JP2017003845A - 導光装置及び虚像表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1の装置では、導光板の一端側から導入された映像光が、導光板を斜めに横切る複数のHMを次々と透過しつつ反射されて観察者に届く。特許文献2の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、外側の表面で反射された後に、導光板を斜めに横切る複数のHMで反射されて観察者に向かう。特許文献3の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、観察者側の表面で反射された後に、導光板を斜めに横切る複数のHMで反射されて観察者に向かう。この際、効率を上げるため、HMに入射する光のうち、大きな入射角度(50度〜70度)の光線については反射率をほぼゼロにし、小さな角度(40度以下)の光線については、所定の反射率となる様に設定される。特許文献4の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、観察者側の表面で反射された後に、複数のHMで反射されて観察者に向かう。ここで、HMを設けた領域又は層の厚さは、導光板より薄く設定されており、HMを透過させることなく映像光を観察することができる。特許文献5の図1に示す装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、外界側の表面で反射された後、HMで反射され、観察者に向かう。ここで、HMを設けた領域は、導光板と同じ厚みがあり、ディスプレイから離れるに従って、HMの反射率が順次高くなることが特徴となっている。
上記特許文献4に記載の装置では、HMを配列して成る反射ユニットの厚みが、導光体よりも薄いので、奥側のHMにも他のHMを透過せずに光が到達するため、光量ムラが生じない。しかし、反射ユニットの中で、2つの小面を一組とするHM部が配置されており、映像光はHMで2回反射されるため、反射効率が下がる傾向がある。
上記特許文献6に記載の装置でも、光線束の横幅を広げる為、HMで光線束を分割しており、映像光が、奥側に伝搬するにつれ、輝度が下がり、視野の中でムラが生じ、これを解消又は抑制することは容易でない。
なお、導光体については、入射部及び射出部の一方又は双方と一体的に形成される場合があり、この場合、入射部や射出部において、一対の面を延長した部分を設けてもよい。
以下、本発明の第1実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
図1(A)に示す虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置10と、導光装置20とを一組として備える。なお、図1(A)は、図1(B)に示す導光装置20のA−A断面と対応する。
なお、平行導光体22は、観察者の眼EYを基準とする光軸AXに対して傾けて配置されており、その法線方向Zは、光軸AXに対して角κだけ傾いている。この場合、平行導光体22を顔の曲線に沿って配置できるが、平行導光体22の法線は、光軸AXに対して傾きを有するものとなる。このように、平行導光体22の法線を光軸AXに平行なx方向に対して角度κだけ傾ける場合、反射ユニット30から射出させる光軸AX上及びその近傍の映像光GL0は、光射出面OSの法線に対して角度κを成すものとなる。
平行導光体22において、入射部21の反射面RSや光入射面ISの内側で反射された映像光GLは、全反射面である平面22aに入射し、ここで全反射され、導光装置20の奥側即ち射出部23を設けた+x側又はX側に導かれる。
なお、平行導光体22は、導光装置20の外形のうち+x側又はX側の端面を画成する側面として終端面ESを有する。また、平行導光体22は、±y側の端面を画成する上面及び底面として上端面TPと下端面BPとをそれぞれ有している。
ここで、像形成に用いられる映像光GLが射出部23に入射する角度は、光源側の入射部21から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部23の奥側には、外界側の平面22aに平行なZ方向又は光軸AXに対して傾きの大きな映像光GLが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部23の前側には、Z方向又は光軸AXに対して傾きの小さな映像光GLが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図2に示すように、液晶デバイス11の射出面11a上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面11aの中央部分から射出される成分を映像光GL0とし、図中一点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面左側(−x及び+z側)から射出される成分を映像光GL1とし、図中二点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面右側(+x及び−z側)から射出される成分を映像光GL2とする。これらのうち映像光GL0の光路は光軸AXに沿って延びるものとする。
具体的には、映像光GL0,GL1,GL2のうち、射出面11aの中央部分から射出された映像光GL0は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、標準反射角θ0で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで反射されないでこれを通過し、射出部23の中央の部分23kに直接的に入射する。映像光GL0は、部分23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから光射出面OSを含むXY面に対して傾いた光軸AX方向(Z方向に対して角κの方向)に平行光束として射出される。
また、射出面11aの一端側(−x側)から射出された映像光GL1は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、最大反射角θ1で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで反射されないでこれを通過し、射出部23のうち奥側(+x側)の部分23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ1は、入射部21側に戻される程度が相対的に大きくなっている。
一方、射出面11aの他端側(+x側)から射出された映像光GL2は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、最小反射角θ2で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで反射されないでこれを通過し、射出部23のうち入口側(−x側)の部分23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ2は、入射部21側に戻される程度が相対的に小さくなっている。
なお、映像光GL0,GL1,GL2は、映像光GLの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光GLを構成する光線成分についても映像光GL0等と同様に導かれ光射出面OSから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
なお、中央向けの映像光GL0は、仰角φ0(=90°−θ0)で射出部23の部分23kに入射し、周辺向け映像光GL1は、仰角φ1(=90°−θ1)で射出部23の部分23hに入射し、周辺向け映像光GL2は、仰角φ2(=90°−θ2)で射出部23の部分23mに入射する。ここで、仰角φ0,φ1,φ2間には、反射角θ0,θ1,θ2の大小関係を反映してφ2>φ0>φ1の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット30のハーフミラー31への入射角ι(図3参照)は、仰角φ2に対応する部分23m、仰角φ0に対応する部分23k、仰角φ1に対応する部分23hの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ハーフミラー31への入射角ι又はハーフミラー31での反射角は、入射部21から離れるに従って小さくなる。
なお、図示の例では、映像光GLの光線束が両直進光路P1,P2に跨るような位置で幅が絞られてビーム幅が細くなっているが、直進光路P1,P2のいずれか片側のみで幅が絞られてビーム幅が細くなってもよい。
以下、図2、3等を参照して、射出部23の構造及び射出部23による映像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。なお、射出部23は、平行導光体22と同様に、光軸AXに対して角κだけ傾いたXY平面に沿って延びている。
また、図3に示す反射ユニット30の場合、ハーフミラー31のピッチが若干広く外界光ELの一部を直接的に通過させるものとしているが、ハーフミラー31のピッチを適宜調整することにより、外界光ELが直接的に通過することを回避できる。
以上で説明した第1実施形態の導光装置20によれば、平行導光体22と反射ユニット30との境界面IFにおいて映像光GLを反射させずに反射ユニット30に入射した映像光GLを反射させて観察者側に向うように設定しているので、映像光GLは、境界面IFで反射されることなく射出部23の反射ユニット30を射出する位置又はその近傍のハーフミラー31を経由するのみとなる。これにより、観察されるべき映像光GLがハーフミラー31を経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、ゴースト光の発生を抑えることにもなる。
見方を変えれば、本実施形態の導光装置20では、反射ユニット30が光軸AX方向に関して平行導光体22の半分程度以下に薄く、反射ユニット30を構成するハーフミラー31が平行導光体22の観察者側よりも外界側で入射部21に近づくように傾斜するとともに、反射ユニット30のうち少なくとも入射部21に近い部分が平行導光体22の観察者側に配置されている。これにより、反射ユニット30のうち入射部21から離れた奥側において、観察されるべき映像光GLの光軸AXに対する傾きを比較的大きくして、入射部21からの映像光GLを反射ユニット30の目標箇所に直接的に入射させることが容易となる。つまり、観察されるべき映像光GLがハーフミラー31を経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、ゴースト光の発生を抑えることにもなる。
また、入射部21を曲面21a,21bで構成しているが、その一方又は双方を平面で構成することもんできる。この場合、曲面21bに対応する部分を平行導光体22の平面22bを延長した平面とすることができる。
また、入射部21において、光入射面ISから入射させた映像光GLを内面で反射させないで、そのまま平行導光体22に結合する構成とすることもできる。
さらに、平行導光体22は、完全な平行平板に限らず、若干の湾曲や楔角を持たせることができる。つまり、平行導光体22の平面22a,22bを非球面その他の湾曲面としたり、相互に傾き角を形成したりすることができる。ただし、平面22a,22bを湾曲させた場合、視度や倍率変化が発生するので、湾曲は少ない方が良い。また、平面22a,22b間に傾きを設けた場合、色分散が生じるので、傾き角は小さい方が望ましい。
以下、実施形態の虚像表示装置に組み込まれる光学系の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
STOP :眼に対応する絞り面
PLANE:眼前又は画像面前の平面
IMAGE:画像面
MA :ミラーアレイ
PSi :平面(i=同種面の面番号)
FFSj :自由曲面(j=同種面の面番号)
ASPk :球面又は平面(k=同種面の面番号)
R :曲率半径
T :軸上面間隔
Nd :光学材料のd線に対する屈折率
Vd :光学材料のd線に関するアッベ数
TLY :特定面の横断面(XZ断面)における光軸の傾斜角度(°)
(TLYについては、特定面の前後で変化する場合がある)
DCX :特定面の横断面(XZ断面)におけるX軸方向の光軸のズレ量
なお、以下の仕様は、すべての実施例において共通する。
虚像画角:25度×9.6度、2.5m先の50インチのモニターに相当
表示素子:9.6mm×5.4mm(0.43インチパネル)
焦点距離:21.7mm
入射瞳径:φ5mm
実施例1を構成する光学面のデータを以下の表1に示す。なお、例えば符号PS1,FFS2は、平行導光体22の平面22a,22bを表し、符号FFS1,FFS2は、入射部21の反射面RSや光入射面ISを表す。符号ASP1〜ASP6は、投射レンズ12のレンズ面を表す。
〔表1〕
No Name T Nd Vd
1 STOP 20.00
2 PLANE 0.50 1.517 64.17
3 MA -0.50 1.517 64.17
4 PS1 -5.00 1.525 55.95
5 PS2 14.00 1.525 55.95
6 FFS1 -7.00 1.525 55.95
7 FFS2 7.00 1.525 55.95
8 FFS1 7.00
9 ASP1 12.00 1.525 55.95
10 ASP2 1.50
11 ASP3 1.00 1.585 29.90
12 ASP4 2.00
13 ASP5 6.00 1.525 55.95
14 ASP6 5.60
15 PLANE 1.10 1.458 67.82
16 IMAGE
〔表2〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
5 PS2 0.00 11.8 65.08
6 FFS1 -54.00 0.0 -54.00
7 FFS2 36.48 0.0 -36.48
8 FFS1 54.00 7.0 32.38
〔表3〕
m n FFS1 FFS2
2 0 4.025E-03 6.215E-03
0 2 6.136E-03 6.836E-03
3 0 2.529E-05 6.218E-05
1 2 1.150E-05 2.657E-05
4 0 2.362E-06 3.504E-06
2 2 1.238E-06 2.624E-06
0 4 4.822E-06 4.171E-06
5 0 0.000E+00 5.012E-08
3 2 0.000E+00 -5.990E-08
1 4 0.000E+00 4.723E-08
6 0 0.000E+00 7.769E-09
4 2 0.000E+00 -2.522E-09
2 4 0.000E+00 -6.814E-09
0 6 0.000E+00 -4.870E-09
〔表4〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.088E-02 -2.844E-02 -5.546E-02 4.503E-02 6.674E-02 -1.370E-02
B4 4.789E-05 7.964E-05 3.746E-04 -2.053E-04 -3.603E-06 1.003E-03
B6 1.379E-07 7.442E-08 -1.359E-06 1.234E-06 -2.773E-06 -1.894E-05
B8 6.850E-10 -7.115E-10 2.222E-09 5.199E-08 2.982E-09 1.120E-07
なお、入出射の屈折面による波長による色分散を防止するために、入射部21側の光軸AXと、射出部23側の光軸AXとは、色分散を相殺する同様の方向傾いている。
投射レンズ12は、3つのレンズL1,L2,L3を有する。これらのレンズL1,L2,L3は、両光学面が非球面のレンズである。
図5(B)は、導光装置20を構成する第1〜第5面S1〜S5のローカル座標を具体的に図示したものである。
実施例2を構成する光学面のデータを以下の表5に示す。
〔表5〕
No Name T Nd Vd
1 STOP 20.00
2 PS1 0.50 1.525 55.95
3 MA -4.50 1.525 55.95
4 PS2 5.00 1.525 55.95
5 PS1 -12.00 1.525 55.95
6 PS3 12.00 1.525 55.95
7 PS1 3.00
8 ASP1 10.00 1.525 55.95
9 ASP2 1.00
10 ASP3 1.00 1.585 29.90
11 ASP4 2.00
12 ASP5 8.00 1.525 55.95
13 ASP6 8.74
14 PLANE 1.10 1.458 67.82
15 IMAGE
〔表6〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
6 PS3 32.00 0.0 -32.00
〔表7〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.261E-02 -9.425E-03 6.069E-03 9.219E-02 7.256E-02 -1.695E-02
B4 -4.971E-05 -2.179E-04 -4.037E-04 -7.190E-04 -3.935E-04 6.896E-06
B6 4.023E-07 1.745E-06 4.321E-06 9.852E-06 3.653E-06 4.050E-07
B8 -4.222E-09 -5.872E-09 -1.277E-08 -4.414E-08 -1.601E-08 -6.515E-09
なお、実施例2の場合、入射部21側の光軸AXと射出部23側の光軸AXとは平行になっている。
投射レンズ12は、3つのレンズL1,L2,L3を有する。これらのレンズL1,L2,L3は、両光学面が非球面のレンズである。
実施例3を構成する光学面のデータを以下の表8に示す。
〔表8〕
No Name T Nd Vd
1 STOP 20.00
2 PS 0.50 1.517 64.17
3 MA -0.50 1.517 64.17
4 PS1 -5.00 1.525 55.95
5 PS2 5.00 1.525 55.95
6 PS1 -10.00 1.525 55.95
7 PS3 10.00 1.525 55.95
8 PS1 4.00
9 ASP1 12.00 1.525 55.95
10 ASP2 0.50
11 ASP3 1.00 1.585 29.90
12 ASP4 2.00
13 ASP5 11.00 1.525 55.95
14 ASP6 6.44
15 PLANE 1.10 1.458 67.82
16 IMAGE
〔表9〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
7 PS3 25.00 0.0 -25.00
8 PS1 0.00 -22.8 23.56
〔表10〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5 ASP6
B2 3.396E-02 -4.156E-02 1.916E-02 1.215E-01 6.757E-02 -1.951E-02
B4 -1.679E-04 5.338E-05 -6.739E-04 -9.379E-04 -4.438E-04 -4.454E-04
B6 1.566E-06 1.826E-06 9.440E-06 6.844E-06 5.699E-06 5.299E-06
B8 -3.074E-09 -9.729E-09 -7.057E-08 -3.857E-08 -2.672E-08 -1.411E-08
投射レンズ12は、3つのレンズL1,L2,L3を有する。これらのレンズL1,L2,L3は、両光学面が非球面のレンズである。
なお、入出射の屈折面による波長による色分散を防止するために、入射部21側の光軸AXと、射出部23側の光軸AXとは、色分散を相殺する同様の方向傾いている。
実施例4を構成する光学面のデータを以下の表11に示す。
〔表11〕
No Name T Nd Vd
1 STOP 20.00
2 PLANE 0.50 1.517 64.17
3 MA -0.50 1.517 64.17
4 PS1 -5.00 1.525 55.95
5 PS2 5.00 1.525 55.95
6 PS1 -11.00 1.525 55.95
7 FFS1 11.00 1.525 55.95
8 PS1 6.00
9 FFS2 11.00 1.525 55.95
10 FFS3 4.00
11 FFS4 1.00 1.585 29.90
12 FFS5 0.70
13 FFS6 10.00 1.525 55.95
14 FFS7 8.66
15 PLANE 1.10 1.458 67.82
16 IMAGE
〔表12〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
6 PS3 20.18 0.0 -20.18
8 PS1 0.00 -22.8 23.56
〔表13〕
m n FFS1 FFS2 FFS3 FFS4
2 0 -1.001E-03 3.217E-02 -5.088E-02 -8.121E-02
0 2 4.459E-04 2.334E-02 -4.626E-02 -8.824E-02
3 0 -6.021E-06 -7.535E-04 -2.173E-03 -1.818E-03
1 2 -2.438E-05 7.471E-05 -1.249E-04 8.272E-04
4 0 5.245E-06 1.536E-05 4.219E-04 5.982E-04
2 2 -3.484E-06 1.888E-04 6.465E-04 8.631E-04
0 4 -1.471E-06 2.049E-05 2.157E-04 2.312E-04
5 0 -3.135E-07 4.773E-06 1.213E-05 1.253E-05
3 2 -3.589E-07 9.190E-06 1.529E-05 -3.229E-06
1 4 2.209E-08 -5.002E-06 -7.891E-06 -4.664E-06
6 0 -2.665E-08 -5.258E-07 -1.878E-06 -1.909E-06
4 2 -3.263E-08 -2.465E-09 -2.628E-06 -3.451E-06
2 4 4.590E-08 -4.226E-07 -2.623E-06 -2.557E-06
0 6 2.520E-08 2.158E-07 -3.016E-07 -1.037E-07
m n FFS5 FFS6 FFS7
2 0 5.047E-02 5.947E-02 -6.516E-02
0 2 3.508E-02 4.575E-02 -7.168E-02
3 0 1.568E-05 3.386E-04 -1.884E-04
1 2 7.011E-04 8.344E-05 2.050E-04
4 0 -3.949E-04 -2.512E-04 3.113E-04
2 2 -1.770E-04 -1.988E-04 5.372E-04
0 4 -4.641E-04 -2.057E-04 3.636E-04
5 0 -6.777E-06 3.364E-06 9.382E-06
3 2 -1.589E-05 -7.256E-06 -4.576E-06
1 4 3.806E-06 1.650E-06 -2.805E-06
6 0 5.946E-07 8.559E-07 1.296E-07
4 2 2.414E-06 2.436E-06 -1.315E-06
2 4 1.224E-06 1.358E-06 -7.629E-07
0 6 1.593E-06 5.668E-07 -8.658E-07
なお、入出射の屈折面による波長による色分散を防止するために、入射部21側の光軸AXと、射出部23側の光軸AXとは、色分散を相殺する同様の方向傾いている。
投射レンズ12は、3つのレンズL1,L2,L3を有する。これらのレンズL1,L2,L3は、両光学面が非球面のレンズである。
実施例5を構成する光学面のデータを以下の表14に示す。
〔表14〕
No Name T Nd Vd
1 STOP 20.00
2 PLANE 0.50 1.517 64.17
3 MA -0.50 1.517 64.17
4 PS1 -6.00 1.525 55.95
5 PS2 12.00 1.525 55.95
6 FFS1 5.00 1.525 55.95
7 ASP1 10.00 1.525 55.95
8 ASP2 3.00
9 ASP3 1.50 1.585 29.90
10 ASP4 1.00
11 ASP5 10.00 1.525 55.95
12 ASP6 6.00
13 PLANE 1.10 1.458 67.82
14 IMAGE
〔表15〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
5 PS2 0.00 16.8 68.93
6 FFS1 -20.29 0.0 31.99
〔表16〕
m n FFS1
2 0 -2.090E-03
0 2 -2.435E-03
3 0 3.217E-05
1 2 1.679E-05
4 0 2.794E-05
2 2 2.988E-05
0 4 2.551E-05
5 0 -2.605E-07
3 2 -2.269E-06
1 4 -3.500E-07
6 0 -5.325E-07
4 2 2.433E-07
2 4 -9.748E-08
0 6 -8.694E-08
〔表17〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5 ASP6
B2 2.824E-02 -5.969E-02 -6.451E-02 9.653E-02 7.941E-02 -5.863E-02
B4 -1.241E-05 4.250E-04 1.714E-04 -1.293E-03 -5.008E-04 2.358E-04
B6 9.445E-07 -2.368E-06 1.280E-06 1.421E-05 4.050E-06 1.477E-06
B8 -6.582E-09 4.155E-09 -1.087E-08 -6.560E-08 -9.310E-09 -9.397E-09
なお、入出射の屈折面による波長による色分散を防止するために、入射部21側の光軸AXと、射出部23側の光軸AXとは、色分散を相殺する同様の方向傾いている。
投射レンズ12は、3つのレンズL1,L2,L3を有する。これらのレンズL1,L2,L3は、両光学面が非球面のレンズである。
以下、本発明の第2実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第2実施形態に係る導光装置は、第1実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
図20(A)に示す虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置10と、導光装置20とを一組として備える。なお、図20(A)は、図20(B)に示す導光装置20のA−A断面と対応する。
平行導光体22において、入射部21の反射面RSで反射された映像光GLは、まず、第2の全反射面である平面22bに入射し、全反射される。次に、当該映像光GLは、第1の全反射面である平面22aに入射し、全反射される。以上のような一対の全反射は、1回又は複数回繰り返され、映像光GLは、導光装置20の奥側即ち射出部23を設けた+x側に導かれる。
ここで、像形成に用いられる映像光GLが射出部23に入射する角度は、第1実施形態の場合と同様に、光源側の入射部21から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部23の奥側には、z方向に対して傾きの大きな映像光GLが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部23の前側には、z方向に対して傾きの小さな映像光GLが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図21に示すように、液晶デバイス11の射出面11a上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面11aの中央部分から射出される成分を映像光GL0とし、図中一点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面左側(−x側)から射出される成分を映像光GL1とし、図中二点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面右側(+x側)から射出される成分を映像光GL2とする。
具体的には、映像光GL0,GL1,GL2のうち、射出面11aの中央部分から射出された映像光GL0は、平行光束として入射部21で反射された後、標準反射角θ0で平行導光体22の観察者側の平面22bに入射し、全反射される。その後、映像光GL0は、標準反射角θ0を保った状態で、一対の平面22a,22bで全反射を繰り返す。映像光GL0は、平面22a,22bにおいて偶数回全反射され、平行導光体22と射出部23又は反射ユニット30との境界面IFでは反射されないでこれを通過し、射出部23の中央の部分23kに入射する。映像光GL0は、部分23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから光射出面OSを含むxy面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。
また、射出面11aの一端側(−x側)から射出された映像光GL1は、平行光束として入射部21で反射された後、最大反射角θ1で平行導光体22の観察者側の平面22bに入射し、全反射される。映像光GL1は、平面22a,22bにおいて複数回全反射され、平行導光体22と射出部23又は反射ユニット30との境界面IFでは反射されないでこれを通過し、射出部23のうち奥側(+x側)の部分23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ1は、入射部21側に戻されるようなものになっており、+x軸に対して鋭角の光線となる。
一方、射出面11aの他端側(+x側)から射出された映像光GL2は、平行光束として入射部21で反射された後、最小反射角θ2で平行導光体22の観察者側の平面22bに入射し、全反射される。映像光GL2は、平面22a,22bにおいて複数回全反射され、平行導光体22と射出部23又は反射ユニット30との境界面IFでは反射されないでこれを通過し、射出部23のうち入口側(−x側)の部分23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ2は、入射部21側から離れるようなものになっており、+x軸に対して鈍角の光線となる。
なお、映像光GL0,GL1,GL2が射出部23に達するまでの全反射回数は、必ずしも一致していない。つまり、図示の例では、映像光GL2との全反射回数が映像光GL1の全反射回数よりも1回以上多くなっており、映像光GL0の全反射回数は、両映像光GL1,GL2の全反射回数と一致する場合を含む。ただし、平面22a,22bでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように映像光GL0,GL1,GL2間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どない。また、映像光GL0,GL1,GL2は、映像光GLの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光GLを構成する光線成分についても映像光GL0等と同様に導かれ光射出面OSから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
なお、中央向けの映像光GL0は、仰角φ0(=90°−θ0)で射出部23の部分23kに入射し、周辺向け映像光GL1は、仰角φ1(=90°−θ1)で射出部23の部分23hに入射し、周辺向け映像光GL2は、仰角φ2(=90°−θ2)で射出部23の部分23mに入射する。ここで、仰角φ0,φ1,φ2間には、反射角θ0,θ1,θ2の大小関係を反映してφ2>φ0>φ1の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット30のハーフミラー31への入射角ι(図22参照)は、仰角φ2に対応する部分23m、仰角φ0に対応する部分23k、仰角φ1に対応する部分23hの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ハーフミラー31への入射角ι又はハーフミラー31での反射角は、入射部21から離れるに従って小さくなる。
以下、図21、22等を参照して、射出部23の構造及び射出部23による映像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
例えば図23(A)に示すように、平行導光体22となるべき母材22iを準備し、反射ユニット30が形成されるべき位置に多数の断面三角形の部分22jが並んだ断面鋸歯状の立体構造部分22kを形成する。この構造部分22kの斜面22mにハーフミラー31となるべき反射層22nを形成し、構造部分22kの溝に液体樹脂を流し込む。これにより、図23(B)に示すように、構造部分22kを構成する各溝に液体樹脂を充填した多数の断面三角形の部分22pが形成され、層状の射出部23すなわち反射ユニット30が完成する。ここで、断面三角形の部分22jの観察者側の頂点を結んだ平面は、反射ユニット30と平行導光体22との間の境界面IFであるものとする。この境界面IFは、機能的な境界を意味しており、材質的に不連続な接合面ではなく材質的に連続するものとなっている。この結果、境界面IFでは、映像光GLの反射が生じない。
なお、図23(A)等では、平行導光体22となる母材22iに反射ユニット30を形成したが、平行導光体22とは別に形成した母材に図23(A)等に示す手法で反射ユニット30を形成し、こうして形成した反射ユニット30を平行導光体22に接合することもできる。
以上の図23(A)及び23(B)に例示する反射ユニット30の製造方法は、第1実施形態の反射ユニット30の製造にも適用可能である。
また、反射ユニット30の中央側や奥側の部分23k,23h等において、映像光GLのうち平行導光体22の裏側又は観察者側(つまり、光射出面OS等)で反射される成分も発生する可能性がある。しかしながら、このような映像光GLは、ハーフミラー31で反射される非利用光GX(図22参照)として光路外に導かれるようになっており、観察者の眼EYに入射することが回避される。なお、ハーフミラー31を通過する非利用光は、外界側の平面22aに再度入射する可能性があるが、ここで全反射された場合、多くは反射ユニット30の奥側の部分23h又はさらに奧側であって有効領域外に入射させることができ、眼EYに入射する可能性が低減される。
以上で説明した第1実施形態の導光装置20によれば、平行導光体22と反射ユニット30との境界面IFにおいて映像光GLを反射させずに反射ユニット30に入射した映像光GLを反射させて観察者側に向うように設定しているので、映像光GLは、境界面IFで反射されることなく射出部23の反射ユニット30を射出する位置又はその近傍のハーフミラー31を経由するのみとなる。これにより、観察されるべき映像光GLがハーフミラー31を経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、ゴースト光の発生を抑えることにもなる。
見方を変えれば、本実施形態の導光装置20では、反射ユニット30が光軸AX方向に関して平行導光体22の半分程度以下に薄く、反射ユニット30を構成するハーフミラー31が平行導光体22の観察者側よりも外界側で入射部21に近づくように傾斜するとともに、反射ユニット30のうち少なくとも入射部21に近い部分が平行導光体22の観察者側に配置されている。これにより、反射ユニット30のうち入射部21から離れた奥側において、観察されるべき映像光GLの光軸AXに対する傾きを比較的大きくして、入射部21からの映像光GLを反射ユニット30の目標箇所に直接的に入射させることが容易となる。つまり、観察されるべき映像光GLがハーフミラー31を経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、ゴースト光の発生を抑えることにもなる。
以上の図24に例示する反射ユニット30の形状又は構造は、第1実施形態においても同様に採用可能である。
以下、実施形態の虚像表示装置に組み込まれる光学系の実施例について説明する。なお、以下の実施例6で使用する記号や仕様は、上記実施例1〜5と同様である。
実施例6を構成する光学面のデータを以下の表18に示す。
〔表18〕
No Name T Nd Vd
1 STOP 20.00
2 PS1 0.50 1.525 55.95
3 MA -4.50 1.525 55.95
4 PS2 5.00 1.525 55.95
5 PS1 -5.00 1.525 55.95
6 PS2 5.00 1.525 55.95
7 PS1 -12.00 1.525 55.95
8 PS3 12.00 1.525 55.95
9 PS1 3.00
10 ASP1 10.00 1.525 55.95
11 ASP2 1.00
12 ASP3 1.00 1.585 29.90
13 ASP4 2.00
14 ASP5 8.00 1.525 55.95
15 ASP6 8.74
16 PLANE 1.10 1.458 67.82
17 IMAGE
を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度TLYと光軸ズレ量DCXとを以下の表19に示す。
〔表19〕
No Type TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
8 PS3 32.00 0.0 -32.00
〔表20〕
ASP1 ASP2 ASP3 ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.261E-02 -9.425E-03 6.069E-03 9.219E-02 7.256E-02 -1.695E-02
B4 -4.971E-05 -2.179E-04 -4.037E-04 -7.190E-04 -3.935E-04 6.896E-06
B6 4.023E-07 1.745E-06 4.321E-06 9.852E-06 3.653E-06 4.050E-07
B8 -4.222E-09 -5.872E-09 -1.277E-08 -4.414E-08 -1.601E-08 -6.515E-09
実施例6の場合、反射回数が異なる複数種類の光路を含んでいるが、形状自体は、実施例2と略一致している。図26(A)は、+z方向を基準として−x側に傾いた方向(反時計回りに傾いた方向)から主に眼EYに入射する映像光GLを示す。また、図26(B)は、+z方向を基準として+x側に傾いた方向(時計回りに傾いた方向)から主に眼EYに入射する映像光GLを示す。
投射レンズ12は、3つのレンズL1,L2,L3を有する。これらのレンズL1,L2,L3は、両光学面が非球面のレンズである。
以下、図29、30を参照して、第3実施形態に係る導光装置及び虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る導光装置及び虚像表示装置は、図2(A)等に示す第1及び第2実施形態の変形例であり、共通する事項については説明を省略する。
なお、射出部23は、反射ユニット30を挟んで平行導光体22の反対側に、反射ユニット30の出射面30bに接合されるプリズム部材23fを有する。これにより、平行導光体22の外界側の平面22bと、この平面22に対向する光射出面OSとが平行になって外界光ELの自然な観察が可能になる。
以上各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。
例えば図31(A)に示すように、平行導光体22の光入射側に設けられる入射部121を裏側の平面22bから突起させる形状とすることもでき、この場合、光入射面ISを観察者側面22bとは別に設けることになるが、平行導光体22に対して映像光GLを斜めに入射させることが容易になる。
さらに、図31(B)に示すように、観察者側面22bで突起する入射部121を設けた場合、一度斜面21fで反射させる構造とすることもでき、この場合、画像形成装置10の配置等に関して設計の自由度を高めることができる。
Claims (17)
- 観察者側及び外界側に対応して対向し略平行に延びる一対の面を有する導光体と、
前記導光体の一端側に設けられた入射部と、
前記導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、
前記射出部は、映像光を反射する複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、
前記複数のミラーは、外界側に向かって前記入射部側に傾斜し、前記導光体と前記反射ユニットとの境界面において映像光を反射させずに前記反射ユニットに入射した映像光を反射させて観察者側に向かわせる、導光装置。 - 前記反射ユニットの厚さは、前記導光体の厚さよりも薄い、請求項1に記載の導光装置。
- 前記複数のミラーは、平行に配置されている、請求項1及び請求項2のいずれか一項に記載の導光装置。
- 前記複数のミラーは、可変ピッチで配置されている、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 前記複数のミラーは、ランダムピッチで配置されている、請求項4に記載の導光装置。
- 前記複数のミラーは、0.5mm〜2.0mmのピッチで配置されている、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 映像光のうち像形成に用いられる光が前記反射ユニットの前記ミラーに入射する角度は、前記入射部から離れるに従って小さくなる、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 像形成に用いられる光線束は、前記導光体の外界側の所定面領域で反射されて前記反射ユニットに入射し、光軸を含む断面において、当該所定面領域で反射される前後の直進光路のいずれかで幅が絞られる、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 光軸を含む断面において、像形成に用いられる光線束が前記反射ユニットに入射する入射幅は、像形成に用いられる光線束が前記所定面領域に入射する入射幅よりも広い、請求項8に記載の導光装置。
- 前記複数のミラーは、ハーフミラーで構成されている、請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 前記反射ユニットは、前記導光体の観察者側に設けられた面に沿うように配置されている、請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 前記反射ユニットは、前記入射部から遠い部分が相対的に外界寄りとなるように傾斜して配置されている、請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 全ての画角の映像光は、前記導光体の内部において、同一回数反射された後に前記複数のミラーで反射されて観察者の眼に至る、請求項1から請求項12までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 前記入射部は、曲面の入射面及び反射面の少なくとも一方を有する、請求項13に記載の導光装置。
- 前記導光体は、前記一対の対向する平面として平行に延びる第1及び第2の全反射面を有し、前記入射部から取り込まれた映像光を前記第1及び第2の全反射面での全反射により導く、請求項1から請求項14までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 前記入射部に在る面は、非軸対称曲面である、請求項1から請求項15までのいずれか一項に記載の導光装置。
- 映像光を生じさせる映像素子と、請求項1から請求項16までのいずれか一項に記載の導光装置を備える虚像表示装置。
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