JP2019012259A - Virtual image display apparatus - Google Patents

Virtual image display apparatus Download PDF

Info

Publication number
JP2019012259A
JP2019012259A JP2018022831A JP2018022831A JP2019012259A JP 2019012259 A JP2019012259 A JP 2019012259A JP 2018022831 A JP2018022831 A JP 2018022831A JP 2018022831 A JP2018022831 A JP 2018022831A JP 2019012259 A JP2019012259 A JP 2019012259A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
incident
optical system
image
light guide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2018022831A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
小松 朗
Akira Komatsu
朗 小松
将行 ▲高▼木
将行 ▲高▼木
Masayuki Takagi
敏明 宮尾
Toshiaki Miyao
敏明 宮尾
武田 高司
Takashi Takeda
高司 武田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to US16/011,816 priority Critical patent/US10409070B2/en
Publication of JP2019012259A publication Critical patent/JP2019012259A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

To provide a virtual image display apparatus that reliably reduces color separation or lateral chromatic aberration while ensuring optical performance, even when provided with refractive surfaces inclined with respect to an optical axis at a plurality of portions.SOLUTION: A virtual image display apparatus 100 comprises: an image projection apparatus 10 that emits video light GL; and a display optical system 2 that forms a virtual image with the video light GL from a liquid crystal device (image forming apparatus) 11. The display optical system 2 is formed of at least two or more members having different refractive indices, and bends the video light GL a plurality of times between media having different refractive indices in a predetermined direction, where a cumulative value of indices for chromatic dispersion with respect to the predetermined direction on refractive surfaces at the bent portions is equal to or less than a predetermined reference value.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイその他の虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a head mounted display and other virtual image display devices that are used by being mounted on a head.

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

例えば、画像表示素子と、画像表示素子からの画像光を観察者の眼又は被投射面に導く中間像を形成する表示光学系とを備える画像表示装置が公知になっている(特許文献1)。この特許文献1の画像表示装置では、画像表示素子と中間像との間に複数の光学素子を接合した接合光学素子が配置され、これら複数の光学素子として、互いに分散が異なる材料で形成された少なくとも2つの光学素子を含むことで、色収差を補正することが行われている。   For example, an image display device including an image display element and a display optical system that forms an intermediate image that guides image light from the image display element to an observer's eye or a projection surface is known (Patent Document 1). . In the image display device of Patent Document 1, a bonded optical element in which a plurality of optical elements are bonded is disposed between the image display element and the intermediate image, and the plurality of optical elements are formed of materials having different dispersions. Correction of chromatic aberration is performed by including at least two optical elements.

しかしながら、特許文献1に記載の光学系は、中間像の前段に接合光学素子を配置するだけであり、屈折面の傾斜角が適切ではなく、色収差の補正は十分とはいえない。すなわち、例えば使用者の頭部に沿って光学系を配置するため、光学系内に光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設ける必要がある場合、このように傾斜した各面で各媒体の波長分散に応じた光線の屈折角分散が生じ、結果として横色収差が生じる。傾斜した複数の屈折面による複合的な色収差は、補正の条件が不明確であり、試行錯誤しながら収差補正を行っていた。この場合、屈折面の傾斜角を適切に設定しないと、横色収差の補正が十分に行われず、所期の光学性能を達成することができない。   However, the optical system described in Patent Document 1 only has a cemented optical element disposed in front of the intermediate image, the inclination angle of the refractive surface is not appropriate, and correction of chromatic aberration is not sufficient. That is, for example, in order to arrange an optical system along the user's head, if it is necessary to provide a plurality of refractive surfaces inclined with respect to the optical axis in the optical system, Refractive angle dispersion of the light according to the wavelength dispersion of the medium occurs, resulting in lateral chromatic aberration. Correction conditions for complex chromatic aberration due to a plurality of inclined refracting surfaces are unclear, and aberration correction was performed through trial and error. In this case, unless the inclination angle of the refracting surface is set appropriately, the lateral chromatic aberration is not sufficiently corrected, and the desired optical performance cannot be achieved.

特開2007−11168号公報JP 2007-11168 A

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設ける場合であっても、光学性能を確保しつつ横色収差を確実に低減した虚像表示装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described background art, and is a virtual image in which lateral chromatic aberration is reliably reduced while ensuring optical performance even when a plurality of refracting surfaces inclined with respect to the optical axis are provided. An object is to provide a display device.

上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、映像光を射出する画像形成装置と、画像形成装置からの映像光によって虚像を形成する表示光学系とを備え、映像光を観察者の眼と想定される位置に入射させる、虚像表示装置であって、表示光学系は、所定の平面に対して面対称な形状を成しており、画像形成装置の任意の点から発し、表示光学系を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光線と表示光学系のk番目の光学機能面とについて、映像光線と該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線を表示光学系の対称面に投射した線と入射光線を対称面に投射した線とが成す角をαとし、光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmとし、回折格子のピッチをpとして、下記の式(1)

Figure 2019012259
ただし、
Figure 2019012259
に基づいて、A=0から始めて色分散指標Aの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標Aが絶対値で1.0未満である。ここで、光学機能面とは、光学面や回折面を意味する。 In order to achieve the above object, a virtual image display apparatus according to the present invention includes an image forming apparatus that emits image light, and a display optical system that forms a virtual image by image light from the image forming apparatus, and the image light is viewed by an observer. The display optical system is incident on a position assumed to be an eye of the image, and the display optical system has a shape that is plane-symmetric with respect to a predetermined plane, and is emitted from an arbitrary point of the image forming apparatus for display. With respect to an image light beam that reaches the center of the observer's eye via the optical system, the image light beam and the optical function surface at the point where the optical function surface intersects the kth optical function surface of the display optical system. Α k is the angle formed by the line that projects the normal of the functional surface onto the symmetry plane of the display optical system and the line that projects the incident light beam onto the symmetry plane, and the line and exit that project the normal of the optical functional surface onto the symmetry plane the angle formed by the line which projects a light beam to the plane of symmetry beta k, the incident side medium The refractive index and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index dispersion of the exit side medium and V k, on the incident side Assuming that the chromatic dispersion index is A k−1 , the emission side chromatic dispersion index is A k , the target wavelength is λ in μm, the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is p k , the following formula ( 1)
Figure 2019012259
However,
Figure 2019012259
When the value of the color dispersion index A k is sequentially calculated starting from A 0 = 0, the final surface number K is assumed to be K, and the final surface color dispersion index AK is an absolute value of less than 1.0. is there. Here, the optical functional surface means an optical surface or a diffractive surface.

上記虚像表示装置によれば、対称面への投射によって得られる色分散指標値Aの絶対値が所定の基準値以下であるので、対称面に対応する方向に関して、光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設けたり、回折面素子を複数箇所に設けたりする場合であっても、光学性能を確保しつつ色分散又は色分離を総計的に扱って色分散を全結像系として確実に低減することができる。 According to the virtual image display device, the absolute value of the chromatic dispersion index value A k obtained by projection onto the plane of symmetry is equal to or less than the predetermined reference value, in the direction corresponding to the symmetry plane, inclined with respect to the optical axis Even when refracting surfaces are provided at multiple locations or diffractive surface elements are provided at multiple locations, chromatic dispersion or color separation is handled as a total imaging system while ensuring optical performance. It can be surely reduced.

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、F線の波長をλとし、C線の波長をλとし、各媒体において、F線の屈折率をnとし、C線の屈折率をnとして、屈折率分散Vは、

Figure 2019012259
で近似的に与えられる。 In a specific aspect of the present invention, in the virtual image display device, the wavelength of the F line is λ F , the wavelength of the C line is λ C , the refractive index of the F line is n F in each medium, Assuming that the refractive index is n C , the refractive index dispersion V k is
Figure 2019012259
Is given approximately.

本発明のさらに別の側面では、画像形成装置の中心から発し、表示光学系を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光線と表示光学系のk番目の光学機能面とについて、映像光線と該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線と入射光線とが成す角をαとし、光学機能面の法線と射出光線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmとし、回折格子のピッチをpとして、下記の式(1)

Figure 2019012259
に基づいて、A=0から始めて色分散指標Aの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標Aの絶対値が、0.3未満である。この場合、対称面を前提としない色分散指標値Aの絶対値が0.3未満であるので、光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設けたり、回折面素子を複数箇所に設けたりする場合であっても、光学性能を確保しつつ色分散又は色分離を総計的に扱って色分散を全結像系として確実に低減することができる。 In still another aspect of the present invention, the image light beam and the k-th optical functional surface of the display optical system with respect to the image light beam that originates from the center of the image forming apparatus and reaches the center of the observer's eye via the display optical system. The angle formed by the normal of the optical functional surface and the incident light at the point where the image light and the optical functional surface intersect is α k, and the angle formed by the normal of the optical functional surface and the emitted light is β and k, the index of refraction of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, and the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index of the exit side medium dispersion Is V k , the incident side chromatic dispersion index is A k−1 , the emission side chromatic dispersion index is A k , the target wavelength is λ in μm, the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is As pk , the following formula (1)
Figure 2019012259
Based on, when sequentially calculate the value of the color distribution indicator A k starting from A 0 = 0, as the number of the final surface is K, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface is less than 0.3 It is. In this case, since the absolute value of the chromatic dispersion index value A k that does not assume a plane of symmetry is less than 0.3, or provided with a refracting surface inclined with respect to the optical axis at a plurality of locations, the diffractive surface elements at a plurality of locations Even if it is provided, it is possible to reliably reduce chromatic dispersion as an entire imaging system by comprehensively handling chromatic dispersion or color separation while ensuring optical performance.

本発明のさらに別の側面では、表示光学系の光学機能面として値αkがゼロではない屈折面を3つ以上有する。この場合、非平行な屈折面を比較的多用するタイプの光学系で横色収差の発生を抑制することができる。 In still another aspect of the present invention, the display optical system has three or more refractive surfaces whose value α k is not zero as the optical functional surface. In this case, the occurrence of lateral chromatic aberration can be suppressed with an optical system that uses a relatively large number of non-parallel refractive surfaces.

本発明のさらに別の側面では、表示光学系の光学機能面として少なくとも1つの非軸対称自由曲面を有する。   In still another aspect of the present invention, the display optical system has at least one non-axisymmetric free-form surface as an optical functional surface.

本発明のさらに別の側面では、表示光学系の光学機能面として回折面を有する。   In still another aspect of the present invention, the display optical system has a diffractive surface as an optical functional surface.

第1実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 1st Embodiment. 図1Aの導光装置の裏面図である。It is a back view of the light guide device of FIG. 1A. 導光体における光路の状態を説明する拡大断面図である。It is an expanded sectional view explaining the state of the optical path in a light guide. 導光装置の入射側における映像光の光路を光軸断面で説明する図である。It is a figure explaining the optical path of the image light in the incident side of a light guide device in an optical axis cross section. 反射ユニットの中央部におけるミラーの配置等を光軸断面で説明する部分拡大図である。It is the elements on larger scale explaining the arrangement | positioning etc. of the mirror in the center part of a reflection unit in an optical axis cross section. 反射ユニットの一作製例を説明する図である。It is a figure explaining the example of 1 production of a reflection unit. 実施例1の光学系を説明する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating an optical system of Example 1. FIG. 図6Aに示す光学面のローカル座標を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the local coordinate of the optical surface shown to FIG. 6A. 映像光の光路の射出側における変形例を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the modification in the emission side of the optical path of image light. 映像光の光路の射出側における別の変形例を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining another modification in the emission side of the optical path of image light. 第2実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 4th Embodiment. 図11に示す虚像表示装置の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the virtual image display apparatus shown in FIG. 図11に示す虚像表示装置の別の変形例を示す図である。It is a figure which shows another modification of the virtual image display apparatus shown in FIG.

〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating the light guide device according to the first embodiment of the present invention will be described.

〔1A.導光装置及び虚像表示装置の構造〕
図1A及び1Bを参照して、第1実施形態の導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像投影装置10と、導光装置20とを一組として備える。なお、図1Aは、図1Bに示す導光装置20のA−A断面に対応する。また、図中のx、y、及びzは、直交する3つの座標軸の方向を表している。
[1A. Structure of light guide device and virtual image display device]
With reference to FIG. 1A and 1B, the virtual image display apparatus incorporating the light guide device of 1st Embodiment is demonstrated. The virtual image display device 100 is applied to a head mounted display, and includes an image projection device 10 and a light guide device 20 as a set. 1A corresponds to the AA cross section of the light guide device 20 shown in FIG. 1B. Further, x, y, and z in the figure represent directions of three orthogonal coordinate axes.

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

画像投影装置10は、画像形成装置である液晶デバイス11と、光結合用の投射光学系12とを備える。液晶デバイス(画像形成装置)11は、光源14からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき映像光GLを形成する。投射光学系12は、後述する導光装置20とともに表示光学系2を構成する。表示光学系2は、光軸AXを含む横断面(xz断面)に対して面対称な光学系である。投射光学系12は、例えば縦のy方向に関して液晶デバイス11上の各点から射出された映像光GLを略平行光線にするコリメートレンズとして機能するとともに、眼の並ぶ方向を含み非対称性が現れる横のxz断面に関して導光装置20の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。投射光学系12は、縦のy方向に関しても導光装置20の一部と協働してコリメートレンズとして機能するものであってもよい。なお、投射光学系12は、ガラス又はプラスチックで形成され、1枚に限らず複数枚の構成とすることができる。投射光学系12は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等を含むものとすることができる。   The image projection apparatus 10 includes a liquid crystal device 11 that is an image forming apparatus, and a projection optical system 12 for optical coupling. The liquid crystal device (image forming apparatus) 11 spatially modulates illumination light from the light source 14 to form video light GL to be a moving image or other display target. The projection optical system 12 constitutes the display optical system 2 together with a light guide device 20 described later. The display optical system 2 is an optical system that is plane-symmetric with respect to a transverse section (xz section) including the optical axis AX. The projection optical system 12 functions as, for example, a collimating lens that changes the image light GL emitted from each point on the liquid crystal device 11 in the vertical y direction to a substantially parallel ray, and also includes a horizontal direction in which the asymmetry including the direction in which the eyes are lined up appears. It functions as a collimating lens in cooperation with a part of the light guide device 20 with respect to the xz section. The projection optical system 12 may function as a collimating lens in cooperation with a part of the light guide device 20 in the vertical y direction. Note that the projection optical system 12 is formed of glass or plastic, and is not limited to one, but may have a plurality of configurations. The projection optical system 12 is not limited to a spherical lens, and may include an aspheric lens, a free-form surface lens including an axisymmetric curved surface, and the like.

図2により拡大して示すように、投射光学系12とともに表示光学系2を構成する導光装置20は、画像投影装置10からの映像光GLを虚像光として観察者の眼EYに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光OLを実質的にそのまま透過させる。導光装置20は、映像光を取り込む入射部21と、導光用の平行導光体22と、映像光を取り出すための射出部23とを備える。本実施形態の場合、入射部21は、観察者の耳側に配置され、射出部23は、観察者の鼻側に配置される。平行導光体22と入射部21の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品又は一部材である。なお、平行導光体22は、観察者の眼EYを基準とする光軸AXに対して傾けて配置されており、その法線方向Zは、光軸AXに対して角σだけ傾いている。この場合、平行導光体22を顔の曲線に沿って配置できるが、平行導光体22の法線は、光軸AXに対して傾きを有するものとなる。このように、平行導光体22の法線を光軸AXに平行なz方向に対して角度σだけ傾ける場合、反射ユニット30から射出させる光軸AX上及びその近傍の映像光GL0は、光射出面OSの法線に対して角度σを成すものとなる。   As shown in an enlarged view in FIG. 2, the light guide device 20 that constitutes the display optical system 2 together with the projection optical system 12 emits the image light GL from the image projection device 10 toward the observer's eye EY as virtual image light. At the same time, the external light OL corresponding to the external image is substantially transmitted as it is. The light guide device 20 includes an incident portion 21 that captures image light, a parallel light guide 22 for guiding light, and an emission portion 23 that extracts image light. In the case of this embodiment, the incident part 21 is arrange | positioned at an observer's ear | edge side, and the injection | emission part 23 is arrange | positioned at an observer's nose side. The parallel light guide 22 and the main body of the incident portion 21 are an integral product or a single member molded from a resin material having high light transmittance. The parallel light guide 22 is disposed to be inclined with respect to the optical axis AX with respect to the eye EY of the observer, and the normal direction Z is inclined by an angle σ with respect to the optical axis AX. . In this case, the parallel light guide 22 can be arranged along the face curve, but the normal line of the parallel light guide 22 has an inclination with respect to the optical axis AX. As described above, when the normal line of the parallel light guide 22 is inclined by the angle σ with respect to the z direction parallel to the optical axis AX, the video light GL0 on and near the optical axis AX emitted from the reflection unit 30 is light The angle σ is formed with respect to the normal line of the exit surface OS.

入射部21は、画像投影装置10からの映像光GLを取り込む光入射面ISと、取り込んだ映像光GLを反射して平行導光体22内に導く反射面RSとを有する。光入射面ISは、投射光学系12側に凹の曲面21bで形成されており、この曲面21bは、反射面RSで反射された映像光GLを内面側で全反射する機能も有する。反射面RSは、投射光学系12側に凹の曲面21aで形成されている。反射面RSは、曲面21a上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面ISから入射した映像光GLを反射し光路を所定方向に折り曲げ、曲面21bは、反射面RSで反射された映像光GLを内側で全反射し光路を所定方向に折り曲げる。つまり、入射部21は、光入射面ISから入射した映像光GLを2回の反射によって折り曲げることで、映像光GLを平行導光体22内に確実に結合させる。なお、曲面21bや曲面21aは、非軸対称自由曲面であるが、これに限らず、軸対称自由曲面、球面、非球面等とすることができる。また、曲面21b,21aが縦のy方向に屈折力を有するものである場合、投射光学系12によるコリメート機能を補助することができる。   The incident unit 21 includes a light incident surface IS that captures the video light GL from the image projection device 10 and a reflective surface RS that reflects the captured video light GL and guides it into the parallel light guide 22. The light incident surface IS is formed as a concave curved surface 21b on the projection optical system 12 side, and the curved surface 21b also has a function of totally reflecting the image light GL reflected by the reflecting surface RS on the inner surface side. The reflection surface RS is formed of a concave curved surface 21a on the projection optical system 12 side. The reflective surface RS is formed by performing film deposition such as aluminum vapor deposition on the curved surface 21a, reflects the video light GL incident from the light incident surface IS, bends the optical path in a predetermined direction, and the curved surface 21b is formed by the reflective surface RS. The reflected image light GL is totally reflected on the inner side, and the optical path is bent in a predetermined direction. That is, the incident part 21 reliably couples the video light GL into the parallel light guide 22 by bending the video light GL incident from the light incident surface IS by two reflections. The curved surface 21b and the curved surface 21a are non-axisymmetric free-form surfaces, but are not limited thereto, and may be axi-symmetric free-form surfaces, spherical surfaces, aspheric surfaces, and the like. Moreover, when the curved surfaces 21b and 21a have refractive power in the vertical y direction, the collimating function by the projection optical system 12 can be assisted.

平行導光体22は、y軸に平行でx軸又はz軸に対して傾斜した平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体(導光体)22は、平行に延びる一対の面である2つの対向する平面22a,22bを有する。両平面22a,22bは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、+z側又はZ側の一方の平面22aは、入射部21からの映像光を全反射させる全反射面として機能し、映像光を少ない損失で射出部23に導く役割を有する。裏側の平面22bの延長平面は、平行導光体22と射出部23との境界面IFとなっている。平行導光体22において、入射部21の反射面RSや光入射面ISの内側で反射された映像光GLは、全反射面である平面22aに入射し、ここで全反射され、導光装置20の奥側すなわち射出部23を設けた+x側又は+X側に導かれる。つまり、平行導光体22において、X軸方向は映像光GLの導光方向となっている。なお、平行導光体22は、導光装置20の外形のうち+x側又は+X側の端面を画成する側面として終端面ESを有する。また、平行導光体22は、±y側の端面を画成する上面及び底面として上端面TPと下端面BPとをそれぞれ有している。   The parallel light guide 22 is a flat plate portion that is parallel to the y axis and inclined with respect to the x axis or the z axis, and is also referred to as a light guide. The parallel light guide (light guide) 22 has two opposing flat surfaces 22a and 22b which are a pair of surfaces extending in parallel. Since both the planes 22a and 22b are parallel planes, no enlargement or focus shift occurs with respect to the external image. Further, the one flat surface 22a on the + z side or the Z side functions as a total reflection surface that totally reflects the image light from the incident portion 21, and has a role of guiding the image light to the emission portion 23 with a small loss. An extension plane of the back side plane 22 b is a boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting portion 23. In the parallel light guide 22, the image light GL reflected on the inner side of the reflection surface RS or the light incident surface IS of the incident portion 21 is incident on the plane 22 a which is a total reflection surface, and is totally reflected here, and is guided by the light guide device. It is led to the rear side of 20, that is, the + x side or the + X side where the injection portion 23 is provided. That is, in the parallel light guide 22, the X-axis direction is the light guide direction of the video light GL. The parallel light guide 22 has a termination surface ES as a side surface that defines an end surface on the + x side or the + X side of the outer shape of the light guide device 20. Further, the parallel light guide 22 has an upper end surface TP and a lower end surface BP as upper and lower surfaces that define an end surface on the ± y side.

射出部23は、平行導光体22の奥側(+X側)において、裏側の平面22bに沿ってその延長上に層状に形成され、或いは境界面IFに沿うように層状に形成された部材である。射出部23は、平行導光体22の外界側の平面(全反射面)22aにおいて所定面領域FRで全反射された映像光GLを通過させる際に、入射した映像光GLを所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。ここでは、これまで射出部23を透過することなく最初にこの射出部23に入射する映像光GLが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部23において光射出面OSの内面や境界面IFで反射される光があっても、これは映像光として利用されない。射出部23は、透過性を有する複数のミラー等を配列してなる反射ユニット30を有するが、その詳しい構造については、図4等を参照して後に詳述する。   The emitting portion 23 is a member formed in a layered shape on the extension side along the back plane 22b on the back side (+ X side) of the parallel light guide 22 or in a layered shape along the boundary surface IF. is there. The emission unit 23 reflects the incident video light GL at a predetermined angle when passing the video light GL totally reflected by the predetermined surface region FR on the external surface side (total reflection surface) 22a of the parallel light guide 22. And bent to the light exit surface OS side. Here, the video light GL that first enters the emission unit 23 without passing through the emission unit 23 is the extraction target as virtual image light. That is, even if there is light reflected by the inner surface of the light exit surface OS or the boundary surface IF in the light emitting portion 23, this is not used as image light. The emission unit 23 includes a reflection unit 30 in which a plurality of transmissive mirrors and the like are arranged. A detailed structure thereof will be described in detail later with reference to FIG.

導光装置20が以上のような構造を有することから、画像投影装置10から射出され光入射面ISから導光装置20に入射した映像光GLは、入射部21で複数回の反射によって折り曲げられ、平行導光体22の平面22aの所定面領域FRにおいて全反射されて光軸AXに略沿って進む。+z側又は+Z側の平面22aの所定面領域FRで反射された映像光GLは、射出部23に入射する。この際、XY面内において、所定面領域FRの長手方向の幅は、射出部23の長手方向の幅よりも狭くなっている。より具体的には、映像光GLの光線束は、光軸AXを含むXZ断面において、所定面領域FR近辺、つまり直進光路P1,P2の境界付近で両直進光路P1,P2に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。結果的に、映像光GLの光線束が射出部23(又は反射ユニット30)に入射する入射幅は、映像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅よりも広い。このように、映像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面IFや光射出面OSを導光に利用しないで、所定面領域FRからの映像光GLを射出部23又は反射ユニット30に直接的に入射させることが容易になる。また、映像光GLの光線束を射出部23の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。射出部23に入射した映像光GLは、射出部23又は反射ユニット30において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから射出される。光射出面OSから射出された映像光GLは、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像としての映像光GLを認識することができる。ここで、像形成に用いられる映像光GLが射出部23に入射する角度は、光源側の入射部21から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部23の奥側には、外界側の平面22aに垂直なZ方向又は光軸AXに対して傾きの大きな映像光GLが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部23の前側には、Z方向又は光軸AXに対して傾きの小さな映像光GLが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。   Since the light guide device 20 has the above-described structure, the video light GL emitted from the image projection device 10 and incident on the light guide device 20 from the light incident surface IS is bent by the incident portion 21 by a plurality of reflections. The light is totally reflected in the predetermined surface region FR of the flat surface 22a of the parallel light guide 22 and travels substantially along the optical axis AX. The video light GL reflected by the predetermined surface region FR of the flat surface 22a on the + z side or the + Z side is incident on the emission unit 23. At this time, the width in the longitudinal direction of the predetermined surface region FR is narrower than the width in the longitudinal direction of the injection portion 23 in the XY plane. More specifically, the light beam bundle of the image light GL is positioned in the XZ cross section including the optical axis AX in the vicinity of the predetermined plane region FR, that is, in the vicinity of the boundary between the straight light paths P1 and P2 and straddling both straight light paths P1 and P2. As a whole, the width is narrowed and the beam width is narrowed. As a result, the incident width at which the light beam of the image light GL is incident on the emission unit 23 (or the reflection unit 30) is wider than the incident width at which the light beam of the image light GL is incident on the predetermined surface region FR. In this way, by relatively narrowing the incident width at which the light bundle of the image light GL enters the predetermined surface region FR, interference of the optical path is less likely to occur, and the boundary surface IF and the light exit surface OS are used for light guide. Instead, it becomes easy to make the image light GL from the predetermined surface area FR directly incident on the emission unit 23 or the reflection unit 30. Further, the light beam of the image light GL is narrowed in front of the emission unit 23, and it becomes easy to make the viewing angle in the horizontal direction relatively wide. The image light GL incident on the emission part 23 is in a state where it can be taken out by being bent at an appropriate angle in the emission part 23 or the reflection unit 30, and finally emitted from the light emission surface OS. The image light GL emitted from the light exit surface OS enters the observer's eye EY as virtual image light. The virtual image light forms an image on the retina of the observer, so that the observer can recognize the video light GL as a virtual image. Here, the angle at which the video light GL used for image formation is incident on the emitting portion 23 increases as the distance from the incident portion 21 on the light source side increases. That is, video light GL having a large inclination with respect to the Z direction or the optical axis AX perpendicular to the external plane 22a is incident on the back side of the emission unit 23 and is bent at a relatively large angle. On the front side, image light GL having a small inclination with respect to the Z direction or the optical axis AX is incident and bent at a relatively small angle.

〔1B.映像光の光路〕
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図2に示すように、液晶デバイス(画像形成装置)11の画像面に対応する射出面11a上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面11aの中央から射出される成分を映像光GL0とし、図中一点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面左側(+z寄りの−x側)から射出される成分を映像光GL1とし、図中二点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面右側(−z寄りの+x側)から射出される成分を映像光GL2とする。これらのうち映像光GL0の光路を光軸AXと定義する。上記映像光の画像形成装置11上の射出点が、光学系の対称面内にある場合、映像光GL1、GL2及びGL0は、対称面内含まれる。
[1B. (Optical path of image light)
Hereinafter, the optical path of the image light will be described in detail. As shown in FIG. 2, out of image light respectively emitted from the emission surface 11 a corresponding to the image surface of the liquid crystal device (image forming apparatus) 11, the component emitted from the center of the emission surface 11 a indicated by the broken line is imaged. A component emitted from the left side of the paper surface (−x side closer to + z) of the periphery of the emission surface 11a indicated by the alternate long and short dash line in the drawing as image light GL1, and the periphery of the emission surface 11a indicated by the two-dot chain line in the drawing. A component emitted from the right side of the drawing (+ x side closer to −z) is defined as video light GL2. Among these, the optical path of the image light GL0 is defined as an optical axis AX. When the emission point of the image light on the image forming apparatus 11 is in the symmetry plane of the optical system, the image lights GL1, GL2, and GL0 are included in the symmetry plane.

液晶デバイス(画像形成装置)11の射出面11aからの各映像光GL0,GL1,GL2の主要成分は、投射光学系12を経た後、導光装置20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、入射部21を経て平行導光体22内を通過して射出部23に至る。   The main components of the video lights GL0, GL1, and GL2 from the exit surface 11a of the liquid crystal device (image forming apparatus) 11 are incident on the light incident surface IS of the light guide device 20 after passing through the projection optical system 12, respectively. It passes through the parallel light guide 22 through the incident part 21 and reaches the emission part 23.

具体的には、例えば光軸AXを含む対称面内又はxz面内において、映像光GL0,GL1,GL2のうち、射出面11aの中央部分から射出された映像光GL0は、投射光学系12のレンズ面12a,12bを略直進する。映像光GL0が屈折率が異なる媒体間に存在するレンズ面12a,12bに対して略垂直に入射する場合、映像光GL0は、ほとんど屈曲されない。レンズ面12a,12bを経た映像光GL0は、導光装置20の入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、標準反射角ψ0で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部23の中央の部分23kに直接的に入射する。映像光GL0は、部分23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSを含むXY面に対して傾いた光軸AX方向(Z方向に対して角σの方向)に平行光束として射出される。   Specifically, for example, in the symmetry plane including the optical axis AX or the xz plane, the image light GL0 emitted from the central portion of the emission surface 11a out of the image lights GL0, GL1, and GL2 is transmitted from the projection optical system 12. The lens surfaces 12a and 12b travel substantially straight. When the image light GL0 is incident substantially perpendicular to the lens surfaces 12a and 12b existing between the media having different refractive indexes, the image light GL0 is hardly bent. The video light GL0 that has passed through the lens surfaces 12a and 12b is bent at the incident portion 21 of the light guide device 20 and coupled into the parallel light guide 22, and then the predetermined surface area FR of one plane 22a at the standard reflection angle ψ0. And is totally reflected, hardly passes through the interface IF between the parallel light guide 22 and the exit portion 23 (or the reflection unit 30), passes through it, and directly enters the central portion 23k of the exit portion 23. Incident. The image light GL0 is reflected at a predetermined angle at the portion 23k, and is in the optical axis AX direction (the direction of the angle σ with respect to the Z direction) inclined from the light exit surface OS to the XY plane including the light exit surface OS. It is emitted as a parallel beam.

一方、光軸AXを含むxz面内において、射出面11aの一端側(−x側)から射出された映像光GL1は、投射光学系12のレンズ面12a,12bで光線の状態又は向きが調整される。レンズ面12a,12bを経た映像光GL1は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、最大反射角ψ1で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部23のうち奥側(+X側)の部分23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角(光軸AXを基準とした場合の角γ1に対応)は、入射部21側に戻される程度が相対的に大きくなっている。   On the other hand, in the xz plane including the optical axis AX, the image light GL1 emitted from one end side (−x side) of the emission surface 11a is adjusted in the state or direction of the light beam by the lens surfaces 12a and 12b of the projection optical system 12. Is done. The image light GL1 that has passed through the lens surfaces 12a and 12b is bent by the incident portion 21 and coupled into the parallel light guide 22, and then enters the predetermined surface region FR of one plane 22a at the maximum reflection angle ψ1. It is reflected and hardly reflected by the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emission part 23 (or the reflection unit 30), and passes through this. A predetermined portion of the emission part 23 on the back side (+ X side) 23h The light is reflected at an angle and emitted from the light exit surface OS as a parallel light beam in a predetermined angle direction. The exit angle at this time (corresponding to the angle γ1 when the optical axis AX is used as a reference) is relatively large to be returned to the incident portion 21 side.

また、射出面11aの他端側(+x側)から射出された映像光GL2は、投射光学系12のレンズ面12a,12bで光線の状態又は向きが調整される。レンズ面12a,12bを経た映像光GL1は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、最小反射角ψ2で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部23のうち入口側(−X側)の部分23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角(光軸AXを基準とした場合の角γ2に対応)は、入射部21側に戻される程度が相対的に小さくなっている。   The image light GL2 emitted from the other end side (+ x side) of the emission surface 11a is adjusted by the lens surfaces 12a and 12b of the projection optical system 12 in the state or direction of light rays. The image light GL1 that has passed through the lens surfaces 12a and 12b is bent by the incident portion 21 and coupled into the parallel light guide 22, and then enters the predetermined surface region FR of one plane 22a with the minimum reflection angle ψ2. Reflected and hardly reflected by the boundary surface IF between the parallel light guide 22 and the emitting part 23 (or the reflecting unit 30), and passes through this, and a predetermined portion 23m of the emitting part 23 on the entrance side (−X side) is predetermined. And is emitted from the light exit surface OS as a parallel light beam in a predetermined angle direction. The exit angle at this time (corresponding to the angle γ2 with the optical axis AX as a reference) is relatively small to the extent that it is returned to the incident portion 21 side.

つまり、様々な画角の映像光GL0,GL1,GL2は、観察者の眼EYを想定したアイポイントEPの中心EPaに集まる。アイポイントEPは、導光装置20に設定された射出瞳の位置を意味し、ここに眼EYを置けば明るい欠けの無い画像が得られる。なお、映像光GL0,GL1,GL2は、映像光GLの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光GLを構成する光線成分についても映像光GL0等と同様に導かれ光射出面OSから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。   That is, the image lights GL0, GL1, and GL2 having various angles of view gather at the center EPa of the eye point EP assuming the observer's eye EY. The eye point EP means the position of the exit pupil set in the light guide device 20, and if the eye EY is placed here, a bright and clear image can be obtained. Note that the video lights GL0, GL1, and GL2 have been described on behalf of part of the entire light beam of the video light GL, but the light beam components that make up the other video light GL are similar to the video light GL0 and the like. Since these are guided and emitted from the light exit surface OS, illustration and description thereof are omitted.

映像光GL0,GL1,GL2が屈折率が異なる媒体間に存在するレンズ面12a,12bに対して傾斜して入射する場合、映像光GL0,GL1,GL2は、光入射面ISで屈折されて屈曲する。この際の空気と投射光学系12のレンズとの境界を第1番目の光学面又は光学機能面(k=1)として、その前後の屈折率、つまり入射側の媒質の屈折率をn0、射出側の媒質の屈折率をnとし、入射角度(光学面であるレンズ面12a,12bの法線と入射光線である映像光とが成す角)を=α(°)とし、射出角度又は屈折角(光学面であるレンズ面12a,12bの法線と射出光線である映像光とが成す角)をβ(°)とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ=(n/n)×sinα … (1−1)
が成り立っている。また、投射光学系12のレンズと空気との境界を第2番目の光学面又は光学機能面(k=2)として、その前後の屈折率をn及びnとし、入射角度をαとし、射出角度又は屈折角をβとした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ=(n/n)×sinα … (1−2)
が成り立っている。
When the image lights GL0, GL1, and GL2 are incident on the lens surfaces 12a and 12b existing between the media having different refractive indexes, the image lights GL0, GL1, and GL2 are refracted and bent by the light incident surface IS. To do. The boundary between the air and the lens of the projection optical system 12 at this time is the first optical surface or optical function surface (k = 1), and the refractive index before and after that, that is, the refractive index of the medium on the incident side is n 0, The refractive index of the medium on the exit side is n 1 , the incident angle (the angle formed by the normal of the lens surfaces 12a and 12b, which are optical surfaces, and the image light, which is the incident light) is = α 1 (°), and the exit angle Alternatively, when a refraction angle (an angle formed by the normal of the lens surfaces 12a and 12b, which are optical surfaces, and the image light, which is an emitted light) is β 1 (°), the following relationship sin β 1 = ( n 0 / n 1 ) × sin α 1 (1-1)
Is true. Also, the boundary between the lens of the projection optical system 12 and air is the second optical surface or optical function surface (k = 2), the refractive indexes before and after that are n 1 and n 2 , and the incident angle is α 2. When the emission angle or the refraction angle is β 2 , the following relationship sin β 2 = (n 1 / n 2 ) × sin α 2 (1-2) according to Snell's law.
Is true.

図3に拡大して示すように、投射光学系12を経た映像光GL0,GL1,GL2は、屈折率が異なる媒体間に存在する光入射面IS又は曲面21b(つまり接平面TPの法線NL)に対して傾斜して入射する。つまり、光入射面ISは、光軸AXに対して大きく傾斜している。このため、光軸AXに沿って伝搬する映像光GL0,GL1,GL2は、光入射面ISで屈折されて屈曲する。この際の空気と入射部21の樹脂との境界を第3番目の光学面又は光学機能面(k=3)として、その前後の屈折率をn及びnとし、入射角度をαとし、射出角度又は屈折角をβとした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ(n/n)×sinα … (1−3)
が成り立っている。
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the image lights GL0, GL1, and GL2 that have passed through the projection optical system 12 are light incident surfaces IS or curved surfaces 21b (that is, normal lines NL of the tangential plane TP) that exist between media having different refractive indexes. ) With an inclination. That is, the light incident surface IS is greatly inclined with respect to the optical axis AX. For this reason, the image lights GL0, GL1, and GL2 propagating along the optical axis AX are refracted and bent by the light incident surface IS. At this time, the boundary between the air and the resin of the incident portion 21 is the third optical surface or the optical functional surface (k = 3), the refractive indexes before and after that are n 2 and n 3 , and the incident angle is α 3. When the emission angle or the refraction angle is β 3 , the following relationship sin β 3 (n 2 / n 3 ) × sin α 3 (1-3) according to Snell's law.
Is true.

ここで、入射部21及び平行導光体22に用いられる透明樹脂材料の屈折率nの値の一例として、n=1.4とすると、その臨界角ψcの値はψc≒45.6°となる。各映像光GL0,GL1,GL2の反射角ψ0,ψ1,ψ2のうち最小である反射角ψ2を臨界角ψcよりも大きな値とすることで、必要な映像光について平行導光体22内での平面22aにおける全反射条件を満たすものにできる。   Here, as an example of the value of the refractive index n of the transparent resin material used for the incident portion 21 and the parallel light guide 22, assuming that n = 1.4, the value of the critical angle ψc is ψc≈45.6 °. Become. The minimum reflection angle ψ2 of the reflection angles ψ0, ψ1, ψ2 of the respective image lights GL0, GL1, GL2 is set to a value larger than the critical angle ψc, so that necessary image light can be obtained within the parallel light guide 22. The total reflection condition on the plane 22a can be satisfied.

なお、中央向けの映像光GL0は、仰角φ0(=90°−ψ0)で射出部23の部分23kに入射し、周辺向け映像光GL1は、仰角φ1(=90°−ψ1)で射出部23の部分23hに入射し、周辺向け映像光GL2は、仰角φ2(=90°−ψ2)で射出部23の部分23mに入射する。ここで、仰角φ0,φ1,φ2間には、反射角ψ0,ψ1,ψ2の大小関係を反映してφ2>φ0>φ1の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット30のミラー31への入射角ι(後述する図4参照)は、仰角φ2に対応する部分23m、仰角φ0に対応する部分23k、仰角φ1に対応する部分23hの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ミラー31への入射角ι又はかかるミラー31での反射角は、入射部21から離れるに従って小さくなる。映像光GL0,GL1,GL2のミラー31への入射角ιは、ミラー31の通過回数を少なく調整可能にする観点で40°以上とする。これにより、入射部21側からの映像光GLが反射ユニット30に入射して最初のミラー31に入射した段階又は隣のミラー31に入射した段階で、ミラー31によって映像光GLが反射され眼EY側に取り出される構成をとりやすくなる。   The image light GL0 for the center is incident on the portion 23k of the emission part 23 at an elevation angle φ0 (= 90 ° −ψ0), and the image light GL1 for the periphery is emitted at an elevation angle φ1 (= 90 ° −ψ1). , The peripheral image light GL2 is incident on the portion 23m of the emitting portion 23 at an elevation angle φ2 (= 90 ° −ψ2). Here, a relationship of φ2> φ0> φ1 is established between the elevation angles φ0, φ1, and φ2, reflecting the magnitude relationship of the reflection angles ψ0, ψ1, and ψ2. That is, the incident angle ι (see FIG. 4 described later) of the reflection unit 30 to the mirror 31 gradually increases in the order of the portion 23m corresponding to the elevation angle φ2, the portion 23k corresponding to the elevation angle φ0, and the portion 23h corresponding to the elevation angle φ1. Get smaller. In other words, the incident angle ι to the mirror 31 or the reflection angle at the mirror 31 decreases as the distance from the incident portion 21 increases. The incident angle ι of the image lights GL0, GL1, and GL2 to the mirror 31 is set to 40 ° or more from the viewpoint of adjusting the number of passes of the mirror 31 to be small. Accordingly, when the image light GL from the incident portion 21 side enters the reflection unit 30 and enters the first mirror 31 or the adjacent mirror 31, the image light GL is reflected by the mirror 31 and the eye EY. It becomes easy to take the structure taken out to the side.

〔1C.射出部の構造及び射出部による光路の折曲げ〕
以下、図2、4等を参照して、射出部23の構造及び射出部23による映像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
[1C. (Structure of the emission part and bending of the optical path by the emission part)
Hereinafter, the structure of the emission part 23 and the bending of the optical path of the image light by the emission part 23 will be described in detail with reference to FIGS.

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

反射ユニット30は、多数のガラス部材又はブロック部材32を接合した構造を有し、ミラー(反射面)31は、隣接する一対のブロック部材(ガラス部材)32間に挟まれた薄膜状のものとなっている。ここで、ブロック部材32の屈折率は、平行導光体22の屈折率と異なっている。このため、この屈折率差を考慮してミラー31を傾斜させる角度δを調整又は修正している。   The reflection unit 30 has a structure in which a large number of glass members or block members 32 are joined, and the mirror (reflection surface) 31 includes a thin film sandwiched between a pair of adjacent block members (glass members) 32. It has become. Here, the refractive index of the block member 32 is different from the refractive index of the parallel light guide 22. For this reason, the angle δ for tilting the mirror 31 is adjusted or corrected in consideration of this refractive index difference.

ミラー31の映像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光OLの観察を容易にする観点で、想定される映像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のミラー31の映像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、映像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。   The reflectance of the mirror 31 with respect to the image light GL is set to be 10% or more and 50% or less in the assumed incident angle range of the image light GL from the viewpoint of facilitating observation of the external light OL by see-through. The reflectance of the mirror 31 of the specific embodiment for the video light GL is set to 20%, for example, and the transmittance for the video light GL is set to 80%, for example.

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

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

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

なお、反射ユニット30のミラー31を通過する非利用光は、外界側の平面22aに再度入射する可能性があるが、ここで全反射された場合、多くは反射ユニット30の奥側の部分23h又はさらに奧側であって有効領域外に入射させることができ、眼EYに入射する可能性が低減される。   Note that the unused light that passes through the mirror 31 of the reflection unit 30 may be incident again on the external surface side plane 22a. However, if it is totally reflected here, most of the reflection light is a portion 23h on the back side of the reflection unit 30. Alternatively, it can be incident on the eyelid side and outside the effective region, and the possibility of entering the eye EY is reduced.

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

複数のミラー31の配列方向又は反射ユニット30が延びるZ方向に関する配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から終端面ESに近い反入射側にかけて、観察者の眼EYを想定して設定されたアイポイントEPの中心EPa(図2参照)から任意の着目点に延びる視線を基準として複数のミラー31が略連続して繋がるように変化している。結果的に、反射ユニット30における複数のミラー31の配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加している。ミラー31の具体的な配列間隔SPは、反射ユニット30内で大小の差があるものの、各部で0.5mm〜2.0mm程度の範囲内となっている。   The arrangement interval SP in the arrangement direction of the plurality of mirrors 31 or the Z direction in which the reflection unit 30 extends is set assuming the observer's eye EY from the incident side close to the incident portion 21 to the counter incident side close to the end surface ES. Further, the plurality of mirrors 31 are changed so as to be connected substantially continuously with reference to the line of sight extending from the center EPa of the eye point EP (see FIG. 2) to an arbitrary point of interest. As a result, the arrangement interval SP of the plurality of mirrors 31 in the reflection unit 30 gradually increases from the incident side close to the incident portion 21 to the non-incident side. The specific arrangement interval SP of the mirrors 31 is within a range of about 0.5 mm to 2.0 mm in each part, although there is a difference in size within the reflection unit 30.

図4を参照して、光軸AXを含むXZ面内において平行導光体22を経た映像光GL0,GL1,GL2は、屈折率が異なる媒体間に存在する境界面IFに対して傾斜して入射する。つまり、境界面IFは、光軸AXに対して大きく傾斜している。このため、光軸AXに沿って伝搬する映像光GL0,GL1,GL2は、境界面IFで屈折されて屈曲する。この際の入射部21の樹脂の媒体とブロック部材32のガラス又は樹脂との境界を第4番目の光学面又は光学機能面(k=4)として、その前後の屈折率をn及びnとし、入射角度をα(°)とし、射出角度又は屈折角をβ(°)とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ=(n/n)×sinα … (1−4)
が成り立っている。
Referring to FIG. 4, video lights GL0, GL1, and GL2 that have passed through parallel light guide 22 in the XZ plane including optical axis AX are inclined with respect to boundary surface IF existing between media having different refractive indexes. Incident. That is, the boundary surface IF is greatly inclined with respect to the optical axis AX. For this reason, the video lights GL0, GL1, and GL2 propagating along the optical axis AX are refracted and bent at the boundary surface IF. At this time, the boundary between the resin medium of the incident portion 21 and the glass or resin of the block member 32 is the fourth optical surface or optical function surface (k = 4), and the refractive indexes before and after that are n 3 and n 4. When the incident angle is α 4 (°) and the emission angle or the refraction angle is β 4 (°), according to Snell's law, the following relationship sin β 4 = (n 3 / n 4 ) × sin α 4 . 1-4)
Is true.

また、境界面IFを経た映像光GL0は、光軸AXを含むXZ面内において光軸AXに沿って伝搬し、ミラー31で反射された後、屈折率が異なる媒体間に存在する光射出面OSに対して傾斜して入射する。つまり、光射出面OSは、光軸AXに対して垂直な面ではなく傾斜している。このため、光軸AXに沿って伝搬する映像光GL0は、光射出面OSで屈折されて屈曲する。この際のブロック部材32のガラス又は樹脂と空気との境界を第5番目の光学面又は光学機能面(k=5)として、その前後の屈折率をn及びnとし、入射角度をαとし、射出角度又は屈折角をβとした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ=(n/n)×sinα … (1−5)
が成り立っている。
The image light GL0 that has passed through the boundary surface IF propagates along the optical axis AX in the XZ plane including the optical axis AX, is reflected by the mirror 31, and then exists between the media having different refractive indexes. Incidently incident on the OS. That is, the light exit surface OS is not a plane perpendicular to the optical axis AX but is inclined. For this reason, the video light GL0 propagating along the optical axis AX is refracted and bent by the light exit surface OS. At this time, the boundary between the glass or resin of the block member 32 and the air is the fifth optical surface or optical function surface (k = 5), the refractive indexes before and after that are n 4 and n 5 , and the incident angle is α 5 and when the emission angle or the refraction angle is β 5 , according to Snell's law, the following relationship sin β 5 = (n 4 / n 5 ) × sin α 5 (1-5)
Is true.

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

導光装置20等の虚像表示装置100の全光学系によって生じる映像光GLの横色収差としての色分散又は色分離について説明する。全体の光学系つまり表示光学系2では、映像光GLを異なる屈折率を有する媒体間で複数回屈折され屈曲する。具体的には、映像光GL0,GL1,GL2は、レンズ面12a,12b、光入射面IS、境界面IF、及び光射出面OSで基本的に屈折され、これらの屈折面(レンズ面12a,12b、光入射面IS、境界面IF、及び光射出面OS)は、光軸AXに対して基本的に傾いた状態又は非垂直状態となっている。また、これらの屈折面12a,12b,IS,IF,OS)は、殆どが光軸AXを基準として互いに非平行である。なお、光軸AXを基準としなければ、2つの屈折面IF,OSは見かけ上平行である。   The color dispersion or color separation as the lateral chromatic aberration of the video light GL generated by the all optical system of the virtual image display device 100 such as the light guide device 20 will be described. In the entire optical system, that is, the display optical system 2, the image light GL is refracted and bent a plurality of times between media having different refractive indexes. Specifically, the image lights GL0, GL1, and GL2 are basically refracted by the lens surfaces 12a and 12b, the light incident surface IS, the boundary surface IF, and the light exit surface OS. 12b, the light incident surface IS, the boundary surface IF, and the light exit surface OS) are basically inclined or non-perpendicular with respect to the optical axis AX. Further, most of these refractive surfaces 12a, 12b, IS, IF, OS) are not parallel to each other with the optical axis AX as a reference. If the optical axis AX is not used as a reference, the two refractive surfaces IF and OS are apparently parallel.

既述のように、投射光学系12のレンズ面12a,12bでの屈折は関係式(1−1)又は(1−2)で表される。また、導光装置20の光入射面ISでの屈折は関係式(1−3)で表され、境界面IFでの屈折は関係式(1−4)で表され、光射出面OSでの屈折は関係式(1−5)で表される。一般化すると、光路に沿った第k番目(kは自然数)の媒体の屈折率(つまり入射側の媒質の屈折率)をnk−1とし、第k+1番目の媒体との屈折率(つまり射出側の媒質の屈折率)をnとして、入射角度(光学面の法線と入射光線である映像光とが成す角)をαとし射出角度(光学面の法線と射出光線である映像光とが成す角)をβとした場合に、以下の関係式(2−1)
k−1×sinα=n×sinβ … (2−1)
が成り立つ。各媒体間の屈折面は、光路又は光軸に対して様々に傾いている。結果的に、一連の屈折面での入射角度や射出角度は、大きく変化する。なお、図2及び3の例では、映像光GL0,GL1,GL2がxz面上又は対称面上にあるとしているが、映像光GLがxz面上又は対称面上にない場合であっても上記関係式(2−1)が成り立つ。
As described above, refraction at the lens surfaces 12a and 12b of the projection optical system 12 is expressed by the relational expression (1-1) or (1-2). Further, the refraction at the light incident surface IS of the light guide device 20 is represented by the relational expression (1-3), the refraction at the boundary surface IF is represented by the relational expression (1-4), and the refraction at the light exit surface OS. Refraction is represented by the relational expression (1-5). In general, the refractive index of the k-th (k is a natural number) medium along the optical path (that is, the refractive index of the medium on the incident side) is nk−1, and the refractive index with respect to the k + 1-th medium (that is, the emission). The refractive index of the medium on the side is nk , the incident angle (the angle between the normal of the optical surface and the image light that is the incident light) is α k, and the emission angle (the image that is the normal of the optical surface and the output light) When the angle formed by light is β k , the following relational expression (2-1)
n k-1 × sin α k = n k × sin β k (2-1)
Holds. The refracting surfaces between the media are variously inclined with respect to the optical path or the optical axis. As a result, the incident angle and exit angle on a series of refractive surfaces vary greatly. 2 and 3, the video lights GL0, GL1, and GL2 are on the xz plane or the symmetry plane. However, even if the video light GL is not on the xz plane or the symmetry plane, Relational expression (2-1) is established.

ここで、光入射面IS、境界面IF、及び光射出面OSの各屈折面では、屈折にともなって横色収差としての色分散又は色分離が生じる。これらの屈折面での色分散指標を逐次計算し、これらの値を積み重ねれば、全光学系として色分散指標(つまり、色分散指標の累積値)を評価できる。   Here, on each refracting surface of the light incident surface IS, the boundary surface IF, and the light exit surface OS, chromatic dispersion or color separation as lateral chromatic aberration occurs with refraction. By sequentially calculating the chromatic dispersion index on these refractive surfaces and accumulating these values, the chromatic dispersion index (that is, the accumulated value of the chromatic dispersion index) can be evaluated as the entire optical system.

上記の関係式(2−1)を波長λで微分すると、
sinα×(dnk−1/dλ)
+nk−1cosα×(dα/dλ)
=sinβ×(dn/dλ)
+ncosβ×(dβ/dλ)
となる。ここで、Vk−1=dnk−1/dλ及びV=dn/dλとし、Ak−1=dα/dλ及びA=dβ/dλとすれば、上式は、

Figure 2019012259
となる。この関係式(2−2)において、値Vk−1及びVは、屈折率の波長依存性を示し、値Ak−1及びAは、色分散指標、つまり色分散又は色分離の程度を示す。なお、初期値としてのA=dθ/dλは零とする。関係式(2−2)は、屈折面を順次辿れば、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標Aの絶対値(この場合、Kは最終面の番号であり、本実施形態では第5番目の面(つまりガラス又は樹脂と空気との境界を示す)までを見積もることができることを意味する。この際、Vk−1=dnk−1/dλ、Vk=dn/dλ等を用いて、一連の媒体間の屈折面を経るごとに、つまり光軸AXに沿った各屈曲箇所において色分散指標A=dβ/dλが逐次算される。値Vは、屈折面の入射側にある媒体の屈折率の波長依存性であり、例えば可視光の波長域をλb〜λr(μm)とし、着目媒体の屈折率域をnb〜nrとして、近似的には値(nb−nr)/(λb〜λr)で表すことができる。具体的には、光学媒体の屈折率特性の規格として汎用されるF線の波長をλ(μm)とし、C線の波長をλ(μm)とし、着目する媒体において、F線の屈折率をnとし、C線の屈折率をnとした場合、値V=dn/dλは、以下の式
Figure 2019012259
を利用して得ることができる。色分散指標Aついては、初期値A(deg/μm)、Vk=dnk/dλ(1/μm)等を利用して媒体を順次辿ることで累積的に決定される。つまり、最終面の番号がKであるとして、A=0から始めて色分散指標Aの値を順次計算したとき、最終面の色分散指標Aの絶対値は、全光学系で見た最終的な色分散の指標値又は累積値を見積もるものであり、所定の基準値以下であることが望ましい。最終的色分散の角度的な大きさは、上記のようにF線やC線を利用する例では、F線及びC線の波長差が約170nm=0.17μmであるとして、
0.17×A〔deg〕
で与えられる。なお、以上では、F線やC線を用いる例を示したが、他の波長を基準とできることは言うまでもない。 When the above relational expression (2-1) is differentiated by the wavelength λ,
sin α k × (dn k−1 / dλ)
+ N k-1 cos α k × (dα k / dλ)
= Sin β k × (dn k / dλ)
+ N k cos β k × (dβ k / dλ)
It becomes. Here, if V k−1 = dn k−1 / dλ and V k = dn k / dλ, and A k−1 = dα k / dλ and A k = dβ k / dλ,
Figure 2019012259
It becomes. In this relational expression (2-2), the values V k-1 and V k indicate the wavelength dependence of the refractive index, and the values A k-1 and A k are chromatic dispersion indices, that is, chromatic dispersion or color separation. Indicates the degree. Note that A 0 = dθ 0 / dλ as an initial value is zero. Equation (2-2), if successively traced the refracting surface, as the number of the final surface is K, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface (in this case, K is the number of the last surface, In the present embodiment, this means that it is possible to estimate up to the fifth surface (that is, the boundary between glass or resin and air), where V k-1 = dn k-1 / dλ, Vk = dn. with k / d [lambda], etc., each time through the refracting surfaces between successive medium, that is, the color distribution indicator a k =k / is sequentially calculated at each bending point along the optical axis AX. value V k Is the wavelength dependency of the refractive index of the medium on the incident side of the refracting surface. For example, the wavelength range of visible light is λb to λr (μm), and the refractive index region of the target medium is approximately nb to nr. Can be expressed by the value (nb−nr) / (λb to λr). The wavelength of F-line, which is commonly used as standards rate characteristics and lambda F ([mu] m), the wavelength of C-line and lambda C ([mu] m), at the focus to the medium, the refractive index of the F-line and n F, the C-line When the refractive index is n C , the value V k = dn k / dλ is given by
Figure 2019012259
Can be obtained using The chromatic dispersion index A k is cumulatively determined by sequentially following the medium using the initial value A 0 (deg / μm), Vk = dnk / dλ (1 / μm), and the like. In other words, as the number of the last surface is K, when sequentially calculate the value of the color distribution indicator A k starting from A 0 = 0, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface, viewed in the entire optical system The final index value or cumulative value of color dispersion is estimated, and it is desirable that it be below a predetermined reference value. As for the angular magnitude of the final chromatic dispersion, in the example using the F line and the C line as described above, the wavelength difference between the F line and the C line is about 170 nm = 0.17 μm.
0.17 × A K [deg]
Given in. In addition, although the example which uses F line and C line was shown above, it cannot be overemphasized that another wavelength can be used as a reference.

最終的な色分散指標Aが0.3の場合、0.17×0.3=0.051(度)=3.06(分)の角度差となる。従って、表示像の鮮明さを確保する観点で、3.06(分)の角度差に抑えたい場合、色分散指標値Aの絶対値を0.3以下とする必要が生じる。 If the final color distribution indicator A K is 0.3, the angle difference of 0.17 × 0.3 = 0.051 (deg) = 3.06 minutes. Accordingly, in view of ensuring the sharpness of the display image, when it is desired to suppress the angular difference 3.06 (min), the absolute value of the chromatic dispersion index value A K needs to be 0.3 or less occurs.

最終的な色分散指標Aの絶対値に対する制限は、主光線(光源の中心から眼EY又はアイポイントEPの中心に至る光線)以外の任意の光線に対しても成立していないと、表示像が鮮明でなくなる。しかし、任意の光線に対して色分散指標Aを簡便に計算することは困難である。色分散指標Aは、光線と面の法線を含む平面内での光線角度の変化を表しているため、各屈折面に於ける光線と法線を含む平面(光線面)どうしが平行な場合は、或る面の射出側のAと、次の面の入射側のAが同じになり、順次計算を進めることができるが、各光線面が平行でない場合には、これが異なり厳密には変換が必要になる。 Limit for the absolute value of the final color distribution indicator A K, if not satisfied even for any ray other than the main light beam (ray reaching the center of the eye EY or eye point EP from the center of the light source), the display The image is not clear. However, it is difficult to easily calculate the chromatic dispersion index A K for any ray. Chromatic dispersion index A K, since they represent a change in the ray angle in the plane containing the normal line of the light beam and the surface, what was the parallel plane (beam plane) including in ray and the normal to the refracting surface If the a K of the exit side of the one surface, the incident side of the a K of the next surface is the same, but can proceed sequentially calculated, in each case beam plane are not parallel, this is different from strict Needs to be converted.

このため、本実施形態では、1つの平面又は対称面(具体的には光軸AXを含む横断面(XZ断面))に対して面対称な光学系を想定し、この平面又は対称面に投射した光線と法線とを考える。各屈折面における入射光線、射出光線及び面の法線を対称面に投射した線の角度に対しスネルの法則が近似的に成り立つ。この場合、最終的な色分散指標Aは、光学系の対称平面内の角度分散を表しているため、ある面の射出側の色分散指標Aと、次の面の入射側の色分散指標Aとが同じになり、順次計算を進めることが容易になる。 Therefore, in the present embodiment, an optical system that is plane-symmetric with respect to one plane or symmetry plane (specifically, a transverse section (XZ section) including the optical axis AX) is assumed, and projection is performed on this plane or symmetry plane. Think about the rays and normals. Snell's law is approximately established with respect to the angle of the incident light, the outgoing light, and the normal of the surface on each refracting surface projected onto the symmetry plane. In this case, the final color distribution indicator A K, since they represent the angular dispersion in the symmetry plane of the optical system, a color distribution indicator A k of the exit side of a surface, the chromatic dispersion of the incident side of the next surface The index Ak becomes the same, and it becomes easy to proceed with the calculation sequentially.

具体的には、映像光GLと表示光学系(つまり表示光学系2)のk番目の光学面又は光学機能面とが交差する点における面の法線を表示光学系の対称面に投射した線と入射光線を対称面に投射した線とが成す角をαとし、光学面又は光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側媒質の色分散指標をAk−1とし、対称面への投射によって得られる射出側の色分散指標をAとし、対象波長をλ(μm)として、下記の式(2−4)

Figure 2019012259
に基づいて、A=0(deg/μm)から始めて色分散指標A(deg/μm)の値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、対称面への投射によって得られる最終面の色分散指標Aが所定の基準値以下であることが望ましいと言える。この場合、スネルの法則は近似的に成り立つのみで、誤差を生じる可能性があるため、対称面への投射によって得られる色分散指標Aの絶対値を1.0以下とすることが望ましい目標となる。 Specifically, a line obtained by projecting the normal of the surface at the point where the image light GL intersects the kth optical surface or the optical functional surface of the display optical system (that is, the display optical system 2) onto the symmetry plane of the display optical system. The angle formed by the line projected on the symmetry plane and the line projected on the symmetry plane is α k, and the angle formed by the line projected on the symmetry plane with the normal of the optical surface or optical function surface and the line projected on the symmetry plane and beta k, the refractive index of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, and the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index of the exit side medium Assuming that the dispersion is V k , the chromatic dispersion index of the incident side medium is A k−1 , the chromatic dispersion index on the emission side obtained by projection onto the symmetry plane is A k , and the target wavelength is λ (μm), Formula (2-4)
Figure 2019012259
When the value of the chromatic dispersion index A k (deg / μm) is calculated sequentially starting from A 0 = 0 (deg / μm), the final surface number is K, and is obtained by projection onto a symmetric surface. Chromatic dispersion index a K of the final surface that is it can be said that it is preferably not more than a predetermined reference value. In this case, Snell's law is only holds an approximation, since it may introduce errors, the target it is desirable to absolute value of chromatic dispersion index A K obtained by projection onto the plane of symmetry of 1.0 or less It becomes.

以下、具体的な光学系を前提とする実施例について説明する。なお、各実施例で使用する記号の意義は以下のとおりである。
STOP :眼に対応する絞り面
PLANE:眼前又は画像面前の平面
IMAGE:画像面
MA :ミラーアレイ
PSi :平面(i=同種面の面番号)
FFSj :自由曲面(j=同種面の面番号)
ASPk :球面又は平面(k=同種面の面番号)
T :軸上面間隔
TLY :特定面の横断面(XZ断面)における光軸の傾斜角度(°)
(TLYについては、特定面の前後で変化する場合がある)
DCX :特定面の横断面(XZ断面)におけるX軸方向の光軸のズレ量
Hereinafter, examples based on a specific optical system will be described. In addition, the meaning of the symbol used in each Example is as follows.
STOP: Diaphragm plane PLANE corresponding to the eye: Plane in front of the eye or in front of the image plane IMAGE: Image plane MA: Mirror array PSi: Plane (i = surface number of the same plane)
FFSj: free-form surface (j = surface number of the same kind of surface)
ASPk: spherical surface or plane (k = surface number of the same kind of surface)
T: Axial surface interval TLY: Inclination angle of optical axis (°) in cross section (XZ cross section) of specific surface
(TLY may change before and after a specific surface)
DCX: Deviation amount of the optical axis in the X-axis direction in the cross section (XZ cross section) of the specific surface

実施例1〜3に共通する具体的光学系の光学面のデータを以下の表1に示す。なお、例えば符号PS1,FFS2は、平行導光体22の平面22a,22bを表し、符号FFS1,FFS2は、入射部21の反射面RSや光入射面ISを表す。符号ASP1〜ASP6は、投射レンズ12のレンズ面を表す。
〔表1〕
No Name T 媒質
1 STOP 20.00 Air
2 PLANE 0.50 BK7
3 MA -0.50 Air
4 PS1 -5.00 COP
5 PS2 14.00
6 FFS1 -7.00 COP
7 FFS2 7.00
8 FFS1 7.00 Air
9 ASP1 12.00 COP
10 ASP2 1.50 Air
11 ASP3 1.00 PC
12 ASP4 2.00 Air
13 ASP5 6.00 COP
14 ASP6 5.60 Air
15 PLANE 1.10 SLICA
16 IMAGE
Table 1 below shows data of optical surfaces of specific optical systems common to Examples 1 to 3. For example, the symbols PS1 and FFS2 represent the planes 22a and 22b of the parallel light guide 22, and the symbols FFS1 and FFS2 represent the reflecting surface RS and the light incident surface IS of the incident portion 21. Reference numerals ASP <b> 1 to ASP <b> 6 represent lens surfaces of the projection lens 12.
[Table 1]
No Name T Medium
1 STOP 20.00 Air
2 PLANE 0.50 BK7
3 MA -0.50 Air
4 PS1 -5.00 COP
5 PS2 14.00
6 FFS1 -7.00 COP
7 FFS2 7.00
8 FFS1 7.00 Air
9 ASP1 12.00 COP
10 ASP2 1.50 Air
11 ASP3 1.00 PC
12 ASP4 2.00 Air
13 ASP5 6.00 COP
14 ASP6 5.60 Air
15 PLANE 1.10 SLICA
16 IMAGE

以上の表1中のAir、BK7、COP、PC、及びSLICAは、媒質名であり、各媒質の媒質データは以下の表2のようなものとなっている。
〔表2〕

Figure 2019012259
表中で、記号Fは、F線屈折率を意味し、記号dは、d線屈折率(nd)を意味し、記号C線屈折率を意味する。また、記号Vは、屈折率分散を意味する。 Air, BK7, COP, PC, and SLICA in Table 1 above are medium names, and the medium data of each medium is as shown in Table 2 below.
[Table 2]
Figure 2019012259
In the table, the symbol F means the F-line refractive index, the symbol d means the d-line refractive index (nd), and the symbol C-line refractive index. The symbol V means refractive index dispersion.

実施例1〜3に共通する具体的光学系を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度(ティルト)TLYと光軸ズレ量(ディセンター)DCXとを以下の表3に示す。
〔表3〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
5 PS2 0.00 11.8 65.08
6 FFS1 -54.00 0.0 -54.00
7 FFS2 36.48 0.0 -36.48
8 FFS1 54.00 7.0 32.38
Table 3 below shows the optical axis tilt angle (tilt) TLY and the optical axis misalignment amount (decenter) DCX in the cross section of the optical surface in the prism constituting the specific optical system common to the first to third embodiments. Shown in
[Table 3]
No Name TLY (front) DCX (back) TLY (back)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
5 PS2 0.00 11.8 65.08
6 FFS1 -54.00 0.0 -54.00
7 FFS2 36.48 0.0 -36.48
8 FFS1 54.00 7.0 32.38

実施例1〜3に共通する具体的光学系を構成する光学面のうち自由曲面について、その多項式展開した係数Akm,nを以下の表3に示す。なお、表4において、記号m,nは、係数Akm,n中の変数又は次数を意味する。ここで、係数Akm,nは、対象とする第k面を表す多項式を構成する各項X・Yの係数を意味する。つまり、第k面は、Z=Σ{Akm,n・(X・Y)}で表される。
〔表4〕
m n FFS1 FFS2
2 0 4.025E-03 6.215E-03
0 2 6.136E-03 6.836E-03
3 0 2.529E-05 6.218E-05
1 2 1.150E-05 2.657E-05
4 0 2.362E-06 3.504E-06
2 2 1.238E-06 2.624E-06
0 4 4.822E-06 4.171E-06
5 0 0.000E+00 5.012E-08
3 2 0.000E+00 -5.990E-08
1 4 0.000E+00 4.723E-08
6 0 0.000E+00 7.769E-09
4 2 0.000E+00 -2.522E-09
2 4 0.000E+00 -6.814E-09
0 6 0.000E+00 -4.870E-09
Table 3 below shows coefficients Akm , n that are polynomial-expanded with respect to a free-form surface among optical surfaces that constitute a specific optical system common to the first to third embodiments. In Table 4, the symbols m and n mean variables or orders in the coefficient Akm , n . Here, the coefficient Ak m, n means a coefficient of each term X m · Y n constituting the polynomial representing the target k-th surface. That is, the k-th surface is represented by Z = Σ {Ak m, n · (X m · Y n )}.
[Table 4]
mn FFS1 FFS2
2 0 4.025E-03 6.215E-03
0 2 6.136E-03 6.836E-03
3 0 2.529E-05 6.218E-05
1 2 1.150E-05 2.657E-05
4 0 2.362E-06 3.504E-06
2 2 1.238E-06 2.624E-06
0 4 4.822E-06 4.171E-06
5 0 0.000E + 00 5.012E-08
3 2 0.000E + 00 -5.990E-08
1 4 0.000E + 00 4.723E-08
6 0 0.000E + 00 7.769E-09
4 2 0.000E + 00 -2.522E-09
2 4 0.000E + 00 -6.814E-09
0 6 0.000E + 00 -4.870E-09

実施例1〜3に共通する具体的光学系を構成する光学面のうち非球面について、その断面形状を多項式展開した係数Bi(i=2,4,6,…)を以下の表5に示す。つまり、非球面は、r=X+Yとして、Z=ΣBi・rで表される。
〔表5〕
ASP1 ASP2 ASP3
B2 4.088E-02 -2.844E-02 -5.546E-02
B4 4.789E-05 7.964E-05 3.746E-04
B6 1.379E-07 7.442E-08 -1.359E-06
B8 6.850E-10 -7.115E-10 2.222E-09

ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.503E-02 6.674E-02 -1.370E-02
B4 -2.053E-04 -3.603E-06 1.003E-03
B6 1.234E-06 -2.773E-06 -1.894E-05
B8 5.199E-08 2.982E-09 1.120E-07
Table 5 below shows coefficients Bi (i = 2, 4, 6,...) Obtained by polynomial expansion of the cross-sectional shape of the aspherical surface among the optical surfaces constituting the specific optical system common to the first to third embodiments. . That is, the aspherical surface as r 2 = X 2 + Y 2 , represented by Z = ΣBi · r i.
[Table 5]
ASP1 ASP2 ASP3
B2 4.088E-02 -2.844E-02 -5.546E-02
B4 4.789E-05 7.964E-05 3.746E-04
B6 1.379E-07 7.442E-08 -1.359E-06
B8 6.850E-10 -7.115E-10 2.222E-09

ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.503E-02 6.674E-02 -1.370E-02
B4 -2.053E-04 -3.603E-06 1.003E-03
B6 1.234E-06 -2.773E-06 -1.894E-05
B8 5.199E-08 2.982E-09 1.120E-07

図6Aは、実施例1の導光装置20及び投射レンズ12の断面図である。投射レンズ12は、3つのレンズL1〜L3からなる。導光装置20は、平行導光体22の一対の平面22a,22bとして、第1及び第2面S1,S2を有する。平面22a又は第1面S1は、光射出面OSに相当する。導光装置20は、入射部21において、自由曲面であり断面において比較的弱い負の屈折力を有する第3面S3と、自由曲面であり断面において比較的弱い正の屈折力を有する第4面S4と、第3面S3と共通する透過面である第5面S5とを有する。ここで、第5面S5は、光入射面ISに相当する。本実施例のように、入射部21に自由曲面を設けることで、投射レンズの負担を低減でき、結果として光学系を薄くできる。   FIG. 6A is a cross-sectional view of the light guide device 20 and the projection lens 12 according to the first embodiment. The projection lens 12 includes three lenses L1 to L3. The light guide device 20 includes first and second surfaces S <b> 1 and S <b> 2 as a pair of flat surfaces 22 a and 22 b of the parallel light guide 22. The plane 22a or the first surface S1 corresponds to the light emission surface OS. The light guide device 20 includes a third surface S3 that is a free-form surface and has a relatively weak negative refractive power in the cross section, and a fourth surface that is a free-form surface and has a relatively weak positive refractive power in the cross section, at the incident portion 21. S4 and a fifth surface S5 which is a transmission surface common to the third surface S3. Here, the fifth surface S5 corresponds to the light incident surface IS. As in the present embodiment, by providing a free curved surface in the incident portion 21, the burden on the projection lens can be reduced, and as a result, the optical system can be thinned.

図6Bは、導光装置20を構成する第1〜第5面S1〜S5のローカル座標を具体的に図示したものである。   FIG. 6B specifically illustrates the local coordinates of the first to fifth surfaces S1 to S5 that constitute the light guide device 20.

〔実施例1〕
以下、表6を参照して、実施例1の光路での光学的データについて説明する。なお、実施例1の光学的データは、液晶デバイス11の中心点(x=0,y=0)から射出される光に対応するものとなっており、光線及び各面の法線は、全て光学系の対称面の中に含まれている。
〔表6〕

Figure 2019012259
表中で、A欄は、k欄に対応する色分散指標Aの値を示し、α欄は、k欄に対応する入射角の値αを示し、β欄は、k欄に対応する射出角の値βを示す。ここで、整数kは、画像面側からの面番号を意味し、k=0は、液晶デバイス(画像形成装置)11の画像面に対応する射出面11aに対応し、k=1、2は、液晶デバイス11のカバーガラスの面を意味する。k=3、4は、第3レンズL3の光学面を示し、k=5、6は、第2レンズL2の光学面を示し、k=7、8は、第1レンズL1の光学面を示す。k=9は、導光装置20の光入射面ISを示し、k=10は、反射ユニット20の境界面IFを示し、k=11は、光射出面OSに対応する。 [Example 1]
Hereinafter, the optical data in the optical path of Example 1 will be described with reference to Table 6. The optical data of Example 1 corresponds to the light emitted from the center point (x = 0, y = 0) of the liquid crystal device 11, and the light rays and the normals of each surface are all It is included in the symmetry plane of the optical system.
[Table 6]
Figure 2019012259
In the table, the A column indicates the value of the chromatic dispersion index A k corresponding to the k column, the α column indicates the incident angle value α k corresponding to the k column, and the β column corresponds to the k column. The emission angle value β k is shown. Here, the integer k means the surface number from the image surface side, k = 0 corresponds to the exit surface 11a corresponding to the image surface of the liquid crystal device (image forming apparatus) 11, and k = 1, 2 is The surface of the cover glass of the liquid crystal device 11 is meant. k = 3 and 4 indicate the optical surfaces of the third lens L3, k = 5 and 6 indicate the optical surfaces of the second lens L2, and k = 7 and 8 indicate the optical surfaces of the first lens L1. . k = 9 indicates the light incident surface IS of the light guide device 20, k = 10 indicates the boundary surface IF of the reflection unit 20, and k = 11 corresponds to the light exit surface OS.

以上の表からも明らかなように、最終的な指標値の累積値(横色収差)Aの絶対値は、0.075〔deg/μm〕であり、0.3〔deg/μm〕以下となっている。 As apparent from the above table, the final cumulative value of the index value the absolute value of (lateral chromatic aberration) A K is 0.075 [deg / [mu] m], 0.3 [deg / [mu] m] or less It has become.

〔実施例2〕
以下、表7を参照して、実施例2の光路における光学的データについて説明する。なお、実施例2の光学的データは、液晶デバイス11の四隅の1箇所(x=4.8,y=2.7)から射出される光に対応するものとなっており、各光線及び法線は、光学系の対称面内に含まれていない。表のα欄は、入射側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度αを示し、β欄は、射出側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度βを示す。
〔表7〕

Figure 2019012259
[Example 2]
Hereinafter, the optical data in the optical path of Example 2 will be described with reference to Table 7. The optical data of Example 2 corresponds to light emitted from one of the four corners of the liquid crystal device 11 (x = 4.8, y = 2.7). The line is not included in the plane of symmetry of the optical system. The α column in the table indicates the angle α k when the incident side ray and the surface normal are projected on the symmetry plane, and the β column indicates the angle β when the emission side ray and the surface normal are projected on the symmetry surface. k .
[Table 7]
Figure 2019012259

以上の表からも明らかなように、最終的な指標値の累積値(横色収差)Aの絶対値は、0.274〔deg/μm〕である。 As apparent from the above table, the final cumulative value of the index value the absolute value of (lateral chromatic aberration) A K is 0.274 [deg / [mu] m].

〔実施例3〕
以下、表8を参照して、実施例3の光路における光学的データについて説明する。なお、実施例3の光学的データは、液晶デバイス11の四隅の反対箇所(x=−4.8,y=−2.7)から射出される光に対応するものとなっている。実施例2と同様に表のα欄は、入射側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度αを示し、β欄は、射出側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度βを示す
〔表8〕

Figure 2019012259
Example 3
Hereinafter, the optical data in the optical path of Example 3 will be described with reference to Table 8. The optical data of Example 3 corresponds to the light emitted from the opposite positions (x = −4.8, y = −2.7) of the four corners of the liquid crystal device 11. As in Example 2, the column α in the table indicates the angle α k when the normal of the incident side ray and the surface is projected onto the symmetry plane, and the column β indicates the normal of the emission side ray and the surface as the symmetry plane. Shows angle β k when projected [Table 8]
Figure 2019012259

以上の表からも明らかなように、最終的な指標値の累積値(横色収差)Aの絶対値は、0.784〔deg/μm〕である。 As apparent from the above table, the final cumulative value of the index value the absolute value of (lateral chromatic aberration) A K is 0.784 [deg / [mu] m].

〔1D.第1実施形態のまとめ〕
以上で説明した第1実施形態の虚像表示装置100によれば、所定方向である横方向に関する色分散についての指標の累積値Aが所定の基準値である0.5又は0.2〔deg/μm〕以下であるので、横方向に関して光軸AXに対して傾斜する屈折面を複数箇所に設ける場合であっても、光学性能を確保しつつ色分離又は横色収差を総計的に扱って色分散を全結像系として確実に低減することができる。
[1D. Summary of First Embodiment]
According to the virtual image display device 100 of the first embodiment described above, the accumulated value A K index of the color variance for laterally a predetermined direction is a predetermined reference value 0.5 or 0.2 [deg / Μm] or less, even when a plurality of refracting surfaces inclined with respect to the optical axis AX in the lateral direction are provided, the color separation or lateral chromatic aberration is treated in total while ensuring optical performance. Dispersion can be reliably reduced for the entire imaging system.

図7は、導光装置20の射出部23の構造等に関する変形例を説明する図である。この場合、反射ユニット30の厚みが、入射部21に近い入射側で厚く入射部21から遠い反入射側で薄くなっている。導光装置20において、入射部21から遠い側では、映像光GL2の仰角φ2が小さくなっており、反射ユニット30を薄くすることで、ミラー31を経由する回数が増加することを抑制できる。ここで、反射ユニット30の観察側の光射出面OSと、平行導光体22の外界側の平面22aとは平行であることが望ましい。つまり、平行導光体22のうち反射ユニット30に隣接する部分は原則として僅かな楔角を有することになる。この場合も、不図示の光入射面IS、図示した境界面IF及び光射出面OS等に関して、関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することができ、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。   FIG. 7 is a diagram illustrating a modification example regarding the structure and the like of the emission unit 23 of the light guide device 20. In this case, the thickness of the reflection unit 30 is thick on the incident side close to the incident portion 21 and thin on the non-incident side far from the incident portion 21. In the light guide device 20, the elevation angle φ <b> 2 of the video light GL <b> 2 is small on the side farther from the incident portion 21, and it is possible to suppress an increase in the number of times passing through the mirror 31 by making the reflection unit 30 thin. Here, it is desirable that the observation-side light exit surface OS of the reflection unit 30 and the external light-side plane 22 a of the parallel light guide 22 are parallel to each other. That is, the part adjacent to the reflection unit 30 among the parallel light guides 22 has a slight wedge angle in principle. Also in this case, the final color dispersion index is evaluated using the relational expression (2-2) or (2-4) with respect to the light incident surface IS (not illustrated), the illustrated boundary surface IF, the light exit surface OS, and the like. Therefore, the high-performance virtual image display device 100 can be obtained while suppressing the occurrence of lateral chromatic aberration.

図8は、導光装置20の射出部23の構造等に関する別の変形例を説明する図である。この場合、射出部23に設けた反射ユニット30が傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、反射ユニット30は、入射部21から遠い奥側の部分23hが入射部21に近い前側の部分23mよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、反射ユニット30の入射面30a及び出射面30bは、平行導光体22の平面22a,22bを基準として、反時計回りに90°未満の適宜の角度ρで傾斜したものとなっている。ここで、射出部23は、反射ユニット30を挟んで平行導光体22の反対側に、反射ユニット30の出射面30bに接合される断面楔状のプリズム部材23fを有する。これにより、平行導光体22の外界側の平面22aと、この平面22aに対向する光射出面OS又平面22bとが平行になって、外界光OLの自然な観察が可能になる。反射ユニット30が傾斜した状態で配置されていても、角度条件を図2、4等に示す例と同様とすれば、平行導光体22の外界側の平面22aで反射された映像光GLを複数のミラー31で反射させて、観察側の光射出面OSを通過させることでき、図2等の場合と同様に虚像を形成することができる。この場合、不図示の光入射面IS、図示した境界面IFに対応する面30a,30b及び光射出面OS等に関して、関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することで、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。   FIG. 8 is a diagram for explaining another modification example regarding the structure and the like of the emission unit 23 of the light guide device 20. In this case, the reflection unit 30 provided in the emission part 23 is incorporated in an inclined state. Specifically, the reflection unit 30 is inclined so that the far side portion 23 h far from the incident portion 21 is closer to the outside than the front portion 23 m close to the incident portion 21. That is, the entrance surface 30a and the exit surface 30b of the reflection unit 30 are inclined at an appropriate angle ρ less than 90 ° counterclockwise with reference to the planes 22a and 22b of the parallel light guide 22. Here, the emission unit 23 includes a prism member 23f having a wedge-shaped cross section joined to the emission surface 30b of the reflection unit 30 on the opposite side of the parallel light guide 22 with the reflection unit 30 interposed therebetween. Thereby, the plane 22a on the outside side of the parallel light guide 22 and the light emitting surface OS or the plane 22b facing the plane 22a are parallel to each other, so that the outside light OL can be naturally observed. Even if the reflection unit 30 is arranged in an inclined state, if the angle condition is the same as in the example shown in FIGS. 2 and 4, the image light GL reflected by the plane 22 a on the external side of the parallel light guide 22 is reflected. It can be reflected by a plurality of mirrors 31 and pass through the light exit surface OS on the observation side, and a virtual image can be formed as in the case of FIG. In this case, with respect to the light incident surface IS (not shown), the surfaces 30a and 30b corresponding to the illustrated boundary surface IF, the light exit surface OS, etc., the final expression is obtained using the relational expression (2-2) or (2-4). By evaluating a chromatic dispersion index, it is possible to obtain a high-performance virtual image display device 100 while suppressing the occurrence of lateral chromatic aberration.

〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第2実施形態に係る導光装置は、第1実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a second embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the second embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first embodiment, and description of common portions is omitted.

図9に示すように、本実施形態の虚像表示装置100の場合、表示光学系2において、投射光学系12は、コリメートレンズ12aの他に、光路折曲げ用のプリズム12bを備える。光路折曲げ用のプリズム12bは、一対の屈折面PS1,PS2を有しており、光軸AX上の典型的な映像光GL0の光路は、これらの屈折面PS1,PS2よって屈曲される。この場合、屈折面PS1,PS2、光入射面IS、境界面IF、光射出面OS等に関して、関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することで、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。   As shown in FIG. 9, in the case of the virtual image display device 100 of the present embodiment, in the display optical system 2, the projection optical system 12 includes an optical path bending prism 12b in addition to the collimating lens 12a. The optical path bending prism 12b has a pair of refracting surfaces PS1 and PS2, and the optical path of typical image light GL0 on the optical axis AX is bent by these refracting surfaces PS1 and PS2. In this case, with respect to the refractive surfaces PS1 and PS2, the light incident surface IS, the boundary surface IF, the light exit surface OS, etc., the final color dispersion index is evaluated using the relational expression (2-2) or (2-4). By doing so, it is possible to obtain a high-performance virtual image display device 100 while suppressing the occurrence of lateral chromatic aberration.

なお、コリメートレンズ12aとプリズム12bとを別体とする必要はなく、これらの光学部品を12a,12bを一体化したレンズとできる。   Note that the collimating lens 12a and the prism 12b do not need to be separated from each other, and these optical components can be formed by integrating the lenses 12a and 12b.

〔第3実施形態〕
以下、本発明の第3実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第3実施形態に係る導光装置は、第1又は第2実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a third embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the third embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first or second embodiment, and description of common parts is omitted.

図10に示すように、本実施形態の虚像表示装置100は、導光装置320として、導光及び透視用の導光部材20aと、透視用の光透過部材20bとを有する。これらのうち、導光部材20aは、入射部21と平行導光体22とを有し、光透過部材20bは、平行導光体22に固定されている。   As illustrated in FIG. 10, the virtual image display device 100 according to the present embodiment includes a light guide member 20a for light guide and see-through and a light transmissive member 20b for see-through as the light guide device 320. Among these, the light guide member 20 a includes the incident portion 21 and the parallel light guide 22, and the light transmission member 20 b is fixed to the parallel light guide 22.

導光部材20aの平行導光体22は、射出側に曲面の光学面22cを有する。光学面22cの表面には、ハーフミラー層25が付随して設けられている。このハーフミラー層25は、光透過性を有する反射膜すなわち半透過反射膜であり、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成され映像光に対する反射率が適宜設定されている。   The parallel light guide 22 of the light guide member 20a has a curved optical surface 22c on the exit side. A half mirror layer 25 is attached to the surface of the optical surface 22c. The half mirror layer 25 is a light-transmitting reflective film, that is, a semi-transmissive reflective film, and is formed by forming a metal reflective film or a dielectric multilayer film, and the reflectance with respect to video light is appropriately set.

光透過部材20bは、導光部材20aに設けた一対の平面22a,22bを延長上に配置される平面122a,122bを有し、これらの平面122a,122bの間に光学面122cを有している。光学面122cは、導光部材20aの光学面22cに対して接合され一体化されている曲面である。   The light transmissive member 20b has flat surfaces 122a and 122b that are disposed on an extension of a pair of flat surfaces 22a and 22b provided on the light guide member 20a, and has an optical surface 122c between the flat surfaces 122a and 122b. Yes. The optical surface 122c is a curved surface that is bonded to and integrated with the optical surface 22c of the light guide member 20a.

導光装置320において、導光部材20aは、光透過部材20bと接着層CCを介して接合されており、接着層CCは、ハーフミラー層25のある画像取り出しエリアA1において、ハーフミラー層25よりも光透過部材20b側に存在する。画像取り出しエリアA1は、使用者の眼に対して画像光が射出される領域となっている。   In the light guide device 320, the light guide member 20 a is joined to the light transmission member 20 b via the adhesive layer CC, and the adhesive layer CC is more than the half mirror layer 25 in the image extraction area A1 where the half mirror layer 25 is located. Is also present on the light transmitting member 20b side. The image extraction area A1 is an area where image light is emitted to the user's eyes.

この場合、光入射面IS、光射出面OS等に関して関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することで、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。なお、投射光学系12は、光路折曲げ用のプリズムを含んでいてもよく、この場合、光路折曲げ用のプリズムの屈折面を含めて指標の累積値(横色収差)Aを評価する。 In this case, the occurrence of lateral chromatic aberration is suppressed by evaluating the final chromatic dispersion index using the relational expression (2-2) or (2-4) with respect to the light incident surface IS, the light exit surface OS, and the like. A high-performance virtual image display device 100 can be obtained. Incidentally, the projection optical system 12 may comprise a prism for bending an optical path folding, in this case, the accumulated value of the index, including the refractive surface of the optical path folding for the prism (lateral chromatic aberration) to evaluate the A k.

〔第4実施形態〕
以下、本発明の第4実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第4実施形態に係る導光装置は、第1実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the fourth embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first embodiment, and a description of common portions is omitted.

図11に示すように、本実施形態の虚像表示装置100は、画像投影装置10と、導光装置420とを一組として備える。画像投影装置10は、画像形成装置411と、投射光学系12とを備える。画像形成装置411は、液晶デバイスその他の光変調型表示素子と、RGBの3色光を発生するLED、LDその他の光源とを含む。投射光学系12は、光軸AXのまわりに対称性を有する複数のレンズ12aを含む。   As illustrated in FIG. 11, the virtual image display device 100 according to the present embodiment includes the image projection device 10 and a light guide device 420 as a set. The image projection apparatus 10 includes an image forming apparatus 411 and a projection optical system 12. The image forming apparatus 411 includes a light modulation display element such as a liquid crystal device, and LEDs, LDs, and other light sources that generate RGB three-color light. The projection optical system 12 includes a plurality of lenses 12a having symmetry around the optical axis AX.

投射光学系12とともに表示光学系2を構成する導光装置420は、映像光を取り込む入射部21と、導光用の平行導光体22と、映像光を取り出すための射出部23とを備える。入射部21は、平行平板である導光板24の一端側(図面左側)の部分と、導光板24の一端側において外界側の平面24aに貼り付けるように固定されたシート状の入射側回折素子440とを有する。平行導光体22は、導光板24の両端を除いた部分である。射出部23は、導光板24の他端側(図面右側)の部分と、導光板24の他端側において外界側の平面24aに貼り付けるように固定されたシート状の射出側回折素子430とを有する。   The light guide device 420 that constitutes the display optical system 2 together with the projection optical system 12 includes an incident portion 21 that takes in image light, a parallel light guide 22 for guiding light, and an emission portion 23 that takes out image light. . The incident portion 21 is a sheet-shaped incident-side diffraction element fixed so as to be affixed to one end side (left side in the drawing) of the light guide plate 24 that is a parallel flat plate and the outer surface side flat surface 24 a on one end side of the light guide plate 24. 440. The parallel light guide 22 is a portion excluding both ends of the light guide plate 24. The exit portion 23 includes a sheet-like exit-side diffraction element 430 that is fixed so as to be affixed to a portion of the other end side (right side of the drawing) of the light guide plate 24 and the flat surface 24a on the outside world at the other end side of the light guide plate 24. Have

導光板24は、ガラス、樹脂材料等の光透過性材料で形成され、その主面又は表面として、外界側の全反射面である平面24aと、裏側の全反射面である平面24bとを有する。平面24a,24bは、ともに光学面に加工され、互いに平行な導光面として、導光板24内を伝搬する映像光GLの伝搬角又は反射角を維持する働きを有する。   The light guide plate 24 is made of a light-transmitting material such as glass or resin material, and has, as its main surface or surface, a flat surface 24a that is a total reflection surface on the outside and a flat surface 24b that is a total reflection surface on the back side. . The planes 24 a and 24 b are both processed into optical surfaces and have a function of maintaining the propagation angle or reflection angle of the video light GL propagating in the light guide plate 24 as light guide surfaces parallel to each other.

入射側回折素子440は、投射光学系12によってコリメートされ平面24bを経て導光板24に入射した画像光GLを導光板24内に結合して導光板24内で伝搬させるものであり、画像光GLを回折してその入射角を所望の回折角に変換する。入射側回折素子440は、等価的には傾斜したミラーとして機能する。   The incident-side diffractive element 440 is configured to couple the image light GL collimated by the projection optical system 12 and incident on the light guide plate 24 through the plane 24b into the light guide plate 24 and propagate the image light GL in the light guide plate 24. And the incident angle is converted into a desired diffraction angle. The incident side diffraction element 440 functions as an inclined mirror equivalently.

入射側回折素子440は、反射型の回折素子であり、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である。入射側回折素子440がホログラムである場合、入射側回折素子440全体が回折面DFとして機能する。色分離を低減する観点で入射側回折素子440を体積ホログラムとすることが好ましく、特に体積位相型ホログラムとすること好ましい。入射側回折素子440が表面レリーフ回折格子である場合、入射側回折素子440に形成された微細回折構造が回折面DFとして機能する。ブレーズド格子とすることが光利用効率の観点で好ましい。ここで、体積ホログラムとは、比較的厚い記録媒体中に格子としてホログラムデータを記録したものであり、特に体積位相型ホログラムは、屈折率格子としてホログラムデータを記録して透過率を高めたものである。表面レリーフ回折格子は、薄膜表面に干渉パターンに対応する微細な凹凸レリーフを形成したものであり、特にブレーズド格子は、断面形状が鋸歯状の微細な凹凸レリーフを形成して回折効率を高めたものである。なお、入射側回折素子440は、単独で各色の回折を一括して行う回折素子とすることもできるが、各色用の回折素子を積層したものとすることができる。   The incident side diffraction element 440 is a reflection type diffraction element and is one of a hologram and a surface relief diffraction grating. When the incident side diffraction element 440 is a hologram, the entire incident side diffraction element 440 functions as the diffraction surface DF. From the viewpoint of reducing color separation, the incident-side diffraction element 440 is preferably a volume hologram, particularly preferably a volume phase hologram. When the incident side diffraction element 440 is a surface relief diffraction grating, the fine diffraction structure formed in the incident side diffraction element 440 functions as the diffraction surface DF. A blazed grating is preferable from the viewpoint of light utilization efficiency. Here, a volume hologram is a hologram data recorded as a grating in a relatively thick recording medium. In particular, a volume phase hologram is a hologram obtained by recording hologram data as a refractive index grating to increase the transmittance. is there. The surface relief diffraction grating is a thin film surface with fine uneven relief corresponding to the interference pattern. Especially, the blazed grating has a fine uneven relief with a sawtooth cross-sectional shape to improve diffraction efficiency. It is. The incident side diffraction element 440 may be a diffraction element that collectively performs diffraction of each color at once, but may be a stack of diffraction elements for each color.

射出側回折素子430は、入射側回折素子440によって導光板24に結合されて導光板24内を伝搬して来た画像光GLを導光板24外に取り出すものであり、画像光GLを回折してその伝搬角を所望の回折角に変換する。これにより、導光板24内から射出側回折素子430に入射した画像光GLは、元の入射側回折素子440に入射する前の入射角と等しい射出角に復元される。射出側回折素子440は、等価的には傾斜したミラーとして機能し、導光板24内を伝搬した画像光GLを平面24b経由で眼EY側に射出させて、眼EYの前方において画像形成装置411の射出面11aに形成された画像に対応する拡大された虚像を再現又は投影する働きを有する。なお、射出側回折素子430も、入射側回折素子440と同様に反射型の回折素子であり、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である。つまり、射出側回折素子430は、例えば体積位相型ホログラム、ブレーズド格子等で構成することができ、記録層又は微細回折構造からなる回折面DFを有する。   The exit side diffractive element 430 extracts the image light GL that is coupled to the light guide plate 24 by the incident side diffractive element 440 and propagates through the light guide plate 24 to the outside of the light guide plate 24, and diffracts the image light GL. The propagation angle is converted into a desired diffraction angle. As a result, the image light GL incident on the exit-side diffraction element 430 from within the light guide plate 24 is restored to an exit angle equal to the incident angle before entering the original incident-side diffraction element 440. The exit side diffraction element 440 equivalently functions as a tilted mirror, emits the image light GL propagated in the light guide plate 24 to the eye EY side via the plane 24b, and the image forming apparatus 411 in front of the eye EY. It has a function of reproducing or projecting an enlarged virtual image corresponding to the image formed on the exit surface 11a. The exit side diffraction element 430 is also a reflection type diffraction element like the incident side diffraction element 440, and is either one of a hologram and a surface relief diffraction grating. In other words, the exit-side diffraction element 430 can be constituted by, for example, a volume phase hologram, a blazed grating, or the like, and has a diffraction surface DF composed of a recording layer or a fine diffraction structure.

この場合、画像形成装置411の画像面に対応する射出面11aの中心から発し、表示光学系2を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光GLと表示光学系2のk番目の光学機能面(光学面又は回折面)とについて、映像光GLと該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線と入射光線線とが成す角をαとし、光学機能面の法線と射出光線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAとし、対象波長をλ(μm)とし、回折次数を整数のmとし、回折格子のピッチをpとして、下記の式(3−1)

Figure 2019012259
に基づいて、A=0(deg/μm)から始めて色分散指標A(deg/μm)の値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、対称面への投射によって得られる最終面の色分散指標Aが所定の基準値以下であることが望ましい。具体的には、対称面への投射によって得られる色分散指標Aの絶対値を0.3未満とすることが望ましい。以上の式(3−1)に関する説明で、光学機能面には、屈折面だけでなく回折面又は回折層も含まれるものとする。 In this case, the image light GL and the display optical system 2 are related to the image light beam that is emitted from the center of the exit surface 11a corresponding to the image surface of the image forming apparatus 411 and reaches the center of the observer's eye via the display optical system 2. Α k is the angle formed by the normal of the optical functional surface and the incident ray at the point where the image light GL intersects the optical functional surface (the optical surface or the diffractive surface). the angle between the normal and the exit light beam of the optical functional surface and beta k, the refractive index of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, the refraction of the incident side medium The index dispersion is V k−1 , the refractive index dispersion of the exit side medium is V k , the incident side chromatic dispersion index is A k−1 , the exit side chromatic dispersion index is A k , and the target wavelength is λ ( μm), the diffraction order is an integer m k, and the pitch of the diffraction grating is p k.
Figure 2019012259
When the value of the chromatic dispersion index A k (deg / μm) is calculated sequentially starting from A 0 = 0 (deg / μm), the final surface number is K, and is obtained by projection onto a symmetric surface. Chromatic dispersion index a K of the final surface that is it is preferably not more than a predetermined reference value. Specifically, the absolute value of the chromatic dispersion index A K obtained by projection onto the plane of symmetry is preferably less than 0.3. In the description of the above formula (3-1), the optical functional surface includes not only a refractive surface but also a diffractive surface or a diffractive layer.

以上で説明した式(3−1)は、回折面を含まない場合の既述の式(2−1)
k−1×sinα=n×sinβ … (2−1)

k−1×sinα=n×sinβ+m(λ/p) … (2−1)'
と書き換え、微分等の変換処理を同様に行うことによって得られる。なお、回折次数mは、通常の屈折面で0となり、回折面で0以外の整数となる。回折次数m=0とした場合、上記の式(3−1)は、回折面を含まない場合の既述の式(2−1)と一致したものとなる。回折格子のピッチpは、回折格子の場合、光学機能面に沿った方向に形成された繰返しパターンの回折方向に関する繰返し間隔を意味する。
Expression (3-1) described above is the expression (2-1) described above in the case where the diffraction surface is not included.
n k-1 × sin α k = n k × sin β k (2-1)
N k-1 × sin α k = n k × sin β k + m k (λ / p k ) (2-1) ′
And rewriting, conversion processing such as differentiation is performed in the same manner. The diffraction order m k is 0 on a normal refracting surface and an integer other than 0 on the diffractive surface. When the diffraction order m k = 0, the above formula (3-1) is the same as the above-described formula (2-1) when the diffraction plane is not included. In the case of a diffraction grating, the pitch pk of the diffraction grating means a repetitive interval with respect to the diffraction direction of a repetitive pattern formed in a direction along the optical function surface.

上記の式(3−1)は、関係式(2−2)を一般化したものであり、光路上に屈折面だけでなく回折面が存在する場合を考慮したものとなっている。図11に示す表示光学系2の場合、入射側回折素子440と、射出側回折素子430とに関して関係式(3−1)を利用して指標の累積値Aを評価することで、色分散の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。例えば、回折素子440,430は、回折面DFとして式(3−1)中の項m/pとして色分散指標Aに作用し、光入射面ISや境界面IFは、屈折面として式(3−1)中の項Vk−1sinα−Vsinβとして色分散指標Aに作用する。結果的に、入射側回折素子440のピッチと、射出側回折素子430のピッチとを一致させれば、両回折素子440,430で発生する色分散が相殺する。 The above expression (3-1) is a generalization of the relational expression (2-2), and takes into consideration the case where not only a refracting surface but also a diffractive surface exists on the optical path. For display optical system 2 shown in FIG. 11, an incident-side diffraction element 440, to evaluate the cumulative value A K of the index by using relationship (3-1) with respect to the exit side diffraction element 430, chromatic dispersion The high-performance virtual image display device 100 can be obtained while suppressing the occurrence of the above. For example, diffractive elements 440,430 acts on the chromatic dispersion index A K as a term m / p in the formula (3-1) as a diffractive surface DF, the light incidence surface IS and the interface IF of the formula as a refractive surface ( 3-1) acting on the chromatic dispersion index a K as a term V k-1 sinα k -V k sinβ k in. As a result, if the pitch of the incident side diffractive element 440 and the pitch of the exit side diffractive element 430 are matched, the chromatic dispersion generated in both diffractive elements 440 and 430 cancels each other.

別の観点として、表示光学系2の対称面(具体的には光軸AXを含む横断面(XZ断面))に光路を投影して考える場合、液晶デバイス(画像形成装置)11の任意の点から発し、表示光学系2を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光GLと表示光学系2のk番目の光学機能面とについて、映像光GLと該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線を表示光学系2の対称面に投射した線と入射光線を対称面に投射した線とが成す角をαとし、光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、対称面への投射によって得られる射出側の色分散指標をAとし、対象波長をλ(μm)とし、回折次数をmとし、回折格子のピッチをpとして、下記の式(3−2)

Figure 2019012259
に基づいて、A=0(deg/μm)から始めて色分散指標A(deg/μm)の値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、対称面への投射によって得られる最終面の色分散指標Aが所定の基準値以下であることが望ましい。具体的には、対称面への投射によって得られる色分散指標Aの絶対値を1.0以下とすることが望ましい。以上の式(3−2)に関する説明で、光学機能面には、便宜上屈折面だけでなく回折面も含まれるものとする。 As another viewpoint, when an optical path is projected onto the symmetry plane of the display optical system 2 (specifically, a cross section including the optical axis AX (XZ cross section)), an arbitrary point of the liquid crystal device (image forming apparatus) 11 is considered. The image light GL and the optical function surface of the image light GL and the k-th optical function surface of the display optical system 2 with respect to the image light beam that starts from the display optical system 2 and reaches the center of the observer's eye Α k is the angle formed by the line projected on the plane of symmetry of the display optical system 2 and the line projected on the plane of symmetry of the optical function surface at the intersection of the the angle made by the line which is projected to the plane of symmetry of the projected line and the exit beam to the symmetry plane and beta k, the refractive index of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium n k And the refractive index dispersion of the incident side medium is V k−1 , the refractive index dispersion of the exit side medium is V k , The chromatic dispersion index is A k−1 , the emission side chromatic dispersion index obtained by projection onto the symmetry plane is A k , the target wavelength is λ (μm), the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is As pk , the following formula (3-2)
Figure 2019012259
When the value of the chromatic dispersion index A k (deg / μm) is calculated sequentially starting from A 0 = 0 (deg / μm), the final surface number is K, and is obtained by projection onto a symmetric surface. Chromatic dispersion index a K of the final surface that is it is preferably not more than a predetermined reference value. Specifically, the absolute value of the chromatic dispersion index A K obtained by projection onto the plane of symmetry that is desired to be 1.0 or less. In the description of the above formula (3-2), it is assumed that the optical function surface includes not only a refractive surface but also a diffractive surface for convenience.

式(3−2)は、上記の式(3−1)と同様に、回折面を含まない場合の既述の関係式(2−4)を一般化したものであり、光路上に屈折面だけでなく回折面が存在する場合を考慮したものとなっている。   The expression (3-2) is a generalization of the above-described relational expression (2-4) in the case where the diffractive surface is not included, similarly to the above expression (3-1), and the refractive surface on the optical path. In addition, the case where a diffractive surface is present is considered.

なお、回折素子430,440として例えば体積ホログラム素子を用いる場合、光線が通過する箇所ごとにピッチpが異なるとして扱う必要がある。 In addition, when using, for example, a volume hologram element as the diffraction elements 430 and 440, it is necessary to treat the pitch pk as different for each portion through which the light beam passes.

以上では、外界側の平面24a上に回折素子430,440を設けたが、裏側の平面24b上に回折素子430,440を設けてもよい。この場合、回折素子430,440は透過型となる。   In the above description, the diffraction elements 430 and 440 are provided on the flat surface 24a on the outside, but the diffraction elements 430 and 440 may be provided on the flat surface 24b on the back side. In this case, the diffraction elements 430 and 440 are transmissive.

図12は、図11に示す虚像表示装置100の変形例を説明する図である。この変形例では、導光板24を傾けて配置し、顔の形状に沿わせている。この場合も、上記の式(3−1)又は(3−2)に基づいて、最終面色分散指標Aが所定の基準値以下であることが望ましく、具体的には色分散指標Aの絶対値を導出方法ごとに0.3未満又は1.0以下とすることが望ましい。結果的に、入射側回折素子440のピッチと、射出側回折素子430のピッチとを一致させれば、両回折素子440,430で発生する色分散が相殺する。 FIG. 12 is a diagram for explaining a modification of the virtual image display device 100 shown in FIG. In this modification, the light guide plate 24 is disposed at an angle and conforms to the shape of the face. Also in this case, based on the above formula (3-1) or (3-2), it is desirable that the final surface color dispersion index AK is not more than a predetermined reference value, specifically, the color dispersion index AK The absolute value is desirably less than 0.3 or 1.0 or less for each derivation method. As a result, if the pitch of the incident side diffractive element 440 and the pitch of the exit side diffractive element 430 are matched, the chromatic dispersion generated in both diffractive elements 440 and 430 cancels each other.

図13は、図11に示す虚像表示装置100の別の変形例を説明する図である。この変形例でも、導光板24を傾けて顔の形状に沿わせているが、投射光学系12中にプリズム12bを挿入し、光路を曲げることで、投射光学系12が顔側面に近づくことを防止している。この場合も、上記の式(3−1)又は(3−2)に基づいて、最終面の色分散指標Aが所定の基準値以下であることが望ましく、具体的には色分散指標Aの絶対値を導出方法ごとに0.3未満又は1.0以下とすることが望ましい。結果的には、プリズム12b、入射側回折素子440、射出側回折素子430等に関して、色分散指標Aを評価することになる。この場合、プリズム12bの追加によって新たに色分散が生じるために、回折格子430,440のピッチを調節して、新たに生じた色分散を補償することになる。この時、回折格子430,440のピッチは、色分散指標Aの値を追跡計算して十分に小さくなる様に設定してやればよい。 FIG. 13 is a diagram for explaining another modification of the virtual image display apparatus 100 shown in FIG. Even in this modification, the light guide plate 24 is tilted to follow the shape of the face, but by inserting the prism 12b into the projection optical system 12 and bending the optical path, the projection optical system 12 approaches the face side surface. It is preventing. Again, based on the above formula (3-1) or (3-2), it is desirable chromatic dispersion index A K of the final surface is less than the predetermined reference value, in particular chromatic dispersion index A The absolute value of K is preferably less than 0.3 or 1.0 or less for each derivation method. As a result, the chromatic dispersion index AK is evaluated for the prism 12b, the incident side diffraction element 440, the emission side diffraction element 430, and the like. In this case, since new chromatic dispersion occurs due to the addition of the prism 12b, the pitch of the diffraction gratings 430 and 440 is adjusted to compensate for the newly generated chromatic dispersion. In this case, the pitch of the diffraction grating 430, 440 may do it set so as to be sufficiently small values of chromatic dispersion index A K tracing calculations to.

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
[Others]
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Such modifications are also possible.

例えば、上記第1実施形態の虚像表示装置100に設けた導光装置20は、平行導光体22において、平面22aで映像光GLを一回のみ全反射させて反射ユニット30に導く構成としたが、対向する平面22a,22bで映像光GLを複数回全反射させて反射ユニット30に導く構成とすることもできる。   For example, the light guide device 20 provided in the virtual image display device 100 of the first embodiment has a configuration in which the parallel light guide 22 totally reflects the video light GL only once on the plane 22a and guides it to the reflection unit 30. However, the configuration may be such that the image light GL is totally reflected a plurality of times by the opposing flat surfaces 22 a and 22 b and guided to the reflection unit 30.

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

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

以上の説明では、虚像表示装置100として、右眼及び左眼の双方に対応して一組ずつ画像投影装置10及び導光装置20設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像投影装置10と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。   In the above description, the virtual image display device 100 is configured to provide one set of the image projection device 10 and the light guide device 20 corresponding to both the right eye and the left eye, but either the right eye or the left eye. Only the image projection device 10 and the light guide device 20 may be provided only for the one eye view.

以上の説明では、実施形態の虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイ、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。   In the above description, the virtual image display device 100 of the embodiment is specifically described as a head-mounted display. However, the virtual image display device 100 of the embodiment is applied to a head-up display, a binocular handheld display, and the like. You can also.

以上の説明では、平行導光体22等の平面22a,22b又は曲面21bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、平面22a,22b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されることによって達成される反射も含むものとする。例えば、映像光GLの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面22a,22bの一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。   In the above description, the image light is totally reflected and guided by the interface with air on the flat surfaces 22a and 22b or the curved surface 21b such as the parallel light guide 22 without applying a mirror or a half mirror on the surface. The total reflection in the present invention includes reflection achieved by forming a mirror coat or a half mirror film on the whole or a part of the planes 22a and 22b. For example, a case where the incident angle of the image light GL satisfies the total reflection condition and a mirror coat or the like is applied to a part of the planes 22a and 22b to reflect substantially all the image light is included.

導光装置20を構成する入射部21と平行導光体22とを一体品で構成する必要はなく、入射部21と平行導光体22とを別部品で構成し、両者を接着剤で接合することもできる。   The incident portion 21 and the parallel light guide 22 constituting the light guide device 20 do not need to be configured as an integral part, and the incident portion 21 and the parallel light guide 22 are configured as separate parts, and both are bonded with an adhesive. You can also

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

また、特開2010−164988号公報又は特開2013−210633号公報に記載のような部分反射面のアレイからなる光導体光学素子又は基板を導光装置20として用いた虚像表示装置とすることもできる。   Further, a virtual image display device using a light guide optical element or substrate made of an array of partially reflecting surfaces as described in JP 2010-164988 A or JP 2013-210633 A as a light guide device 20 may be used. it can.

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

10…画像投影装置、11…液晶デバイス、11a…射出面、12…投射光学系、12a…コリメートレンズ、12b…プリズム、20…導光装置、21…入射部、22…平行導光体、22a,22b…平面、23…射出部、23f…プリズム部材、30…反射ユニット、30a…入射面、30b…出射面、31…ミラー、32…ブロック部材、100…虚像表示装置、130…ホログラム素子、AX…光軸、EP…アイポイント、EY…眼、GL…映像光、GL0,GL1,GL2…映像光、IF…境界面、IS…光入射面、IS,IF,OS…屈折面、OL…外界光、OS…光射出面、RS…反射面   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image projector, 11 ... Liquid crystal device, 11a ... Ejection surface, 12 ... Projection optical system, 12a ... Collimating lens, 12b ... Prism, 20 ... Light guide device, 21 ... Incident part, 22 ... Parallel light guide, 22a , 22b ... plane, 23 ... exit portion, 23f ... prism member, 30 ... reflection unit, 30a ... entrance surface, 30b ... exit surface, 31 ... mirror, 32 ... block member, 100 ... virtual image display device, 130 ... hologram element, AX ... optical axis, EP ... eye point, EY ... eye, GL ... video light, GL0, GL1, GL2 ... video light, IF ... boundary surface, IS ... light incident surface, IS, IF, OS ... refractive surface, OL ... External light, OS ... light exit surface, RS ... reflection surface

Claims (6)

映像光を射出する画像形成装置と、前記画像形成装置からの映像光によって虚像を形成する表示光学系とを備え、前記映像光を観察者の眼と想定される位置に入射させる、虚像表示装置であって、
前記表示光学系は、所定の平面に対して面対称な形状を成しており、
前記画像形成装置の任意の点から発し、前記表示光学系を経由して、前記観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、前記映像光線と前記表示光学系のk番目の光学機能面とについて、前記映像光線と当該光学機能面が交差する点に於ける当該光学機能面の法線を前記表示光学系の対称面に投射した線と入射光線を前記対称面に投射した線とが成す角をαとし、当該光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmとし、回折格子のピッチをpとして、下記の式(1)
Figure 2019012259
ただし、
Figure 2019012259
に基づいて、A=0から始めて色分散指標Aの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標Aが絶対値で1.0未満である、虚像表示装置。
A virtual image display apparatus comprising: an image forming apparatus that emits image light; and a display optical system that forms a virtual image by the image light from the image forming apparatus, and the image light is incident on a position assumed to be an eye of an observer Because
The display optical system has a shape symmetrical with respect to a predetermined plane,
Regarding an image light beam that originates from an arbitrary point of the image forming apparatus and reaches the center of the observer's eye via the display optical system, the image light beam and the kth optical functional surface of the display optical system An angle formed by a line projected on the symmetry plane of the display optical system and a line projected on the symmetry plane at the point where the image light beam and the optical function surface intersect was a alpha k, and angular and beta k formed between the projected line is a normal line and the exit light beam projected onto the plane of symmetry on the symmetry plane of the optical functional surface, the refractive index of the incident side of the medium n k-1 The refractive index of the exit side medium is nk , the refractive index dispersion of the incident side medium is V k−1 , the refractive index dispersion of the exit side medium is V k , and the incident side chromatic dispersion index is A k−. 1, and the chromatic dispersion index of the exit side is a k, and λ the wavelength of interest in μm units, the diffraction order m And then, the pitch of the diffraction grating as p k, the following equation (1)
Figure 2019012259
However,
Figure 2019012259
When the value of the color dispersion index A k is sequentially calculated starting from A 0 = 0, the final surface number K is assumed to be K, and the final surface color dispersion index AK is an absolute value of less than 1.0. A virtual image display device.
F線の波長をλとし、C線の波長をλとし、各媒体において、F線の屈折率をnとし、C線の屈折率をnとして、屈折率分散Vは、
Figure 2019012259
で近似的に与えられる、請求項1に記載の虚像表示装置。
The refractive index dispersion V k is λ F as the wavelength of the F line, λ C as the wavelength of the C line, and the refractive index of the F line as n F and the refractive index of the C line as n C in each medium.
Figure 2019012259
The virtual image display device according to claim 1, which is approximately given by:
前記画像形成装置の中心から発し、前記表示光学系を経由して、前記観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、前記映像光線と前記表示光学系のk番目の光学機能面とについて、前記映像光線と当該光学機能面が交差する点に於ける当該光学機能面の法線と入射光線とが成す角をαとし、当該光学機能面の法線と射出光線とが成す角をβとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmとし、回折格子のピッチをpとして、下記の式(1)
Figure 2019012259
に基づいて、A=0から始めて色分散指標Aの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標Aの絶対値が、0.3未満である、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
With respect to an image light beam originating from the center of the image forming apparatus and reaching the center of the observer's eye via the display optical system, the image light beam and the kth optical functional surface of the display optical system The angle formed by the normal of the optical functional surface and the incident light at the point where the image light and the optical functional surface intersect is α k, and the angle formed by the normal of the optical functional surface and the emitted light is β k and then, the refractive index of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, and the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index dispersion of the exit side medium V k , the incident-side chromatic dispersion index is A k−1 , the emission-side chromatic dispersion index is A k , the target wavelength is λ in μm, the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is p As k , the following formula (1)
Figure 2019012259
Based on, when sequentially calculate the value of the color distribution indicator A k starting from A 0 = 0, as the number of the final surface is K, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface is less than 0.3 The virtual image display device according to claim 1, wherein
前記表示光学系の光学機能面として前記値αkがゼロではない屈折面を3つ以上有する、請求項3に記載の虚像表示装置。 The virtual image display device according to claim 3, wherein the display optical system has three or more refractive surfaces where the value α k is not zero as an optical functional surface of the display optical system. 前記表示光学系の光学機能面として少なくとも1つの非軸対称自由曲面を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の虚像表示装置。   5. The virtual image display device according to claim 1, wherein the virtual optical display device has at least one non-axisymmetric free-form surface as an optical functional surface of the display optical system. 前記表示光学系の光学機能面として回折面を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to claim 1, which has a diffractive surface as an optical functional surface of the display optical system.
JP2018022831A 2017-06-30 2018-02-13 Virtual image display apparatus Pending JP2019012259A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/011,816 US10409070B2 (en) 2017-06-30 2018-06-19 Virtual image display apparatus

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017128484 2017-06-30
JP2017128484 2017-06-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2019012259A true JP2019012259A (en) 2019-01-24

Family

ID=65227357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018022831A Pending JP2019012259A (en) 2017-06-30 2018-02-13 Virtual image display apparatus

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2019012259A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112630967A (en) * 2020-12-23 2021-04-09 业成科技(成都)有限公司 Optical waveguide module and electronic equipment
JP2021131522A (en) * 2020-02-21 2021-09-09 大日本印刷株式会社 Optical member, display device, head-mounted type display device
CN113614610A (en) * 2019-03-20 2021-11-05 株式会社理光 Virtual image display device
CN114341708A (en) * 2019-09-18 2022-04-12 株式会社籁天那 Optical device for improving optical efficiency
JP7441443B2 (en) 2021-02-28 2024-03-01 南昌三極光電有限公司 Optical systems and mixed reality devices

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113614610A (en) * 2019-03-20 2021-11-05 株式会社理光 Virtual image display device
CN113614610B (en) * 2019-03-20 2023-09-22 株式会社理光 Virtual image display device
CN114341708A (en) * 2019-09-18 2022-04-12 株式会社籁天那 Optical device for improving optical efficiency
JP2022549597A (en) * 2019-09-18 2022-11-28 レティノル カンパニー リミテッド Optical device for augmented reality with improved light efficiency
JP7357976B2 (en) 2019-09-18 2023-10-10 レティノル カンパニー リミテッド Augmented reality optical device with improved light efficiency
JP2021131522A (en) * 2020-02-21 2021-09-09 大日本印刷株式会社 Optical member, display device, head-mounted type display device
CN112630967A (en) * 2020-12-23 2021-04-09 业成科技(成都)有限公司 Optical waveguide module and electronic equipment
CN112630967B (en) * 2020-12-23 2022-12-13 业成科技(成都)有限公司 Optical waveguide module and electronic equipment
JP7441443B2 (en) 2021-02-28 2024-03-01 南昌三極光電有限公司 Optical systems and mixed reality devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7121116B2 (en) Waveguide-based optical system and method for augmented reality systems
CN110196492B (en) Virtual image display device
WO2016027442A1 (en) Light guide device and virtual image display apparatus
US8472119B1 (en) Image waveguide having a bend
JP2019012259A (en) Virtual image display apparatus
US10627644B2 (en) Virtual image display device
WO2010032700A1 (en) Video image display device and head mount display
US20210215941A1 (en) Imaging light guide with reflective turning array
JP5408048B2 (en) Light guide plate for virtual image display device and virtual image display device
CN112327495B (en) Light guide, virtual image optical system, and virtual image display device
US20200192088A1 (en) Head up display (hud) using a light pipe
JP2017003845A (en) Light guide device and virtual image display device
CN109073896B (en) Spectacle lens for imaging optical unit and data goggles
JP7328051B2 (en) Observation optical system and image observation device
JP2017049511A (en) Light guide device and virtual image display device
US10409070B2 (en) Virtual image display apparatus
CN116209940A (en) Optical system with cylindrical waveguide
JP2017058400A (en) Image display device
JP7330796B2 (en) Optical system and display device using the same
JP7027748B2 (en) Virtual image display device
JP2006091477A (en) Wide-angle observation optical system equipped with holographic reflection surface
JP2017040784A (en) Light guide device and virtual image display device
JP2019197079A (en) Virtual image display device
CN116209941A (en) Compensating diffraction waveguide for off-axis in-coupling and viewing
JPH0192718A (en) Display method for correcting chromatic aberration generated by diffraction grating optical element, and executing image display by diffraction grating optical element

Legal Events

Date Code Title Description
RD05 Notification of revocation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425

Effective date: 20190322

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20190402

RD07 Notification of extinguishment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7427

Effective date: 20200803