JPWO2017077978A1 - Light guiding element, bonding optical element, image display device, and head mounted display - Google Patents

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Abstract

導光素子は、内部で光を導光するために必要な光学面を複数有する。複数の光学面は、鋭角で交わる2つの光学面を含む。上記2つの光学面の境界となる交線は、該交線の両端を結ぶ直線とは異なる形状である。上記直線を含む平面または上記直線に平行な平面で、上記2つの光学面を切ったとき、上記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲線(C)が含まれている。曲線(C)は、変曲点(M)を持っている。The light guide element has a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside. The plurality of optical surfaces include two optical surfaces that intersect at an acute angle. The intersection line serving as the boundary between the two optical surfaces has a shape different from the straight line connecting both ends of the intersection line. When the two optical surfaces are cut by a plane including the straight line or a plane parallel to the straight line, at least one of the cross sections of the two optical surfaces includes a curve (C). Curve (C) has an inflection point (M).

Description

本発明は、内部で光を導光するために必要な光学面を複数有する導光素子と、その導光素子を含む接合光学素子と、上記導光素子または上記接合光学素子を含む画像表示装置と、その画像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMD(Head Mounted Display)とも称する)とに関するものである。   The present invention relates to a light guide element having a plurality of optical surfaces necessary for guiding light therein, a bonded optical element including the light guide element, and an image display device including the light guide element or the bonded optical element. And a head mounted display (hereinafter also referred to as HMD (Head Mounted Display)) provided with the image display device.

従来から、表示素子からの画像光を導光素子(例えば導光プリズム)の内部で導光し、観察瞳に導くことで、観察者に画像を観察させる画像表示装置が提案されている。例えば特許文献1〜3に開示された画像表示装置では、表示素子からの画像光を、導光素子の対向する2つの光学面で全反射させて導光した後、導光素子において上記2つの光学面と斜めに交わる光学面で反射させて観察瞳に導いている。なお、説明の便宜上、上記2つの光学面を全反射面とも称し、上記全反射面と斜めに交わる光学面を傾斜面とも称する。上記2つの全反射面のうちの一方は、傾斜面で反射された画像光を観察瞳側に透過させる透過面(出射面)も兼ねている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed an image display device that allows an observer to observe an image by guiding image light from a display element inside a light guide element (for example, a light guide prism) and guiding it to an observation pupil. For example, in the image display devices disclosed in Patent Documents 1 to 3, after the image light from the display element is totally reflected by the two optical surfaces facing the light guide element and then guided, The light is reflected by an optical surface obliquely intersecting the optical surface and guided to the observation pupil. For convenience of explanation, the two optical surfaces are also referred to as a total reflection surface, and an optical surface that obliquely intersects the total reflection surface is also referred to as an inclined surface. One of the two total reflection surfaces also serves as a transmission surface (exit surface) that transmits the image light reflected by the inclined surface to the observation pupil side.

特開2014−153643号公報(請求項1、図3等参照)JP 2014-153643 A (refer to claim 1, FIG. 3 etc.) 特開2015−106012号公報(請求項1、図2等参照)Japanese Patent Laying-Open No. 2015-106012 (refer to claim 1, FIG. 2, etc.) 特開2014−174519号公報(請求項1、図11等参照)JP 2014-174519 A (refer to claim 1, FIG. 11 etc.)

ところが、特許文献1〜3のように、導光素子が2つの全反射面と傾斜面とを有しており、傾斜面が2つの全反射面と斜めに交わる構成では、一方の全反射面は、傾斜面と鋭角で交わることになる。そして、上記一方の全反射面と傾斜面とで挟まれる部分は、鋭角の先端に向かって細くなる先細り形状となる。先細り形状の部分では、厚みが一定の部分((例えば2つの全反射面が対向する部分)に比べて強度が弱いため、例えば導光素子を製品に組み込む場合の単純な押し付けなどによる外力が、鋭角で交わる全反射面と傾斜面とを貫く方向に働くと、その方向の力に対して、変形が起こりやすくなる。先細り形状の部分が変形すると、先細り形状を構成する光学面(全反射面、傾斜面)における光の透過方向または反射方向が、本来の光学設計によって規定される方向から変わってしまい、導光素子の内部で導光した光を、外部の適切な方向に導くことができなくなる。   However, as in Patent Documents 1 to 3, in the configuration in which the light guide element has two total reflection surfaces and an inclined surface, and the inclined surface obliquely intersects with the two total reflection surfaces, one total reflection surface Intersects the inclined surface at an acute angle. And the part pinched | interposed by said one total reflection surface and an inclined surface becomes a taper shape which becomes thin toward an acute-angled front-end | tip. In the tapered portion, the strength is weaker than the constant thickness portion (for example, the portion where the two total reflection surfaces face each other). For example, external force due to simple pressing when the light guide element is incorporated into the product, If it works in a direction that penetrates the total reflection surface and the inclined surface that intersect at an acute angle, deformation tends to occur due to the force in that direction.When the tapered part deforms, the optical surface that forms the tapered shape (total reflection surface The light transmission direction or reflection direction on the inclined surface is changed from the direction defined by the original optical design, and the light guided inside the light guide element can be guided to an appropriate external direction. Disappear.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、内部で光を導光するために必要な2つの光学面が鋭角に交わるような先細り形状を有する構成であっても、外力に対する先細り形状の部分での変形を抑えることができ、これによって、内部で導光した光を外部の適切な方向に導くことができる導光素子と、その導光素子を用いた接合光学素子と、上記導光素子または上記接合光学素子を用いた画像表示装置と、その画像表示装置を用いたHMDとを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is a configuration having a tapered shape in which two optical surfaces necessary for guiding light inside intersect at an acute angle. However, it is possible to suppress the deformation at the tapered portion with respect to the external force, thereby using the light guide element that can guide the light guided inside in an appropriate direction outside, and the light guide element. It is to provide a bonding optical element, an image display device using the light guide element or the bonding optical element, and an HMD using the image display device.

本発明の一側面に係る導光素子は、内部で光を導光するために必要な光学面を複数有する導光素子であって、前記複数の光学面は、鋭角で交わる2つの光学面を含んでおり、前記2つの光学面の境界となる交線は、該交線の両端を結ぶ直線とは異なる形状であり、前記直線を含む平面または前記直線に平行な平面で、前記2つの光学面を切ったとき、前記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲線が含まれており、前記曲線は、変曲点を持っている。   A light guide element according to one aspect of the present invention is a light guide element having a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside, wherein the plurality of optical surfaces include two optical surfaces intersecting at an acute angle. And an intersection line that is a boundary between the two optical surfaces has a shape different from a straight line connecting both ends of the intersection line, and is a plane including the straight line or a plane parallel to the straight line. When the surface is cut, at least one of the cross sections of the two optical surfaces includes a curve, and the curve has an inflection point.

本発明の他の側面に係る接合光学素子は、上述した導光素子と、前記導光素子の前記2つの光学面のうち、全反射によって光を導光する光学面とは異なる光学面と面形状が略同一の対向面を持ち、前記異なる光学面と前記対向面とが対向するように、前記導光素子と接合される接合用光学部材とを含む。   A bonded optical element according to another aspect of the present invention includes an optical surface and a surface different from the optical surface that guides light by total reflection, of the light guide element described above and the two optical surfaces of the light guide element. And a joining optical member joined to the light guide element so that the opposing optical surfaces have substantially the same shape, and the different optical surfaces and the opposing surfaces face each other.

本発明のさらに他の側面に係る画像表示装置は、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの画像光を内部で導光して観察瞳に導く接眼光学系とを備え、前記接眼光学系は、上述した導光素子を含んでいる。   An image display device according to still another aspect of the present invention includes: a display element that displays an image; and an eyepiece optical system that guides image light from the display element and guides the image light to an observation pupil. The system includes the light guide element described above.

本発明のさらに他の側面に係る画像表示装置は、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの画像光を内部で導光して観察瞳に導く接眼光学系とを備え、前記接眼光学系は、上述した接合光学素子を含んでいる。   An image display device according to still another aspect of the present invention includes: a display element that displays an image; and an eyepiece optical system that guides image light from the display element and guides the image light to an observation pupil. The system includes the bonding optical element described above.

本発明のさらに他の側面に係るヘッドマウントディスプレイは、上述した画像表示装置と、前記画像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。   A head mounted display according to still another aspect of the present invention includes the above-described image display device and a support member that supports the image display device in front of an observer's eyes.

導光素子は、内部で光を導光するために必要な複数の光学面として、鋭角で交わる2つの光学面を含んでおり、上記2つの光学面で挟まれる部分は、先細り形状となっている。このような構成において、上記2つの光学面の交線の両端を結ぶ直線を含む平面または前記直線に平行な平面で、上記2つの光学面を切ったとき、上記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲線が含まれている。そして、上記曲線は、変曲点を持っている。つまり、上記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲率が正となる形状と、曲率が負となる形状とが両方含まれる。このため、光学面が変曲点を持たない構成(例えば断面形状が直線のみからなる構成)に比べて、光学面が変形しにくくなり、外力による上記先細り形状の部分の変形を抑えることが可能となる。その結果、導光素子の内部で導光した光を、上記先細り形状の部分を構成する2つの光学面を介して、外部の適切な方向に導くことができる。   The light guide element includes two optical surfaces that intersect at an acute angle as a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside, and a portion sandwiched between the two optical surfaces has a tapered shape. Yes. In such a configuration, when the two optical surfaces are cut at a plane including a straight line connecting both ends of the intersection of the two optical surfaces or a plane parallel to the straight line, at least a cross section of the two optical surfaces is cut. One contains a curve. The curve has an inflection point. That is, at least one of the cross sections of the two optical surfaces includes both a shape with a positive curvature and a shape with a negative curvature. For this reason, compared to a configuration in which the optical surface does not have an inflection point (for example, a configuration in which the cross-sectional shape consists of only a straight line), the optical surface is less likely to be deformed, and deformation of the tapered portion due to external force can be suppressed. It becomes. As a result, the light guided inside the light guide element can be guided to an appropriate external direction through the two optical surfaces constituting the tapered portion.

本発明の実施の一形態に係る導光素子の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of the light guide element which concerns on one Embodiment of this invention. 上記導光素子の斜視図である。It is a perspective view of the said light guide element. 上記導光素子の正面図である。It is a front view of the said light guide element. 上記導光素子において、鋭角で交わる2つの光学面(全反射面、傾斜面)を同時に第2の面で切ったときの、一方の光学面(傾斜面)の断面形状を模式的に示す説明図である。In the above light guide element, an explanation schematically showing a cross-sectional shape of one optical surface (inclined surface) when two optical surfaces (total reflection surface, inclined surface) intersecting at an acute angle are simultaneously cut by the second surface. FIG. 上記一方の光学面の断面形状の他の例を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the other example of the cross-sectional shape of said one optical surface. 上記一方の光学面の断面形状のさらに他の例を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the other example of the cross-sectional shape of said one optical surface. 上記導光素子の他の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other structure of the said light guide element. 図7の導光素子において、鋭角で交わる2つの光学面(全反射面、傾斜面)を同時に第2の面で切ったときの、他方の光学面(全反射面)の断面形状を模式的に示す説明図である。In the light guide element of FIG. 7, when two optical surfaces (total reflection surface, inclined surface) that intersect at an acute angle are cut simultaneously by the second surface, the cross-sectional shape of the other optical surface (total reflection surface) is schematically illustrated. It is explanatory drawing shown in. 上記導光素子のさらに他の構成を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing other composition of the above-mentioned light guide element. 本発明の他の実施の形態に係る接合光学素子の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the joining optical element which concerns on other embodiment of this invention. 上記接合光学素子の斜視図である。It is a perspective view of the said joining optical element. 上記接合光学素子の正面図である。It is a front view of the said joining optical element. 本発明のさらに他の実施の形態に係る画像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the image display apparatus which concerns on other embodiment of this invention. 上記画像表示装置の斜視図である。It is a perspective view of the image display device. 上記画像表示装置の正面図である。It is a front view of the image display device. 本発明のさらに他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの上面図である。It is a top view of the head mounted display which concerns on other embodiment of this invention. 上記ヘッドマウントディスプレイの正面図である。It is a front view of the head mounted display. 上記ヘッドマウントディスプレイの下面図である。It is a bottom view of the head mounted display. 上記ヘッドマウントディスプレイの正面側からの斜視図である。It is a perspective view from the front side of the head mounted display.

〔実施の形態1〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following contents.

(導光素子について)
図1は、本実施形態に係る導光素子10の概略の構成を示す断面図であり、図2は、導光素子10の斜視図であり、図3は、導光素子10の正面図である。なお、図中における破線の矢印は、任意の光線の光路を示している。導光素子10は、外部から入射した光を内部で導光するとともに、導光した光を外部の所定の方向に向けて出射する光学素子であり、導光プリズム1と、光学部材2とを含んでいる。
(About light guide element)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a light guide element 10 according to the present embodiment, FIG. 2 is a perspective view of the light guide element 10, and FIG. 3 is a front view of the light guide element 10. is there. In addition, the arrow of the broken line in the figure has shown the optical path of arbitrary rays. The light guide element 10 is an optical element that guides light incident from outside and emits the guided light in a predetermined direction outside. The light guide prism 1 and the optical member 2 are connected to each other. Contains.

導光プリズム1は、例えば透明なアクリル樹脂で構成されている。この導光プリズム1は、内部で光を導光するために必要な光学面、すなわち、入射光を透過または反射させる光学有効領域を有する面(光学有効面)を複数有している。具体的には、導光プリズム1は、上記光学面として、第1光学面1a、第2光学面1b、第3光学面1c、第4光学面1dを有している。第1光学面1a、第2光学面1bおよび第3光学面1cにおいては、光学面全体が光学有効領域となっているが、光学面の一部(必要な箇所のみ)が光学有効領域となっていてもよい。第4光学面1dにおいては、図3に示すように、光学面の一部が光学有効領域Rとなっており、この光学有効領域R内に光学部材2が配置されている。つまり、第4光学面1dの光学有効領域Rと光学部材2の配置領域とは一致している。   The light guide prism 1 is made of, for example, a transparent acrylic resin. The light guide prism 1 has a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside, that is, a surface having an optically effective region that transmits or reflects incident light (optically effective surface). Specifically, the light guide prism 1 has a first optical surface 1a, a second optical surface 1b, a third optical surface 1c, and a fourth optical surface 1d as the optical surfaces. In the first optical surface 1a, the second optical surface 1b, and the third optical surface 1c, the entire optical surface is an optical effective region, but a part of the optical surface (only necessary portions) is the optical effective region. It may be. In the fourth optical surface 1d, as shown in FIG. 3, a part of the optical surface is an optical effective region R, and the optical member 2 is disposed in the optical effective region R. That is, the optical effective area R of the fourth optical surface 1d and the arrangement area of the optical member 2 are the same.

第1光学面1aは、外部から入射する光を透過させて、導光プリズム1の内部に導く面であり、例えば平面で構成されている。第2光学面1bおよび第3光学面1cは、例えば平面で構成されており、互いに平行に配置されるとともに、第1光学面1aと垂直となるように配置されている。第2光学面1bおよび第3光学面1cは、第1光学面1aを介して内部に入射した光を少なくも1回ずつ交互に全反射させて、第4光学面1dに導く。なお、第3光学面1cは、入射光を全反射させる全反射面として機能する以外に、第4光学面4d(または光学部材2)にて反射された光を外部に透過させる透過面としても機能する。第3光学面1cは、曲面を含んでいてもよいが(図7、図9参照)、この点については後述する。   The first optical surface 1a is a surface that transmits light incident from the outside and guides it to the inside of the light guide prism 1, and is formed of, for example, a flat surface. The 2nd optical surface 1b and the 3rd optical surface 1c are comprised by the plane, for example, and are arrange | positioned so that it may become mutually perpendicular | vertical and parallel to the 1st optical surface 1a. The second optical surface 1b and the third optical surface 1c cause the light incident on the inside through the first optical surface 1a to be totally reflected at least once and led to the fourth optical surface 1d. The third optical surface 1c functions not only as a total reflection surface that totally reflects incident light, but also as a transmission surface that transmits the light reflected by the fourth optical surface 4d (or the optical member 2) to the outside. Function. The third optical surface 1c may include a curved surface (see FIGS. 7 and 9), which will be described later.

第4光学面1dは、例えば曲面を含む形状で構成され、第2光学面1bおよび第3光学面1cと斜めに交わるように配置された傾斜面である。特に、第4光学面1dは、第3光学面1cと鋭角で交わるように配置されている。この結果、第3光学面1cと第4光学面1dとで挟まれる部分の形状は、鋭角の先端に向かって細くなる先細り形状となっている。一方、第4光学面1dは、第2光学面1bとは鈍角で交わるように配置されている。なお、第4光学面1dの面形状や傾斜配置の詳細については後述する。   The fourth optical surface 1d is an inclined surface that is configured to include, for example, a curved surface and is arranged so as to obliquely intersect the second optical surface 1b and the third optical surface 1c. In particular, the fourth optical surface 1d is disposed so as to intersect the third optical surface 1c at an acute angle. As a result, the shape of the portion sandwiched between the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d is a tapered shape that becomes narrower toward the tip of the acute angle. On the other hand, the fourth optical surface 1d is arranged to intersect the second optical surface 1b at an obtuse angle. The details of the surface shape and the inclined arrangement of the fourth optical surface 1d will be described later.

光学部材2は、例えば、所定の波長域の光のみを透過させ、他の波長域の光を回折反射させる、体積位相型で反射型のホログラム光学素子で構成されており、上述のように導光プリズム1の第4光学面1dに配置されている。例えば、第1光学面1aを介して導光プリズム1の内部に入射する光が、光学部材2で回折反射される波長域の光である場合、上記光は、導光プリズム1の内部で、第2光学面1bおよび第3光学面1cで全反射された後、光学部材2に入射し、そこで回折反射されて、再度第3光学面1cに導かれ、第3光学面1cを透過して外部の所望の方向に出射される。   The optical member 2 is composed of, for example, a volume phase type reflection type hologram optical element that transmits only light in a predetermined wavelength range and diffracts and reflects light in other wavelength ranges. It is disposed on the fourth optical surface 1 d of the optical prism 1. For example, when the light incident on the inside of the light guide prism 1 through the first optical surface 1a is light in a wavelength region that is diffracted and reflected by the optical member 2, the light is inside the light guide prism 1, After being totally reflected by the second optical surface 1b and the third optical surface 1c, it is incident on the optical member 2, where it is diffracted and reflected, guided again to the third optical surface 1c, and transmitted through the third optical surface 1c. The light is emitted in a desired external direction.

なお、光学部材2は、ホログラム光学素子以外に、蒸着等によって成膜されるアルミニウム膜や多層膜からなる反射部材(ハーフミラーを含む)で構成されてもよい。この場合、第1光学面1aを介して導光プリズム1の内部に入射した光の少なくとも一部が、光学部材2で反射され、第3光学面1cを介して外部に導かれる。また、第4光学面1dに光学部材2を配置せず、単純にプリズムと空気との屈折率差によって第4光学面1dで光を反射させ、第3光学面1cに導いてもよい。   In addition to the hologram optical element, the optical member 2 may be configured by a reflecting member (including a half mirror) made of an aluminum film or a multilayer film formed by vapor deposition or the like. In this case, at least a part of the light incident on the inside of the light guide prism 1 through the first optical surface 1a is reflected by the optical member 2 and guided to the outside through the third optical surface 1c. Alternatively, the optical member 2 may not be disposed on the fourth optical surface 1d, and the light may be simply reflected by the fourth optical surface 1d due to the refractive index difference between the prism and air and guided to the third optical surface 1c.

(第4光学面の面形状および傾斜配置の詳細について)
次に、第4光学面1dの面形状および傾斜配置の詳細について説明する。
(Details of surface shape and inclined arrangement of the fourth optical surface)
Next, details of the surface shape and the inclined arrangement of the fourth optical surface 1d will be described.

なお、以下での説明の便宜上、導光素子10における各方向を、次のように定義しておく。まず、図2に示すように、第3光学面1cと第4光学面1dとが交わることによってできる線、つまり、第3光学面1cと第4光学面1dとの境界となる稜線を、交線Lとする。ここでは、図2で示すように、第4光学面1dがうねった形状であるため、交線Lは直線とは異なる形状(例えば2次元的または3次元的に曲がる曲線を含む形状)となっている。   For convenience of explanation below, each direction in the light guide element 10 is defined as follows. First, as shown in FIG. 2, a line formed by the intersection of the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d, that is, a ridge line that becomes a boundary between the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d is intersected. Let it be line L. Here, as shown in FIG. 2, since the fourth optical surface 1d has a wavy shape, the intersecting line L has a shape different from a straight line (for example, a shape including a curve that bends two-dimensionally or three-dimensionally). ing.

そして、交線Lの両端を結ぶ直線、すなわち、交線Lの一方の端部Lと他方の端部Lとを結ぶ直線aに沿った方向を、X方向とし、X方向に垂直な面内で、互いに垂直な2方向を、それぞれY方向およびZ方向とする。このうち、Z方向は、第2光学面1bおよび第3光学面1cが対向する方向に等しいものとする。また、X方向に垂直な平面、すなわち、直線aに垂直なYZ面のことを、第1の面Pとも称し、直線aを含む平面、または直線aに平行な平面のことを、第2の面Pとも称する。Then, a straight line connecting both ends of the intersection line L, that, the direction along the line a connecting the end portion L 2 one end L 1 and the other lines of intersection L, and the X direction, perpendicular to the X direction Two directions perpendicular to each other in the plane are defined as a Y direction and a Z direction, respectively. Among these, the Z direction is assumed to be equal to the direction in which the second optical surface 1b and the third optical surface 1c face each other. A plane perpendicular to the X direction, that is, a YZ plane perpendicular to the straight line a is also referred to as a first plane P1, and a plane including the straight line a or a plane parallel to the straight line a is referred to as a second plane. also referred to as the plane P 2 of.

上記の定義を用いると、「第4光学面1dが第3光学面1cと鋭角で交わる」とは、以下のように言い換えることができる。すなわち、第3光学面1cと第4光学面1dとを第1の面Pで切ったとき、第3光学面1cの断面上の任意の2点(例えば第3光学面1cの上記断面内での両端の2点E・E)を通る直線1cと、第4光学面1dの断面上の任意の2点(例えば第4光学面1dの上記断面内での両端の2点E・E)を通る直線1dとが、鋭角α(0°<α<90°)で交わっている。また、「第4光学面1dが第2光学面1bと鈍角で交わる」についても、上記と同様に言い換えることができる。すなわち、第2光学面1bと第4光学面1dとを第1の面Pで切ったとき、第2光学面1bの断面上の任意の2点(例えば第2光学面1bの上記断面内での両端の2点E・E)を通る直線1bと、第4光学面1dの断面上の任意の2点(例えば第4光学面1dの上記断面内での両端の2点E・E)を通る直線1dとが、鈍角β(90°<β<180°)で交わっている。Using the above definition, “the fourth optical surface 1d intersects the third optical surface 1c at an acute angle” can be rephrased as follows. That is, the third when the optical surface 1c and a fourth optical surface 1d cut in the first surface P 1, the third any two points on the cross section of the optical surface 1c (for example in the cross-section of a third optical surface 1c a straight line 1c 1 passing through two points E 1 · E 2) at both ends in the two points at both ends of the fourth any two points on the cross section of the optical surface 1d (e.g. in the cross-section of a fourth optical surface 1d E 1 · E 3 ) and the straight line 1d 1 intersect at an acute angle α (0 ° <α <90 °). In addition, “the fourth optical surface 1d intersects the second optical surface 1b at an obtuse angle” can also be described in the same manner as described above. That is, when the cut and the second optical surface 1b and a fourth optical surface 1d in a first plane P 1, any two points on the cross section of the second optical surface 1b (for example, in the cross section of the second optical surface 1b a straight line 1b 1 passing through two points E 3 · E 4) at both ends in the two points at both ends of the fourth any two points on the cross section of the optical surface 1d (e.g. in the cross-section of a fourth optical surface 1d E 1 · E 3 ) and the straight line 1d 1 intersect at an obtuse angle β (90 ° <β <180 °).

図4は、第3光学面1cおよび第4光学面1dを同時に第2の面Pで切ったときの、第4光学面1dの断面形状を模式的に示している。なお、図4で示した断面形状は、図3におけるA−A’線での断面形状に対応している。図4のように、第4光学面1dを第2の面Pで切ったときの断面には、曲線Cが含まれている。この曲線Cは、2個の変曲点M・Mを持っている。4, when the cut third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d at the same time the second plane P 2, and the cross-sectional shape of the fourth optical surface 1d show schematically. The cross-sectional shape shown in FIG. 4 corresponds to the cross-sectional shape along the line AA ′ in FIG. As shown in FIG. 4, the curve C is included in the cross section when the fourth optical surface 1 d is cut by the second surface P 2 . This curve C has two inflection points M 1 and M 2 .

ここで、変曲点とは、平面上の曲線で曲がる方向が変わる点、すなわち、曲線上で曲率の符号が正から負、または負から正に変化する点(凹凸が変化する点)を指す。この変曲点は、上記曲線を関数y=f(x)として表した場合、2次導関数f''(x)の符号が変化する点でもある。図3における線分V−V、および線分W−Wは、第4光学面1dにおいて、第2の面Pによる切断位置を、第3光学面1c側から第2光学面1b側に変化させた場合の、上記変曲点M・Mの集合(変曲点M・Mの移動軌跡)をそれぞれ示している。なお、変曲点M・Mを特に区別する必要がないときは、これらをまとめて変曲点Mと称する。Here, the inflection point refers to a point where the direction of bending is changed by a curved line on the plane, that is, a point where the sign of curvature changes from positive to negative or from negative to positive on the curved line (a point where unevenness changes). . This inflection point is also a point where the sign of the second derivative f ″ (x) changes when the curve is expressed as a function y = f (x). Line segments V 1 -V 2 and line segments W 1 -W 2 in FIG. 3 indicate that the cutting position by the second surface P 2 on the fourth optical surface 1 d is the second optical surface from the third optical surface 1 c side. in the case of changing the 1b side, it shows a set of the inflection point M 1 · M 2 (movement locus of the inflection point M 1 · M 2), respectively. In addition, when it is not necessary to distinguish the inflection points M 1 and M 2 , these are collectively referred to as the inflection points M.

このように、第4光学面1dは、第2の面Pで切ったときの断面に、変曲点Mを持つ曲線Cが含まれるような、うねった面形状で構成されている。つまり、第4光学面1dの断面形状は、曲率が正となる形状(例えば変曲点Mに対して片側の曲線形状)と、曲率が負となる形状(例えば変曲点Mに対して上記片側とは反対側の曲線形状)とを両方含む。これにより、上記断面形状が変曲点Mを持たない形状である場合に比べて、第4光学面1dを貫通する方向の外力に対して第4光学面1dの強度が強くなり、上記外力に対して第4光学面1d自体が曲がりにくくなる。なお、上記断面形状が変曲点Mを持たない形状としては、例えば、上記断面形状が直線のみで構成される場合(第4光学面1d全体が平面で構成される場合)や、上記断面形状が正負のどちらか一方の曲率しか持たない形状である場合を想定することができる。Thus, the fourth optical surface 1d is a cross section when taken along a second plane P 2, as contained curve C with inflection point M, is composed of a surface shape of undulating. That is, the cross-sectional shape of the fourth optical surface 1d includes a shape with a positive curvature (for example, a curved shape on one side with respect to the inflection point M) and a shape with a negative curvature (for example, with respect to the inflection point M) And a curved shape on the opposite side to one side). Thereby, compared with the case where the cross-sectional shape is a shape having no inflection point M, the strength of the fourth optical surface 1d is stronger than the external force in the direction penetrating the fourth optical surface 1d. On the other hand, the fourth optical surface 1d itself is difficult to bend. In addition, as the shape in which the cross-sectional shape does not have the inflection point M, for example, when the cross-sectional shape is configured by only a straight line (when the entire fourth optical surface 1d is configured by a plane), It can be assumed that is a shape having only one of positive and negative curvatures.

このため、例えば導光素子10を製品(例えば後述する画像表示装置)に組み込む場合において、単純な押し付けや締め付けなどによる外力が、第3光学面1cと第4光学面1dとを貫く方向に働いても、第3光学面1cと第4光学面1dとで挟まれる先細り形状の部分が、その外力によって変形するのを抑えることができる。また、例えば熱によるプリズム自体の膨張収縮によって応力(熱応力)が発生したとしても、第4光学面1dの強度が強いため、熱応力による上記の先細り形状の部分の変形を抑えることができる。その結果、導光素子10の内部で導光した光を、第4光学面1d(または光学部材2)および第3光学面1cを介して、外部の適切な方向(本来の光学設計によって規定される方向)に導くことができる。   For this reason, for example, when the light guide element 10 is incorporated into a product (for example, an image display device described later), an external force due to simple pressing or tightening acts in a direction penetrating the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d. Even so, it is possible to prevent the tapered portion sandwiched between the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d from being deformed by the external force. Further, for example, even if stress (thermal stress) is generated due to expansion and contraction of the prism itself due to heat, the fourth optical surface 1d has high strength, so that deformation of the tapered portion due to thermal stress can be suppressed. As a result, the light guided inside the light guide element 10 is defined by an appropriate external direction (original optical design) via the fourth optical surface 1d (or the optical member 2) and the third optical surface 1c. Direction).

また、導光プリズム1の複数の光学面(第1光学面1a〜第4光学面1d)は、入射光を透過または反射させる光学有効領域を有する面であるため、これらの光学面の光学有効領域において、入射光を確実に透過または反射させて、プリズム内部で導光し、外部に出射させることができる。   Further, since the plurality of optical surfaces (the first optical surface 1a to the fourth optical surface 1d) of the light guide prism 1 are surfaces having an optically effective region that transmits or reflects incident light, the optically effective optical surfaces of these optical surfaces are used. In the region, incident light can be reliably transmitted or reflected, guided inside the prism, and emitted outside.

また、第4光学面1d(特に光学有効領域R内)には、導光素子10(導光プリズム1)の内部で導光されて入射する光を反射させて、第3光学面1cに導く光学部材2が配置されている。光学部材2を用いることにより、導光素子10の内部で導光された光を、光学部材2にて第3光学面1cの方向に確実に反射させ、第3光学面1cを介して外部に取り出すことができる。   The fourth optical surface 1d (especially in the optical effective region R) reflects light incident on the inside of the light guide element 10 (light guide prism 1) and guides it to the third optical surface 1c. An optical member 2 is arranged. By using the optical member 2, the light guided inside the light guide element 10 is reliably reflected by the optical member 2 in the direction of the third optical surface 1 c, and externally via the third optical surface 1 c. It can be taken out.

特に、光学部材2は、ホログラム光学素子で構成されている。この場合、ホログラム光学素子の光学パワーや回折角度などの設定により、導光素子10の内部で導光された光を、ホログラム光学素子にて所望の方向に反射させ、第3光学面1cを介して外部に取り出すことができる。つまり、ホログラム光学素子の光学設計により、所望の方向に光を取り出す導光素子10を容易に実現することができる。   In particular, the optical member 2 is composed of a hologram optical element. In this case, the light guided inside the light guide element 10 is reflected by the hologram optical element in a desired direction by setting the optical power, diffraction angle, and the like of the hologram optical element, and passes through the third optical surface 1c. Can be taken out. That is, the light guide element 10 that extracts light in a desired direction can be easily realized by the optical design of the hologram optical element.

また、光学部材2がホログラム光学素子で構成されていることにより、例えば、光学部材2に対して導光プリズム1とは反対側から入射する光(外光)に含まれる、光学部材2で回折反射される波長域以外の光を透過させて、第3光学面1cに導くことができる。したがって、導光プリズム1の内部を導光される光(ホログラム光学素子にて回折反射される光)と、外光(ホログラム光学素子を透過する光)とを同時に、第3光学面1cを介して外部に取り出す構成が可能となる。このような構成は、後述する実施の形態3の画像表示装置のように、表示素子に表示された画像と、外界像とを同時に観察する用途において非常に有効となる。   Further, since the optical member 2 is composed of a hologram optical element, for example, it is diffracted by the optical member 2 included in light (external light) incident on the optical member 2 from the side opposite to the light guide prism 1. Light outside the reflected wavelength range can be transmitted and guided to the third optical surface 1c. Accordingly, light guided through the light guide prism 1 (light diffracted and reflected by the hologram optical element) and external light (light transmitted through the hologram optical element) are simultaneously passed through the third optical surface 1c. And can be taken out to the outside. Such a configuration is very effective in an application in which an image displayed on a display element and an external image are simultaneously observed, like an image display device according to a third embodiment described later.

ところで、本実施形態では、図4に示すように、第4光学面1d、すなわち、第2の面Pで切ったときの断面に、変曲点Mを持つ曲線Cが含まれるような光学面において、変曲点Mは、光学有効領域Rの外側にある。この場合、第4光学面1dにおいて、光学設計が必要な領域、つまり、光学部材2を配置する領域の面形状は、変曲点Mのない単純な形状となるため、光学部材2の光学設計が簡単となる点で好ましい。なお、第4光学面1dにおいて、変曲点Mが光学有効領域Mの内側にある場合でも、光学部材2の光学設計は可能であることから、このような構成であっても勿論構わない。Incidentally, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, a fourth optical surface 1d, i.e., the cross section when taken along a second plane P 2, optical as contained curve C with inflection point M In the plane, the inflection point M is outside the optical effective region R. In this case, in the fourth optical surface 1d, the surface shape of the region where the optical design is necessary, that is, the region where the optical member 2 is arranged is a simple shape without the inflection point M, so the optical design of the optical member 2 Is preferable in that it is simple. In addition, since the optical design of the optical member 2 is possible even if the inflection point M is inside the optical effective region M on the fourth optical surface 1d, such a configuration may of course be used.

図5および図6は、第4光学面1dを第2の面Pで切ったときの断面形状のバリエーションを示している。第4光学面1dの上記断面形状は、曲線以外に直線を含む形状であってもよい。例えば、図5に示すように、第4光学面1dの上記断面形状は、2つの直線Fと、変曲点Mを持つ1個の曲線Cとを交互につなげた形状であってもよいし、図6に示すように、3つの直線Fと、変曲点Mをそれぞれ持つ2個の曲線Cとを交互につなげた形状であってもよい。また、第4光学面1dの上記断面形状における変曲点Mの数は、図5のように、1個であってもよいし、図4および図6のように、2個であってもよいし、図示はしないが3個以上であってもよい(上記断面形状が、変曲点Mを持つ曲線Cを3個以上有する形状であってもよい)。5 and 6 show variations of the cross-sectional shape when cut a fourth optical surface 1d in the second plane P 2. The cross-sectional shape of the fourth optical surface 1d may be a shape including a straight line other than a curved line. For example, as shown in FIG. 5, the cross-sectional shape of the fourth optical surface 1d may be a shape in which two straight lines F and one curve C having an inflection point M are alternately connected. As shown in FIG. 6, the shape may be such that three straight lines F and two curves C each having an inflection point M are alternately connected. Further, the number of inflection points M in the cross-sectional shape of the fourth optical surface 1d may be one as shown in FIG. 5, or may be two as shown in FIGS. Although not shown, there may be three or more (the cross-sectional shape may be a shape having three or more curves C having inflection points M).

図7は、導光素子10の他の構成を示す斜視図である。同図に示すように、導光プリズム1において、第4光学面1dに加えて、第3光学面1cも、うねった形状であってもよい。図8は、図7の導光素子10の第3光学面1cおよび第4光学面1dを同時に第2の面Pで切ったときの、第3光学面1cの断面形状を模式的に示している。なお、第4光学面1dの面形状は、図4等で示した形状と同じとする。FIG. 7 is a perspective view showing another configuration of the light guide element 10. As shown in the figure, in the light guide prism 1, in addition to the fourth optical surface 1d, the third optical surface 1c may have a wavy shape. 8, when taken along a third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d simultaneously second surface P 2 of the light guide element 10 in FIG. 7, the cross-sectional shape of the third optical surface 1c schematically show ing. The surface shape of the fourth optical surface 1d is the same as the shape shown in FIG.

図8のように、第3光学面1cを第2の面Pで切ったときの断面には、曲線Dが含まれている。この曲線Dは、2個の変曲点N(N・N)を持っている。なお、第3光学面1cの断面形状において、変曲点Nの数は、第4光学面1dと同様に、1個であってもよいし、3個以上であってもよい。また、第3光学面1cの断面形状において、変曲点Nを持つ曲線Dの数は、少なくとも1個あればよい。As shown in FIG. 8, the cross section when taken along a third optical surface 1c in the second plane P 2, which contains the curve D. This curve D has two inflection points N (N 1 · N 2 ). In the cross-sectional shape of the third optical surface 1c, the number of inflection points N may be one or may be three or more, like the fourth optical surface 1d. Further, in the cross-sectional shape of the third optical surface 1c, the number of the curves D having the inflection points N may be at least one.

このように、第4光学面1dに加えて、第3光学面1cについても、第2の面Pで切ったときの断面に、変曲点Nを持つ曲線Dが含まれるような、うねった形状とすることにより、第3光学面1c全体が平面で構成される場合に比べて、第3光学面1c自体が外力に対して曲がりにくくなる。このため、第3光学面1cと第4光学面1dとを貫く方向に外力が働いても、導光プリズム1の先細り形状の部分がその外力によって変形するのをさらに抑えることができる。したがって、導光素子10の内部で導光した光を、第4光学面1d(または光学部材2)および第3光学面1cを介して、外部の適切な方向に確実に導くことが可能となる。Thus, in addition to the fourth optical surface 1d, the even third optical surface 1c, a cross section when taken along a second plane P 2, as contained curve D with inflection points N, undulating By adopting the shape, the third optical surface 1c itself is less likely to bend with respect to the external force as compared with the case where the entire third optical surface 1c is configured as a flat surface. For this reason, even if an external force is exerted in a direction penetrating the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d, the tapered portion of the light guide prism 1 can be further suppressed from being deformed by the external force. Therefore, the light guided inside the light guide element 10 can be reliably guided to an appropriate external direction via the fourth optical surface 1d (or the optical member 2) and the third optical surface 1c. .

なお、第3光学面1cのみを図8に示すようにうねった形状とし、第4光学面1dを平面で形成しても、第3光学面1cが外力に対して曲がりにくくなるため、導光プリズム1の先細り形状の部分が、外力によって変形するのを抑えることができる。   Note that even if only the third optical surface 1c has a wavy shape as shown in FIG. 8 and the fourth optical surface 1d is formed as a flat surface, the third optical surface 1c is difficult to bend with respect to an external force. The tapered portion of the prism 1 can be prevented from being deformed by an external force.

以上のことから、本実施形態の導光素子10は、導光プリズム1の第3光学面1cおよび第4光学面1dを第2の面Pで同時に切ったときに、第3光学面1cおよび第4光学面1dの断面の少なくとも一方に曲線(曲線C、曲線D)が含まれており、その曲線が変曲点(変曲点M、変曲点N)を持つ構成であればよいと言える。From the above, when the light guide element 10 of this embodiment, taken along the same time a third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d of the light guide prism 1 in the second plane P 2, the third optical surface 1c As long as at least one of the cross sections of the fourth optical surface 1d includes a curve (curve C, curve D), the curve has an inflection point (inflection point M, inflection point N). It can be said.

ところで、図9は、導光素子10のさらに他の構成を示す水平断面図(ZX面内での断面図)である。同図に示すように、導光素子10の第3光学面1cは、第2光学面1b側に凹んだ形状であってもよい。このような導光素子10において、第2の面Pとして、直線a(交線Lの一方の端部Lと他方の端部Lとを結ぶ直線)を含む平面を考えると、第3光学面1cが第2光学面1b側に凹んでいるために、第3光学面1cと第4光学面1dとを上記平面で同時に切ることができない。この場合は、第2の面Pとして、直線aに平行な平面を考えることで、第3光学面1cと第4光学面1dとを上記平面で同時に切ることができる。FIG. 9 is a horizontal sectional view (a sectional view in the ZX plane) showing still another configuration of the light guide element 10. As shown in the figure, the third optical surface 1c of the light guide element 10 may have a shape recessed toward the second optical surface 1b. In such a light guide element 10, when a plane including a straight line a (a straight line connecting one end L 1 of the intersection line L and the other end L 2 ) is considered as the second surface P 2 , Since the third optical surface 1c is recessed toward the second optical surface 1b, the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d cannot be cut simultaneously on the plane. In this case, the second surface P 2, by considering a plane parallel to the straight line a, and a third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d can be cut simultaneously in the plane.

逆に、図7で示したように、第3光学面1cが第2光学面1bとは反対側に突出した形状である場合、第2の面Pとして、直線aを含む平面を考えても、直線aに平行な平面を考えても、第3光学面1cと第4光学面1dとを第2の面Pで同時に切ることができる。したがって、第2の面Pとして、直線aを含む平面を考えるか、直線aに平行な平面を考えるかは、第3光学面1cと第4光学面1dとを同時に切ることができるように、導光素子10の各光学面の面形状に応じて適宜決定すればよい。Conversely, as shown in FIG. 7, when the third optical surface 1c is the second optical surface 1b is a shape protruding to the opposite side, a second side P 2, consider a plane containing a straight line a also be considered a plane parallel to the straight line a, it can be cut at the same time a third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d in the second plane P 2. Therefore, whether the plane including the straight line a or the plane parallel to the straight line a is considered as the second plane P 2 is such that the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d can be cut simultaneously. What is necessary is just to determine suitably according to the surface shape of each optical surface of the light guide element 10. FIG.

以上では、第3光学面1cおよび第4光学面1dを第1の面Pで切ったときに、第3光学面1cおよび第4光学面1dの断面形状が両方とも直線(図1参照)である場合について説明したが、上記断面形状は、直線には限定されない。例えば、第3光学面1cおよび第4光学面1dを第1の面Pで切ったときに、第3光学面1cおよび第4光学面1dの少なくとも一方の断面形状は、曲線を含んでいてもよい。この場合でも、第3光学面1cおよび第4光学面1dが鋭角で交わるとは、本実施形態で述べた定義を用いて表現することができる。つまり、第3光学面1cと第4光学面1dとを第1の面Pで切ったとき、第3光学面1cの断面上の任意の2点を通る直線と、第4光学面1dの断面上の任意の2点を通る直線とが、鋭角α(0°<α<90°)で交わっている。なお、第3光学面1cおよび第4光学面1dの各断面形状における「任意の2点」は、0°<α<90°を成り立たせることができる2点であれば、どのように選択してもよい。In the above, when the cut third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d in a first plane P 1, with the cross-sectional shape of the third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d both linear (see Figure 1) However, the cross-sectional shape is not limited to a straight line. For example, when the cut third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d in a first plane P 1, at least one of the cross-sectional shape of the third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d is include curves Also good. Even in this case, the fact that the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d intersect at an acute angle can be expressed using the definition described in the present embodiment. That is, when the cut and the third optical surface 1c and a fourth optical surface 1d in a first plane P 1, and the straight line passing through any two points on the section of the third optical surface 1c, a fourth optical surface 1d A straight line passing through two arbitrary points on the cross section intersects at an acute angle α (0 ° <α <90 °). The “arbitrary two points” in the cross-sectional shapes of the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d are selected as long as they are two points that can satisfy 0 ° <α <90 °. May be.

以上のことから、本実施形態の導光素子10は、以下のように表現することもできる。すなわち、本実施形態の導光素子10は、内部で光を導光するために必要な光学面を複数有している。上記複数の光学面は、互いに交わる2つの光学面(例えば第3光学面1c、第4光学面1d)を含んでいる。上記2つの光学面の境界となる交線Lは、該交線Lの両端を結ぶ直線aとは異なる形状である。直線aに垂直な平面を、第1の面Pとし、直線aを含む平面または直線aに平行な平面を、第2の面Pとする。上記2つの光学面を第1の面Pで切ったとき、一方の光学面(例えば第3光学面1c)の断面上の任意の2点(例えば両端2点)を通る直線と、他方の光学面(例えば第4光学面1d)の断面上の任意の2点(例えば両端2点)を通る直線とは、鋭角で交わっている。上記2つの光学面を第2の面Pで切ったとき、上記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲線Cが含まれている。上記曲線Cは、変曲点を持っている。From the above, the light guide element 10 of the present embodiment can also be expressed as follows. That is, the light guide element 10 of the present embodiment has a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside. The plurality of optical surfaces include two optical surfaces that intersect each other (for example, the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d). The intersecting line L serving as the boundary between the two optical surfaces has a shape different from the straight line a connecting both ends of the intersecting line L. The plane perpendicular to the straight line a, the first and the plane P 1, a plane parallel to the plane or line a comprises a linear a, the second surface P 2. When off the two optical surfaces at the first surface P 1, straight lines and the other through any two points on the cross-section of one of the optical surfaces (e.g., the third optical surface 1c) (e.g. across two points) A straight line passing through two arbitrary points (for example, two points at both ends) on the cross section of the optical surface (for example, the fourth optical surface 1d) intersects at an acute angle. When off the two optical surfaces at the second side P 2, the least one of the cross-section of the two optical surfaces, contains curve C. The curve C has an inflection point.

〔実施の形態2〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、実施の形態1で示した導光素子を用いて構成される接合光学素子について説明する。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In this embodiment, a bonded optical element configured using the light guide element described in Embodiment 1 will be described.

図10は、本実施形態の接合光学素子11の概略の構成を示す断面図であり、図11は、接合光学素子11の斜視図であり、図12は、接合光学素子11の正面図である。接合光学素子11は、実施の形態1の導光素子10に、接合用光学部材3を接合することによって構成されている。なお、ここでは、図1等で示した導光素子10を用いて接合光学素子11を構成した例について説明するが、実施の形態1で示した他の導光素子10を用いて接合光学素子11を構成してもよい。   FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the cemented optical element 11 of the present embodiment, FIG. 11 is a perspective view of the cemented optical element 11, and FIG. 12 is a front view of the cemented optical element 11. . The bonding optical element 11 is configured by bonding the bonding optical member 3 to the light guide element 10 of the first embodiment. In addition, although the example which comprised the joining optical element 11 using the light guide element 10 shown in FIG. 1 etc. is demonstrated here, a joining optical element using the other light guide element 10 shown in Embodiment 1 is demonstrated. 11 may be configured.

接合用光学部材3は、例えば透明なアクリル樹脂で形成されており、導光素子10と接合されたときに、略平行平板となるような形状で形成されている。接合用光学部材3は、第1光学面3aと、第2光学面3bと、第3光学面3cとを含んでいる。第1光学面3aは、導光素子10の第4光学面1dと面形状が略同一で、第4光学面1dと対向して位置する対向面である。なお、第4光学面1dは、導光素子10において、先細り形状を形成する第3光学面1cおよび第4光学面1dのうち、全反射によって光を導光する光学面(第3光学面1c)とは異なる光学面である。接合用光学部材3の第2光学面3bは、導光素子10の第3光学面1cと同一面上に位置する面であり、第3光学面3cは、導光素子10の第2光学面1bと同一面上に位置する面である。第2光学面3bおよび第3光学面3cは、例えば平行に配置されている。   The joining optical member 3 is formed of, for example, a transparent acrylic resin, and is formed in a shape that becomes a substantially parallel flat plate when joined to the light guide element 10. The bonding optical member 3 includes a first optical surface 3a, a second optical surface 3b, and a third optical surface 3c. The first optical surface 3a is a facing surface that has substantially the same surface shape as the fourth optical surface 1d of the light guide element 10 and is positioned facing the fourth optical surface 1d. The fourth optical surface 1d is an optical surface (third optical surface 1c) that guides light by total reflection among the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d that form a tapered shape in the light guide element 10. ) Is a different optical surface. The second optical surface 3 b of the bonding optical member 3 is a surface located on the same plane as the third optical surface 1 c of the light guide element 10, and the third optical surface 3 c is the second optical surface of the light guide element 10. It is a surface located on the same surface as 1b. The second optical surface 3b and the third optical surface 3c are arranged in parallel, for example.

このような構成の接合用光学部材3は、導光素子10の第4光学面1dと、接合用光学部材3の第1光学面3aとが対向するように、導光素子10と接着剤4を介して接合されている。接着剤4としては、例えば紫外線の照射によって硬化する接着剤(光硬化性接着剤)を用いることができるが、他の接着剤を用いてもよい。   The optical member 3 for bonding having such a configuration has the light guide element 10 and the adhesive 4 so that the fourth optical surface 1d of the light guide element 10 faces the first optical surface 3a of the optical member 3 for bonding. It is joined via. As the adhesive 4, for example, an adhesive (photocurable adhesive) that is cured by irradiation with ultraviolet rays can be used, but other adhesives may be used.

導光素子10の第4光学面1dと、接合用光学部材3の第1光学面3aとは、面形状が略同一であるため、これらの光学面の間に大きな隙間を作ることなく、導光素子10と接合用光学部材3とを接合することができる。   The fourth optical surface 1d of the light guide element 10 and the first optical surface 3a of the bonding optical member 3 have substantially the same surface shape, so that a large gap is not formed between these optical surfaces. The optical element 10 and the bonding optical member 3 can be bonded.

また、導光素子10において、第3光学面1cと第4光学面1dとは鋭角で交わっており、先端が先細る形状となっているが、第4光学面1dと面形状が略同一の、第1光学面3aを持つ接合用光学部材3を、導光素子10に接合することにより、導光素子10の先細り形状の厚みに接合用光学部材3の厚みを付加して、先細り形状を実質的になくすことができる。これにより、上記先細り形状を構成していた部分に対して外力が加わった場合でも、その外力による上記部分の形状変化を、接合用光学部材3を接合しない実施の形態1の構成に比べてさらに抑制することができる。   Further, in the light guide element 10, the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d intersect each other at an acute angle, and the tip is tapered, but the surface shape is substantially the same as that of the fourth optical surface 1d. By joining the joining optical member 3 having the first optical surface 3a to the light guide element 10, the thickness of the joining optical member 3 is added to the tapered shape thickness of the light guide element 10, so that the tapered shape is obtained. It can be virtually eliminated. Thereby, even when an external force is applied to the portion that has formed the tapered shape, the change in the shape of the portion due to the external force is further compared to the configuration of the first embodiment in which the bonding optical member 3 is not bonded. Can be suppressed.

また、接着剤4を用いて、導光素子10と接合用光学部材3とを接合する場合、接着剤4の硬化収縮による応力が、導光素子10の先細り形状の部分に加わることになる。しかし、実施の形態1で述べたような、第3光学面1cまたは第4光学面1dの面形状の設定により、導光素子10においては、先細り形状の部分での応力による変形を抑えることができる。したがって、接合用光学部材3が接着剤4を介して導光素子10と接合される構成であっても、接着剤4の硬化収縮に起因して、導光素子10の先細り形状の部分が変形するのを抑えることができる。   Further, when the light guide element 10 and the bonding optical member 3 are bonded using the adhesive 4, stress due to curing shrinkage of the adhesive 4 is applied to the tapered portion of the light guide element 10. However, by setting the surface shape of the third optical surface 1c or the fourth optical surface 1d as described in the first embodiment, the light guide element 10 can suppress deformation due to stress at the tapered portion. it can. Therefore, even when the bonding optical member 3 is bonded to the light guide element 10 via the adhesive 4, the tapered portion of the light guide element 10 is deformed due to the curing shrinkage of the adhesive 4. Can be suppressed.

〔実施の形態3〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、実施の形態2の接合光学素子11を、画像表示装置に適用した例について説明する。
[Embodiment 3]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the bonding optical element 11 according to the second embodiment is applied to an image display device will be described.

なお、実施の形態1および2で示したXYZの各方向は、本実施形態では、左右方向(眼幅方向)、上下方向、前後方向に対応している(各方向の正逆は特に問わない)。ここで、左右、上下、前後の各方向は、観察者の画像観察時の位置(視線方向)を基準にして、左右、上下、前後の各方向を指すものとする。また、以下で示す図面では、光路が煩雑になるのを避けるため、代表的な光路についてのみ破線で示している。   In this embodiment, the XYZ directions shown in the first and second embodiments correspond to the left-right direction (eye width direction), the up-down direction, and the front-rear direction (the direction of each direction is not particularly limited). ). Here, the left, right, up, down, and front / rear directions refer to the left, right, up, down, and front / rear directions based on the position (line-of-sight direction) when the observer observes the image. In the drawings shown below, only representative optical paths are indicated by broken lines in order to avoid complicated optical paths.

図13は、本実施形態の画像表示装置20の概略の構成を示す断面図であり、図14は、画像表示装置20の斜視図であり、図15は、画像表示装置20を観察者側から見たときの正面図である。画像表示装置20は、光源21と、照明ミラー22と、拡散板23と、偏光ビームスプリッタ(PBS)24と、表示素子25と、接眼光学系26とを備えている。光源21と、照明ミラー22とで、表示素子25を照明する照明光学系30が構成されている。   13 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the image display device 20 according to the present embodiment, FIG. 14 is a perspective view of the image display device 20, and FIG. 15 illustrates the image display device 20 from the observer side. It is a front view when seen. The image display device 20 includes a light source 21, an illumination mirror 22, a diffusion plate 23, a polarization beam splitter (PBS) 24, a display element 25, and an eyepiece optical system 26. The light source 21 and the illumination mirror 22 constitute an illumination optical system 30 that illuminates the display element 25.

光源21は、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応する光を出射するRGB一体型のLEDで構成されている。複数の発光点(RGBの各発光点)は、水平方向に略直線状に並んでいる。光源21から出射される光の波長は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で、462±12nm(B光)、525±17nm(G光)、635±11nm(R光)である。なお、光源21は、レーザー光源であってもよい。   The light source 21 includes RGB integrated LEDs that emit light corresponding to each color of R (red), G (green), and B (blue). A plurality of light emitting points (each light emitting point of RGB) are arranged in a substantially straight line in the horizontal direction. The wavelength of light emitted from the light source 21 is, for example, a peak wavelength of light intensity and a wavelength width of half value of light intensity, 462 ± 12 nm (B light), 525 ± 17 nm (G light), 635 ± 11 nm (R light). It is. The light source 21 may be a laser light source.

本実施形態では、光源21は、RGB一体型のLEDを2対備えている。そして、RGBのそれぞれについて、光学部材2を構成するホログラム光学素子の光軸入射面に対して各発光点が対称に位置するように、各発光点が略直線状に並んでいる(例えばX方向においてBGRRGBの順に発光点が並んでいる)。これにより、RGBの光強度の分布をX方向で対称にすることができる。なお、ホログラム光学素子の光軸入射面とは、表示素子25の表示面の中心と観察瞳OPの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸としたとき、ホログラム光学素子に対する入射光の光軸と出射光(反射光)の光軸とを含む面を指す。この光軸入射面は、YZ面と平行である。   In the present embodiment, the light source 21 includes two pairs of RGB integrated LEDs. For each of R, G, and B, the light emission points are arranged substantially linearly (for example, in the X direction) so that the light emission points are positioned symmetrically with respect to the optical axis incident surface of the hologram optical element constituting the optical member 2. , The light emitting points are arranged in the order of BGRRGB). Thereby, the distribution of RGB light intensity can be made symmetric in the X direction. The optical axis incident surface of the hologram optical element is the optical axis of the incident light with respect to the hologram optical element, where the optical axis is the axis that optically connects the center of the display surface of the display element 25 and the center of the observation pupil OP. And the surface including the optical axis of the outgoing light (reflected light). This optical axis incident surface is parallel to the YZ plane.

照明ミラー22は、光源21から出射された光(照明光)を拡散板23に向けて反射させるとともに、YZ面内で、光学瞳(射出瞳)である観察瞳OPと光源21とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子である。   The illumination mirror 22 reflects light (illumination light) emitted from the light source 21 toward the diffusion plate 23, and the observation pupil OP, which is an optical pupil (exit pupil), and the light source 21 are substantially conjugate in the YZ plane. It is an optical element that bends the illumination light so that

拡散板23は、入射光を全方向に拡散する拡散板である。拡散板23の配置を省略することも可能であるが、入射光の配光角を拡げて、光源21の光強度をより均一化できる観点では、拡散板23を配置することが望ましい。なお、拡散板23は、入射光を一方向(例えばX方向)にのみ拡散する拡散板(一方向拡散板)であってもよい。   The diffusion plate 23 is a diffusion plate that diffuses incident light in all directions. Although it is possible to omit the arrangement of the diffusing plate 23, it is desirable to dispose the diffusing plate 23 from the viewpoint of widening the light distribution angle of incident light and making the light intensity of the light source 21 more uniform. The diffuser plate 23 may be a diffuser plate (unidirectional diffuser plate) that diffuses incident light only in one direction (for example, the X direction).

PBS24は、入射光のうち、S偏光のみを表示素子25の方向に反射させる一方、表示素子25にて反射された光のうち、画像信号オンに対応する光、すなわち、P偏光を透過させる平板状の偏光分離素子であり、接眼光学系26の導光プリズム1の光入射面(第1光学面1a)に貼り付けられている。   The PBS 24 reflects only S-polarized light of the incident light in the direction of the display element 25, while out of the light reflected by the display element 25, transmits light corresponding to the image signal ON, that is, a flat plate that transmits P-polarized light. And is attached to the light incident surface (first optical surface 1 a) of the light guide prism 1 of the eyepiece optical system 26.

表示素子25は、光源21からの光を変調して画像を表示する表示素子であり、本実施形態では、反射型の液晶表示素子で構成されている。表示素子25はカラーフィルタを有する構成であってもよいし、光源21のRGBごとの時分割発光に同期して、発光色に対応するRGBの画像が表示されるように、時分割で駆動される構成であってもよい。   The display element 25 is a display element that displays an image by modulating light from the light source 21, and is configured by a reflective liquid crystal display element in the present embodiment. The display element 25 may have a configuration including a color filter, and is driven in a time division manner so that an RGB image corresponding to the emission color is displayed in synchronization with the time division emission for each RGB of the light source 21. It may be a configuration.

表示素子25は、PBS24からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されてPBS24に向かうように配置されている。これにより、反射型の表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易となる。表示素子25の表示面は長方形となっており、表示面の長手方向がX方向となり、短手方向がX方向に垂直となるように配置されている。   The display element 25 is arranged so that light that enters from the PBS 24 substantially vertically is reflected substantially vertically and travels toward the PBS 24. This facilitates optical design that increases the resolution as compared with a configuration in which light is incident on the reflective display element at a large incident angle. The display surface of the display element 25 is rectangular, and is arranged so that the longitudinal direction of the display surface is the X direction and the short side direction is perpendicular to the X direction.

接眼光学系26は、表示素子25からの画像光を観察瞳OPに導くための光学系であり、非軸対称(非回転対称)な正の光学パワーを有している。この接眼光学系26は、接合光学素子11で構成されている。接合光学素子11は、実施の形態2で示したように、導光プリズム1と、光学部材2と、接合用光学部材3とを備えている。導光プリズム1と、光学部材2とで、導光素子10が構成されている。したがって、接眼光学系26は、導光素子10を含んだ構成であるとも言える。   The eyepiece optical system 26 is an optical system for guiding the image light from the display element 25 to the observation pupil OP, and has positive optical power that is non-axisymmetric (non-rotationally symmetric). The eyepiece optical system 26 includes the cemented optical element 11. The bonding optical element 11 includes the light guide prism 1, the optical member 2, and the bonding optical member 3 as described in the second embodiment. A light guide element 10 is constituted by the light guide prism 1 and the optical member 2. Therefore, it can be said that the eyepiece optical system 26 includes the light guide element 10.

導光プリズム1は、表示素子25からPBS24を介して入射する画像光を内部で導光する一方、外界像の光(外光)を透過させる光学素子であり、接眼プリズムとも呼ばれる。この導光プリズム1は、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。   The light guide prism 1 is an optical element that guides image light incident from the display element 25 through the PBS 24 and transmits light of the external image (external light), and is also called an eyepiece prism. The light guide prism 1 has a shape in which the upper end portion of the parallel plate is thickened toward the upper end and the lower end portion is thinned toward the lower end.

導光プリズム1は、実施の形態1で述べたように、第1光学面1a〜第4光学面1dを有している。これらの複数の光学面について、画像表示装置20での機能に着目して説明すると、以下の通りである。第1光学面1aは、表示素子25からPBS24を介して画像光が入射する光入射面である。第2光学面1bおよび第3光学面1cは、観察瞳OPとほぼ平行に位置し、互いに対向する2つの平行な平面であり、画像光を全反射させて導光する全反射面となっている。そのうち、観察瞳OP側の第3光学面1cは、光学部材2で回折反射される画像光の出射面(透過面)を兼ねている。第4光学面1dは、第2光学面1bおよび第3光学面1cを連結し、光学部材2が貼り付けられる貼付面であり、第2光学面1bおよび第3光学面1cに対して傾いている。第4光学面1dの面形状は、実施の形態1で述べた通りである。   As described in the first embodiment, the light guide prism 1 has the first optical surface 1a to the fourth optical surface 1d. The plurality of optical surfaces will be described below with a focus on the function of the image display device 20. The first optical surface 1 a is a light incident surface on which image light is incident from the display element 25 via the PBS 24. The second optical surface 1b and the third optical surface 1c are two parallel planes positioned substantially parallel to the observation pupil OP and facing each other, and serve as total reflection surfaces that totally reflect and guide the image light. Yes. Among them, the third optical surface 1 c on the observation pupil OP side also serves as an emission surface (transmission surface) for image light that is diffracted and reflected by the optical member 2. The 4th optical surface 1d connects the 2nd optical surface 1b and the 3rd optical surface 1c, and is an affixing surface to which the optical member 2 is affixed, and inclines with respect to the 2nd optical surface 1b and the 3rd optical surface 1c. Yes. The surface shape of the fourth optical surface 1d is as described in the first embodiment.

導光プリズム1は、その下端部に配置される光学部材2を挟むように接合用光学部材3と接着剤4で接合されている。接合用光学部材3は、偏向プリズムとも呼ばれ、導光プリズム1と光学部材2を介して貼り合わされて略平行平板を形成している。接合用光学部材3を導光プリズム1と貼り合わせることで、外光が導光プリズム1の楔状の下端部(先細り形状の部分)を透過するときの屈折を接合用光学部材3でキャンセルすることができ、観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   The light guide prism 1 is bonded to the bonding optical member 3 with an adhesive 4 so as to sandwich the optical member 2 disposed at the lower end thereof. The joining optical member 3 is also called a deflection prism, and is bonded together via the light guide prism 1 and the optical member 2 to form a substantially parallel plate. By bonding the bonding optical member 3 to the light guide prism 1, the bonding optical member 3 cancels refraction when external light is transmitted through the wedge-shaped lower end portion (tapered portion) of the light guide prism 1. It is possible to prevent distortion in the observed external image.

光学部材2は、導光プリズム1に接して設けられ、導光プリズム1の内部で導光された画像光を回折させて観察瞳OPに導く光学素子であり、上述したように体積位相型で反射型のホログラム光学素子で構成されている。体積位相型のホログラム光学素子は、ホログラム感光材料に対してレーザー光を2光束で照射し、2光束の干渉による縞(干渉縞)を形成したものである。ホログラム感光材料として、例えばフォトポリマーを用いると、フォトポリマーの光重合によって上記の干渉縞を容易に形成することができる。上記干渉縞は、屈折率の異なる複数の樹脂層が交互に積層されたものであるため、体積位相型の光学部材2は、屈折率が異なり、かつ、交互に並んで位置する複数の樹脂層を含んだ構成と言える。   The optical member 2 is an optical element that is provided in contact with the light guide prism 1 and diffracts the image light guided inside the light guide prism 1 to guide it to the observation pupil OP. A reflection type hologram optical element is used. The volume phase type hologram optical element is formed by irradiating a hologram photosensitive material with laser light with two light beams to form fringes (interference fringes) due to interference of the two light beams. When, for example, a photopolymer is used as the hologram photosensitive material, the above interference fringes can be easily formed by photopolymerization of the photopolymer. Since the interference fringes are formed by alternately laminating a plurality of resin layers having different refractive indexes, the volume phase type optical member 2 has a plurality of resin layers having different refractive indexes and positioned alternately. It can be said that the structure includes.

光学部材2を構成するホログラム光学素子は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば465±5nm(B光)、521±5nm(G光)、634±5nm(R光)の3つの波長域の光を回折(反射)させる。すなわち、ホログラム光学素子におけるRGBの回折波長は、RGBの画像光の波長(光源21の発光波長)とほぼ対応している。   The hologram optical element constituting the optical member 2 has, for example, 465 ± 5 nm (B light), 521 ± 5 nm (G light), and 634 ± 5 nm (R light) at the peak wavelength of diffraction efficiency and the half width of the diffraction efficiency. Diffracts (reflects) light in three wavelength ranges. That is, the RGB diffraction wavelengths in the hologram optical element substantially correspond to the wavelengths of the RGB image light (the emission wavelength of the light source 21).

上記の構成において、光源21から出射された光は、照明ミラー22で反射され、拡散板23にて拡散された後、PBS24に入射し、そこでS偏光のみが表示素子25の方向に反射される。表示素子25では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する画像光は、表示素子25にて入射光とは偏光方向が直交する光(P偏光)に変換されて出射されるため、PBS24を透過して導光プリズム1の内部に第1光学面1aから入射する。一方、画像信号オフに対応する画像光は、表示素子25にて偏光方向が変換されずにS偏光のまま出射されるため、PBS24で遮断され、導光プリズム1の内部に入射しない。   In the above configuration, the light emitted from the light source 21 is reflected by the illumination mirror 22, diffused by the diffusion plate 23, and then enters the PBS 24, where only S-polarized light is reflected in the direction of the display element 25. . In the display element 25, incident light is modulated in accordance with an image signal. At this time, the image light corresponding to the image signal ON is converted by the display element 25 into light (P-polarized light) whose polarization direction is orthogonal to the incident light and is emitted, and thus passes through the PBS 24 and passes through the light guide prism 1. From the first optical surface 1a. On the other hand, the image light corresponding to the image signal OFF is output as S-polarized light without being converted in the polarization direction by the display element 25, so that it is blocked by the PBS 24 and does not enter the light guide prism 1.

導光プリズム1では、入射した画像光が導光プリズム1の対向する2つの光学面(第2光学面1b、第3光学面1c)で少なくとも1回ずつ全反射された後、光学部材2に入射し、そこでRGBの各色について選択的に回折反射されて第3光学面1cから出射され、観察瞳OPに達する。したがって、この観察瞳OPの位置では、観察者は、表示素子25に表示された画像を虚像として観察することができる。   In the light guide prism 1, the incident image light is totally reflected at least once by the two optical surfaces (second optical surface 1 b and third optical surface 1 c) facing the light guide prism 1, and then is reflected on the optical member 2. Then, the light is selectively diffracted and reflected for each of the RGB colors, and is emitted from the third optical surface 1c to reach the observation pupil OP. Therefore, the observer can observe the image displayed on the display element 25 as a virtual image at the position of the observation pupil OP.

一方、導光プリズム1、接合用光学部材3および光学部材2は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像(外の景色)をシースルーで観察することができる。したがって、表示素子25に表示された画像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。   On the other hand, since the light guide prism 1, the joining optical member 3 and the optical member 2 transmit almost all of the outside light, the observer can observe the outside image (outside scenery) with see-through. Therefore, the virtual image of the image displayed on the display element 25 is observed while overlapping a part of the external image.

接眼光学系26に含まれる導光素子10では、上述した光学面(第3光学面1c、第4光学面1d)の面形状の設定により、外力による先細り形状の部分の変形を抑え、これによって、導光素子10の内部で導光した光を、第4光学面1dおよび第3光学面1cを介して、外部の適切な方向に導くことができる。したがって、上記導光素子10を用いた画像表示装置20においては、表示素子25からの画像光を導光素子10によって観察瞳OPの方向に適切に導くことができる。その結果、観察瞳OPで得られる画像に歪みやにじみ等の劣化(画像劣化)が生じるのを低減することができ、観察される画像の品位を向上させることができる。   In the light guide element 10 included in the eyepiece optical system 26, the surface shape of the optical surfaces (the third optical surface 1c and the fourth optical surface 1d) described above is set, so that deformation of the tapered portion due to external force is suppressed. The light guided inside the light guide element 10 can be guided in an appropriate external direction via the fourth optical surface 1d and the third optical surface 1c. Therefore, in the image display device 20 using the light guide element 10, the image light from the display element 25 can be appropriately guided toward the observation pupil OP by the light guide element 10. As a result, it is possible to reduce the occurrence of deterioration (image deterioration) such as distortion and blurring in the image obtained by the observation pupil OP, and the quality of the observed image can be improved.

また、上記のように、照明光学系30(光源21、照明ミラー22)からの照明光のうち、所定の偏光方向の光(例えばS偏光)をPBS24にて反射させて表示素子25に導く一方、表示素子25にて反射され、表示素子25への入射光とは偏光方向が直交する光(例えばP偏光)を透過させて導光プリズム1に導く構成では、導光プリズム1に対して光入射側の光路が折り曲げられるため、光源21から導光プリズム1まで所望の光路長を確保したまま、導光プリズム1に対して光入射側に配置される光学部材をコンパクトにまとめて配置することができる。これにより、画像表示装置20の小型化が容易となる。   In addition, as described above, of the illumination light from the illumination optical system 30 (the light source 21 and the illumination mirror 22), light having a predetermined polarization direction (for example, S-polarized light) is reflected by the PBS 24 and guided to the display element 25. In the configuration in which light reflected by the display element 25 and having a polarization direction orthogonal to the incident light to the display element 25 (for example, P-polarized light) is transmitted to the light guide prism 1, the light is directed to the light guide prism 1. Since the light path on the incident side is bent, the optical members disposed on the light incident side with respect to the light guide prism 1 are arranged in a compact manner while ensuring a desired optical path length from the light source 21 to the light guide prism 1. Can do. Thereby, the size reduction of the image display apparatus 20 becomes easy.

また、光学部材2として、屈折率が異なり、かつ、交互に並んで位置する複数の樹脂層を含む体積位相型のホログラム光学素子を用いることにより、レーザー光の2光束干渉によって、所望の回折特性を持つ光学部材2を容易に実現することができる。なお、光学部材2は、体積位相型のホログラム光学素子には限定されず、例えばブレーズ型(断面鋸歯状)の光学素子であってもよい。   In addition, by using a volume phase type hologram optical element having a plurality of resin layers having different refractive indexes and alternately arranged as the optical member 2, desired diffraction characteristics can be obtained by two-beam interference of laser light. The optical member 2 having can be easily realized. The optical member 2 is not limited to a volume phase hologram optical element, and may be, for example, a blazed (cross-sectional sawtooth) optical element.

なお、本実施形態では、接合用光学部材3を配置して、歪みの無い外界像を観察できる良好なシースルー性を実現しているが、良好なシースルー性を求める必要がなければ、接合用光学部材3の配置を省略してもよい。つまり、接眼光学系26は、実施の形態1で示した導光素子10のみで構成されてもよい。   In this embodiment, the bonding optical member 3 is arranged to realize a good see-through property that enables observation of an external image without distortion. However, if it is not necessary to obtain a good see-through property, the bonding optical member is used. The arrangement of the member 3 may be omitted. That is, the eyepiece optical system 26 may be configured by only the light guide element 10 shown in the first embodiment.

なお、本実施形態では、表示素子25として、反射型の液晶表示素子を用いているが、透過型の液晶表示素子を用いてもよい。この場合、透過型の液晶表示素子から所望の偏光方向の光(例えばホログラム光学素子の光軸入射面に対して偏光方向が平行な光)が出射されるように、上記液晶表示素子を配置することにより(液晶セルに対して光出射側の偏光板(偏光子)の透過軸の向きを設定することにより)、PBS24の配置を不要とすることができる。   In the present embodiment, a reflective liquid crystal display element is used as the display element 25, but a transmissive liquid crystal display element may be used. In this case, the liquid crystal display element is arranged so that light having a desired polarization direction (for example, light whose polarization direction is parallel to the optical axis incident surface of the hologram optical element) is emitted from the transmissive liquid crystal display element. Thereby (by setting the direction of the transmission axis of the polarizing plate (polarizer) on the light exit side with respect to the liquid crystal cell), the arrangement of the PBS 24 can be made unnecessary.

なお、図7および図9で示したような導光素子10、つまり、第3光学面1cがうねった形状の導光素子10を画像表示装置20に適用することも可能である。この場合、表示素子25からの画像光が第3光学面1cを透過して観察瞳OPに導かれることで、観察画像に歪みが生じるおそれがある。しかし、この場合は、観察画像の歪みをキャンセルできるような光学設計や、表示素子25の表示画像の補正を行うことにより、歪みを低減した画像を観察者に観察させることができる。   It is also possible to apply the light guide element 10 as shown in FIGS. 7 and 9, that is, the light guide element 10 having a waved third optical surface 1 c to the image display device 20. In this case, the image light from the display element 25 is transmitted through the third optical surface 1c and guided to the observation pupil OP, so that the observation image may be distorted. However, in this case, the observer can observe an image with reduced distortion by performing an optical design that can cancel the distortion of the observation image or by correcting the display image of the display element 25.

〔実施の形態4〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、実施の形態3の画像表示装置の応用例であるHMDについて説明する。図16A、図16Bおよび図16Cは、本実施形態のHMD40の上面図、正面図、下面図であり、図17は、HMD40の正面側からの斜視図である。
[Embodiment 4]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. In the present embodiment, an HMD that is an application example of the image display apparatus according to the third embodiment will be described. 16A, 16B, and 16C are a top view, a front view, and a bottom view of the HMD 40 of the present embodiment, and FIG. 17 is a perspective view from the front side of the HMD 40.

HMD40は、上述した画像表示装置20と、フレーム42と、レンズ43と、鼻当て44と、位置調整機構45とを有している。   The HMD 40 includes the image display device 20 described above, a frame 42, a lens 43, a nose pad 44, and a position adjustment mechanism 45.

画像表示装置20は、筐体20a内に、上述した照明光学系30(光源21、照明ミラー22)、拡散板23、PBS24および表示素子25を有しており、接眼光学系26の上端部も筐体20a内に位置している。接眼光学系26は、右眼用レンズ43Rの前方(観察者とは反対側の外界側)に位置している。筐体20a内の光源21および表示素子25は、筐体20aを貫通して設けられるケーブル(図示せず)を介して、図示しない回路基板と接続されており、回路基板から駆動電力や画像信号などが供給される。   The image display apparatus 20 includes the above-described illumination optical system 30 (light source 21, illumination mirror 22), diffusion plate 23, PBS 24, and display element 25 in a housing 20a. It is located in the housing 20a. The eyepiece optical system 26 is located in front of the right-eye lens 43R (on the outside side opposite to the observer). The light source 21 and the display element 25 in the housing 20a are connected to a circuit board (not shown) via a cable (not shown) provided through the housing 20a, and drive power and image signals are output from the circuit board. Etc. are supplied.

なお、画像表示装置20は、静止画や動画を撮影する撮像装置、マイク、スピーカー、イヤホンなどをさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像および表示画像の情報や音声情報をやりとり(送受信)する構成であってもよい。   The image display device 20 further includes an imaging device that captures still images and moving images, a microphone, a speaker, an earphone, and the like, and information on the captured image and the display image via an external server or terminal and a communication line such as the Internet. Or a configuration for exchanging (transmitting / receiving) audio information.

フレーム42は、眼鏡のフレームに相当するものであり、観察者の頭部に装着され、画像表示装置20を支持する支持部材である。このフレーム42は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプルを含んでいる。   The frame 42 corresponds to a frame of eyeglasses, and is a support member that is mounted on the observer's head and supports the image display device 20. The frame 42 includes temples that come into contact with the left and right temporal regions of the observer.

レンズ43は、観察者の右眼および左眼の眼前に配置される右眼用レンズ43Rおよび左眼用レンズ43Lを含んでいる。右眼用レンズ43Rおよび左眼用レンズ43Lは、右連結部46Rおよび左連結部46Lを介して、位置調整機構45と連結されている。右眼用レンズ43Rおよび左眼用レンズ43Lは、視力矯正用のレンズであってもよいし、視力矯正を行わない単なるダミーレンズであってもよい。   The lens 43 includes a right-eye lens 43 </ b> R and a left-eye lens 43 </ b> L disposed in front of the right and left eyes of the observer. The right-eye lens 43R and the left-eye lens 43L are connected to the position adjustment mechanism 45 via the right connection portion 46R and the left connection portion 46L. The right-eye lens 43R and the left-eye lens 43L may be lenses for correcting vision, or may be simple dummy lenses that do not correct vision.

鼻当て44は、観察者の鼻と当接する右鼻当て44Rおよび左鼻当て44Lを含んでいる。右鼻当て44Rおよび左鼻当て44Lは、右連結部47Rおよび左連結部47Lを介して、位置調整機構45と連結されている。   The nose pad 44 includes a right nose pad 44R and a left nose pad 44L that come into contact with the nose of the observer. The right nose pad 44R and the left nose pad 44L are connected to the position adjusting mechanism 45 via the right connecting part 47R and the left connecting part 47L.

位置調整機構45は、フレーム42に対して鼻当て44を観察者の眼幅方向に垂直な上下方向に相対的に移動させることにより、フレーム42で支持された画像表示装置20の上下方向の位置を調整する機構である。なお、位置調整機構45を設けることなく、レンズ43および鼻当て44をフレーム42に直接固定した構成としてもよい。   The position adjustment mechanism 45 moves the nose pad 44 relative to the frame 42 in the vertical direction perpendicular to the eye width direction of the observer, thereby moving the vertical position of the image display device 20 supported by the frame 42. It is a mechanism that adjusts. Note that the lens 43 and the nose pad 44 may be directly fixed to the frame 42 without providing the position adjusting mechanism 45.

HMD40を観察者の頭部に装着し、表示素子25に画像を表示すると、その画像光が接眼光学系26を介して観察瞳OP(図10参照)に導かれる。したがって、観察瞳OPの位置に観察者の瞳を合わせることにより、観察者は、画像表示装置20の表示画像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は接眼光学系26を介して、外界像をシースルーで観察することができる。   When the HMD 40 is mounted on the observer's head and an image is displayed on the display element 25, the image light is guided to the observation pupil OP (see FIG. 10) via the eyepiece optical system. Therefore, by aligning the observer's pupil with the position of the observation pupil OP, the observer can observe an enlarged virtual image of the display image of the image display device 20. At the same time, the observer can observe the external image through the eyepiece optical system 26 in a see-through manner.

このように、画像表示装置20が支持部材としてのフレーム42で支持されることにより、観察者は画像表示装置20によって提供される画像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。   As described above, the image display device 20 is supported by the frame 42 as the support member, so that the observer can observe the image provided by the image display device 20 stably in a hands-free manner for a long time.

なお、図16A等では、画像表示装置20の接眼光学系26と、レンズ43とを別体で構成しているが、接眼光学系26をレンズ43と一体化した構成とすることも可能である。また、画像表示装置20を2つ用いて両眼で画像を観察できるようにしてもよい。   In FIG. 16A and the like, the eyepiece optical system 26 and the lens 43 of the image display device 20 are configured separately, but the eyepiece optical system 26 may be integrated with the lens 43. . Further, two image display devices 20 may be used so that an image can be observed with both eyes.

(その他)
以上で説明した導光素子、接合光学素子、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイは、以下のように表現されてもよい。
(Other)
The light guide element, the bonding optical element, the image display device, and the head mounted display described above may be expressed as follows.

以上で説明した導光素子は、内部で光を導光するために必要な光学面を複数有する導光素子であって、前記複数の光学面は、鋭角で交わる2つの光学面を含んでおり、前記2つの光学面の境界となる交線は、該交線の両端を結ぶ直線とは異なる形状であり、前記直線を含む平面または前記直線に平行な平面で、前記2つの光学面を切ったとき、前記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲線が含まれており、前記曲線は、変曲点を持っている。   The light guide element described above is a light guide element having a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside, and the plurality of optical surfaces include two optical surfaces that intersect at an acute angle. The intersecting line serving as the boundary between the two optical surfaces has a shape different from the straight line connecting both ends of the intersecting line, and the two optical surfaces are cut by a plane including the straight line or a plane parallel to the straight line. Then, at least one of the cross sections of the two optical surfaces includes a curve, and the curve has an inflection point.

前記複数の光学面は、入射光を透過または反射させる光学有効領域を有する面であってもよい。   The plurality of optical surfaces may be surfaces having an optically effective region that transmits or reflects incident light.

前記いずれかの平面で切ったときの断面に前記曲線が含まれる光学面において、前記曲線の変曲点は、前記光学有効領域の外側にあることが望ましい。   In an optical surface in which the curve is included in a cross section when cut by any one of the planes, it is preferable that the inflection point of the curve is outside the optical effective region.

前記2つの光学面のうち、一方の光学面には、該導光素子の内部で導光されて入射する光を反射させて他方の光学面に導く光学部材が配置されていてもよい。   Of the two optical surfaces, an optical member may be disposed on one of the optical surfaces so as to reflect light that is guided and incident on the inside of the light guide element and guides the light to the other optical surface.

前記2つの光学面のうち、一方の光学面の前記光学有効領域内には、該導光素子の内部で導光されて入射する光を反射させて他方の光学面に導く光学部材が配置されていてもよい。   Among the two optical surfaces, an optical member is disposed in the optical effective region of one optical surface to reflect the light that is guided inside the light guide element and enters the other optical surface. It may be.

前記光学部材は、ホログラム光学素子であってもよい。   The optical member may be a hologram optical element.

以上で説明した接合光学素子は、上述した導光素子と、前記導光素子の前記2つの光学面のうち、全反射によって光を導光する光学面とは異なる光学面と面形状が略同一の対向面を持ち、前記異なる光学面と前記対向面とが対向するように、前記導光素子と接合される接合用光学部材とを含む。   The above-described bonded optical element has substantially the same surface shape as the above-described light guide element and an optical surface that is different from the optical surface that guides light by total reflection among the two optical surfaces of the light guide element. And a joining optical member that is joined to the light guide element so that the different optical surface and the facing surface are opposed to each other.

前記接合用光学部材は、接着剤を介して、前記導光素子と接合されていてもよい。   The bonding optical member may be bonded to the light guide element via an adhesive.

以上で説明した画像表示装置は、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの画像光を内部で導光して観察瞳に導く接眼光学系とを備え、前記接眼光学系は、上述した導光素子を含んでいる。   The image display device described above includes a display element that displays an image, and an eyepiece optical system that guides image light from the display element and guides it to the observation pupil. A light guide element is included.

以上で説明した画像表示装置は、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの画像光を内部で導光して観察瞳に導く接眼光学系とを備え、前記接眼光学系は、上述した接合光学素子を含んでいる。   The image display device described above includes a display element that displays an image, and an eyepiece optical system that guides image light from the display element and guides it to the observation pupil. It includes a bonding optical element.

以上で説明したヘッドマウントディスプレイは、上述した画像表示装置と、前記画像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。   The head-mounted display described above includes the above-described image display device and a support member that supports the image display device in front of the observer's eyes.

本発明の導光素子は、例えば接合光学素子、画像表示装置およびHMDに利用可能である。   The light guide element of the present invention can be used for, for example, a bonding optical element, an image display device, and an HMD.

1c 第3光学面(光学面)
1c直線
1d 第4光学面(光学面)
1d直線
2 光学部材
3 接合用光学部材
3a 対向面
4 接着剤
10 導光素子
11 接合光学素子
20 画像表示装置
40 HMD(ヘッドマウントディスプレイ)
42 フレーム(支持部材)
a 直線
C 曲線
D 曲線
L 交線
M、M、M 変曲点
N、N、N 変曲点
OP 観察瞳
第1の面
第2の面
R 光学有効領域
1c Third optical surface (optical surface)
1c 1 straight line 1d 4th optical surface (optical surface)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1d 1 straight line 2 Optical member 3 Bonding optical member 3a Opposite surface 4 Adhesive 10 Light guide element 11 Bonding optical element 20 Image display apparatus 40 HMD (head mounted display)
42 Frame (support member)
a straight line C curve D curve L intersection line M, M 1 , M 2 inflection point N, N 1 , N 2 inflection point OP observation pupil P 1 first surface P 2 second surface R optical effective area

Claims (11)

内部で光を導光するために必要な光学面を複数有する導光素子であって、
前記複数の光学面は、鋭角で交わる2つの光学面を含んでおり、
前記2つの光学面の境界となる交線は、該交線の両端を結ぶ直線とは異なる形状であり、
前記直線を含む平面または前記直線に平行な平面で、前記2つの光学面を切ったとき、前記2つの光学面の断面の少なくとも一方には、曲線が含まれており、
前記曲線は、変曲点を持っている、導光素子。
A light guide element having a plurality of optical surfaces necessary for guiding light inside,
The plurality of optical surfaces include two optical surfaces that intersect at an acute angle;
The line of intersection serving as the boundary between the two optical surfaces has a shape different from the straight line connecting both ends of the line of intersection,
When the two optical surfaces are cut by a plane including the straight line or a plane parallel to the straight line, at least one of the cross sections of the two optical surfaces includes a curve,
The light guide element, wherein the curve has an inflection point.
前記複数の光学面は、入射光を透過または反射させる光学有効領域を有する面である、請求項1に記載の導光素子。   The light guide element according to claim 1, wherein the plurality of optical surfaces are surfaces having an optically effective area that transmits or reflects incident light. 前記いずれかの平面で切ったときの断面に前記曲線が含まれる光学面において、前記曲線の変曲点は、前記光学有効領域の外側にある、請求項2に記載の導光素子。   3. The light guide element according to claim 2, wherein an inflection point of the curved line is outside the optical effective area on an optical surface in which the curved line is included in a cross section when cut by any one of the planes. 前記2つの光学面のうち、一方の光学面には、該導光素子の内部で導光されて入射する光を反射させて他方の光学面に導く光学部材が配置されている、請求項1から3のいずれかに記載の導光素子。   2. An optical member is disposed on one optical surface of the two optical surfaces so as to reflect the light guided and incident on the inside of the light guide element to the other optical surface. 4. The light guide element according to any one of items 1 to 3. 前記2つの光学面のうち、一方の光学面の前記光学有効領域内には、該導光素子の内部で導光されて入射する光を反射させて他方の光学面に導く光学部材が配置されている、請求項2または3に記載の導光素子。   Among the two optical surfaces, an optical member is disposed in the optical effective region of one optical surface to reflect the light that is guided inside the light guide element and enters the other optical surface. The light guide element according to claim 2 or 3. 前記光学部材は、ホログラム光学素子である、請求項4または5に記載の導光素子。   The light guide element according to claim 4, wherein the optical member is a hologram optical element. 請求項1から6のいずれかに記載の導光素子と、
前記導光素子の前記2つの光学面のうち、全反射によって光を導光する光学面とは異なる光学面と面形状が略同一の対向面を持ち、前記異なる光学面と前記対向面とが対向するように、前記導光素子と接合される接合用光学部材とを含む、接合光学素子。
A light guide element according to any one of claims 1 to 6,
Of the two optical surfaces of the light guide element, an optical surface different from the optical surface that guides light by total reflection and an opposing surface having substantially the same surface shape, the different optical surface and the opposing surface are A bonding optical element including a bonding optical member bonded to the light guide element so as to face each other.
前記接合用光学部材は、接着剤を介して、前記導光素子と接合されている、請求項7に記載の接合光学素子。   The bonded optical element according to claim 7, wherein the bonding optical member is bonded to the light guide element via an adhesive. 画像を表示する表示素子と、
前記表示素子からの画像光を内部で導光して観察瞳に導く接眼光学系とを備え、
前記接眼光学系は、請求項1から6のいずれかに記載の導光素子を含んでいる、画像表示装置。
A display element for displaying an image;
An eyepiece optical system that guides image light from the display element and guides it to the observation pupil,
The said eyepiece optical system is an image display apparatus containing the light guide element in any one of Claim 1 to 6.
画像を表示する表示素子と、
前記表示素子からの画像光を内部で導光して観察瞳に導く接眼光学系とを備え、
前記接眼光学系は、請求項7または8に記載の接合光学素子を含んでいる、画像表示装置。
A display element for displaying an image;
An eyepiece optical system that guides image light from the display element and guides it to the observation pupil,
The said eyepiece optical system is an image display apparatus containing the joining optical element of Claim 7 or 8.
請求項9または10に記載の画像表示装置と、
前記画像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している、ヘッドマウントディスプレイ。
An image display device according to claim 9 or 10,
A head-mounted display having a support member that supports the image display device in front of an observer's eyes.
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