JP2017067890A - Light guide and virtual image display device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact light guide for a virtual image display device.SOLUTION: A light guide 50 comprises a light guide member 100 with a light incident section 101 for image light to enter and a light exit section 104 for the image light to exit, and an optical member 200 integrally provided with the light guide member. The light guide member has a reflective section 102 which is formed at an angle with the light incident section 101 to guide the image light entering the light incident section 101 to inside the light guide, and 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. The optical member has a parallel surface 210 parallel to the light exit section 104, and a sloped section 203 formed at an angle with the parallel surface 210 and disposed to abut the image extraction section 103.SELECTED DRAWING: Figure 1

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表示装置に関する。   The present invention relates to a light guide and a virtual image display device using the light guide.

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。   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).

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).

近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉化、小型化、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ものとして、例えば特許文献1乃至3が知られている。   In recent years, even in the transmissive type, it has been required from the user's needs to be thin, small, and have a wide viewing angle. Are known.

特許文献1の装置は、ある特定の反射率のコートを施した幾つものライトガイドを重ね合わせ、光線の入射角度によって、光線の反射と透過を振り分けて、画像を取り出す方式としている。   The apparatus of Patent Document 1 employs a system in which a number of light guides coated with a specific reflectance are overlapped, and the reflection and transmission of light rays are distributed according to the incident angle of light rays to extract an image.

特許文献2の装置は、全反射を利用して、ライトガイドを通じて画像光を導くと共に、ライトガイドの画像取り出し側において、ライトガイドの主面に平行な外光透過面を設けることで、画像光に外光と重ね合わせて観察可能にする透過機能を持たせている。   The device of Patent Document 2 uses total reflection to guide image light through a light guide, and on the image extraction side of the light guide, by providing an external light transmission surface parallel to the main surface of the light guide, Is provided with a transmission function that enables observation by overlapping with external light.

特許文献3の装置は、対向して延びる全反射部と、傾斜するように延びる複数の第一要素面と、その第一要素面に対して、鈍角をなして延びる複数の第二要素面とを交互して配置してなる導光板を組み合わせた方式としている。   The apparatus of Patent Literature 3 includes a total reflection portion that extends opposite to each other, a plurality of first element surfaces that extend so as to incline, and a plurality of second element surfaces that extend at an obtuse angle with respect to the first element surface. Are combined with light guide plates that are alternately arranged.

これらの方式では、透過性と広い視野角を達成しようとすると数多くのライトガイドが必要であり、シースルー性を保つために平面の導光板部分が必要であり、視野角を広くするためにライトガイドの長さを長くする必要性がある。   In these methods, a large number of light guides are required to achieve transparency and a wide viewing angle, a flat light guide plate portion is necessary to maintain see-through, and a light guide is required to widen the viewing angle. There is a need to increase the length.

本発明は、虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトに実現することを主たる目的とする。   The main object of the present invention is to realize a compact light guide for a virtual image display device.

本発明は、画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、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を備えた導光部材と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、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に平行な第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、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近接配置される傾斜部とを有することを最も主要な特徴とする。   The present invention is a light guide for a virtual image display device that guides image light from an image display element and emits it to display a virtual image, and includes a light incident portion on which the image light is incident and the image light. A light guide member including a light emitting part for emitting the light to the outside, and an optical member provided integrally with the light guide member, wherein the light guide member is inclined with respect to the light incident part. And a reflective portion for guiding the image light incident on the light incident portion into the light guide, and a first surface inclined with respect to the light emitting portion and a second surface parallel to the light emitting portion are alternately arranged. And an image extracting unit that guides and extracts the image light from the first surface to the light emitting unit, and the optical member is inclined parallel to the parallel surface and parallel to the light emitting unit. And an inclined portion disposed close to the image extraction portion. Also a major feature.

本発明によれば、虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトにすることができる。   According to the present invention, a light guide for a virtual image display device can be made compact.

本発明に係るライトガイドの実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows embodiment of the light guide which concerns on this invention. 図1のライトガイドの斜視図である。It is a perspective view of the light guide of FIG. ライトガイドを用いた虚像表示装置の平面図である。It is a top view of the virtual image display apparatus using a light guide. ライトガイドの導光部材における光線入射部と反射部を説明するための部分拡大平面図である。It is a partial enlarged plan view for demonstrating the light-beam incident part and reflection part in the light guide member of a light guide. ライトガイドの導光部材における画像取り出し部を説明するための部分拡大平面図である。It is a partial enlarged plan view for demonstrating the image extraction part in the light guide member of a light guide. 導光部材の画像取り出し部と光学部材の傾斜部の境界面の配置状態を説明するための平面図及び部分拡大平面図である。It is the top view and partial enlarged plan view for demonstrating the arrangement | positioning state of the interface of the image extraction part of a light guide member, and the inclination part of an optical member. 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7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。FIG. 8 is a partially enlarged plan view showing an arrangement state of the light guide member and the optical member in FIG. 7, (a) is an enlarged view showing an image take-out portion, and (b) is an enlarged view showing the image take-out portion. is there. 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 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 type light guide. And when applied to the left and right eyes, respectively, and applied to one eye. 実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置の実施例1を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating Example 1 of the virtual image display apparatus using the light guide of embodiment. 実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置の実施例2を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating Example 2 of the virtual image display apparatus using the light guide of embodiment.

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及びこれを用いた虚像表示装置に関する。   Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The following embodiments relate to a transmissive light guide and a virtual image display device using the same.

図1及び図2に、本実施形態のライトガイド50を示し、かかるライトガイド50を虚像表示光学系の光路上に配置した虚像表示装置の構成を図3に示す。図3では、虚像表示装置における虚像表示光学系の光路を矢印で示すとともに、装置のユーザすなわち虚像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。   1 and 2 show a light guide 50 of the present embodiment, and FIG. 3 shows a configuration of a virtual image display device in which the light guide 50 is arranged on the optical path of a virtual image display optical system. In FIG. 3, the optical path of the virtual image display optical system in the virtual image display device is indicated by an arrow, and the eyes of the user of the device, that is, the virtual image observer, are schematically illustrated. 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”.

ライトガイド50は、画像表示素子からの画像光を内部に入射及び導光して虚像表示のために射出する素子であり、本実施形態では、導光部材100と光学部材200とが一体的に設けられることで、全体が略角柱状、平面視で非対称な台形の外形を呈する。   The light guide 50 is an element that enters and guides image light from the image display element and emits it for virtual image display. In this embodiment, the light guide member 100 and the optical member 200 are integrally formed. By being provided, the whole has a substantially prismatic shape and an asymmetric trapezoidal shape in plan view.

ライトガイド50の導光部材100は、画像表示素子からの画像光を内部に取り込んで導光し、虚像表示のために外部に射出する役割を有する。このため、導光部材100は、画像光を内部に入射する光線入射部101、入射した画像光を反射して内部に導光させるための反射部102、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための画像取り出し部103及び光線射出部104を備える。   The light guide member 100 of the light guide 50 has a role of taking in and guiding image light from the image display element to the outside for displaying a virtual image. For this reason, the light guide member 100 includes a light beam incident portion 101 for entering image light therein, a reflection portion 102 for reflecting the incident image light and guiding it to the inside, and taking out the guided image light to the outside. An image extracting unit 103 and a light emitting unit 104 for emitting the light are provided.

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1において上側)の前面105は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。   In order to improve the see-through property, the light guide member 100 has a rear surface on which the light emitting portion 104 is provided and a front surface 105 on the back side (upper side in FIG. 1), which are flat surfaces and are formed in parallel to each other. Yes.

光線入射部101及び光線射出部104は、いずれも導光部材100の後面に設けられている。したがって、光線入射部101と光線射出部104とは、同一面上に配置されている。このように光線入射部101及び光線射出部104を同一面上に配置することで、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。 Both the light incident portion 101 and the light emitting portion 104 are provided on the rear surface of the light guide member 100. Therefore, the light incident part 101 and the light emitting part 104 are arranged on the same plane. Thus, by arranging the light incident part 101 and the light emitting part 104 on the same plane, 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. A simple configuration can be achieved.

導光部材100の画像取り出し部103は、内部に導光される画像光を光線射出部104に向けて反射させる役割を有し、光線射出部104は、画像取り出し部103から導かれた画像光を虚像観察者の目に向けて外部に射出させる役割を有する。   The image extraction unit 103 of the light guide member 100 has a role of reflecting the image light guided inside toward the light beam emission unit 104, and the light beam emission unit 104 is an image light guided from the image extraction unit 103. Is emitted outside toward the eyes of the virtual image observer.

他方、光学部材200は、平面視でテーパー状の外形を有し、導光部材100の画像取り出し部103に対向して設けられることで、主に光線射出部104及び画像取り出し部103の光線透過性すなわちシースルー性を確保する役割を有する。   On the other hand, the optical member 200 has a tapered outer shape in plan view, and is provided opposite to the image extraction unit 103 of the light guide member 100, so that mainly the light beam transmission unit 104 and the image extraction unit 103 transmit light. Has the role of ensuring the see-through property.

光学部材200は、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、かかる前面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。   The optical member 200 is a front surface 210 as a parallel surface parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100, and an inclined portion that is inclined with respect to the front surface 210 and is opposed to the image extraction unit 103 of the light guide member 100. 203. The inclined part 203 of the optical member 200 is a part that is installed close to the image extraction part 103 of the light guide member 100, and details of the part will be described later.

以下、ライトガイド50を用いた虚像表示装置について説明する。図3に示す本実施形態の虚像表示装置は、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、上述したライトガイド50とを虚像表示光学系として備える。   Hereinafter, a virtual image display device using the light guide 50 will be described. 3 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 the light described above. A guide 50 is provided as a virtual image display optical system.

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ELD(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 ELD (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.

図3では、画像表示素子10として、光源を必要とするLCOSやDMDなどを用いた例を示しており、画像表示素子10を照明するための光源LSを加えている。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。   FIG. 3 shows an example in which LCOS or DMD that requires a light source is used as the image display element 10, and a light source LS for illuminating the image display element 10 is added. 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.

コリメート光学系300は、複数の光学レンズや絞りなどから構成され、画像表示素子10から出力される画像光を拡大し平行光として射出する。   The collimating optical system 300 includes a plurality of optical lenses, diaphragms, and the like, and enlarges the image light output from the image display element 10 and emits it as parallel light.

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、反射部102で反射されて導光部材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、画像光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. In other words, 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, is reflected by the reflection portion 102, and is guided into the light guide member 100. The guided image light is reflected by the image extraction unit 103 and emitted as image information from the light emitting unit 104 toward both eyes of the user. The user can visually recognize the virtual image of the image light by looking forward through the light emitting unit 104 and the optical member 200 of the light guide member 100.

次に、図4以下を参照して、ライトガイド50の構成を更に詳細に説明する。   Next, the configuration of the light guide 50 will be described in more detail with reference to FIG.

導光部材100の材質は、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 material of the light guide member 100 is preferably a highly transmissive 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.

導光部材100の光線入射部101及び反射部102は、コリメート光学系300で拡大された画像光を光線束として入射及び反射する。したがって、光線入射部101及び反射部102は、かかる光線束の大きさ以上のサイズで形成される。   The light incident part 101 and the reflection part 102 of the light guide member 100 enter and reflect the image light expanded by the collimating optical system 300 as a light bundle. Therefore, the light incident part 101 and the reflecting part 102 are formed with a size larger than the size of the light flux.

反射部102は、光線入射部101で入射した画像光を反射してライトガイド50の内部に導光させるために、図4に示すように、光線入射部101に対して角度θ0で傾斜している。かかる傾斜角θ0は、光線入射部101から入射された画像光を全反射する角度であり、ライトガイド内部に画像光を良好に導光するために、15度から75度までの角度とすることが望ましい。さらに、後述する画像取り出し部103の第1面103aと光線射出部104とのなす角度θaの好適範囲を考慮すると、傾斜角θ0は、20度から30度までの範囲に設定することがより好ましい。   As shown in FIG. 4, the reflecting unit 102 is inclined at an angle θ 0 with respect to the light incident unit 101 in order to reflect the image light incident on the light incident unit 101 and guide it to the inside of the light guide 50. Yes. The inclination angle θ0 is an angle that totally reflects the image light incident from the light beam incident portion 101, and is set to an angle of 15 degrees to 75 degrees in order to guide the image light well into the light guide. Is desirable. Furthermore, in consideration of a preferable range of an angle θa formed by a first surface 103a of the image extraction unit 103 and a light emitting unit 104, which will be described later, the inclination angle θ0 is more preferably set in a range from 20 degrees to 30 degrees. .

また、反射部102には任意のコートを施すことができる。ライトガイド50の内部に画像情報を導光させるためには、反射部102は、アルミニウムや銀、誘電コートなどの反射率が高いミラーコートを施すことが望ましい。   In addition, an arbitrary coat can be applied to the reflecting portion 102. In order to guide the image information to the inside of the light guide 50, it is desirable that the reflecting portion 102 is provided with a mirror coating having a high reflectance such as aluminum, silver, or a dielectric coating.

画像取り出し部103は、図5に示すように、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5中、光線射出部104と平行な基準面を点線で表し、第2面103bの幅をwで表している。   As shown in FIG. 5, the image extraction unit 103 includes 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. They are arranged alternately and have a substantially staircase shape. In FIG. 5, the reference plane parallel to the light emitting section 104 is represented by a dotted line, and the width of the second surface 103b is represented by w.

画像取り出し部103の第1面103aは、導光部材100の内部に入射及び導光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。ここで、光線射出部104に対する第1面103aの傾斜の向きは、光線入射部101に対する反射部102の傾斜の向きと逆である。第1面103aが光線射出部104に対して傾斜する角度θaの値は、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。また、角度θaの値は、上述した光線入射部101に対する反射部102の傾斜角θ0の値と同一に設定することがより好ましく、かかる設定とすることで、コリメート光学系300の配置の調整等が容易になる。   The first surface 103 a of the image extraction unit 103 is a surface that plays a role of guiding the image light incident and guided into the light guide member 100 to the light emitting unit 104 and emitting it from the light emitting unit 104. The plane is inclined with respect to the portion 104. Here, the inclination direction of the first surface 103 a with respect to the light emitting part 104 is opposite to the inclination direction of the reflecting part 102 with respect to the light incident part 101. The value of 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. Further, it is more preferable to set the value of the angle θa to be the same as the value of the inclination angle θ0 of the reflecting unit 102 with respect to the light beam incident unit 101 described above. Becomes easier.

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.

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。   When the second surface 103b is tilted with respect to the light emitting section 104, that is, when the angle θb ≠ 0 ° is set, the image light guided in the light guide member 100 has a reflection angle reflected by the second surface 103b. The angle of reflection reflected by the light emitting section 104 changes 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。ここで、幅wは、導光部材100の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第2面103bの長さである。
The value of the width w of the second surface 103b of the image extraction unit 103 in the light guide member 100 is
0.5 [mm] <w <3.0 [mm]
Is set so as to satisfy the following conditions. Here, the width w is the length of the second surface 103b in the direction along the longitudinal direction of the light guide member 100, that is, the direction along the traveling direction of the incident image light.

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(肉厚)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”. The diameter of the eye box is φ, the eye relief is L, the thickness (thickness) of the light guide is t l , and the number of surfaces parallel to the light emitting unit 104 of the image extraction unit 103, that is, the number of the second surfaces 103b is n. Then, the width w of the second 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、アイボックス径φは大きいほうが望ましい。他方、アイボックス径φを大きくすると、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, the wider the eyebox width, the wider the visible range, so it is usually desirable that the eyebox diameter φ is larger. On the other hand, when the eyebox diameter φ is increased, 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、一般にアイレリーフLは15mm以上必要である。   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 will be described later, the eye relief L is generally required to be 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の幅が短くする必要があり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなり、また製造が難しくなるため、望ましくない。さらに、第1面103aの幅を短くすることなしに、アイレリーフ20mmの位置においてアイボックス5mm以上10mm以下を確保するためには、ライトガイドの厚みを増す必要があり、重量も大き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, it is necessary to shorten the width of the first surface 103a, and the diffraction phenomenon of the incident image light is likely to occur, and the manufacturing is difficult. Undesirable because it becomes difficult. Further, in order to ensure the eye box 5 mm or more and 10 mm or less at the position of the eye relief 20 mm without shortening the width of the first surface 103a, it is necessary to increase the thickness of the light guide, which is desirable because the weight increases. Absent.

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。具体的には、通常、反射部102からの距離が長くなるほど画像光の光線密度が低下することから、反射部102からの距離が長くなるほど第2面103bの幅wを小さくする設定にするとよい。かかる設定とすることで、反射部102から遠くなるほど第1面103aの単位長さあたりの配置数が増えるので、光量ムラを低減させることができる。   The width w of the second surface 103b may be a different value for each second surface 103b. Specifically, since the light beam density of image light decreases as the distance from the reflection unit 102 increases, it is preferable to set the width w of the second surface 103b to be smaller as the distance from the reflection unit 102 increases. . With this setting, the number of arrangements per unit length of the first surface 103a increases as the distance from the reflecting portion 102 increases, so that unevenness in the amount of light can be reduced.

同様に、光量ムラを低減させるために、画像取り出し部103の第1面103aの幅を各々の第1面103aで異なる幅としてもよい。ここで、第1面103aの幅は、導光部材100の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第1面103aの長さである。具体的には、反射部102からの距離が長くなるほど第1面103aの幅を大きくする設定にするとよい。かかる設定とすることにより、反射部102から遠くなるほど第1面103aの面積が大きくなるので、光量ムラを低減させることができる。   Similarly, in order to reduce unevenness in the amount of light, the width of the first surface 103a of the image extraction unit 103 may be different for each first surface 103a. Here, the width of the first surface 103a is the length of the first surface 103a in the direction along the longitudinal direction of the light guide member 100, that is, the direction along the traveling direction of the incident image light. Specifically, the width of the first surface 103a may be set to increase as the distance from the reflecting portion 102 increases. With this setting, the area of the first surface 103a increases as the distance from the reflecting portion 102 increases, and thus the amount of light unevenness can be reduced.

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6の下段に、導光部材100と光学部材200の境界面を拡大して示す。なお、図6中、光学部材200の前面210と平行な仮想面を点線で表している。
(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. 6 shows an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200. In FIG. 6, a virtual plane parallel to the front surface 210 of the optical member 200 is indicated by a dotted line.

図6に示すように、光学部材200は、傾斜部203が、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。本実施形態では、導光部材100の画像取り出し部103の端縁と光学部材200の傾斜部203の端縁とを、マイクロボール型の接着剤を用いて接着している。このようにすることで、取り出し部103と傾斜部203のエアギャップ140を等間隔とすることが可能となり、シースルー性をより高めることができる。   As shown in FIG. 6, in the optical member 200, the inclined portion 203 is disposed close to the image extraction portion 103 of the light guide member 100 via an air layer, that is, an air gap 140. In this embodiment, the edge of the image extraction part 103 of the light guide member 100 and the edge of the inclined part 203 of the optical member 200 are bonded together using a microball type adhesive. By doing in this way, it becomes possible to make the air gap 140 of the taking-out part 103 and the inclination part 203 into equal intervals, and see-through property can be improved more.

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。   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.

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、前面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, it is preferable to set the angle θa ′ of the third surface 203 a with respect to the front surface 210 to be equal to the angle θa described above, that is, the angle of the image extracting 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6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との間のずれを可能な限り無くせばよい。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ができる。   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. 6) of the light emitting portion 104. It is only necessary to eliminate as much as possible the deviation from the third surface 203a. In order to eliminate such a deviation, 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.

また、取り出し部103と傾斜部203との間のエアギャップ140は、種々の気体や液体を介在させることができるが、シースルー性確保の観点からは大気であることが望ましい。   The air gap 140 between the take-out portion 103 and the inclined portion 203 can intervene with various gases and liquids, but it is desirable that the air is air from the viewpoint of ensuring see-through performance.

(導光部材の変形例)
導光部材100の他の構成例について、図7及び図8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. 7 and 8.

上述した図6に示す実施形態では、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 embodiment shown in FIG. 6 described above, the image extraction unit 103 is configured by two planes, a first surface 103a and a 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7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。画像取り出し部103において、第1面103aと傾斜面103cとは、いずれも光線射出部104に平行な基準面から立ち上がって傾斜しているが、立ち上がりの向きが互いに異なっている。   On the other hand, in the modification shown in FIG. 7, 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. In the image extraction unit 103, the first surface 103a and the inclined surface 103c both rise from the reference plane parallel to the light emitting unit 104 and are inclined, but the rising directions are different from each other.

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、説明を省略する。   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 the 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°よりも大きく且つ90°以下の範囲とされる。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。   The angle θc of the inclined surface 103c with respect to the light emitting part 104 is set to a range greater than 0 ° and 90 ° or less. 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7に示す形態のさらなる変形例として、第1面103a及び傾斜面103cを図の上方向に伸ばすことで、画像取り出し部103を、第1面103aと傾斜面103cとが接している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とがこの順で連続して配置される。   Furthermore, as a further modification of the form shown in FIG. 7, the first surface 103a and the inclined surface 103c are in contact with the image extraction unit 103 by extending the first surface 103a and the inclined surface 103c upward in the figure. A three-plane configuration may be used. 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, the inclined surface 103c having an angle θc is continuously arranged in this order.

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6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, so that it has a complicated shape as compared with the embodiment shown in FIG. The area can be 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8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8(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。   FIG. 8 shows 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. 8A and 8B, 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.

また、図8に示す例では、光学部材200は、図6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’については図6の説明で述べた通りであり、角度θa=θa’、角度θb=θb’となっている。この例でも、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。   In the example shown in FIG. 8, the optical member 200 has the inclined portion 203 having the shape described in FIG. 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 angles θa ′ and θb ′ are as described in the description of FIG. 6, and the angle θa = θa ′ and the angle θb = θb ′. Also in this example, 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.

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6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 on the basis of the configuration of the image extracting unit 103 illustrated in FIG. 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れば、コンパクトで40度以上の広視野角のライトガイドが実現される。   Thus, according to the various embodiments described above, a light guide having a compact and wide viewing angle of 40 degrees or more is realized.

上述の図1から図8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 8 described above, the example in which the light beam incident portion 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 has been described. 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9(a)、(b)及び(c)に例示する。   FIGS. 9A, 9B, and 9C illustrate a case where the light guide 50 described above is applied to a glasses-type virtual image display device, that is, an HMD.

図9(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9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. 9A 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. Although the frame portion is simplified in FIG. 9, the frame portion 400 can 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9(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9(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. 9B and 9C is a case where one light guide 50 is downsized and applied to a monocular HMD. The example shown in FIG. 9B 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9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9(a)及び(c)に示す例では光源SL、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9(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。   Although illustration of the virtual image optical system and the light source is omitted in FIG. 9, these can be attached to the frame unit 400. That is, in the example shown in FIGS. 9A and 9C, the light source SL, 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。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. The light guide 50 described above 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、及び、ライトガイドをコンパクトに実現できる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 embodiment, it is possible to provide a transmissive light guide that is small and has a wide viewing angle of 40 degrees or more, and a virtual image display device that can realize the light guide in a compact manner.

(虚像表示装置の実施例)
図1乃至図6で上述したライトガイド50を用いて製作した虚像表示装置の具体的な実施例を、図10及び図11を参照して説明する。図10及び図11は、それぞれ実施例1及び2のライトガイドでの画像光の射出状態を表し、アイレリーフの位置を直線ERで表すとともに、寸法等に関する符号を加えており、他方、画像表示素子10やコリメート光学系300などの図示を省略している。また、以下に示す各角度は絶対値表示である。
(Example of virtual image display device)
A specific example of the virtual image display device manufactured using the light guide 50 described above with reference to FIGS. 1 to 6 will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIGS. 10 and 11 show the emission state of the image light with the light guides of Examples 1 and 2, respectively, and the position of the eye relief is represented by a straight line ER and added with reference to dimensions and the like. Illustration of the element 10, the collimating optical system 300, etc. is omitted. Moreover, each angle shown below is an absolute value display.

(実施例1)
図10に示す実施例1では、ライトガイドの厚み(肉厚)t=1mm、長手方向の長さL=50mm、幅=40mm、角度θ0=30度、ライトガイドの屈折率(Nd)=1.54(プラスチック)とした。また、ライトガイドの水平視野角=45度以上とし、アイレリーフ19mmにおいてアイボックス5mm以上を達成する第2面103bの幅w=2.20mmとした。
Example 1
In Example 1 shown in FIG. 10, the thickness (thickness) of the light guide t 1 = 1 mm, the length in the longitudinal direction L 1 = 50 mm, the width = 40 mm, the angle θ 0 = 30 degrees, the refractive index of the light guide (Nd) = 1.54 (plastic). Further, the horizontal viewing angle of the light guide is set to 45 degrees or more, and the width w of the second surface 103b that achieves an eye box of 5 mm or more at an eye relief of 19 mm is set to 2.20 mm.

実施例1では、ライトガイドの厚みを1mmとすることができ、軽量化が実現された。したがって、実施例1のライトガイドは、例えば図9(b)及び(c)に示す片目毎の虚像表示装置への適用に好適である。   In Example 1, the thickness of the light guide can be set to 1 mm, and weight reduction is realized. Therefore, the light guide of Example 1 is suitable for application to a virtual image display device for each eye shown in FIGS. 9B and 9C, for example.

(実施例2)
図11に示す実施例2では、長さL、幅、角度θ0、及びライトガイドの屈折率(Nd)については実施例1と同一とし、ライトガイドの厚み(肉厚)t=4mmとした。また、実施例2では、ライトガイドの水平視野角=45度以上とし、アイレリーフ19mmにおいてアイボックス5mm以上を達成する第2面103bの幅w=0.90mmとした。
(Example 2)
In Example 2 shown in FIG. 11, the length L 1 , the width, the angle θ 0, and the refractive index (Nd) of the light guide are the same as those in Example 1, and the light guide thickness (thickness) t 1 = 4 mm. did. In Example 2, the horizontal viewing angle of the light guide is set to 45 ° or more, and the width w of the second surface 103b that achieves an eye box of 5 mm or more at an eye relief of 19 mm is set to 0.90 mm.

実施例2では、実施例1に比べて第2面103bの幅を狭くすることができ、これにより、図10に示す実施例1と比較して分かるように、瞳位置における光量密度を上げることができた。   In the second embodiment, the width of the second surface 103b can be made narrower than in the first embodiment, and as a result, as can be seen from the first embodiment shown in FIG. I was able to.

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
140 エアギャップ
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 140 Air gap 200 Optical member 210 Front (Parallel plane)
203 Inclined part

特許4508655号Patent 4508655 特許4521285号Patent 4512285 特許第5703875号Japanese Patent No. 5703875

Claims (10)

画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、
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を備えた導光部材と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、
前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、
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に平行な第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、
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近接配置される傾斜部とを有すること
を特徴とするライトガイド。
A light guide for a virtual image display device that guides image light from an image display element and emits it to display a virtual image,
A light guide member including 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; and an optical member provided integrally with the light guide member. ,
The light guide member is a reflective part that guides image light that is inclined with respect to the light incident part and is incident on the light incident part into the light guide;
The first surface inclined with respect to the light emitting portion and the second surface parallel to the light emitting portion are alternately arranged, and the image light is guided from the first surface to the light emitting portion and taken out. Part
The optical guide has a parallel surface parallel to the light emitting portion, and an inclined portion that is inclined with respect to the parallel surface and is disposed in proximity to the image extraction portion.
前記光線射出部に対する前記第1面の傾斜の向きは前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜の向きと逆であり、
前記光線射出部に対する前記第1面の傾斜角度と、前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜角度とが等しい
請求項1記載のライトガイド。
The direction of the inclination of the first surface with respect to the light emitting part is opposite to the direction of the inclination of the reflecting part with respect to the light incident part,
The light guide according to claim 1, wherein an inclination angle of the first surface with respect to the light emitting portion is equal to an inclination angle of the reflecting portion with respect to the light incident portion.
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面と前記平行面に平行な第4面とが交互に配置されている
請求項1又は2に記載のライトガイド。
The inclined portion of the optical member is
The light guide according to claim 1, wherein third surfaces that are inclined with respect to the parallel surface and fourth surfaces that are parallel to the parallel surface are alternately arranged.
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、下記条件を満たす請求項1乃至3のいずれかに記載のライトガイド。
0.5 [mm] < w < 3.0 [mm]
4. The light guide 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.
0.5 [mm] <w <3.0 [mm]
前記導光部材の前記光線射出部に対する前記第1面の傾斜角度と、前記光学部材の前記平行面に対する第3面の傾斜角度とが等しい請求項1乃至4のいずれかに記載のライトガイド。   5. The light guide according to claim 1, wherein an inclination angle of the first surface with respect to the light emitting portion of the light guide member is equal to an inclination angle of the third surface with respect to the parallel surface of the optical member. 前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第2面の幅は、各々の第2面で異なる請求項1乃至5のいずれかに記載のライトガイド。   The light guide according to any one of claims 1 to 5, wherein a width of the second surface in the image extraction portion of the light guide member is different for each second surface. 前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第1面の幅は、各々の第1面で異なる請求項1乃至6のいずれかに記載のライトガイド。   The light guide according to any one of claims 1 to 6, wherein a width of the first surface in the image extraction portion of the light guide member is different for each first surface. 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1乃至7のいずれかに記載のライトガイド。   The light guide according to claim 1, wherein the optical member is formed of the same material as the light guide member. 前記導光部材と前記光学部材とは、エアギャップを介して配置されている請求項1乃至8のいずれかに記載のライトガイド。   The light guide according to claim 1, wherein the light guide member and the optical member are disposed via an air gap. 照明光を射出する光源と、
前記光源からの照明光を受けて虚像表示のための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射出する請求項1乃至9のいずれかに記載のライトガイドと、
を虚像表示光学系として備える虚像表示装置。
A light source that emits illumination light;
An image display element that receives illumination light from the light source and outputs image light of a display image for virtual image display;
A collimating optical system for collimating and emitting image light from the image display element;
The light guide according to any one of claims 1 to 9, which guides and emits image light from the collimating optical system;
As a virtual image display optical system.
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