guide member 21 shown in FIG. The image light GL incident on a position near the ridge 121h of the light guide member 21 is reflected by the first reflecting surface 21a after being reflected by the third reflecting surface 21c, but the third after the reflection by the first reflecting surface 21a. It is reflected again by the reflecting surface 21c. Such unnecessary light HL as re-reflected light is not parallel to the original image light GL due to reflection on the third reflecting surface 21c, and is guided to an unexpected optical path, but a part of the unnecessary light HL is light emitting part B3. May be emitted from the light exit surface OS. That is, the unnecessary light HL generated at the ridge 121h becomes an unwanted ghost light GG, so it is desirable to remove it in advance. For this reason, the edge 121h is removed to provide a stray light blocking end surface 21h, thereby limiting the optical path of the unnecessary light HL.

図11は、図2(A)等に示す導光部材21の変形例を説明する拡大図である。この場合、導光部材21の第4反射面21d側に稜121iを除去するような端面21iを設けている。つまり、導光部材21は、8面の多面体状の外形を有するものとなっている。端面21iには、例えば比較的高い反射率のコート又は粗面が施され、光透過部材23にも端面21iにフィットする段差を設けている。このような端面21iを設けることで、導光部材21を伝播する正規の画像光GLが第4反射面21dで2度以上反射され不要光HLとして観察者の眼EYに入射すること、或いは3回未満の反射で導光部B2を通過する画像光等である不要光HLが光射出面OSを介して外部に射出されることを防止できる。つまり、端面21iは、想定外の経路を経ることで元の画像光GLに対して傾いてしまう不要光HLが望まれないゴースト光GGとなるのを防止している。   FIG. 11 is an enlarged view for explaining a modification of the light guide member 21 shown in FIG. In this case, an end surface 21 i that removes the ridge 121 i is provided on the fourth reflecting surface 21 d side of the light guide member 21. That is, the light guide member 21 has an 8-sided polyhedral outer shape. For example, a relatively high reflectance coat or rough surface is applied to the end surface 21i, and the light transmitting member 23 is also provided with a step that fits the end surface 21i. By providing such an end surface 21i, the regular image light GL propagating through the light guide member 21 is reflected twice or more by the fourth reflecting surface 21d and enters the observer's eye EY as unnecessary light HL, or 3 It is possible to prevent unnecessary light HL that is image light or the like passing through the light guide portion B2 with less than the number of reflections from being emitted to the outside through the light emission surface OS. That is, the end face 21i prevents unwanted light HL that is inclined with respect to the original image light GL through an unexpected path from becoming unwanted ghost light GG.

以上の説明では、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出された画像光GL11,GL12の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計3回で、液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出された画像光GL21,GL22の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計5回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材21の外形(すなわち厚みt、距離D、鋭角α,β)の調整によって、画像光GL11,GL12の全反射回数を計5回とし、画像光GL21,GL22の全反射回数を計7回とすることもできる。また、以上では、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ISと光射出面OSとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材21を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が偶数となる。   In the above description, the total number of reflections of the image light GL11 and GL12 emitted from the first partial region A10 including the first display point P1 on the right side of the liquid crystal display device 32 by the first and second reflection surfaces 21a and 21b is calculated. The total number of reflections of the image light GL21 and GL22 emitted from the second partial area A20 including the second display point P2 on the left side of the liquid crystal display device 32 by the first and second reflection surfaces 21a and 21b is 5 in total. However, the total number of reflections can be changed as appropriate. That is, by adjusting the outer shape (that is, thickness t, distance D, acute angles α, β) of the light guide member 21, the total number of reflections of the image light GL11, GL12 is set to five times, and the total reflection number of the image light GL21, GL22 A total of seven times can be used. In the above description, the total number of reflections of the image lights GL11, GL12, GL21, and GL22 is an odd number. However, if the light incident surface IS and the light exit surface OS are arranged on the opposite side, that is, the light guide member 21. Is a parallelogram type in plan view, the total number of reflections of the image lights GL11, GL12, GL21, and GL22 is an even number.

〔G.まとめ〕
以上説明した第1実施形態の虚像表示装置100では、光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLが導光部の第1及び第2反射面21a,21bで全反射されつつ伝搬され、光射出部B3の第4反射面21dで反射されて虚像として観察者の眼EYに入射する。この際、画像表示装置11の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出される第1画像光GL11,GL12の導光部における反射回数と、画像表示装置11の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出される第2画像光GL21,GL22の導光部B2における反射回数とが異なるので、光射出部B3から射出される画像光GLの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置11における異なる部分領域A10,A20からの画像光GLを比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部B3越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように、反射回数が異なる画像光GLを取り出す構造とすることにより、導光部B2をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部B3を大きくすることができるので、光射出部B3を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察も可能になる。
[G. (Summary)
In the virtual image display device 100 according to the first embodiment described above, the image light GL reflected by the third reflecting surface 21c of the light incident portion B1 is totally reflected by the first and second reflecting surfaces 21a and 21b of the light guide portion. And is reflected by the fourth reflecting surface 21d of the light emitting part B3 and enters the observer's eye EY as a virtual image. At this time, the number of reflections of the first image light GL11 and GL12 emitted from the first partial region A10 including the first display point P1 of the image display device 11 in the light guide portion and the second display point P2 of the image display device 11 are displayed. Since the number of reflections of the second image light GL21 and GL22 emitted from the second partial region A20 including the light guide portion B2 is different, the angle width of the emission angle of the image light GL emitted from the light emission portion B3 is widened. Can take. That is, the image light GL from the different partial areas A10 and A20 in the image display device 11 can be taken in with a relatively wide viewing angle, and a large display size of the virtual image observed through the light emitting part B3 is ensured. be able to. In this way, by adopting a structure that takes out the image light GL with different number of reflections, the light emission part B3 can be enlarged so as to cover the pupil without making the light guide part B2 too thick, so the light emission part B3 It is no longer necessary to divide the pupil close to the pupil, a large eye ring diameter can be secured, and good see-through observation is also possible.

また、上記第1実施形態の虚像表示装置100では、フィルター50が投射光学系12から導光装置20までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置20とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置100によって表示される虚像のサイズを大きくしつつ表示される虚像を高品位のものとすることができる。   In the virtual image display device 100 according to the first embodiment, the filter 50 is disposed between the projection optical system 12 and the light guide device 20 and changes the spatial distribution of the transmitted light amount. Even if an image as a virtual image formed by the optical device 20 has relatively large luminance spots, an image in which the luminance spots are suppressed can be displayed to an observer. Thereby, the virtual image displayed while enlarging the size of the virtual image displayed by the virtual image display apparatus 100 can be made into a high quality thing.

〔第2実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第2実施形態の虚像表示装置は、第1実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the virtual image display device according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The virtual image display device according to the second embodiment is a partial modification of the virtual image display device 100 according to the first embodiment, and parts not specifically described are the same as those of the virtual image display device 100 according to the first embodiment. And

図12に示すように、フィルター150は、導光部材21の光入射面ISに接着されている。   As shown in FIG. 12, the filter 150 is bonded to the light incident surface IS of the light guide member 21.

図13(A)及び13(B)に示すように、フィルター150は、光透過性の基板51上に金属反射膜52を形成したものであり、接着層61を介して導光部材21の光射出面OSに接着されている。接着層61は、導光部材21よりも適度に低屈折率の光透過層である。具体的には、導光部材21の屈折率が1.5であるとした場合に、接着層61の屈折率は、1.3以下に設定されている。これにより、導光部材21内で伝搬される画像光GLが光射出面OS又は第1反射面21aの内面で全反射されず減衰することを防止できる。   As shown in FIGS. 13A and 13B, the filter 150 is obtained by forming a metal reflective film 52 on a light-transmitting substrate 51, and the light of the light guide member 21 through an adhesive layer 61. Bonded to the injection surface OS. The adhesive layer 61 is a light transmission layer having a moderately lower refractive index than the light guide member 21. Specifically, when the refractive index of the light guide member 21 is 1.5, the refractive index of the adhesive layer 61 is set to 1.3 or less. Thereby, it is possible to prevent the image light GL propagated in the light guide member 21 from being attenuated without being totally reflected by the light exit surface OS or the inner surface of the first reflection surface 21a.

図14(A)に示すように、フィルター150は、略100%の透過性を有する透過部50cに対して、略100%の遮光性を有する遮光部50dを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。遮光部50dは、基板51上にランダムに配列された多数の円形領域AMからなり、図13(B)に示す金属反射膜52に相当する。基板51上における円形領域AMの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を例えば50%〜90%の範囲で調整することができ、透過率の2次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター150に形成した2次元的な透過率分布によって画像光の輝度斑を補償することができる。   As shown in FIG. 14A, the filter 150 is a micro-pattern type in which a light shielding part 50d having a light shielding property of approximately 100% is formed in a predetermined pattern with respect to a light transmitting part 50c having a light transmittance of approximately 100%. It is a filter. The light shielding part 50d is composed of a large number of circular areas AM arranged at random on the substrate 51, and corresponds to the metal reflection film 52 shown in FIG. By adjusting the density of the circular area AM on the substrate 51, the macroscopic transmittance at that position can be adjusted within a range of, for example, 50% to 90%, and the two-dimensional distribution or pattern of the transmittance can be adjusted. Can be formed. That is, the uneven brightness of the image light can be compensated by the two-dimensional transmittance distribution formed on the filter 150.

図14(B)は、図14(A)に示すフィルター150の変形例を示す。この場合、フィルター250は、略100%の遮光性を有する遮光部50eに対して、略100%の透過性を有する透過部50fを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。透過部50fは、基板51上にランダムに配列された多数の円形領域AMからなり、円形領域AMを除いた領域は、図13(B)に示す金属反射膜52に相当する。基板51上における円形領域AMの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を調整することができ、透過率の2次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター250に形成した2次元的な透過率分布によって画像光GLの輝度斑を補償することができる。なお、フィルター250に設けた透過部50fのサイズは、回折を抑制するため、0.2mm以上とする。   FIG. 14B shows a modification of the filter 150 shown in FIG. In this case, the filter 250 is a micro-pattern type filter in which a transmissive portion 50f having substantially 100% transmittance is formed in a predetermined pattern with respect to the light shielding portion 50e having approximately 100% light shielding properties. The transmissive part 50f is composed of a large number of circular areas AM randomly arranged on the substrate 51, and the area excluding the circular area AM corresponds to the metal reflection film 52 shown in FIG. By adjusting the density of the circular area AM on the substrate 51, the macroscopic transmittance at the position can be adjusted, and a two-dimensional distribution or pattern of the transmittance can be formed. That is, the luminance unevenness of the image light GL can be compensated by the two-dimensional transmittance distribution formed on the filter 250. In addition, the size of the transmission part 50f provided in the filter 250 is 0.2 mm or more in order to suppress diffraction.

第2実施形態の場合、フィルター150,250を構成する金属反射膜52について吸収率や反射率の調整が不要となり、フィルター150,250の透過率分布の調整が簡易で精密なものとなる。   In the case of the second embodiment, it is not necessary to adjust the absorptance and reflectance of the metal reflective film 52 constituting the filters 150 and 250, and the adjustment of the transmittance distribution of the filters 150 and 250 is simple and precise.

以上の第2実施形態において、円形領域AMのサイズを一様とする必要はなく、例えば位置に応じて円形領域AMのサイズを変更することができる。   In the second embodiment described above, it is not necessary to make the size of the circular area AM uniform. For example, the size of the circular area AM can be changed according to the position.

以上の第2実施形態において、金属反射膜52によって形成する円形領域AMは単なる例示であり、楕円領域、矩形領域等によって画像光GLの遮光や透過を行うことができる。   In the second embodiment described above, the circular area AM formed by the metal reflective film 52 is merely an example, and the image light GL can be blocked or transmitted by an elliptical area, a rectangular area, or the like.

なお、金属反射膜52に部分的な透過部50c,50fを形成するのではなく、金属反射膜52の厚みを局所的に変化させることにより、金属反射膜52自体に2次元的な透過率の分布を形成することもできる。   Instead of forming the partial transmission portions 50c and 50f in the metal reflection film 52, the thickness of the metal reflection film 52 is locally changed, so that the metal reflection film 52 itself has a two-dimensional transmittance. A distribution can also be formed.

〔第3実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第3実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第3実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the virtual image display device of the third embodiment is a partial modification of the virtual image display device 100 of the first or second embodiment, and the portions that are not particularly described are the same as the virtual image display device 100 of the first embodiment or the like. It shall be the same.

図15に示すように、フィルター350は、導光部材21の光射出面OSに接着されている。フィルター350は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターであるが、図8(B)に示すフィルター50とは吸収率分布が異なっている。   As shown in FIG. 15, the filter 350 is bonded to the light exit surface OS of the light guide member 21. The filter 350 is an ND filter having a two-dimensional absorption rate distribution like the filter 50 in the first embodiment, but the absorption rate distribution is different from that of the filter 50 shown in FIG.

フィルター350は、図16において等高線CLに示すように、2つの低透過率の領域を有する。これにより、図9(C)及び9(D)に示すような輝度分布を実質的に相殺することができる。つまり、フィルター350に形成した2次元的な透過率分布によって画像光GLの輝度斑を補償することができる。   The filter 350 has two low-transmittance regions as indicated by the contour line CL in FIG. Thereby, the luminance distribution as shown in FIGS. 9C and 9D can be substantially canceled. That is, the luminance unevenness of the image light GL can be compensated by the two-dimensional transmittance distribution formed on the filter 350.

なお、フィルター350は、導光部材21よりも適度に低屈折率の光透過層を介して導光部材21に接着することができる。また、フィルター350は、NDフィルターに限らず、第2実施形態の図13(B)等に示すように、光透過性の基板51上に金属反射膜52を形成したものとすることができる。   The filter 350 can be bonded to the light guide member 21 through a light transmission layer having a refractive index that is moderately lower than that of the light guide member 21. In addition, the filter 350 is not limited to the ND filter, and may be one in which a metal reflective film 52 is formed on a light-transmitting substrate 51 as shown in FIG. 13B of the second embodiment.

〔第4実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第4実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第4実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a fourth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the virtual image display device of the fourth embodiment is a partial modification of the virtual image display device 100 of the first or second embodiment, and the parts not specifically described are the same as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment. Suppose that

図17に示すように、投射光学系12の最も光射出側のレンズL3の表面にフィルター450が形成されている。このフィルター450は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができる。また、フィルター450は、第2実施形態の図13(B)等に示すフィルター150,250と同様に、レンズL3の表面上に金属反射膜52を形成したものとすることができる。この場合、レンズL3が金属反射膜52を支持する基板51として機能する。   As shown in FIG. 17, a filter 450 is formed on the surface of the lens L3 closest to the light emission side of the projection optical system 12. The filter 450 can be an ND filter having a two-dimensional absorption distribution similar to the filter 50 in the first embodiment. Further, the filter 450 can be formed by forming the metal reflective film 52 on the surface of the lens L3, similarly to the filters 150 and 250 shown in FIG. 13B of the second embodiment. In this case, the lens L3 functions as the substrate 51 that supports the metal reflective film 52.

〔第5実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第5実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第5実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
[Fifth Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a fifth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the virtual image display device of the fifth embodiment is a partial modification of the virtual image display device 100 of the first or second embodiment, and the portions that are not particularly described are the same as the virtual image display device 100 of the first embodiment or the like. It shall be the same.

図18(A)に示すように、本実施形態の場合、光入射部B1の第3反射面21cにフィルター550を設けている。図18(B)に示すように、フィルター550は、光入射部B1の第3反射面21cに設けたミラー層25の内側に挿入されており、斜面RSとミラー層25との間に挟まれている。フィルター550は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができ、例えば斜面RSに接着される。また、フィルター550は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ミラー層25で反射される画像光GLは、光入射部B1においてフィルター550を往復することで輝度斑補正される。なお、ミラー層25自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ミラー層25がフィルターとして機能している。
As shown in FIG. 18A, in the case of this embodiment, a filter 550 is provided on the third reflecting surface 21c of the light incident portion B1. As shown in FIG. 18B, the filter 550 is inserted inside the mirror layer 25 provided on the third reflecting surface 21c of the light incident part B1, and is sandwiched between the slope RS and the mirror layer 25. ing. The filter 550 can be an ND filter having a two-dimensional absorption distribution similar to the filter 50 in the first embodiment, and is bonded to the slope RS, for example. The filter 550 can also be an attenuation type reflection film.
In the case of the present embodiment, the image light GL reflected by the mirror layer 25 is corrected for luminance unevenness by reciprocating the filter 550 in the light incident part B1. It should be noted that the same luminance unevenness correction can be achieved by providing the reflectance distribution of the mirror layer 25 itself, and in this case, the mirror layer 25 functions as a filter.

〔第6実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第6実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第6実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
[Sixth Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a sixth embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the virtual image display device of the sixth embodiment is a partial modification of the virtual image display device 100 of the first or second embodiment, and portions not specifically described are the same as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment or the like. It shall be the same.

図19(A)に示すように、本実施形態の場合、光射出部B3の第4反射面21dにフィルター650を設けている。図19(B)に示すように、フィルター650は、光射出部B3の第4反射面21dに付随させたハーフミラー層28の内側に挿入されており、斜面RSとハーフミラー層28との間に挟まれており、ハーフミラー層28は、接着材層29を介して光透過部材23に接合されている。フィルター650は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができ、例えば斜面RSに接着される。また、フィルター650は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ハーフミラー層28で反射される画像光GLは、光射出部B3においてフィルター650を往復することで輝度斑補正される。なお、ハーフミラー層28自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ハーフミラー層28がフィルターとして機能している。
As shown in FIG. 19A, in the case of the present embodiment, a filter 650 is provided on the fourth reflecting surface 21d of the light emitting portion B3. As shown in FIG. 19 (B), the filter 650 is inserted inside the half mirror layer 28 attached to the fourth reflecting surface 21d of the light emitting portion B3, and between the inclined surface RS and the half mirror layer 28. The half mirror layer 28 is bonded to the light transmission member 23 via the adhesive layer 29. The filter 650 can be an ND filter having a two-dimensional absorption distribution similar to the filter 50 in the first embodiment, and is bonded to the slope RS, for example. The filter 650 can also be an attenuation type reflection film.
In the case of the present embodiment, the image light GL reflected by the half mirror layer 28 is corrected for luminance unevenness by reciprocating the filter 650 in the light emitting part B3. It should be noted that by providing the reflectance distribution of the half mirror layer 28 itself, the same luminance unevenness correction can be performed. In this case, the half mirror layer 28 functions as a filter.

〔変形例等〕
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。
[Modifications, etc.]
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.

図20(A)は、図2(A)等に示す導光部材21の変形例を説明する図である。以上の説明では、導光部材21を伝播する画像光が第1及び第2反射面21a,21bに対して2つの反射角γ1,γ2のみで全反射されるとしたが、図10(A)に示す変形例の導光部材21のように、3つの成分の画像光GL31,GL32,GL33が反射角γ1,γ2,γ3(γ1>γ2>γ3)でそれぞれ全反射されることを許容することもできる。この場合、液晶表示デバイス32から射出される画像光GLは、3つのモードで伝搬され、観察者の眼EYの位置において合成されて虚像となる。この場合、図20(B)に示すように、虚像表示領域又は有効表示領域A0の左側に例えば計3回全反射の投射像IM21が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域A0の中央寄りに例えば計5回全反射の投射像IM22が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域A0の右側に例えば計7回全反射の投射像IM23が形成される。   FIG. 20A is a diagram illustrating a modification of the light guide member 21 illustrated in FIG. In the above description, the image light propagating through the light guide member 21 is totally reflected at only the two reflection angles γ1 and γ2 with respect to the first and second reflection surfaces 21a and 21b. As shown in the light guide member 21 of the modification shown in FIG. 3, the image light GL31, GL32, and GL33 of the three components are allowed to be totally reflected at the reflection angles γ1, γ2, and γ3 (γ1> γ2> γ3). You can also. In this case, the image light GL emitted from the liquid crystal display device 32 is propagated in three modes and is synthesized at the position of the eye EY of the observer to become a virtual image. In this case, as shown in FIG. 20B, a total reflection projection image IM21 is formed, for example, three times on the left side of the virtual image display area or effective display area A0, and is closer to the center of the virtual image display area or effective display area A0. For example, a total reflection projection image IM22 is formed five times in total, and a total reflection projection image IM23 is formed seven times in total on the right side of the virtual image display area or effective display area A0.

上記実施形態では、導光部材21の第4反射面21dに設けたハーフミラー層28の反射率を20%としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層28の反射率を50%以上として画像光を優先することもできる。なお、ハーフミラー層28は、第4反射面21dの全面に形成されなくてもよく、一部の必要領域にのみ形成されるものとできる。なお、ハーフミラー層28は、光透過部材23の第3面23c上に形成することもできる。   In the above embodiment, the see-through is given priority by setting the reflectance of the half mirror layer 28 provided on the fourth reflecting surface 21d of the light guide member 21 to 20%. However, the reflectance of the half mirror layer 28 is set to 50% or more. Priority can be given to light. Note that the half mirror layer 28 does not have to be formed on the entire surface of the fourth reflecting surface 21d, and can be formed only in a part of the necessary region. The half mirror layer 28 can also be formed on the third surface 23 c of the light transmission member 23.

光透過部材23の形状は、導光部材21を横すなわちX方向に延長するものに限らず、導光部材21を上下から挟むように拡張した部分を含むものとできる。   The shape of the light transmissive member 23 is not limited to the shape in which the light guide member 21 extends laterally, that is, in the X direction, and may include a portion that is extended so as to sandwich the light guide member 21 from above and below.

上記実施形態では、照明装置31からの照明光SLに特に指向性を持たせていないが、照明光SLに液晶表示デバイス32の位置に応じた指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス32を効率的に照明することができ、画像光GLの位置による輝度ムラを低減でき、フィルター50,150,250,350,450,550,650の負担を低減できる。   In the above embodiment, the illumination light SL from the illumination device 31 is not particularly directed, but the illumination light SL can be provided with directivity corresponding to the position of the liquid crystal display device 32. Thereby, the liquid crystal display device 32 can be efficiently illuminated, luminance unevenness due to the position of the image light GL can be reduced, and the burden on the filters 50, 150, 250, 350, 450, 550, and 650 can be reduced.

上記実施形態では、液晶表示デバイス32の表示輝度を特に調整していないが、図6(B)に示すような投射像IM1,IM2の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。これによっても、フィルター50,150,250,350,450,550,650の過度の負担を低減できる。   In the above embodiment, the display brightness of the liquid crystal display device 32 is not particularly adjusted, but the display brightness can be adjusted according to the range and overlap of the projection images IM1 and IM2 as shown in FIG. . Also by this, the excessive burden of the filters 50, 150, 250, 350, 450, 550, 650 can be reduced.

上記実施形態では、画像表示装置11として、透過型の液晶表示デバイス32等を用いているが、画像表示装置11としては、透過型の液晶表示デバイス32に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス32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、画像表示装置11として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。   In the above-described embodiment, the transmissive liquid crystal display device 32 or the like is used as the image display device 11. However, the image display device 11 is not limited to the transmissive liquid crystal display device 32, and various devices can be used. . For example, a configuration using a reflective liquid crystal display device is possible, and a digital micromirror device or the like can be used instead of the liquid crystal display device 32. Further, as the image display device 11, a self-luminous element represented by an LED array, an OLED (organic EL), or the like can be used.

上記実施形態の虚像表示装置100では、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及び導光装置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と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。   In the virtual image display device 100 of the above-described embodiment, the image forming device 10 and the light guide device 20 are provided 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 device 20 may be provided for only one eye.

上記実施形態では、光入射面ISを通る第1光軸AX1と光入射面ISを通る第2光軸AX2とが平行であるとしたが、これらの光軸AX1,AX2を非平行とすることもできる。   In the above embodiment, the first optical axis AX1 passing through the light incident surface IS and the second optical axis AX2 passing through the light incident surface IS are parallel, but these optical axes AX1 and AX2 are made non-parallel. You can also.

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反射面21a,21b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反射面21a,21b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、第1及び第2反射面21a,21b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第1及び第2反射面21a,21b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 reflecting surfaces 21a and 21b, 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 includes reflection formed by forming a mirror coat or a half mirror film on the whole or a part of the first and second reflection surfaces 21a and 21b. For example, after the incident angle of the image light satisfies the total reflection condition, the first and second reflection surfaces 21a and 21b are subjected to mirror coating or the like to reflect substantially all the image light. Cases are also included. In addition, as long as image light with sufficient brightness can be obtained, the first and second reflecting surfaces 21a and 21b may be entirely or partially coated with a somewhat transmissive mirror.

上記の説明では、導光部材21が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、導光部材21は、縦方向に延びるものとできる。この場合、光学パネル110は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。   In the above description, the light guide member 21 extends in the horizontal direction in which the eyes EY are arranged. However, the light guide member 21 can be extended in the vertical direction. In this case, the optical panels 110 are arranged in parallel, not in series.

10…画像形成装置、 11…画像表示装置、 12…投射光学系、 20…導光装置、 21…導光部材、 21a,21b,21c,21d…第1〜第4反射面、 21e…上面、 21f…下面、 21h,21i…端面、 23…光透過部材、 23a,23b,23c…面、 25…ミラー層、 27…ハードコート層、 28…ハーフミラー層、 31…照明装置、 32…液晶表示デバイス、 32b…表示領域、 34…駆動制御部、 50,150,250,350,450…フィルター、 51…基板上、 52…金属反射膜、 100…虚像表示装置、 100A,100B…表示装置、 110…光学パネル、 121…フレーム、 131,132…駆動部、 AX1…第1光軸、 AX2…第2光軸、 B1…光入射部、 B2…導光部、 B3…光射出部、 B4…透視部、 EY…眼、 FS…平坦面、 GL…画像光、 GL'…外界光、 GL11,GL12,GL21,GL22…画像光、 IM1,IM2…投射像、 IS…光入射面、 L1,L2,L3…レンズ、 OS…光射出面、 P1…表示点、 P2…表示点、SL…照明光。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image forming apparatus, 11 ... Image display apparatus, 12 ... Projection optical system, 20 ... Light guide apparatus, 21 ... Light guide member, 21a, 21b, 21c, 21d ... 1st-4th reflective surface, 21e ... Upper surface, 21f ... lower surface, 21h, 21i ... end face, 23 ... light transmitting member, 23a, 23b, 23c ... surface, 25 ... mirror layer, 27 ... hard coat layer, 28 ... half mirror layer, 31 ... lighting device, 32 ... liquid crystal display Device 32b ... Display area 34 Drive controller 50, 150, 250, 350, 450 ... Filter 51 On substrate 52 Metal reflective film 100 Virtual image display device 100A 100B Display device 110 ... Optical panel, 121 ... Frame, 131, 132 ... Drive part, AX1 ... First optical axis, AX2 ... Second optical axis, B1 ... Light incident part, B2 ... Lead Light part, B3: Light emitting part, B4: Transparent part, EY ... Eye, FS ... Flat surface, GL ... Image light, GL '... External light, GL11, GL12, GL21, GL22 ... Image light, IM1, IM2 ... Projection Image: IS: Light incident surface, L1, L2, L3: Lens, OS: Light exit surface, P1: Display point, P2: Display point, SL: Illumination light.

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、(a)画像光を形成する画像表示装置と、(b)画像表示装置から射出された画像光を入射させる投射光学系と、(c)導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜により外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にするとともに、外界光の観察を可能にする導光装置とを備え、(d)前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第1反射面と第2反射面とを有し、(e)投射光学系から光入射部までの間に配置され、中心部分と周辺部分とで透過率が異なる2次元的な透過率分布を有し、画像表示装置から射出される画像光の輝度分布を補償するフィルターと、を備える。
In order to solve the above problems, a virtual image display device according to the present invention includes (a) an image display device that forms image light, (b) a projection optical system that makes the image light emitted from the image display device enter, c) a light guide part, a light incident part for causing image light to enter the light guide part, and image light guided by the light guide part by a reflective film having light transmittance including a metal reflective film or a dielectric multilayer film. And a light guide device that enables observation of image light through the light emission portion and observation of external light , and (d) the light guide portion , Having a first reflection surface and a second reflection surface that are arranged in parallel to each other and enable light guide by total reflection; (e) arranged between the projection optical system and the light incident portion , and a central portion and a periphery The image emitted from the image display device has a two-dimensional transmittance distribution that differs in transmittance from part to part. And a filter for compensating the luminance distribution of the image light .

上記虚像表示装置では、光入射部に入射した画像光が導光部の第1及び第2反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜により反射されて虚像として観察者の眼に入射する。この場合、有効瞳径を大きくでき、表示される虚像を高品位で大きなサイズとすることができる。また、光射出部が金属反射膜または誘電体多層膜を含む光透過性を有する反射膜を有することによって、反射膜を介してシースルー観察が可能になり、外界像に虚像の画像を重ね合わせて観察することができる。さらに、上記虚像表示装置では、フィルターが投射光学系から光入射部までの間に配置され、中心部分と周辺部分とで透過率が異なる2次元的な透過率分布を有し、画像表示装置から射出される画像光の輝度分布を補償するので、シースルー観察に影響を与えることなく、投射光学系と導光装置とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。
In the virtual image display device, the image light incident on the light incident portion is propagated while being totally reflected by the first and second reflection surfaces of the light guide portion, and includes a light reflecting portion including a metal reflective film or a dielectric multilayer film. Is reflected by the reflective film having the property and enters the observer's eye as a virtual image. In this case, the effective pupil diameter can be increased, and the displayed virtual image can be made large in size with high quality. In addition, since the light emitting portion has a light-transmissive reflective film including a metal reflective film or a dielectric multilayer film, see-through observation is possible through the reflective film , and a virtual image is superimposed on the external image. Can be observed. Further, in the virtual image display device, the filter is disposed between the projection optical system and the light incident portion , and has a two-dimensional transmittance distribution in which the transmittance is different between the central portion and the peripheral portion. Since the brightness distribution of the emitted image light is compensated, the image as a virtual image formed by the projection optical system and the light guide device has a relatively large brightness spot without affecting see-through observation. In addition, an image in which the luminance unevenness is suppressed can be displayed to the observer.

Claims (11)

画像光を形成する画像表示装置と、
前記画像表示装置から射出された前記画像光を入射させる投射光学系と、
導光部と、前記導光部に前記画像光を入射させる光入射部と、前記導光部によって導かれた前記画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、前記光射出部を介して前記画像光の観察を可能にする導光装置とを備え、
前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第1反射面と第2反射面とを有し、
前記光入射部は、前記第1反射面に対して所定の角度をなす第3反射面を有し、
前記光射出部は、前記第1反射面に対して所定の角度をなす第4反射面を有し、
前記反射面を介して前記光射出部の前記第4反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材をさらに備え、
前記投射光学系から前記導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターと、を備える虚像表示装置。
An image display device for forming image light;
A projection optical system for making the image light emitted from the image display device incident;
A light guide unit; a light incident unit that causes the image light to enter the light guide unit; and a light emission unit that emits the image light guided by the light guide unit to the outside. A light guide device that enables observation of the image light through,
The light guide unit has a first reflection surface and a second reflection surface that are arranged in parallel to each other and enable light guide by total reflection,
The light incident portion has a third reflecting surface that forms a predetermined angle with respect to the first reflecting surface;
The light emitting portion has a fourth reflecting surface that forms a predetermined angle with respect to the first reflecting surface,
A light transmission surface that has a light transmission surface bonded to the fourth reflection surface of the light emitting portion via the reflection surface, and further comprises a light transmission member that constitutes a fluoroscopic portion in combination with the light guide device;
A virtual image display device comprising: a filter that is disposed between the projection optical system and the light guide device and that changes a spatial distribution of a passing light amount.
前記フィルターは、吸収によって減光を行うNDフィルターである、請求項1に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 1, wherein the filter is an ND filter that reduces light by absorption. 前記フィルターは、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである、請求項1に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 1, wherein the filter is a filter in which a metal reflective film is formed on a light-transmitting substrate. 前記フィルターは、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである、請求項1から3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   4. The virtual image display device according to claim 1, wherein the filter is a micro-pattern type filter in which a transmission part and a light-shielding part are formed in a predetermined pattern. 5. 前記フィルターの前記所定パターンを形成する前記透過部は、それぞれ0.2mm以上のサイズを有する、請求項4に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 4, wherein each of the transmissive portions forming the predetermined pattern of the filter has a size of 0.2 mm or more. 前記フィルターは、前記投射光学系と前記光入射部の光入射面との間に設けられている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to any one of claims 1 to 5, wherein the filter is provided between the projection optical system and a light incident surface of the light incident portion. 前記導光装置は、前記導光部と前記光入射部と前記光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、
前記フィルターは、前記導光装置の前記光入射面に前記導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して前記光入射面に接着されている、請求項6に記載の虚像表示装置。
The light guide device is a block-shaped member in which the light guide unit, the light incident unit, and the light emitting unit are integrated,
The virtual image display according to claim 6, wherein the filter is bonded to the light incident surface of the light guide device via a light transmission layer having a refractive index lower than the light guide device by a predetermined refractive index or more. apparatus.
前記フィルターは、前記投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている、請求項6に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 6, wherein the filter is formed on a surface of a lens constituting the projection optical system. 前記フィルターは、前記光射出部の光射出面上に配置されている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 1, wherein the filter is disposed on a light emission surface of the light emission unit. 前記フィルターは、前記第2反射面と前記第3反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   6. The virtual image display device according to claim 1, wherein the filter is attached to at least one of the second reflecting surface and the third reflecting surface. 7. 前記フィルターは、位置によって異なる透過率分布を有している、請求項1から10までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 1, wherein the filter has a transmittance distribution that varies depending on a position.
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