JP2023003775A - Light guide member and display device - Google Patents

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JP2023003775A JP2021105053A JP2021105053A JP2023003775A JP 2023003775 A JP2023003775 A JP 2023003775A JP 2021105053 A JP2021105053 A JP 2021105053A JP 2021105053 A JP2021105053 A JP 2021105053A JP 2023003775 A JP2023003775 A JP 2023003775A
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駿 岡崎
Shun OKAZAKI
直樹 中村
Naoki Nakamura
昌弘 伊藤
Masahiro Ito
芳文 須藤
Yoshifumi Sudo
進 門馬
Susumu Monma
成伸 平野
Shigenobu Hirano
泰男 片野
Yasuo Katano
健司 亀山
Kenji Kameyama
規和 五十嵐
Norikazu Igarashi
愛乃 長谷川
Yoshino Hasegawa
隆史 牧
Takashi Maki
正道 山田
Masamichi Yamada
猛壮 筒井
Takemasa Tsutsui
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Abstract

To provide a light guide member and a display device that emit image light scatteringly.SOLUTION: A light guide member 300 comprises: a beam emission unit 304 for emitting light-guided image light to the outside; and a first face 305 for reflecting the image light toward the beam emission unit 304, causing it to be emitted from the beam emission unit 304. The plurality of first faces 305 are arranged in a direction in which the image light is guided, and a downstream-side first face 305F among the plurality of first faces 305 that is arranged downstream of the direction in which the image light is guided is inclined, with respect to upstream-side first faces 305B, 305D that are arranged downstream of the direction in which the image light is guided, in a direction in which a distance from the beam emission unit 304 increases on the downstream side of the direction in which the image light is guided.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、導光部材および表示装置に関する。 The present invention relates to a light guide member and a display device.

特許文献1では、画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し、光入射部から取り込まれた画像光を第1及び第2の全反射面での全反射により導く導光部と、導光部を経て入射する画像光を光路の折り曲げによって外部へ取出し可能にする画像取出部を有する光射出部とを備え、画像取出部は、導光部によって導光された画像光を反射するため第2の全反射面を基準として導光部の導光方向に関する奥側で導光部の内側に向かって傾斜するように延びる複数の第1要素面と、第1要素面に対して鈍角をなして延びる複数の第2要素面とを交互に配置してなる、導光板を開示している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-100003 has a light incident portion for taking in image light, and first and second total reflection surfaces extending in opposition to each other, and the image light taken in from the light incident portion A light guide portion guided by total reflection on a reflective surface, and a light exit portion having an image output portion capable of outputting image light incident through the light guide portion to the outside by bending an optical path, wherein the image output portion comprises: In order to reflect the image light guided by the light guide section, a plurality of second total reflection surfaces extend so as to incline toward the inner side of the light guide section on the back side in the light guide direction of the light guide section with reference to the second total reflection surface. A light guide plate is disclosed in which one element surface and a plurality of second element surfaces extending at an obtuse angle with respect to the first element surface are alternately arranged.

特許第5703875号公報Japanese Patent No. 5703875

本発明は、入射光を発散させて射出する導光部材および表示装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a light guide member and a display device that diverge and emit incident light.

本発明の請求項1は、導光された画像光を外部に射出する界面と、画像光を界面に向けて反射して界面から射出させる反射面と、を備え、反射面は、画像光が導光される方向において複数配置されており、複数の反射面のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側反射面は、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側反射面に対して、画像光が導光される方向における下流側で界面との距離が大きくなる方向に傾斜する導光部材。 Claim 1 of the present invention comprises an interface for emitting the guided image light to the outside, and a reflecting surface for reflecting the image light toward the interface and emitting the image light from the interface. A plurality of reflecting surfaces are arranged in the direction in which the image light is guided, and among the plurality of reflecting surfaces, the downstream reflecting surface arranged on the downstream side in the direction in which the image light is guided is the upstream in the direction in which the image light is guided. A light guide member that is inclined in a direction that increases the distance from the interface on the downstream side in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream reflection surface arranged on the side.

本発明によれば、入射光を発散させて射出する導光部材および表示装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a light guide member and a display device that diverge and emit incident light.

本発明の実施形態に係る導光部材300とそれを用いた虚像表示装置1000の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the light guide member 300 which concerns on embodiment of this invention, and the virtual image display apparatus 1000 using the same. 本実施形態に係る導光部材300内を伝搬した光が出射する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the light which propagated the inside of the light guide member 300 which concerns on this embodiment is emitted. 本実施形態に係る導光部材300内を伝搬する光を示す図である。It is a figure which shows the light which propagates the inside of the light guide member 300 which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of an image extraction section 303 in the light guide member 300 according to the embodiment; 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の詳細説明図である。3 is a detailed explanatory diagram of an image taking-out portion 303 in the light guide member 300 according to this embodiment; FIG. 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の変形例の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to the present embodiment; 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の第2の変形例の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a second modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to the present embodiment; 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の第3の変形例の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of a third modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to the present embodiment; 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の第4の変形例の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of a fourth modified example of the image pickup section 303 in the light guide member 300 according to the present embodiment; 本実施形態に係る導光部材300のパラメータの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of parameters of the light guide member 300 according to the embodiment; 本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303のパラメータの説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of parameters of an image extraction unit 303 in the light guide member 300 according to the embodiment; 本実施形態に係る虚像表示装置1000の光学系レイアウトを示す図である。1 is a diagram showing an optical system layout of a virtual image display device 1000 according to this embodiment; FIG. 本実施形態に係る虚像表示装置1000におけるスポットダイアグラムの説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a spot diagram in the virtual image display device 1000 according to this embodiment; 本実施形態に係る虚像表示装置1000の点Aにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。FIG. 4 is a diagram obtained by simulating a spot diagram at a point A of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment; 本実施形態に係る虚像表示装置1000の点Bにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。FIG. 4 is a diagram obtained by simulating a spot diagram at point B of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment. 本実施形態に係る虚像表示装置1000の点Cにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。FIG. 4 is a diagram obtained by simulating a spot diagram at point C of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment. 本実施形態に係る虚像表示装置1000の点Dにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。FIG. 4 is a diagram obtained by simulating a spot diagram at a point D of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment; 本実施形態に係る虚像表示装置1000の点Eにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。FIG. 4 is a diagram obtained by simulating a spot diagram at point E of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment. 本実施形態に係る虚像表示装置1000の各種例の使用状態を示す図である。4A and 4B are diagrams showing usage states of various examples of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment. FIG.

図1は、本発明の実施形態に係る導光部材300とそれを用いた虚像表示装置1000の一例を示す図である。虚像表示装置1000は、表示装置の一例であり、表示画像の画像光を射出して出力する画像表示素子100と、画像表示素子100からの画像光をコリメートして射出する光学系200と、導光部材300とを虚像表示光学系として備える。 FIG. 1 is a diagram showing an example of a light guide member 300 and a virtual image display device 1000 using the light guide member 300 according to an embodiment of the present invention. The virtual image display device 1000 is an example of a display device, and includes an image display element 100 for emitting and outputting image light of a display image, an optical system 200 for collimating and emitting image light from the image display element 100, and a guide. An optical member 300 is provided as a virtual image display optical system.

画像表示素子100は、導光部材300を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子100は、有機LED(OLED:Organic Light Emitting Diode)や透過型液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子100として、DMD(Digital Micromirror Device)が適用可能である。また、画像表示素子100として、TFT(Thin Film Transistor)やLCOS(Liquid Crystal On Silicon)が適用可能である。さらに、画像表示素子100として、MEMS(Micro Electro MechanicalSystems)が適用可能である。画像表示素子100としてOLEDアレイを例にとると、画像表示領域(画素配列領域)のサイズは、例えば「3mm×4mm」であり、画素数は1万画素程度である。 The image display element 100 is a device that outputs image light of a display image that is the basis of a virtual image displayed through the light guide member 300 . An organic LED (OLED: Organic Light Emitting Diode) or a transmissive liquid crystal display element is suitable for the image display element 100, but other various display methods can be applied. For example, a DMD (Digital Micromirror Device) is applicable as the image display element 100 . As the image display element 100, TFT (Thin Film Transistor) or LCOS (Liquid Crystal On Silicon) can be applied. Furthermore, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) can be applied as the image display element 100 . Taking an OLED array as an example of the image display element 100, the size of the image display area (pixel array area) is, for example, 3 mm×4 mm, and the number of pixels is about 10,000.

画像表示素子100は、光源を必要とするLCOSやDMDなどを用いた場合、照明光を射出して画像表示素子100の画像表示面を照明するための光源を備える。光源は、種々のものが適用でき、例えばLED(Light Emitting Diode)、半導体レーザ(Laser Diode:LD)、放電ランプなどを用いることができる。 The image display element 100 includes a light source for emitting illumination light to illuminate the image display surface of the image display element 100 when an LCOS or DMD that requires a light source is used. Various light sources can be applied, and for example, an LED (Light Emitting Diode), a semiconductor laser (Laser Diode: LD), a discharge lamp, or the like can be used.

光学系200は、入射光学系の一例であり、複数の光学レンズや絞りなどから構成され、画像表示素子100から出力される画像光を平行光として射出して導光部材300に入射させる。 The optical system 200 is an example of an incident optical system, and includes a plurality of optical lenses, a diaphragm, and the like.

導光部材300は、光線入射部301、導光部302、画像取り出し部303、および光線射出部304を備える。光線射出部304は、導光された画像光を反射するとともに、外部に射出する界面(境界面)の一例である。 The light guide member 300 includes a light entrance portion 301 , a light guide portion 302 , an image extraction portion 303 and a light exit portion 304 . The light beam emitting portion 304 is an example of an interface (boundary surface) that reflects the guided image light and emits it to the outside.

図1は、水平方向の虚像表示に対応する画像表示素子100の中心の光路図を示している。画像表示素子100の中心から出た画像光は、コリメート光学系の機能を有する光学系200によって画像表示素子100の位置情報を角度情報に変換し、光線入射部301から導光部材300の中に入射する。 FIG. 1 shows an optical path diagram of the center of the image display element 100 corresponding to horizontal virtual image display. The image light emitted from the center of the image display element 100 converts the positional information of the image display element 100 into angle information by the optical system 200 having the function of a collimating optical system, and enters the light guide member 300 from the light incident portion 301. Incident.

そして導光部材300内に入った光は、導光光束となり、導光部302の平行に対向する面で全反射を繰り返しながら伝搬する。 The light that has entered the light guide member 300 becomes a guided light flux, and propagates while repeating total reflection on the parallel facing surfaces of the light guide section 302 .

そして、画像取り出し部303に光があたると光線射出部304から光が射出され、ユーザの目に光が入る。ユーザは、導光部材300の光線射出部304を通して前方を覗くことで、網膜に「虚像の共役像」として結像し、画像光の虚像を視認することができる。すなわち、ユーザは、画像表示素子10と導光部材300との間にある光学系200の作用により、導光部材300を介して画像表示素子10を観察することになる。 When light hits the image extraction unit 303, the light is emitted from the light emitting unit 304 and enters the user's eyes. By looking forward through the light beam emitting portion 304 of the light guide member 300, the user can form a "virtual conjugate image" on the retina and visually recognize the virtual image of the image light. That is, the user observes the image display element 10 through the light guide member 300 due to the action of the optical system 200 between the image display element 10 and the light guide member 300 .

図2は、本実施形態に係る導光部材300内を伝搬した光が出射する様子を示した図である。 FIG. 2 is a diagram showing how the light propagated through the light guide member 300 according to this embodiment is emitted.

図2に示すように、画像取り出し部303は、少なくとも第1面305と第2面306をそれぞれ複数備える。 As shown in FIG. 2, the image extractor 303 has at least a plurality of first surfaces 305 and a plurality of second surfaces 306, respectively.

第1面305は、画像光が導光される方向において、光線射出部304との距離が小さくなるように傾斜する第1の傾斜面の一例であり、画像光を光線射出部304に向けて反射して光線射出部304から射出させる反射面の一例である。第2面306は、互いに隣り合う2つの第1面305の間に配置され、光線射出部304に平行であって、光線射出部304に対向する対向面の一例である。第1面305は、画像光が導光される方向において、複数配置されている。 The first surface 305 is an example of a first inclined surface that is inclined so that the distance from the light beam exiting portion 304 becomes smaller in the direction in which the image light is guided. It is an example of a reflecting surface that reflects and emits from the light emitting portion 304 . The second surface 306 is an example of a facing surface that is arranged between two adjacent first surfaces 305 , is parallel to the light emitting portion 304 and faces the light emitting portion 304 . A plurality of first surfaces 305 are arranged in the direction in which the image light is guided.

導光部302で全反射を繰り返しながら伝搬した光は、第1面305にあたると、光線射出部304から射出され目に届くようになる。また、第2面306を設けることで、第1面305にあたるまで導光部材300の奥の方に進むことができ、導光部材300の奥の方でも光を光線射出部304の方に導くことができる。そうすることで、導光部材300が薄くても広角表示な可能な虚像表示装置1000を実現することができる。 When the light propagated while repeating total reflection in the light guide section 302 hits the first surface 305, it is emitted from the light emitting section 304 and reaches the eye. In addition, by providing the second surface 306, it is possible to advance toward the back of the light guide member 300 until it hits the first surface 305, and the light is guided toward the light beam exit part 304 even at the back of the light guide member 300. be able to. By doing so, it is possible to realize the virtual image display device 1000 capable of wide-angle display even if the light guide member 300 is thin.

図3は、本実施形態に係る導光部材300内を伝搬する光を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing light propagating through the light guide member 300 according to this embodiment.

図3は、導光部材300の導光部302の上面308、下面309で全反射で伝搬する光のうち、光線射出部304に対して、最も反射角が小さい角度θ1で伝搬する光201と最も大きい角度θ2で伝搬する光202を示しており、図3の紙面内における画像表示素子100の両端の画素からの光をそれぞれ示している。すなわち、θ1を小さくするほど、およびθ2を大きくするほど、視野角を広くすることができる。 FIG. 3 shows light 201 that propagates at an angle θ1 with the smallest reflection angle with respect to the light emitting portion 304, among the light that propagates by total reflection on the upper surface 308 and the lower surface 309 of the light guide portion 302 of the light guide member 300. Light 202 propagating at the largest angle θ2 is shown, and light from pixels at both ends of the image display element 100 in the plane of FIG. 3 is shown. That is, the viewing angle can be widened by decreasing θ1 and increasing θ2.

図4は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

導光部材300から射出される画像光により虚像を視認させる場合、光学系200から射出される光束の発散角度を調整することにより、虚像距離を調整することが考えられる。 When visualizing a virtual image by image light emitted from the light guide member 300 , adjusting the divergence angle of the light flux emitted from the optical system 200 may be considered to adjust the virtual image distance.

しかしながら、光学系200から発散光束を射出する場合、導光部材300内で発散光束を伝搬させることに起因して、虚像が二重に観察される画素ずれ等の問題が生じることがあった。 However, when a divergent light beam is emitted from the optical system 200, propagation of the divergent light beam within the light guide member 300 may cause a problem such as a pixel shift in which a virtual image is double observed.

一方、光学系200から平行光束を射出する場合、導光部材300から平行光束が射出されるため、虚像距離が無限遠となっていた。 On the other hand, when the parallel light flux is emitted from the optical system 200, the parallel light flux is emitted from the light guide member 300, so the virtual image distance is infinite.

そこで本実施形態は、導光部材300に入射する入射光に対する、導光部材300から射出される画像光の発散角度を調整することにより、虚像距離を調整するものである。 Therefore, in this embodiment, the virtual image distance is adjusted by adjusting the divergence angle of the image light emitted from the light guide member 300 with respect to the incident light incident on the light guide member 300 .

一例として、光学系200から射出される光束が平行光の場合でも、導光部材300から射出される画像光を発散光とすることにより、虚像距離を有限にするものである。 As an example, even when the light flux emitted from the optical system 200 is parallel light, the image light emitted from the light guide member 300 is divergent light, thereby making the virtual image distance finite.

図4に示す画像取り出し部303には、画像光が導光される方向において、複数の第1面305A~305F、および複数の第2面306A~306Fが配置されている。そして、第2面306B~306Fは、複数の第1面305A~305Fのうち隣り合う2つの第1面305の間にそれぞれ配置されている。 In the image extraction unit 303 shown in FIG. 4, a plurality of first surfaces 305A to 305F and a plurality of second surfaces 306A to 306F are arranged in the direction in which the image light is guided. The second surfaces 306B to 306F are arranged between two adjacent first surfaces 305 among the plurality of first surfaces 305A to 305F.

ここで、複数の第1面305のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第1面305Fは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第1面305Dに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜している。 Here, among the plurality of first surfaces 305, the downstream first surface 305F arranged downstream in the direction in which the image light is guided is arranged upstream in the direction in which the image light is guided. With respect to the first surface 305D on the upstream side, it is inclined in the direction in which the distance from the light emitting section 304 is increased on the downstream side in the direction in which the image light is guided.

これにより、上流側第1面305Dで反射して光線射出部304から射出する射出光(点線)と、下流側第1面305Fで反射して光線射出部304から射出する射出光(実線)のなす角度を、上流側第1面305Dに入射する入射光と、下流側第1面305Fに入射する入射光のなす角度よりも大きくすることができる。 As a result, the exit light (dotted line) reflected by the upstream first surface 305D and emitted from the light beam exit portion 304 and the exit light (solid line) reflected by the downstream first surface 305F and exited from the beam exit portion 304 The angle formed can be made larger than the angle formed by the incident light incident on the upstream side first surface 305D and the incident light incident on the downstream side first surface 305F.

同様に、第1面305Dは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第1面305Bに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜している。 Similarly, the first surface 305D is located on the downstream side in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream side first surface 305B arranged on the upstream side in the direction in which the image light is guided. It is tilted in the direction that the distance from

すなわち、下流側の第1面305B~305Eのそれぞれは、上流側第1面305Aに対して画像光が導光される方向における下流側に配置されるほど、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜する傾斜角度が大きくなるように形成される。 That is, each of the downstream side first surfaces 305B to 305E is positioned further downstream in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream side first surface 305A. It is formed so that the inclination angle becomes larger in the direction where the distance from the light emitting portion 304 becomes larger on the downstream side.

なお、第1面305A~305Eの傾斜角度は、全て異なっていなくてもよく、例えば、第1面305Bと305Dの間に配置される第1面305Cは、第1面305Bおよび305Dの何れか一方と平行になるように形成されても良い。 The inclination angles of the first surfaces 305A to 305E may not all be different. For example, the first surface 305C arranged between the first surfaces 305B and 305D may You may form so that it may become parallel to one side.

また、図4に示す画像取り出し部303では、上流側第1面305B、305Dに入射する入射光と、下流側第1面305Fに入射する入射光が平行である。これにより、非平行の入射光を導光することに起因する色ズレ等の問題が生じること無く、導光部材300により、上流側第1面305B、305Dで反射して光線射出部304から射出する射出光と、下流側第1面305Fで反射して光線射出部304から射出する射出光を発散光にすることができる。 In addition, in the image extraction unit 303 shown in FIG. 4, the incident light incident on the upstream first surfaces 305B and 305D and the incident light incident on the downstream first surface 305F are parallel. As a result, the light guide member 300 causes the light to be reflected by the upstream first surfaces 305B and 305D and emitted from the light emitting portion 304 without causing problems such as color shift caused by guiding non-parallel incident light. The emitted light and the emitted light reflected by the downstream side first surface 305F and emitted from the light emitting portion 304 can be divergent light.

さらに、下流側第1面305Fは、画像光が導光される方向における上流側に隣り合って配置される上流側第1面305Eに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜する。 Further, the downstream side first surface 305F is located downstream in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream side first surface 305E arranged adjacent to the upstream side in the direction in which the image light is guided. It inclines in the direction in which the distance from the light emitting portion 304 increases.

これにより、隣り合って配置される上流側第1面305Eと、下流側第1面305Fでそれぞれ反射して光線射出部304から射出するそれぞれの射出光のなす角度を、上流側第1面305Eと、下流側第1面305Fに入射するそれぞれの入射光のなす角度よりも大きくすることができる。 As a result, the angle formed by the light reflected by the upstream first surface 305E and the downstream first surface 305F, which are arranged adjacent to each other, and emitted from the light emitting portion 304 is , the angle can be made larger than the angle formed by each incident light incident on the downstream side first surface 305F.

ここで、下流側第1面305Fが、上流側第1面305Eに対して傾斜する角度は、0.002度より大きく、0.210度より小さい。 Here, the angle at which the downstream first surface 305F is inclined with respect to the upstream first surface 305E is larger than 0.002 degrees and smaller than 0.210 degrees.

これにより、隣り合って配置される上流側第1面305Eと、下流側第1面305Fでそれぞれ反射して光線射出部304から射出する2つの射出光により、虚像距離を0.3~2m程度にできる。 As a result, the two light beams reflected by the upstream first surface 305E and the downstream first surface 305F, which are arranged adjacent to each other, are emitted from the light beam emitting unit 304, thereby reducing the virtual image distance to about 0.3 to 2 m. can be done.

下流側第1面305Fが、上流側第1面305Eに対して傾斜する角度が、上限値である0.210度を超えると,虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。一方、下流側第1面305Fが、上流側第1面305Eに対して傾斜する角度が、下限値である0.002度に満たないと、虚像距離がほぼ無限遠となる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。 When the angle at which the downstream first surface 305F is inclined with respect to the upstream first surface 305E exceeds the upper limit value of 0.210 degrees, the virtual image distance becomes too close, making it difficult for the user to focus on the virtual image. . On the other hand, if the angle at which the downstream first surface 305F is inclined with respect to the upstream first surface 305E is less than the lower limit of 0.002 degrees, the virtual image distance becomes almost infinite. On the other hand, in this embodiment, the user can easily focus on the virtual image while making the virtual image distance finite.

隣り合う2つの第1面305E、305Fの間に、光線射出部304に平行に対向する第2面306Fを有する。 Between two adjacent first surfaces 305E and 305F, there is a second surface 306F facing parallel to the light emitting portion 304. As shown in FIG.

これにより、2つの第1面305E、305Fのそれぞれで反射して光線射出部304から射出する2つの発散光により、広画角でありながら、瞳を拡大できてアイボックスを確保できる。また、導光部材300の奥側の第1面305までより多くの光を到達させることができる。 As a result, the two diverging lights reflected by the two first surfaces 305E and 305F and emitted from the light emitting section 304 can enlarge the pupil and secure an eyebox while maintaining a wide angle of view. Further, more light can reach the first surface 305 on the far side of the light guide member 300 .

図5は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の詳細説明図である。 FIG. 5 is a detailed explanatory diagram of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

図5(a)は、Y-Z平面における画像取り出し部303を示す図であり、図4と同様である。図5(b)は、X-Z平面における画像取り出し部303を示す図である。 FIG. 5(a) is a diagram showing the image extraction unit 303 on the YZ plane, and is the same as FIG. FIG. 5B is a diagram showing the image extractor 303 on the XZ plane.

図5において、X-Z平面は光線射出部304に平行な面であり、Z方向は画像光が導光される方向かつ複数の第1面305A~305Eが配置される方向であり、Y方向はX-Z平面および光線射出部304に垂直な方向である。図5(b)に示すように、複数の第1面305A~305EのそれぞれのX-Z平面に平行な断面における形状は、画像光が導光されるZ方向において上流側(-Z側)に凸形状に形成される。 In FIG. 5, the XZ plane is a plane parallel to the light emitting portion 304, the Z direction is the direction in which image light is guided and the direction in which the plurality of first surfaces 305A to 305E are arranged, and the Y direction is the direction perpendicular to the XZ plane and the ray exit portion 304 . As shown in FIG. 5B, the shape of each of the plurality of first surfaces 305A to 305E in the cross section parallel to the XZ plane is the upstream side (−Z side) in the Z direction in which the image light is guided. is formed into a convex shape.

これにより、複数の第1面305A~305Eのそれぞれに入射する入射光をX方向に発散させて反射し光線射出部304から射出することができるため、複数の第1面305A~305Eのそれぞれに入射する入射光が平行光束である場合でも、複数の第1面305A~305Eのそれぞれで反射して光線射出部304から射出する射出光により、虚像距離を有限にすることができる. As a result, the incident light incident on each of the plurality of first surfaces 305A to 305E can be diverged in the X direction, reflected, and emitted from the light emitting section 304. Even if the incident light is a parallel light beam, the light reflected by each of the plurality of first surfaces 305A to 305E and emitted from the light emitting portion 304 can make the virtual image distance finite.

本実施形態では、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの形状は、X-Z面に平行な断面で曲線形状となるような曲面形状に形成されるが、他の形態として、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの形状は、X-Z面に平行な断面で複数の直線で形成される形状となるような多面体形状に形成されても良い。 In this embodiment, each of the plurality of first surfaces 305A to 305E is formed in a curved surface shape so that a cross section parallel to the XZ plane has a curved shape. Each of the first surfaces 305A to 305E may be formed in a polyhedral shape such that a cross section parallel to the XZ plane is formed by a plurality of straight lines.

複数の第1面305A~305Eのそれぞれの曲率半径は、800mmより大きく10000mmより小さい。これにより、複数の第1面305A~305Eのそれぞれで反射して光線射出部304から射出する発散光により、虚像距離を0.3~2m程度にできる。 The radius of curvature of each of the plurality of first surfaces 305A-305E is larger than 800 mm and smaller than 10000 mm. As a result, the virtual image distance can be made about 0.3 to 2 m by divergent light reflected by each of the plurality of first surfaces 305A to 305E and emitted from the light emitting portion 304. FIG.

複数の第1面305A~305Eのそれぞれの曲率半径が、上限値である10000mmを超えると、虚像距離がほぼ無限遠となる。一方、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの曲率半径が、下限値である800mmに満たないと、虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。 When the radius of curvature of each of the plurality of first surfaces 305A to 305E exceeds the upper limit of 10000 mm, the virtual image distance becomes almost infinite. On the other hand, if the radius of curvature of each of the plurality of first surfaces 305A to 305E is less than the lower limit of 800 mm, the virtual image distance becomes too close, making it difficult for the user to focus on the virtual image. On the other hand, in this embodiment, the user can easily focus on the virtual image while making the virtual image distance finite.

図6は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の変形例の説明図である。 FIG. 6 is an explanatory diagram of a modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

図6(a)は、図4および図5に示した画像取り出し部303の拡大図であり、図6(b)は、変形例に係る画像取り出し部303の拡大図である。 FIG. 6(a) is an enlarged view of the image retrieving unit 303 shown in FIGS. 4 and 5, and FIG. 6(b) is an enlarged view of the image retrieving unit 303 according to a modification.

図6(b)では図6(a)に対して新たに第1面305と異なる方向に傾斜する第3面307が設けられている。第3面307は、第1面305と第2面306の間に設けられ、画像光が導光される方向において、光線射出部304との距離が大きくなるように傾斜する第2の傾斜面の一例である。 In FIG. 6(b), a third surface 307 inclined in a direction different from that of the first surface 305 is newly provided with respect to FIG. 6(a). The third surface 307 is provided between the first surface 305 and the second surface 306, and is a second inclined surface that is inclined so as to increase the distance from the light emitting portion 304 in the direction in which the image light is guided. is an example.

図6(a)、(b)の実線と点線で示した光は、画像表示素子100の同じ画素から出た光であり、コリメート光学系の機能を有する光学系200によって同じ角度で導光部材300内を伝搬する。 The light shown by solid lines and dotted lines in FIGS. 6A and 6B is light emitted from the same pixel of the image display element 100, and is emitted from the light guide member at the same angle by the optical system 200 having the function of a collimating optical system. Propagate within 300 .

このとき、図6(a)の点線で示した光は第2面306で反射した後に第1面305に直接あたり光線射出部304の方向に進むのに対し、図6(b)では、第3面307を設けることで、第2面306で反射した後に第1面305に直接光があたるのを防ぐことができる。 At this time, the light indicated by the dotted line in FIG. 6(a) directly hits the first surface 305 after being reflected by the second surface 306 and travels in the direction of the light emitting portion 304, whereas in FIG. By providing the three surfaces 307 , it is possible to prevent light from directly hitting the first surface 305 after being reflected by the second surface 306 .

その結果として、導光部材300内を全反射で伝搬する光のうち、導光部材300の下面で全反射した光のみを第1面305にあてることができる。 As a result, of the light propagating in the light guide member 300 by total reflection, only the light totally reflected by the lower surface of the light guide member 300 can be applied to the first surface 305 .

そのようにすることで、図6(b)に示す変形例では、第3面307を形成するために成形の難易度は上がるが。図6(a)において、導光部材300の上面、下面で全反射した光の両方向の光が第1面305にあたることで発生していた迷光を防ぐことができる。 By doing so, in the modified example shown in FIG. 6(b), the degree of difficulty in molding is increased in order to form the third surface 307. However, as shown in FIG. In FIG. 6A, it is possible to prevent the stray light generated by the light in both directions of the light totally reflected by the upper surface and the lower surface of the light guide member 300 hitting the first surface 305 .

図7は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の第2の変形例の説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a second modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

図7(a)は、図6(b)に示した変形例に係る画像取り出し部303の詳細説明図であり、図7(b)は、第2の変形例に係る画像取り出し部303の詳細説明図である。 FIG. 7(a) is a detailed explanatory diagram of the image extraction unit 303 according to the modification shown in FIG. 6(b), and FIG. 7(b) is a detailed illustration of the image extraction unit 303 according to the second modification. It is an explanatory diagram.

図7(a)に示した変形例に係る画像取り出し部303には、画像光が導光される方向において、第2面306A、第3面307A、第1面305A、第2面306B、第3面307B、第1面305B、および第2面306Cが、順番に配置されている。 The image extraction unit 303 according to the modified example shown in FIG. A third surface 307B, a first surface 305B and a second surface 306C are arranged in order.

一方、図7(b)に示した第2の変形例に係る画像取り出し部303には、画像光が導光される方向において、第2面306A、第1面305A、第3面307A、第2面306B、第1面305B、第3面307B、および第2面306Cが、順番に配置されている。 On the other hand, the image extraction unit 303 according to the second modification shown in FIG. The second surface 306B, the first surface 305B, the third surface 307B and the second surface 306C are arranged in order.

図7(a)に示した変形例に係る画像取り出し部303では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第2面306B、第3面307B、第1面305Bは、画像光が導光される方向において上流側に配置される第2面306A、第3面307A、第1面305Aよりも、光線射出部304に近く配置される。 In the image extraction unit 303 according to the modification shown in FIG. 7A, the second surface 306B, the third surface 307B, and the first surface 305B, which are arranged downstream in the direction in which the image light is guided, The second surface 306A, the third surface 307A, and the first surface 305A, which are arranged upstream in the direction in which the light is guided, are arranged closer to the light beam exit part 304. As shown in FIG.

一方、図7(b)に示した第2の変形例に係る画像取り出し部303では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第2面306B、第1面305B、第3面307Bと、画像光が導光される方向において上流側に配置される第2面306A、第1面305A、第3面307Aは、光線射出部304からの距離が同じである。 On the other hand, in the image extraction unit 303 according to the second modification shown in FIG. 7B, the second surface 306B, the first surface 305B, the third The surface 307B and the second surface 306A, the first surface 305A, and the third surface 307A arranged on the upstream side in the direction in which the image light is guided are the same distance from the light beam emitting portion 304 .

図7(b)に示した第2の変形例に係る導光部材300は、図7(a)に示した変形例に係る導光部材300よりも、重量化するが、成形が容易になる。 The light guide member 300 according to the second modification shown in FIG. 7B is heavier than the light guide member 300 according to the modification shown in FIG. 7A, but is easier to mold. .

図8は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の第3の変形例の説明図である。 FIG. 8 is an explanatory diagram of a third modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

図8に示す第3の変形例に係る画像取り出し部303では、図7(a)に示した変形例に係る画像取り出し部303と同様に、画像光が導光される方向において、第2面306A、第1面305A、第3面307A、第2面306B、第1面305B、第3面307B、および第2面306Cが、順番に配置されている。 In the image extraction unit 303 according to the third modification shown in FIG. 8, in the same manner as the image extraction unit 303 according to the modification shown in FIG. 306A, first surface 305A, third surface 307A, second surface 306B, first surface 305B, third surface 307B, and second surface 306C are arranged in order.

図7(a)に示した変形例に係る画像取り出し部303では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第2面306B、第3面307B、第1面305Bは、画像光が導光される方向において上流側に配置される第2面306A、第3面307A、第1面305Aよりも、光線射出部304に近く配置される。 In the image extraction unit 303 according to the modification shown in FIG. 7A, the second surface 306B, the third surface 307B, and the first surface 305B, which are arranged downstream in the direction in which the image light is guided, The second surface 306A, the third surface 307A, and the first surface 305A, which are arranged upstream in the direction in which the light is guided, are arranged closer to the light beam exit part 304. As shown in FIG.

一方、図8に示した第3の変形例に係る画像取り出し部303では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第2面306B、第3面307B、第1面305Bと、画像光が導光される方向において上流側に配置される第2面306A、第3面307A、第1面305Aは、光線射出部304からの距離が同じである。 On the other hand, in the image extraction unit 303 according to the third modification shown in FIG. , the second surface 306A, the third surface 307A, and the first surface 305A, which are arranged on the upstream side in the direction in which the image light is guided, have the same distance from the light beam exit portion 304. As shown in FIG.

図8に示した第3の変形例に係る導光部材300も、図7(a)に示した変形例に係る導光部材300よりも、重量化するが、成形が容易になる。 The light guide member 300 according to the third modification shown in FIG. 8 is also lighter than the light guide member 300 according to the modification shown in FIG. 7A, but is easier to mold.

図9は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303の第4の変形例の説明図である。 FIG. 9 is an explanatory diagram of a fourth modified example of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

図9に示す第4の変形例に係る画像取り出し部303には、第2面306は配置されておらず、画像光が導光される方向において、第3面307A、第1面305A、第3面307B、第1面305B、第3面307C、および第1面305Cが、順番に配置されている。 The second surface 306 is not arranged in the image extraction unit 303 according to the fourth modification shown in FIG. The third surface 307B, the first surface 305B, the third surface 307C and the first surface 305C are arranged in order.

図9に示す第4の変形例に係る導光部材300では、アイボックスや画角は小さくなるが、目に入射する各画角の光線強度むらは小さくなる。 In the light guide member 300 according to the fourth modified example shown in FIG. 9, the eyebox and the angle of view are small, but the unevenness of the intensity of the light rays entering the eye at each angle of view is small.

図10は、本実施形態に係る導光部材300のパラメータの説明図である。図11は、本実施形態に係る導光部材300における画像取り出し部303のパラメータの説明図である。 FIG. 10 is an explanatory diagram of parameters of the light guide member 300 according to this embodiment. FIG. 11 is an explanatory diagram of the parameters of the image extraction section 303 in the light guide member 300 according to this embodiment.

■性能
・アイボックス:2.5mm以上
・アイレリーフ:15mm
・対角画角:40度
・虚像距離:300mm
■ Performance ・Eye box: 2.5mm or more ・Eye relief: 15mm
・Diagonal angle of view: 40 degrees ・Virtual image distance: 300 mm

導光部材300には、平行平面の部材310が接合されており、導光部材300と部材310の界面はハーフミラーから成る。
■部材310
・厚さhd:0.6mm
■導光部材300
・肉厚wd:最厚部2.5mm
・導光部材幅ww:50mm
・第1面305の幅l:0.2mm
・第1面305の数num:24
・第2面306の幅w:0.6mm
・屈折率:1.493612 (PMMA)
・反射面曲率半径R:800mm
・24個の第1面305の第2面306に対する角度は表1に示す通りに設定した
A parallel plane member 310 is joined to the light guide member 300, and the interface between the light guide member 300 and the member 310 is a half mirror.
Member 310
・Thickness hd: 0.6mm
Light guide member 300
・ Thickness wd: 2.5 mm at the thickest part
・Light guide member width ww: 50mm
・Width l of first surface 305: 0.2 mm
・Number of first surfaces 305 num: 24
・Width w of second surface 306: 0.6 mm
・Refractive index: 1.493612 (PMMA)
・ Reflective surface curvature radius R: 800 mm
・The angles of the 24 first surfaces 305 with respect to the second surface 306 were set as shown in Table 1.

Figure 2023003775000002
Figure 2023003775000002

複数の第1面305の数numは、10から25の範囲内である。上限値である25個を超えると、導光部材300を通して外を見る際に第1面305が邪魔になる。下限値である10個に満たないと、水平方向のアイボックスが狭くなり、視野角も狭くなる。本実施形態では、導光部材300を通して外を見やすくしつつ、水平方向のアイボックスが広くなり、視野角も広くなる。 The number num of the plurality of first surfaces 305 is within the range of 10-25. If the number exceeds the upper limit of 25, the first surface 305 becomes an obstacle when looking outside through the light guide member 300 . If the lower limit of 10 is not reached, the eyebox in the horizontal direction will become narrower, and the viewing angle will also become narrower. In this embodiment, it is possible to easily see the outside through the light guide member 300, and the eyebox in the horizontal direction is widened, and the viewing angle is also widened.

複数の第1面305A~305Dが配置される方向における対向面の両端部を結ぶ距離Wは、0.1mmより長く3mmより小さい。これにより、広画角でありながら、アイボックスを確保できる。 A distance W connecting both ends of the opposing surfaces in the direction in which the plurality of first surfaces 305A to 305D are arranged is longer than 0.1 mm and smaller than 3 mm. As a result, it is possible to secure an eyebox while maintaining a wide angle of view.

目の大きさを3mmとして、上限値である3mmを超えると、目に届かない画角の光が発生し、下限値である0.1mmに満たないと、平面の幅が小さくなりすぎ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることが困難になる。本実施形態では、光量を確保しつつ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることができる。 Assuming that the size of the eye is 3 mm, if the upper limit of 3 mm is exceeded, light with an angle of view that does not reach the eye is generated. It becomes difficult to enlarge the eye box while maintaining the angle of view. In the present embodiment, it is possible to increase the eyebox while ensuring a sufficient amount of light and a wide angle of view.

複数の第1面305A~305Dが配置される方向における第1面305Bの両端部を結ぶ距離lは、0.1mmより長く1mmより小さい。 A distance l connecting both ends of the first surface 305B in the direction in which the plurality of first surfaces 305A to 305D are arranged is longer than 0.1 mm and smaller than 1 mm.

上限値である1mmを超えると、導光部材300を通して外を見る際に第1面305が邪魔になる。下限値である0.1mmに満たないと、回折限界により解像度が低くなる。本実施形態では、導光部材300を通して外を見やすくしつつ、解像度を高くすることができる。 If the upper limit of 1 mm is exceeded, the first surface 305 becomes an obstacle when looking outside through the light guide member 300 . If the lower limit of 0.1 mm is not reached, the resolution will be low due to the diffraction limit. In this embodiment, it is possible to improve the resolution while making it easier to see the outside through the light guide member 300 .

図12は、本実施形態に係る虚像表示装置1000の光学系レイアウトを示す図である。
図12の光学系200は、画像表示素子100から出た光の中間像を一度作った後に略コリメータ光を生成し、導光部材300に光を入射させている。このように一旦中間像を作ることで、重量のある画像表示素子100を後方に配置できるため、虚像表示装置1000をメガネ型とした場合に、前方重量を低減でき、着け心地の良いメガネ型虚像表示装置を実現できる。
FIG. 12 is a diagram showing the optical system layout of the virtual image display device 1000 according to this embodiment.
The optical system 200 in FIG. 12 forms an intermediate image of the light emitted from the image display element 100 once, generates substantially collimated light, and causes the light to enter the light guide member 300 . By once forming an intermediate image in this way, the heavy image display element 100 can be arranged at the rear. Therefore, when the virtual image display device 1000 is a spectacles type, the front weight can be reduced, and the spectacles type virtual image is comfortable to wear. A display device can be realized.

もちろん、中間像をつくらず、図1で示したように画像表示素子100から略コリメータ光を生成する光学系200で直接導光部材300に光を入射させても良い。図12の導光部材300は図10で示した形状をしており平行平面の部材310が接合されている。図12では画像表示素子100の両端から出た光が光学系200を介して導光部材300に入射した後に目に入る様子を示している。 Of course, the light may be directly incident on the light guide member 300 by the optical system 200 that generates approximately collimated light from the image display element 100 as shown in FIG. 1 without forming an intermediate image. A light guide member 300 in FIG. 12 has the shape shown in FIG. 10, and a parallel plane member 310 is joined. FIG. 12 shows how light emitted from both ends of the image display device 100 enters the eye after entering the light guide member 300 via the optical system 200 .

図13は、本実施形態に係る虚像表示装置1000におけるスポットダイアグラムの説明図である。 FIG. 13 is an explanatory diagram of a spot diagram in the virtual image display device 1000 according to this embodiment.

図13に示すように、スポットダイアグラムを計算した位置は、点A(0,0)、点B(2.3,0)、点C(-2.3,0)、点D(0,1.5)、点E(0,-1.5)である。 As shown in FIG. 13, the positions for which the spot diagram was calculated are point A (0, 0), point B (2.3, 0), point C (-2.3, 0), point D (0, 1 .5), the point E(0,-1.5).

図14~図18は、本実施形態に係る虚像表示装置1000の点A~点Eにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。 14 to 18 are diagrams obtained by simulating spot diagrams at points A to E of the virtual image display device 1000 according to this embodiment.

図19は、本実施形態に係る虚像表示装置1000の各種例の使用状態を示す図である。
図19(a)、(b)及び(c)は、導光部材300を眼鏡型の虚像表示装置すなわちHMDに適用した場合を例示する。
FIG. 19 is a diagram showing usage states of various examples of the virtual image display device 1000 according to the present embodiment.
FIGS. 19A, 19B, and 19C illustrate a case where the light guide member 300 is applied to a glasses-type virtual image display device, ie, an HMD.

図19(a)に示す例は、一つの導光部材300を両眼用のHMDに適用した場合であり、導光部材300の光線入射部301と、光線入射部301から入射した画像光を導光部材300内部に導光するミラー350を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。導光部材300は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部500に固定される。図26ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部500は、導光部材300の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。 The example shown in FIG. 19A is a case where one light guide member 300 is applied to a binocular HMD. A mirror 350 that guides light into the light guide member 300 is arranged on the right side of the virtual image observer, ie, the user. The light guide member 300 is fixed to a frame portion 500 that serves as a temple that is worn over the user's ear. Although the frame portion is simplified in FIG. 26, the frame portion 500 can have a shape that covers not only both end sides of the light guide member 300 but also the upper edge and the lower edge.

他方、図19(b)及び(c)に示す例は、一つの導光部材300を小型化してHMDに適用した場合である。図19(b)に示す例は、両眼用のHMDとして二つの導光部材300をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各導光部材300の光入射部8は、左右外側に配置される。また、図19(c)は単眼用のHMDとして一つの導光部材300をユーザの左右どちらかの目の位置に対応させて配置した場合である。 On the other hand, the examples shown in FIGS. 19B and 19C are cases in which one light guide member 300 is miniaturized and applied to an HMD. The example shown in FIG. 19(b) is a case where two light guide members 300 are arranged corresponding to the positions of the user's left and right eyes as a binocular HMD. 8 are arranged on the left and right outer sides. FIG. 19(c) shows a monocular HMD in which one light guide member 300 is arranged so as to correspond to the position of either the left or right eye of the user.

なお、図19では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部500に取り付けることができる。すなわち、図19(a)及び(c)に示す例では光源52、画像表示素子100及び光学系200を右目側のフレーム部に、図19(b)に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。 Although illustration of the virtual image optical system and the light source is omitted in FIG. 19, these can be attached to the frame section 500. 19A and 19C, the light source 52, the image display device 100, and the optical system 200 are placed in the right-eye frame portion, and in the example shown in FIG. should be attached to

図19に示す例では、導光部材300を眼鏡型のHMDに適用した場合について説明した。また、上述した各実施形態の導光部材300は、他の種類のHMDにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ(HUD)にも適用できる。各実施形態の導光部材は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。 In the example shown in FIG. 19, the case where the light guide member 300 is applied to an eyeglass-type HMD has been described. Moreover, the light guide member 300 of each of the embodiments described above can be applied to other types of HMDs, and can also be applied to head-up displays (HUDs). The light guide member of each embodiment is particularly suitable for virtual image display of an original image formed by light beams optically modulated by microdevices.

前述したように、導光部材300を眼鏡のようにして人の顔に装着できるようにすることができる。そして、画像表示素子などの画像光を、コリメートして光線入射部301から入射すると、既に述べたとおり、画像表示素子などの画像を虚像として観察することができる。導光部材300は透明体であるため、上記画像とともに周囲の情景を観察することができる。 As described above, the light guide member 300 can be worn on a person's face like eyeglasses. Then, when the image light of the image display device or the like is collimated and entered from the light incident portion 301, as already described, the image of the image display device or the like can be observed as a virtual image. Since the light guide member 300 is a transparent body, the surrounding scene can be observed together with the image.

導光部材300の厚みは1mm~4mm程度であり、材質は樹脂であることが望ましく、そのように構成すると十分に軽くなり、ユーザの鼻への負担が小さく、使いやすい。 The thickness of the light guide member 300 is about 1 mm to 4 mm, and the material is preferably resin. Such a configuration makes the light guide member 300 sufficiently light, reduces the burden on the user's nose, and is easy to use.

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る導光部材300は、導光された画像光を外部に射出する界面(境界面)の一例である光線射出部304と、画像光を光線射出部304に向けて反射して光線射出部304から射出させる反射面の一例である第1面305と、を備え、第1面305は、画像光が導光される方向において複数配置されており、複数の第1面305のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第1面305Fは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第1面305B、305Dに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜する。
●Summary●
As described above, the light guide member 300 according to one embodiment of the present invention includes the light beam emitting portion 304, which is an example of an interface (boundary surface) for emitting the guided image light to the outside, and the light beam emitting portion 304 that emits the image light. and a first surface 305, which is an example of a reflecting surface that reflects toward the light emitting unit 304 and emits the light from the light emitting unit 304. A plurality of the first surfaces 305 are arranged in the direction in which the image light is guided. Among the plurality of first surfaces 305, the downstream first surface 305F arranged on the downstream side in the direction in which the image light is guided is the upstream side arranged on the upstream side in the direction in which the image light is guided. With respect to the side first surfaces 305B and 305D, the side first surfaces 305B and 305D are inclined in a direction in which the distance from the light beam exiting portion 304 is increased on the downstream side in the direction in which the image light is guided.

これにより、上流側第1面305B、305Dで反射して光線射出部304から射出する射出光と、下流側第1面305Fで反射して光線射出部304から射出する射出光のなす角度を、上流側第1面305B、305Dに入射する入射光と、下流側第1面305Fに入射する入射光のなす角度よりも大きくすることができる。 As a result, the angle formed by the light reflected by the first upstream surfaces 305B and 305D and emitted from the light emitting portion 304 and the light emitted from the light emitting portion 304 after being reflected by the first downstream surface 305F is The angle formed by the incident light incident on the upstream first surfaces 305B and 305D and the incident light incident on the downstream first surface 305F can be made larger.

下流側の第1面305B~305Eのそれぞれは、上流側第1面305Aに対して画像光が導光される方向における下流側に配置されるほど、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜する傾斜角度が大きくなるように形成される。 Each of the downstream side first surfaces 305B to 305E is positioned further downstream in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream side first surface 305A, the further downstream in the direction in which the image light is guided. , the angle of inclination is increased in the direction in which the distance from the light emitting portion 304 is increased.

他の形態として、第1面305A~305Eの傾斜角度は、全て異なっていなくてもよく、例えば、第1面305Bと305Dの間に配置される第1面305Cは、第1面305Bおよび305Dの何れか一方と平行になるように形成されても良い。 Alternatively, the angles of inclination of the first surfaces 305A-305E may not all be different, for example, the first surface 305C located between the first surfaces 305B and 305D may may be formed so as to be parallel to either one of

また、上流側第1面305B、305Dに入射する入射光と、下流側第1面305Fに入射する入射光が平行の場合、非平行の入射光を導光することに起因する色ズレ等の問題が生じること無く、導光部材300により、上流側第1面305B、305Dで反射して光線射出部304から射出する射出光と、下流側第1面305Fで反射して光線射出部304から射出する射出光を発散光にすることができる。 In addition, when the incident light incident on the upstream side first surfaces 305B and 305D and the incident light incident on the downstream side first surface 305F are parallel, color misregistration and the like caused by guiding non-parallel incident light may occur. Without causing any problem, the light guide member 300 allows the emitted light reflected by the upstream side first surfaces 305B and 305D to be emitted from the light emitting section 304, and the light reflected by the downstream side first surface 305F to be emitted from the light emitting section 304. Emitted light can be divergent light.

下流側第1面305Fは、画像光が導光される方向における上流側に隣り合って配置される上流側第1面305Eに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜する。 The downstream side first surface 305F emits light rays downstream in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream side first surface 305E, which is arranged adjacent to the upstream side in the direction in which the image light is guided. It inclines in the direction in which the distance from the portion 304 increases.

これにより、隣り合って配置される上流側第1面305Eと、下流側第1面305Fでそれぞれ反射して光線射出部304から射出するそれぞれの射出光のなす角度を、上流側第1面305Eと、下流側第1面305Fに入射するそれぞれの入射光のなす角度よりも大きくすることができる。 As a result, the angle formed by the light reflected by the upstream first surface 305E and the downstream first surface 305F, which are arranged adjacent to each other, and emitted from the light emitting portion 304 is , the angle can be made larger than the angle formed by each incident light incident on the downstream side first surface 305F.

下流側第1面305Fが、上流側第1面305Eに対して傾斜する角度は、0.002度より大きく、0.210度より小さい。 The angle at which the downstream first surface 305F is inclined with respect to the upstream first surface 305E is greater than 0.002 degrees and less than 0.210 degrees.

これにより、隣り合って配置される上流側第1面305Eと、下流側第1面305Fでそれぞれ反射して光線射出部304から射出する2つの射出光により虚像を形成する場合には、虚像距離を0.3~2m程度にできる。 As a result, when a virtual image is formed by two light beams reflected by the adjacent upstream first surface 305E and downstream first surface 305F and emitted from the light beam emitting portion 304, the virtual image distance can be set to about 0.3 to 2 m.

下流側第1面305Fが、上流側第1面305Eに対して傾斜する角度が、上限値である0.210度を超えると,虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。一方、下流側第1面305Fが、上流側第1面305Eに対して傾斜する角度が、下限値である0.002度に満たないと、虚像距離がほぼ無限遠となる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。 When the angle at which the downstream first surface 305F is inclined with respect to the upstream first surface 305E exceeds the upper limit value of 0.210 degrees, the virtual image distance becomes too close, making it difficult for the user to focus on the virtual image. . On the other hand, if the angle at which the downstream first surface 305F is inclined with respect to the upstream first surface 305E is less than the lower limit of 0.002 degrees, the virtual image distance becomes almost infinite. On the other hand, in this embodiment, the user can easily focus on the virtual image while making the virtual image distance finite.

複数の第1面305A~305Eのそれぞれは、凸形状に形成される。一例として、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの光線射出部304(X-Z面)に平行な断面における形状は、画像光の導光方向であるZ方向において、画像光の導光方向の上流側に凸形状に形成される。 Each of the plurality of first surfaces 305A-305E is formed in a convex shape. As an example, the shape of each of the plurality of first surfaces 305A to 305E in the cross section parallel to the light beam exiting portion 304 (XZ plane) is the same as the image light guiding direction in the Z direction, which is the image light guiding direction. is formed in a convex shape on the upstream side of the .

これにより、複数の第1面305A~305Eのそれぞれに入射する入射光を一例としてX方向に発散させて光線射出部304から射出することができる。複数の第1面305A~305Eのそれぞれで反射して光線射出部304から射出する射出光により、複数の第1面305A~305Eのそれぞれ毎に虚像を形成する場合には、虚像距離を有限にすることができる. As a result, incident light incident on each of the plurality of first surfaces 305A to 305E can be diverged in the X direction, for example, and emitted from the light emitting section 304. FIG. When a virtual image is formed for each of the plurality of first surfaces 305A to 305E by the emitted light reflected by each of the plurality of first surfaces 305A to 305E and emitted from the light emitting portion 304, the virtual image distance is finite. can do.

複数の第1面305A~305Eのそれぞれは、曲面形状に形成される。一例として、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの形状は、X-Z面に平行な断面で曲線形状となるような曲面形状に形成される。他の形態として、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの形状は、X-Z面に平行な断面で複数の直線で形成される形状となるような多面体形状に形成されても良い。 Each of the plurality of first surfaces 305A-305E is formed in a curved shape. As an example, each of the plurality of first surfaces 305A to 305E is formed in a curved shape such that a section parallel to the XZ plane has a curved shape. As another form, each of the plurality of first surfaces 305A to 305E may be formed in a polyhedral shape such that a cross section parallel to the XZ plane is formed by a plurality of straight lines.

複数の第1面305A~305Eのそれぞれの曲率半径は、800mmより大きく10000mmより小さい。 The radius of curvature of each of the plurality of first surfaces 305A-305E is larger than 800 mm and smaller than 10000 mm.

これにより、複数の第1面305A~305Eのそれぞれで反射して光線射出部304から射出する発散光により、複数の第1面305A~305Eのそれぞれ毎に虚像を形成する場合には、虚像距離を0.3~2m程度にできる。 As a result, when a virtual image is formed for each of the plurality of first surfaces 305A to 305E by the divergent light reflected by each of the plurality of first surfaces 305A to 305E and emitted from the light beam emitting portion 304, the virtual image distance can be set to about 0.3 to 2 m.

複数の第1面305A~305Eのそれぞれの曲率半径が、上限値である10000mmを超えると、虚像距離がほぼ無限遠となる。一方、複数の第1面305A~305Eのそれぞれの曲率半径が、下限値である800mmに満たないと、虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。 When the radius of curvature of each of the plurality of first surfaces 305A to 305E exceeds the upper limit of 10000 mm, the virtual image distance becomes almost infinite. On the other hand, if the radius of curvature of each of the plurality of first surfaces 305A to 305E is less than the lower limit of 800 mm, the virtual image distance becomes too close, making it difficult for the user to focus on the virtual image. On the other hand, in this embodiment, the user can easily focus on the virtual image while making the virtual image distance finite.

隣り合う2つの第1面305E、305Fの間に、光線射出部304に平行に対向する第2面306Fを有する。 Between two adjacent first surfaces 305E and 305F, there is a second surface 306F facing parallel to the light emitting portion 304. As shown in FIG.

これにより、2つの第1面305E、305Fのそれぞれで反射して光線射出部304から射出する2つの発散光により虚像を形成する場合には、広画角でありながら、瞳を拡大できてアイボックスを確保できる。また、導光部材300の奥側の第1面305までより多くの光を到達させることができる。 Accordingly, when a virtual image is formed by two diverging lights reflected by the two first surfaces 305E and 305F and emitted from the light emitting section 304, the pupil can be enlarged and the eye can be enlarged while the angle of view is wide. You can secure the box. Further, more light can reach the first surface 305 on the far side of the light guide member 300 .

複数の第1面305A~305Dが配置される方向における対向面の両端部を結ぶ距離Wは、0.1mmより長く3mmより小さい。これにより、広画角でありながら、アイボックスを確保できる。 A distance W connecting both ends of the opposing surfaces in the direction in which the plurality of first surfaces 305A to 305D are arranged is longer than 0.1 mm and smaller than 3 mm. As a result, it is possible to secure an eyebox while maintaining a wide angle of view.

目の大きさを3mmとして、上限値である3mmを超えると、目に届かない画角の光が発生し、下限値である0.1mmに満たないと、平面の幅が小さくなりすぎ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることが困難になる。これに対して、本実施形態では、光量を確保しつつ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることができる。 Assuming that the size of the eye is 3 mm, if the upper limit of 3 mm is exceeded, light with an angle of view that does not reach the eye is generated. It becomes difficult to enlarge the eye box while maintaining the angle of view. On the other hand, in the present embodiment, it is possible to increase the eyebox while ensuring the light amount and the wide angle of view.

複数の第1面305A~305Dが配置される方向における第1面305Bの両端部を結ぶ距離lが、0.1mmより長く1mmより小さい。 A distance l connecting both ends of the first surface 305B in the direction in which the plurality of first surfaces 305A to 305D are arranged is longer than 0.1 mm and smaller than 1 mm.

上限値である1mmを超えると、導光部材300を通して外を見る際に第1面305が邪魔になる。下限値である0.1mmに満たないと、回折限界により解像度が低くなる。これに対して、本実施形態では、導光部材300を通して外を見やすくしつつ、解像度を高くすることができる。 If the upper limit of 1 mm is exceeded, the first surface 305 becomes an obstacle when looking outside through the light guide member 300 . If the lower limit of 0.1 mm is not reached, the resolution will be low due to the diffraction limit. On the other hand, in this embodiment, it is possible to improve the resolution while making it easier to see the outside through the light guide member 300 .

複数の第1面305の数numは、10から25の範囲内である。上限値である25個を超えると、導光部材300を通して外を見る際に第1面305が邪魔になる。下限値である10個に満たないと、水平方向のアイボックスが狭くなり、視野角も狭くなる。これに対して、本実施形態では、導光部材300を通して外を見やすくしつつ、水平方向のアイボックスが広くなり、視野角も広くなる。 The number num of the plurality of first surfaces 305 is within the range of 10-25. If the number exceeds the upper limit of 25, the first surface 305 becomes an obstacle when looking outside through the light guide member 300 . If the lower limit of 10 is not reached, the eyebox in the horizontal direction will become narrower, and the viewing angle will also become narrower. On the other hand, in the present embodiment, it is easy to see outside through the light guide member 300, and the eyebox in the horizontal direction is widened, and the viewing angle is widened.

下流側第1面305に入射する入射光と、上流側第1面305に入射する入射光は、ほぼ平行である。これにより、上流側第1面305と下流側第1面305に入射する平行光を、発散光として射出することができる。 The incident light incident on the downstream side first surface 305 and the incident light incident on the upstream side first surface 305 are substantially parallel. As a result, parallel light incident on the upstream first surface 305 and the downstream first surface 305 can be emitted as divergent light.

本発明の一実施形態に係る表示装置の一例である虚像表示装置1000は、導光部材300と、画像光を射出する画像表示素子100と、画像光を導光部材に入射させる入射光学系の一例である光学系200と、を備え、導光部材300は、導光された画像光を外部に射出する光線射出部304と、画像光を光線射出部304に向けて反射して光線射出部304から射出させる第1面305と、を備え、記第1面305は、画像光が導光される方向において複数配置されており、記複数の第1面305のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第1面305Fは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第1面305B、305Dに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部304との距離が大きくなる方向に傾斜する。 A virtual image display device 1000, which is an example of a display device according to an embodiment of the present invention, includes a light guide member 300, an image display element 100 that emits image light, and an incident optical system that causes the image light to enter the light guide member. The light guide member 300 includes an optical system 200 that is an example, and the light guide member 300 includes a light beam emitting portion 304 that emits the guided image light to the outside, and a light beam emitting portion 304 that reflects the image light toward the light beam emitting portion 304. a plurality of first surfaces 305 are arranged in the direction in which the image light is guided, and among the plurality of first surfaces 305, the image light is guided; The downstream first surface 305F arranged on the downstream side in the direction in which the image light is guided to the upstream first surfaces 305B and 305D arranged on the upstream side in the direction in which the image light is guided. It is tilted in a direction in which the distance from the light beam emitting portion 304 is increased on the downstream side in the direction in which the beam is projected.

これにより、導光部材300は、上流側第1面305B、305Dで反射して光線射出部304から射出する射出光と、下流側第1面305Fで反射して光線射出部304から射出する射出光のなす角度を、上流側第1面305B、305Dに入射する入射光と、下流側第1面305Fに入射する入射光のなす角度よりも大きくすることにより、虚像距離を短くすることができる。 As a result, the light guide member 300 has an output light reflected by the first surfaces 305B and 305D on the upstream side and emitted from the light emitting portion 304, and an output light reflected by the first surface 305F on the downstream side and emitted from the light emitting portion 304. The virtual image distance can be shortened by making the angle formed by the light larger than the angle formed by the incident light incident on the upstream side first surfaces 305B and 305D and the incident light incident on the downstream side first surface 305F. .

また、光学系200から導光部材300に入射する入射光が平行の場合、非平行の入射光を導光することに起因して、虚像が二重に観察される画素ずれ等の問題が生じることが無く、導光部材300により、上流側第1面305B、305Dで反射して光線射出部304から射出する射出光と、下流側第1面305Fで反射して光線射出部304から射出する射出光を発散光にして、虚像距離を有限にすることができる。 In addition, when the incident light incident on the light guide member 300 from the optical system 200 is parallel, a problem such as a pixel shift in which a virtual image is double observed occurs due to the non-parallel incident light being guided. The light guide member 300 reflects the light from the first surfaces 305B and 305D on the upstream side and exits from the light emitting portion 304, and the first surface 305F on the downstream side reflects the light from the light emitting portion 304. The virtual image distance can be made finite by making the emitted light divergent light.

100 画像表示素子
200 入射光学系(光学系)
201 光線射出部304に対する反射角θの最小値θ1で伝搬する光
202 光線射出部304に対する反射角θの最大値θ2で伝搬する光
300 導光部材
301 光線入射部
302 導光部
303 画像取り出し部
304 光線射出部(界面、境界面)
305 第1面(反射面、第1の傾斜面)
306 第2面(対向面)
307 第3面(第2の傾斜面)
310 平行平面の部材
1000 虚像表示装置(表示装置)
100 image display element 200 incident optical system (optical system)
201 Light 202 that propagates at the minimum value θ1 of the reflection angle θ with respect to the light emitting portion 304 Light 300 that propagates at the maximum value θ2 of the reflection angle θ with respect to the light emitting portion 304 Light guide member 301 Light incident portion 302 Light guide portion 303 Image extraction portion 304 ray exit part (interface, boundary surface)
305 first surface (reflective surface, first inclined surface)
306 second surface (opposing surface)
307 Third surface (second inclined surface)
310 parallel plane member 1000 virtual image display device (display device)

Claims (12)

導光された画像光を外部に射出する界面と、
前記画像光を前記界面に向けて反射して前記界面から射出させる反射面と、
を備え、
前記反射面は、前記画像光が導光される方向において複数配置されており、
前記複数の反射面のうち、前記画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側反射面は、前記画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側反射面に対して、前記画像光が導光される方向における下流側で前記界面との距離が大きくなる方向に傾斜する導光部材。
an interface for emitting the guided image light to the outside;
a reflecting surface that reflects the image light toward the interface and emits the image light from the interface;
with
A plurality of the reflective surfaces are arranged in a direction in which the image light is guided,
Among the plurality of reflecting surfaces, the downstream reflecting surface arranged downstream in the direction in which the image light is guided is the upstream reflecting surface arranged in the upstream in the direction in which the image light is guided. , the light guide member is inclined in a direction in which the distance from the interface increases on the downstream side in the direction in which the image light is guided.
前記下流側反射面は、前記画像光が導光される方向における上流側に隣り合って配置される前記上流側反射面に対して、前記画像光が導光される方向における下流側で前記界面との距離が大きくなる方向に傾斜する請求項1記載の導光部材。 The downstream-side reflecting surface is located downstream in the direction in which the image light is guided with respect to the upstream-side reflecting surface arranged adjacent to the upstream side in the direction in which the image light is guided. 2. The light guide member according to claim 1, which is inclined in a direction in which the distance from the . 前記下流側反射面が、前記上流側反射面に対して傾斜する角度は、0.002度より大きく、0.210度より小さい請求項2記載の導光部材。 3. The light guide member according to claim 2, wherein an angle at which the downstream reflecting surface is inclined with respect to the upstream reflecting surface is larger than 0.002 degrees and smaller than 0.210 degrees. 前記複数の反射面のそれぞれは、凸形状に形成される請求項1~3の何れか記載の導光部材。 4. The light guide member according to any one of claims 1 to 3, wherein each of said plurality of reflecting surfaces is formed in a convex shape. 前記複数の反射面のそれぞれは、曲面形状に形成される請求項4記載の導光部材。 5. The light guide member according to claim 4, wherein each of the plurality of reflective surfaces is curved. 前記複数の反射面のそれぞれの曲率半径は、800mmより大きく10000mmより小さい請求項5記載の導光部材。 6. The light guide member according to claim 5, wherein the radius of curvature of each of the plurality of reflecting surfaces is larger than 800 mm and smaller than 10000 mm. 隣り合う2つの前記反射面の間に、前記界面に平行に対向する対向面を有する、請求項1~6の何れか記載の導光部材。 7. The light guide member according to any one of claims 1 to 6, further comprising a facing surface facing parallel to said interface between said two adjacent reflecting surfaces. 前記複数の反射面が配置される方向における前記対向面の両端部を結ぶ距離が、0.1mmより長く3mmより小さい、請求項7記載の導光部材。 8. The light guide member according to claim 7, wherein a distance connecting both ends of said facing surface in a direction in which said plurality of reflecting surfaces are arranged is longer than 0.1 mm and smaller than 3 mm. 前記複数の反射面が配置される方向における前記反射面の両端部を結ぶ距離が、0.1mmより長く1mmより小さい、請求項1~8の何れか記載の導光部材。 9. The light guide member according to any one of claims 1 to 8, wherein a distance connecting both ends of said reflecting surfaces in a direction in which said plurality of reflecting surfaces are arranged is longer than 0.1 mm and smaller than 1 mm. 前記複数の反射面の数は、10から25の範囲内である、請求項1~9の何れか記載の導光部材。 The light guide member according to any one of claims 1 to 9, wherein the number of said plurality of reflective surfaces is within a range of 10 to 25. 前記下流側反射面に入射する入射光と、前記上流側反射面に入射する入射光は、ほぼ平行である請求項1~10の何れか記載の導光部材。
The light guide member according to any one of claims 1 to 10, wherein the incident light incident on the downstream reflecting surface and the incident light incident on the upstream reflecting surface are substantially parallel.
請求項1~10の何れか記載の導光部材と、
前記画像光を射出する画像表示素子と、
前記画像光を前記導光部材に入射させる入射光学系と、を備える表示装置。
a light guide member according to any one of claims 1 to 10;
an image display element that emits the image light;
and an incident optical system that causes the image light to enter the light guide member.
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