JP2017067889A - Virtual image optical system, light guide, and virtual image display device - Google Patents

Virtual image optical system, light guide, and virtual image display device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a virtual image optical system that realizes a compact light guide.SOLUTION: A virtual image optical system comprises an image display element 10, a collimating optical system 300, and a light guide 50 that guides and outputs image light to display a virtual image. The light guide has a light guide member 100 with a light incident section 101 for the image light to enter and a light exit section 104 for the image light to exit, each being formed on a different surface. The collimating optical system has an optical axis at an angle with the light exit section 104. The light guide member 100 has an image extraction section 103 which comprises alternately arranged first surfaces that are at an angle with the light exit section 104 and second surfaces parallel to the light exit section 104 and is configured to guide the image light from the first surfaces to the light exit section 104 in order to extract the image light.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、ライトガイド及びこのライトガイドを用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a light guide, a virtual image optical system using the light guide, and a virtual image display device.

2次元の画像を虚像光学系により拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する装置として、ライトガイドを用いた虚像表示装置が知られている。かかる虚像表示装置で用いられるライトガイドの一形態として、近年、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display、以下「HMD」と称する。)が普及し始めている。HMDは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のHMDは、例えばGoogle LTD.(米国)のGoogleglass(商標登録)がある。非透過型のHMDに関しても、その没入感から、各社から種々の提案がなされている。   A virtual image display device using a light guide is known as a device that enlarges a two-dimensional image using a virtual image optical system and displays the enlarged virtual image so that an observer can observe it. In recent years, a head mounted display (hereinafter referred to as “HMD”) is becoming popular as one form of light guide used in such a virtual image display device. The HMD is classified into a see-through transmission type and a non-transmission type. The transmission type HMD is, for example, Google LTD. There is Googleglass (registered trademark) of (USA). Various proposals have also been made by non-transparent HMDs for their immersion.

透過型のHMDは、情報端末と組み合わせて使用したりAR(Augmented Reality:拡張現実)等の提供用として使用するため、小型で携帯性が良いものが望まれている。非透過型のHMDは、映画鑑賞やゲームやVR(Virtual Reality:仮想現実)等の提供用として使用するため、没入感が得られる広視野角であることが望まれている。   The transmissive HMD is used in combination with an information terminal or used for providing AR (Augmented Reality) or the like, so that a small HMD having good portability is desired. The non-transparent HMD is desired to have a wide viewing angle that provides an immersive feeling because it is used for watching movies, providing games, and providing VR (Virtual Reality).

HMDの外形や大きさに関しては、本体サイズの小型化、薄肉化を重視すると視野角が狭くなる傾向にあり、逆に、表示エリアを広視野角にすると本体サイズが大型化、厚肉化する傾向にある。   With regard to the outer shape and size of the HMD, the viewing angle tends to be narrower if emphasis is placed on reducing the size and thickness of the main body. Conversely, when the display area is wide, the main body size increases and becomes thicker. There is a tendency.

近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉、小型、かつ、広視野角であることが要請されるようになり、かかる要請を考慮した透過型の虚像表示装置として、例えば特許文献1乃至3が知られている。   In recent years, the transmissive type has been required to be thin, small, and have a wide viewing angle due to user needs. As a transmissive virtual image display device in consideration of such demand, for example, Patent Document 1 Thru 3 are known.

特許文献1の虚像表示装置は、導光板の光線入射部と光線射出部とを同一面上に位置させ、コリメート光学系の投射レンズの主光線を導光板に対して垂直に入射するように配置し、光透過性基板に2つ以上の主要面及びエッジを設ける。この虚像表示装置では、全反射によって光透過性基板に光を結像させる手段及び光透過性基板に設けられる1つ以上の部分的反射面を備える。   The virtual image display device of Patent Document 1 is arranged so that the light incident portion and the light emitting portion of the light guide plate are positioned on the same plane, and the principal ray of the projection lens of the collimating optical system is incident perpendicularly to the light guide plate. Then, two or more main surfaces and edges are provided on the light transmissive substrate. This virtual image display device includes means for imaging light on a light-transmitting substrate by total reflection and one or more partial reflecting surfaces provided on the light-transmitting substrate.

特許文献2の虚像表示装置は、2つの面を備えた光導波路において、光ビームを光導波路内に入射させるための注入部分を有し、光導波路の2つの面による連続反射によって光導波路中を伝搬して光ビームを射出させる。この虚像表示装置では、光導波路の2つの面の内の一の面上の平らな表面に微細構造を有し、光導波路の2つの面を平行にすることによって、透過する像と虚像とを重ね合わせる。   The virtual image display device of Patent Document 2 has an injection portion for allowing a light beam to enter the optical waveguide in an optical waveguide having two surfaces, and the optical waveguide displays the continuous light reflected by the two surfaces of the optical waveguide. Propagate and emit a light beam. This virtual image display device has a fine structure on a flat surface on one surface of two surfaces of an optical waveguide, and by making the two surfaces of the optical waveguide parallel, a transmitted image and a virtual image can be obtained. Overlapping.

特許文献3の虚像表示装置は、自由曲面を有する導光板を使用し、投射レンズを導光板に対して傾斜して配置し、投射レンズから射出される光線で導光板内に中間像を形成させ、導光板の画像取り出し部で導光板内に形成された中間像を拡大化して虚像を表示するものである。   The virtual image display device of Patent Document 3 uses a light guide plate having a free-form surface, arranges the projection lens so as to be inclined with respect to the light guide plate, and forms an intermediate image in the light guide plate with light emitted from the projection lens. The intermediate image formed in the light guide plate is enlarged by the image extraction unit of the light guide plate to display a virtual image.

本発明は、ライトガイドをコンパクトに実現できる虚像光学系を提供することを主たる目的とする。   An object of the present invention is to provide a virtual image optical system capable of realizing a light guide in a compact manner.

本発明に係る虚像光学系は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、前記画像表示素子からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系と、前記コリメート光学系からの画像光を導光して虚像表示のために射出するライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とが各々異なる面で形成された導光部材を有し、前記コリメート光学系の光軸は、前記ライトガイドの前記光線射出部に対して傾いて配置され、前記導光部材は、前記光線射出部に対して傾斜する第1面と前記光線射出部と平行な第2面とが交互に配置され前記画像光を前記第1面から前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備えることを特徴とする。   A virtual image optical system according to the present invention includes an image display element that outputs image light of a display image, a collimating optical system that collimates and emits image light from the image display element, and image light from the collimating optical system. A light guide that guides and emits light for virtual image display, and the light guide includes a light incident part that receives the image light and a light output part that emits the image light to the outside. A light guide member formed on a different surface, the optical axis of the collimating optical system is inclined with respect to the light emitting part of the light guide, and the light guide member is disposed with respect to the light emitting part. And an image taking-out unit that guides and takes out the image light from the first surface to the light-emitting unit. The first surface is inclined alternately and the second surface is parallel to the light-emitting unit. And

本発明によれば、ライトガイドのコンパクトに実現できる虚像光学系を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the virtual image optical system which can be implement | achieved compactly of a light guide can be provided.

本発明を適用した虚像光学系の実施形態を概略的に示す平面図であり、画像表示素子、コリメート光学系、及びライトガイドの位置関係を示す。1 is a plan view schematically showing an embodiment of a virtual image optical system to which the present invention is applied, and shows a positional relationship between an image display element, a collimating optical system, and a light guide. 図1の虚像光学系の斜視図である。It is a perspective view of the virtual image optical system of FIG. 前記虚像光学系の光路図である。It is an optical path diagram of the virtual image optical system. ライトガイドの一の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of a light guide. ライトガイドの他の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows other embodiment of a light guide. 図5のライトガイドによる虚像光学系の斜視図である。It is a perspective view of the virtual image optical system by the light guide of FIG. 種々のライトガイドを比較して示す平面図であり、(a)は図4のライトガイドを、(b)は図5のライトガイドを、(c)は参考例のライトガイドを、それぞれ示す。FIG. 5 is a plan view showing various light guides in comparison, where (a) shows the light guide of FIG. 4, (b) shows the light guide of FIG. 5, and (c) shows the light guide of the reference example. ライトガイドの導光部材の部分拡大平面図であり、(a)は画像取り出し部を拡大して示す図、(b)は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is the elements on larger scale of the light guide member of a light guide, (a) is a figure which expands and shows an image extraction part, (b) is a figure which expands and shows an image extraction part further. 光学部材の一の構成例、及び、導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、(a)は画像取り出し部を拡大して示す図、(b)は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is the elements on larger scale which show one structural example of an optical member, and the arrangement state of a light guide member and an optical member, (a) is a figure which expands and shows an image extraction part, (b) is an image extraction part. It is a figure expanding further. 図9の光学部材と導光部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。It is the elements on larger scale which show the state which joined the optical member and light guide member of FIG. 9 with the adhesive agent. 図9の導光部材と他の構成例の光学部材とを接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。It is the elements on larger scale which show the state which joined the light guide member of FIG. 9, and the optical member of another structural example with the adhesive agent. 虚像光学系で用いられるコリメート光学系の一例を示す光学配置図である。It is an optical arrangement | positioning figure which shows an example of the collimating optical system used with a virtual image optical system. 虚像光学系の原理を説明する光路図である。It is an optical path diagram explaining the principle of a virtual image optical system. 導光部材の他の実施形態を説明する部分拡大平面図であり、(a)は画像取り出し部を拡大して示す図、(b)は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is the elements on larger scale which explain other embodiment of a light guide member, (a) is a figure which expands and shows an image extraction part, (b) is a figure which expands and shows an image extraction part further. 図14の導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、(a)は画像取り出し部を拡大して示す図、(b)は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is the elements on larger scale which show the arrangement state of the light guide member of FIG. 14, and an optical member, (a) is a figure which expands and shows an image extraction part, (b) is a figure which expands and shows an image extraction part further. is there. 図14の光学部材と導光部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。It is the elements on larger scale which show the state which joined the optical member and light guide member of FIG. 14 with the adhesive agent. 図14の導光部材と他の構成例の光学部材とを接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。It is the elements on larger scale which show the state which joined the light guide member of FIG. 14, and the optical member of another structural example with the adhesive agent. 本実施形態の虚像光学系を備えた虚像表示装置を示す平面図である。It is a top view which shows the virtual image display apparatus provided with the virtual image optical system of this embodiment. 本実施形態のライトガイドを眼鏡型のHMDに適用した例を表す模式図であり、(a)はライトガイドを両眼一体型とした場合、(b)及び(c)は、ライトガイドを単眼型とし、左右の目に各々適用した場合及び片方の目に適用した場合を示す。It is a schematic diagram showing the example which applied the light guide of this embodiment to spectacles type HMD, (a) is a case where a light guide is made into a monocular type, (b) And (c) is a monocular for a light guide. The figure shows the case of applying to the left and right eyes and the case of applying to one eye.

以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。以下の実施形態は、透過型のライトガイドを用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関するものであり、最初に、虚像表示装置用の虚像光学系の構成を説明する。   Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The following embodiments relate to a virtual image optical system and a virtual image display device using a transmissive light guide. First, the configuration of a virtual image optical system for a virtual image display device will be described.

図1及び図2に示す本実施形態の虚像光学系は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子10と、画像表示素子10からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系300と、ライトガイド50と、を備える。ライトガイド50は、コリメート光学系300から拡大して射出される画像光を内部に導光し、虚像表示のために外部すなわち観察者の目に向けて射出する役割を担うものである。図3は、かかる虚像光学系の光路を矢印で示すとともに、観察者の目を模式的に描いている。以下、ライトガイド50の面に関し、観察者から見て手前側(図3において下側)の面を「後面」とし、奥側(図3において上側)の面を「前面」として説明する。   The virtual image optical system of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 includes an image display element 10 that outputs image light of a display image, a collimating optical system 300 that collimates and emits image light from the image display element 10, and A light guide 50. The light guide 50 guides image light that is enlarged and emitted from the collimating optical system 300 to the inside, and emits the light toward the outside, that is, the eyes of an observer for virtual image display. FIG. 3 schematically shows the eyes of the observer while the optical path of the virtual image optical system is indicated by arrows. Hereinafter, regarding the surface of the light guide 50, the front side (lower side in FIG. 3) viewed from the observer is referred to as a “rear surface”, and the rear side (upper side in FIG. 3) is referred to as a “front surface”.

画像表示素子10は、ライトガイド50を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子10は、有機LED(OLED:Organic Light Emitting Diode)や液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子10として、DMD(Digital Micromirror Device)が適用可能である。また、画像表示素子10として、TFT(Thin Film Transistor)やLCOS(Liquid Crystal On Silicon)が適用可能である。さらに、画像表示素子10として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が適用可能である。   The image display element 10 is a device that outputs image light of a display image that is a basis of a virtual image displayed through the light guide 50. The image display element 10 is preferably an organic LED (OLED: Organic Light Emitting Diode) or a liquid crystal display element, but various other display methods can be applied. For example, a DMD (Digital Micromirror Device) can be applied as the image display element 10. Further, as the image display element 10, TFT (Thin Film Transistor) or LCOS (Liquid Crystal On Silicon) can be applied. Further, as the image display element 10, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) can be applied.

コリメート光学系300は、画像表示素子10から出力される上述の画像光を拡大し平行光として射出する。図3に示すように、コリメート光学系300は、その射出光の中心軸(光軸)が、ライトガイド50の後述する光線射出部104に対して傾きを有するように配置される。コリメート光学系300の構成例は後述する。   The collimating optical system 300 enlarges the above-described image light output from the image display element 10 and emits it as parallel light. As shown in FIG. 3, the collimating optical system 300 is arranged so that the central axis (optical axis) of the emitted light is inclined with respect to a light emitting unit 104 described later of the light guide 50. A configuration example of the collimating optical system 300 will be described later.

(ライトガイド)
ライトガイド50は、コリメート光学系300からの画像光を内部に入射して導光し、外部すなわち観察者の目に向けて射出することで、画像光を観察者に虚像として提供するものである。ライトガイド50は、図4に示すように、画像光の入射、導光及び射出を行うための導光部材100と、ライトガイド50のシースルー性を確保するため導光部材100と一体をなすように設けられる光学部材200と、を備える。
(Light guide)
The light guide 50 enters the image light from the collimating optical system 300 and guides it, and emits the light toward the outside, that is, the eyes of the observer, thereby providing the image light to the observer as a virtual image. . As shown in FIG. 4, the light guide 50 is integrated with the light guide member 100 for entering, guiding, and emitting image light, and the light guide member 100 to ensure the see-through property of the light guide 50. The optical member 200 is provided.

(導光部材)
ライトガイド50の導光部材100は、本実施形態では、コリメート光学系300からの画像光が入射される光線入射部101と、画像光を外部に射出する光線射出部104と、を有する。光線入射部101と光線射出部104とは、各々異なる面で形成されている。「異なる面」とは、同一面でも平行面でもなく、一方に対して他方が傾斜する面であることを意味する。この実施形態では、光線入射部101は、光線射出部104に対して鈍角で傾斜している。
(Light guide member)
In this embodiment, the light guide member 100 of the light guide 50 includes a light beam incident part 101 into which image light from the collimating optical system 300 is incident and a light beam emission part 104 that emits image light to the outside. The light incident part 101 and the light emitting part 104 are formed on different surfaces. “Different planes” means that the planes are not the same plane or parallel planes, and the other side is inclined with respect to one side. In this embodiment, the light incident part 101 is inclined at an obtuse angle with respect to the light emitting part 104.

本実施形態では、導光部材100の光線入射部101と光線射出部104は、それぞれ平面となっている。光線入射部101及び光線射出部104を平面にすることで、導光部材100さらにはライトガイド50の生産性を向上させ、また、導光部材100及びライトガイド50全体をシンプルな構成にすることができる。   In the present embodiment, the light incident part 101 and the light emitting part 104 of the light guide member 100 are flat. By making the light incident part 101 and the light emitting part 104 flat, the productivity of the light guide member 100 and the light guide 50 is improved, and the light guide member 100 and the light guide 50 as a whole are made simple. Can do.

また、光線入射部101と光線射出部104とを異なる面にすることで、入射光線の角度をより適切な角度に設定することが可能になり、これによりライトガイドをコンパクトに、すなわち小型で薄肉にすることが可能になる。また、光線入射部101と光線射出部104とを異なる面とすることで、光線束を広く取ることができることから、視野角を広角とするのに有利になる。   Further, by making the light incident part 101 and the light emitting part 104 different surfaces, it becomes possible to set the angle of the incident light to a more appropriate angle, thereby making the light guide compact, that is, small and thin. It becomes possible to. Also, by making the light incident part 101 and the light emitting part 104 different surfaces, a wide light bundle can be obtained, which is advantageous for making the viewing angle wide.

なお、光線入射部101と光線射出部104を同一面とした場合には、加工面や管理面での容易性がある反面、光線入射部101と光線射出部104の自由度が減る。このため、視野角を広く取ろうとすると、ライトガイドが大型化、厚肉化する。このため、本実施形態では、光線入射部101と光線射出部104とを異なる面にしている。   In addition, when the light incident part 101 and the light emission part 104 are made into the same surface, although the ease of a processing surface and a management surface exists, the freedom degree of the light incident part 101 and the light emission part 104 reduces. For this reason, if the viewing angle is widened, the light guide becomes larger and thicker. For this reason, in this embodiment, the light incident part 101 and the light emission part 104 are made into different surfaces.

他方、シースルー性を良好にするために、導光部材100は、光線射出部104が設けられた後面と、奥側(図4において上側)の前面105とが、互いに平行に形成されている。   On the other hand, in order to improve the see-through property, the light guide member 100 has a rear surface on which the light emitting section 104 is provided and a front surface 105 on the back side (upper side in FIG. 4) formed in parallel to each other.

また、図4に示す実施形態では、導光部材100は、光線射出部104を含む後面の全体が平面に形成されている。これに対して、図5に示すように、導光部材100の光線入射部101を光線射出部104の延長面から平面視において三角形状に突き出した形状とすることもできる。図5に示すライトガイドで虚像光学系を構成した場合の斜視図を図6に示す。図2と図6を比較して分かるように、図5に示す実施形態では、光線入射部101の面積が相対的に大きくなるため、入射される光線束を大きくとることができ、より広い視野角を確保することができる。また、図5に示すライトガイドは、コリメート光学系300から入射される光線の角度を変えることで、より広い角度の画像光を入射させることができる。  In the embodiment shown in FIG. 4, the entire rear surface of the light guide member 100 including the light emitting portion 104 is formed as a flat surface. On the other hand, as shown in FIG. 5, the light incident part 101 of the light guide member 100 can be formed in a shape protruding in a triangular shape from the extended surface of the light emitting part 104 in plan view. FIG. 6 shows a perspective view when the virtual image optical system is configured by the light guide shown in FIG. As can be seen by comparing FIG. 2 and FIG. 6, in the embodiment shown in FIG. 5, the area of the light incident portion 101 is relatively large, so that the incident light bundle can be increased, and a wider field of view can be obtained. A corner can be secured. Further, the light guide shown in FIG. 5 can make image light of a wider angle incident by changing the angle of the light ray incident from the collimating optical system 300.

導光部材100は、光線入射部101から入射された画像光を光線射出部104に導光して取り出すための画像取り出し部103を備える。画像取り出し部103の具体的な構成は後述する。導光部材100の材質としては、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質が好ましく、さらに、後述する画像取り出し部103の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。   The light guide member 100 includes an image extraction unit 103 for guiding the image light incident from the light incident unit 101 to the light emission unit 104 and extracting the image light. A specific configuration of the image extraction unit 103 will be described later. The material of the light guide member 100 is preferably a highly permeable material in view of see-through properties, and is preferably molded from a resin in consideration of the processing of the image extraction unit 103 described later.

図4に示すライトガイド、図5に示すライトガイド、及び参考例として光線入射部101と光線射出部104とを同一面としたライトガイドを、各々、図7の(a)、(b)、及び(c)に比較して示す。図7に示すように、コリメート光学系300から入射した光線は、ライトガイド内を前後斜め方向に交互に全反射しながら光線射出部104側に進行する。ここで、光線入射部101と光線射出部104とを異なる面とした図7(a)及び(b)のライトガイドは、光線入射部101と光線射出部104とを同一面とした図7(c)のものと比較して、長手方向の長さを短くしつつ反射回数を減らすことができる。このように、光線入射部101と光線射出部104とを異なる面とすることで、ライトガイドを小型にすることができる。   The light guide shown in FIG. 4, the light guide shown in FIG. 5, and the light guide having the light incident portion 101 and the light emitting portion 104 as the same surface as reference examples are respectively shown in FIGS. And in comparison with (c). As shown in FIG. 7, the light incident from the collimating optical system 300 travels toward the light emitting section 104 while being totally reflected back and forth in the light guide obliquely. Here, the light guides in FIGS. 7A and 7B in which the light incident portion 101 and the light emitting portion 104 are different surfaces are the same as those in FIG. Compared with the case of c), the number of reflections can be reduced while shortening the length in the longitudinal direction. Thus, the light guide can be made small by making the light incident part 101 and the light emitting part 104 different surfaces.

(光学部材)
図4に戻りライトガイド50の光学部材200の概要を説明する。光学部材50は、平面テーパー状をなし、導光部材100の光線射出部104に平行な平行面としての前面210と、前面210に対して傾斜し、導光部材100の画像取り出し部103に対向配置される傾斜部203を有する。光学部材200の傾斜部203は、導光部材100の画像取り出し部103に対して近接設置または接合される部位であり、かかる部位の詳細については後述する。
(Optical member)
Returning to FIG. 4, the outline of the optical member 200 of the light guide 50 will be described. The optical member 50 has a planar taper shape, and is inclined with respect to the front surface 210 as a parallel surface parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100 and the image extraction portion 103 of the light guide member 100. It has the inclination part 203 arrange | positioned. The inclined portion 203 of the optical member 200 is a portion that is installed in proximity to or joined to the image extraction portion 103 of the light guide member 100, and details of the portion will be described later.

ライトガイド50は、導光部材100の前面105と光学部材200の前面210とが同一平面になるように面位置を合わせて配置されており、これにより、ライトガイド全体として、前面と後面が平行を保つ形状をなしている。なお、ライトガイドの変形例として、光学部材200の前面210が導光部材100の前面105の位置から前方に出ている或いは後方に引っ込んでいる形状とすることもあり得る。すなわち、シースルー性を考慮すると、導光部材100の前面と光学部材200の前面210の面位置は、一致していることが望ましいが、携帯性や用途などを考慮して、かかる両面の面位置をずらす形態としてもよい。但し、導光部材100の画像取り出し部103を外部に露出しないようにすることが望ましい。   The light guide 50 is disposed so that the front surface 105 of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are flush with each other so that the front surface and the rear surface of the light guide are parallel to each other. It has a shape that keeps up. As a modification of the light guide, the front surface 210 of the optical member 200 may have a shape protruding forward from the position of the front surface 105 of the light guide member 100 or retracted rearward. That is, considering the see-through property, it is desirable that the surface positions of the front surface of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 coincide with each other. It is good also as a form which shifts. However, it is desirable not to expose the image extraction unit 103 of the light guide member 100 to the outside.

ライトガイド50は、導光部材100の光線射出部104の平面と、光学部材200の前面210とが平行とされる。かかる構成によって、光線射出部104を通じてのシースルー性が良好になる。導光部材100の光線射出部104の面と、光学部材200の前面210とが平行でない場合、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。   In the light guide 50, the plane of the light emitting part 104 of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are parallel. With this configuration, the see-through property through the light emitting unit 104 is improved. If the surface of the light emitting part 104 of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are not parallel, the see-through property is reduced by the prism effect, which is not preferable.

(導光部材の画像取り出し部)
次に、図8(a)及び(b)の部分拡大平面図を参照して、導光部材100の画像取り出し部103の構成を説明する。図8(a)は、導光部材100の画像取り出し部103と光線射出部104の各一部を拡大して表し、図8(b)は、画像取り出し部103の一部をさらに拡大して表している。また、図8(b)中、光線射出部104と平行な仮想面を点線で表している。
(Image extraction part of light guide member)
Next, the configuration of the image extraction unit 103 of the light guide member 100 will be described with reference to the partially enlarged plan views of FIGS. FIG. 8A shows an enlarged view of each part of the image extracting unit 103 and the light emitting unit 104 of the light guide member 100, and FIG. 8B shows an enlarged view of a part of the image extracting unit 103. Represents. In addition, in FIG. 8B, a virtual plane parallel to the light emitting unit 104 is indicated by a dotted line.

画像取り出し部103は、光線射出部104に対してθaの角度を有する第1面103aと、光線射出部104に対してθbの角度を有する第2面103bとが、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている(図8(b)参照)。   In the image extraction unit 103, first surfaces 103a having an angle θa with respect to the light emitting unit 104 and second surfaces 103b having an angle θb with respect to the light emitting unit 104 are alternately arranged. It has a substantially stepped shape (see FIG. 8B).

ここで、第1面103aは、入射された画像光を光線射出部104に導いて光線射出部104から射出させる役割を担う面であり、光線射出部104に対して傾斜する平面となっている。第1面103aが光線射出部104に対して傾斜するθaの角度は、導光部材100の材質の屈折率にもよるが、20度から30度までの範囲に設定することが好ましい。   Here, the first surface 103 a is a surface that plays a role of guiding incident image light to the light emitting unit 104 and emitting it from the light emitting unit 104, and is a plane inclined with respect to the light emitting unit 104. . The angle θa at which the first surface 103a is inclined with respect to the light emitting portion 104 is preferably set in the range of 20 degrees to 30 degrees, although it depends on the refractive index of the material of the light guide member 100.

他方、第2面103bは、入射された画像光を導光部材100の内部に導光させる反射面としての役割を担う面であり、光線射出部104と平行な平面となっている。したがって、角度θb=0°である。さらに、第2面103bは、シースルー性を確保するため、ライトガイド50の前面及び後面からの外部の光を入射させる透過面としての役割も担っている。   On the other hand, the second surface 103 b is a surface serving as a reflecting surface that guides incident image light into the light guide member 100, and is a plane parallel to the light emitting unit 104. Therefore, the angle θb = 0 °. Further, the second surface 103b also serves as a transmission surface for allowing external light from the front and rear surfaces of the light guide 50 to enter in order to ensure see-through performance.

ここで、第2面103bを光線射出部104に対して傾斜させる、すなわち角度θb≠0°に設定すると、導光部材100内で導光される画像光が、第2面103bで反射される反射角と、光線射出部104で反射される反射角とで一致せずに変化することになる。この場合、光線入射部101から入射される光線と光線入射部101の法線とのなす角で定義される入射角θinと、光線射出部104から射出される光線と光線射出部104の法線とのなす角で定義される射出角θoutとが同角度とならない。さらに、画像光が第1面103a及び光線射出部104を通じてライトガイド50の外部に射出される際に、異なった方向に射出されてしまい、虚像としては思わしくないものとなってしまう。したがって、本実施形態では、角度θb=0°とし、第2面103bを光線射出部104に対して平行に形成している。   Here, when the second surface 103b is inclined with respect to the light emitting portion 104, that is, when the angle θb ≠ 0 ° is set, the image light guided in the light guide member 100 is reflected by the second surface 103b. The reflection angle and the reflection angle reflected by the light beam emitting unit 104 change without matching. In this case, the incident angle θin defined by the angle formed by the light beam incident from the light beam incident unit 101 and the normal line of the light beam incident unit 101, the light beam emitted from the light beam emitting unit 104, and the normal line of the light beam emitting unit 104 The exit angle θout defined by the angle formed by and is not the same angle. Further, when the image light is emitted to the outside of the light guide 50 through the first surface 103a and the light emitting unit 104, it is emitted in a different direction, which is not a virtual image. Therefore, in the present embodiment, the angle θb = 0 °, and the second surface 103 b is formed in parallel to the light emitting portion 104.

導光部材100における画像取り出し部103の第2面103bの幅(図8の左右方向における幅)をwとすると、wの値は、
0.5[mm] < w < 3.0[mm]
の条件を満たすように設定される。
When the width of the second surface 103b of the image extraction unit 103 in the light guide member 100 (the width in the left-right direction in FIG. 8) is w, the value of w is
0.5 [mm] <w <3.0 [mm]
Is set so as to satisfy the following conditions.

以下、第2面103bの幅wの設定条件について詳細に説明する。   Hereinafter, the setting condition of the width w of the second surface 103b will be described in detail.

虚像として確認できる視野の幅を「アイボックス」と称し、虚像が確認できる光線射出部104から眼球までの距離を「アイレリーフ」と称する。そして、アイボックスの径をφ、アイレリーフをL、ライトガイドの厚みをt、画像取り出し部103が有する光線射出部104と平行な面すなわち第2面103bの数をnとすると、第2面103bの幅wは、次式で表される。 The width of the field of view that can be confirmed as a virtual image is referred to as “eye box”, and the distance from the light emitting unit 104 that can confirm the virtual image to the eyeball is referred to as “eye relief”. When the diameter of the eye box is φ, the eye relief is L, the thickness of the light guide is t l , and the number of the surfaces parallel to the light emitting unit 104 included in the image extraction unit 103, that is, the number of the second surfaces 103 b is n, The width w of the surface 103b is expressed by the following equation.



ここで、アイボックスの幅が広いほど見える範囲も広くなるため、通常、アイボックスは広いほうが望ましい。他方、アイボックスを広くすると、ライトガイドの厚みが厚くなり、ライトガイドの設計難易度が高くなりがちとなる。   Here, since the visible range becomes wider as the width of the eye box becomes wider, it is usually desirable that the eye box is wider. On the other hand, when the eye box is widened, the thickness of the light guide increases, and the design difficulty of the light guide tends to increase.

一般的には、目の瞳の直径は5mm程度であるが、個人差に応じてライトガイド50の適切な位置設定が必要となるため、アイボックス径φを大きく設定する方が良い。また、後述のようにライトガイド50を眼鏡型の虚像表示装置に適用することを考慮すると、アイレリーフLは15mm以上とすることが好ましい。   In general, the diameter of the pupil of the eye is about 5 mm. However, since it is necessary to set an appropriate position of the light guide 50 according to individual differences, it is better to set the eye box diameter φ larger. Further, considering that the light guide 50 is applied to a glasses-type virtual image display device as described later, the eye relief L is preferably set to 15 mm or more.

したがって、例えばアイレリーフを20mmに設定し、アイボックスを5mm以上10mm以下に設定すると、第2面103bの幅wは、上記の
0.5[mm] < w < 3.0[mm]
の条件を満たす必要がある。
Therefore, for example, when the eye relief is set to 20 mm and the eye box is set to 5 mm or more and 10 mm or less, the width w of the second surface 103b is 0.5 [mm] <w <3.0 [mm].
It is necessary to satisfy the conditions.

画像取り出し部103の第2面103bの幅wが0.5mmに満たない場合、第1面103aの幅が短くなり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなるため、望ましくない。   When the width w of the second surface 103b of the image extraction unit 103 is less than 0.5 mm, the width of the first surface 103a is shortened and diffraction of incident image light is likely to occur, which is not desirable.

一方、第2面103bの幅wが3.0mmを超える場合、入射された画像光につき、第1面103aを反射して光線射出部104から射出される光線の密度が低下し、目の位置における光量が低下するため、望ましくない。したがって、画像取り出し部103の第2面103bの幅wは、0.5[mm] < w < 3.0[mm]の条件を満たすことが望ましい。   On the other hand, when the width w of the second surface 103b exceeds 3.0 mm, the density of the light beam that is reflected from the first surface 103a and emitted from the light beam emitting unit 104 for the incident image light decreases, and the position of the eye This is not desirable because the amount of light at is reduced. Therefore, it is desirable that the width w of the second surface 103b of the image extraction unit 103 satisfies the condition of 0.5 [mm] <w <3.0 [mm].

第2面103bの幅wは、各々の第2面103bで異なる値としてもよい。これにより光量ムラを低減させることが可能となる。   The width w of the second surface 103b may be a different value for each second surface 103b. As a result, it is possible to reduce unevenness in the amount of light.

ライトガイド50の厚みは、1mmから8mmの範囲とすることが望ましい。ライトガイド50の厚みが1mmに満たないと、導光部材100の画像取り出し部103の形状を形成することが困難となる。他方、ライトガイド50の厚みが8mmを超えると、広視野角を得るには有利であるが、部材の重量が大きくなることから、好ましくない。   The thickness of the light guide 50 is desirably in the range of 1 mm to 8 mm. If the thickness of the light guide 50 is less than 1 mm, it is difficult to form the shape of the image extraction portion 103 of the light guide member 100. On the other hand, if the thickness of the light guide 50 exceeds 8 mm, it is advantageous for obtaining a wide viewing angle, but it is not preferable because the weight of the member increases.

(光学部材)
次に、光学部材200の構成及び導光部材100に対する光学部材200の配置について説明する。図9乃至図11に、導光部材100と光学部材200の境界面を拡大して示す。図9(a),(b)に示す例では、光学部材200は、導光部材100の画像取り出し部103に空気層すなわちエアギャップ140を介して近接配置されている。図10及び図11に示す他の例では、光学部材200は、導光部材100の画像取り出し部103に接着剤150を用いて接合されている。
(Optical member)
Next, the configuration of the optical member 200 and the arrangement of the optical member 200 with respect to the light guide member 100 will be described. 9 to 11 show an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200. FIG. In the example shown in FIGS. 9A and 9B, the optical member 200 is disposed close to the image extraction unit 103 of the light guide member 100 via an air layer, that is, an air gap 140. In other examples shown in FIGS. 10 and 11, the optical member 200 is bonded to the image extraction unit 103 of the light guide member 100 using an adhesive 150.

まず、図9に示す形態から説明する。なお、図9(b)中、前面210と平行な仮想面を点線で表している。光学部材200の傾斜部203は、導光部材100の画像取り出し部103に対向した部位に、前面210に対してθa’の角度を有する第3面203aと、前面210に対してθb’の角度を有する第4面203bとが、交互に配置されている(図9(b)参照)。   First, the configuration shown in FIG. 9 will be described. In addition, in FIG.9 (b), the virtual surface parallel to the front surface 210 is represented by the dotted line. The inclined portion 203 of the optical member 200 includes a third surface 203 a having an angle θa ′ with respect to the front surface 210 and an angle with θb ′ with respect to the front surface 210 at a portion facing the image extracting portion 103 of the light guide member 100. The fourth surfaces 203b having the positions are alternately arranged (see FIG. 9B).

前面210は、導光部材100の光線射出部104と平行な面である。また、第4面203bは、前面210と平行であり、角度θb’=0°である。したがって、第4面203bは導光部材100の光線射出部104、第2面103bとも平行であり、θb=θb’=0°である。このような設定とすることで、ライトガイド50のシースルー性を高めることができる。なお、第4面203bが前面210、導光部材100の光線射出部104、第2面103bに対して平行な面でない場合は、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。   The front surface 210 is a surface parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100. The fourth surface 203b is parallel to the front surface 210, and the angle θb ′ = 0 °. Therefore, the fourth surface 203b is parallel to the light emitting portion 104 and the second surface 103b of the light guide member 100, and θb = θb ′ = 0 °. With such setting, the see-through property of the light guide 50 can be enhanced. In addition, when the 4th surface 203b is not a surface parallel to the front surface 210, the light emission part 104 of the light guide member 100, and the 2nd surface 103b, since see-through property falls by a prism effect, it is unpreferable.

さらに、210に対する第3面203aの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部104に対する画像取り出し部103の角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材200の第3面203は導光部材100の第1面103aと平行となり、ライトガイド50のシースルー性をより高めることが可能になる。   Furthermore, the angle θa ′ of the third surface 203 a with respect to 210 is preferably set to the angle θa described above, that is, an angle equal to the angle of the image extraction unit 103 with respect to the light emitting unit 104. In this case, the third surface 203 of the optical member 200 is parallel to the first surface 103a of the light guide member 100, and the see-through property of the light guide 50 can be further improved.

ライトガイド50のシースルー性について最大の効果を得るためには、導光部材100の第1面103aを光線射出部104の法線方向(図9における上方向)に平行移動させたときに、対向する第3面203aとの間のずれを最小限にすることである。組立上、多少のずれが発生するが、目安としては、10μm程度のずれの場合は、シースルー性は保持できる。かかるずれを最小限に留めるには、一例として、光学部材200に、導光部材100との間の間隔すなわちエアギャップ140を調整する調整機構を取り付けることによって、それをなすことが可能となる。   In order to obtain the maximum effect on the see-through property of the light guide 50, the first surface 103a of the light guide member 100 is opposed when translated in the normal direction (upward direction in FIG. 9) of the light emitting portion 104. This is to minimize the deviation from the third surface 203a. Although some deviation occurs in assembling, as a guide, when the deviation is about 10 μm, the see-through property can be maintained. In order to minimize such a shift, as an example, the optical member 200 can be provided with an adjustment mechanism that adjusts the distance between the light guide member 100, that is, the air gap 140.

ライトガイド50のシースルー性を確保するために、導光部材100と光学部材200は、相互に同一の材料で作られていることが望ましい。   In order to ensure the see-through property of the light guide 50, the light guide member 100 and the optical member 200 are preferably made of the same material.

次に、導光部材100と光学部材200が接着剤を介して固定される形態について説明する。図10は、図9に示す導光部材100及び光学部材200を、接着剤150を介して固定した例を示す。導光部材100及び光学部材200の対向する各部位は、図9で説明した例と同様に、導光部材100の各第1面103aと、対向する各第3面203aとの位置が一致するように配置されている。このような配置とすることで、導光部材100の第2面103bでの全反射が保持され、かつ、ライトガイド50のシースルー性を保持することが可能となる。   Next, a mode in which the light guide member 100 and the optical member 200 are fixed via an adhesive will be described. FIG. 10 shows an example in which the light guide member 100 and the optical member 200 shown in FIG. 9 are fixed via an adhesive 150. As in the example described with reference to FIG. 9, the positions of the first surface 103a of the light guide member 100 and the opposing third surface 203a coincide with each other in the opposing portions of the light guide member 100 and the optical member 200. Are arranged as follows. With such an arrangement, total reflection at the second surface 103b of the light guide member 100 is maintained, and the see-through property of the light guide 50 can be maintained.

接着剤150の屈折率は、導光部材100の材質の屈折率よりも低い、または同等であることが望ましい。導光部材100の材質の屈折率と接着剤150の屈折率を同等とする場合は、接着界面にハーフミラー等のコートを施すことで、界面での画像光の反射を確保しつつ、ライトガイド50のシースルー性を高めることが可能となる。なお、接着剤150の屈折率が導光部材100の材質の屈折率よりも高い場合は、画像光が全反射せずに接着剤150の部位で屈折してしまうため、虚像を表示することが困難になる。   The refractive index of the adhesive 150 is preferably lower than or equal to the refractive index of the material of the light guide member 100. When the refractive index of the material of the light guide member 100 and the refractive index of the adhesive 150 are made equal, a light guide is provided while ensuring reflection of image light at the interface by applying a coat such as a half mirror to the adhesive interface. 50 see-through performance can be improved. When the refractive index of the adhesive 150 is higher than the refractive index of the material of the light guide member 100, the image light is refracted at the site of the adhesive 150 without being totally reflected, so that a virtual image can be displayed. It becomes difficult.

図11は、図10と同様に、導光部材100と光学部材200が接着剤150を介して固定されている形態を示しているが、導光部材100の画像取り出し部103に対向する光学部材200の傾斜部203が均一な面であることが図10の例と異なる。図11に示す例でも、接着剤150の屈折率を導光部材100の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。   FIG. 11 shows a form in which the light guide member 100 and the optical member 200 are fixed via an adhesive 150 as in FIG. 10, but the optical member facing the image extraction unit 103 of the light guide member 100. 10 differs from the example of FIG. 10 in that the inclined portion 203 of 200 is a uniform surface. Also in the example shown in FIG. 11, by setting the refractive index of the adhesive 150 to be equal to or lower than the refractive index of the material of the light guide member 100, high see-through performance can be maintained.

(コリメート光学系の構成)
次に、コリメート光学系300の具体的構成及びこれを用いた虚像光学系の原理を説明する。
(Configuration of collimating optical system)
Next, a specific configuration of the collimating optical system 300 and a principle of a virtual image optical system using the collimating optical system 300 will be described.

図12に示すコリメート光学系300は、射出側すなわちライトガイド50側から順に、開口絞り、第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4が配置された、3群4枚のレンズ構成となっている。この例では、第1レンズL1はライトガイド側に対して凹面となる負メニスカスレンズであり、第2レンズL2及び第4レンズL4は両側が凸面の正レンズ、第3レンズL3は両側が凹面の負レンズである。第3レンズL3と第4レンズL4は接合されている。   A collimating optical system 300 shown in FIG. 12 includes an aperture stop, a first lens L1, a second lens L2, a third lens L3, and a fourth lens L4 arranged in this order from the exit side, that is, the light guide 50 side. It has a single lens configuration. In this example, the first lens L1 is a negative meniscus lens having a concave surface with respect to the light guide side, the second lens L2 and the fourth lens L4 are positive lenses having convex surfaces on both sides, and the third lens L3 has concave surfaces on both sides. It is a negative lens. The third lens L3 and the fourth lens L4 are cemented.

なお、説明の便宜上、図12では画像表示素子10の表面すなわち画像表示面S9を第4レンズL4に近接させて表しているが、実際には画像表示素子10は、第4レンズL4から所定の間隔で配置される(図3等参照)。   For convenience of explanation, in FIG. 12, the surface of the image display element 10, that is, the image display surface S9 is shown close to the fourth lens L4, but actually, the image display element 10 has a predetermined distance from the fourth lens L4. They are arranged at intervals (see FIG. 3 etc.).

図12及び図13に示すように、画像表示素子10から出力される画像光は、かかる画像光の位置情報がコリメート光学系300により角度情報に変換されて、ライトガイド50に向けて射出される。コリメート光学系300から射出される画像光は、ライトガイド50の光線入射部101に入射し、光線射出部104から外部に射出される。この射出角度は、コリメート光学系300からの入射角度と同じ角度に保たれる。   As shown in FIGS. 12 and 13, the image light output from the image display element 10 is emitted toward the light guide 50 after the position information of the image light is converted into angle information by the collimating optical system 300. . The image light emitted from the collimating optical system 300 is incident on the light incident part 101 of the light guide 50 and is emitted from the light emitting part 104 to the outside. This emission angle is kept at the same angle as the incident angle from the collimating optical system 300.

なお、かかる入射角度及び射出角度の関係性が保たれない場合、表示素子10で形成される画像光は、虚像としては望ましくない像となる。   When the relationship between the incident angle and the emission angle is not maintained, the image light formed by the display element 10 becomes an image that is not desirable as a virtual image.

より詳細には、図12及び図13に示すように、画像表示素子10の中央部及び両端部からそれぞれ画像光A、B、Cが出力されるものとする。これら画像光の位置情報は、コリメート光学系300を通して角度情報θA、θB、θCに変換される。かかる画像光は、コリメート光学系300から射出されてライトガイド50の光線入射部101に入射する。この際に、画像光AはθAの角度で、画像光BはθBの角度で、画像光CはθCの角度で、それぞれ光線入射部101に入射する。理解を容易にするため、図13では、コリメーター光学系300から射出される画像光A、B、Cにつき、各々、θAは実線「―」で、θBは一点鎖線「-・-」、θCは点線「・・・」で示している。   More specifically, as shown in FIGS. 12 and 13, image light A, B, and C are output from the center and both ends of the image display element 10, respectively. The positional information of the image light is converted into angle information θA, θB, and θC through the collimating optical system 300. The image light is emitted from the collimating optical system 300 and is incident on the light incident portion 101 of the light guide 50. At this time, the image light A is incident on the light incident portion 101 at an angle of θA, the image light B is incident at an angle of θB, and the image light C is incident at an angle of θC. For easy understanding, in FIG. 13, for the image lights A, B, and C emitted from the collimator optical system 300, θA is a solid line “-”, and θB is an alternate long and short dash line “-•-”, θC, respectively. Is indicated by a dotted line "...".

かくして、光線入射部101に入射された画像光は、ライトガイド50内部に導かれ、画像光A、B、Cは、ライトガイド50内部を移動する。そして、ライトガイド50の光線射出部104から各々の画像光A、B、Cが射出される際は、図13に示すように、各々の画像光におけるθA、θB、θCの入射角度が保存された状態で射出される。   Thus, the image light incident on the light beam incident portion 101 is guided into the light guide 50, and the image lights A, B, and C move inside the light guide 50. Then, when the image lights A, B, and C are emitted from the light emitting portion 104 of the light guide 50, the incident angles of θA, θB, and θC in the image lights are stored as shown in FIG. It is injected in the state.

このように、本実施形態では、コリメート光学系300から射出された画像光を構成する各光線の入射角度すなわち角度情報が保存された状態でライトガイド50の光線射出部104から射出されるので、高品質な虚像を表示することができる。   Thus, in this embodiment, since the incident angle of each light beam that constitutes the image light emitted from the collimating optical system 300, that is, the angle information is stored, it is emitted from the light beam emitting unit 104 of the light guide 50. A high-quality virtual image can be displayed.

(実施例)
上述の効果が得られるコリメート光学系の実施例について以下に説明する。図12で上述した3群4枚のレンズ構成によるコリメート光学系300に関し、
焦点距離:10.0mm
Fナンバー:1.56
全長 :21.9mm
射出角 :最大20度
とした。
(Example)
Examples of collimating optical systems that can achieve the above-described effects will be described below. Regarding the collimating optical system 300 having the three-group four-lens configuration described above with reference to FIG.
Focal length: 10.0mm
F number: 1.56
Full length: 21.9mm
Injection angle: Maximum 20 degrees.

また、
R:曲率半径
D:間隔・肉厚
Nd:d線の屈折率
νd:アッベ数
として、コリメート光学系の実施例の数値データを表1に示す。
Also,
Table 1 shows numerical data of examples of the collimating optical system, where R: radius of curvature D: spacing and thickness Nd: refractive index of d-line νd: Abbe number

(表1)

(Table 1)

表1において、面番号S1乃至S9は、図12に対応させて射出側から付けており、S1は絞り、S9は表示素子10の表面すなわち画像表示面を表す。また、表1において、面番号に付加したアスタリスク(*)は、非球面を表している。すなわち、本実施例では、面番号S2〜S5に対応する第1レンズL1と第2レンズL2の両側の面は非球面、面番号S6,S7に対応する第3レンズL3は両側とも球面である。また、S7に対応する第4レンズL4の射出側は球面で、面番号S8に対応する第4レンズL4の入射側は非球面である。かかる非球面の数値データを表2に示す。   In Table 1, surface numbers S1 to S9 are assigned from the emission side in correspondence with FIG. 12, S1 indicates a diaphragm, and S9 indicates the surface of the display element 10, that is, the image display surface. In Table 1, an asterisk (*) added to the surface number represents an aspherical surface. That is, in this embodiment, the surfaces on both sides of the first lens L1 and the second lens L2 corresponding to the surface numbers S2 to S5 are aspheric surfaces, and the third lens L3 corresponding to the surface numbers S6 and S7 is both spherical surfaces. . The exit side of the fourth lens L4 corresponding to S7 is a spherical surface, and the incident side of the fourth lens L4 corresponding to the surface number S8 is an aspherical surface. Table 2 shows numerical data of such aspheric surfaces.

(表2)

(Table 2)

表2において、上欄のS2,S3,S4,S5,S8は、上述した非球面の面番号である。また、Kは円錐係数であり、C4、C6、C8、C10は、非球面係数である。   In Table 2, S2, S3, S4, S5 and S8 in the upper column are the surface numbers of the aspheric surfaces described above. K is a conical coefficient, and C4, C6, C8, and C10 are aspherical coefficients.

上記の円錐係数及び非球面係数を用いて非球面を表すと、周知の次式となる。
X=(H/R)/[1+{1−K(H/r)}1/2
+C4・H+C6・H+C8・H+C10・H10+・・・
When an aspheric surface is expressed using the above-mentioned conical coefficient and aspheric coefficient, the following equation is known.
X = (H 2 / R) / [1+ {1-K (H / r) 2} 1/2]
+ C4 · H 4 + C6 · H 6 + C8 · H 8 + C10 · H 10 + ...

この式において、Xは「面頂点を基準としたときの光軸からの高さHの位置での光軸方向の変位」であり、非球面係数はC4、C6、C8、C10・・・で表される。   In this equation, X is “displacement in the optical axis direction at the position of the height H from the optical axis with respect to the surface vertex”, and the aspherical coefficients are C4, C6, C8, C10. expressed.

上述の実施例ではコリメート光学系300を3群4枚のレンズ構成とした場合について説明したが、これに制限されない。コリメート光学系300は、他の構成、例えばレンズ2枚での構成や、レンズ枚数を5枚以上としてもよい。   In the above-described embodiments, the case where the collimating optical system 300 has a configuration of four lenses in three groups has been described. However, the present invention is not limited to this. The collimating optical system 300 may have other configurations, for example, a configuration with two lenses, or five or more lenses.

また、実施例では、絞りの位置を、コリメート光学系の最も射出側に位置させている。ライトガイド50との組み合わせを考慮すると、コリメート光学系の絞り位置は、最も射出側すなわちライトガイド50側とすることが望ましい。また、表示素子10からの画像情報はテレセントリックとなっている。   In the embodiment, the position of the stop is located closest to the exit side of the collimating optical system. Considering the combination with the light guide 50, it is desirable that the stop position of the collimating optical system is the most exit side, that is, the light guide 50 side. The image information from the display element 10 is telecentric.

実施例ではFナンバー1.56としているが、Fナンバーを3.0近くまで暗くして使うことも可能である。コリメート光学系300のFナンバーは、
1.5<Fナンバー<3.0
の条件式を満たすことが望ましい。
In the embodiment, the F number is 1.56, but the F number can be darkened to nearly 3.0. The F number of the collimating optical system 300 is
1.5 <F number <3.0
It is desirable to satisfy the conditional expression

Fナンバーが条件式の下限を超えると、コリメート光学系300の径を大きくする必要がありライトガイド50の大型化をも招くため、望ましくない。他方、Fナンバーが条件式の上限を超えると、小型化には有利になるが、虚像の明るさが低減するため、望ましくない。   If the F number exceeds the lower limit of the conditional expression, the diameter of the collimating optical system 300 needs to be increased and the light guide 50 is increased in size, which is not desirable. On the other hand, if the F number exceeds the upper limit of the conditional expression, it is advantageous for miniaturization, but it is not desirable because the brightness of the virtual image is reduced.

(ライトガイドの実施例)
次に、ライトガイドの具体的な実施例の数値を述べる。
(Example of light guide)
Next, numerical values of specific examples of the light guide will be described.

以下の実施例1及び実施例2では、ライトガイド50すなわち導光部材100及び光学部材200を、屈折率(Nd)=1.54のプラスチック材料としている。また、導光部材100の画像取り出し部103における第1面103aの角度θa=30度とした。   In the following Examples 1 and 2, the light guide 50, that is, the light guide member 100 and the optical member 200 are made of a plastic material having a refractive index (Nd) = 1.54. Further, the angle θa of the first surface 103a in the image extraction unit 103 of the light guide member 100 is set to 30 degrees.

実施例1:
導光部材100の肉厚t=1mmとし、画像取り出し部103における第2面103bの幅w=2.20mmとした。
Example 1:
The thickness t of the light guide member 100 was set to 1 mm, and the width w of the second surface 103b in the image extraction unit 103 was set to 2.20 mm.

実施例2:
導光部材100の肉厚t=4mmとし、画像取り出し部103における第2面103bの幅w=0.90mmとした。
Example 2:
The thickness t of the light guide member 100 was set to 4 mm, and the width w of the second surface 103b in the image extraction unit 103 was set to 0.90 mm.

実施例1は主に軽量化に主眼を置き、実施例2は主に光量を追及したものであり、いずれの実施例でも、水平視野角が40度で、アイレリーフ19mm、アイボックス5mmを達成できる。なお、上記の各角度は、絶対値表示である。   Example 1 mainly focuses on weight reduction, and Example 2 mainly pursues light quantity. In each example, the horizontal viewing angle is 40 degrees, and the eye relief is 19 mm and the eye box is 5 mm. it can. In addition, each said angle is an absolute value display.

実施例2では、画像取り出し部103における第2面103bの幅wを実施例1よりも狭くしている。実施例2では、第2面103bの幅wを狭くした分、画像取り出し部103における第1面103aの面の幅を狭くすることができ、光線射出部104から射出される光線の密度を高くし、瞳位置における光量の低下を防止することが可能となる。   In the second embodiment, the width w of the second surface 103b in the image extracting unit 103 is narrower than that in the first embodiment. In the second embodiment, the width of the first surface 103a in the image extraction unit 103 can be reduced by the amount that the width w of the second surface 103b is reduced, and the density of light emitted from the light emitting unit 104 is increased. Thus, it is possible to prevent a decrease in the amount of light at the pupil position.

なお、変形例として、実施例1と実施例2を掛け合わせた形態としてもよい。具体的には、導光部材100の肉厚t=1mmとし、画像取り出し部103における第2面103bの幅w=0.90mmとする形態とすることができる。或いは、導光部材100の肉厚t=4mmとし、画像取り出し部103における第2面103bの幅w=2.20mmとすることができる。   As a modification, the embodiment 1 and the embodiment 2 may be combined. Specifically, the thickness t of the light guide member 100 may be set to 1 mm, and the width w of the second surface 103b in the image extraction unit 103 may be set to 0.90 mm. Alternatively, the thickness t of the light guide member 100 can be set to 4 mm, and the width w of the second surface 103b in the image extraction unit 103 can be set to 2.20 mm.

上述した実施例によれば、画像表示素子10から出力される画像光は、その位置情報がコリメート光学系300において角度情報に変換されてライトガイド50の光線入射部101に入射される。そして、かかる画像光が光線射出部104から外部に射出される際は、コリメート光学系300からの入射角度が保存された状態で射出されるので、高品質な虚像を表示することができる。また、優れたシースルー性を備え、40度以上の広い視野角を有する小型のライトガイド50を実現することができる。   According to the embodiment described above, the position information of the image light output from the image display element 10 is converted into angle information in the collimating optical system 300 and is incident on the light beam incident portion 101 of the light guide 50. When the image light is emitted from the light emitting unit 104 to the outside, it is emitted in a state where the incident angle from the collimating optical system 300 is preserved, so that a high-quality virtual image can be displayed. In addition, a small light guide 50 having excellent see-through properties and a wide viewing angle of 40 degrees or more can be realized.

(導光部材の変形例)
導光部材100の他の構成例について、図14乃至図16を参照して説明する。
(Modification of light guide member)
Another configuration example of the light guide member 100 will be described with reference to FIGS. 14 to 16.

図8等で説明した上述の実施形態では、画像取り出し部103は、第1面103a及び第2面103bの2つの平面で構成されている。すなわち、画像取り出し部103は、光線射出部104に対してθaの角度を有する第1面103aと、光線射出部104に対してθbの角度を有する第2面103bとが交互配置された、略階段状の形状をなすものである。   In the above-described embodiment described with reference to FIG. 8 and the like, the image extraction unit 103 is configured by two planes of the first surface 103a and the second surface 103b. In other words, the image extraction unit 103 has a first surface 103 a having an angle θa with respect to the light emitting unit 104 and a second surface 103 b having an angle θb with respect to the light emitting unit 104. It has a stepped shape.

これに対し、図14に示す変形例では、画像取り出し部103は、4つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。具体的には、画像取り出し部103は、光線射出部104に対してθaの角度を有する第1面103aと、θbの角度を有する第2面103bと、θcの角度を有する傾斜面103cと、θdの角度を有する平面103dが、この順で配された形状となっている。   On the other hand, in the modification shown in FIG. 14, the image extraction unit 103 is configured by four planes and has a sawtooth shape. Specifically, the image extraction unit 103 includes a first surface 103a having an angle θa with respect to the light emitting unit 104, a second surface 103b having an angle θb, and an inclined surface 103c having an angle θc. A plane 103d having an angle θd has a shape arranged in this order.

上記の4つの面の内、第1面103aと第2面103bの機能や最適範囲等は、上述した実施形態と同様であり、詳述を省略する。   Among the above four surfaces, the functions and optimum ranges of the first surface 103a and the second surface 103b are the same as in the above-described embodiment, and detailed description thereof is omitted.

傾斜面103cは、第1面103aの面積を広く確保する役割、及び導光部材100の曲げ強度を向上させる役割を有する。   The inclined surface 103 c has a role of ensuring a large area of the first surface 103 a and a role of improving the bending strength of the light guide member 100.

光線射出部104に対する傾斜面103cの角度θcは、0°よりも大きく90°の範囲とされる。角度θcが0°になると、傾斜面103cは、第2面102bと同一面すなわち第2面102bの一部になるため、上述した実施形態と同じ構成になる。また、角度θcは、生産性を考慮すると45°から90°の範囲とすることが望ましい。さらには、傾斜面103cは、画像表示素子10からの画像光が当たると乱反射等の現象が生じるため、出来るだけ画像表示素子10からの画像光が当たらないような角度範囲とすることが好ましい。   An angle θc of the inclined surface 103c with respect to the light emitting portion 104 is set to a range of greater than 0 ° and 90 °. When the angle θc is 0 °, the inclined surface 103c is the same surface as the second surface 102b, that is, a part of the second surface 102b, and thus has the same configuration as the above-described embodiment. In addition, the angle θc is preferably in the range of 45 ° to 90 ° in consideration of productivity. Furthermore, since the phenomenon such as irregular reflection occurs when the inclined surface 103c is irradiated with the image light from the image display element 10, it is preferable that the inclined surface 103c has an angle range in which the image light from the image display element 10 is not as much as possible.

平面103dは、主にシースルー性を保持するための部位であり、光線射出部104に対する角度θd=0°とする、すなわち光線射出部104と平行とすることが望ましい。角度θd=0°とする場合には、第2面102bと同様に、画像表示素子10からの画像光を平面103dで反射させる構成とすることもできる。   The plane 103 d is a part mainly for maintaining see-through property, and it is desirable that the angle θd = 0 ° with respect to the light emitting part 104, that is, parallel to the light emitting part 104. When the angle θd = 0 °, the image light from the image display element 10 can be reflected by the plane 103d as in the second surface 102b.

さらに、図14の形態のさらなる変形例として、第1面103a及び傾斜面103cを図の上方向に拡げることで、画像取り出し部103を、平面103dを有しない3平面構成としてもよい。この場合、画像取り出し部103は、光線射出部104に対してθaの角度を有する第1面103aと、光線射出部104に対してθbの角度を有する第2面103bと、光線射出部104に対してθcの角度を有する傾斜面103cとが連続して配置される。   Furthermore, as a further modification of the form of FIG. 14, the first surface 103 a and the inclined surface 103 c may be expanded upward in the figure, so that the image extraction unit 103 has a three-plane configuration without the flat surface 103 d. In this case, the image extracting unit 103 includes a first surface 103 a having an angle θa with respect to the light emitting unit 104, a second surface 103 b having an angle θb with respect to the light emitting unit 104, and the light emitting unit 104. On the other hand, an inclined surface 103c having an angle θc is continuously arranged.

このように、画像取り出し部103を3平面構成や4平面構成とすることで、図8等に示す実施形態と比較して複雑な形状となるが、かかる形状とすることで、第1面103aの面積を相対的に広く取ることができる。したがって、光線射出部104から射出される画像光の光量を相対的に多く確保することが可能となる。また、かかる形状とすることで、曲げ強度の向上を図ることができ、特に導光部材100が樹脂製の場合に有利になる。すなわち、導光部材100を樹脂で形成する場合、導光部材100の厚みが薄くなる先端側で曲げ強度が弱くなるが、傾斜面103cを追加することによって、曲げ強度を向上させることができる。   As described above, the image extraction unit 103 has a three-plane configuration or a four-plane configuration, resulting in a complicated shape as compared with the embodiment illustrated in FIG. 8 and the like. The area can be made relatively wide. Accordingly, it is possible to ensure a relatively large amount of image light emitted from the light emitting unit 104. Further, by adopting such a shape, it is possible to improve the bending strength, and it is particularly advantageous when the light guide member 100 is made of resin. That is, when the light guide member 100 is formed of resin, the bending strength is weakened on the tip side where the thickness of the light guide member 100 is reduced, but the bending strength can be improved by adding the inclined surface 103c.

図15乃至図17に、画像取り出し部103を4平面構成とした場合の導光部材100と光学部材200の境界面を拡大して示す。図15(a),(b)に示す例では、光学部材200は、導光部材100の画像取り出し部103に空気すなわちエアギャップ140を介して近接配置されている。図16及び図17に示す他の例では、光学部材200は、導光部材100の画像取り出し部103に接着剤150を用いて接合されている。   15 to 17 show an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200 when the image extraction unit 103 has a four-plane configuration. In the example shown in FIGS. 15A and 15B, the optical member 200 is disposed close to the image extraction unit 103 of the light guide member 100 via air, that is, an air gap 140. In another example shown in FIGS. 16 and 17, the optical member 200 is bonded to the image extraction unit 103 of the light guide member 100 using an adhesive 150.

また、図15及び図16に示す例では、光学部材200は、図9及び図10で説明した形状の傾斜部203を有する。すなわち、光学部材200の傾斜部203は、前面210に対してθa’の角度を有する第3面203aと、前面210に対してθb’の角度を有する第4面203bとが交互に配置された2面構成となっている。角度θa’及びθb’の好適値については上述と同様であり、また、この例でも角度θa=θa’、角度θb=θb’となっている。接着剤150の屈折率を導光部材100の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる点も上述と同様である。   In the example shown in FIGS. 15 and 16, the optical member 200 has the inclined portion 203 having the shape described in FIGS. 9 and 10. That is, in the inclined portion 203 of the optical member 200, the third surface 203a having an angle θa ′ with respect to the front surface 210 and the fourth surface 203b having an angle θb ′ with respect to the front surface 210 are alternately arranged. It has a two-sided structure. The preferred values of the angles θa ′ and θb ′ are the same as described above, and in this example, the angle θa = θa ′ and the angle θb = θb ′. The high see-through property can be maintained by setting the refractive index of the adhesive 150 to be equal to or lower than the refractive index of the material of the light guide member 100 as described above.

図17に示す例は、図11と同様に光学部材200の傾斜部203を均一な面とした場合であり、この場合も、接着剤150の屈折率を導光部材100の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。   The example shown in FIG. 17 is a case where the inclined portion 203 of the optical member 200 is a uniform surface as in FIG. 11. In this case as well, the refractive index of the adhesive 150 is the refractive index of the material of the light guide member 100. By making it equal or less, high see-through performance can be maintained.

傾斜面103cや平面103dを追加して画像取り出し部103を3平面構成や4平面構成とする変形例は、画像取り出し部103の全体に施す構成に限られず、画像取り出し部103の一部に施してもよい。すなわち、第1面103aと第2面103bとが交互に配置される図8に示す画像取り出し部103の構成を基本としつつ、光量を確保したい部位や曲げ強度を確保したい部位に傾斜面103cさらには平面103dを個別に追加することができる。   The modification in which the inclined surface 103c and the plane 103d are added to make the image extraction unit 103 have a three-plane configuration or a four-plane configuration is not limited to the configuration applied to the entire image extraction unit 103, and is applied to a part of the image extraction unit 103. May be. That is, while the first surface 103a and the second surface 103b are alternately arranged, the inclined surface 103c is further formed on a portion where the amount of light is to be secured and the portion where the bending strength is desired to be secured. Can add the plane 103d individually.

さらに、画像取り出し部103を3平面構成や4平面構成の形状とした場合、対向配置される光学部材200の傾斜部203をかかる3平面や4平面の変形形状に対応した形状とすることもできる。この場合、上述したように、導光部材100の第1面103aを光線射出部104の法線方向に平行移動させたときに、対向する光学部材200の第3面203aとの間のずれが生じない形状とすることにより、ライトガイド50のシースルー性が良好となる。かかるずれを無くすために、光学部材200に、導光部材100との間の間隔を調整する調整機構を取り付けることができる。   Furthermore, when the image extraction unit 103 has a shape of a three-plane configuration or a four-plane configuration, the inclined portion 203 of the optical member 200 that is opposed to the image extraction unit 103 can have a shape corresponding to the three-plane or four-plane deformation shape. . In this case, as described above, when the first surface 103a of the light guide member 100 is translated in the normal direction of the light emitting portion 104, the deviation from the third surface 203a of the opposing optical member 200 is shifted. By adopting a shape that does not occur, the see-through property of the light guide 50 is improved. In order to eliminate such a deviation, an adjustment mechanism that adjusts the distance between the light guide member 100 and the optical member 200 can be attached.

このように、上述した種々の実施形態により、コンパクトで40度以上の広視野角を実現可能な虚像表示装置用のライトガイド及び虚像光学系が実現される。   As described above, according to the various embodiments described above, a light guide and a virtual image optical system for a virtual image display device that are compact and can realize a wide viewing angle of 40 degrees or more are realized.

(虚像表示装置)
上述したライトガイド50及び虚像光学系を用いた虚像表示装置の構成を図18に示す。図中、画像光の光線経路を矢印で示すとともに、観察者すなわちユーザの目を模式的に描いている。図18に示す虚像表示装置は、図2に示す虚像光学系に対して画像表示素子10を照明するための光源LSを加えたものであり、同一部分についての説明を省略する。画像表示素子10は、光源を必要とするLCOSやDMDなどが用いられる。光源LSは、種々のものが適用でき、例えばLED(Light Emitting Diode)、半導体レーザ(Laser Diode:LD)、放電ランプなどを用いることができる。
(Virtual image display device)
FIG. 18 shows a configuration of a virtual image display device using the light guide 50 and the virtual image optical system described above. In the drawing, the ray path of the image light is indicated by an arrow, and the eyes of the observer, that is, the user are schematically drawn. The virtual image display device shown in FIG. 18 is obtained by adding a light source LS for illuminating the image display element 10 to the virtual image optical system shown in FIG. As the image display element 10, LCOS, DMD, or the like that requires a light source is used. Various light sources LS can be applied. For example, an LED (Light Emitting Diode), a semiconductor laser (Laser Diode: LD), a discharge lamp, or the like can be used.

かかる虚像表示装置によれば、光源LSで照明された画像表示素子10の画像光は、コリメート光学系300で拡大されてライトガイド50に入射する。すなわち、コリメート光学系300で拡大された画像光は、ライトガイド50における導光部材100の光線入射部101から入射して導光部材100の内部に導光される。導光された画像光は、画像取り出し部103の第1面103aで反射され、光線射出部104からユーザの両目に向けて画像情報として射出される。ユーザは、導光部材100の光線射出部104及び光学部材200を通して前方を覗くことで、画像情報の虚像を視認することができる。   According to this virtual image display device, the image light of the image display element 10 illuminated by the light source LS is magnified by the collimating optical system 300 and enters the light guide 50. That is, the image light magnified by the collimating optical system 300 enters from the light beam incident portion 101 of the light guide member 100 in the light guide 50 and is guided into the light guide member 100. The guided image light is reflected by the first surface 103a of the image extraction unit 103 and is emitted from the light emitting unit 104 as image information toward both eyes of the user. The user can visually recognize the virtual image of the image information by looking forward through the light emitting unit 104 and the optical member 200 of the light guide member 100.

上述の図1から図18に示す実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材100の光線入射部101を配置して、画像光を虚像観察者の左側から入射する例について説明した。かかる配置を左右逆にする場合、すなわち虚像観察者の右側に導光部材100の光線入射部101を配置して、画像光を虚像観察者の右側から入射する場合も、上述と同一の効果が得られる。   In the embodiment shown in FIGS. 1 to 18 described above, the light incident unit 101 of the light guide member 100 is arranged on the left side of the virtual image observer, and the image light is incident from the left side of the virtual image observer. When the arrangement is reversed left and right, that is, when the light beam incident portion 101 of the light guide member 100 is arranged on the right side of the virtual image observer and the image light is incident from the right side of the virtual image observer, the same effect as described above is obtained. can get.

上述したライトガイド50を眼鏡型の虚像表示装置すなわちHMDに適用した場合を図19(a)、(b)及び(c)に例示する。   FIGS. 19A, 19B, and 19C illustrate the case where the above-described light guide 50 is applied to a glasses-type virtual image display device, that is, an HMD.

図19(a)に示す例は、一つのライトガイド50を両眼用のHMDに適用した場合であり、導光部材100の光線入射部101を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。ライトガイド50は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部400に固定される。図19ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部400は、ライトガイド50の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。   The example shown in FIG. 19A is a case where one light guide 50 is applied to an HMD for both eyes, and the light incident portion 101 of the light guide member 100 is arranged on the right side of the virtual image observer, that is, the user. . The light guide 50 is fixed to the frame part 400 that plays a role as a vine hung on the user's ear. In FIG. 19, the frame portion is simplified, but the frame portion 400 may have a shape that covers not only both ends of the light guide 50 but also the upper edge and the lower edge.

他方、図19(b)及び(c)に示す例は、一つのライトガイド50を小型化して単眼用のHMDに適用した場合である。図19(b)に示す例は、二つのライトガイド50,50をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各ライトガイドの光線入射部101は、左右外側に配置される。   On the other hand, the example shown in FIGS. 19B and 19C is a case where one light guide 50 is downsized and applied to a monocular HMD. The example shown in FIG. 19B is a case where the two light guides 50 and 50 are arranged corresponding to the positions of the left and right eyes of the user, and the light beam incident portions 101 of the respective light guides are arranged on the left and right outer sides. Is done.

なお、図19では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部400に取り付けることができる。すなわち、図19(a)及び(c)に示す例では光源L、画像表示素子10及びコリメート光学系300を右目側のフレーム部に、図19(b)に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。   In FIG. 19, the virtual image optical system and the light source are not shown, but these can be attached to the frame unit 400. That is, in the example shown in FIGS. 19A and 19C, the light source L, the image display element 10, and the collimating optical system 300 are arranged in the right eye frame, and in the example shown in FIG. What is necessary is just to attach to a part.

上述した実施形態では、ライトガイド50を眼鏡型のHMDに適用した場合について説明した。他方、上述したライトガイド50は、他の種類のHMDにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ(HUD)にも適用できる。ライトガイド50は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。   In the above-described embodiment, the case where the light guide 50 is applied to the eyeglass-type HMD has been described. On the other hand, the above-described light guide 50 can be applied to other types of HMDs, and can also be applied to a head-up display (HUD). The light guide 50 is particularly suitable for displaying a virtual image of an original image formed by a light beam optically modulated by a micro device.

以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、小型で40度以上の広い視野角を有する透過型のライトガイドが実現され、また、ライトガイドのコンパクト化を実現できる虚像光学系及び虚像表示装置を提供することができる。   As described above, according to the above-described embodiments and examples, a transmissive light guide having a small viewing angle of 40 degrees or more is realized, and a virtual image optical system capable of realizing a compact light guide and A virtual image display device can be provided.

10 画像表示素子
300 コリメート光学系
LS 光源
50 ライトガイド
100 導光部材
101 光線入射部
103 画像取り出し部
103a 第1面
103b 第2面
103c 傾斜面
103d 平面
104 光線射出部
150 接着剤
200 光学部材
210 前面(平行面)
203 傾斜部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Image display element 300 Collimating optical system LS Light source 50 Light guide 100 Light guide member 101 Light incident part 103 Image extraction part 103a 1st surface 103b 2nd surface 103c Inclined surface 103d Plane 104 Light emission part 150 Adhesive 200 Optical member 210 Front surface (Parallel plane)
203 Inclined part

特許4508655号公報Japanese Patent No. 4508655 特許5421285号公報Japanese Patent No. 5421285 特開2014−153644号公報JP 2014-153644 A

Claims (13)

表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、前記画像表示素子からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系と、前記コリメート光学系からの画像光を導光して虚像表示のために射出するライトガイドと、を備える虚像光学系であって、
前記ライトガイドは、前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とが各々異なる面で形成された導光部材を有し、
前記コリメート光学系の光軸は、前記ライトガイドの前記光線射出部に対して傾いて配置され、
前記導光部材は、前記光線射出部に対して傾斜する第1面と前記光線射出部と平行な第2面とが交互に配置され前記画像光を前記第1面から前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備えること
を特徴とする虚像光学系。
An image display element that outputs image light of a display image, a collimating optical system that collimates and emits image light from the image display element, and guides image light from the collimating optical system to display a virtual image A virtual image optical system comprising a light guide to be emitted,
The light guide has a light guide member in which a light beam incident part on which the image light is incident and a light beam emission part for emitting the image light to the outside are formed on different surfaces, respectively.
The optical axis of the collimating optical system is arranged to be inclined with respect to the light emitting part of the light guide,
In the light guide member, first surfaces inclined with respect to the light emitting portion and second surfaces parallel to the light emitting portion are alternately arranged to guide the image light from the first surface to the light emitting portion. A virtual image optical system comprising an image extracting unit that extracts light.
前記ライトガイドは、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材を有し、
前記光学部材は、前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し、前記画像取り出し部に対向配置される傾斜部とを有する
請求項1記載の虚像光学系。
The light guide has an optical member provided integrally with the light guide member,
The virtual image optical system according to claim 1, wherein the optical member includes a parallel plane parallel to the light emitting section, and an inclined section that is inclined with respect to the parallel plane and is disposed to face the image extraction section.
前記導光部材の前記画像取り出し部は、前記第1面と前記第2面との間に設けられ、前記第2面に向かって傾斜する傾斜面をさらに備える
請求項1または2に記載の虚像光学系。
The virtual image according to claim 1, wherein the image extraction unit of the light guide member further includes an inclined surface that is provided between the first surface and the second surface and is inclined toward the second surface. Optical system.
前記コリメート光学系は、Fナンバーが下記条件(1)を満足する
請求項1乃至3のいずれかに記載の虚像光学系。
1.5 < Fナンバー < 3.0 ・・・条件(1)
The virtual image optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the collimating optical system has an F number satisfying the following condition (1).
1.5 <F number <3.0 ... Condition (1)
前記ライトガイドの前記光線入射部と光線射出部は、それぞれ平面である請求項1乃至4のいずれかに記載の虚像光学系。   The virtual image optical system according to claim 1, wherein each of the light incident portion and the light emitting portion of the light guide is a flat surface. 前記ライトガイドの前記光線入射部は、前記光線射出部面から突き出している請求項1乃至5のいずれかに記載の虚像光学系。   The virtual image optical system according to claim 1, wherein the light incident portion of the light guide protrudes from a surface of the light emitting portion. 前記前記光学部材の前記傾斜部は、前記平行面に対して傾斜する第3面と、前記平行面と平行な第4面と、が交互に配置されてなる
請求項2に記載の虚像光学系。
The virtual image optical system according to claim 2, wherein the inclined portion of the optical member includes a third surface inclined with respect to the parallel surface and a fourth surface parallel to the parallel surface. .
前記光学部材の前記第3面が前記平行面に対して傾斜する角度は、前記導光部材の前記第1面が前記光線射出部に対して傾斜する角度と等しい
請求項2または7に記載の虚像光学系。
The angle at which the third surface of the optical member is inclined with respect to the parallel surface is equal to an angle at which the first surface of the light guide member is inclined with respect to the light emitting portion. Virtual image optical system.
前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第2面の幅:w[mm]は、下記条件(2)を満たす請求項1乃至8のいずれかに記載の虚像光学系。
0.5 [mm] < w < 3.0 [mm] ・・・条件(2)
9. The virtual image optical system according to claim 1, wherein a width: w [mm] of the second surface in the image extraction portion of the light guide member satisfies the following condition (2).
0.5 [mm] <w <3.0 [mm] ... Condition (2)
前記ライトガイドは、前記導光部材と前記光学部材とがエアギャップを介して近接設置されている請求項2、7または8のいずれかに記載の虚像光学系。   9. The virtual image optical system according to claim 2, wherein the light guide includes the light guide member and the optical member disposed close to each other via an air gap. 前記ライトガイドは、前記導光部材と前記光学部材とが接着剤で接合されている請求項2、7または8のいずれかに記載の虚像光学系。   The virtual image optical system according to claim 2, wherein the light guide is formed by bonding the light guide member and the optical member with an adhesive. 前記光学部材は、前記導光部材と同一の材料で形成されている請求項2または7乃至11のいずれかに記載の虚像光学系。   The virtual image optical system according to claim 2, wherein the optical member is formed of the same material as the light guide member. 請求項1乃至12のいずれかに記載の虚像光学系と、
前記虚像光学系の画像表示素子を照明する光源と、を備えた
虚像表示装置。

The virtual image optical system according to any one of claims 1 to 12,
And a light source that illuminates the image display element of the virtual image optical system.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017122771A (en) * 2016-01-05 2017-07-13 株式会社リコー Virtual image optical system and virtual image display device
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