JP6701559B2 - Light guide and virtual image display device - Google Patents

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Description

本発明は、ライトガイド及びこのライトガイドを用いた虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a light guide and a virtual image display device using the light guide.

2次元の画像を虚像光学系により拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する装置として、ライトガイドを用いた虚像表示装置が知られている。かかる虚像表示装置で用いられるライトガイドの一形態として、近年、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display、以下「HMD」と称する。)が普及し始めている。HMDは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のHMDは、例えばGoogle LTD.(米国)のGoogleglass(商標登録)がある。   A virtual image display device using a light guide is known as a device for enlarging a two-dimensional image by a virtual image optical system and displaying the enlarged virtual image so that an observer can observe the enlarged virtual image. In recent years, a head mounted display (hereinafter, referred to as "HMD") has become popular as one form of a light guide used in such a virtual image display device. The HMD is classified into a see-through transparent type and a non-transparent type. The transparent HMD is, for example, Google LTD. (United States) Googleglass (registered trademark).

透過型のHMDは、情報端末と組み合わせて使用したりAR(Augmented Reality:拡張現実)等の提供用として使用するため、小型で携帯性が良いものが望まれている。非透過型のHMDは、映画鑑賞やゲームやVR(Virtual Reality:仮想現実)等の提供用として使用するため、没入感が得られる広視野角であることが望まれている。   Since the transparent HMD is used in combination with an information terminal or for providing AR (Augmented Reality) and the like, it is desired to have a small size and good portability. Since the non-transmissive HMD is used for watching movies, providing games, VR (Virtual Reality), etc., it is desired that the non-transparent HMD has a wide viewing angle that provides an immersive feeling.

近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉、小型、かつ、広視野角であることが要請されるようになり、かかる要請を考慮したものとして、例えば特許文献1乃至3が知られている。   In recent years, even in the transmissive type, from the user's needs, thin-walled, small-sized, and wide viewing angles have been demanded. For example, Patent Documents 1 to 3 are known in consideration of such demands. ing.

特許文献1の装置は、ある特定の反射率のコートを施した幾つものミラーを配置し、光線の入射角度によって、光線の反射と透過を振り分けて、画像光を取り出す方式としている。   The apparatus of Patent Document 1 has a system in which a number of mirrors coated with a specific reflectance are arranged, and reflection and transmission of light rays are sorted according to the incident angle of light rays to extract image light.

特許文献2の装置は、ライトガイドの一つの側面に微細構造体と隙間ゾーンを設け、これらの部分で光線を反射、伝播させることで、画像光を取り出す方式としている。   The device of Patent Document 2 has a structure in which a fine structure and a gap zone are provided on one side surface of a light guide, and a light beam is reflected and propagated at these portions to extract image light.

特許文献3の装置は、互いに対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し、導光部の内側に向かって傾斜して延びる複数の第一要素面と、第一要素面に対して鈍角をなして延びる複数の第二要素面とを交互に配置してなる導光板を用いた方式としている。   The device of Patent Document 3 has a plurality of first element surfaces that have first and second total reflection surfaces that extend to face each other, and that extend obliquely toward the inside of the light guide section, and a first element surface. On the other hand, a method using a light guide plate in which a plurality of second element surfaces extending at an obtuse angle are alternately arranged is used.

これらの方式の装置では、コリメート光学系を介してライトガイド内に取り込まれた光線は、導光板内の垂直視野方向において広がって伝播する。このため、広い視野角を達成しようとすると、ライトガイド内に設けた複数のミラーあるいはライトガイドの側面の微細構造では、上手く光を取り出すことが難しく、特に垂直方向の視野が確保できない問題があった。   In these types of devices, the light beam taken into the light guide through the collimating optical system spreads and propagates in the vertical visual field direction in the light guide plate. For this reason, if a wide viewing angle is to be achieved, it is difficult to properly extract light due to the plurality of mirrors provided in the light guide or the fine structure on the side surface of the light guide, and there is a problem that a vertical view cannot be secured. It was

本発明は、虚像表示装置用のライトガイドの広い視野角、特に垂直方向の視野角を確保することを主たる目的とする。   The main object of the present invention is to secure a wide viewing angle of a light guide for a virtual image display device, particularly a vertical viewing angle.

本発明は、画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材を有し、前記導光部材は、前記光線入射部から入射し前記導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部と、前記再帰反射部で進行方向が反転された画像光を前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、前記再帰反射部は、多数の面で構成されていることを最も主要な特徴とする。   The present invention is a light guide for a virtual image display device that guides image light from an image display element and emits the image light in order to display a virtual image. A light guide member having a light ray emission portion for emitting the light to the outside, and the light guide member reverses the traveling direction of the image light incident from the light ray incident portion and guided in the light guide member. A retroreflective portion and an image extraction portion that guides and extracts the image light whose traveling direction is reversed in the retroreflective portion to the light ray emission portion, and the retroreflective portion is composed of a number of surfaces. Is the most important feature.

本発明によれば、虚像表示装置用のライトガイドの広い視野角が実現され、特に垂直方向の視野角が確保される。   According to the present invention, a wide viewing angle of a light guide for a virtual image display device is realized, and in particular, a vertical viewing angle is secured.

本発明に係るライトガイドの実施形態を示す平面図である。It is a top view showing an embodiment of a light guide concerning the present invention. 図1のライトガイドの導光部材における光線入射部を説明するための部分拡大平面図である。FIG. 3 is a partially enlarged plan view for explaining a light ray incident part in the light guide member of the light guide of FIG. 1. 図1のライトガイドの導光部材における画像取り出し部の構成を説明するための部分拡大平面図である。FIG. 3 is a partially enlarged plan view for explaining the configuration of an image extraction unit in the light guide member of the light guide of FIG. 1. 図1のライトガイドの導光部材の斜視図である。It is a perspective view of the light guide member of the light guide of FIG. 再帰反射部の構成を説明するためのライトガイドの導光部材の前面図である。It is a front view of the light guide member of the light guide for explaining the structure of the retroreflective portion. 図1のライトガイドを用いた虚像表示装置を説明するための平面図である。FIG. 3 is a plan view for explaining a virtual image display device using the light guide of FIG. 1. 参考例として、再帰反射部を有しない導光部材内の画像光の広がりを説明するための図である。As a reference example, it is a diagram for explaining the spread of image light in a light guide member having no retroreflective portion. 図1のライトガイドの導光部材内で画像表示素子の隅から射出された画像光が導光する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the image light radiate|emitted from the corner of an image display element guides in the light guide member of the light guide of FIG. 図8の画像光が導光する様子を表した導光部材の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a light guide member showing how the image light of FIG. 8 is guided. 導光部材の画像取り出し部と光学部材との境界面の配置状態を説明するための部分拡大平面図である。FIG. 6 is a partially enlarged plan view for explaining a disposition state of a boundary surface between an image extraction portion of a light guide member and an optical member. 図4の導光部材を用いた虚像表示装置の実施例を説明する図であり、垂直視野方向の画像光の射出状態を説明するための側面図である。It is a figure explaining the Example of the virtual image display apparatus using the light guide member of FIG. 4, and is a side view for demonstrating the emission state of the image light of a vertical visual field direction. 図11の画像光の射出状態を水平視野方向から示す平面図である。FIG. 12 is a plan view showing the emission state of the image light of FIG. 11 from the horizontal visual field direction. 変形例としての導光部材を用いた虚像表示装置の実施例を説明する図であり、垂直視野方向の画像光の射出状態を説明するための側面図である。It is a figure explaining the Example of the virtual image display apparatus using the light guide member as a modification, and is a side view for demonstrating the emission state of the image light of a vertical visual field direction. 図13の画像光の射出状態を水平視野方向から示す平面図である。It is a top view which shows the ejection state of the image light of FIG. 13 from a horizontal visual field direction.

以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。以下の実施形態は、透過型のライトガイド及びこれを用いた虚像表示装置に関する。   Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The following embodiments relate to a transmissive light guide and a virtual image display device using the same.

図1に本実施形態のライトガイド50を示し、かかるライトガイド50を虚像表示光学系の光路上に配置した虚像表示装置の構成を図6に示す。図6では、虚像表示装置における虚像表示光学系の光路を実線で示すとともに、装置のユーザすなわち虚像観察者の目を模式的に描いている。以下、ライトガイド50の面に関し、観察者から見て手前側(図1及び図6において下側)の面を「後面」とし、奥側(図1及び図6において上側)の面を「前面」として説明する。   FIG. 1 shows a light guide 50 of the present embodiment, and FIG. 6 shows the configuration of a virtual image display device in which the light guide 50 is arranged on the optical path of a virtual image display optical system. In FIG. 6, the optical path of the virtual image display optical system in the virtual image display device is shown by a solid line, and the eyes of the user of the device, that is, the virtual image observer are schematically drawn. Hereinafter, regarding the surface of the light guide 50, the surface on the front side (lower side in FIGS. 1 and 6) as viewed from the observer is referred to as “rear surface”, and the surface on the back side (upper side in FIGS. 1 and 6) is referred to as “front surface”. ".

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

ライトガイド50の導光部材100は、画像表示素子からの画像光を内部に取り込んで導光し、虚像表示のために外部に射出する役割を有する。このため、導光部材100は、画像光を内部に入射する光線入射部101、入射した画像光を反射して内部に導光させるための前面及び後面、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための光線射出部104を備える。さらに、導光部材100は、光線入射部101から入射し導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部106と、再帰反射部106で進行方向が反転された画像光を光線射出部104に導光して取り出す画像取り出し部103を備える。   The light guide member 100 of the light guide 50 has a role of taking in the image light from the image display element inside, guiding the image light, and emitting the image light to the outside for displaying a virtual image. For this reason, the light guide member 100 includes a light ray incident part 101 for injecting the image light into the inside, front and rear surfaces for reflecting the incident image light and guiding it to the inside, and taking out the guided image light to the outside. A light emitting unit 104 for emitting light is provided. Further, the light guide member 100 includes a retroreflector 106 that reverses the traveling direction of image light that is incident from the light beam incident unit 101 and is guided in the light guide member, and image light whose traveling direction is reversed by the retroreflector 106. The image extracting unit 103 is configured to guide the light to the light emitting unit 104 and extract the light.

本実施形態では、導光部材100の前面に画像取り出し部103が、導光部材100の後面に光線射出部104が、それぞれ設けられている。画像取り出し部103は、内部に導光される画像光を光線射出部104に向けて反射させる役割を有し、光線射出部104は、画像取り出し部103から導かれた画像光を虚像観察者の目に向けて外部に射出させる役割を有する。   In this embodiment, the image extraction unit 103 is provided on the front surface of the light guide member 100, and the light beam emission unit 104 is provided on the rear surface of the light guide member 100. The image extraction unit 103 has a role of reflecting the image light guided inside toward the light emission unit 104, and the light emission unit 104 converts the image light guided from the image extraction unit 103 to a virtual image observer. It has the role of ejecting toward the outside.

導光部材100の前面のうち画像取り出し部103が設けられていない領域は、入射した画像光を全反射して進行させるための全反射面105である。シースルー性を良好にするために、導光部材100の全反射面105と後面は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。   An area of the front surface of the light guide member 100 where the image extracting portion 103 is not provided is a total reflection surface 105 for totally reflecting and advancing the incident image light. In order to improve the see-through property, the total reflection surface 105 and the rear surface of the light guide member 100 are flat surfaces and are formed parallel to each other.

画像取り出し部103は、再帰反射部106に向かって導光部材100の部材の厚みが増すような形状となっており、詳細な構成については後述する。再帰反射部106は、光線入射部101とは反対側の端面に形成されており、詳細な構成については後述する。   The image extraction unit 103 has a shape such that the thickness of the member of the light guide member 100 increases toward the retroreflective unit 106, and the detailed configuration will be described later. The retroreflective portion 106 is formed on the end surface on the opposite side to the light ray incident portion 101, and the detailed configuration will be described later.

導光部材100の光線入射部101を図2に拡大して示す。光線入射部101は、導光部材100の後面から連続して設けられており、画像光の入射面積をより広く確保するために、導光部材100の前面から突起した形状となっている。   The light incident part 101 of the light guide member 100 is shown in an enlarged manner in FIG. The light ray incident portion 101 is continuously provided from the rear surface of the light guide member 100, and has a shape protruding from the front surface of the light guide member 100 in order to secure a wider incident area of image light.

導光部材100の画像取り出し部103を図3に拡大して示す。図3中、光線射出部104と平行な基準面を点線で表している。画像取り出し部103は、図3に示すように、光線射出部104に対してθaの角度を有する第1面103aと、光線射出部104に対してθbの角度を有する第2面103bとが、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている。   The image extracting portion 103 of the light guide member 100 is shown in an enlarged manner in FIG. In FIG. 3, the reference plane parallel to the light emitting unit 104 is shown by a dotted line. As shown in FIG. 3, the image extraction unit 103 includes a first surface 103a having an angle of θa with respect to the light beam emitting unit 104 and a second surface 103b having an angle of θb with respect to the light beam emitting unit 104. They are arranged alternately and have a substantially staircase shape.

画像取り出し部103の第1面103aは、導光部材100の内部に入射し且つ再帰反射部106で反射した画像光を光線射出部104に導いて光線射出部104から射出させる役割を担う面であり、光線射出部104に対して傾斜する平面となっている。第1面103aは、光線射出部104に対して所定の傾斜角で傾斜することにより、再帰反射部106と対向している。   The first surface 103 a of the image extracting unit 103 is a surface that plays a role of guiding the image light that enters the light guide member 100 and is reflected by the retroreflecting unit 106 to the light emitting unit 104 and emits the image light from the light emitting unit 104. It is a flat surface that is inclined with respect to the light emitting unit 104. The first surface 103a faces the retroreflective portion 106 by being inclined with respect to the light emitting portion 104 at a predetermined inclination angle.

第1面103aが光線射出部104に対して傾斜する角度θaの値は、導光部材100の材質の屈折率にもよるが、20度から40度までの範囲に設定することが好ましい。   The value of the angle θa with which the first surface 103a is inclined with respect to the light emitting portion 104 depends on the refractive index of the material of the light guide member 100, but is preferably set in the range of 20 degrees to 40 degrees.

他方、第2面103bは、入射された画像光を反射させて再帰反射部106に導く役割、及び再帰反射部106で進行方向が反転された画像光を反射させる反射面としての役割を担う面であり、光線射出部104と平行な平面となっている。したがって、角度θb=0°である。さらに、第2面103bは、シースルー性を確保するため、ライトガイド50の前面及び後面からの外部の光を入射させる透過面としての役割も担っている。   On the other hand, the second surface 103b has a role of reflecting the incident image light and guiding it to the retroreflective unit 106, and a role of a reflective surface for reflecting the image light whose traveling direction is reversed by the retroreflective unit 106. And is a plane parallel to the light emitting unit 104. Therefore, the angle θb=0°. Further, the second surface 103b also plays a role as a transmissive surface on which the external light from the front surface and the rear surface of the light guide 50 is incident in order to ensure the see-through property.

第2面103bを光線射出部104に対して傾斜させる、すなわち角度θb≠0°に設定すると、導光部材100内で導光される画像光が、第2面103bで反射される反射角と、光線射出部104で反射される反射角とで一致せずに変化することになる。この場合、光線入射部101から入射される光線と光線入射部101の法線とのなす角で定義される入射角θinと、光線射出部104から射出される光線と光線射出部104の法線とのなす角で定義される射出角θoutとが同角度とならない。さらに、画像光が第1面103a及び光線射出部104を通じてライトガイド50の外部に射出される際に、異なった方向に射出されてしまい、虚像としては思わしくないものとなってしまう。したがって、本実施形態では、角度θb=0°とし、第2面103bを光線射出部104に対して平行に形成している。   When the second surface 103b is tilted with respect to the light emitting portion 104, that is, when the angle θb≠0° is set, the image light guided in the light guide member 100 has a reflection angle reflected by the second surface 103b. , The reflection angle reflected by the light emitting unit 104 does not match and changes. In this case, the incident angle θin defined by the angle formed by the ray incident from the ray incident portion 101 and the normal line of the ray incident portion 101, and the ray emitted from the ray emitting portion 104 and the normal line of the ray emitting portion 104. The exit angle θout defined by the angle between and does not become the same angle. Further, when the image light is emitted to the outside of the light guide 50 through the first surface 103a and the light ray emission unit 104, it is emitted in different directions, which makes the image unimaginable. Therefore, in the present embodiment, the angle θb is set to 0° and the second surface 103b is formed in parallel with the light beam emitting portion 104.

図3に示すように、各第2面103bは、再帰反射部106に近づくに従って当該面の高さが順次高くなるような構造とすることが好ましい。言い換えると、再帰反射部106に近づくに従って、第2面103bと光線射出部104との距離すなわち導光部材100の部材の厚さが大きくなる構成とすることが好ましい。   As shown in FIG. 3, each second surface 103b preferably has a structure in which the height of the second surface 103b gradually increases as it approaches the retroreflective portion 106. In other words, it is preferable that the distance between the second surface 103b and the light emitting portion 104, that is, the thickness of the member of the light guide member 100 increases as the distance from the retroreflective portion 106 increases.

かかる構成の導光部材100によれば、再帰反射部106で光線の進行方向が反転した後の画像光の進む方向から見ると、各第2面103bの高さが順次低くなり、画像光が全反射される間隔が狭まる。このため、画像取り出し部103で反射される光線が次第に増え、光線射出部104から眼に入る光線が多くなり、輝度ムラの少ない良好な虚像を観察することが出来る。   According to the light guide member 100 having such a configuration, when viewed from the advancing direction of the image light after the advancing direction of the light rays is inverted by the retroreflecting portion 106, the height of each second surface 103b is gradually decreased, and the image light is reduced. The interval for total reflection is narrowed. Therefore, the number of light rays reflected by the image extraction unit 103 gradually increases, the number of light rays entering the eye from the light ray emission unit 104 increases, and a good virtual image with less brightness unevenness can be observed.

次に、図1の平面図、図4の斜視図及び図5の前面図を参照して、導光部材100に設けられている再帰反射部106の詳細を説明する。   Next, with reference to the plan view of FIG. 1, the perspective view of FIG. 4, and the front view of FIG. 5, details of the retroreflective section 106 provided in the light guide member 100 will be described.

図1に示すように、再帰反射部106は、光線射出部104に対して垂直な面となる導光部材100の一の側面上、具体的には光線入射部101とは反対側の端面上に設けられている。この再帰反射部106は、図4及び図5に示すように、多数の面で構成されている。言い換えると、光線入射部101とは反対側の端面は、平面ではなく、再帰反射部106としての多数の面が形成されている。   As shown in FIG. 1, the retroreflective portion 106 is on a side surface of the light guide member 100 that is a surface perpendicular to the light ray emitting portion 104, specifically, on an end surface on the side opposite to the light ray incident portion 101. It is provided in. The retroreflective portion 106 is composed of a large number of surfaces, as shown in FIGS. 4 and 5. In other words, the end surface on the side opposite to the light incident portion 101 is not a flat surface, but a large number of surfaces as the retroreflective portion 106 are formed.

図5に示すように、再帰反射部106は、光線入射部101に連続する導光部材100の一の側面107に対して角度θsで傾斜する第1傾斜面106aと、第1傾斜面106aに対して角度θpで傾斜する第2傾斜面106bと、が連続して形成される。そして、第1傾斜面106a及び第2傾斜面106bにより、一つのプリズムが構成される。言い換えると、再帰反射部106は、光線入射部101とは反対側の端面上に複数の屋根形のプリズムが連続して設けられてなる構成である。第1傾斜面106aと第2傾斜面106bとは、互いに略等しい形状と面積を有する平面である。   As shown in FIG. 5, the retroreflective portion 106 has a first inclined surface 106 a that is inclined at an angle θs with respect to one side surface 107 of the light guide member 100 that is continuous with the light incident portion 101, and a first inclined surface 106 a. On the other hand, the second inclined surface 106b inclined at the angle θp is continuously formed. Then, the first inclined surface 106a and the second inclined surface 106b form one prism. In other words, the retroreflective unit 106 has a configuration in which a plurality of roof-shaped prisms are continuously provided on the end surface on the side opposite to the light incident unit 101. The first inclined surface 106a and the second inclined surface 106b are flat surfaces having substantially the same shape and area.

本実施形態において、側面107と第1傾斜面106aとのなす角θsは、135度である。また、第1傾斜面106aと第2傾斜面106bのなす角θpは、プリズムの頂角であり、本実施形態では90度に形成されている。したがって、再帰反射部106は、頂角が90度である多数個のプリズムで構成されている。   In the present embodiment, the angle θs formed by the side surface 107 and the first inclined surface 106a is 135 degrees. The angle θp formed by the first inclined surface 106a and the second inclined surface 106b is the apex angle of the prism, and is 90° in this embodiment. Therefore, the retroreflective portion 106 is composed of a large number of prisms having an apex angle of 90 degrees.

再帰反射部106に到達した画像光を良好に反射させるため、再帰反射部106すなわち第1傾斜面106a及び第2傾斜面106bに反射率の高いコートを設けることが好ましい。かかるコートの反射率は、70%以上であることが望ましい。   In order to satisfactorily reflect the image light reaching the retroreflective portion 106, it is preferable to provide the retroreflective portion 106, that is, the first inclined surface 106a and the second inclined surface 106b with a coat having a high reflectance. The reflectance of such a coat is preferably 70% or more.

本実施形態では、光線射出部104に対して垂直な側面の内の一つ、すなわち光線入射部101とは反対側の端面に再帰反射部106を形成している。   In the present embodiment, the retroreflecting portion 106 is formed on one of the side surfaces perpendicular to the light ray emitting portion 104, that is, on the end surface opposite to the light ray incident portion 101.

ライトガイド50の構成を更に詳細に説明すると、導光部材100の材質は、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質が好ましく、さらに、上述した画像取り出し部103の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。   Explaining the configuration of the light guide 50 in more detail, the material of the light guide member 100 is preferably a highly transparent material in consideration of the see-through property, and further, in consideration of the above-described processing of the image extracting portion 103, it is molded of resin. Preferably.

また、画像取り出し部103には任意のコートを施すことができ、例えば、アルミニウムや銀、誘電コートなどのミラーコートを施すことができる。導光される画像光の光量の損失を出来るだけ防止するために、画像取り出し部103の第1面103aは、反射率が略100%のコートを施すことが望ましい。   Further, the image extraction unit 103 can be coated with any coating, for example, a mirror coating such as aluminum, silver, or a dielectric coating. In order to prevent as much as possible the loss of the amount of guided image light, it is desirable that the first surface 103a of the image extraction unit 103 be coated with a reflectance of about 100%.

導光部材100における画像取り出し部103の第2面103bの幅wの値は、
0.5[mm] < w < 3.0[mm]
の条件を満たすように設定される。ここで、幅wは、導光部材100の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第2面103bの長さである。
The value of the width w of the second surface 103b of the image extracting unit 103 in the light guide member 100 is
0.5 [mm] <w <3.0 [mm]
It is set to satisfy the condition of. Here, the width w is the length of the second surface 103b in the direction along the longitudinal direction of the light guide member 100, that is, the direction along the traveling direction of the incident image light.

以下、第2面103bの幅wの設定条件について詳細に説明する。   Hereinafter, the setting condition of the width w of the second surface 103b will be described in detail.

虚像として確認できる視野の幅を「アイボックス」と称し、虚像が確認できる光線射出部104から眼球までの距離を「アイレリーフ」と称する。そして、アイボックスの径をφ、アイレリーフをL、ライトガイドの厚み(肉厚)をtl、画像取り出し部103が有する光線射出部104と平行な面すなわち第2面103bの数をnとすると、第2面103bの幅wは、次式で表される。   The width of the visual field that can be confirmed as a virtual image is referred to as an “eye box”, and the distance from the light emitting unit 104 to which the virtual image can be confirmed to the eyeball is referred to as an “eye relief”. Then, assuming that the diameter of the eye box is φ, the eye relief is L, the thickness (wall thickness) of the light guide is tl, and the surface parallel to the light emitting portion 104 of the image extracting portion 103, that is, the number of second surfaces 103b is n. The width w of the second surface 103b is expressed by the following equation.





ここで、アイボックスの幅が広いほど見える範囲も広くなるため、通常、アイボックス径φは大きいほうが望ましい。他方、アイボックス径φを大きくすると、ライトガイドの厚みが厚くなり、ライトガイドの設計難易度が高くなりがちとなる。   Here, the wider the eyebox is, the wider the visible range is. Therefore, it is usually desirable that the eyebox diameter φ be large. On the other hand, when the eyebox diameter φ is increased, the thickness of the light guide becomes thicker, and the difficulty of designing the light guide tends to increase.

一般的には、目の瞳の直径は5mm程度であるが、個人差に応じてライトガイド50の適切な位置設定が必要となるため、アイボックス径φを大きく設定する方が良い。また、後述のようにライトガイド50を眼鏡型の虚像表示装置に適用することを考慮すると、一般にアイレリーフLは15mm以上必要である。   Generally, the diameter of the pupil of the eye is about 5 mm, but since it is necessary to set the proper position of the light guide 50 according to individual differences, it is better to set the eyebox diameter φ larger. Further, in consideration of applying the light guide 50 to a spectacles-type virtual image display device as described later, the eye relief L is generally required to be 15 mm or more.

したがって、例えばアイレリーフを20mmに設定し、アイボックスを5mm以上10mm以下に設定すると、第2面103bの幅wは、上記の
0.5[mm] < w < 3.0[mm]
の条件を満たす必要がある。
Therefore, for example, when the eye relief is set to 20 mm and the eye box is set to 5 mm or more and 10 mm or less, the width w of the second surface 103b is 0.5 [mm]<w<3.0 [mm] above.
The condition of must be met.

画像取り出し部103の第2面103bの幅wが0.5mmに満たない場合、第1面103aの幅が短くする必要があり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなり、また製造が難しくなるため、望ましくない。さらに、第1面103aの幅を短くすることなしに、アイレリーフ20mmの位置においてアイボックス5mm以上10mm以下を確保するためには、ライトガイドの厚みを増す必要があり、重量も大きくなるため望ましくない。   When the width w of the second surface 103b of the image extracting unit 103 is less than 0.5 mm, the width of the first surface 103a needs to be shortened, and the diffraction phenomenon of the incident image light is likely to occur, and the manufacturing process is difficult. It is not desirable because it becomes difficult. Further, in order to secure the eye box of 5 mm or more and 10 mm or less at the position of the eye relief 20 mm without shortening the width of the first surface 103a, it is necessary to increase the thickness of the light guide, which is also preferable because the weight becomes large. Absent.

一方、第2面103bの幅wが3.0mmを超える場合、入射された画像光につき、第1面103aを反射して光線射出部104から射出される光線の密度が低下し、目の位置における光量が低下するため、望ましくない。したがって、画像取り出し部103の第2面103bの幅wは、0.5[mm] < w < 3.0[mm]の条件を満たすことが望ましい。   On the other hand, when the width w of the second surface 103b exceeds 3.0 mm, the density of the light rays emitted from the light ray emitting unit 104 after being reflected by the first surface 103a is reduced due to the incident image light, and the position of the eyes is reduced. This is not desirable because the amount of light at. Therefore, it is desirable that the width w of the second surface 103b of the image extracting unit 103 satisfy the condition of 0.5 [mm]<w<3.0 [mm].

第2面103bの幅wは、各々の第2面103bで異なる値としてもよい。具体的には、通常、光線入射部101からの距離が短くなるほど画像光の光線密度が低下することから、光線入射部101からの距離が短くなるほど第2面103bの幅wを小さくする設定にするとよい。かかる設定とすることで、光線入射部101から近くなるほど第1面103aの単位長さあたりの配置数が増えるので、光量ムラを低減させることができる。   The width w of the second surface 103b may be different for each second surface 103b. Specifically, since the light ray density of the image light generally decreases as the distance from the light ray incident portion 101 decreases, the width w of the second surface 103b is set to be smaller as the distance from the light ray incident portion 101 decreases. Good to do. With such a setting, the number of arrangements of the first surface 103a per unit length increases as the distance from the light ray incident unit 101 increases, and thus it is possible to reduce unevenness in the light amount.

同様に、光量ムラを低減させるために、画像取り出し部103の第1面103aの幅を各々の第1面103aで異なる幅としてもよい。ここで、第1面103aの幅は、導光部材100の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第1面103aの長さである。具体的には、光線入射部101からの距離が短くなるほど第1面103aの幅を大きくする設定にするとよい。かかる設定とすることにより、光線入射部101から近くなるほど第1面103aの面積が大きくなるので、光量ムラを低減させることができる。   Similarly, in order to reduce the unevenness of the light amount, the width of the first surface 103a of the image extraction unit 103 may be different for each first surface 103a. Here, the width of the first surface 103a is the length of the first surface 103a in the direction along the longitudinal direction of the light guide member 100, that is, the direction along the traveling direction of the incident image light. Specifically, it is preferable to set the width of the first surface 103a to be larger as the distance from the light ray incident unit 101 is shorter. With this setting, the area of the first surface 103a increases as the distance from the light ray incident portion 101 increases, and thus unevenness in the light amount can be reduced.

ライトガイド50の厚みは、1mmから8mmの範囲とすることが望ましい。ライトガイド50の厚みが1mmに満たないと、導光部材100の画像取り出し部103の形状を形成することが困難となる。他方、ライトガイド50の厚みが8mmを超えると、広視野角を得るには有利であるが、部材の重量が大きくなることから、好ましくない。   The thickness of the light guide 50 is preferably in the range of 1 mm to 8 mm. If the thickness of the light guide 50 is less than 1 mm, it becomes difficult to form the shape of the image extracting portion 103 of the light guide member 100. On the other hand, if the thickness of the light guide 50 exceeds 8 mm, it is advantageous to obtain a wide viewing angle, but it is not preferable because the weight of the member increases.

次に、図1を参照して光学部材200の構成を説明する。光学部材200は、図1に示すように、平面視でテーパー状の外形を有する。光学部材200は、導光部材100の前面すなわち画像取り出し部103及び全反射面105に対向して設けられることで、主に光線射出部104及び画像取り出し部103の光線透過性すなわちシースルー性を確保する役割を有する。   Next, the configuration of the optical member 200 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the optical member 200 has a tapered outer shape in a plan view. The optical member 200 is provided so as to face the front surface of the light guide member 100, that is, the image extraction unit 103 and the total reflection surface 105, and thus mainly secures the light transmittance, that is, the see-through property of the light emission unit 104 and the image extraction unit 103. Have a role to play.

光学部材200は、導光部材100の光線射出部104に平行に位置する前面210と、かかる前面210に対して全体として傾斜する後面を有する。光学部材200の後面は、導光部材100の画像取り出し部103に対向配置され前面210に対して全体として傾斜する傾斜部203と、導光部材100の全反射面105に対向配置され前面210に平行な平面部205を有する。傾斜部203は、導光部材100の再帰反射部106に近づくに従って光学部材200の部材の厚みが薄くなるように構成されている。傾斜部203の詳細については後述する。   The optical member 200 has a front surface 210 positioned parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100, and a rear surface that is inclined with respect to the front surface 210 as a whole. The rear surface of the optical member 200 is disposed so as to face the image extraction portion 103 of the light guide member 100 and is inclined as a whole with respect to the front surface 210, and the front surface 210 that is disposed so as to face the total reflection surface 105 of the light guide member 100. It has parallel plane portions 205. The inclined portion 203 is configured such that the thickness of the member of the optical member 200 becomes thinner as it approaches the retroreflective portion 106 of the light guide member 100. Details of the inclined portion 203 will be described later.

以下、上述したライトガイド50を用いた虚像表示装置について、図6を参照して説明する。   Hereinafter, a virtual image display device using the light guide 50 described above will be described with reference to FIG.

図6に示す本実施形態の虚像表示装置は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子10と、画像表示素子10からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系300と、上述したライトガイド50とを虚像表示光学系として備える。図6では、画像表示素子10の画像表示面の中心から射出される画像光の光路を示している。かかる虚像表示光学系において、コリメート光学系300は、導光部材100の光線入射部101の直近に配置され、画像表示素子10で表示される画像光すなわち表示画像の画像情報を角度変換して導光部材100に入射させる役割を担う。   The virtual image display device of this embodiment shown in FIG. 6 includes an image display element 10 that outputs image light of a display image, a collimating optical system 300 that collimates and emits image light from the image display element 10, and the above-described light. The guide 50 is provided as a virtual image display optical system. FIG. 6 shows the optical path of the image light emitted from the center of the image display surface of the image display element 10. In such a virtual image display optical system, the collimating optical system 300 is arranged in the immediate vicinity of the light ray incident part 101 of the light guide member 100, and the image light displayed on the image display element 10, that is, the image information of the display image is angle-converted and guided. It plays a role of making the light incident on the optical member 100.

画像表示素子10は、ライトガイド50を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子10は、有機ELD(OLED:Organic Light Emitting Diode)や液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子10として、DMD(Digital Micromirror Device)が適用可能である。また、画像表示素子10として、TFT(Thin Film Transistor)やLCOS(Liquid Crystal On Silicon)が適用可能である。さらに、画像表示素子10として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が適用可能である。   The image display element 10 is a device that outputs image light of a display image that is a basis of a virtual image displayed through the light guide 50. The image display device 10 is preferably an organic ELD (Organic Light Emitting Diode) or a liquid crystal display device, but various display systems can be applied. For example, as the image display element 10, a DMD (Digital Micromirror Device) can be applied. Further, as the image display element 10, a TFT (Thin Film Transistor) or an LCOS (Liquid Crystal On Silicon) can be applied. Further, as the image display element 10, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) can be applied.

図6では、画像表示素子10として、光源を必要とするLCOSやDMDなどを用いた例を示しており、画像表示素子10を照明するための光源LSを加えている。光源LSは、種々のものが適用でき、例えばLED(Light Emitting Diode)、半導体レーザ(Laser Diode:LD)、放電ランプなどを用いることができる。   FIG. 6 shows an example in which an LCOS or DMD that requires a light source is used as the image display element 10, and a light source LS for illuminating the image display element 10 is added. Various types of light sources can be applied to the light source LS, and for example, an LED (Light Emitting Diode), a semiconductor laser (Laser Diode: LD), a discharge lamp, or the like can be used.

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

かかる虚像表示装置によれば、光源LSで照明された画像表示素子10の画像光は、コリメート光学系300を通過することで、拡大され平行光としてライトガイド50に入射する。すなわち、コリメート光学系300で拡大された平行光である画像光は、ライトガイド50における導光部材100の光線入射部101から入射して導光部材100の内部に導光される。導光された画像光は、導光部材100の内部すなわち前面及び後面を全反射しながら再帰反射部106に向かって進行する。画像光は、再帰反射部106に到達すると、再帰反射部106の上述した第1傾斜面106a及び第2傾斜面106bによる多数のプリズムによって反射され、光線入射部101の方向に進むように進行方向が反転する。進行方向が反転した画像光は、画像取り出し部103の第1面103aに到達すると、第1面103aで反射されて光線射出部104に導かれ、光線射出部104からユーザの両目に向けて画像情報として射出される。ユーザは、導光部材100の光線射出部104及び光学部材200を通して前方を覗くことで、画像光の虚像を視認することができる。   According to such a virtual image display device, the image light of the image display element 10 illuminated by the light source LS passes through the collimating optical system 300, is enlarged, and enters the light guide 50 as parallel light. That is, the image light, which is the parallel light expanded by the collimating optical system 300, enters from the light ray incident portion 101 of the light guide member 100 in the light guide 50 and is guided inside the light guide member 100. The guided image light travels toward the retroreflective portion 106 while totally reflecting the inside of the light guide member 100, that is, the front surface and the rear surface. When the image light reaches the retroreflector 106, the image light is reflected by a large number of prisms of the above-described first inclined surface 106a and second inclined surface 106b of the retroreflector 106, and travels in the direction of the light ray incident portion 101. Is reversed. When the image light whose traveling direction is reversed reaches the first surface 103a of the image extraction unit 103, the image light is reflected by the first surface 103a and guided to the light ray emission unit 104, and the image is emitted from the light ray emission unit 104 toward both eyes of the user. It is emitted as information. The user can visually recognize the virtual image of the image light by looking forward through the light emitting unit 104 of the light guide member 100 and the optical member 200.

次に、導光部材100内に導光される画像光の進行状態の詳細について、図面を参照しながら説明する。図7は、再帰反射部106が設けられていない参考例としての導光部材1000に画像光が入射されている状態を示している。この参考例としての導光部材1000は、再帰反射部106を有しない点、および、画像取り出し部103の第1面103aが逆向きすなわち光線入射部101と対向する向きに形成されている点で、上述の実施形態の構成とは異なっている。   Next, details of the traveling state of the image light guided in the light guide member 100 will be described with reference to the drawings. FIG. 7 shows a state in which image light is incident on the light guide member 1000 as a reference example in which the retroreflective portion 106 is not provided. The light guide member 1000 as this reference example does not have the retroreflective portion 106, and the first surface 103a of the image extraction portion 103 is formed in the opposite direction, that is, in the direction facing the light ray incident portion 101. The configuration is different from that of the above-described embodiment.

図示のように、画像表示素子10から射出された画像光は、コリメート光学系300を通過することでコリメート光とされた状態で、導光部材1000の光線入射部101から入射して導光部材1000内を進行する。光線入射部101から入射した画像光は、導光部材1000内を全反射することにより、図7に示すように、発散光となって導光部材1000内を進行する。すなわち、光線入射部101から入射した画像光は、導光部材1000内を進むに従って発散していることが分かる。この画像光の発散の度合いは、広角方向の光になる程顕著になる。したがって、導光部材1000内を進行する画像光は、垂直視野方向に広がって進行する。   As shown in the figure, the image light emitted from the image display element 10 is made into collimated light by passing through the collimating optical system 300, and is incident from the light ray incident portion 101 of the light guide member 1000 to be guided. Proceed through 1000. The image light incident from the light ray incident part 101 is totally reflected in the light guide member 1000, and thus becomes divergent light and travels in the light guide member 1000 as shown in FIG. 7. That is, it can be seen that the image light incident from the light ray incident unit 101 diverges as it advances in the light guide member 1000. The degree of divergence of this image light becomes more remarkable as the light becomes wider in the wide-angle direction. Therefore, the image light propagating in the light guide member 1000 spreads and propagates in the vertical visual field direction.

この導光部材1000では、画像取り出し部103の第1面103aから画像光を取り出そうとすると、発散光のまま取り出すことになるので、光線射出部104から射出され観察者の眼に入ってゆく画像光は、垂直視野方向に発散するものとなる。このため、発散角度の大きい画像周辺部などの画像光が観察者の眼に光が入らず、観察される虚像が欠けることになる。   In this light guide member 1000, when the image light is to be extracted from the first surface 103a of the image extraction unit 103, the image light is extracted as divergent light, and thus the image is emitted from the light beam emission unit 104 and enters the eyes of the observer. The light will diverge in the vertical viewing direction. Therefore, the image light of the peripheral portion of the image having a large divergence angle does not enter the eyes of the observer, and the observed virtual image is lost.

本実施形態のライトガイド50の導光部材100内で画像光が導光される様子を図8及び図9に示す。ここで、図8はライトガイド50の前面側(正面)から表した図であり、図9はライトガイド50の側面側(上方)から表した図である。また、図8及び図9では、分かりやすくするために、画像表示素子10の画像表示面の隅から射出された1本の光線400のみを抽出して示している。   8 and 9 show how image light is guided in the light guide member 100 of the light guide 50 of the present embodiment. Here, FIG. 8 is a view shown from the front side (front side) of the light guide 50, and FIG. 9 is a view shown from the side side (upper side) of the light guide 50. Further, in FIG. 8 and FIG. 9, only one light ray 400 emitted from the corner of the image display surface of the image display element 10 is extracted and shown for the sake of clarity.

図示のように、画像表示素子10の隅から射出された画像光は、コリメート光学系300を通過してコリメート光とされた状態で、導光部材100の光線入射部101から入射して導光部材100内を進行する。導光部材100の光線入射部101から入射した画像光は、導光部材100内を全反射することにより、発散光となって導光部材100内を進行する。すなわち、光線入射部101から入射した画像光は、再帰反射部106に達するまでは、図7で上述した例と同様に発散光として導光部材100内を進行する。   As shown in the figure, the image light emitted from the corner of the image display element 10 passes through the collimating optical system 300 to be collimated light and enters from the light ray incident part 101 of the light guide member 100 to be guided. It advances in the member 100. The image light incident from the light ray incident part 101 of the light guide member 100 is totally reflected in the light guide member 100, and becomes divergent light to travel in the light guide member 100. That is, the image light incident from the light ray incident unit 101 travels in the light guide member 100 as divergent light until it reaches the retroreflective unit 106, as in the example described above with reference to FIG. 7.

続いて、画像光は、再帰反射部106で反射することにより、進行方向すなわち導光する方向が反転する。ここで、画像光は、再帰反射部106を構成する第1傾斜面106a及び第2傾斜面106bの両面で反射して、平面方向から見た入射光と出射光が平行になるとともに、収束光となって導光部材100内を進行する。さらに、画像光は、画像取り出し部103の第1面103aで反射して、収束光として光線射出部104から射出され、観察者の眼の方向に導かれる。このように、本実施形態のライトガイド50によれば、画像光が収束光として射出され、観察者の眼に提供されるので、広角でも虚像が欠けずに良好に観察できる虚像表示装置を実現できる。   Subsequently, the image light is reflected by the retroreflective section 106, so that the traveling direction, that is, the light guiding direction is reversed. Here, the image light is reflected by both surfaces of the first inclined surface 106a and the second inclined surface 106b forming the retroreflective portion 106, and the incident light and the emitted light when viewed in the plane direction are parallel and the converged light is And advances in the light guide member 100. Further, the image light is reflected by the first surface 103a of the image extraction unit 103, is emitted from the light beam emission unit 104 as convergent light, and is guided in the direction of the observer's eye. As described above, according to the light guide 50 of the present embodiment, the image light is emitted as convergent light and is provided to the observer's eyes, so that a virtual image display device capable of observing satisfactorily without missing a virtual image even at a wide angle is realized. it can.

(光学部材)
次に、光学部材200の傾斜部203の構成及び導光部材100に対する光学部材200の配置について説明する。図10に、導光部材100と光学部材200の境界面を拡大して示す。なお、図10中、光学部材200の前面210と平行な仮想面を点線で表している。
(Optical member)
Next, the configuration of the inclined portion 203 of the optical member 200 and the arrangement of the optical member 200 with respect to the light guide member 100 will be described. FIG. 10 shows an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200. In FIG. 10, a virtual surface parallel to the front surface 210 of the optical member 200 is indicated by a dotted line.

図10に示すように、光学部材200は、傾斜部203が、導光部材100の画像取り出し部103に空気層すなわちエアギャップ140を介して近接配置されている。本実施形態では、導光部材100の画像取り出し部103の端縁と光学部材200の傾斜部203の端縁とを、マイクロボール型の接着剤を用いて接着している。このようにすることで、取り出し部103と傾斜部203のエアギャップ140を等間隔とすることが可能となり、シースルー性をより高めることができる。   As shown in FIG. 10, in the optical member 200, the inclined portion 203 is arranged close to the image extraction portion 103 of the light guide member 100 via an air layer, that is, an air gap 140. In the present embodiment, the edge of the image extraction portion 103 of the light guide member 100 and the edge of the inclined portion 203 of the optical member 200 are bonded using a microball type adhesive. By doing so, it is possible to make the air gap 140 between the take-out portion 103 and the inclined portion 203 even, and to further improve the see-through property.

光学部材200の傾斜部203は、導光部材100の画像取り出し部103に対向した部位に、前面210に対してθa’の角度を有する第3面203aと、前面210に対してθb’の角度を有する第4面203bとが、交互に配置されている。   The inclined portion 203 of the optical member 200 includes a third surface 203a having an angle of θa′ with respect to the front surface 210, and an angle of θb′ with respect to the front surface 210, at a portion facing the image extracting portion 103 of the light guide member 100. And the fourth surface 203b having the are arranged alternately.

前面210は、導光部材100の光線射出部104と平行な面である。また、第4面203bは、前面210と平行であり、角度θb’=0°である。したがって、第4面203bは導光部材100の光線射出部104、第2面103bとも平行であり、θb=θb’=0°である。このような設定とすることで、ライトガイド50のシースルー性を高めることができる。なお、第4面203bが前面210、導光部材100の光線射出部104、第2面103bに対して平行な面でない場合は、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。   The front surface 210 is a surface parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100. The fourth surface 203b is parallel to the front surface 210 and has an angle θb′=0°. Therefore, the fourth surface 203b is parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100 and the second surface 103b, and θb=θb′=0°. With such a setting, the see-through property of the light guide 50 can be enhanced. If the fourth surface 203b is not a surface parallel to the front surface 210, the light emitting portion 104 of the light guide member 100, or the second surface 103b, the see-through property is deteriorated due to the prism effect, which is not preferable.

さらに、前面210に対する第3面203aの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部104に対する画像取り出し部103の角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材200の第3面203aが導光部材100の第1面103aと平行となり、ライトガイド50のシースルー性をより高めることが可能になる。   Further, it is preferable that the angle θa′ of the third surface 203a with respect to the front surface 210 is set to the angle θa described above, that is, the angle equal to the angle of the image extraction unit 103 with respect to the light emitting unit 104. In this case, the third surface 203a of the optical member 200 becomes parallel to the first surface 103a of the light guide member 100, and the see-through property of the light guide 50 can be further enhanced.

ライトガイド50のシースルー性について最大の効果を得るためには、導光部材100の第1面103aを光線射出部104の法線方向(図10における上方向)に平行移動させたときに、対向する第3面203aとの間のずれを可能な限り無くせばよい。かかるずれを無くすために、光学部材200に、導光部材100との間の間隔すなわちエアギャップ140を調整する調整機構を取り付けることができる。   In order to obtain the maximum effect on the see-through property of the light guide 50, when the first surface 103a of the light guide member 100 is translated in the normal direction of the light emitting unit 104 (upward direction in FIG. 10), the light guide member 100 faces each other. The misalignment with the third surface 203a that is formed may be eliminated as much as possible. In order to eliminate such a shift, the optical member 200 can be attached with an adjusting mechanism for adjusting the distance between the optical member 200 and the light guide member 100, that is, the air gap 140.

ライトガイド50のシースルー性を確保するために、導光部材100と光学部材200は、相互に同一の材料で作られていることが望ましい。   In order to ensure the see-through property of the light guide 50, the light guide member 100 and the optical member 200 are preferably made of the same material.

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

上述の図1から図10に示す実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材100の光線入射部101を配置して、画像光を虚像観察者の左側から入射する例について説明した。かかる配置を左右逆にする場合、すなわち虚像観察者の右側に導光部材100の光線入射部101を配置して、画像光を虚像観察者の右側から入射する場合も、上述と同一の効果が得られる。   In the embodiments shown in FIGS. 1 to 10 described above, the example in which the light beam incident portion 101 of the light guide member 100 is arranged on the left side of the virtual image observer and the image light is incident from the left side of the virtual image observer has been described. The same effect as described above can be obtained when the arrangement is reversed from right to left, that is, when the light beam incident unit 101 of the light guide member 100 is arranged on the right side of the virtual image observer and the image light is incident from the right side of the virtual image observer. can get.

また、図6や図9では虚像観察者の片方の目のみ図示したが、ライトガイド50は、射出される画像を両目で確認することができる。他方、ライトガイド50をより小型に形成して、単眼用のライトガイドとすることもできる。   Further, although only one eye of the virtual image observer is shown in FIGS. 6 and 9, the light guide 50 can confirm the emitted image with both eyes. On the other hand, the light guide 50 can be made smaller to be a light guide for a single eye.

上述した実施形態では、ライトガイド50を眼鏡型のHMDに適用する場合を想定して説明した。上述したライトガイド50は、他の種類のHMDにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ(HUD)にも適用できる。ライトガイド50は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。   In the above-described embodiment, the case where the light guide 50 is applied to the eyeglass-type HMD has been described. The light guide 50 described above can be applied to other types of HMDs, and can also be applied to a head-up display (HUD). The light guide 50 is particularly suitable for displaying a virtual image of an original image formed by a light beam optically modulated by a minute device.

以上のように、上述した実施形態によれば、肉薄で、40度以上の広い視野角を確保でき、特に垂直方向の視野角を良好に確保できる虚像表示装置用のライトガイドを提供することができる。   As described above, according to the above-described embodiment, it is possible to provide a light guide for a virtual image display device that is thin and can secure a wide viewing angle of 40 degrees or more, and particularly can secure a good viewing angle in the vertical direction. it can.

(虚像表示装置の実施例)
以下、図11乃至図14を参照して、虚像表示装置の具体的な実施例を説明する。図11及び図12は、実施例1として、上述したライトガイド50を用いて製作した虚像表示装置を示し、図13及び図14は、実施例2として、変形例としてのライトガイド50Aを用いて製作した虚像表示装置を示している。
(Example of virtual image display device)
Hereinafter, specific examples of the virtual image display device will be described with reference to FIGS. 11 to 14. 11 and 12 show a virtual image display device manufactured by using the above-described light guide 50 as a first embodiment, and FIGS. 13 and 14 use a light guide 50A as a modified example as a second embodiment. The manufactured virtual image display device is shown.

実施例1及び2では、焦点距離が7.5mmのコリメータレンズを使用し、屈折率(Nd)=1.53のプラスチックでライトガイドを製作し、第1面の角度θa=31.5度に設定した。また、射出される画像光に関し、アイレリーフ15mm以上、アイボックス5mm以上の条件を満たすようにライトガイドを製作した。   In Examples 1 and 2, a collimator lens with a focal length of 7.5 mm was used, and a light guide was made of plastic with a refractive index (Nd)=1.53, and the angle θa of the first surface was 31.5 degrees. Set. Further, the light guide was manufactured so as to satisfy the conditions of the eye relief of 15 mm or more and the eye box of 5 mm or more with respect to the emitted image light.

(実施例1)
図11及び図12に示す実施例1では、ライトガイド50の寸法を以下の数値に設定して製作した。
・ライトガイドの厚み(肉厚) :最薄部1mm 、最厚部1.9mm
・ライトガイドの長手方向の長さ:46mm
・ライトガイドの幅:33mm
(Example 1)
In Example 1 shown in FIGS. 11 and 12, the light guide 50 was manufactured by setting the dimensions of the light guide 50 to the following numerical values.
・Thickness of light guide (thickness): thinnest part 1mm, thickest part 1.9mm
・Longitudinal length of light guide: 46mm
・Width of light guide: 33mm

かかる実施例1では、ライトガイドの水平視野角=50度、垂直視野角=27度が確保された。   In Example 1, the horizontal viewing angle of the light guide=50 degrees and the vertical viewing angle=27 degrees were secured.

(実施例2)
図13及び図14に示す実施例2で製作したライトガイド50Aは、後面側から画像光を入射する構造となっており、上述した実施形態及び実施例1のライトガイド50と比較して、以下の構成が異なっている。
(Example 2)
The light guide 50A manufactured in Example 2 shown in FIGS. 13 and 14 has a structure in which image light is incident from the rear surface side. Compared with the light guide 50 of the above-described embodiment and Example 1, The configurations are different.

すなわち、実施例2のライトガイド50Aの導光部材100Aは、図示のように、画像光が入射される光線入射部101Aが光線射出部104と同一面すなわち後面に設けられている。このため、実施例2では、光学系の光路の配置も異なり、ライトガイド50Aの後面側にコリメートレンズが設けられる。また、導光部材100Aは、光線入射部101Aで入射した画像光を反射して導光部材100Aの内部に導くための反射部102が設けられている。反射部102は、光線入射部101A及び前面105に連続する平面であり、光線入射部101Aに対して所定の角度で傾斜している。   That is, in the light guide member 100A of the light guide 50A of the second embodiment, as shown in the drawing, the light ray incident portion 101A on which the image light is incident is provided on the same surface as the light ray emission portion 104, that is, on the rear surface. Therefore, in Example 2, the arrangement of the optical paths of the optical system is different, and the collimator lens is provided on the rear surface side of the light guide 50A. Further, the light guide member 100A is provided with a reflection portion 102 for reflecting the image light incident on the light ray incident portion 101A and guiding the image light to the inside of the light guide member 100A. The reflecting portion 102 is a plane that is continuous with the light incident portion 101A and the front surface 105, and is inclined at a predetermined angle with respect to the light incident portion 101A.

かかる実施例2では、ライトガイド50Aの寸法を実施例1と同一に設定して製作した。すなわち、ライトガイド50Aの厚み(肉厚)につき、最薄部を1mm 、最厚部を1.9mmとし、長手方向の長さを46mmとし、幅を33mmとした。かかる実施例2においても、ライトガイドの水平視野角=50度、垂直視野角=27度が確保された。   In the second embodiment, the size of the light guide 50A is set to be the same as that of the first embodiment. That is, regarding the thickness (thickness) of the light guide 50A, the thinnest portion was 1 mm, the thickest portion was 1.9 mm, the length in the longitudinal direction was 46 mm, and the width was 33 mm. In Example 2 as well, the horizontal viewing angle of the light guide=50 degrees and the vertical viewing angle=27 degrees were secured.

以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、肉薄で、広い視野角を確保でき、特に垂直方向の視野角を良好に確保できる虚像表示装置用のライトガイドを提供することができる。   As described above, according to the above-described embodiments and examples, it is possible to provide a light guide for a virtual image display device that is thin and can secure a wide viewing angle, and particularly can secure a good viewing angle in the vertical direction. ..

10 画像表示素子
300 コリメート光学系
LS 光源
50,50A ライトガイド
100,100A 導光部材
101,101A 光線入射部
102 反射部
103 画像取り出し部
103a 第1面
103b 第2面
104 光線射出部
105 全反射面
106 再帰反射部
106a 第1傾斜面
106b 第2傾斜面
140 空気層
200 光学部材
203 傾斜部
205 平面部
210 前面
10 image display element 300 collimating optical system LS light source 50, 50A light guide 100, 100A light guide member 101, 101A light incident part 102 reflection part 103 image extraction part 103a first surface 103b second surface 104 light emission part 105 total reflection surface 106 Retroreflective part 106a 1st inclined surface 106b 2nd inclined surface 140 Air layer 200 Optical member 203 Inclined part 205 Flat part 210 Front surface

特許5698297号Patent No. 5698297 特許5421285号Patent No. 5421285 特許第5703875号Patent No. 5703875

Claims (8)

画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、
前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材を有し、
前記導光部材は、前記光線入射部から入射し前記導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部と、前記再帰反射部で進行方向が反転された画像光を前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、
前記画像取り出し部は、前記光線射出部に対して傾斜して前記再帰反射部と対向する第1面と前記光線射出部に平行な第2面とが交互に配置され、前記画像光を前記第1面から前記光線射出部に導光して取り出し、
前記再帰反射部は、多数の面で構成されていること
を特徴とするライトガイド。
A light guide for a virtual image display device, which guides image light from an image display element and emits to display a virtual image,
A light guide member having a light ray incident portion on which the image light is incident and a light ray emission portion for emitting the image light to the outside,
The light guide member includes a retroreflective portion that reverses a traveling direction of image light that is incident from the light beam incident portion and is guided in the light guide member, and image light whose traveling direction is reversed by the retroreflective portion. Equipped with an image extraction part that guides the light to the light emission part
The image extraction unit is configured such that first surfaces that are inclined with respect to the light emitting unit and face the retroreflective unit and second surfaces that are parallel to the light emitting unit are alternately arranged, and Light is guided from one surface to the light emitting part,
The light guide, wherein the retroreflective portion is composed of multiple surfaces.
前記再帰反射部は、頂角が90度である多数個のプリズムで構成されている
請求項1記載のライトガイド。
The light guide according to claim 1, wherein the retroreflective portion includes a plurality of prisms having an apex angle of 90 degrees.
前記多数個のプリズムは、前記光線射出部に対して垂直な面上に配置されている
請求項2に記載のライトガイド。
The light guide according to claim 2, wherein the plurality of prisms are arranged on a surface perpendicular to the light emitting portion.
前記再帰反射部は、反射率が70%以上であるコートを有する
請求項1乃至3のいずれかに記載のライトガイド。
The light guide according to claim 1, wherein the retroreflective portion has a coat having a reflectance of 70% or more.
前記画像取り出し部は、前記光線入射部から前記再帰反射部に向かって前記導光体の厚みが増加する形状である
請求項1乃至4のいずれかに記載のライトガイド。
The light guide according to claim 1, wherein the image extraction portion has a shape in which the thickness of the light guide increases from the light incident portion toward the retroreflective portion.
前記第2面と前記光線射出部との距離は、前記光線入射部から前記再帰反射部に近づくにつれて大きくなる
請求項1乃至5のいずれかに記載のライトガイド。
The light guide according to any one of claims 1 to 5, wherein a distance between the second surface and the light ray emitting portion increases as the distance from the light ray incident portion to the retroreflective portion increases.
前記導光部材に一体的に設けられる光学部材をさらに備え、
前記光学部材は、前記導光部材と空気層を介して接合されており、該接合される面と反対側の面に、前記導光部材の前記光線射出部と平行な面を備える
請求項1乃至6のいずれかに記載のライトガイド。
Further comprising an optical member integrally provided with the light guide member,
The optical member is joined to the light guide member via an air layer, and a surface opposite to the joined surface is provided with a surface parallel to the light emitting portion of the light guide member. 7. The light guide according to any one of 6 to 6.
照明光を射出する光源と、
前記光源からの照明光を受けて虚像表示のための表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系からの画像光を導光して射出する請求項1乃至7のいずれかに記載のライトガイドと、
を虚像表示光学系として備える虚像表示装置。
A light source that emits illumination light,
An image display element that receives the illumination light from the light source and outputs image light of a display image for displaying a virtual image,
A collimating optical system that collimates and emits image light from the image display element,
The light guide according to claim 1, wherein the image light from the collimating optical system is guided and emitted.
Image display device having a virtual image display optical system.
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