JP2017049511A - Light guide device and virtual image display device - Google Patents

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小松 朗
Akira Komatsu
朗 小松
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
武田 高司
Takashi Takeda
高司 武田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light guide device in which unevenness of video light and external light is hardly generated and a ghost is hardly formed, and a virtual image display device incorporating the light guide device.SOLUTION: A light guide device 20 comprises: a parallel light guide body 22; an incidence section 21; and an emission section 23. In this case, arrangement intervals SP of a plurality of half mirrors 31 vary from an incidence side close to the incidence section 21 toward a counter incidence side based on an eye point EP or a line of sight EL such that the plurality of half mirrors 31 is substantially continuously connected to one another. Accordingly, the plurality of half mirrors 31 constituting a reflection unit 30 is substantially uniformly arranged so as not to overlap with one another ahead of the eye point EP or the line of sight EL. Thus, stripe-shaped unevenness extending along the half mirrors 31 can be prevented from being observed when external light OL is observed.SELECTED DRAWING: Figure 2

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に用いられる導光装置及びこれを組み込んだ虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a light guide device used for a head-mounted display or the like used by being mounted on a head, and a virtual image display device incorporating the same.

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。   2. Description of the Related Art In recent years, various types of virtual image display devices that enable formation and observation of virtual images, such as a head-mounted display, have been proposed that guide video light from a display element to an observer's pupil using a light guide plate.

例えば、視準像等を観察者の視野に導入する装置として、平行平面状の導光板の中に多数のハーフミラー(以下、「HM」とも呼ぶ)を配列し、このHMで映像光を反射して、観察者に提示するものが公知となっている(特許文献1〜6参照)。
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、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、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、例えば効率を上げるため、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。特許文献6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。
For example, as a device for introducing a collimated image or the like into the observer's field of view, a number of half mirrors (hereinafter also referred to as “HM”) are arranged in a parallel plane light guide plate, and this HM reflects image light. And what is shown to an observer is publicly known (refer to patent documents 1-6).
In the apparatus of Patent Document 1, the image light introduced from one end side of the light guide plate is reflected while passing through a plurality of HMs crossing the light guide plate obliquely and reaches the observer. In the apparatus of Patent Document 2, the image light introduced into the light guide plate propagates while being totally reflected in the light guide plate, is reflected by the outer surface, and then is reflected by a plurality of HMs obliquely crossing the light guide plate. And head to the observer. In the devices of Patent Documents 3 and 4, the image light introduced into the light guide plate propagates while totally reflected in the light guide plate, and is reflected by the surface on the viewer side, and then crosses the light guide plate diagonally. Reflected by the HM and heads toward the observer. At this time, for example, in order to increase efficiency, the reflectance of the light incident on the HM with a large incident angle (50 degrees to 70 degrees) is almost zero, and the light with a small angle (40 degrees or less) is It is set to have a predetermined reflectance. In the apparatus shown in FIG. 1 of Patent Document 5, the image light introduced into the light guide plate propagates through the light guide plate while being totally reflected, is reflected by the surface on the outside world side, is reflected by the HM, and is observed by the observer. Head for. Here, the region where the HM is provided has the same thickness as the light guide plate, and is characterized in that the reflectance of the HM sequentially increases as the distance from the display increases. In the device of Patent Document 6, the image light introduced into the light guide plate propagates while being totally reflected in the light guide plate, is reflected by the surface on the viewer side, and then is reflected by a plurality of HMs to the viewer. Head. Here, the thickness of the region or layer provided with the HM is set to be thinner than the light guide plate, and the image light can be observed without transmitting the HM.

別の表示装置として、平行平板状の導光板の片側に、薄いマイクロミラーアレイを貼り付けるように付加したものが存在する(特許文献7参照)。この装置では、画像を形成するため、走査ビームイメージ源を使用しており、縦方向にも瞳拡大をしている。導光板に導入された走査光は、導光板及びハーフミラーアレイの中を伝搬し、外界側の表面で反射され後、観察者側のハーフミラーアレイのHMで反射され、観察者に向かう。   As another display device, there is one in which a thin micromirror array is attached to one side of a parallel plate-shaped light guide plate (see Patent Document 7). In this apparatus, a scanning beam image source is used to form an image, and the pupil is enlarged in the vertical direction. The scanning light introduced into the light guide plate propagates through the light guide plate and the half mirror array, is reflected by the surface on the outside world side, is reflected by the HM of the half mirror array on the viewer side, and travels toward the viewer.

上記特許文献1〜5に記載の装置では、映像光がHMを透過する度に輝度が減るため、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。このような輝度ムラを解消するために、例えば奥側又は反光源側のHMの反射率を順次上げると、これに対応してHMの透過率が下がり外光(シースルー光)にムラが生じてしまう。なお、特許文献4には、HM間の隙間や重複を回避する方法について開示があるが(Fig.15等参照)、これらの手法も、映像光がHMを他数回通過することに起因して映像光の輝度ムラや外光のムラが発生するといった深刻な問題を解決できてこそ、意義があると言える。
上記特許文献6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7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。
In the devices described in Patent Documents 1 to 5, since the luminance decreases every time the image light passes through the HM, unevenness occurs in the field of view, and it is not easy to eliminate or suppress this. In order to eliminate such luminance unevenness, for example, when the reflectance of the HM on the back side or the counter-light source side is sequentially increased, the transmittance of the HM decreases correspondingly, and unevenness occurs in outside light (see-through light). End up. Although Patent Document 4 discloses a method for avoiding gaps and overlap between HMs (see FIG. 15 and the like), these methods are also caused by video light passing through the HM several other times. It can be said that it is meaningful to solve serious problems such as uneven brightness of image light and unevenness of external light.
In the apparatus described in Patent Document 6, since the thickness of the reflection unit formed by arranging the HMs is thinner than the light guide, the light reaches the HM on the back side without passing through other HMs. There is no unevenness in the amount of light. However, in the reflection unit, an HM unit having two small surfaces as a set is arranged, and the image light is reflected twice by the HM, so that the reflection efficiency tends to decrease.
Even in the apparatus described in Patent Document 7, the beam bundle is divided by HM in order to widen the width of the beam bundle. As the image light propagates to the back side, the luminance decreases and unevenness occurs in the field of view. It is not easy to eliminate or suppress this.

特開平3‐15815号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-15815 特開2013‐210633号公報JP 2013-210633 A 特開2010‐164988号公報JP 2010-164988 A 米国特許第7,724,443号US Pat. No. 7,724,443 国際公開WO2007/062098号International Publication No. WO2007 / 062098 特開2012‐88588号公報JP 2012-88588 A 国際公開WO2009/009268号International Publication WO2009 / 009268

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、映像光の輝度を確保しながら映像光及び外光にムラが生じにくい導光装置及びこれを組み込んだ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-described background art, and provides a light guide device that hardly causes unevenness in image light and external light while ensuring the luminance of the image light, and a virtual image display device incorporating the light guide device. Objective.

上記目的を達成するため、本発明に係る導光装置は、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、導光体の一端側に設けられた入射部と、導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、射出部は、導光体の外界側で反射された映像光を反射することによって観察者側にそれぞれ向かわせる複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、複数のミラーは、外界側に向かって入射部側に傾斜し、複数のミラーの配列間隔が、入射部に近い入射側から反入射側にかけて、アイポイントを基準として複数のミラーが略連続して繋がるように変化する。ここで、アイポイントは、導光装置に設定された射出瞳の位置を意味し、射出瞳は、観察者の眼を想定したものであり、射出部から射出された様々な画角の映像光が集まる箇所を意味する。アイポイントが広がりを有する場合、アイポイントの中心を基準とすればよい。   In order to achieve the above object, a light guide device according to the present invention is provided on one end side of a light guide body having a pair of faces that are opposed to and extend substantially parallel to the observer side and the outside world side. And a light emitting part provided on the other end side of the light guide. The light emitting part is directed toward the observer side by reflecting the image light reflected on the external side of the light guide. A plurality of mirrors are arranged to have a reflecting unit, and the plurality of mirrors are inclined toward the incident part side toward the outside, and the arrangement interval of the plurality of mirrors is from the incident side close to the incident part to the non-incident side. From this point, the mirror changes so that the plurality of mirrors are connected substantially continuously with the eye point as a reference. Here, the eye point means the position of the exit pupil set in the light guide device, and the exit pupil is assumed to be an observer's eye, and image light with various angles of view emitted from the exit unit. Means the place where When the eye point has a spread, the center of the eye point may be used as a reference.

上記導光装置によれば、複数のミラーの配列間隔が、入射側から反入射側にかけて、アイポイントを基準として複数のミラーが略連続して繋がるように変化するので、反射ユニットを構成する複数のミラーがアイポイントの前方において略切れ目のない状態で略一様に配置される。つまり、反射ユニットを構成する複数のミラーは、アイポイントに観察者の眼を配置した場合、その視線の前方において略切れ目のない状態で略一様に配置されることになる。これにより、外光等を観察する際にミラーに沿って延びる筋状のムラが観察されることを防止できる。
なお、上記導光装置では、導光体の外界側で反射された映像光を反射することによって反射ユニットに入射した映像光を観察者側に向わせるように設定しているので、映像光が、導光体と反射ユニットとの境界面で反射されることなく射出部に入射する位置又はその近傍のミラーのみを経由する構成とできる。これにより、観察されるべき映像光がミラーを経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、その一方で、意図しない映像光の射出を防止してゴースト光の発生を抑えることができる。
According to the above light guide device, the arrangement interval of the plurality of mirrors changes from the incident side to the non-incident side so that the plurality of mirrors are connected substantially continuously with the eye point as a reference. The mirrors are arranged substantially uniformly in front of the eye point in a substantially unbroken state. That is, when the observer's eyes are arranged at the eye point, the plurality of mirrors constituting the reflection unit are arranged substantially uniformly in a state where there is almost no break in front of the line of sight. Thereby, when observing external light etc., it can prevent that the stripe-shaped nonuniformity extended along a mirror is observed.
In the light guide device, since the image light reflected on the external side of the light guide is set so that the image light incident on the reflection unit is directed to the viewer side, the image light is However, it is possible to adopt a configuration in which only the mirror incident at or near the position where the light enters the emission part without being reflected by the boundary surface between the light guide and the reflection unit can be used. As a result, the number of times that the image light to be observed passes through the mirror can be reduced to prevent uneven brightness and dimming, and on the other hand, unintentional emission of image light can be prevented and generation of ghost light can be suppressed. .

本発明の具体的な側面では、上記導光装置において、反射ユニットの配列間隔は、入射部に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加する。複数のミラーが外界側に向かって入射部側に一様に傾斜している場合、ミラーに対してアイポイントから延ばした視線又は逆進光路のミラーへの入射角が反入射側で相対的に小さくなるので、配列間隔を反入射側で増加させることにより、複数のミラーが連続して繋がる状態を確保することができる。   In a specific aspect of the present invention, in the light guide device, the arrangement interval of the reflection units gradually increases from the incident side close to the incident portion to the non-incident side. When a plurality of mirrors are uniformly inclined toward the incident side toward the outside, the line of sight extending from the eye point with respect to the mirror or the incident angle to the mirror of the backward light path is relatively on the non-incident side Therefore, by increasing the arrangement interval on the non-incident side, it is possible to ensure a state in which a plurality of mirrors are continuously connected.

本発明の別の側面では、入射部は、観察者の耳側に配置され、射出部は、観察者の鼻側に配置される。この場合、映像光の供給源を目尻から耳にかけての部分又はその周辺に配置することができ、導光装置を組み込んだ虚像表示装置を顔面にフィットするデザインとしやすくなる。   In another aspect of the present invention, the incident part is disposed on the ear side of the observer, and the emission part is disposed on the nose side of the observer. In this case, the image light supply source can be arranged in the portion from the corner of the eye to the ear or in the vicinity thereof, and the virtual image display device incorporating the light guide device can be easily designed to fit the face.

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、アイポイントを基準として隙間無く配置されている。外光のムラへの影響は、ミラーに若干の隙間が生じるよりもミラーに同程度の重複が生じる方が抑えられる。この観点で、複数のミラーをアイポイント基準で隙間無く配置することが望ましい。   In still another aspect of the present invention, the plurality of mirrors are arranged without gaps with the eye point as a reference. The influence of the external light on the unevenness is suppressed when the mirrors have the same degree of overlap rather than a slight gap in the mirrors. From this point of view, it is desirable to arrange a plurality of mirrors with no gap based on the eye point.

本発明のさらに別の側面では、全ての画角の映像光は、導光体の内部において、同一回数反射された後に複数のミラーで反射されてアイポイントに至る。   In still another aspect of the present invention, the image light of all angles of view is reflected the same number of times inside the light guide and then reflected by a plurality of mirrors to reach the eye point.

本発明のさらに別の側面では、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。   In still another aspect of the present invention, the incident portion has at least one of a curved incident surface and reflecting surface.

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、平行に配置されている。この場合、反射ユニットにおける入射位置によらず角度情報が保持され、映像光の形成が容易になり、高精度の画像を表示することができる。   In still another aspect of the present invention, the plurality of mirrors are arranged in parallel. In this case, the angle information is maintained regardless of the incident position on the reflection unit, the formation of the image light is facilitated, and a highly accurate image can be displayed.

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、0.5mm〜2.0mmの間隔又はピッチで配置されている。複数のミラーを上記のような間隔で配置することにより、ミラーの間隔を比較的狭くした際の映像光の干渉による波長分散や、ミラーの幅を比較的広くした際の光の透過量の違いによる黒スジの発生を抑える効果がある。   In still another aspect of the present invention, the plurality of mirrors are arranged at an interval or pitch of 0.5 mm to 2.0 mm. By arranging multiple mirrors at the intervals as described above, wavelength dispersion due to image light interference when the interval between the mirrors is relatively narrow, and difference in light transmission when the mirror width is relatively wide This has the effect of suppressing the occurrence of black streaks.

本発明のさらに別の側面では、映像光のうち像形成に用いられる光が反射ユニットのミラーに入射する角度は、入射側から反入射側にかけて徐々に減少する。つまり、映像光源に近い入射側又は入口側で、観察される映像光がミラーに入射する角度が大きくなり、映像光源から離れた反入射側又は奥側で、観察される映像光がミラーに入射する角度が小さくなる。見方を変えれば、アイポイントからミラーへ延ばした視線(導光装置を適正に装着した観察者の実際の視線に相当)のミラーへの入射角は、入射側から反入射側にかけて徐々に減少する。   In still another aspect of the present invention, the angle at which the light used for image formation of the image light is incident on the mirror of the reflection unit gradually decreases from the incident side to the non-incident side. In other words, the angle at which the observed image light is incident on the mirror increases on the incident side or entrance side near the image light source, and the observed image light is incident on the mirror on the side opposite to the image light source or on the far side. The angle to do becomes smaller. In other words, the incident angle to the mirror of the line of sight extending from the eye point to the mirror (corresponding to the actual line of sight of the observer properly wearing the light guide device) gradually decreases from the incident side to the non-incident side. .

本発明のさらに別の側面では、像形成に用いられる光線束は、導光体の外界側の所定面領域で反射されて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。この場合、像形成に用いられる光線束を所定面領域の周辺で一旦絞るので、視野角を比較的広くすることが容易になる。また、光軸を含む断面方向に関して、導光体を薄くして入射部を小さくできるとともに、導光体に映像光を入射させる投射レンズを小型化することができ、投射レンズを製造しやすくすることができる。   In still another aspect of the present invention, the light beam used for image formation is reflected by a predetermined surface region on the outer side of the light guide and is incident on the reflection unit. In the cross section including the optical axis, The width is reduced by one of the straight optical paths before and after being reflected. In this case, since the light beam used for image formation is once narrowed around the predetermined surface area, it is easy to make the viewing angle relatively wide. In addition, with respect to the cross-sectional direction including the optical axis, the light guide can be thinned to reduce the incident portion, and the projection lens that allows the image light to enter the light guide can be reduced in size, making the projection lens easier to manufacture. be able to.

本発明のさらに別の側面では、光軸を含む断面において、像形成に用いられる光線束が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上記所定面領域に入射する入射幅よりも広い。このように、像形成に用いられる光線束が所定面領域に入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、導光体と反射ユニットとの境界面において映像光を反射させないで反射ユニットに直接的に入射させ、その入射位置から映像光を取り出すことが容易になる。   In yet another aspect of the present invention, in the cross section including the optical axis, the incident width at which the light bundle used for image formation enters the reflection unit is the incident width at which the light bundle used for image formation enters the predetermined surface area. Wider than. In this way, by making the incident light flux used for image formation incident on the predetermined surface area relatively narrow, the image light is not reflected at the boundary surface between the light guide and the reflection unit, and is directly reflected on the reflection unit. Therefore, it becomes easy to take out the image light from the incident position.

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、ハーフミラーで構成されている。この場合、外界光の透過性を高めてシースルー視を容易にすることができる。   In still another aspect of the present invention, the plurality of mirrors are constituted by half mirrors. In this case, the see-through view can be facilitated by increasing the transparency of external light.

本発明のさらに別の側面では、反射ユニットは、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。この場合、導光体の外界側の面で反射された映像光を複数のミラーで反射させることが容易となる。   In still another aspect of the present invention, the reflection unit is arranged along a surface provided on the observer side of the light guide. In this case, it becomes easy to reflect the image light reflected by the surface of the light guide on the outside side by the plurality of mirrors.

本発明のさらに別の側面では、反射ユニットの配列間隔をSPとし、ミラーの占有幅をMWとし、ミラーの間隔調整量をgとし、反射ユニットの厚みをTIとし、導光体及び反射ユニットの傾斜角をσとし、アイポイントから反射ユニットの任意の着目点まで延ばした光路の光軸に対する角度をεとし、反射ユニットの屈折率をnとしたとき、以下の関係
SP=MW+g
g≒TI×{sin(σ−ε)/√[n−sin(σ−ε)]}
を満たす。この場合、ミラー傾斜角や配置に応じて反射ユニットの配列間隔を適正に設定することができる。
In yet another aspect of the present invention, the arrangement interval of the reflection units is SP, the mirror occupation width is MW, the mirror interval adjustment amount is g, the reflection unit thickness is TI, and the light guide and the reflection unit When the inclination angle is σ, the angle with respect to the optical axis of the optical path extending from the eye point to any point of interest of the reflection unit is ε, and the refractive index of the reflection unit is n, the following relationship is obtained: SP = MW + g
g≈TI × {sin (σ−ε) / √ [n 2 −sin 2 (σ−ε)]}
Meet. In this case, the arrangement interval of the reflection units can be appropriately set according to the mirror tilt angle and arrangement.

本発明のさらに別の側面では、反射ユニットは、反入射側の部分が入射側の部分よりも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。この場合、導光体の外界側の面で反射された映像光を複数のミラーで観察者側に反射させることが容易になる。   In yet another aspect of the present invention, the reflection unit is disposed so as to be inclined such that the portion on the non-incident side is relatively closer to the outside than the portion on the incident side. In this case, it becomes easy to reflect the image light reflected by the external surface side of the light guide to the viewer side by the plurality of mirrors.

本発明のさらに別の側面では、導光体は、一対の対向する面として平行に延びる第1及び第2の全反射面を有し、入射部から取り込まれた映像光を第1及び第2の全反射面での全反射により導く。   In still another aspect of the present invention, the light guide has first and second total reflection surfaces that extend in parallel as a pair of opposing surfaces, and the first and second image lights captured from the incident portion. It is guided by total reflection at the total reflection surface.

本発明のさらに別の側面では、入射部に在る面は、非軸対称曲面である。このように非軸対称曲面とすることで、設計上の自由度が増し、良好な光学性能を実現できる。   In still another aspect of the present invention, the surface present in the incident portion is a non-axisymmetric curved surface. By using a non-axisymmetric curved surface in this way, the degree of freedom in design increases and good optical performance can be realized.

上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、上述した導光装置とを備える。   In order to achieve the above object, a virtual image display device according to the present invention includes a video element that generates video light and the light guide device described above.

上記虚像表示装置によれば、上述した導光装置を用いることにより、観察される映像や外光のムラを防止し、高品位の画像を観察可能にすることができる。   According to the virtual image display device, by using the above-described light guide device, it is possible to prevent unevenness of an observed image and external light and to observe a high-quality image.

(A)は、第1実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)は、導光装置の裏面図である。(A) is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 1st Embodiment, (B) is a reverse view of a light guide device. 導光装置等における映像光の光路を光軸を含む断面で説明する図である。It is a figure explaining the optical path of the image light in a light guide device etc. in the section containing an optical axis. 反射ユニットにおけるミラーの配置や光路の変化を説明する部分拡大図であり、眼の正面方向に対応する。It is the elements on larger scale explaining the arrangement | positioning of the mirror in a reflection unit, or the change of an optical path, and respond | corresponds to the front direction of eyes. 反射ユニットにおけるミラーの配置や光路の変化を説明する部分拡大図であり、眼の正面に対して耳寄り方向に対応する。It is the elements on larger scale explaining the arrangement | positioning of the mirror in a reflection unit, and the change of an optical path, and respond | corresponds to a near direction with respect to the front of eyes. 反射ユニットの一作製例を説明する図である。It is a figure explaining the example of 1 production of a reflection unit. 映像光の光路の射出側における変形例を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the modification in the emission side of the optical path of image light. (A)は、映像光の光路の射出側における別の変形例を説明する断面図であり、(B)は、(A)の一部を拡大した説明図である。(A) is sectional drawing explaining another modification in the emission side of the optical path of image light, (B) is explanatory drawing to which a part of (A) was expanded. 第2実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。It is a figure explaining the virtual image display apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

〔第1実施形態〕
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。
[First Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating the light guide device according to the first embodiment of the present invention will be described.

〔1A.導光装置及び虚像表示装置の構造〕
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断面に対応する。
[1A. Structure of light guide device and virtual image display device]
A virtual image display device 100 illustrated in FIG. 1A is applied to a head-mounted display, and includes an image forming device 10 and a light guide device 20 as a set. 1A corresponds to the AA cross section of the light guide device 20 illustrated in FIG.

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

画像形成装置10は、映像素子である液晶デバイス11と、光結合用の投射レンズ12とを備える。液晶デバイス(映像素子)11は、光源14からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき映像光GLを形成する。投射レンズ12は、縦のy方向に関して液晶デバイス11上の各点から射出された映像光GLを略平行光線にするコリメートレンズとして機能し、横のxz断面に関して導光装置20の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。なお、投射レンズ12は、ガラス又はプラスチックで形成され、1枚に限らず複数枚の構成とすることができる。投射レンズ12は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等とすることができる。   The image forming apparatus 10 includes a liquid crystal device 11 that is a video element and a projection lens 12 for optical coupling. The liquid crystal device (video element) 11 spatially modulates illumination light from the light source 14 to form video light GL to be a moving image or other display target. The projection lens 12 functions as a collimating lens that makes the image light GL emitted from each point on the liquid crystal device 11 in the vertical y direction substantially parallel, and cooperates with a part of the light guide device 20 in the horizontal xz cross section. Works as a collimating lens. Note that the projection lens 12 is formed of glass or plastic, and is not limited to one, but may have a plurality of configurations. The projection lens 12 is not limited to a spherical lens, but may be an aspheric lens, a free-form surface lens including an axisymmetric curved surface, or the like.

導光装置20は、平板状の部分を有し、画像形成装置10で形成された映像光GLを虚像光として観察者の眼EYに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光OLを実質的にそのまま透過させる。導光装置20は、映像光を取り込む入射部21と、導光用の平行導光体22と、映像光を取り出すための射出部23とを備える。本実施形態の場合、入射部21は、観察者の耳側に配置され、射出部23は、観察者の鼻側に配置される。平行導光体22と入射部21の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品である。第1実施形態の場合、導光装置20を通す映像光GLの光路は、同一回数反射される1種類の光路からなり、複数種類の光路を合成するタイプとなっていない。
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σ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σ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σを成すものとなる。
The light guide device 20 has a flat portion, emits the image light GL formed by the image forming device 10 as virtual image light toward the observer's eye EY, and outputs the external light OL corresponding to the external image. Permeate substantially as it is. The light guide device 20 includes an incident portion 21 that captures image light, a parallel light guide 22 for guiding light, and an emission portion 23 that extracts image light. In the case of this embodiment, the incident part 21 is arrange | positioned at an observer's ear | edge side, and the injection | emission part 23 is arrange | positioned at an observer's nose side. The parallel light guide 22 and the main body of the incident portion 21 are an integrated product molded from a resin material having high light transmittance. In the case of the first embodiment, the optical path of the video light GL that passes through the light guide device 20 is composed of one type of optical path that is reflected the same number of times, and is not a type that combines a plurality of types of optical paths.
The parallel light guide 22 is disposed to be inclined with respect to the optical axis AX with respect to the eye EY of the observer, and the normal direction Z is inclined by an angle σ with respect to the optical axis AX. . In this case, the parallel light guide 22 can be arranged along the face curve, but the normal line of the parallel light guide 22 has an inclination with respect to the optical axis AX. As described above, when the normal line of the parallel light guide 22 is inclined by the angle σ with respect to the x direction parallel to the optical axis AX, the image light GL0 on and near the optical axis AX emitted from the reflection unit 30 is light The angle σ is formed with respect to the normal line of the exit surface OS.

入射部21は、画像形成装置10からの映像光GLを取り込む光入射面ISと、取り込んだ映像光GLを反射して平行導光体22内に導く反射面RSとを有する。光入射面ISは、投射レンズ12側に凹の曲面21bから形成されており、この曲面21bは、反射面RSで反射された映像光GLを内面側で全反射する機能も有する。反射面RSは、投射レンズ12側に凹の曲面21aから形成されている。すなわち、反射面RSは、曲面21a上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面ISから入射した映像光GLを反射し光路を所定方向に折り曲げ、曲面21bは、反射面RSで反射された映像光GLを内側で全反射し光路を所定方向に折り曲げる。つまり、入射部21は、光入射面ISから入射した映像光GLを2回の反射によって折り曲げることで、映像光GLを平行導光体22内に確実に結合させる。
なお、曲面21bや曲面21aは、球面又は非球面に限らず、非軸対称曲面とすることができる。これにより、導光装置20の光学性能を向上させることができる。
The incident portion 21 includes a light incident surface IS that captures the video light GL from the image forming apparatus 10 and a reflective surface RS that reflects and guides the captured video light GL into the parallel light guide 22. The light incident surface IS is formed of a concave curved surface 21b on the projection lens 12 side, and the curved surface 21b also has a function of totally reflecting the image light GL reflected by the reflecting surface RS on the inner surface side. The reflecting surface RS is formed from a concave curved surface 21a on the projection lens 12 side. That is, the reflective surface RS is formed by forming a film such as aluminum vapor deposition on the curved surface 21a, reflects the video light GL incident from the light incident surface IS, bends the optical path in a predetermined direction, and the curved surface 21b The image light GL reflected by the RS is totally reflected on the inner side, and the optical path is bent in a predetermined direction. That is, the incident part 21 reliably couples the video light GL into the parallel light guide 22 by bending the video light GL incident from the light incident surface IS by two reflections.
Note that the curved surface 21b and the curved surface 21a are not limited to spherical surfaces or aspheric surfaces, and may be non-axisymmetric curved surfaces. Thereby, the optical performance of the light guide device 20 can be improved.

平行導光体22は、y軸に平行でz軸に対して傾斜した平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体(導光体)22は、光透過性の樹脂材料等により形成され、平行な一対の平面22a,22bを有する。両平面22a,22bは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、+z側又はZ側の一方の平面22aは、入射部21からの映像光を全反射させる全反射面として機能し、映像光を少ない損失で射出部23に導く役割を有する。+z側の平面22aは、平行導光体22の外界側に配置されて第1の全反射面として機能し、本明細書中では外界側面とも呼ぶ。また、−z側の平面22bは、本明細書中では観察者側面とも呼ぶ。裏側の平面(観察者側面)22bは、射出部23の一端まで延びている。ここで、裏側の平面22bの延長平面は、平行導光体22と射出部23との境界面IFとなっている。
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の奥側すなわち射出部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。
The parallel light guide 22 is a flat plate portion that is parallel to the y axis and inclined with respect to the z axis, and is also referred to as a light guide. The parallel light guide (light guide) 22 is formed of a light transmissive resin material or the like, and has a pair of parallel planes 22a and 22b. Since both the planes 22a and 22b are parallel planes, no enlargement or focus shift occurs with respect to the external image. Further, the one flat surface 22a on the + z side or the Z side functions as a total reflection surface that totally reflects the image light from the incident portion 21, and has a role of guiding the image light to the emission portion 23 with a small loss. The + z side plane 22a is disposed on the outside side of the parallel light guide 22 and functions as a first total reflection surface, and is also referred to as an outside side surface in this specification. In addition, the −z side plane 22b is also referred to as an observer side surface in the present specification. The back plane (observer side face) 22 b extends to one end of the emitting portion 23. Here, an extended plane of the back side plane 22 b is a boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting portion 23.
In the parallel light guide 22, the image light GL reflected on the inner side of the reflection surface RS or the light incident surface IS of the incident portion 21 is incident on the plane 22 a which is a total reflection surface, and is totally reflected here, and is guided by the light guide device. It is led to the back side of 20, that is, the + x side or the X side where the injection portion 23 is provided.
The parallel light guide 22 has a termination surface ES as a side surface that defines an end surface on the + x side or the X side in the outer shape of the light guide device 20. Further, the parallel light guide 22 has an upper end surface TP and a lower end surface BP as upper and lower surfaces that define an end surface on the ± y side.

図2に示すように、射出部23は、平行導光体22の奥側(+X側)において、裏側の平面22bに沿ってその延長上に層状に形成され、或いは境界面IFに沿うように層状に形成されている。射出部23は、平行導光体22の外界側の平面(全反射面)22aにおいて所定面領域FRで全反射された映像光GLを通過させる際に、入射した映像光GLを所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。ここでは、射出部23にこれまで射出部23を透過することなく最初に入射する映像光GLが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部23において光射出面OSの内面や境界面IFで反射される光があっても、これは映像光として利用されない。射出部23は、透過性を有する複数のミラー(すなわち複数のハーフミラー)を配列してなる反射ユニット30を有するが、その詳しい構造については、図3等を参照して後に詳述する。   As shown in FIG. 2, the emission portion 23 is formed in a layered manner on the extension along the back plane 22 b on the back side (+ X side) of the parallel light guide 22, or along the boundary surface IF. It is formed in layers. The emission unit 23 reflects the incident video light GL at a predetermined angle when passing the video light GL totally reflected by the predetermined surface region FR on the external surface side (total reflection surface) 22a of the parallel light guide 22. And bent to the light exit surface OS side. Here, the image light GL that first enters the emission unit 23 without passing through the emission unit 23 so far is an extraction target as virtual image light. That is, even if there is light reflected by the inner surface of the light exit surface OS or the boundary surface IF in the light emitting portion 23, this is not used as image light. The emitting unit 23 includes a reflection unit 30 in which a plurality of transmissive mirrors (that is, a plurality of half mirrors) are arranged. The detailed structure thereof will be described in detail later with reference to FIG.

導光装置20が以上のような構造を有することから、画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光装置20に入射した映像光GLは、入射部21で複数回の反射によって折り曲げられ、平行導光体22の平面22aの所定面領域FRにおいて全反射されて光軸AXに略沿って進む。+z側又は+Z側の平面22aの所定面領域FRで反射された映像光GLは、射出部23に入射する。この際、XY面内において、所定面領域FRの長手方向の幅は、射出部23の長手方向の幅よりも狭くなっている。つまり、映像光GLの光線束が射出部23(又は反射ユニット30)に入射する入射幅は、映像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅よりも広い。このように、映像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面IFを導光に利用しないで(つまり、境界面IFで映像光GLを反射させずに)、所定面領域FRからの映像光GLを射出部23又は反射ユニット30に直接的に入射させることが容易になる。射出部23に入射した映像光GLは、射出部23又は反射ユニット30において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから射出される。光射出面OSから射出された映像光GLは、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光GLを認識することができる。
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。
Since the light guide device 20 has the above-described structure, the image light GL emitted from the image forming device 10 and incident on the light guide device 20 from the light incident surface IS is bent by the incident portion 21 by a plurality of reflections. The light is totally reflected in the predetermined surface region FR of the flat surface 22a of the parallel light guide 22 and travels substantially along the optical axis AX. The video light GL reflected by the predetermined surface region FR of the flat surface 22a on the + z side or the + Z side is incident on the emission unit 23. At this time, the width in the longitudinal direction of the predetermined surface region FR is narrower than the width in the longitudinal direction of the injection portion 23 in the XY plane. That is, the incident width at which the light beam of the video light GL is incident on the emitting portion 23 (or the reflection unit 30) is wider than the incident width at which the light beam of the video light GL is incident on the predetermined surface region FR. Thus, by relatively narrowing the incident width at which the light bundle of the image light GL enters the predetermined surface region FR, interference of the optical path is less likely to occur, and the boundary surface IF is not used for light guiding (that is, It is easy to directly enter the image light GL from the predetermined surface area FR into the emission unit 23 or the reflection unit 30 without reflecting the image light GL at the boundary surface IF. The image light GL incident on the emission part 23 is in a state where it can be taken out by being bent at an appropriate angle in the emission part 23 or the reflection unit 30, and finally emitted from the light emission surface OS. The image light GL emitted from the light exit surface OS enters the observer's eye EY as virtual image light. The virtual image light forms an image on the retina of the observer, so that the observer can recognize the video light GL based on the virtual image.
Here, the angle at which the video light GL used for image formation is incident on the emitting portion 23 increases as the distance from the incident portion 21 on the light source side increases. In other words, the video light GL having a large inclination with respect to the Z direction or the optical axis AX parallel to the outer surface side plane 22a is incident on the back side of the emission unit 23 and is bent at a relatively large angle. On the front side, image light GL having a small inclination with respect to the Z direction or the optical axis AX is incident and bent at a relatively small angle.

〔1B.映像光の光路〕
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(+z寄りの−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(−z寄りの+x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なっている。
[1B. (Optical path of image light)
Hereinafter, the optical path of the image light will be described in detail. As shown in FIG. 2, among the image lights respectively emitted from the emission surface 11a of the liquid crystal device 11, a component emitted from the central portion of the emission surface 11a indicated by a broken line is defined as image light GL0, and is indicated by a one-dot chain line in the drawing. The component emitted from the left side (−x side near + z) of the periphery of the emission surface 11a shown is the image light GL1, and the right side (near −z side) of the periphery of the emission surface 11a shown by the two-dot chain line in the figure. The component emitted from the (+ x side) is defined as video light GL2. Among these, the optical path of the image light GL0 extends along the optical axis AX.

投射レンズ12を経た各映像光GL0,GL1,GL2の主要成分は、導光装置20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、入射部21を経て平行導光体22内を通過して射出部23に至る。
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σ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(光軸AXを基準とした場合の角γ1に対応)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(光軸AXを基準とした場合の角γ2に対応)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。
つまり、様々な画角の映像光GL0,GL1,GL2は、観察者の眼EYを想定したアイポイントEPに集まる。アイポイントEPは、導光装置20に設定された射出瞳の位置を意味し、ここに眼EYを置けば明るい欠けの無い画像が得られる。
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。
The main components of the image lights GL0, GL1, and GL2 that have passed through the projection lens 12 are incident from the light incident surface IS of the light guide device 20, and then pass through the parallel light guide 22 through the incident portion 21 and are emitted. 23.
Specifically, out of the image lights GL0, GL1, and GL2, the image light GL0 emitted from the central portion of the emission surface 11a is bent at the incident portion 21 and coupled into the parallel light guide 22 and then standardized. The incident light enters the predetermined surface area FR of the one plane 22a at the reflection angle θ0, is totally reflected, passes through this without being reflected by the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting portion 23 (or the reflection unit 30), The light directly enters the central portion 23 k of the emission part 23. The image light GL0 is reflected at a predetermined angle at the portion 23k, and is parallel to the optical axis AX direction (the direction of the angle σ with respect to the Z direction) inclined from the light exit surface OS to the XY plane including the light exit surface OS. It is emitted as a light beam.
Further, the image light GL1 emitted from one end side (−x side) of the emission surface 11a is bent by the incident portion 21 and coupled into the parallel light guide 22, and then the one plane 22a at the maximum reflection angle θ1. Is incident on the predetermined surface area FR and is totally reflected, passes through the parallel light guide 22 and the emission part 23 (or the reflection unit 30) without being reflected by the boundary surface IF, and the back side of the emission part 23 ( The light is reflected at a predetermined angle at the portion 23h on the + X side) and is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS toward the predetermined angle direction. The exit angle at this time (corresponding to the angle γ1 when the optical axis AX is used as a reference) is relatively large to be returned to the incident portion 21 side.
On the other hand, the image light GL2 emitted from the other end side (+ x side) of the emission surface 11a is bent at the incident portion 21 and coupled into the parallel light guide 22, and then one plane 22a with the minimum reflection angle θ2. Is incident on the predetermined surface region FR and is totally reflected, passes through the parallel light guide 22 and the exit portion 23 (or the reflection unit 30) without being reflected by the boundary surface IF, and enters the entrance portion ( -X side) portion 23m is reflected at a predetermined angle, and is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS toward the predetermined angle direction. The exit angle at this time (corresponding to the angle γ2 with the optical axis AX as a reference) is relatively small to the extent that it is returned to the incident portion 21 side.
That is, the image lights GL0, GL1, and GL2 having various angles of view gather at the eye point EP assuming the observer's eye EY. The eye point EP means the position of the exit pupil set in the light guide device 20, and if the eye EY is placed here, a bright and clear image can be obtained.
Note that the video lights GL0, GL1, and GL2 have been described on behalf of part of the entire light beam of the video light GL, but the light beam components that make up the other video light GL are similar to the video light GL0 and the like. Since these are guided and emitted from the light exit surface OS, illustration and description thereof are omitted.

ここで、入射部21及び平行導光体22に用いられる透明樹脂材料の屈折率nの値の一例として、n=1.4とすると、その臨界角θcの値はθc≒45.6°となる。各映像光GL0,GL1,GL2の反射角θ0,θ1,θ2のうち最小である反射角θ2を臨界角θcよりも大きな値とすることで、必要な映像光について平行導光体22内での平面22aにおける全反射条件を満たすものにできる。
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及び4参照)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(逆進光路を考えた場合には視線の入射角でもある)は、入射部21から離れるに従って小さくなる。
Here, as an example of the value of the refractive index n of the transparent resin material used for the incident portion 21 and the parallel light guide 22, when n = 1.4, the value of the critical angle θc is θc≈45.6 °. Become. The minimum reflection angle θ2 among the reflection angles θ0, θ1, and θ2 of the image lights GL0, GL1, and GL2 is set to a value larger than the critical angle θc, so that the necessary image light can be obtained within the parallel light guide 22. The total reflection condition on the plane 22a can be satisfied.
The image light GL0 for the center is incident on the portion 23k of the emission unit 23 at the elevation angle φ0 (= 90 ° −θ0), and the image light GL1 for the periphery is emitted at the elevation angle φ1 (= 90 ° −θ1). The image light GL2 for the periphery is incident on the portion 23m of the emission part 23 at an elevation angle φ2 (= 90 ° −θ2). Here, a relationship of φ2>φ0> φ1 is established between the elevation angles φ0, φ1, and φ2, reflecting the magnitude relationship of the reflection angles θ0, θ1, and θ2. That is, the incident angle ι (see FIGS. 3 and 4) of the reflection unit 30 to the half mirror 31 is gradually increased in the order of the portion 23m corresponding to the elevation angle φ2, the portion 23k corresponding to the elevation angle φ0, and the portion 23h corresponding to the elevation angle φ1. Becomes smaller. In other words, the incident angle ι to the half mirror 31 or the reflection angle at the half mirror 31 (which is also the incident angle of the line of sight when considering the backward light path) decreases as the distance from the incident portion 21 increases.

平行導光体22の外界側の平面22aで反射されて射出部23に向かう映像光GLの光線束の全体的な挙動について説明する。映像光GLの光線束は、光軸AXを含む断面において、平行導光体22の外界側の所定面領域FRで反射される前後の直進光路P1,P2のいずれかで幅が絞られる。具体的には、映像光GLの光線束は、光軸AXを含むXZ断面において、所定面領域FR近辺、つまり直進光路P1,P2の境界付近で両直進光路P1,P2に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。これにより、映像光GLの光線束を射出部23の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。
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。
The overall behavior of the light bundle of the image light GL that is reflected by the external plane 22a of the parallel light guide 22 and travels toward the exit portion 23 will be described. In the cross section including the optical axis AX, the width of the light bundle of the image light GL is narrowed by any one of the front and rear straight light paths P1 and P2 reflected by the predetermined surface region FR on the outside of the parallel light guide 22. Specifically, the light beam of the image light GL is located at a position in the XZ cross section including the optical axis AX, in the vicinity of the predetermined plane region FR, that is, in the vicinity of the boundary between the straight light paths P1 and P2 and over both the straight light paths P1 and P2. As a whole, the width is narrowed and the beam width is narrowed. As a result, the beam bundle of the image light GL is narrowed in front of the emission unit 23, and it becomes easy to make the viewing angle in the horizontal direction relatively wide.
In the example shown in the figure, the beam width is narrowed and the beam width is narrowed at a position where the light beam of the image light GL straddles both the straight light paths P1 and P2, but only one side of the straight light paths P1 and P2 is used. The width may be narrowed to narrow the beam width.

〔1C.射出部の構造及び射出部による光路の折曲げ〕
以下、図2〜4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、図3は、眼EYの正面方向における射出部23の拡大図であり、図4は、眼EYの正面よりも耳寄りに傾いた方向における射出部23の拡大図である。
[1C. (Structure of the emission part and bending of the optical path by the emission part)
Hereinafter, the structure of the emission unit 23 and the bending of the optical path of the image light by the emission unit 23 will be described in detail with reference to FIGS. 3 is an enlarged view of the emission part 23 in the front direction of the eye EY, and FIG. 4 is an enlarged view of the emission part 23 in a direction inclined closer to the ear than the front of the eye EY.

まず、射出部23の構造について説明する。射出部23は、映像光GLをそれぞれ反射する複数のハーフミラー31を配列してなる反射ユニット30を有する。反射ユニット30は、光軸AXに対して角σだけ傾いたXY平面に沿って延びる矩形板状の部材であり、細い帯状のハーフミラー31をストライプパターンとなるように多数埋め込んだ構造を有する。つまり、反射ユニット30は、y方向又はY方向に延びる細長いハーフミラー31を平行導光体22の延びる方向すなわちX方向に多数配列させることで構成されている。より具体的には、ハーフミラー31は、図2等に示す平行導光体22の平面22a,22bに平行でハーフミラー31の配列されるX方向に対して垂直に延びる方向のうち、上下のy方向又はY方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、ハーフミラー31は、平行導光体22の観察者側よりも外界側に向かって入射部21側に傾斜している。より具体的には、ハーフミラー31は、その長手方向(Y方向)を軸として、平面22a,22bに直交するYZ面を基準として上端(+Z側)が反時計方向に回転するように傾斜している。つまり、各ハーフミラー31は、XZ断面で見て−X方向及び+Z方向の間の方向に延びている。さらに、全ハーフミラー31は、精密に互いに平行に配置されている。   First, the structure of the injection unit 23 will be described. The emission unit 23 includes a reflection unit 30 in which a plurality of half mirrors 31 that respectively reflect the image light GL are arranged. The reflection unit 30 is a rectangular plate-like member extending along an XY plane inclined by an angle σ with respect to the optical axis AX, and has a structure in which a large number of thin strip-like half mirrors 31 are embedded so as to form a stripe pattern. That is, the reflection unit 30 is configured by arranging a large number of elongated half mirrors 31 extending in the y direction or the Y direction in the direction in which the parallel light guide 22 extends, that is, in the X direction. More specifically, the half mirror 31 has upper and lower portions in a direction extending parallel to the planes 22a and 22b of the parallel light guide 22 shown in FIG. 2 and perpendicular to the X direction in which the half mirrors 31 are arranged. It extends linearly with the y direction or the Y direction as the longitudinal direction. Further, the half mirror 31 is inclined toward the incident portion 21 side toward the outside from the observer side of the parallel light guide 22. More specifically, the half mirror 31 is inclined so that the upper end (+ Z side) rotates counterclockwise with the longitudinal direction (Y direction) as an axis and the YZ plane orthogonal to the planes 22a and 22b as a reference. ing. That is, each half mirror 31 extends in the direction between the −X direction and the + Z direction as viewed in the XZ section. Further, all the half mirrors 31 are precisely arranged parallel to each other.

反射ユニット30は、多数のブロック部材32を接合した構造を有し、ハーフミラー31は、隣接する一対のブロック部材32間に挟まれた薄膜状のものとなっている。ここで、ブロック部材32の屈折率は、平行導光体22の屈折率と略等しくなっているが、両者の屈折率を相違させることもできる。両者の屈折率を相違させる場合、ハーフミラー31を傾斜させる角度δを調整又は修正する必要がある。ハーフミラー31の映像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光OLの観察を容易にする観点で、想定される映像光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31の映像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、映像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。   The reflection unit 30 has a structure in which a large number of block members 32 are joined, and the half mirror 31 has a thin film shape sandwiched between a pair of adjacent block members 32. Here, the refractive index of the block member 32 is substantially equal to the refractive index of the parallel light guide 22, but the refractive indexes of the two can be made different. In order to make the refractive indexes of the two different, it is necessary to adjust or correct the angle δ at which the half mirror 31 is inclined. The reflectance of the half mirror 31 with respect to the image light GL is set to be 10% or more and 50% or less in the assumed incident angle range of the image light GL from the viewpoint of facilitating observation of the external light OL by see-through. The reflectivity for the video light GL of the half mirror 31 of the specific embodiment is set to 20%, for example, and the transmittance for the video light GL is set to 80%, for example.

ここで、反射ユニット30の厚みTI(すなわちハーフミラー31のZ軸方向の幅)は、0.7mm〜3.0mm程度に設定される。なお、反射ユニット30を支持する平行導光体22の厚みは、例えば数mm〜10mm程度、好ましくは4mm〜6mm程度となっている。平行導光体22の厚みが反射ユニット30の厚みに比較して十分大きいと、反射ユニット30又は境界面IFへの映像光GLの入射角を小さくしやすく、映像光GLが眼EYに取り込まれない位置にあるハーフミラー31での反射を抑えやすい。一方、平行導光体22の厚みを比較的薄くすると、平行導光体22や導光装置20の軽量化を図りやすくなる。   Here, the thickness TI of the reflection unit 30 (that is, the width of the half mirror 31 in the Z-axis direction) is set to about 0.7 mm to 3.0 mm. In addition, the thickness of the parallel light guide 22 that supports the reflection unit 30 is, for example, about several mm to 10 mm, and preferably about 4 mm to 6 mm. If the thickness of the parallel light guide 22 is sufficiently larger than the thickness of the reflection unit 30, it is easy to reduce the incident angle of the image light GL to the reflection unit 30 or the boundary surface IF, and the image light GL is taken into the eye EY. It is easy to suppress the reflection at the half mirror 31 at a position that is not present. On the other hand, when the thickness of the parallel light guide 22 is relatively thin, the parallel light guide 22 and the light guide device 20 can be easily reduced in weight.

ハーフミラー31は、すべて同一の傾きに設定され、平行導光体22の観察者側の平面22bを基準として時計回りで例えば48°〜70°程度の傾斜角度δをなすものとでき、具体的には例えば60°の傾斜角度δをなしている。ここで、映像光GL0の仰角φ0が例えば30°に設定され、映像光GL1の仰角φ1が例えば22°に設定され、映像光GL2の仰角φ2が例えば38°に設定されているものとする。この場合、映像光GL1と映像光GL2とは、光軸AXを基準として角度γ1=γ2≒12.5°をなして観察者の眼EYに入射する。   The half mirrors 31 are all set to the same inclination, and can form an inclination angle δ of, for example, about 48 ° to 70 ° clockwise with respect to the plane 22b on the viewer side of the parallel light guide 22. Has an inclination angle δ of 60 °, for example. Here, it is assumed that the elevation angle φ0 of the video light GL0 is set to, for example, 30 °, the elevation angle φ1 of the video light GL1 is set to, for example, 22 °, and the elevation angle φ2 of the video light GL2 is set to, for example, 38 °. In this case, the image light GL1 and the image light GL2 enter the observer's eye EY at an angle γ1 = γ2≈12.5 ° with the optical axis AX as a reference.

これにより、上記映像光GLのうち全反射角度の比較的大きい成分(映像光GL1)を反射ユニット30のうち反入射側である+X側の部分23h側に主に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分(映像光GL2)を射出部23のうち入射側である−X側の部分23m側に主に入射させた場合において、映像光GLを全体として観察者の眼EYに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で映像光GLを取り出す構成であるため、導光装置20は、映像光GLを反射ユニット30において原則として複数回経由させず、1回だけ経由させることができ、映像光GLを少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。   As a result, a component having a relatively large total reflection angle (image light GL1) in the image light GL is mainly incident on the + X side portion 23h side of the reflection unit 30, which is the non-incident side, and the total reflection angle is compared. Angle when the image light GL is collected on the observer's eye EY as a whole when a relatively small component (image light GL2) is mainly incident on the −X side portion 23m side of the exit portion 23. It becomes possible to take out efficiently in a state. Since the video light GL is taken out with such an angle relationship, the light guide device 20 can pass the video light GL in the reflection unit 30 only once, as a rule, without passing it multiple times. Can be extracted as virtual image light with little loss.

なお、反射ユニット30のハーフミラー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。   Note that the unused light that passes through the half mirror 31 of the reflection unit 30 may be incident again on the external surface side plane 22a. 23h or further on the heel side and can enter the outside of the effective area, and the possibility of entering the eye EY is reduced.

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の一部は、ハーフミラー31を複数回経由(具体的には、1回の反射と1回以上の透過を含む通過)している。この場合、ハーフミラー31の経由回数が複数になるが、複数のハーフミラー31からの反射光が、映像光GLとして観察者の眼EYにそれぞれ入射するので、光量の損失はあまり大きくはならない。   In addition, in the central side and back side portions 23k and 23h of the reflection unit 30, a part of the image light GL passes through the half mirror 31 a plurality of times (specifically, one reflection and one or more transmissions). Pass through). In this case, the number of times of passing through the half mirror 31 is plural, but since the reflected light from the plural half mirrors 31 respectively enters the observer's eye EY as the image light GL, the loss of light quantity does not become so large.

以下、図3、4等を参照して、反射ユニット30を構成する複数のハーフミラー31の配列間隔について説明する。
複数のハーフミラー31の配列方向又は反射ユニット30が延びるZ方向に関する配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から終端面ESに近い反入射側にかけて、観察者の眼EYを想定して設定されたアイポイントEPの中心EPa(図2参照)から任意の着目点に延びる視線ELを基準として複数のハーフミラー31が略連続して繋がるように変化している。結果的に、反射ユニット30における複数のハーフミラー31の配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加している。具体的には、図3に示すように正面方向に視線ELが延びる正面位置(反射ユニット30のうち中央側の部分23k)における配列間隔SPは、図4に示すように耳寄りに傾いた方向に視線ELが延びる入射側位置(反射ユニット30のうち入口側の部分23m)における配列間隔SPよりも、相対的に広くなっている。ハーフミラー31の具体的な配列間隔SPは、反射ユニット30内で大小の差があるものの、各部で0.5mm〜2.0mm程度の範囲内となっている。
なお、以上で説明した視線ELは、虚像表示装置100を装着した観察者の実際の視線に相当するものであるが、実際の観察者を必要としない一種仮想的なものであることは言うまでもない。また、アイポイントEPは実用上光軸AXに垂直な方向に関して眼EYの瞳の直径以上の広がり有するが、このようにアイポイントEPが広がりを有する場合、アイポイントEPの中心EPaを基準とすればよい。つまり、視線ELは、アイポイントEPの中心EPaから任意のハーフミラー31上の点(着目点)へ向けて延ばした線(映像光GLを逆進させた光路)となる。
Hereinafter, with reference to FIGS. 3 and 4 and the like, the arrangement interval of the plurality of half mirrors 31 constituting the reflection unit 30 will be described.
The arrangement interval SP in the arrangement direction of the plurality of half mirrors 31 or the Z direction in which the reflection unit 30 extends is set on the assumption that the eye EY of the observer is observed from the incident side close to the incident portion 21 to the counter incident side close to the end surface ES. The plurality of half mirrors 31 are changed so as to be connected substantially continuously with reference to the line of sight EL extending from the center EPa of the eye point EP (see FIG. 2) to an arbitrary point of interest. As a result, the arrangement interval SP of the plurality of half mirrors 31 in the reflection unit 30 gradually increases from the incident side close to the incident portion 21 to the non-incident side. Specifically, as shown in FIG. 3, the arrangement interval SP at the front position where the line of sight EL extends in the front direction (center portion 23k of the reflection unit 30) is in a direction inclined toward the ear as shown in FIG. It is relatively wider than the array interval SP at the incident side position where the line of sight EL extends (the entrance side portion 23m of the reflection unit 30). The specific arrangement interval SP of the half mirrors 31 is within a range of about 0.5 mm to 2.0 mm in each part, although there is a difference in size within the reflection unit 30.
The line-of-sight EL described above corresponds to the actual line of sight of the observer wearing the virtual image display device 100, but it goes without saying that it is a kind of virtual that does not require an actual observer. . Further, the eye point EP has a spread that is larger than the diameter of the pupil of the eye EY in the direction perpendicular to the optical axis AX in practice, but when the eye point EP has such a spread, the center EPa of the eye point EP is used as a reference. That's fine. That is, the line of sight EL is a line (an optical path obtained by reversing the video light GL) extending from the center EPa of the eye point EP toward a point on the arbitrary half mirror 31 (a point of interest).

図4を参照してハーフミラー31の配列間隔SPについて詳細に考察する。上述のように反射ユニット30の厚みがTIで、反射ユニット30の傾斜角がσである場合において、アイポイントEPから反射ユニット30における任意の着目点まで延ばした光路の光軸AXに対する角度(つまり視線ELの角度)をεとし、ハーフミラー31の占有幅をMWとし、ハーフミラー31の間隔調整量をgとし、反射ユニット30の屈折率をnとする。ここで、視線ELの角度εは、光軸AXに平行な光軸方向線AX'に対する視線ELの角度と同じになっており、眼EYが正面方向よりも耳寄りを向いて着目点が光軸AXよりも−x側にあれば正の値となり(図示の場合)、眼EYが正面方向よりも鼻寄りを向いて着目点が光軸AXよりも+x側にあれば負の値となるとする。ハーフミラー31の占有幅をMWは、ハーフミラー31を反射ユニット30の法線方向から見た場合のハーフミラー31の幅を意味する。また、ハーフミラー31の間隔調整量gは、視線ELが反射ユニット30の法線方向に対して傾いている場合に、入射側に隣接するハーフミラー31の観察者端e2と着目するハーフミラー31の外界端e1とが一致するための値である。つまり、ハーフミラー31の配列間隔SPは、以下の関係式(1)
SP=MW+g … (1)
で与えられる。図4に示すように、視線ELが反射ユニット30の法線方向を基準(正面)として相対的に若干鼻寄りに向かう場合、間隔調整量gは正の値となる。なお、詳細な図示を省略するが、反射ユニット30の中央側の部分23k(図3に対応)では、間隔調整量gが比較的大きな正の値となり、反射ユニット30の奥側の部分23hでは、間隔調整量gがさらに大きな正の値となる。
The arrangement interval SP of the half mirrors 31 will be considered in detail with reference to FIG. As described above, when the thickness of the reflection unit 30 is TI and the inclination angle of the reflection unit 30 is σ, the angle with respect to the optical axis AX of the optical path extending from the eye point EP to an arbitrary point of interest in the reflection unit 30 (that is, The angle of view line EL) is ε, the occupied width of the half mirror 31 is MW, the distance adjustment amount of the half mirror 31 is g, and the refractive index of the reflection unit 30 is n. Here, the angle ε of the line of sight EL is the same as the angle of the line of sight EL with respect to the optical axis direction line AX ′ parallel to the optical axis AX, and the eye EY is closer to the ear than the front direction and the point of interest is the optical axis. If it is on the -x side of AX, it is a positive value (in the case of illustration), and if the eye EY is closer to the nose than the front direction and the point of interest is on the + x side of the optical axis AX, it is a negative value. . The occupied width of the half mirror 31 is MW, which means the width of the half mirror 31 when the half mirror 31 is viewed from the normal direction of the reflection unit 30. In addition, when the line of sight EL is inclined with respect to the normal direction of the reflection unit 30, the distance adjustment amount g of the half mirror 31 is the half mirror 31 focused on the observer end e <b> 2 of the half mirror 31 adjacent to the incident side. This is a value for matching with the outside world edge e1. That is, the arrangement interval SP of the half mirrors 31 is expressed by the following relational expression (1).
SP = MW + g (1)
Given in. As shown in FIG. 4, when the line of sight EL moves slightly toward the nose relative to the normal direction of the reflection unit 30 as a reference (front), the interval adjustment amount g is a positive value. Although detailed illustration is omitted, in the central portion 23k (corresponding to FIG. 3) of the reflection unit 30, the interval adjustment amount g is a relatively large positive value, and in the rear portion 23h of the reflection unit 30, The interval adjustment amount g becomes a larger positive value.

眼EYを基準とした光路について考えると、視線ELが着目するハーフミラー31の外界端e1と入射側に隣接するハーフミラー31の観察者端e2とを通る場合、両ハーフミラー31が連続して繋がるように見える。視線ELの観察側から光射出面OSへの入射角をν1とし、視線ELの光射出面OSから外界側への射出角をν2とすると、両角ν1,ν2は、光射出面OSの法線に対して視線ELの成す角である。入射角ν1は、反射ユニット30の傾斜角σと視線ELの傾き角度εとの差σ−εで表される。射出角ν2は、スネルの法則によって入射角ν1を用いてn×sin(ν2)=sin(ν1)で与えられる。つまり、角ν2は以下のように表現することができる。

Figure 2017049511
ここで、幾何的な関係からg=TI×tan(ν2)なる関係が成り立っており、間隔調整量gは、以下の関係式(2)
g=TI×tan(ν2) … (2)
で与えられ、以下の関係式(2)'に置き換えることができる。
g=TI×{sin(σ−ε)/√[n−sin(σ−ε)]}
… (2)' Considering the optical path based on the eye EY, when the line of sight EL passes through the external edge e1 of the half mirror 31 of interest and the observer end e2 of the half mirror 31 adjacent to the incident side, both the half mirrors 31 are continuous. Looks like they are connected. If the angle of incidence of the line of sight EL from the observation side to the light exit surface OS is ν1, and the angle of incidence of the line of sight EL from the light exit surface OS to the outside is ν2, both angles ν1 and ν2 are normal to the light exit surface OS. Is the angle formed by the line of sight EL. The incident angle ν1 is represented by a difference σ−ε between the inclination angle σ of the reflection unit 30 and the inclination angle ε of the line of sight EL. The exit angle ν2 is given by n × sin (ν2) = sin (ν1) using the incident angle ν1 according to Snell's law. That is, the angle ν2 can be expressed as follows.
Figure 2017049511
Here, the relationship g = TI × tan (ν2) is established from the geometric relationship, and the interval adjustment amount g is expressed by the following relational expression (2).
g = TI × tan (ν2) (2)
And can be replaced by the following relational expression (2) ′.
g = TI × {sin (σ−ε) / √ [n 2 −sin 2 (σ−ε)]}
(2) '

以上は、反射ユニット30を構成する複数のハーフミラー31がX方向に関して視線ELを基準として全く重なりも切れ目もない場合、つまり複数のハーフミラー31が視線ELを基準として重複も隙間もない状態で配置されている場合を説明しているが、目立たない範囲内での僅かな重複や隙間であれば、複数のハーフミラー31が略連続して繋がる状態と言える。つまり、以下の関係式(3)
g≒TI×{sin(σ−ε)/√[n−sin(σ−ε)]}
… (3)
又は以下の関係式(4)
SP≒MW+TI×tan(ν2)
MW+TI×{sin(σ−ε)/√[n−sin(σ−ε)]}
… (4)
を満たされれば足る。特に、視線ELの方向を基準として隣接するハーフミラー31間に重複があっても隙間が無ければ外界光OLに関して観察されるムラを比較的少なく抑えることができる。一方、視線ELの方向を基準として隣接するハーフミラー31間に隙間がある場合、この隙間を極力狭くすることがムラ発生を防止する観点で望ましい。
The above is the case where the plurality of half mirrors 31 constituting the reflection unit 30 have no overlap or break with respect to the line of sight EL in the X direction, that is, the plurality of half mirrors 31 have no overlap or gap with respect to the line of sight EL. Although the case where it arrange | positions is demonstrated, if it is slight overlap and a clearance gap in the range which is not conspicuous, it can be said that the some half mirror 31 is connected substantially continuously. That is, the following relational expression (3)
g≈TI × {sin (σ−ε) / √ [n 2 −sin 2 (σ−ε)]}
(3)
Or the following relational expression (4)
SP ≒ MW + TI x tan (ν2)
MW + TI × {sin (σ−ε) / √ [n 2 −sin 2 (σ−ε)]}
(4)
If it is satisfied, it is enough. In particular, even if there is an overlap between the adjacent half mirrors 31 with respect to the direction of the line of sight EL, if there is no gap, unevenness observed with respect to the external light OL can be suppressed to a relatively small amount. On the other hand, when there is a gap between the adjacent half mirrors 31 with reference to the direction of the line of sight EL, it is desirable to make this gap as narrow as possible from the viewpoint of preventing occurrence of unevenness.

図5を参照して、反射ユニット30の製造方法の一例について説明する。予め、ガラス製の平行平板である多数のガラス板91を準備する。各ガラス板91の厚みは、ハーフミラー31の配列間隔SPを考慮したものとなっており、反射ユニット30のうち中央側の部分23kに対応するガラス板91の厚みを標準として、入射側又は入口側の部分23mに対応するガラス板91は相対的に薄く、反入射側又は奥側の部分23hに対応するガラス板91は相対的に厚くなっている。図5の場合、下側のガラス板91が薄く上側のガラス板91が厚くなっている。その後、準備した多数のガラス板91の一面に金属反射膜や誘電体多層膜である反射膜92を成膜することにより多数の要素板90を準備する。その後、形成された多数の要素板90を厚みの順に接着剤で接合しつつ積層し、切断線C1、C2に沿って全体を斜めにカットする。これにより、平行平板を斜めに分割した細長いプリズム片であるブロック部材32の間に金属反射膜や誘電体多層膜からなるハーフミラー31を挟んだ構造の反射ユニット30であって、一端側でハーフミラー31の配置間隔が狭く他端側でハーフミラー31の配置間隔が広くなったものを得ることができる。この反射ユニット30を、平行導光体22の観察者側の適所に接着剤を介して貼り付け、接着剤を硬化させることによって固定する。   With reference to FIG. 5, an example of the manufacturing method of the reflection unit 30 is demonstrated. A large number of glass plates 91 that are parallel flat plates made of glass are prepared in advance. The thickness of each glass plate 91 takes into consideration the arrangement interval SP of the half mirrors 31. The thickness of the glass plate 91 corresponding to the central portion 23 k of the reflection unit 30 is used as the standard, and the incident side or the entrance. The glass plate 91 corresponding to the side portion 23m is relatively thin, and the glass plate 91 corresponding to the counter-incident side or back side portion 23h is relatively thick. In the case of FIG. 5, the lower glass plate 91 is thin and the upper glass plate 91 is thick. After that, a large number of element plates 90 are prepared by forming a reflective film 92 that is a metal reflective film or a dielectric multilayer film on one surface of a large number of prepared glass plates 91. Thereafter, the formed many element plates 90 are stacked while being bonded with an adhesive in order of thickness, and the whole is cut obliquely along the cutting lines C1 and C2. Thus, the reflection unit 30 has a structure in which a half mirror 31 made of a metal reflection film or a dielectric multilayer film is sandwiched between block members 32 that are elongated prism pieces obtained by obliquely dividing a parallel plate, and is half-finished on one end side. It is possible to obtain a mirror in which the arrangement interval of the mirror 31 is narrow and the arrangement interval of the half mirror 31 is wide on the other end side. The reflection unit 30 is attached to an appropriate position on the viewer side of the parallel light guide 22 via an adhesive, and is fixed by curing the adhesive.

〔1D.第1実施形態のまとめ〕
以上で説明した第1実施形態の導光装置20によれば、複数のハーフミラー31の配列間隔SPが、入射部21に近い入射側から反入射側にかけてアイポイントEPを基準として複数のハーフミラー31が略連続して繋がるように変化するので、反射ユニット30を構成する複数のハーフミラー31がアイポイントEPの前方において略切れ目も重なりもない状態で略一様に配置されることになる。つまり、複数のハーフミラー31は、アイポイントEPに観察者の眼EYを配置した場合、その視線ELの前方において略切れ目も重なりもない状態で略一様に配置されることになる。これにより、外界光OLを観察する際にハーフミラー31に沿って延びる筋状のムラが観察されることを防止できる。
なお、本実施形態の導光装置20では、平行導光体22の外界側の平面22aで反射された映像光GLを反射することによって反射ユニット30に入射した映像光GLを観察者の眼EYに向わせるように設定しているので、映像光GLは、平行導光体22と反射ユニット30との境界面IFで反射されることなく射出部23又は反射ユニット30に入射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。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。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、その一方で、意図しない映像光GLの射出を防止してゴースト光の発生を抑えることができる。
[1D. Summary of First Embodiment]
According to the light guide device 20 of the first embodiment described above, the arrangement interval SP of the plurality of half mirrors 31 is a plurality of half mirrors on the basis of the eye point EP from the incident side close to the incident part 21 to the counter incident side. Since 31 are changed so as to be connected substantially continuously, the plurality of half mirrors 31 constituting the reflection unit 30 are arranged substantially uniformly in front of the eye point EP without any breaks or overlaps. That is, when the eye EY of the observer is arranged at the eye point EP, the plurality of half mirrors 31 are arranged substantially uniformly in a state where there is no cut or overlap in front of the line of sight EL. Thereby, when observing the external light OL, streaky unevenness extending along the half mirror 31 can be prevented from being observed.
In the light guide device 20 of the present embodiment, the image light GL incident on the reflection unit 30 is reflected by reflecting the image light GL reflected by the external surface side plane 22a of the parallel light guide 22 to the observer's eyes EY. Since the image light GL is not reflected by the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the reflection unit 30, the position where the image light GL enters the emission unit 23 or the reflection unit 30 or the position thereof is set. It only passes through the nearby half mirror 31. In other words, in the light guide device 20 of the present embodiment, the reflection unit 30 is thinner than about half of the parallel light guide 22 in the optical axis AX direction, and the half mirror 31 constituting the reflection unit 30 is a parallel light guide. In addition to being inclined so as to be closer to the incident portion 21 on the outside side than the viewer side of 22, at least a portion close to the incident portion 21 of the reflection unit 30 is disposed on the observer side of the parallel light guide 22. As a result, the inclination of the image light GL to be observed with respect to the optical axis AX is relatively increased on the far side away from the incident portion 21 in the reflection unit 30, and the image light GL from the incident portion 21 is reflected by the reflection unit 30. It is easy to directly enter the target location. As a result, the number of times that the image light GL to be observed passes through the half mirror 31 can be reduced to prevent luminance unevenness and dimming. On the other hand, unintentional emission of the image light GL can be prevented and ghost light can be generated. Can be suppressed.

図6は、上記第1実施形態に係る導光装置20のうち射出部23の構造等に関する変形例を説明する図である。この場合、反射ユニット30の厚みが、入射部21に近い入射側で厚く入射部21から遠い反入射側で薄くなっている。入射部21から遠い側では、映像光GL2の仰角φが小さくなっており、反射ユニット30を薄くすることで、ハーフミラー31を経由する回数が増加することを抑制できる。ここで、反射ユニット30の観察側の光射出面OSと、平行導光体22の外界側の平面22aとは平行であることが望ましい。つまり、平行導光体22のうち反射ユニット30に隣接する部分は原則として僅かな楔角を有することになる。
なお、上記のように反射ユニット30の厚みがX方向の位置によって変化する場合も、ハーフミラー31に関する間隔調整量gの関係式(2)やハーフミラー31に関する配列間隔SPの関係式(4)がそのまま当てはまる。つまり、関係式(2)〜(4)中における反射ユニット30の厚みTIが位置Xに応じて例えば線形的に増加する変数であるとして扱えばよい。
FIG. 6 is a diagram for explaining a modification example regarding the structure and the like of the emission unit 23 in the light guide device 20 according to the first embodiment. In this case, the thickness of the reflection unit 30 is thick on the incident side close to the incident portion 21 and thin on the non-incident side far from the incident portion 21. On the side far from the incident portion 21, the elevation angle φ 2 of the video light GL 2 is small. By making the reflection unit 30 thin, it is possible to suppress an increase in the number of times of passing through the half mirror 31. Here, it is desirable that the observation-side light exit surface OS of the reflection unit 30 and the external light-side plane 22 a of the parallel light guide 22 are parallel to each other. That is, the part adjacent to the reflection unit 30 among the parallel light guides 22 has a slight wedge angle in principle.
Even when the thickness of the reflection unit 30 varies depending on the position in the X direction as described above, the relational expression (2) of the interval adjustment amount g for the half mirror 31 and the relational expression (4) of the arrangement interval SP for the half mirror 31. The same applies. That is, the thickness TI of the reflection unit 30 in the relational expressions (2) to (4) may be treated as a variable that increases linearly according to the position X, for example.

図7(A)は、上記第1実施形態に係る導光装置20のうち射出部23の構造等に関する別の変形例を説明する図である。この場合、射出部23に設けた反射ユニット30が傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、反射ユニット30は、入射部21から遠い奥側の部分23hが入射部21に近い前側の部分23mよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、反射ユニット30の入射面30a及び出射面30bは、平行導光体22の平面22bを基準として、反時計回りに90°未満で適宜傾斜したものとなっている。
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に接合される断面楔状のプリズム部材23fを有する。これにより、平行導光体22の外界側の平面22aと、この平面22aに対向する光射出面OSとが平行になって、外界光OLの自然な観察が可能になる。反射ユニット30が傾斜した状態で配置されていても、角度条件を図2〜4に示す例と同様とすれば、平行導光体22の外界側の平面22aで反射された映像光GLを複数のハーフミラー31で反射させて、観察側の光射出面OSを通過させることでき、図2等の場合と同様に虚像を形成することができる。
FIG. 7A is a diagram for explaining another modified example regarding the structure and the like of the emission unit 23 in the light guide device 20 according to the first embodiment. In this case, the reflection unit 30 provided in the emission part 23 is incorporated in an inclined state. Specifically, the reflection unit 30 is inclined so that the far side portion 23 h far from the incident portion 21 is closer to the outside than the front portion 23 m close to the incident portion 21. That is, the entrance surface 30a and the exit surface 30b of the reflection unit 30 are appropriately inclined counterclockwise by less than 90 ° with respect to the plane 22b of the parallel light guide 22.
Note that the emission unit 23 includes a prism member 23f having a wedge-shaped cross section joined to the emission surface 30b of the reflection unit 30 on the opposite side of the parallel light guide 22 with the reflection unit 30 interposed therebetween. As a result, the plane 22a on the outside side of the parallel light guide 22 and the light exit surface OS facing the plane 22a are parallel to enable natural observation of the outside light OL. Even if the reflection unit 30 is arranged in an inclined state, if the angle condition is the same as in the example shown in FIGS. 2 to 4, a plurality of video light GLs reflected by the plane 22 a on the external side of the parallel light guide 22 are provided. Can be reflected by the half mirror 31 and pass through the light exit surface OS on the observation side, and a virtual image can be formed as in the case of FIG.

図7(B)は、図7(A)に示す一部を拡大したものである。この場合、反射ユニット30が平行導光体22に対して傾いて配置されているので角度関係が変化しており、ハーフミラー31の配列間隔SPは、図2〜4に示す場合を修正したものとする必要がある。ここで、反射ユニット30の厚みをTIとし、平行導光体22の傾斜角をσとし、プリズム部材23fの楔角をρとして、アイポイントEPから任意の着目点まで延ばした光路の光軸AXに対する角度(つまり視線ELの角度)をεとし、ハーフミラー31の占有幅をMWとし、ハーフミラー31の間隔調整量をgとする。さらに、反射ユニット30の屈折率をnとし、プリズム部材23fの屈折率をn1とする。この場合、ハーフミラー31の配列間隔SPは、反射ユニット30が傾斜していない場合と同じ関係式(1)
SP=MW+g … (1)
で与えられる。光射出面OSを挟んでの視線ELの入射角をν3とし射出角をν4とするとともに、出射面30bを挟んでの視線ELの入射角をν1とし射出角をν2とすると、角ν3,ν4間と角ν1,ν2間とにスネルの法則が成り立つ。つまり、角ν2は、詳細な説明を省略するが、以下のように表現することができる。

Figure 2017049511
この角ν2を利用すれば、間隔調整量gは、既述の関係式(2)
g=TI×tan(ν2) … (2)
で与えられる。 FIG. 7B is an enlarged view of a part shown in FIG. In this case, since the reflection unit 30 is arranged to be inclined with respect to the parallel light guide 22, the angular relationship is changed, and the arrangement interval SP of the half mirrors 31 is a modification of the case shown in FIGS. It is necessary to. Here, assuming that the thickness of the reflection unit 30 is TI, the inclination angle of the parallel light guide 22 is σ, and the wedge angle of the prism member 23f is ρ, the optical axis AX of the optical path extending from the eye point EP to an arbitrary point of interest An angle with respect to (that is, an angle of the line of sight EL) is ε, an occupied width of the half mirror 31 is MW, and an interval adjustment amount of the half mirror 31 is g. Further, the refractive index of the reflection unit 30 is n, and the refractive index of the prism member 23f is n1. In this case, the arrangement interval SP of the half mirrors 31 is the same relational expression (1) as that when the reflection unit 30 is not inclined.
SP = MW + g (1)
Given in. When the incident angle of the line of sight EL across the light exit surface OS is ν3 and the exit angle is ν4, and the incident angle of the line of sight EL across the exit surface 30b is ν1 and the exit angle is ν2, the angles ν3 and ν4 Snell's law holds between the angle and the angles ν1 and ν2. That is, the angle ν2 can be expressed as follows, although detailed description is omitted.
Figure 2017049511
If this angle ν2 is used, the interval adjustment amount g can be expressed by the relational expression (2) described above.
g = TI × tan (ν2) (2)
Given in.

以上は、反射ユニット30を構成する複数のハーフミラー31がX方向に関してアイポイントEP又は視線ELを基準として全く重なりも切れ目もない場合、つまり複数のハーフミラー31がアイポイントEP又は視線ELを基準として重複も隙間もない状態で配置されている場合を説明しているが、目立たない範囲内での僅かな重複や隙間であれば許容される。つまり、以下の関係式(4)'
SP≒MW+TI×tan(ν2) … (4)'
が満たされれば足る。
The above is the case where the plurality of half mirrors 31 constituting the reflection unit 30 have no overlap and no break with respect to the X direction with respect to the eye point EP or the line of sight EL, that is, the plurality of half mirrors 31 are based on the eye point EP or the line of sight EL. However, a slight overlap or gap within an inconspicuous range is allowed. That is, the following relational expression (4) ′
SP≈MW + TI × tan (ν2) (4) ′
It is enough if is satisfied.

以上で説明した第1実施形態やその変形例において、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。
反射ユニット30の製造方法は、図5に例示するものに限定されない。鋸歯状の断面を設けた樹脂基板であって、鋸歯の斜面に対応して平行に延びる多数の斜面を有するものを準備し、その多数の斜面にハーフミラー31を形成し、樹脂基板の斜面を含む溝を硬化可能な液体又は固体の樹脂で充填することによっても、図3等に示される光学的な構造を得ることができる。
In the first embodiment described above and the modifications thereof, the incident portion 21 is configured by the curved surfaces 21a and 21b, but one or both of them may be configured by a plane. In this case, the portion corresponding to the curved surface 21b can be a plane obtained by extending the plane 22b of the parallel light guide 22.
In addition, the incident portion 21 may be configured such that the image light GL incident from the light incident surface IS is directly coupled to the parallel light guide 22 without being reflected by the inner surface.
Furthermore, the parallel light guide 22 is not limited to a perfect parallel flat plate, and can have a slight curve and a wedge angle. That is, the flat surfaces 22a and 22b of the parallel light guide 22 can be aspherical surfaces or other curved surfaces, or can be formed with an inclination angle with each other. However, when the planes 22a and 22b are curved, diopter and magnification changes occur. In addition, when an inclination is provided between the planes 22a and 22b, chromatic dispersion occurs, so it is desirable that the inclination angle is small.
The manufacturing method of the reflection unit 30 is not limited to what is illustrated in FIG. A resin substrate having a sawtooth-shaped cross section having a plurality of slopes extending in parallel corresponding to the slope of the sawtooth is prepared, half mirrors 31 are formed on the slopes, and the slope of the resin substrate is formed. The optical structure shown in FIG. 3 or the like can also be obtained by filling the groove containing the resin with a curable liquid or solid resin.

〔第2実施形態〕
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。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a second embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the second embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first embodiment, and description of common portions is omitted.

図8に示すように、本実施形態の導光装置20は、映像光を取り込む入射部21と、導光用の平行導光体22と、映像光を取り出すための射出部23とを備える点で、第1実施形態の導光装置20と基本的に同一の構造を有する。ただし、第2実施形態の場合、導光装置20を通す映像光GLの光路は、反射回数が異なる複数種類の光路を含んでおり、これら複数種類の光路を合成するタイプとなっている。また、第2実施形態の場合、平行導光体22を傾けないでxy面に平行に配置している。   As shown in FIG. 8, the light guide device 20 of the present embodiment includes an incident portion 21 that takes in image light, a parallel light guide 22 for guiding light, and an emission portion 23 that takes out image light. Thus, it has basically the same structure as the light guide device 20 of the first embodiment. However, in the case of the second embodiment, the optical path of the video light GL passing through the light guide device 20 includes a plurality of types of optical paths having different numbers of reflections, and is a type that combines these types of optical paths. Further, in the case of the second embodiment, the parallel light guide 22 is arranged in parallel to the xy plane without being inclined.

なお、射出部23を構成する反射ユニット30は、詳細な説明を省略するが、第1実施形態の場合と同様の構造を有しており、多数のブロック部材32を接合した構造を有し、ハーフミラー31は、隣接する一対のブロック部材32間に挟まれた薄膜状のものとなっている。そして、複数のハーフミラー31の配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から終端面ESに近い反入射側にかけて、観察者のアイポイントEP又は視線ELを基準として複数のハーフミラー31が略連続して繋がるように変化している。結果的に、反射ユニット30における複数のハーフミラー31の配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加している。   In addition, although detailed description is abbreviate | omitted for the reflection unit 30 which comprises the injection | emission part 23, it has the structure similar to the case of 1st Embodiment, has the structure which joined many block members 32, The half mirror 31 is a thin film sandwiched between a pair of adjacent block members 32. The arrangement interval SP of the plurality of half mirrors 31 is substantially the same as that of the plurality of half mirrors 31 on the basis of the observer's eye point EP or line of sight EL from the incident side close to the incident portion 21 to the counter incident side close to the end surface ES. It changes so that it may be connected continuously. As a result, the arrangement interval SP of the plurality of half mirrors 31 in the reflection unit 30 gradually increases from the incident side close to the incident portion 21 to the non-incident side.

以下、映像光の光路について説明する。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。   Hereinafter, the optical path of the image light will be described. Of the image light respectively emitted from the emission surface 11a of the liquid crystal device 11, the component emitted from the central portion of the emission surface 11a indicated by the broken line is defined as the image light GL0, and the periphery of the emission surface 11a indicated by the alternate long and short dash line in the figure. Of these, the component emitted from the left side (−x side) of the paper surface is the video light GL1, and the component emitted from the right side (+ x side) of the light emission surface 11a indicated by the two-dot chain line in the drawing is the video light GL2. .

投射レンズ12を経た各映像光GL0,GL1,GL2の主要成分は、導光装置20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、これに対向する反射面RSで反射され、第1及び第2の全反射面に対応する平面22a,22bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。
具体的には、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の反射面RS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の反射面RS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の反射面RS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。
以上において、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。
The main components of the video lights GL0, GL1, and GL2 that have passed through the projection lens 12 are respectively incident from the light incident surface IS of the light guide device 20, and then reflected by the reflecting surface RS facing the first and second components. Total reflection is repeated at different angles on the planes 22a and 22b corresponding to the total reflection surface.
Specifically, among the image lights GL0, GL1, and GL2, the image light GL0 emitted from the central portion of the emission surface 11a is reflected by the reflection surface RS of the incident portion 21 as a parallel light flux, and then the standard reflection angle θ0. The light enters the plane 22b on the viewer side of the parallel light guide 22 and is totally reflected. Thereafter, the image light GL0 repeats total reflection on the pair of flat surfaces 22a and 22b while maintaining the standard reflection angle θ0. The video light GL0 is totally reflected even times on the planes 22a and 22b, passes through it without being reflected by the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting unit 23 or the reflecting unit 30, and is a central portion of the emitting unit 23. Incident at 23k. The image light GL0 is reflected at a predetermined angle at the portion 23k, and is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS in the optical axis AX direction perpendicular to the xy plane including the light exit surface OS.
Further, the image light GL1 emitted from one end side (−x side) of the emission surface 11a is reflected by the reflection surface RS of the incident portion 21 as a parallel light beam, and then observed by the parallel light guide 22 at the maximum reflection angle θ1. The light enters the person-side plane 22b and is totally reflected. The image light GL1 is totally reflected a plurality of times on the planes 22a and 22b, passes through the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting unit 23 or the reflecting unit 30, and passes through the inner side of the emitting unit 23. The light is reflected at a predetermined angle at the (+ x side) portion 23h and is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS toward the predetermined angle direction. The exit angle γ1 at this time is such that it is returned to the incident portion 21 side and becomes an acute ray with respect to the + x axis.
On the other hand, the image light GL2 emitted from the other end side (+ x side) of the emission surface 11a is reflected by the reflection surface RS of the incident portion 21 as a parallel light beam, and then observed by the parallel light guide 22 at the minimum reflection angle θ2. The light enters the person-side plane 22b and is totally reflected. The image light GL2 is totally reflected a plurality of times on the planes 22a and 22b, passes through the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting portion 23 or the reflecting unit 30, and passes through the entrance portion of the emitting portion 23. The light is reflected at a predetermined angle at the (−x side) portion 23m, and is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS toward the predetermined angle direction. The exit angle γ2 at this time is such that it is away from the incident portion 21 side, and becomes an obtuse angle ray with respect to the + x axis.
In the above, the total number of reflections until the image lights GL0, GL1, and GL2 reach the emission unit 23 does not necessarily match. In other words, in the illustrated example, the total number of reflections with the image light GL2 is one or more times greater than the total reflection number with the image light GL1, and the total reflection number with respect to the image light GL0 is the total reflection number of both the image lights GL1 and GL2. Including the case where it matches the number of reflections. However, since the light reflection efficiency due to total reflection on the planes 22a and 22b is very high, even if the number of reflections differs between the image lights GL0, GL1 and GL2 as described above, this causes uneven brightness. It rarely occurs. The video lights GL0, GL1, and GL2 are described on behalf of a part of the whole light beam of the video light GL. However, the light beam components constituting the other video light GL are similar to the video light GL0 and the like. Since these are guided and emitted from the light exit surface OS, illustration and description thereof are omitted.

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。   The image light GL0 for the center is incident on the portion 23k of the emission part 23 at an elevation angle φ0 (= 90 ° −θ0), and the image light GL1 for the periphery is emitted at an elevation angle φ1 (= 90 ° −θ1). The image light GL2 for the periphery is incident on the portion 23m of the emission part 23 at an elevation angle φ2 (= 90 ° −θ2). Here, a relationship of φ2> φ0> φ1 is established between the elevation angles φ0, φ1, and φ2, reflecting the magnitude relationship of the reflection angles θ0, θ1, and θ2. That is, the incident angle of the reflection unit 30 to the half mirror 31 gradually decreases in the order of the portion 23m corresponding to the elevation angle φ2, the portion 23k corresponding to the elevation angle φ0, and the portion 23h corresponding to the elevation angle φ1. In other words, the incident angle to the half mirror 31 or the reflection angle at the half mirror 31 decreases as the distance from the incident portion 21 increases.

平行導光体22の外界側の平面22aで反射されて射出部23に向かう映像光GLの光線束の全体的な挙動について説明する。映像光GLの光線束は、光軸AXを含む断面において、平行導光体22の外界側の所定面領域FRで反射される前後の直進光路P1,P2のいずれかで幅が絞られる。具体的には、映像光GLの光線束は、光軸AXを含む断面において、所定面領域FRでの反射後の直進光路P2で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなる。これにより、映像光GLの光線束を射出部23の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。   The overall behavior of the light bundle of the image light GL that is reflected by the external plane 22a of the parallel light guide 22 and travels toward the exit portion 23 will be described. In the cross section including the optical axis AX, the width of the light bundle of the image light GL is narrowed by any one of the front and rear straight light paths P1 and P2 reflected by the predetermined surface region FR on the outside of the parallel light guide 22. Specifically, the beam bundle of the image light GL is narrowed as a whole in the straight light path P2 after reflection at the predetermined surface region FR in a cross section including the optical axis AX, and the beam width becomes narrow. As a result, the beam bundle of the image light GL is narrowed in front of the emission unit 23, and it becomes easy to make the viewing angle in the horizontal direction relatively wide.

〔その他〕
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。
[Others]
Although the present invention has been described with reference to each embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modes without departing from the spirit of the present invention. The following modifications are possible.

反射ユニット30に設けた多数のハーフミラー31の反射率は、原則として一致させるが、これらハーフミラー31の反射率を入射部21に近い入射側から反入射側にかけて徐々に変化させることもできる。   The reflectivities of a large number of half mirrors 31 provided in the reflection unit 30 are matched in principle. However, the reflectivities of these half mirrors 31 can be gradually changed from the incident side close to the incident part 21 to the non-incident side.

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

以上の説明では、虚像表示装置100として、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 above description, the virtual image display device 100 is configured to provide the image forming device 10 and the light guide device 20 one by one corresponding to both the right eye and the left eye, but in 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.

以上の説明では、実施形態の虚像表示装置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、実施形態の虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイ、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。   In the above description, the virtual image display device 100 of the embodiment is specifically described as a head-mounted display. However, the virtual image display device 100 of the embodiment is applied to a head-up display, a binocular handheld display, and the like. You can also.

以上の説明では、平行導光体22の平面22a,22b又は曲面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映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、平面22a,22b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、映像光GLの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面22a,22bの一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。   In the above description, the plane light 22a, 22b or the curved surface 21b of the parallel light guide 22 is assumed to guide the image light by being totally reflected by the interface with the air without applying a mirror or a half mirror on the surface. The total reflection in the present invention includes reflection formed by forming a mirror coat or a half mirror film on the whole or a part of the planes 22a and 22b. For example, a case where the incident angle of the image light GL satisfies the total reflection condition and a mirror coat or the like is applied to a part of the planes 22a and 22b to reflect substantially all the image light is included.

以上の説明では、平行導光体22をX方向又はx方向に横長とし、光入射面ISを眼の横方向外側に位置するように形成しているが、映像光GLを導光装置20内に適切に導くことができれば、光入射面ISの位置はこれに限らず、例えば導光装置20の上下にある上端面TPや下端面BPの一部等に設けることも可能である。この場合、反射ユニット30は、眼前の光軸AXのまわりに90°回転させる。   In the above description, the parallel light guide 22 is horizontally long in the X direction or the x direction, and the light incident surface IS is positioned on the outer side in the lateral direction of the eye. However, the position of the light incident surface IS is not limited to this. For example, the light incident surface IS may be provided on the upper end surface TP or the lower end surface BP above and below the light guide device 20. In this case, the reflection unit 30 is rotated by 90 ° around the optical axis AX in front of the eyes.

以上では触れていないが、平行導光体22において外形を画定する外周部のうち上端面TPや下端面BP等を黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面とすることができる。さらに、上端面TPや下端面BP以外の箇所に黒色塗装塗布やサンドブラスト加工を施してもよい。上端面TPや下端面BP等の一部にのみ黒色塗装やサンドブラスト加工を施すものとしてもよい。   Although not mentioned above, the upper end surface TP, the lower end surface BP, and the like of the outer peripheral portion that defines the outer shape of the parallel light guide 22 can be used as a black paint application surface or a sandblasted surface. Furthermore, you may perform black coating application | coating or sandblasting to locations other than upper end surface TP and lower end surface BP. Only a part of the upper end surface TP, the lower end surface BP, or the like may be subjected to black coating or sandblasting.

また、反射ユニット30を構成するハーフミラー31としては、反射率を適宜低下させるものに限らず、ホログラムミラーを用いることができる。この際のホログラムミラーは、RGBの各色を一括処理する多層型とできるが、各色用の単層膜とすることもできる。   Moreover, as the half mirror 31 which comprises the reflection unit 30, it is not restricted to what reduces a reflectance suitably, A hologram mirror can be used. The hologram mirror at this time can be a multi-layer type that collectively processes RGB colors, but can also be a single layer film for each color.

10…画像形成装置、 11…液晶デバイス、 11a…射出面、 12…投射レンズ、 14…光源、 20…導光装置、 21…入射部、 22…平行導光体、 22a,22b…平面(全反射面)、 23…射出部、 23h,23k,23m…部分、 30…反射ユニット、 31…ハーフミラー、 32…ブロック部材、 100…虚像表示装置、 AX…光軸、 EY…眼、 GL…映像光、 GL0,GL1,GL2…映像光、 IS…光入射面、 OS…光射出面、 RS…反射面、 IF…境界面、 FR…所定面領域   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image forming apparatus, 11 ... Liquid crystal device, 11a ... Ejection surface, 12 ... Projection lens, 14 ... Light source, 20 ... Light guide device, 21 ... Incident part, 22 ... Parallel light guide, 22a, 22b ... Plane (all Reflective surface), 23 ... Ejecting part, 23h, 23k, 23m ... part, 30 ... Reflecting unit, 31 ... Half mirror, 32 ... Block member, 100 ... Virtual image display device, AX ... Optical axis, EY ... Eye, GL ... Video Light, GL0, GL1, GL2 ... Video light, IS ... Light incident surface, OS ... Light exit surface, RS ... Reflecting surface, IF ... Boundary surface, FR ... Predetermined surface area

Claims (18)

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、前記導光体の外界側で反射された映像光を反射することによって観察者側にそれぞれ向かわせ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、
前記複数のミラーの配列間隔が、前記入射部に近い入射側から反入射側にかけて、アイポイントを基準として前記複数のミラーが略連続して繋がるように変化する、導光装置。
A light guide having a pair of faces facing and extending substantially parallel to the observer side and the external side;
An incident portion provided on one end side of the light guide;
An emission part provided on the other end side of the light guide,
The emission unit includes a reflection unit in which a plurality of mirrors are arranged to be directed toward the observer side by reflecting video light reflected on the outside of the light guide,
The plurality of mirrors are inclined toward the incident part toward the outside,
The light guide device, wherein an array interval of the plurality of mirrors changes from an incident side close to the incident portion to a non-incident side so that the plurality of mirrors are connected substantially continuously with an eye point as a reference.
前記反射ユニットの配列間隔は、前記入射部に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加する、請求項1に記載の導光装置。   The light guide device according to claim 1, wherein the arrangement interval of the reflection units gradually increases from an incident side close to the incident portion to a non-incident side. 前記入射部は、観察者の耳側に配置され、前記射出部は、観察者の鼻側に配置される、請求項2に記載の導光装置。   The light guide device according to claim 2, wherein the incident unit is disposed on an ear side of the observer, and the emitting unit is disposed on a nose side of the observer. 前記複数のミラーは、前記アイポイントを基準として隙間無く配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of mirrors are arranged without a gap with respect to the eye point. 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前記アイポイントに至る、請求項1〜4のいずれか一項に記載の導光装置。   5. The image light of all angles of view is reflected by the plurality of mirrors after being reflected the same number of times within the light guide, and reaches the eye point. 6. Light guide device. 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5のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to claim 5, wherein the incident portion has at least one of a curved incident surface and a reflecting surface. 前記複数のミラーは、平行に配置されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to any one of claims 1 to 6, wherein the plurality of mirrors are arranged in parallel. 前記複数のミラーは、0.5mm〜2.0mmの間隔で配置されている、請求項1〜7までのいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of mirrors are arranged at intervals of 0.5 mm to 2.0 mm. 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、入射側から反入射側にかけて徐々に減少する、請求項1〜8までのいずれか一項に記載の導光装置。   9. The guide according to claim 1, wherein an angle at which light used for image formation of the image light is incident on the mirror of the reflection unit gradually decreases from an incident side to a counter incident side. Optical device. 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1〜9のいずれか一項に記載の導光装置。   A light beam used for image formation is reflected by a predetermined surface area on the outside of the light guide and is incident on the reflection unit, and in a cross section including the optical axis, a straight optical path before and after being reflected by the predetermined surface area The light guide device according to any one of claims 1 to 9, wherein the width is narrowed by any of the above. 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10に記載の導光装置。   The cross section including the optical axis has an incident width at which a light beam used for image formation is incident on the reflection unit is wider than an incident width at which the light beam used for image formation is incident on the predetermined surface region. The light guide device described. 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1〜11のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to any one of claims 1 to 11, wherein the plurality of mirrors are configured by half mirrors. 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1〜12のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to claim 1, wherein the reflection unit is disposed along a surface provided on an observer side of the light guide. 前記反射ユニットの配列間隔をSPとし、ミラーの占有幅をMWとし、ミラーの間隔調整量をgとし、前記反射ユニットの厚みをTIとし、前記導光体及び前記反射ユニットの傾斜角をσとし、前記アイポイントから前記反射ユニットの任意の着目点まで延ばした光路の光軸に対する角度をεとし、前記反射ユニットの屈折率をnとしたとき、以下の関係
SP=MW+g
g≒TI×{sin(σ−ε)/√[n−sin(σ−ε)]}
を満たす、請求項13に記載の導光装置。
The arrangement interval of the reflection units is SP, the mirror occupation width is MW, the mirror interval adjustment amount is g, the thickness of the reflection unit is TI, and the inclination angle of the light guide and the reflection unit is σ. When the angle with respect to the optical axis of the optical path extending from the eye point to an arbitrary point of interest of the reflection unit is ε and the refractive index of the reflection unit is n, the following relationship is obtained: SP = MW + g
g≈TI × {sin (σ−ε) / √ [n 2 −sin 2 (σ−ε)]}
The light guide device according to claim 13, wherein:
前記反射ユニットは、反入射側の部分が入射側の部分よりも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1〜12いずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to any one of claims 1 to 12, wherein the reflection unit is disposed so as to be inclined such that a portion on the anti-incident side is relatively closer to the outside than a portion on the incident side. 前記導光体は、前記一対の対向する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1〜15のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide has first and second total reflection surfaces extending in parallel as the pair of opposing surfaces, and image light taken from the incident portion is reflected by the first and second total reflection surfaces. The light guide device according to claim 1, wherein the light guide device is guided by total reflection. 前記入射部に在る面は、非軸対称曲面である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の導光装置。   The light guide device according to claim 1, wherein a surface of the incident portion is a non-axisymmetric curved surface. 映像光を生じさせる映像素子と、請求項1〜17のいずれか一項に記載の導光装置とを備える虚像表示装置。   A virtual image display device comprising: an image element that generates image light; and the light guide device according to claim 1.
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