JP5732808B2 - Virtual image display device - Google Patents
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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等の虚像表示装置に関する。 The present invention relates to a virtual image display device such as a head mounted display that is 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。このような虚像表示装置として、表示された映像と同時に外界も見ることができるように、表示装置の光路上にハーフミラーを設けたものがある(特許文献1、2参照)。 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. As such a virtual image display device, there is one in which a half mirror is provided on the optical path of the display device so that the outside world can be seen simultaneously with the displayed image (see Patent Documents 1 and 2).
上記のような装置では、外界光が明るい場合、外界光に比べて映像の輝度が低くなるため、映像のコントラストが低下して見にくくなる。これを改善することを目的として、外界光を遮断する遮光部材を設け、必要に応じて遮光部材をハーフミラーの前方に出し入れするものが存在する(特許文献3参照)。 In such a device, when the external light is bright, the brightness of the video is lower than that of the external light, so that the contrast of the video is lowered and is difficult to see. In order to improve this, there is a light shielding member that blocks external light, and the light shielding member is taken in and out of the half mirror as required (see Patent Document 3).
なお、以上とは異なるタイプの虚像表示装置として、全反射を利用して映像光を導く薄板状の導光板を有するとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から外部に取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている(特許文献4、5参照)。 As a virtual image display device of a different type from the above, it has a thin light guide plate that guides image light using total reflection, and is arranged parallel to each other at a predetermined angle with respect to the main surface of the light guide plate. It is known that image light is reflected by a plurality of partial reflection surfaces and extracted from a light guide plate to reach the observer's retina (see Patent Documents 4 and 5).
しかしながら、遮光部材をハーフミラーの前方に出し入れする虚像表示装置の場合、遮光部材を使用していない状態では遮光部材が突起して邪魔になり、また、遮光部材の出し入れの操作が不便である。 However, in the case of a virtual image display device in which the light shielding member is taken in and out in front of the half mirror, the light shielding member protrudes and obstructs when the light shielding member is not used, and the operation of taking in and out the light shielding member is inconvenient.
なお、導光板を用いた虚像表示装置の場合、眼鏡的に装着される場合が多く、かさばる出し入れ用の機構付きの遮光部材を付加することには無理がある。 In the case of a virtual image display device using a light guide plate, it is often worn like glasses, and it is impossible to add a light shielding member with a bulky mechanism for taking in and out.
そこで、本発明は、導光板を用いた虚像表示装置であって、外界を観察することができるとともに外界光によって映像の観察が妨げられることを簡易な手法で防止できる虚像表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a virtual image display device using a light guide plate, which can observe the outside world and can prevent the observation of images from being disturbed by outside light by a simple method. With the goal.
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、(a)外界光の少なくとも一部を観察側に通過させる導光板と、(b)導光板の外界側に対向して配置されて、外界光の透過状態を調整する光学素子と、(c)光学素子の動作を電気的に制御する調光制御部とを備え、導光板は、(a1)画像光を内部に取り込む光入射部と、(a2)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、(a3)所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出す画像取り出し部とを有し、光学素子は、(b1)画像取り出し部に視野上で重なる第1領域と、(b2)複数の反射面を除いた周囲と視野上で重なる第1周囲領域と、(b3)複数の反射面のうち光射出面に視野上で重ならない反射面と視野上で重なる第2周囲領域と、を有し、調光制御部は、第1領域の透過率と第1周囲領域の透過率と第2周囲領域の透過率とを独立して制御し、第1領域及び第2周囲領域の透過率を第1周囲領域の透過率よりも高くする。
In order to solve the above problems, a virtual image display device according to the present invention is (a) a light guide plate that allows at least a part of external light to pass to the observation side, and (b) an opposition to the external side of the light guide plate. An optical element that adjusts the transmission state of the external light; and (c) a light control unit that electrically controls the operation of the optical element, and the light guide plate includes (a1) a light incident unit that captures image light inside And (a2) a light guide unit having first and second total reflection surfaces extending opposite to each other, and guiding image light taken in from the light incident unit by total reflection on the first and second total reflection surfaces And (a3) an image take-out unit that has a plurality of reflection surfaces arranged in a predetermined arrangement direction and takes out image light incident through the light guide unit by converting the angle by reflection on the plurality of reflection surfaces to the outside. The optical element includes: (b1) a first region that overlaps the image extraction unit in the field of view; and (b2) a plurality of optical elements. A first peripheral area overlapping on ambient and the field excluding the reflecting surface, and a second peripheral area overlapping with the reflective surface and the field on which they do not overlap on the visual field (b3) a plurality of reflecting surfaces sac Chi light exit plane Yes, and the dimming control unit, the transmittance of the first region and the transmittance of the first peripheral region and the transmittance of the second peripheral region independently controlled, the transmittance of the first region and the second peripheral region Is higher than the transmittance of the first surrounding region .
上記虚像表示装置では、導光板の外界側に対向して配置された光学素子が、調光制御部の制御下で外界光の透過状態を調整するので、外界光が比較的強い場合等において、外界光によって映像の観察が妨げられることを防止できる。この際、光学素子は、電気的に制御されるものであり機械機構を伴わないので、外界光の透過状態を調整するための操作が比較的簡易になる。さらに、光学素子が、第1領域と第1周囲領域と第2周囲領域とを有しているので、外界光に対する導光部の透過率と外界光に対する複数の反射面の透過率との間に差があっても、第1領域及び第2周囲領域と第1周囲領域との間にオフセットとして透過率差を持たせることで、両者の差を見かけ上減少させることができる。
In the virtual image display device, since the optical element disposed facing the outside of the light guide plate adjusts the transmission state of the outside light under the control of the light control unit, in the case where the outside light is relatively strong, It is possible to prevent the observation of images from being hindered by external light. At this time, since the optical element is electrically controlled and does not involve a mechanical mechanism, an operation for adjusting the transmission state of external light becomes relatively simple. Further, since the optical element has the first region, the first peripheral region, and the second peripheral region, the optical element has a transmittance between the transmittance of the light guide unit with respect to the ambient light and the transmittance of the plurality of reflecting surfaces with respect to the ambient light. Even if there is a difference, the difference between the first region and the second surrounding region and the first surrounding region can be apparently reduced by providing a transmittance difference as an offset.
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、光学素子が、エレクトロクロミック素子、液晶パネル、及び透過型電圧素子のいずれか1つである。この場合、小型の素子によって正確かつ広範囲の透過率制御が可能になる。 In a specific aspect of the present invention, in the virtual image display device, the optical element is any one of an electrochromic element, a liquid crystal panel, and a transmissive voltage element. In this case, accurate and wide-range transmittance control is possible with a small element.
本発明のさらに別の側面では、光学素子が、導光板に近接して外界側に導光板を覆うように配置される薄板状の部材である。この場合、導光板を光学素子によって省スペースで保護することができ、導光板の表面への接触、汚れの付着等を効果的に防止できる。 In still another aspect of the present invention, the optical element is a thin plate-like member disposed so as to cover the light guide plate on the outside side in the vicinity of the light guide plate. In this case, the light guide plate can be protected by an optical element in a space-saving manner, and contact with the surface of the light guide plate, adhesion of dirt, and the like can be effectively prevented.
本発明のさらに別の側面では、光学素子が、導光板のうち画像取り出し部に対向して視野上で重なる第1領域と、画像取り出し部に視野上で重ならない第2領域とを有し、調光制御部は、第1領域の透過率と第2領域の透過率とを独立して制御する。この場合、画像光による映像と外界光による外界像とが重なる第1領域の透過率をその周囲から独立して制御することができ、映像と外界像との関係を適宜調整することができる。 In yet another aspect of the present invention, the optical element has a first region that overlaps the visual extraction portion of the light guide plate and overlaps the visual extraction portion, and a second region that does not overlap the visual extraction portion of the optical extraction portion, The dimming control unit controls the transmittance of the first region and the transmittance of the second region independently. In this case, the transmittance of the first region where the image by the image light and the external image by the external light overlap can be controlled independently from the surroundings, and the relationship between the video and the external image can be adjusted as appropriate.
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、第1領域の透過率と2領域の透過率とを調節することにより、画像取り出し部から射出される画像光と背後からの外界光とを重ね合わせて観察側に導く重畳モードと、外界光を全体的に遮光して画像取り出し部から射出される画像光を優先する画像光優先モードと、外界光を全体的に透過させて外界光を優先する外界光優先モードと、第1領域の透過率よりも2領域の透過率を高くして外界光と画像光とを領域別で観察側に導く区分モードとのうち少なくとも1つ以上のモードで動作する。この場合、画像光による映像と外界光による外界像との表示バランスをユーザーの置かれた環境や嗜好に応じて調整することができる。 In still another aspect of the present invention, the dimming control unit adjusts the transmittance of the first region and the transmittance of the two regions to thereby adjust the image light emitted from the image extraction unit and the external light from the back. Superimposing mode that superimposes the light to the observation side, image light priority mode that prioritizes the image light emitted from the image take-out unit by totally shielding the external light, and the external light by totally transmitting the external light At least one of an ambient light priority mode and a sectioning mode in which the transmittance of the two regions is made higher than the transmittance of the first region to guide the ambient light and the image light to the observation side by region. Operate in mode. In this case, the display balance between the image by the image light and the external image by the external light can be adjusted according to the environment and preference in which the user is placed.
本発明のさらに別の側面では、外界光の強度を検出する外光センサーを有し、調光制御部が、外光センサーの出力に基づいて光学素子の透過率を変化させる。この場合、外界の明るさの変化に応じて調整された映像を観察することができる。 In still another aspect of the present invention, an external light sensor that detects the intensity of external light is provided, and the dimming control unit changes the transmittance of the optical element based on the output of the external light sensor. In this case, it is possible to observe an image adjusted according to a change in the brightness of the outside world.
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、外界光の強度が大きいほど光学素子の透過率を低下させる。この場合、画像光による映像のコントラストが外界光に埋もれて低下する等の弊害を抑制できる。 In still another aspect of the present invention, the dimming control unit decreases the transmittance of the optical element as the intensity of external light increases. In this case, it is possible to suppress adverse effects such as a decrease in the contrast of the image due to the image light buried in the external light.
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、導光板から射出された画像光によって形成される虚像のサイズに応じて光学素子の透過率を変化させる。この場合、虚像のサイズ変更に応じて調整された映像を観察することができる。 In still another aspect of the present invention, the dimming control unit changes the transmittance of the optical element in accordance with the size of the virtual image formed by the image light emitted from the light guide plate. In this case, it is possible to observe an image adjusted according to the size change of the virtual image.
本発明のさらに別の側面では、調光制御部が、虚像のサイズに応じて光学素子の透過率を低下させる。この場合、画像光による虚像の輝度やコントラストが像拡大に伴って低下する等の弊害を抑制できる。 In still another aspect of the present invention, the dimming control unit reduces the transmittance of the optical element according to the size of the virtual image. In this case, it is possible to suppress adverse effects such as a decrease in luminance and contrast of a virtual image due to image light as the image is enlarged.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔A.虚像表示装置の外観〕
図1に示す本実施形態に係る虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置100は、一対の光学パネル101,102と、両光学パネル101,102を支持するフレーム104と、フレーム104のヨロイからテンプルにかけての部分に付加された一対の駆動部111,112とを備える。ここで、図面上で左側の光学パネル101と駆動部111とを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の光学パネル102と駆動部112とを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
[A. Appearance of virtual image display device)
A virtual
〔B.片側の表示装置の構造〕
図2(A)に示すように、第1表示装置100Aは、画像形成装置10と、導光板20と、調光板40とを備える。ここで、画像形成装置10は、図1における駆動部111に相当し、導光板20及び調光板40は、図1における光学パネル101に相当する。調光板40は、導光板20よりもひとまわり大きく、導光板20の表側すなわち外界側を全体的に覆うように配置されている。なお、図2(A)は、図2(B)に示す導光板20及び調光板40のA−A断面に対応するものとなっている。
[B. (Structure of display device on one side)
As shown in FIG. 2A, the
画像形成装置10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、2次元的な照明光を射出する照明装置31と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス32とを有する。まず、照明装置31は、赤、緑、青の3色を含む光SLを発生する光源31aと、光源31aからの光SLを拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部31bと、バックライト導光部31bから射出される照明光の配光特性を利用効率を考慮した適切なものに修正する射出角調整部材31cとを有する。液晶表示デバイス32は、照明装置31からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。投射光学系12は、液晶表示デバイス32上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。
The
導光板20の全体的な外観は、図中YZ面に平行に延びる平板である導光板本体部20aによって形成されている。また、導光板20は、長手方向の一端において導光板本体部20aに埋め込まれた多数の半透過性の微小ミラーによって構成される角度変換部23を有し、長手方向の他端において導光板本体部20aを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する入射光折曲部21を有する構造となっている。
The overall appearance of the
導光板本体部20aは、光透過性の樹脂材料等により形成され、YZ面に平行で画像形成装置10に対向する裏側又は観察側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ISと、画像光を観察者の眼EYに向けて射出させる光射出部である光射出面OSとを有している。導光板本体部20aは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有する。また、導光板本体部20aにおいて、光射出面(光射出部)OSとこれに対向する表側又は外界側の平面との間であって当該平面寄りに、微細構造である角度変換部23が形成されている。裏の観察側の光射出面OSと、表の外界側の角度変換部23のうち光射出面OSに視野上で重なる矩形部分とは、画像光の角度を変換して外部(具体的には裏側即ち観察側)へ取出すための画像取り出し部90として機能している。
The light guide plate
導光板本体部20aの光入射面ISに対向し傾斜して配置されるミラー層21aとしての入射光折曲部21は、導光板本体部20aの上記斜面RS上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部21は、光入射部である光入射面ISから入射し全体として−X方向に向かう画像光を、全体として+X方向に偏った+Z方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部20a内に確実に結合させる。
The incident
また、導光板本体部20aは、入口側の入射光折曲部21から奥側の角度変換部23にかけて、入射光折曲部21を介して内部に入射させた画像光を角度変換部23に導くための導光部22を有している。
In addition, the light guide plate
導光部22は、平板状の導光板本体部20aの主面であり互いに対向しYZ面に対して平行に延びる2平面として、入射光折曲部21で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1の全反射面22aと第2の全反射面22bとを有している。ここでは、第1の全反射面22aが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとし、第2の全反射面22bが画像形成装置10に近い裏側又は観察側にあるものとする。この場合、第2の全反射面22bは、光入射面IS及び光射出面OSと共通の面部分となっている。入射光折曲部21で反射された画像光は、まず、第2の全反射面22bに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第1の全反射面22aに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板20の奥側即ち角度変換部23を設けた+Z側に導かれる。なお、第1及び第2の全反射面22a,22bには、反射コートが施されておらず、両全反射面22a,22bに外界側から入射する外界光は、高い透過率で導光部22を通過する。つまり、導光部22は,外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
The
画像取り出し部90のうち角度変換部23は、導光部22の奥側(+Z側)において、第1の全反射面22aの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部23は、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。つまり、角度変換部23は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部23に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。また、角度変換部23は、半透過性の微小ミラーで形成されていることから、多少の減光があるが外界像の透視が可能になっている。角度変換部23の詳しい構造については、図4(A)等により後述する。
Of the
なお、導光板本体部20aに用いる透明樹脂材料の屈折率nは、1.5以上の高屈折率材料であるものとする。導光板20に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板20内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板20内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。
In addition, the refractive index n of the transparent resin material used for the light-guide plate main-
導光板20が以上のような構造を有することから、画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光板20に入射した画像光は、入射光折曲部21で一様に反射されて折り曲げられ、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて繰り返し全反射されて光軸OAに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部23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(光射出部)OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、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、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
Since the
調光板40は、薄板状の光学素子であり、エレクトロクロミック素子、液晶パネル、透過型電圧素子等で構成される。調光板40は、導光板20の表側に近接して導光板20の略平行に配置されているが、導光板20よりも広い面積を有して導光板20を表側すなわち外界側から覆っており、導光板20の表面すなわち第1の全反射面22aに物体が接触して損傷が発生したり汚れが付着したりすること等を防止している。
The
図3に示すように、調光板40は、図2(A)に示す導光板20の画像取り出し部90又は光射出面OSに対向しており画像取り出し部90に視野上で重なる矩形の第1領域A0と、導光板20のうち画像取り出し部90を除いた周囲の部分(視野上で画像取り出し部90の上下左右に隣接する部分)に対向しており画像取り出し部90に視野上で重ならない第2領域A1とを有する。さらに、第2領域A1は、導光板20のうち角度変換部23を除いた周囲の部分(視野上で角度変換部23の上下左右に隣接する部分)に対向する第1周囲領域A11と、視野上で画像取り出し部90の上下に隣接する部分に対向する一対の矩形の第2周囲領域A12,A12とを有する。これらの第1領域A0と、第1周囲領域A11と、第2周囲領域A12,A12とは、独立して透過率を調整できるようになっているが、各領域A0,A11,A12,A12の面内における透過率は、略一様で等しいものとなっている。なお、調光板40は、これを例えばエレクトロクロミック素子で構成する場合、図示を省略するが、透明電極を内側に形成した一対の平板ガラスの間にエレクトロクロミック物質を挟んだ構造を有するものとなる。ここで、透明電極の輪郭を適宜設定することにより、上記のような第1領域A0と、第1周囲領域A11と、第2周囲領域A12,A12とを形成するとともに、これらを独立して駆動することができる。また、調光板40を透過型の液晶表示デバイスで構成する場合、調光板40は、図示を省略するが、透明電極を内側に形成した一対の平板ガラスの間に液晶分子を挟んだ液晶パネルと、液晶パネルの表面及び裏面に貼り付けられた一対の偏光フィルターとを備えるものとなる。さらに、調光板40をゲストホスト型の液晶表示デバイスで構成する場合、調光板40は、図示を省略するが、液晶パネル内に液晶分子と色素分子とを挟んだ構造とするだけで足り、偏光フィルターを省略することができる。その他、調光板40を透過型圧電素子で構成する場合、調光板40は、ポッケルス効果を有する板状の部材を透明電極で挟み、その外側に一対の偏光フィルターを配置したものとなる。
As shown in FIG. 3, the
以上において、第1領域A0は画像取り出し部90に対応しており、屋外のように外界光が明るい場合に第1領域A0の透過率を大きくすると、画像取り出し部90からの画像光が外界光に埋もれて映像のコントラストが低下する傾向が生じる。一方、第1周囲領域A11は角度変換部23の周囲の導光部22に対応しており外界光を殆ど減光なく透過させるので、外界光が明るい場合に第1周囲領域A11の透過率を大きくすると、画像取り出し部90を介して観察される映像が周囲よりも暗くなって、観察者にとって見づらいものとなる傾向が生じる。以上のように、外界光の変動により映像の見え方が大きく異なるので、外界光を検出し外界光の強度に応じて各領域A0,A11,A12,A12の透過率を調整することが望ましい。なお、本実施形態の場合、画像取り出し部90の周囲においては、外界光に対する導光部22の透過率と、外界光に対する角度変換部23の透過率とに差があるので、両者の差を見かけ上減少させるために、第1領域A0及び第2周囲領域A12,A12と、第1周囲領域A11との間にオフセットとしての透過率差を予め持たせておくこともできる。
In the above, the first area A0 corresponds to the
なお、第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aを左右反転しただけで、第1表示装置100Aと同様の構造を有するので、第2表示装置100Bの構造については説明を省略する。
Note that the
〔C.画像光の光路〕
まず、図1(A)に示す横断面すなわちXZ面における光路について説明する。横断面において、液晶表示デバイス32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL1とし、射出面32aの紙面右側(−Z側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL2とし、射出面32aの紙面左側(+Z側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL3とする。
[C. (Optical path of image light)
First, the cross section shown in FIG. 1A, that is, the optical path in the XZ plane will be described. In the cross section, among the image light emitted from the liquid
投射光学系12を経た各画像光GL1,GL2,GL3の主要成分は、導光板20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL1,GL2,GL3のうち、液晶表示デバイス32の射出面32aの中央部分から射出された画像光GL1は、平行光束として入射光折曲部21で反射された後、標準反射角γ0で導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。その後、画像光GL1は、標準反射角γ0を保った状態で、第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射を繰り返す。画像光GL1は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、画像取り出し部90に設けた角度変換部23の中央部23kに入射する。画像光GL1は、この中央部23kにおいて所定の角度で反射され、画像取り出し部90の光射出面OSからこの光射出面OSを含むYZ面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。また、液晶表示デバイス32の射出面32aの一端側(−Z側)から射出された画像光GL2は、投射光学系12の通過後に平行光束として光入射面ISに入射し入射光折曲部21で反射された後、最大反射角γ+で導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。画像光GL2は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部23のうち奥側(+Z側)の周辺部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。この際の射出角は、入射光折曲部21側に戻されるようなものになっており、+Z軸に対して鈍角となる。一方、液晶表示デバイス32の射出面32aの他端側(+Z側)から射出された画像光GL3は、投射光学系12の通過後に平行光束として光入射面ISに入射し入射光折曲部21で反射された後、最小反射角γ−で導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。画像光GL3は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部23のうち入口側(−Z側)の周辺部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。この際の射出角は、入射光折曲部21側から離れるようなものになっており、+Z軸に対して鋭角となる。なお、第1及び第2の全反射面22a,22bでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光GL1,GL2,GL3間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どなく、視認上画像ムラ等の影響を感じることはない。
The main components of the image lights GL1, GL2, and GL3 that have passed through the projection
ここで、画像光GL2の反射角γ+はこの導光板20仕様上の最大値になっており、画像光GL3の反射角γ−はこの導光板20仕様上の最小値になっている。よって、他の有効な画像光の導光板20内における伝搬の全反射角は、これらの反射角γ+,γ−の間の値となる。このような反射角の範囲即ち最大反射角γ+と最小反射角γ−との差は、画像形成装置10側における光学設計上の横画角即ちZ方向についての画角に相当するものとなっている。
Here, the reflection angle γ + of the image light GL2 has a maximum value in the
入射光折曲部21及び導光部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=1.5とすると、その臨界角γcの値はγc≒41.8°となり、n=1.6とすると、その臨界角γcの値はγc≒38.7°となる。各画像光GL1,GL2,GL3の反射角γ0,γ+,γ−のうち最小である反射角γ−を上記臨界角γcよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部22内における全反射条件を満たすものにできる。
As an example of the value of the refractive index n of the transparent resin material used for the incident
以上は、横断面すなわちXZ面における光路の説明であったが、縦断面すなわちXY面又はYZ面における光路は比較的簡単である。具体的には、液晶表示デバイス32から射出される画像光のうち、射出面32aのY方向の上下から射出される画像光FL2,FL3は、投射光学系12の通過によってそれぞれ平行光束とされるが、互いにY方向に離間する状態となる(図2(B)参照)。その後、両画像光FL2,FL3は、導光板20内を全反射しながら通過する際に平行光束のまま互いに光軸OAに近づくように集められ、画像取り出し部90に設けた角度変換部23でも相対的な角度を維持した状態で反射され、最終的に画像取り出し部90の光射出面OSの上下端から観察者の眼EYに向かう平行光束として射出される。
The above is the description of the optical path in the transverse section, that is, the XZ plane. Specifically, among the image light emitted from the liquid
〔D.角度変換部〕
以下、図4(A)〜4(C)等を参照して、角度変換部23の構造及び角度変換部23による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
[D. Angle conversion unit
Hereinafter, the structure of the
まず、角度変換部23の構造について説明する。角度変換部23は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット23cで構成される。つまり、角度変換部23は、Y方向に延びる細長い反射ユニット23cを所定のピッチPTで導光部22の延びる第1方向即ちZ方向に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット23cは、奥側即ち光路下流側に配置される1つの反射面部分である第1の反射面23aと、入口側即ち光路上流側に配置される他の1つの反射面部分である第2の反射面23bとを1組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第2の反射面23bは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット23cは、隣接する第1及び第2の反射面23a,23bにより、XZ断面視においてV字又は楔状となっている。より具体的には、第1及び第2の反射面23a,23bは、図2(A)等に示す第1の全反射面22aに平行で反射ユニット23cの配列される配列方向であるZ方向に対して垂直に延びる第2方向即ちY方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第1及び第2の反射面23a,23bは、当該長手方向を軸として、第1の全反射面22aに対してそれぞれ異なる角度(即ちYZ面に対してそれぞれ異なる角度)で傾斜している。結果的に、第1の反射面23aは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第2の反射面23bも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図4(A)等に示す具体例において、各第1の反射面23aは、第1の全反射面22aに対して略垂直な方向(X方向)に沿って延びているものとしている。また、各第2の反射面23bは、対応する第1の反射面23aに対して反時計方向に所定角度(相対角度)αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば54.7°となっているものとする。
First, the structure of the
図4(A)等に示す具体例において、第1の反射面23aは、第1の全反射面22aに対して略垂直であるものとしているが、第1の反射面23aの方向は、導光板20の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第1の全反射面22aに対して−Z方向を基準として時計回りに例えば80°から100°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第2の反射面23bの方向は、第1の全反射面22aに対して−Z方向を基準として時計回りに例えば30°から40°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第2の反射面23bは、第1の反射面23aに対して40°から70°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。
In the specific example shown in FIG. 4A and the like, the first reflecting
なお、一対の反射面23a,23bを含む反射ユニット23cは、例えば下地のV溝の一方の斜面にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、その後の樹脂の充填によって導光板20内に埋め込まれる。
The
以下、角度変換部23による画像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部23の両端側に入射する画像光GL2及び画像光GL3について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。
Hereinafter, bending of the optical path of the image light by the
まず、図4(A)及び4(B)に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γ+で導かれた画像光GL2は、角度変換部23のうち光入射面IS(図2(A)参照)から最も遠い+Z側の周辺部23hに配置された反射ユニット23cに入射する。当該反射ユニット23cにおいて、画像光GL2は、最初に奥側即ち+Z側の第1の反射面23aで反射され、次に、入口側即ち−Z側の第2の反射面23bで反射される。当該反射ユニット23cを経た画像光GL2は、他の反射ユニット23cを経ることなく、図1(A)等に示す光射出面OSから射出される。つまり、画像光GL2は、角度変換部23での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
First, as shown in FIGS. 4A and 4B, the image light GL2 guided by the reflection angle γ + having the largest total reflection angle among the image light is the light incident surface IS of the
また、図4(A)及び4(C)に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γ−で導かれた画像光GL3は、角度変換部23のうち光入射面IS(図2(A)参照)に最も近い−Z側の周辺部23mに配置された反射ユニット23cに入射する。当該反射ユニット23cにおいて、画像光GL3は、画像光GL2の場合と同様に、最初に奥側即ち+Z側の第1の反射面23aで反射され、次に、入口側即ち−Z側の第2の反射面23bで反射される。当該反射ユニット23cを経た画像光GL3は、他の反射ユニット23cを経ることなく、角度変換部23での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
Further, as shown in FIGS. 4A and 4C, the image light GL3 guided at the reflection angle γ − having the smallest total reflection angle is included in the light incident surface IS (see FIG. The light enters the
ここで、上記のような第1及び第2の反射面23a,23bでの2段階での反射の場合、図4(B)及び4(C)に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ=2(R−α)(R:直角)となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部23に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ0,γ+,γ−等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部23のうち+Z側の周辺部23h側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部23のうち−Z側の周辺部23m側に入射させた場合にも、画像光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画像光を取り出す構成であるため、導光板20は、画像光を角度変換部23において複数回通過させず、1回だけ通過させることができ、画像光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。
Here, in the case of the two-stage reflection on the first and second reflecting
また、導光部22の形状や屈折率、角度変換部23を構成する反射ユニット23cの形状等の光学的な設計において、画像光GL2,GL3等が導かれる角度等を適宜調整することで、画像取り出し部90から射出される画像光を、基本の画像光GL1即ち光軸AXを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼EYに入射させることができる。ここでは、一端の画像光GL2のX方向又は光軸AXに対する角度θ2と、他端の画像光GL3のX方向又は光軸AXに対する角度θ3とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。つまり、画像光は、光軸AXを中心にして対称性のある状態で眼EYに対して射出されている。このように、角度θ2と角度θ3との角度が等しく、光軸AXに対して対称性があるとすることで、角度θ2及び角度θ3は、横画角の半分の値である横半画角θとなる。
In addition, in the optical design such as the shape and refractive index of the
なお、既に説明したように、一群の反射ユニット23cを構成する第1の反射面23a又は第2の反射面23bは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼EYに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。角度変換部23を構成する各反射ユニット23cの間隔であるピッチPTの具体的な数値範囲は、0.2mm以上、より好ましくは0.2mm〜1.3mmとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、角度変換部23において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット23cによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。
As already described, the first reflecting
〔E.駆動制御回路〕
以下、図3を参照して、虚像表示装置100の駆動制御回路について説明する。駆動制御回路70は、光源駆動回路71と、液晶駆動回路72と、調光駆動回路73と、光センサー駆動回路74と、主制御部77とを備える。光源駆動回路71は、右眼用の第1表示装置100Aの駆動部111に設けた光源31aと、左眼用の第2表示装置100Bの駆動部112に設けた光源131aとに電力を供給して安定した輝度の光SLを射出させる。液晶駆動回路72は、右眼用の第1表示装置100Aの駆動部111に設けた液晶表示デバイス32に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成し、左眼用の第2表示装置100Bの駆動部112に設けた液晶表示デバイス132に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、両液晶表示デバイス32,132に異なる映像を形成させることもでき、例えば両映像を組み合わせることで3D画像とすることもできる。調光駆動回路73は、右眼用の第1表示装置100Aの光学パネル101に設けた調光板40と、左眼用の第2表示装置100Bの光学パネル102に設けた調光板40とにオン・オフのパターン信号を供給して両調光板40,40の透過率を調整する。光センサー駆動回路74は、外光センサー50,50に電力を供給しつつ外光センサー50,50からの信号を検出して、虚像表示装置100すなわち観察者の周辺の外界光の強度を検出する。主制御部77は、外部からの制御信号や画像信号に基づいて光源駆動回路71や液晶駆動回路72を動作させ、駆動部111,112すなわち液晶表示デバイス32,132等を含む画像表示装置11に表示動作を行わせる。また、主制御部77は、光センサー駆動回路74の出力を監視しつつ、調光駆動回路73を介して調光板40,40の透過率を外界光や観察者の意図に合わせたものに適宜調整する。ここで、各調光板40,40は、第1領域A0と、第1周囲領域A11と、第2周囲領域A12,A12とにおいて独立して制御可能であり、各領域A0,A11,A12,A12の透過率を一致させることもできるが、互いに異なるものとすることもできる。主制御部77は、調光駆動回路73と協働して調光板40,40の透過率を多様に調整しており、調光板40,40の動作を電気的に制御する調光制御部として機能する。
[E. (Drive control circuit)
Hereinafter, the drive control circuit of the virtual
〔F.具体的な動作例〕
以下、図5及び図6を参照して、虚像表示装置100の動作の一例について説明する。まず、主制御部77は、虚像表示装置100の表示モードをチェックする(ステップS11)。虚像表示装置100の表示モードとしては、例えば(1)重畳モード、(2)画像光優先モード、(3)外界光優先モード、(4)区分モード等を設定することができる。これらの表示モードは、主制御部77のメモリー(不図示)に記録可能になっている。ここで、重畳モードは、両調光板40,40を標準的な透過率にすることにより、画像取り出し部90から射出される画像光と画像取り出し部90の背後から到来する外界光とを重ね合わせて観察側に導くことで観察可能にするものである。画像光優先モードは、調光板40,40の透過率を全体的に低下させることにより、外界光を全体的に遮光して画像取り出し部90から射出される画像光の観察を優先するものである。外界光優先モードは、両調光板40,40の第1領域A0及び第2領域A1の透過率を全体的に上昇させるとともに光源31a,131aの輝度を低下させることにより、画像光を弱めつつ外界光を全体的に透過させて外界光を優先するものである。区分モードは、両調光板40,40の第1領域A0の透過率よりも第2領域A1すなわち第1及び第2周囲領域A11,A12,A12の透過率を高くして外界光と画像光とを領域別で並列的に観察側に導くことで観察可能にするものである。
[F. Specific operation example)
Hereinafter, an example of the operation of the virtual
次に、主制御部77は、オフセット調整の設定の有無をチェックする(ステップS12)。オフセット調整とは、第1領域A0等と第1周囲領域A11との間にオフセットとしての透過率差を持たせておくことを意味し、主制御部77のメモリーに設定の有無が記録可能になっている。オフセット調整を行う場合、外界光に対する導光部22の透過率と外界光に対する角度変換部23の透過率との間に差があっても、このような差を第1領域A0及び第2周囲領域A12の透過率と第1周囲領域A11の透過率との差を利用して補償することで、観察される外界像の輝度斑を防止するというものである。具体的には、第1領域A0及び第2周囲領域A12の透過率を第1周囲領域A11の透過率よりも補償分だけ高くする。このようなオフセット調整は、調光板40,40の透過率が全体的に増減した場合にも維持されるように設定される。
Next, the
次に、主制御部77は、環境対応モードの設定の有無をチェックする(ステップS13)。環境対応モードとは、外界光の強度に応じて調光板40,40の透過率を全体的に増減させることを意味し、主制御部77のメモリーに設定の有無が記録可能になっている。環境対応モードが設定された場合、外光センサー50,50からの検出信号に基づいて調光板40,40の透過率を調整して外界光を適宜遮光することにより、画像形成装置10によって形成された虚像のコントラストの低下や見づらさ等を防止する。
Next, the
次に、主制御部77は、ステップS11でチェックした表示モードに基づいて光源駆動回路71、液晶駆動回路72、調光駆動回路73、光センサー駆動回路74等を適宜動作させ、虚像表示装置100に各表示モードを実現するような表示動作を行わせる(ステップS14)。
Next, the
図6は、各表示モードでの動作の概要を説明するフローチャートである。まず、主制御部77は、これに設けたメモリー(不図示)を参照して基本設定を読み出して制御情報とする(ステップS21)。この基本設定は、上記した表示モードに対応する各種パラメーターの設定を意味する。具体的には、例えば重畳モードの場合、基本設定は、調光板40,40に設定されるべき標準的な透過率等を意味する。また、例えば画像光優先モードの場合、基本設定は、調光板40,40に設定されるべき低い透過率や、光源31a,131aの輝度上昇量等を意味する。また、例えば外界光優先モードの場合、基本設定は、調光板40,40に設定されるべき高い透過率や、光源31a,131aの輝度低下量等を意味する。さらに、例えば区分モードの場合、基本設定は、調光板40,40における第1領域A0と第2領域A1(周囲領域A11,A12,A12)との透過率差や透過率比等を意味する。
FIG. 6 is a flowchart for explaining the outline of the operation in each display mode. First, the
次に、主制御部77は、これに設けたメモリーを参照して追加設定を読み出して制御情報とする(ステップS22)。この追加情報は、選択されている表示モードにおけるオフセット調整や環境対応モードに関する各種パラメーターの設定を意味する。例えばオフセット調整が設定されている場合、追加設定は、第1領域A0及び第2周囲領域A12と第1周囲領域A11とに設定される透過率差を意味し、オフセット調整が設定されてない場合、追加設定は、第1領域A0及び第2周囲領域A12と第1周囲領域A11とに同一の透過率を持たせることを意味する。また、例えば環境対応モードが設定されている場合、追加設定は、外光センサー50,50の検出信号に基づいて調光板40,40に設定されるべき透過率の計算式や表を意味し、環境対応モードが設定されていない場合、追加設定は、外光センサー50,50の検出信号に関わらず調光板40,40に設定されるべき透過率を意味する。
Next, the
次に、主制御部77は、調光駆動回路73を介して調光板40,40を動作させ(ステップS24)、光源駆動回路71や液晶駆動回路72を介して駆動部111,112の画像表示装置11に表示動作を行わせる(ステップS25)。例えば重畳モードが設定されるとともに、オフセット調整や環境対応モードの設定が行われている場合、両調光板40,40を標準的な透過率にするとともに、画像取り出し部90から射出される画像光の輝度も比較的明るいものとする。これにより、虚像表示装置100を装着した観察者は、画像光と外界光とを重ね合わせて観察することができる。この際、オフセット調整も行われるので、両調光板40,40内の第1領域A0及び第2周囲領域A12と第1周囲領域A11とに透過率差を設けて外界像の見え方を略等しくする。さらに、環境対応モードの動作が実行されるので、外界光の強度が強い場合には、両調光板40,40の透過率を外界光の強度に応じて標準値よりも低下させ、画像取り出し部90から射出される画像光の外界光に対する相対輝度が大きく低下しないようにする。この際、第1領域A0及び第2周囲領域A12と第1周囲領域A11との透過率差又は透過率比は維持したままとする。一方、外界光の強度が弱い場合には、両調光板40,40の透過率を外界光の強度に応じて標準値よりも上昇させ、画像取り出し部90から射出される画像光の外界光に対する相対輝度が高くなり過ぎないようにする。この際、第1領域A0及び第2周囲領域A12と第1周囲領域A11との透過率差又は透過率比は維持したままとする。両調光板40,40の透過率を外界光の強度に応じて変化させる際には、光源31a,131aの輝度を増減させて画像光の輝度を調整することもでき、この場合は、調整範囲が実質的に広がることになる。
Next, the
次に、主制御部77は、動作モード等の設定変更の要求がなされたか否かをチェックし(ステップS26)、虚像表示装置100を装着した観察者から設定変更の要求があった場合、設定変更処理に移行し、かかる設定変更の要求がなかった場合、ステップS24に戻って処理を継続する。
Next, the
以上説明した第1実施形態の虚像表示装置100では、導光板20の外側又は外界側に対向して配置された調光板40,40が、主制御部77及び調光駆動回路73の制御下で外界光の透過状態を調整するので、外界光が比較的強い場合等において、外界光によって映像の観察が妨げられることを防止できる。この際、調光板40,40は、電気的に制御されるものであり機械機構を伴わないので、外界光の透過状態を調整するための操作が自動化され比較的簡易になる。また、第1実施形態の虚像表示装置100の場合、主制御部77及び調光駆動回路73が、外光センサー50の出力に基づいて調光板40,40の透過率を変化させ、外界光の強度が大きいほど調光板40,40の透過率を低下させるので、画像光による映像のコントラストが外界光に埋もれて低下する等の弊害を抑制できる。
In the virtual
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態の虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
[Second Embodiment]
The virtual image display device according to the second embodiment will be described below. The virtual image display device according to the present embodiment is a modification of the virtual
図7において、第1表示装置100Aの画像形成装置10は、ズーム型の投射光学系212を有する。この投射光学系212は、液晶表示デバイス32上の各点から射出された画像光を平行化するだけでなく、各点からの平行光束の広がり角を増減調整することができ、画角を変化させることができる。つまり、投射光学系212の調整により画像取り出し部90から射出される画像光の縦横の画角を変化させることができ、観察者に認識させる虚像のサイズを増減させることができる。
In FIG. 7, the
図8は、第2実施形態に係る虚像表示装置100の駆動制御回路70を説明するブロック図である。この場合、ズームセンサー76が追加されており、投射光学系212による画角の設定が監視される。なお、図示の例では投射光学系212を手動としているが、観察者が操作キー(不図示)を操作することで画角を増減させるようなものとすることもできる。
FIG. 8 is a block diagram illustrating the
具体的な制御の説明は省略するが、一般に投射光学系212によって虚像の画角(サイズ)をn倍に増加させた場合、映像の輝度は1/n2倍に減少する。よって、調光板40,40の透過率を一様に低下させることで外界光が遮断され、画像取り出し部90から射出される画像光によって形成される映像が比較的見やすいものとなる。ここで、調光板40,40の透過率を1/n2倍に低下させる必要は必ずしもなく、虚像の画角増大に伴って調光板40,40の透過率を低下させるだけで、映像光は比較的見やすいものとなる。さらに、補助的に光源31a,131aの輝度を増減させて画像光の輝度を調整することもできる。
Although description of specific control is omitted, generally, when the angle of view (size) of the virtual image is increased n times by the projection
以上説明した第2実施形態の虚像表示装置100では、主制御部77及び調光駆動回路73が、導光板20から射出された画像光によって形成される虚像のサイズに応じて調光板40,40の透過率を変化させ、虚像のサイズが大きいほど調光板40,40の透過率を低下させるので、画像光による映像の輝度やコントラストが像拡大に伴って低下する等の弊害を抑制できる。
In the virtual
〔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.
上記実施形態では、調光板40が第1領域A0、第2領域A1等に分割されていたが、調光板40を領域に分割することなく一様に調光することもできる。
In the above-described embodiment, the
上記実施形態では、画像取り出し部90において、角度変換部23のサイズが縦方向に関して光射出面OSよりも大きい場合について説明したが、角度変換部23のサイズを例えば光射出面OSのサイズに等しくすることもできる。
In the above embodiment, the case where the size of the
上記実施形態では、第1及び第2の全反射面22a,22b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画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、第1及び第2の全反射面22a,22b上の全体又は一部にハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、第2の全反射面22bにおいて、光射出面OSの周囲に上記のようなミラーコートを施すことで、外界像の輝度差を低減することができる。
In the above embodiment, the first and second total reflection surfaces 22a and 22b are guided by totally reflecting image light by the interface with air without applying a mirror, a half mirror, or the like on the surface. The total reflection in the present invention includes reflection formed by forming a half mirror film on the whole or a part of the first and second total reflection surfaces 22a and 22b. For example, in the second
画像取り出し部90に設ける角度変換部23の構造は、図4(A)等に示すものに限らない。例えば図9(A)及び9(B)に示す角度変換部323のように、多数の画像光反射面23dを所定のピッチでZ方向に多数配列した構造とすることもできる。これらの画像光反射面23dは、画像光反射面23dの配列されるZ方向に対して垂直に延びる方向即ちY方向を長手方向として、帯状に延びている。これらの画像光反射面23dは、互いに平行であり、第1の全反射面22aに対して同一の角度βをそれぞれなしている。画像光反射面23dは、反射率の調整により、画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、隣接する画像光反射面23d間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部23eによって繋がれている。結果的に、画像光反射面23dは、分離した状態で光軸OAに沿って即ちZ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。なお、画像光反射面23dは、例えば下地のV溝の一方の斜面にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、その後の樹脂の充填によって導光板20内に埋め込まれる。図9(A)に示すように、最小反射角γ−で導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射される画像光GL2は、角度変換部323を複数回通過した後、角度変換部323のうち最も奥側(+Z側)の周辺部23hに達し、周辺部23hでの反射により、眼EYの光軸AXに対して角度θ2で光射出面OSから眼EYに向けて平行光束として射出される。一方、図9(B)に示すように、最大反射角γ+で導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射される画像光GL3は、角度変換部323のうち最も入口側(−Z側)の周辺部23mに達し、周辺部23mでの反射により、眼EYの光軸AXに対して角度θ3で光射出面OSから眼EYに向けて平行光束として射出される。
The structure of the
以上で説明した角度変換部23,323を構成する反射ユニット23cや画像光反射面23dの配列のピッチPTについては、全て同一となっている場合に限らず、ピッチPTを変更することができる。
The pitch PT of the arrangement of the
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶表示デバイス32等を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶表示デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス32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、LEDアレイやOLED(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。
In the above description, the transmissive liquid
上記の説明では、虚像表示装置100は右眼用の第1表示装置100Aと左眼用の第2表示装置100Bとを設けているが、両表示装置100A,100Bのうち一方のみを備え、画像を片眼視するものとできる。
In the above description, the virtual
上記の説明では、光入射面ISと光射出面OSとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば光入射面ISを第1の全反射面22aと同一の平面上に配置し、光射出面OSを第2の全反射面22bと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。
In the above description, the light incident surface IS and the light exit surface OS are arranged on the same plane. However, the present invention is not limited to this. For example, the light incident surface IS is on the same plane as the first
上記の説明では、入射光折曲部21を構成するミラー層21aや斜面RSの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層21a等の傾斜角度を光軸OAに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。
In the above description, the tilt angle of the
上記の説明では、反射ユニット23cによるV字状の溝は、先端が尖ったような状態で図示しているが、V字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にR(丸み)を付けているものであってもよい。
In the above description, the V-shaped groove formed by the
上記の説明では、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、虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。
In the above description, the virtual
10…画像形成装置、 11…画像表示装置、 12…投射光学系、 20…導光板、 20a…導光板本体部、 21…入射光折曲部、 22…導光部、 22a…第1の全反射面、 22b…第2の全反射面、 23…角度変換部、 23c…反射ユニット、 31…照明装置、 31a…光源、 31b…バックライト導光部、 31c…射出角調整部材、 32…液晶表示デバイス、 40…調光板(光学素子)、 50…外光センサー、 70…駆動制御回路、 71…光源駆動回路、 72…液晶駆動回路、 73…調光駆動回路、 74…光センサー駆動回路、 77…主制御部、 100…虚像表示装置、 100A…第1表示装置、 100B…第2表示装置、 101,102…光学パネル、 104…フレーム、 111,112…駆動部、 A0…第1領域、 A1…第2領域、 A11…第1周囲領域、 A12…第2周囲領域、 AX…光軸、 EY…眼、 GL1,GL2,GL3…画像光、 IS…光入射面、 OA…光軸、 OS…光射出面(光射出部)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第1及び第2の全反射面での全反射により導く導光部と、
所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面のうち、光射出面に視野上で重なる反射面により角度を変換して観察側へ取出す画像取り出し部と、を有するとともに、外界光の少なくとも一部を観察側に通過させる導光板と、
前記導光板の外界側に対向して配置されて、外界光の透過状態を調整する光学素子と、
前記光学素子の動作を電気的に制御する調光制御部と、を備え、
前記光学素子は、前記画像取り出し部に視野上で重なる第1領域と、前記複数の反射面を除いた周囲と視野上で重なる第1周囲領域と、前記複数の反射面のうち前記光射出面に視野上で重ならない反射面と視野上で重なる第2周囲領域と、
を有し、
前記調光制御部は、前記第1領域の透過率と前記第1周囲領域の透過率と前記第2周囲領域の透過率とを独立して制御し、
前記第1領域及び前記第2周囲領域の透過率を前記第1周囲領域の透過率よりも高くする、虚像表示装置。 A light incident part for taking image light inside;
A light guide unit having first and second total reflection surfaces extending opposite to each other, and guiding the image light captured from the light incident unit by total reflection on the first and second total reflection surfaces;
The angle of the image light that has a plurality of reflecting surfaces arranged in a predetermined arrangement direction and enters through the light guide unit is converted by the reflecting surface that overlaps the light exit surface on the field of view among the plurality of reflecting surfaces. And a light guide plate that passes at least part of the external light to the observation side,
An optical element that is arranged to face the outside side of the light guide plate and adjusts the transmission state of outside light; and
A dimming control unit for electrically controlling the operation of the optical element,
Said optical element has a first region that overlaps on the field in the image pickup unit, a first peripheral area overlapping on ambient and the field excluding the plurality of reflecting surfaces, the plurality of reflecting surfaces sac Chi before serial light A reflecting surface that does not overlap the exit surface in the field of view and a second surrounding region that overlaps the field of view;
I have a,
The dimming control unit independently controls the transmittance of the first region, the transmittance of the first surrounding region, and the transmittance of the second surrounding region,
A virtual image display device, wherein the transmittance of the first region and the second surrounding region is higher than the transmittance of the first surrounding region .
前記調光制御部は、前記外光センサーの出力に基づいて前記光学素子の透過率を変化させる、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。 It has an external light sensor that detects the intensity of external light,
The dimming controller, on the basis of the output of the external light sensor to change the transmittance of the optical element, the virtual image display device according to any one of claims 1 to 4.
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