JP2017120305A - Light guide and virtual image display device - Google Patents
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Abstract
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及び２の虚像表示装置が知られている。 In recent years, even in the transmission type, it has been required from the user's needs to be thin, downsized, and have a wide viewing angle. Virtual image display devices are known.
特許文献１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 apparatus of Patent Document 1 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 transmitting 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２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に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 2 includes a total reflection portion that extends opposite to each other, a plurality of first element surfaces that extend to be inclined, 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、広い視野角を達成しようとすると、ライトガイドの主面に平行な面で反射した画像光が画像を取り出すための斜面部で反射し、迷光が発生しやすいという課題がある。 In these systems, when trying to achieve a wide viewing angle, there is a problem that image light reflected by a plane parallel to the main surface of the light guide is reflected by a slope portion for taking out an image, and stray light is likely to be generated.
本発明は、迷光の発生を抑制できる虚像表示装置用のライトガイドを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 light guide for a virtual image display device that can suppress generation of stray light.
本発明に係るライトガイドは、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導光部材を有する虚像表示装置用のライトガイドであって、前記導光部材は、前記画像光が入射される光線入射部と、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、前記画像光を外部に射出するための光線射出部と、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と、を備え、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第３面及び、前記第１面と前記第３面との間に設けられ前記光線射出部１０４に平行な第４面をさらに有し、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。
但し、Laは第１面の幅、θaは第１面と光線射出部とのなす角、Lcは第３面の幅、θcは第３面と光線射出部とのなす角、Ldは第４面の幅、θ2は第２面で反射する画像光の反射角度、である。
The light guide according to the present invention is a light guide for a virtual image display device having a light guide member that emits light to display a virtual image by guiding image light from an image display element, and the light guide member includes: A light incident portion on which the image light is incident; a reflecting portion that is inclined with respect to the light incident portion and guides the image light incident on the light incident portion; and the image light is emitted to the outside. 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 the image light is transferred from the first surface to the light emitting portion. An image take-out unit that guides and takes out the light, and the image take-out unit is provided between the first surface and the second surface and is inclined toward the second surface, and the first surface The light emitting unit 104 provided between one surface and the third surface. Further comprising a fourth surface parallel to, and satisfies the following conditional expression (1).
Where La is the width of the first surface, θa is the angle between the first surface and the light emitting portion, Lc is the width of the third surface, θc is the angle between the third surface and the light emitting portion, and Ld is the fourth. The width of the surface, θ 2, is the reflection angle of the image light reflected by the second surface.
本発明によれば、迷光の発生を抑制できる虚像表示装置用のライトガイドを実現することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the light guide for virtual image display apparatuses which can suppress generation | occurrence | production of a stray light is realizable.
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かかる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、図１乃至図９を参照してライトガイドの第１の実施形態を説明する。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The following embodiments relate to a transmissive light guide, a virtual image optical system using the light guide, and a virtual image display device. First, referring to FIGS. 1 to 9, a first embodiment of a light guide will be described. Will be explained.
（ライトガイドの第１の実施形態）
図１に示すように、虚像表示装置用の第１実施形態のライトガイド５０は、画像表示素子及び光学レンズを含む光学系から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導光部材１００から構成される。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１乃至図９において下側）の面を「後面」とし、奥側（同図において上側）の面を「前面」として説明する。
(First embodiment of light guide)
As shown in FIG. 1, the light guide 50 of the first embodiment for a virtual image display device guides image light emitted from an optical system including an image display element and an optical lens to the inside for virtual image display. The light guide member 100 is emitted to the outside, that is, toward the viewer's eyes. Hereinafter, regarding the surface of the light guide 50, the surface on the front side (lower side in FIGS. 1 to 9) viewed from the observer is referred to as a “rear surface”, and the rear surface (upper side in FIG. 9) is referred to as a “front surface”. To do.
導光部材１００は、虚像光学系からの画像光を内部に入射する光線入射部１０１と、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 includes a light beam incident part 101 for entering image light from the virtual image optical system, a reflection part 102 for reflecting the incident image light and guiding it to the inside, and taking out the guided image light An image extracting unit 103 and a light emitting unit 104 for emitting the light to the outside.
ライトガイド５０の導光部材１００は、平面視でテーパー状の外形を有している。導光部材１００において、光線入射部１０１及び光線射出部１０４が設けられた後面と、後面の反対側にある前面１０５は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４及び後面に対して傾斜して設けられ、後面と平行な前面１０５に連続する。反射部１０２は、光線入射部１０１及び後面に対して傾斜して設けられ、前面１０５に連続して導光部材１００の前面側に設けられる。 The light guide member 100 of the light guide 50 has a tapered outer shape in plan view. In the light guide member 100, the rear surface on which the light incident portion 101 and the light emitting portion 104 are provided and the front surface 105 on the opposite side of the rear surface are flat surfaces and are formed in parallel to each other. The image extraction unit 103 is provided to be inclined with respect to the light emitting unit 104 and the rear surface, and continues to the front surface 105 parallel to the rear surface. The reflection unit 102 is provided to be inclined with respect to the light incident unit 101 and the rear surface, and is provided on the front side of the light guide member 100 continuously to the front surface 105.
光線入射部１０１及び光線射出部１０４は、いずれも導光部材１００の後面に設けられた平面である。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。 The light incident part 101 and the light emitting part 104 are both flat surfaces 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.
本実施形態では、光線入射部１０１及び反射部１０２は、後述するコリメート光学系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。 In the present embodiment, the light beam incident part 101 and the reflection part 102 enter and reflect image light magnified by a collimating optical system described later as a light beam 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導光部材１００の内部に導光させるために、図２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、導光部材１００の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３５度までの範囲に設定することがより好ましい。 As shown in FIG. 2, the reflection 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 the image light into the light guide member 100. doing. The inclination angle θ 0 is an angle for totally reflecting the image light incident from the light beam incident portion 101. In order to guide the image light well into the light guide member 100, the inclination angle θ 0 is from 15 degrees to 75 degrees. An angle 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 θ 0 may be set to a range from 20 degrees to 35 degrees. preferable.
また、反射部１０２には任意のコートを施すことができる。導光部材１００の内部に画像光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 light to the inside of the light guide member 100, it is desirable that the reflecting portion 102 be 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３及び図４に示すように、第１面１０３ａ，第２面１０３ｂ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄの４つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。以下、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂ以外の部位、すなわち第１面１０３ａ，第３面１０３ｃ及び第４面１０３ｄで囲まれた部位を総称して「突起形状部」と呼ぶ。図３及び図４中、光線射出部１０４と平行な基準面を点線で表している。また、図３中、第２面１０３ｂの配置方向における幅をＬbで表し、図４中、第１面１０３ａ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄの配置方向の幅を、それぞれＬa，Ｌc，及びＬdで表している。 As shown in FIGS. 3 and 4, the image extraction unit 103 includes four planes of a first surface 103 a, a second surface 103 b, a third surface 103 c, and a fourth surface 103 d, and has a sawtooth shape. I am doing. Hereinafter, portions other than the second surface 103b in the image extraction unit 103, that is, portions surrounded by the first surface 103a, the third surface 103c, and the fourth surface 103d are collectively referred to as “projection-shaped portions”. In FIG. 3 and FIG. 4, a reference plane parallel to the light emitting unit 104 is represented by a dotted line. In FIG. 3, the width in the arrangement direction of the second surface 103b is represented by Lb. In FIG. 4, the widths in the arrangement direction of the first surface 103a, the third surface 103c, and the fourth surface 103d are represented by La and Lc, respectively. , And Ld.
画像取り出し部１０３は、図３，図４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、θbの角度を有する第２面１０３ｂと、θcの角度を有する第３面１０３ｃと、θdの角度を有する第４面１０３ｄが、この順で配された形状を有する。画像取り出し部１０３において、第１面１０３ａと第３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。 3 and 4, the image extraction unit 103 has 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 angle θc. The third surface 103c and the fourth surface 103d having an angle θd have shapes arranged in this order. In the image extraction unit 103, the first surface 103a and the third 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.
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、図４において時計方向であり、光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜の向き（図３参照）とは逆である。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３５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 direction of inclination of the first surface 103a with respect to the light emitting part 104 is clockwise in FIG. 4 and is opposite to the direction of inclination of the reflecting part 102 with respect to the light incident part 101 (see FIG. 3). 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 a range from 20 degrees to 35 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 θ 0 of the reflecting unit 102 with respect to the light beam incident unit 101 described above. Etc. becomes easy.
他方、第２面１０３ｂは、入射された画像光を反射させて導光部材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 that serves as a reflecting surface that reflects incident image light and guides it to the inside of 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３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、さらには迷光の発生を抑制する役割を担っている。 The third surface 103c has a role of ensuring a large area of the first surface 103a, a role of improving the bending strength of the light guide member 100, and a role of suppressing the generation of stray light.
光線射出部１０４に対する第３面１０３ｃの傾斜角度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、第３面１０３ｃは、第２面１０３ｂと同一面すなわち第２面１０３ｂの一部になり４面構造が保持できなくなる。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、画像表示素子１０からの画像光が第３面１０３ｃに当たると乱反射等の現象が生じるため、第３面１０３ｃの傾斜角度θcは、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 inclination angle θc of the third surface 103c with respect to the light emitting portion 104 is in a range greater than 0 ° and 90 ° or less. When the angle θc becomes 0 °, the third surface 103c becomes the same surface as the second surface 103b, that is, a part of the second surface 103b, and the four-surface structure cannot be maintained. The angle θc is preferably in the range of 45 ° to 90 ° in consideration of productivity. Furthermore, since phenomenon such as irregular reflection occurs when the image light from the image display element 10 hits the third surface 103c, the inclination angle θc of the third surface 103c is set so that the image light from the image display element 10 does not hit as much as possible. It is preferable to set the angle range.
第４面１０３ｄは、上述した第２面１０３ｂと同様に、入射された画像光を反射させて導光部材１００の内部に導光させる反射面としての役割、及びシースルー性を確保するための透過面としての役割を担う。このため、第４面１０３ｄは、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。 Similar to the second surface 103b described above, the fourth surface 103d serves as a reflective surface that reflects incident image light and guides it to the inside of the light guide member 100, and transmission to ensure see-through property. Take a role as a face. For this reason, it is desirable that the fourth surface 103 d has an angle θd = 0 ° with respect to the light emitting unit 104, that is, parallel to the light emitting unit 104.
また、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄは、反射特性を有するコートを施すようにすることもでき、この場合には反射面としての機能を高めることができる。 In addition, the second surface 103b and the fourth surface 103d can be coated with a reflective characteristic, and in this case, the function as a reflective surface can be enhanced.
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による反射角と、光線射出部１０４によ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。このことは、第４面１０３ｄを光線射出部１０４に対して傾斜させる、すなわち角度θd≠０°に設定する場合にも同様である。したがって、本実施形態では、角度θb＝０°及びθd＝０°とし、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄ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 inclined 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 is reflected by the reflection angle of the second surface 103b and the light emission. The reflection angle by the portion 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. The same applies to the case where the fourth surface 103d is inclined with respect to the light emitting portion 104, that is, the angle θd ≠ 0 °. Therefore, in this embodiment, the angles θb = 0 ° and θd = 0 ° are set, and the second surface 103b and the fourth surface 103d are formed in parallel to the light emitting portion 104.
図４は、画像取り出し部１０３における突起形状部を拡大して表している。この実施形態では、第３面１０３ｃと第４面１０３ｄとは、連続した異なる平面で構成されており、第３面１０３ｃと第４面１０３ｄとのなす角度が１８０°−θcとなっている。この変形例として、第３面１０３ｃと第４面１０３ｄは、これら両面の接続される部位が連続面である曲面とすることもできる。 FIG. 4 shows an enlarged projection-shaped portion in the image extraction unit 103. In this embodiment, the 3rd surface 103c and the 4th surface 103d are comprised by the continuous different plane, and the angle which the 3rd surface 103c and the 4th surface 103d make is 180 degrees-(theta) c. As a modified example, the third surface 103c and the fourth surface 103d can be curved surfaces in which the connected portions of both surfaces are continuous surfaces.
図５は、ライトガイド５０の光線射出部１０４から画像光が射出される場合に、正規の画像光（以下「正規光」と称する）のみならず迷光が射出される例を示す光路図であり、正規光を実線で、迷光を点線で示している。光線射出部１０４から射出される画像光は、画像表示素子の画素情報を持って眼に入射する。このとき、図５中に点線で示すように、画像表示素子の同じ画素位置からの光線が正規光とは異なる角度を持って眼に入射すると、その光線は迷光となり、コントラスト低下の原因になる。したがって、このような迷光の発生を可能な限り抑止することが重要な課題となる。 FIG. 5 is an optical path diagram illustrating an example in which not only regular image light (hereinafter referred to as “regular light”) but also stray light is emitted when image light is emitted from the light beam emitting portion 104 of the light guide 50. Normal light is indicated by a solid line, and stray light is indicated by a dotted line. The image light emitted from the light emitting unit 104 enters the eye with pixel information of the image display element. At this time, when light rays from the same pixel position of the image display element enter the eye at an angle different from the normal light, as shown by a dotted line in FIG. 5, the light rays become stray light and cause a decrease in contrast. . Therefore, it is an important issue to suppress the generation of such stray light as much as possible.
図６は、画像光がライトガイド５０の第２面１０３ｂを反射した際に画像取り出し部１０３において迷光が発生しない場合の突起形状部の拡大図である。図６中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面、及び画像光が第２面１０３ｂで反射する場合の第２面１０３ｂの法線を、それぞれ点線で表している。 FIG. 6 is an enlarged view of the protrusion-shaped portion when no stray light is generated in the image extraction unit 103 when the image light reflects the second surface 103 b of the light guide 50. In FIG. 6, the reference plane parallel to the rear surface of the light guide 50 and the normal line of the second surface 103b when the image light is reflected by the second surface 103b are indicated by dotted lines.
図６に示す例では、ライトガイド５０内に導光され画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂで反射角θ2にて反射された画像光は、第１面１０３ａに当たることなくライトガイド５０内を導光されている。このような画像光の反射条件を得るためには、以下の条件式（１）を満足することが必要となる。 In the example shown in FIG. 6, the image light guided into the light guide 50 and reflected by the second surface 103b of the image extraction unit 103 at the reflection angle θ 2 does not hit the first surface 103a and passes through the light guide 50. It is guided. In order to obtain such image light reflection conditions, it is necessary to satisfy the following conditional expression (1).
条件式（１）において、
La：第１面１０３ａの幅
θa：第１面１０３ａと光線射出部１０４とのなす角
Lc：第３面１０３ｃの幅
θc：第３面１０３ｃと光線射出部１０４とのなす角
Ld：第４面１０３ｄの幅
θ2：第２面で反射する画像光の反射角度
である。
In conditional expression (1),
La: width of the first surface 103a θa: angle formed by the first surface 103a and the light emitting portion 104
Lc: width of the third surface 103c θc: angle formed by the third surface 103c and the light emitting portion 104
Ld: width θ 2 of the fourth surface 103d: reflection angle of image light reflected on the second surface.
本実施形態では、第２面１０３ｂはライトガイド５０の後面と平行な面であり、ライトガイド５０内に導光された画像光はライトガイド５０内を等しい角度で全反射する。したがって、条件式（１）の反射角度θ2は、ライトガイド５０内部を導光する光線の反射角度（全反射角）と言い換えることができる。 In the present embodiment, the second surface 103b is a surface parallel to the rear surface of the light guide 50, and the image light guided into the light guide 50 is totally reflected through the light guide 50 at an equal angle. Therefore, the reflection angle θ 2 in the conditional expression (1) can be rephrased as the reflection angle (total reflection angle) of the light beam guided through the light guide 50.
条件式（１）は、光線射出部１０４からの迷光の発生を抑制するための突起形状部の条件を示している。より具体的には、条件式（１）は、ライトガイド５０内部を導光する画像光が第２面１０３ｂで反射した後、第１面１０３ａにて反射せずにライトガイド５０内部を導光し、光線射出部１０４にて全反射した後、第１面１０３ａにて反射し、光線射出部１０４から射出されるための突起形状部の条件を示している。 Conditional expression (1) shows the condition of the protrusion-shaped part for suppressing the generation of stray light from the light emitting part 104. More specifically, in the conditional expression (1), the image light guided inside the light guide 50 is reflected by the second surface 103b and then guided inside the light guide 50 without being reflected by the first surface 103a. Then, after the total reflection at the light emitting part 104, the condition of the projection-shaped part for reflecting from the first surface 103 a and being emitted from the light emitting part 104 is shown.
本実施形態のライトガイド５０では、光線入射部１０１にθinの入射角で入射した光線は、光線入射部１０１に対して角度θ0で傾斜する反射部１０２にて反射した後、全反射角θ2でライトガイド５０内部を導光する。ここで、全反射角θ2が９０−θaより大きく、かつ第２面１０３ｂの最先端（図６では右端）から第１面１０３ａまでの距離が不十分な場合、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第２面１０３ｂで反射した後に一定量が第１面１０３ａで反射し、迷光となり得る。 In the light guide 50 of the present embodiment, a light beam incident on the light beam incident unit 101 at an incident angle of θin is reflected by the reflecting unit 102 inclined at an angle θ 0 with respect to the light beam incident unit 101, and then the total reflection angle θ. 2 guides the inside of the light guide 50. Here, when the total reflection angle θ 2 is larger than 90−θa and the distance from the forefront of the second surface 103b (the right end in FIG. 6) to the first surface 103a is insufficient, the inside of the light guide 50 is guided. The image light to be reflected is reflected on the first surface 103a after being reflected on the second surface 103b, and may become stray light.
他方、全反射角θ2が９０−θaより大きい場合でも、第２面１０３ｂの最先端から第１面１０３ａまでの距離が十分である場合、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第２面１０３ｂで反射した後、第１面１０３ａに当たることはない。したがって、このような場合に迷光の発生を抑制することができる。 On the other hand, even when the total reflection angle θ 2 is larger than 90−θa, if the distance from the forefront of the second surface 103b to the first surface 103a is sufficient, the image light guided inside the light guide 50 is The light does not hit the first surface 103a after being reflected by the second surface 103b. Therefore, generation of stray light can be suppressed in such a case.
図７は、画像光がライトガイド５０の第２面１０３ｂを反射した際に画像取り出し部１０３由来の迷光が発生し得る場合の突起形状部の拡大図である。図７中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面を点線で表している。図７に示す突起形状部は、上述した条件式（１）を満たさない形状の一例であり、図６の例と比較して、第４面１０３ｄの幅Ldが相対的に短くなっている。突起形状部の形状が条件式（１）を満たさない場合、図７に示すように、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第２面１０３ｂで反射した後、その一部分ないし大部分の光線が第１面１０３ａにて反射し、光線射出部１０４から迷光として射出される。 FIG. 7 is an enlarged view of the protrusion-shaped portion when stray light derived from the image extraction portion 103 can be generated when the image light reflects the second surface 103 b of the light guide 50. In FIG. 7, a reference plane parallel to the rear surface of the light guide 50 is indicated by a dotted line. The protrusion-shaped portion shown in FIG. 7 is an example of a shape that does not satisfy the conditional expression (1) described above, and the width Ld of the fourth surface 103d is relatively short compared to the example of FIG. When the shape of the protrusion-shaped portion does not satisfy the conditional expression (1), as shown in FIG. 7, the image light guided through the light guide 50 is reflected by the second surface 103b and then a part or most of the image light is reflected. The light beam is reflected by the first surface 103 a and is emitted from the light beam emitting unit 104 as stray light.
図８は、画像光が画像取り出し部１０３で反射した際に迷光が発生せずに光線射出部１０４から射出される場合の突起形状部の拡大図である。図８中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面を点線で表している。 FIG. 8 is an enlarged view of the protrusion-shaped portion when stray light is not generated when the image light is reflected by the image extracting portion 103 and is emitted from the light emitting portion 104. In FIG. 8, a reference plane parallel to the rear surface of the light guide 50 is represented by a dotted line.
図８に示す例では、ライトガイド５０内に導光され画像取り出し部１０３で反射する際に、第４面１０３ｄに当たることなく第１面１０３ａにて反射されている。このような画像光の反射条件を得るためには、以下の条件式（２）を満足することが必要となる。 In the example illustrated in FIG. 8, when the light is guided into the light guide 50 and reflected by the image extraction unit 103, the light is reflected by the first surface 103 a without hitting the fourth surface 103 d. In order to obtain such image light reflection conditions, it is necessary to satisfy the following conditional expression (2).
条件式（２）において、
Ld：第４面１０３ｄの幅
θ0：光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角度
Lc：第３面１０３ｃの幅
θc：第３面１０３ｃと光線射出部１０４とのなす角
である。
In conditional expression (2),
Ld: width of the fourth surface 103d θ 0 : angle of inclination of the reflecting portion 102 with respect to the light incident portion 101
Lc: width of the third surface 103c θc: an angle formed by the third surface 103c and the light emitting portion 104.
本実施形態のライトガイド５０では、光線入射部１０１に任意の角度θinで入射した光線は、光線入射部１０１に対して角θ0で傾斜する反射部１０２にて反射した後、全反射角θ2でライトガイド５０内部を導光する。条件式（２）を満足する場合、ライトガイド５０内部を導光する光線は、図８に示すように、第４面１０３ｄで反射されることなく、第１面１０３ａにて反射し、光線射出部１０４から正規光として射出される。したがって、このような場合に迷光の発生を抑制することができる。 In the light guide 50 of the present embodiment, a light beam incident on the light beam incident portion 101 at an arbitrary angle θin is reflected by the reflecting portion 102 inclined at an angle θ0 with respect to the light beam incident portion 101, and then the total reflection angle θ 2. To guide the inside of the light guide 50. When the conditional expression (2) is satisfied, the light beam guided inside the light guide 50 is reflected by the first surface 103a without being reflected by the fourth surface 103d as shown in FIG. The light is emitted from the unit 104 as regular light. Therefore, generation of stray light can be suppressed in such a case.
図９は、画像光が画像取り出し部１０３で反射した際に画像取り出し部１０３由来の迷光が発生し得る場合の突起形状部の拡大図である。図９中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面を点線で表している。図９に示す突起形状部は、上述した条件式（２）を満たさない形状の一例であり、図８の例と比較して、第３面１０３ｃの幅Lcが相対的に短く、第４面１０３ｄの幅Ldが相対的に長くなっている。 FIG. 9 is an enlarged view of the protrusion-shaped portion when stray light derived from the image extraction portion 103 can be generated when the image light is reflected by the image extraction portion 103. In FIG. 9, a reference plane parallel to the rear surface of the light guide 50 is represented by a dotted line. 9 is an example of a shape that does not satisfy the above-described conditional expression (2). Compared with the example of FIG. 8, the width Lc of the third surface 103c is relatively short, and the fourth surface. The width Ld of 103d is relatively long.
突起形状部の形状が条件式（２）を満たさない場合、図９に示すように、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第４面１０３ｄにて反射した後に更に第１面１０３ａで反射する。この場合、第１面１０３ａで反射された画像光の反射角度が入射角と変化してしまうため、光線射出部１０４から迷光として射出され得る。詳細には、第４面１０３ｄにて全反射する光線は、その全反射角が９０−θaよりも大きい場合に、条件式（２）を満たさなければ迷光となり得る。 When the shape of the protrusion-shaped portion does not satisfy the conditional expression (2), as shown in FIG. 9, the image light guided through the light guide 50 is reflected on the fourth surface 103d and then further reflected on the first surface 103a. reflect. In this case, since the reflection angle of the image light reflected by the first surface 103a changes with the incident angle, it can be emitted from the light emitting unit 104 as stray light. Specifically, a light beam totally reflected by the fourth surface 103d can become stray light if the total reflection angle is larger than 90−θa and the conditional expression (2) is not satisfied.
図７と図９の反射状態を比較した場合、図７の方が画像光の反射角度の変動の度合いが大きいことが分かる。このため、図７及び図９に示す画像光がそれぞれ迷光として光線射出部１０４から射出された場合、ユーザが視認する虚像の品質劣化の度合いとしては、図７の方が劣化が大きく、図９の方が相対的に軽微な劣化となる。したがって、上述した条件式（１）と条件式（２）とでは、条件式（１）の方がより重要であり、図７に示すような反射の発生を防止するために、必要条件として、条件式（１）を満足するようにライトガイド５０を構成することが求められる。その上で、視認される虚像の品質をより一層高めるために、条件式（２）を満足するようにライトガイド５０を構成することが望ましい。 When the reflection states of FIGS. 7 and 9 are compared, it can be seen that the degree of variation in the reflection angle of the image light is larger in FIG. For this reason, when the image light shown in FIGS. 7 and 9 is emitted from the light emitting unit 104 as stray light, the degree of quality deterioration of the virtual image visually recognized by the user is larger in FIG. This is a relatively minor deterioration. Therefore, in the conditional expression (1) and the conditional expression (2) described above, the conditional expression (1) is more important. In order to prevent the occurrence of reflection as shown in FIG. It is required to configure the light guide 50 so as to satisfy the conditional expression (1). In addition, in order to further improve the quality of the visible virtual image, it is desirable to configure the light guide 50 so as to satisfy the conditional expression (2).
図３及び図４等で上述した実施形態では、画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの幅La、第３面１０３ｃの幅Lc、第４面１０３ｄの幅Ldを、各々の突起形状部で同一に設定することを前提としており、第２面１０３ｂの幅Lbについても同様である。この変形例として、第１面１０３ａの幅、または第３面１０３ｃの幅Lc、第４面１０３ｄの幅Ldを各々の突起形状部で異なる値に設定する、或いは第２面１０３ｂの幅Lbを各々の第２面で異なる値に設定することもできる。但し、このような場合であっても、上述した条件式（１）を満足するように各面の幅の値を設定することが求められ、より好ましくは、条件式（２）をも満足するように各面の幅の値が設定される。 In the embodiment described above with reference to FIGS. 3 and 4, the width La of the first surface 103 a, the width Lc of the third surface 103 c, and the width Ld of the fourth surface 103 d in the image extraction unit 103 are the same in each protrusion shape portion. The same applies to the width Lb of the second surface 103b. As a modified example, the width of the first surface 103a, the width Lc of the third surface 103c, and the width Ld of the fourth surface 103d are set to different values in the respective protrusion-shaped portions, or the width Lb of the second surface 103b is set. It is also possible to set different values for each second surface. However, even in such a case, it is required to set the width value of each surface so as to satisfy the conditional expression (1) described above, and more preferably, the conditional expression (2) is also satisfied. Thus, the value of the width of each surface is set.
次に、図１０乃至図１３を参照して、ライトガイドの他の実施形態について説明する。以下は、第１実施形態と同様の部位に同一の符号を付し、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。 Next, another embodiment of the light guide will be described with reference to FIGS. 10 to 13. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part similar to 1st Embodiment, and a different part from 1st Embodiment is mainly demonstrated.
（ライトガイドの第２の実施形態）
上述した第１実施形態のライトガイド５０は、後面および前面が矩形形状を呈する導光部材１００からなる。これに対して、図１０で斜視的に示すように、第２実施形態のライトガイド５０Ａは、後面及び前面がそれぞれ非対称な台形の形状を呈する導光部材１００Ａからなる。このような形状の場合であっても、上述した条件式（１）、条件式（２）を満たすことにより、迷光の発生を抑制することができる。
(Second embodiment of light guide)
The light guide 50 according to the first embodiment described above includes the light guide member 100 whose rear surface and front surface have a rectangular shape. On the other hand, as shown in perspective in FIG. 10, the light guide 50 </ b> A of the second embodiment includes a light guide member 100 </ b> A that has a trapezoidal shape in which the rear surface and the front surface are asymmetric. Even in the case of such a shape, generation of stray light can be suppressed by satisfying the conditional expressions (1) and (2) described above.
（ライトガイドの第３の実施形態）
上述した第１及び第２の実施形態のライトガイド５０及び５０Ａは、導光部材のみで構成されている。これに対して、図１１に示すように、第３実施形態のライトガイド５０Ｂは、第１の実施形態で上述した導光部材１００に対して、光学部材２００が導光部材１００と一体をなすように設けられる。
(Third embodiment of light guide)
The light guides 50 and 50A of the first and second embodiments described above are configured only by a light guide member. In contrast, as illustrated in FIG. 11, in the light guide 50 </ b> B of the third embodiment, the optical member 200 is integrated with the light guide member 100 with respect to the light guide member 100 described above in the first embodiment. It is provided as follows.
第３実施形態のライトガイド５０Ｂ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 50B according to the third embodiment has a light guide member 100 and an optical member 200 that are integrally provided, so that the light guide 50B as a whole has a substantially prismatic shape and a trapezoidal outer shape that is asymmetric in plan view.
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。 The optical member 200 has a tapered outer shape in plan view, and is provided so as to face the image extraction unit 103 of the light guide member 100, so that mainly the light transmittance of the light emission unit 104 and the image extraction unit 103, that is, Has the role of ensuring see-through.
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図１３で後述する。 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 portion 203 of the optical member 200 is a portion that is installed in proximity to the image extraction portion 103 of the light guide member 100, and details of the portion will be described later with reference to FIG.
（ライトガイドの第４の実施形態）
図１２で斜視的に示すように、第４実施形態のライトガイド５０Ｃは、第２実施形態の導光部材１００Ａに対して光学部材２００Ａが一体に設けられた構成である。すなわち、ライトガイド５０Ｃの導光部材１００Ａは、後面及び前面がそれぞれ非対称な台形の形状を呈する。また、ライトガイド５０Ｃの光学部材２００Ａは、導光部材１００Ａのかかる形状に対応する形状として、傾斜部２０３及び前面２１０がそれぞれ非対称な台形の形状を呈する。
(Fourth embodiment of light guide)
As shown in perspective in FIG. 12, the light guide 50 </ b> C of the fourth embodiment has a configuration in which an optical member 200 </ b> A is provided integrally with the light guide member 100 </ b> A of the second embodiment. That is, the light guide member 100A of the light guide 50C has a trapezoidal shape in which the rear surface and the front surface are asymmetric. In addition, the optical member 200A of the light guide 50C has a trapezoidal shape in which the inclined portion 203 and the front surface 210 are asymmetric, corresponding to the shape of the light guide member 100A.
第３及び第４の実施形態のように、導光部材に対して光学部材が一体に設けられた構成の場合も、上述した条件式（１）、条件式（２）を満たすことにより、迷光の発生を抑制することができる。 As in the third and fourth embodiments, stray light can be obtained by satisfying the conditional expression (1) and the conditional expression (2) described above even when the optical member is integrated with the light guide member. Can be suppressed.
（光学部材の構造及び導光部材に対する接合）
図１３に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図１３中、光学部材２００の前面２１０と平行な基準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に近接配置されている。かかる傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状に対応した形状を有しており、図１３に示すように、第５面２０３ａ乃至第８面２０３ｄの４面構造となっている。
(Structure of optical member and bonding to light guide member)
FIG. 13 shows an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200. In FIG. 13, a reference plane parallel to the front surface 210 of the optical member 200 is represented by a dotted line. The inclined portion 203 of the optical member 200 is disposed in proximity to the image extraction portion 103 of the light guide member 100. The inclined portion 203 has a shape corresponding to the shape of the image extraction portion 103 of the light guide member 100, and has a four-surface structure of a fifth surface 203a to an eighth surface 203d as shown in FIG. Yes.
より詳細には、傾斜部２０３は、前面２１０に対してθa’の角度を有する第５面２０３ａと、θb’の角度を有する第６面２０３ｂと、θc’の角度を有する第７面２０３ｃと、θd’の角度を有する第８面２０３ｄが、この順で配された形状となっている。傾斜部２０３において、第５面２０３ａ，第６面２０３ｂ，第７面２０３ｃ，及び第８面２０３ｄは、それぞれ、導光部材１００の第１面１０３ａ，第２面１０３ｂ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄに対向する位置に配置される。 More specifically, the inclined portion 203 includes a fifth surface 203a having an angle θa ′ with respect to the front surface 210, a sixth surface 203b having an angle θb ′, and a seventh surface 203c having an angle θc ′. , Θd ′, the eighth surface 203d has a shape arranged in this order. In the inclined portion 203, the fifth surface 203a, the sixth surface 203b, the seventh surface 203c, and the eighth surface 203d are respectively the first surface 103a, the second surface 103b, the third surface 103c, and the light guide member 100. It arrange | positions in the position which opposes the 4th surface 103d.
光学部材２００の前面２１０は、導光部材１００の光線射出部１０４と平行な面である。また、傾斜部２０３の第６面２０３ｂ及び第８面２０３ｄは、それぞれ前面２１０と平行であり、角度θb’＝０°かつθd’＝０°である。したがって、第６面２０３ｂ及び第８面２０３ｄは、それぞれ導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄに対しても平行であり、θb＝θb’＝θd＝θd’＝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６面２０３ｂまたは第８面２０３ｄが上述した各面に対して平行でない場合は、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 of the optical member 200 is a surface parallel to the light emitting part 104 of the light guide member 100. In addition, the sixth surface 203b and the eighth surface 203d of the inclined portion 203 are parallel to the front surface 210, and the angles θb ′ = 0 ° and θd ′ = 0 °. Therefore, the sixth surface 203b and the eighth surface 203d are also parallel to the light emitting portion 104, the second surface 103b, and the fourth surface 103d of the light guide member 100, respectively, and θb = θb ′ = θd = θd ′. = 0 °. With such setting, the see-through property of the light guide 50 can be enhanced. In addition, when the 6th surface 203b or the 8th surface 203d is not parallel with respect to each surface mentioned above, since see-through property falls by a prism effect, it is unpreferable.
さらに、前面２１０に対する第５面２０３ａの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部１０４に対する第１面１０３ａ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５面２０３ａ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 fifth 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 first surface 103 a with respect to the light emitting portion 104. In this case, the fifth surface 203a 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.
加えて、前面２１０に対する第７面２０３ｃの角度θc’を、上述した角度θcすなわち光線射出部１０４に対する第３面１０３ｃの角度と等しい角度に設定するとより良い。この場合、光学部材２００の第７面２０３ｃは導光部材１００の第３面１０３ｃと平行となり、ライトガイド５０のシースルー性をより一層高めることが可能になる。 In addition, it is better to set the angle θc ′ of the seventh surface 203 c with respect to the front surface 210 to be equal to the angle θc described above, that is, the angle of the third surface 103 c with respect to the light emitting portion 104. In this case, the seventh surface 203c of the optical member 200 is parallel to the third surface 103c of the light guide member 100, and the see-through property of the light guide 50 can be further enhanced.
図１３に示す例では、導光部材１００と光学部材２００とが同じ材料で構成されている。また、図１３では、光学部材２００の傾斜部２０３が導光部材１００の画像取り出し部１０３に対して接着剤１５０を介して固定された例を示す。ここで、接着剤１５０は、導光部材１００の材質にもよるが、その屈折率が１．４〜１．９の範囲のものを使用するとよい。 In the example shown in FIG. 13, the light guide member 100 and the optical member 200 are made of the same material. FIG. 13 shows an example in which the inclined portion 203 of the optical member 200 is fixed to the image extraction portion 103 of the light guide member 100 via an adhesive 150. Here, although the adhesive 150 depends on the material of the light guide member 100, it is preferable to use an adhesive having a refractive index in the range of 1.4 to 1.9.
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.
上述のように、図１３の例では、傾斜部２０３の第５面２０３ａ，第６面２０３ｂ，第７面２０３ｃ，及び第８面２０３ｄは、それぞれ、導光部材１００の第１面１０３ａ，第２面１０３ｂ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄに対向する位置に配置される。また、傾斜部２０３において、第６面２０３ｂ及び第８面２０３ｄは、それぞれ導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄに対して平行である。さらに、光学部材２００の第５面２０３ａを導光部材１００の第１面１０３ａと平行に設定することが好ましく、第７面２０３ｃを導光部材１００の第３面１０３ｃと平行に設定することがより好ましい。このように、光学部材２００と導光部材１００の画像取り出し部１０３との各面同士の位置や角度の正確性を担保して、位置ずれ等を無くすために、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。 As described above, in the example of FIG. 13, the fifth surface 203a, the sixth surface 203b, the seventh surface 203c, and the eighth surface 203d of the inclined portion 203 are respectively the first surface 103a and the first surface 103a of the light guide member 100. The second surface 103b, the third surface 103c, and the fourth surface 103d are disposed at positions facing each other. Further, in the inclined portion 203, the sixth surface 203b and the eighth surface 203d are parallel to the light emitting portion 104, the second surface 103b, and the fourth surface 103d of the light guide member 100, respectively. Further, the fifth surface 203a of the optical member 200 is preferably set in parallel with the first surface 103a of the light guide member 100, and the seventh surface 203c is set in parallel with the third surface 103c of the light guide member 100. More preferred. As described above, in order to ensure the accuracy of the positions and angles of the surfaces of the optical member 200 and the image extraction unit 103 of the light guide member 100 and to eliminate misalignment, the optical member 200 includes the light guide member. An adjustment mechanism that adjusts the distance between the two can be attached.
図１３では、図１１の第３実施形態のライトガイド５０Ｂの接合例について説明したが、図１２の第４実施形態のライトガイド５０Ｃの接合例も同様であり、説明を省略する。 In FIG. 13, the joining example of the light guide 50B according to the third embodiment in FIG. 11 has been described. However, the joining example of the light guide 50C according to the fourth embodiment in FIG.
（虚像表示装置の構成）
次に、図１４乃至図１６を参照して、虚像表示装置の構成を説明する。図１４に、上述した第１実施形態のライトガイド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示す。また、図１５に、上述した第３実施形態のライトガイド５０Ｂ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示す。
(Configuration of virtual image display device)
Next, the configuration of the virtual image display device will be described with reference to FIGS. FIG. 14 shows a configuration of a virtual image display device in which the light guide 50 of the first embodiment described above is arranged on the optical path of the virtual image display optical system. FIG. 15 shows a configuration of a virtual image display device in which the light guide 50B of the third embodiment described above is arranged on the optical path of the virtual image display optical system.
図１４及び図１５では、虚像表示光学系の光路すなわち入射された画像光における直線光の光線経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。図１４に示す虚像表示装置と図１５に示す虚像表示装置とでは、ライトガイド５０及び５０Ｂの構成が異なり、他の構成は同一であるため、以下は、図１４に示す虚像表示装置の構成のみを説明する。 14 and 15, the optical path of the virtual image display optical system, that is, the ray path of the linear light in the incident image light is indicated by arrows, and the eyes of the user of the apparatus, that is, the virtual image observer are schematically drawn. The virtual image display device shown in FIG. 14 and the virtual image display device shown in FIG. 15 have different configurations of the light guides 50 and 50B, and the other configurations are the same. Therefore, only the configuration of the virtual image display device shown in FIG. Will be explained.
虚像表示装置は、図１４に示すように、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。 As shown in FIG. 14, the virtual image display device 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 guide described above. 50 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.
図示の例では、画像表示素子１０として、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどを用いた場合を示しており、照明光を射出して画像表示素子１０の画像表示面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。 In the illustrated example, the case where LCOS, DMD, or the like that requires a light source is used as the image display element 10, and a light source LS for emitting illumination light to illuminate the image display surface of the image display element 10 is shown. 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、光線入射部１０１に対して角度θ0で傾斜する反射部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、光線射出部１０４に対して傾斜し反射部１０２の傾斜角度θ0に対向する傾斜角度θaの第１面１０３ａを備えた画像取り出し部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. That is, the image light magnified by the collimating optical system 300 is incident from the light beam incident portion 101 of the light guide member 100 in the light guide 50 and is reflected by the reflecting portion 102 that is inclined at an angle θ 0 with respect to the light beam incident portion 101. The light is guided into the light guide member 100. The guided image light is reflected by the image extraction unit 103 including the first surface 103 a having an inclination angle θa that is inclined with respect to the light emission unit 104 and is opposed to the inclination angle θ 0 of the reflection unit 102. To the user's eyes as image information. 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.
上述の図１から図１５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 15 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.
図１６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第３の実施形態のライトガイド５０Ｂを眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を例示する。 FIGS. 16A, 16B, and 16C illustrate a case where the light guide 50B of the third embodiment is applied to a glasses-type virtual image display device, that is, an HMD.
図１６（ａ）に示す例は、一つのライトガイド５０Ｂ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１６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. 16A is a case where one light guide 50B 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. 16, 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１６（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つのライトガイド５０Ｂを小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合である。図１６（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. 16B and 16C is a case where one light guide 50B is downsized and applied to a monocular HMD. The example shown in FIG. 16B 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 each light guide are arranged on the left and right outer sides. Is done.
なお、図１６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１６（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源ＬＳ、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. 16, 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. 16A and 16C, the light source LS, the image display element 10, and the collimating optical system 300 are used as the right eye frame, and in the example shown in FIG. What is necessary is just to attach to a part.
図１６に示す例では、第３の実施形態のライトガイド５０Ｂを眼鏡型のＨＭＤに適用した場合について説明した。第１実施形態のライトガイド５０、第２実施形態のライトガイド５０Ａ、第４実施形態のライトガイド５０Ｃも、同様にして眼鏡型のＨＭＤに適用することができる。また、上述した各実施形態のライトガイドは、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。各実施形態のライトガイドは、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 example illustrated in FIG. 16, the case where the light guide 50 </ b> B of the third embodiment is applied to a spectacle-type HMD has been described. The light guide 50 according to the first embodiment, the light guide 50A according to the second embodiment, and the light guide 50C according to the fourth embodiment can be similarly applied to the eyeglass-type HMD. Moreover, the light guide of each embodiment mentioned above is applicable also to another kind of HMD, Furthermore, it can apply also to a head up display (HUD). The light guide of each embodiment is particularly suitable for displaying a virtual image of an original image formed by a light beam that is light-modulated by a microdevice.
（実施例）
上述した第１の実施形態のライトガイド５０を用いた虚像表示装置の実施例を、比較例と対比しながら説明する。なお、各角度は絶対値表示である。
(Example)
An example of a virtual image display device using the light guide 50 of the first embodiment described above will be described in comparison with a comparative example. Each angle is an absolute value display.
以下の各例では、共通条件として、以下の設定値によるライトガイドを使用した。
光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角θ0＝３０度
光線射出部１０４に対する第１面１０３ａの傾斜角θa＝３０度
光線射出部１０４に対する第２面１０３ｂの傾斜角θb＝０度
光線射出部１０４に対する第３面１０３ｃの傾斜角θc＝９０度
光線射出部１０４に対する第４面１０３ｃの傾斜角θd＝０度
ライトガイドの屈折率（Ｎｄ）＝１．５４（プラスチック）
ライトガイドの水平視野角：４５度以上
In each of the following examples, a light guide having the following set values was used as a common condition.
Inclination angle θ 0 of the reflecting part 102 with respect to the light incident part 101 = 30 degrees Inclination angle θa of the first surface 103a with respect to the light emitting part 104 = 30 degrees Inclination angle θb of the second surface 103b with respect to the light emitting part 104 = 0 degree The inclination angle θc of the third surface 103c with respect to the portion 104 = 90 degrees The inclination angle θd of the fourth surface 103c with respect to the light emitting portion 104 = 0 degrees The refractive index (Nd) of the light guide = 1.54 (plastic)
Light guide horizontal viewing angle: 45 degrees or more
実施例１：
実施例１では、ライトガイドの条件として、第１面１０３ａの幅La＝０．３mm、第３面１０３ｃの幅Lc＝０．０５５mm、第４面１０３ｄの幅Ld＝０．１mmとした。この条件は、上述した条件式（１）及び条件式（２）を満足しており、図７や図９に示すような迷光の原因となる画像光の反射状態が回避された。光線射出部１０４から射出された画像光は、迷光の発生が効果的に防止された。
Example 1:
In Example 1, the light guide conditions were such that the width La of the first surface 103a was 0.3 mm, the width Lc of the third surface 103c was 0.055 mm, and the width Ld of the fourth surface 103d was 0.1 mm. This condition satisfies the above-described conditional expressions (1) and (2), and the reflection state of the image light that causes stray light as shown in FIGS. 7 and 9 is avoided. Generation of stray light was effectively prevented in the image light emitted from the light emitting unit 104.
比較例：
ライトガイドの条件として、第１面１０３ａの幅La＝０．４mm、第３面１０３ｃの幅Lc＝０．０５５mm、第４面１０３ｄの幅Ld＝０．１mmとし、実施例１と比較して第１面１０３ａの幅Laを広くした。この場合、条件式（２）を満足するため、図９に示すような画像光の反射状態は回避され、かかる反射に基づく迷光の発生を防止することが可能となった。他方、この場合、条件式（１）を満足しないことから、図７に示すような画像光の反射状態が発生し、かかる反射に基づく迷光が光線射出部１０４から射出された。
Comparative example:
As conditions for the light guide, the width La of the first surface 103a is 0.4 mm, the width Lc of the third surface 103c is 0.055 mm, and the width Ld of the fourth surface 103d is 0.1 mm. The width La of the first surface 103a is increased. In this case, since the conditional expression (2) is satisfied, the reflection state of the image light as shown in FIG. 9 is avoided, and generation of stray light based on the reflection can be prevented. On the other hand, in this case, since the conditional expression (1) is not satisfied, the reflection state of the image light as shown in FIG. 7 occurs, and the stray light based on the reflection is emitted from the light emitting unit 104.
実施例２：
ライトガイドの条件として、第１面１０３ａの幅La＝０．３mm、第３面１０３ｃの幅Lc＝０．０４mm、第４面１０３ｄの幅Ld＝０．１mmとし、実施例１と比較して第３面１０３ｃの幅Lcを狭くした。
この場合、条件式（２）を満足しないため、図９に示すような画像光の反射状態が発生し、かかる反射に基づく迷光が光線射出部１０４から射出された。他方、この場合、条件式（１）を満足するため、図７に示すような画像光の反射状態は回避され、かかる反射に基づく迷光の発生は防止される。
Example 2:
As conditions for the light guide, the width La of the first surface 103a is 0.3 mm, the width Lc of the third surface 103c is 0.04 mm, and the width Ld of the fourth surface 103d is 0.1 mm. The width Lc of the third surface 103c was reduced.
In this case, since the conditional expression (2) is not satisfied, a reflection state of the image light as shown in FIG. 9 occurs, and stray light based on the reflection is emitted from the light emitting unit 104. On the other hand, in this case, since the conditional expression (1) is satisfied, the reflection state of the image light as shown in FIG. 7 is avoided, and the generation of stray light based on the reflection is prevented.
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し、迷光の発生が抑制される透過型のライトガイドが実現され、また、迷光の発生が抑制され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 that is small and has a wide viewing angle of 40 degrees or more and that suppresses the generation of stray light is realized, and the generation of stray light is also achieved. A virtual image optical system 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
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ ライトガイド
１００，１００Ａ 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 第３面（傾斜面）
１０３ｄ 第４面（平面）
１０４ 光線射出部
１５０ 接着剤
２００，２００Ａ 光学部材
２１０ 前面（平行面）
２０３ 傾斜部
２０３ａ 第５面
２０３ｂ 第６面
２０３ｃ 第７面
２０３ｄ 第８面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Image display element 300 Collimating optical system LS Light source 50, 50A, 50B, 50C Light guide 100, 100A Light guide member 101 Light incident part 103 Image extraction part 103a 1st surface 103b 2nd surface 103c 3rd surface (inclined surface)
103d Fourth surface (plane)
104 Light emitting portion 150 Adhesive 200, 200A Optical member 210 Front surface (parallel surface)
203 Inclined part 203a 5th surface 203b 6th surface 203c 7th surface 203d 8th surface
Claims (12)
前記導光部材は、前記画像光が入射される光線入射部と、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、前記画像光を外部に射出するための光線射出部と、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と、を備え、
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第３面及び、前記第１面と前記第３面との間に設けられ前記光線射出部に平行な第４面をさらに有し、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とするライトガイド。
但し、Laは第１面の幅、θaは第１面と光線射出部とのなす角、Lcは第３面の幅、θcは第３面と光線射出部とのなす角、Ldは第４面の幅、θ2は第２面で反射する画像光の反射角度である。 A light guide for a virtual image display device having a light guide member that guides image light from an image display element and emits the light to display a virtual image,
The light guide member includes a light incident portion on which the image light is incident, a reflection portion that is inclined with respect to the light incident portion and guides the image light incident on the light incident portion into a light guide, and the image A light emitting part for emitting light to the outside, a first surface inclined with respect to the light emitting part, and a second surface parallel to the light emitting part are alternately arranged, and the image light is supplied to the first surface. An image extraction unit that guides the light from the light emission unit to the light extraction unit, and
The image extraction unit is provided between the first surface and the second surface, and is provided between a third surface that is inclined toward the second surface and between the first surface and the third surface. The light guide further comprising a fourth surface parallel to the light emitting part and satisfying the following conditional expression (1).
Where La is the width of the first surface, θa is the angle between the first surface and the light emitting portion, Lc is the width of the third surface, θc is the angle between the third surface and the light emitting portion, and Ld is the fourth. The width of the surface, θ 2, is the reflection angle of the image light reflected by the second surface.
但し、Ldは第４面の幅、θ0は光線入射部に対する反射部の傾斜角度、Lcは第３面の幅、θcは第３面と光線射出部とのなす角、である。 The light guide according to claim 1, wherein the image extraction portion of the light guide member satisfies the following conditional expression (2).
Where Ld is the width of the fourth surface, θ 0 is the angle of inclination of the reflecting portion with respect to the light incident portion, Lc is the width of the third surface, and θc is the angle between the third surface and the light emitting portion.
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乃至７のいずれかに記載のライトガイド。 An optical member provided integrally with the light guide member;
The said optical member has a parallel surface parallel to the said light emission part, and the inclination part which inclines with respect to the said parallel surface, and is arrange | positioned facing the said image extraction part. Light guide.
前記平行面に対して傾斜する第５面と前記平行面に平行な第６面とが交互に配置され、かつ、前記第５面と前記第６面との間に設けられ前記第６面に向かって傾斜する第７面、前記第５面と前記第７面との間に設けられ前記平行面に平行な第８面を有する
請求項８に記載のライトガイド。 The inclined portion of the optical member is
The fifth surface inclined with respect to the parallel surface and the sixth surface parallel to the parallel surface are alternately arranged, and provided between the fifth surface and the sixth surface. The light guide according to claim 8, wherein the light guide has a seventh surface inclined toward the first surface, and an eighth surface provided between the fifth surface and the seventh surface and parallel to the parallel surface.
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１１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 11, which guides and emits image light from the collimating optical system;
As a virtual image display optical system.
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