CN102628993B - 虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供鉴于上述背景技术的问题而完成的、能够抑制图像的缺失和/或亮度不均地显示高品质虚像的虚像显示装置。投影光学系统(12)具有在导光时通过反射而折回的第二方向(合成方向)D2上比第三反射面(21c)的开口宽度(F2)宽的出射开口宽度(E2)，所以能够防止在从投影光学系统(12)出射的图像光(GL)入射于第三反射面(21c)时产生部分缺失，能够防止图像产生缺失和/或较大的亮度不均。

Description

虚像显示装置
技术领域
本发明涉及佩戴在头部使用的头戴式显示器(head-mounted display)等虚像显示装置。
背景技术
近年来，作为头戴式显示器那样能够形成并观察虚像的虚像显示装置，提出了各种各样的通过导光板将来自于显示元件的图像光导入于观察者的瞳孔的类型。
在这样的虚像显示装置中，为了使图像光和外界光重叠，提出了透视光学系统的提案(参照专利文献1、2)。
但是，在专利文献1等所记载的装置中，通过使用出射开口比瞳孔尺寸小的导光光学系统的瞳孔分割(瞳分割)方式实现了透视，所以难以增大虚像的显示尺寸。另外，使用比瞳孔尺寸小的导光光学系统，所以难以为了与每个人的眼宽相对应而增大有效瞳径(为能够获取虚像的采光直径，也称为出射光瞳直径)。另外，从物理上在瞳孔附近配置导光光学系统的出射开口和/或框体，所以会产生死角，不能说是完全的透视。
另外，作为头部佩戴式显示器用的光学系统，有具有能够使导光角度不同的多个光模式进行的导光管的系统(参照专利文献3)。在这样的光学系统中，也可以考虑：进行研究使出射侧的第三光学面作为半反射镜、使第三光学面的透射光直线行进，由此成为透视型显示装置。
但是，在专利文献3的光学系统中，以多个光模式所成的像相互错位为前提，用按每个光模式而设定为不同的入射角度的准直光照射液晶面板。而且，通过按各光模式来变更显示内容并且按顺序实行各光模式的显示，由此连接各光模式的图像就得到了整体图像。该情况下，必需通过一个液晶面板边按时间差变更边显示构成整体图像的中央的图像和左右的图像，虚像显示装置复杂化，观察图像也变暗。
与上述不同的，可以考虑一种虚像显示装置，其中通过具有覆盖眼前那样的光出射部的导光部件能够与外界光重叠地进行虚像的观察，没有必要按时间差来连接图像，但不容易显示大的图像，在横向的导光方向上图像中容易产生缺失和/或亮度不均。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-3879号公报
专利文献2：日本特开2010-224473号公报
专利文献3：日本特开2008-535001号公报
发明内容
本发明是鉴于上述背景技术的问题而完成的，其目的在于提供能够抑制图像的缺失和/或亮度不均地显示高品质的虚像的虚像显示装置。
为了解决上述课题，本发明所涉及的虚像显示装置，其中，具备：(a)形成图像光的图像显示装置；(b)使从图像显示装置出射后的图像光入射的投影光学系统；和(c)导光部件，该导光部件具有导光部、使图像光入射于导光部的光入射部和使由导光部导光后的图像光向外部出射的光出射部，并能够隔着光出射部进行图像光的观察，(d)导光部具有相互平行地配置并能够通过全反射来导光的第一反射面和第二反射面，(e)光入射部具有相对于第一反射面呈预定角度的第三反射面，(f)光出射部具有相对于第一反射面呈预定角度的第四反射面，(g)投影光学系统具有在与第一反射面的平面平行并与第一反射面和第三反面的交线垂直的方向上比第三反射面的开口宽度宽的出射开口宽度。
在上述虚像显示装置中，投影光学系统具有在导光时通过反射而折回的合成方向上比第三反射面的开口宽度宽的出射开口宽度，所以能够防止从投影光学系统出射的图像光在入射于第三反射面时产生局部缺失，能够防止在图像中产生缺失和/或大的亮度不均。
在本发明的具体侧面，在上述虚像显示装置中，从投影光学系统的最靠光出射侧的透镜到导光部件的第一反射面为止的距离为例如3mm以下。该情况下，能够使从投影光学系统的最靠光出射侧的透镜出射的图像光，经由第一反射面高效地入射于第二反射面。
在本发明的其他侧面，投影光学系统的出射开口宽度，与平行于第一反射面和第三反射面的交线的第一方向相比，在与第一反射面平行并与第一反射面和第三反射面的交线垂直的第二方向上更小。
在本发明的另外其他的侧面，图像显示装置的有效尺寸，与第一方向相比在第二方向上更大。
在本发明的其他侧面，从图像显示装置的第一部分区域出射的第一图像光在导光部的反射次数，与在导光时通过反射而产生光路的折回的限制方向上、从不同于第一部分区域的第二部分区域出射的第二图像光在导光部的反射次数相互不同。该情况下，通过利用反射次数不同的图像光，能够使从光出射部出射的图像光的出射角度的角度宽度变宽。也就是说，能够以比较大的视野角获取来自于图像显示装置的不同部分区域的图像光，能够确保隔着光出射部观察到的虚像的显示尺寸较大。通过设为这样获取反射次数不同的图像光的结构，能够不怎么增加导光部厚度地以覆盖瞳孔的方式增大光出射部。另外，上述的限制方向意味着在板状的导光部内与第一反射面的平面垂直并与第一反射面和第三反射面的交线垂直的方向。另外，限制方向相当于，在与光入射部相比在光路上处于上游侧即在投影光学系统中，与第一反射面的平面平行并与第一反射面和第三反射面的交线垂直的方向。
在本发明的另外其他侧面，限制方向为与包含通过投影光学系统的第一光轴和第三反射面的法线的截面平行的方向。来自于上述截面方向上的不同位置的图像光，设为出射角度即向光入射部入射的入射角度相互不同，由此能够使在导光部的反射次数不同。
在本发明的另外其他侧面，在第四反射面设有半反射镜，还具备具有与第四反射面相对的透射面的楔形的光透射部件。能够经由第四反射面和光透射部将外界光导入于瞳孔，能够自然地观察外界。
在本发明的另外其他侧面，光透射部件具有相对于第一反射面和第二反射面分别平行配置的第一面和第二面。由此，由光透射光部件进行的透视观察没有变形、平坦性高。
在本发明的另外其他侧面，导光部件通过注射成型独立地一体成型。该情况下，能够利用注射成型技术以高精度来量产导光部件和光透射部件。
本发明的另外其他侧面，导光部件通过热聚合型树脂材料成型。该情况下，通过树脂能够实现轻量化和/或提高安全性，通过热固化能够实现稳定的高精度的成型。
附图说明
图1是表示实施方式的虚像显示装置的立体图。
图2(A)是构成虚像显示装置的第一显示装置的主体部分的俯视图，图2(B)是主体部分的主视图。
图3是说明第一显示装置的主体部分的立体图。
图4(A)是说明导光部件的光入射部的第三反射面的结构的图，图4(B)是说明导光部件的导光部的第一反射面的结构的图，图4(C)是说明导光部的第二反射面的结构的图，图4(D)是说明光出射部的第四反射面的结构的图。
图5(A)展开了纵向的第一方向上的光路后的概念图，图5(B)是展开了横向的第二方向上的光路后的概念图。
图6是具体地说明虚像显示装置的光学系统中的光路的俯视图。
图7(A)表示液晶显示器件的显示面，图7(B)是概念性地说明观察者所能看到的液晶显示器件的虚像的图，图7(C)以及图7(D)是说明构成虚像的2个部分图像的图。
图8是具体地说明虚像显示装置的光学系统中的其他光路的俯视图。
图9(A)是说明在导光部件设有去除了棱那样的端面的原因的图，图9(B)是说明在导光部件设有其他端面的原因的图。
图10(A)是说明变形例中的图像光的导光状态的图，图10(B)是概念性地说明变形例中的液晶显示器件的虚像的图。
附图标记说明
10图像形成装置；11图像显示装置；12投影光学系统；20导光装置；21导光部件；21a、21b、21c、21d第一～第四反射面；21e上表面；21f下表面；21h、21i端面；23光透射部件；23a、23b、23c面；25反射镜层；27硬涂层；28半反射镜层(反射膜)；31照明装置；32液晶显示器件；32b显示区域；34驱动控制部；100虚像显示装置；100A、100B显示装置；110光学面板；121框架；131、132驱动部；A10第一部分区域；A20第二部分区域；AX1第一光轴；AX2第二光轴；B1光入射部；B2导光部；B3光出射部；B4透视部；EY眼睛；FS平坦面；GL图像光；GL’外界光；GL11、GL12、GL21、GL22图像光；IM1、IM2投影像；IS光入射面；L1、L2、L3透镜；OS光出射面；P1显示点；P2显示点；SL照明光；E2出射开口宽度；F2开口宽度
具体实施方式
以下，参照附图关于本发明的一实施方式所涉及的虚像显示装置详细地进行说明。
A.虚像显示装置的外观
图1所示的实施方式的虚像显示装置100，为具有眼镜那样的外观的头戴式显示器，对于佩戴了该虚像显示装置100的观察者能够使其识别到虚像的图像光，并且能够使观察者以透视的方式观察到外界像。虚像显示装置100具有：覆盖观察者的眼前的光学面板110；支撑光学面板110的框架121；和附加于该框架121的从护套到眼镜腿的部分的第一驱动部131和第二驱动部132。这里，光学面板110具有第一面板部分111和第二面板部分112，两面板部分111、112为在中央连接为一体而成的板状部件。组合图面中左侧的第一面板部分111和第一驱动部131而成的第一显示装置100A，为形成左眼用的虚像的部分，也可单独作为虚像显示装置发挥作用。另外，组合图面中右侧的第二面板部分112和第二驱动部132而成的第二显示装置100B为形成右眼用的虚像的部分，也可单独作为虚像显示装置发挥作用。另外，第一驱动部131和第二驱动部132，被分别收置在遮光用和保护用的壳体141中。
B.显示装置的结构
如图2(A)等所示，第一显示装置100A具备图像形成装置10和导光装置20。这里，图像形成装置10相当于图1中的第一驱动部131，导光装置20相当于图1中的第一面板部分111。关于图像形成装置10，图示了图1中的除了壳体141外的主体部分。在图2(A)中，导光装置20的部分成为图2(B)的AA向剖视图。另外，图1所示的第二显示装置100B具有与第一显示装置100A相同的结构并仅使其左右反转，所以省略对第二显示装置100B的详细说明。
图像形成装置10具有图像显示装置11和投影光学系统12。其中，图像显示装置11具有：出射二维照明光SL的照明装置31、作为透射型空间光调制装置的液晶显示器件32和控制照明装置31以及液晶显示器件32的工作的驱动控制部34。
照明装置31具有：产生包含红色、绿色、蓝色这三色的光的光源31a、和使来自于光源31a的光扩散而成为矩形截面的光束的背光(back light)导光部31b。液晶显示器件32，对来自于照明装置31的照明光SL进行空间调制以形成应该成为动态图像等显示对象的图像光。驱动控制部34具备光源驱动电路34a和液晶驱动电路34b。光源驱动电路34a对照明装置31的光源31a供给电力使其出射稳定亮度的照明光SL。液晶驱动电路34b通过对液晶显示器件32输出图像信号或驱动信号，由此作为透射率图形而形成成为动态图像和/或静止图像的基础的彩色图像光。另外，能够使液晶驱动电路34b具有图像处理功能，但也能够使外设的控制电路具有图像处理功能。投影光学系统12为使从液晶显示器件32上的各点出射的图像光变为平行状态的光束的准直透镜。
在液晶显示器件32中，第一方向D1对应于包含通过投影光学系统12的第一光轴AX1和与后述的导光部件21的第三反射面21c平行的特定线的纵截面的延伸方向，第二方向D2对应于包含上述第一光轴AX1和上述第三反射面21c的法线的横截面的延伸方向。换言之，第一方向D1为与后述的导光部件21的第一反射面21a和第三反射面21c的交线平行的方向，第二方向D2为与上述第一反射面21a的平面平行、并与上述第一反射面21a和第三反射面21c的交线垂直的方向。也就是说，在液晶显示器件32的位置，第一方向D1相当于纵向的Y方向，第二方向D2相当于横向的X方向。这里，液晶显示器件32在纵向的第一方向D1上的有效尺寸ES1，比液晶显示器件32在横向的第二方向D2上的有效尺寸ES2小(参照图2(B)等)。也就是说，液晶显示器件32的显示区域DA为横向长。
投影光学系统12具有3个透镜组L1～L3，这些透镜组L1～L3在镜筒12a内被支撑。镜筒12a被收置在图1的壳体141内。被支撑于镜筒12a的各透镜组L1～L3为组合多个树脂制透镜等而成的，在垂直于第一光轴AX1的第一方向D1和第二方向D2上尺寸不同。但是，构成各透镜组L1～L3的各透镜的光学面具有绕第一光轴AX1呈旋转对称的球面或非球面形状，对第一方向D1的聚光特性和第二方向D2的聚光特性没有设有特别的差异。在收置透镜组L1～L3的镜筒12a的最靠光出射侧的出射开口EA，也如图3所示，透镜组L3的光学面12f露出。这里，出射开口EA的第一方向D1的出射开口宽度E1比出射开口EA的第二方向D2的出射开口宽度E2大(参照图2(B)等)。也就是说，投影光学系统12的出射开口EA为纵向长。这是因为：如后所述，在纵向的第一方向D1即Y方向上，即便将图像光GL设为比较宽的光束宽度也能够使图像光GL入射于导光装置20，但是在横向的第二方向D2上，如果不设为比较窄的光束宽度就不能使图像光GL入射于导光装置20。
导光装置20为接合导光部件21和光透射部件23而成的，作为整体构成为与XY面平行地延伸的平板状的光学部件。
导光装置20中的导光部件21，为俯视呈梯形的棱镜状部件，作为侧面具有第一反射面21a、第二反射面21b、第三反射面21c和第四反射面21d。另外，导光部件21具有与第一、第二、第三以及第四反射面21a、21b、21c、21d相邻接并且相互相对的上表面21e和下表面21f。这里，第一以及第二反射面21a、21b沿着XY面延伸并间隔导光部件21的厚度t1。另外，第三反射面21c相对于XY面按45°以下的锐角α倾斜，第四反射面21d相对于XY面按例如45°以下的锐角β倾斜。通过第三反射面21c的第一光轴AX1和通过第四反射面21d的第二光轴AX2平行地配置并间隔距离D。另外，下面将详述，在第一反射面21a和第三反射面21c之间以去除棱的方式设置有端面21h。另外，在第一反射面21a和第四反射面21d之间以去除棱的方式设置有端面21i。导光部件21若也包括这些端面21h、21i，则成为具有8面的多面体状的外形的部件。
导光部件21，利用由第一以及第二反射面21a、21b所进行的全反射来进行导光，具有在导光时通过反射而折回的方向和在导光时不通过反射来折回的方向。在对于由导光部件21导光的图像进行考虑的情况下，在导光时通过多次反射而折回的横向即限制方向(閉じ込め方向)，在垂直于第一以及第二反射面21a、21b(与Z轴平行)地如后所述展开了光路直到光源侧的情况下，相当于液晶显示器件32的第二方向D2，在导光时没有通过反射而折回的纵方向即自由传送方向，在与第一以及第二反射面21a、21b以及第三反射面21c平行(与Y轴平行)地如后所述展开了光路直到光源侧的情况下，相当于液晶显示器件32的第一方向D1。
导光部件21由在可见区域内表现出高光透射性的树脂材料形成。导光部件21，为通过注射成型而成型为一体的块状部件，例如通过使热聚合型树脂材料注射到成型模内并使其热固化而形成。这样导光部件21为一体形成品，但从功能方面看可以考虑分为光入射部B1、导光部B2和光出射部B3。
光入射部B1为三角棱镜状的部分，具有作为第一反射面21a的一部分的光入射面IS和与光入射面IS相对的第三反射面21c。光入射面IS为用于获取来自于图像形成装置10的图像光GL的里侧或观察者侧的平面，与投影光学系统12相对并垂直于该第一光学轴AX1地延伸。第三反射面21c为用于将通过了光入射面IS的图像光GL反射并将其导入于导光部B2内的矩形的全反射镜。
图4(A)是说明第三反射面21c的图，为光入射部B1的表面部分P1的局部放大剖视图。第三反射面21c具有反射镜层25并由保护层26覆盖。该反射镜层25为全反射涂层，通过在导光部件21的斜面RS上通过蒸镀铝等而实施成膜来形成。第三反射面21c相对于投影光学系统12的第一光轴AX1或XY面按例如锐角α＝25°～27°倾斜，使从光入射面IS入射作为整体朝向+Z方向的图像光GL，以作为整体朝向靠近-Z方向的-X方向的方式弯曲，由此可靠地使在导光部B2内图像光GL结合。
返回图2(A)等，第三反射面21c为大致矩形的平面。这里，纵向的第一方向D1上的第三反射面21c的有效开口宽度F1与投影光学系统12的第一方向D1上的出射开口宽度E1大致相等。另一方面，横向的第二方向(限制方向)D2上的第三反射面21c的有效开口宽度F2比投影光学系统12的第二方向(限制方向)D2上的出射开口宽度E2窄。也就是说，投影光学系统12，通过使其横向的出射开口宽度E2比第三反射面21c的开口宽度F2大，由此使得图像光GL入射直至第三反射面21c的X方向的周边部。第三反射面21c的X方向的开口宽度F2在具体实施方式中设为例如18mm左右，投影光学系统12的X方向的出射开口宽度E2在具体实施方式中设为例如19mm左右或者其以上。这里，如图2(B)所示，投影光学系统12的出射开口EA中的靠导光部B2即-X侧的边缘EG1，从第三反射面21c和第二反射面21b的边界BA比较大的鼓出，出射开口EA中的从导光部B2离开的+X侧的边缘EG2，从设置于第三反射面21c与第一反射面21a的边界的端面21h比较小地鼓出。这是考虑到，如果从投影光学系统12观察，则边界BA与端面21h相比距离更远，能够使图像光GL充分入射直至靠近边界BA。
另外，从投影光学系统12的最靠光出射侧的透镜组L3的光学面12f到光入射部B1的光入射面IS或第一反射面21a为止的距离GA，被设定为例如3mm以下。通过这样使投影光学系统12接近光入射面IS，由此能够使从投影光学系统12的最靠光出射侧的透镜组L3出射的图像光GL经由光入射面IS高效地入射于第二反射面21b。
导光部B2具有作为相互相对并与XY面平行地延伸的2个平面的、分别使在光入射部B1弯曲后的图像光全反射的第一反射面21a和第二反射面21b。第一以及第二反射面21a、21b的间隔即导光部件21的厚度t1设为例如9mm左右。这里，设为：第一反射面21a处于靠近图像形成装置10的里侧或观察者侧，第二反射面21b处于远离图像形成装置10的表侧或者外界侧。该情况下，第一反射面21a成为与上述光入射面IS和/或后述的光出射面OS共用的面部分。第一以及第二反射面21a、21b为利用折射率之差的全反射面，没有设置反射镜层等反射涂层。
图4(B)为说明第一反射面21a的图，为导光部件21的导光部B2的表面部分P2的局部放大剖视图。另外，图4(C)为说明第二反射面21b的图，为导光部件21的导光部B2的表面部分P3的局部放大剖视图。第一以及第二反射面21a、21b，为了防止表面损伤为了防止影像的析像度降低，由硬涂层27覆盖。该硬涂层27，通过在导光部件21的平坦面FS上通过对UV固化性树脂和/或热固化性树脂进行浸渍处理和/或喷涂处理来成膜而形成。在光入射部B1的第三反射面21c被反射后的图像光GL，首先入射于第一反射面21a、被全反射。接着，该图像光GL入射于第二反射面21b、被全反射。下面通过反复进行该工作，由此图像光被导向到导光装置20的进深侧即设置有光出射部B3的-X侧。另外，在第一以及第二反射面21a、21b没有设置反射涂层，所以从外界侧入射于第二反射面21b的外界光或外光，以高透射率通过导光部B2。也就是说，导光部B2成为能够透视外界像的透视型。
以上在第一以及第二反射面21a、21b进行的全反射，通过硬涂层27的折射率的设定，能够使该全反射在硬涂层17的表面SS的内侧发生，但是也能够使其在平坦面FS的内侧发生。
返回图2(A)等，光出射部B3为三角棱镜状的部分，具有作为第一反射面21a的一部分的光出射面OS；和与光出射面OS相对的第四反射面21d。光出射面OS为用于朝向观察者的眼睛EY出射图像光GL的里侧的平面，与光入射面IS同样成为第一反射面21a的一部分，与第二光轴AX2垂直地延伸。通过光出射部B3的第二光轴AX2和通过光入射部B1的第一光轴AX1的距离D，考虑到观察者的头部宽度等而设定为例如50mm。第四反射面21d为用于使经第一以及第二反射面21a、21b入射来的图像光GL反射并使其出射到光出射部B3外的大致矩形的平坦面。在第四反射面21d随附有半反射镜层28。该半反射镜层28为具有光透射性的反射膜(即半透半反膜)，其表面为半透半反面。半反射镜层(光透射性的反射膜)28通过在导光部件21的斜面RS上成膜金属反射膜和/或电介质多层膜而形成。半反射镜层28对于图像光GL的反射率，从使通过透视观察外界光GL’变得容易的观点出发，在设想的图像光GL的入射角范围内设为10％以上且50％以下。具体实施方式的半反射镜层28相对于图像光GL的反射率，设定为例如20％，对于图像光GL的透射率设定为例如80％。
图4(D)为说明第四反射面21d及其周围的结构的图，随附有半反射镜层(光透射性的反射膜)28的截面的放大图。如根据该图可知的那样，半反射镜层(反射膜)28包括不具有偏振特性的金属反射膜28a、具有偏振特性的第一电介质多层膜28b和具有偏振特性的第二电介质多层膜28c。这里，金属反射膜28a被夹在第一电介质多层膜28b和第二电介质多层膜28c之间。也就是说，半反射镜层28具有将金属反射膜28a配置在中央而成的三明治结构。金属反射膜28a为例如Ag膜、Al膜等。下侧的第一电介质多层膜28b和/或上侧的第二电介质多层膜28c，为层叠了多层以上的透明电介质层而成的膜，改善金属反射膜28a的角度特性。关于这些电介质多层膜28b、28c，也能够省略。
返回图2(B)等，第四反射面21d相对于与第一反射面21a垂直的第二光轴AX2或XY面按例如锐角α＝25°～27°倾斜，通过上述半反射镜层28，使经导光部B2的第一以及第二反射面21a、21b入射来的图像光GL部分反射而以作为整体朝向-Z方向的方式弯曲，由此使其通过光出射面OS。另外，透射了第四反射面21d的图像光GL入射于光透射面23，没有用于影像的形成。
框架部分29具有光透射部23、上侧支撑部件24b和下侧支撑部件24c。其中，上下一对的上侧支撑部件24b和下侧支撑部件24c，从上下夹着左侧导光部件21而将其固定于光透射部23。通过这些支撑部件24b、24c和光透射部23的协同作用，导光部件21相对于光透射部23不仅在上下的Y方向上而且在左右的X方向以及前后的Z方向上都被正确地定位并被固定。
光透射部件23具有与导光部件21的主体一样的折射率，具有第一面23a、第二面23b和第三面23c。第一以及第二面23a、23b沿XY面延伸。另外，第三面23c相对于XY面倾斜，与导光部件21的第四反射面21d相对地平行配置。也就是说，光透射部件23变为具有被第二面23b和第三面23c夹着的楔形的部分23m的部件。光透射部件23与导光部件21同样地，由在可见区域显示出高光透射性的树脂材料形成。光透射部件23为通过注射成型而一体地成型的块状部件，通过将例如热聚合型树脂材料注射到成型模内并使其热固化而形成。
在光透射部件23，第一面23a配置于设置在导光部件21的第一反射面21a的延长平面上，处于靠近观察者的眼睛EY的里侧，第二面23b配置在设置于导光部件21的第二反射面21b的延长平面上，处于远离观察者的眼睛EY的表侧。第三面23c为通过粘接剂而接合于导光部件21的第四反射面21d的矩形的透射面。以上的第一面23a与第三面23c所成的角度，与导光部件21的第二反射面21b与第四反射面21d所成的角度ε相等，第二面23b与第三面23c所成的角度与导光部件21的第一反射面21a与第三反射面21c所成的角度β相等。
光透射部件23和导光部件21，在两者的接合部分及其附近，在与观察者的眼前相对的部分构成了透视部B4。光透射部件23中的、由相互呈锐角的第二面23b和第三面23c所夹并向-X方向变宽的楔形部件23m，与同样为楔形的光出射部B3接合，从而作为整体构成为平板状的透视部B4的X方向上的中央部分。在第一以及第二面23a、23b，没有设置反射镜层等反射涂层，所以与导光部件21的导光部B2同样使外界光GL’以高透射率透射。第三面23c也能够使外界光GL’以高透射率透射，但导光部件21的第四反射面21d具有半反射镜层28，所以通过第三面23c的外界光GL’被减光例如20％。也就是说，观察者观察到使减光到20％的图像光GL和减光到80％的外界光GL’重叠而成的图像。
分别设置在上侧支撑部件24b的端部和下侧支撑部件24c的端部的连接部24e、24f，不仅用于将投影光学系统12的镜筒12a固定于框架部分29，而且还用于安装图1的壳体141。
C.图像光的光路构成
图5(A)是说明液晶显示器件32的与纵截面CS1相对应的第一方向D1的光路的图。在沿着第一方向D1的纵截面即YZ面(展开后的Y’Z’面)上，将从液晶显示器件32出射的图像光中的、图中单点划线所示的从显示区域32b的上端侧(+Y侧)出射的分量设为图像光GLa，将图中双点划线所示的从显示区域32b的下端侧(-Y侧)出射的分量设为图像光GLb。
上侧的图像光GLa，通过投影光学系统12被平行光束化，沿着展开了的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2以及光出射部B3相对于观察者的眼睛EY以平行光束状态按角度Φ1从上方倾斜入射。另一方面，下侧的图像光GLb，通过投影光学系统12被平行光束化，沿着展开了的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2以及光出射部B3相对于观察者的眼睛EY以平行光束状态按角度Φ2(|Φ2|＝|Φ1|)从下方倾斜入射。以上的角度Φ1、Φ2，与上下的半视场角相当，设定为例如6.5°。
图5(B)是说明液晶显示器件32的与横截面CS2相对应的第二方向(限制方向)D2的光路的图。在沿着第二方向(限制方向或合成方向)D2的横截面即XZ面(展开后的X’Z’面)上，将从液晶显示器件32出射的图像光中的、图中单点划线所示的朝向显示区域32b从右端侧(+X侧)的第一显示点P1出射的分量设为图像光GLc，将图中双点划线所示的朝向显示区域32b从左端侧(-X侧)的第二显示点P2出射的分量设为图像光GLc。在图5(B)中，用于参考，追加了从靠右内侧出射的图像光GLe和从靠左内侧出射的图像光GLf。
来自于右侧第一显示点P1的图像光GLc，通过投影光学系统12被平行光束化，沿着展开了的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2以及光出射部B3相对于观察者的眼睛EY以平行光束状态按角度θ1从右方倾斜入射。另一方面，来自于左侧第二显示点P2的图像光GLd，通过投影光学系统12被平行光束化，沿着展开了的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2以及光出射部B3相对于观察者的眼睛EY以平行光束状态按角度θ2(|θ2|＝|θ1|从左方倾斜入射。以上的角度θ1、θ2，与左右的半视场角相当，设定为例如10°。
另外，在第二方向D2的横向上，在导光部件21中图像光GLc、GLd通过反射而折回，反射的次数也不同，所以各图像光GLc、GLd在导光部件21中表现为不连续。另外，关于观察者的眼睛EY，与图2(A)的情况相比较所见的方向变得上下相反。结果，在横向上，作为整体画面左右反转，但通过如后所述那样高精度地对导光部件21进行加工，由此液晶显示器件32的右半部分的图像和液晶显示器件32的左半部分的图像不间断连续地不错开地连接。另外，考虑到两图像光GLc、GLd在导光部件21内的反射次数不同，设定为右侧的图像光GLc的出射角度θ1’与左侧的图像光GLd的出射角度θ2’不同。
通过上文，入射于观察者的眼睛EY的图像光GLa、GLb、GLc、GLd成为来自于无限远的虚像，在纵向的第一方向D1上形成于液晶显示器件32的影像为正立的，在横向的第二方向D2上形成于液晶显示器件32的影像为反转。
D.横向上的图像光的光路
图6是说明第一显示装置100A中的具体光路的剖视图。投影光学系统12具有3个透镜L1、L2和L3。
来自于液晶显示器件32的右侧第一显示点P1的图像光GL11、GL12，通过投影光学系统12的透镜L1、L2、L3而被平行光束化，入射于导光部件21的光入射面IS。被导入于导光部件21内的图像光GL11、GL12在第一以及第二反射面21a、21b以等角度反复全反射，最终从光出射面OS作为平行光束出射。具体而言，图像光GL11、GL12作为平行光束在导光部件21的第三反射面21c被反射后，以第一反射角γ1入射于导光部件21的第一反射面21a被全反射(第一次全反射)。之后，图像光GL11、GL12以保持第一反射角γ1的状态入射于第二反射面21b并被全反射(第二次全反射)，接着再次入射于第一反射面21a并被全反射(第三次全反射)。结果，图像光GL11、GL12以保持第一反射角γ1的状态在第一以及第二反射面21a、21b反复全反射。图像光GL11、GL12在第一以及第二反射面21a、21b合计被全反射三次，入射于第四反射面21d。图像光GL11、GL12在该第四反射面21d以与第三反射面21c相同的角度被反射，从光出射面OS相对于垂直于该光出射面OS的第二光轴AX2方向按角度θ1倾斜地作为平行光束出射。
来自于液晶显示器件32的左侧第二显示点P2的图像光GL21、GL22，通过投影光学系统12的透镜L1、L2、L3而被平行光束化，入射于导光部件21的光入射面IS。被导入于导光部件21内的图像光GL21、GL22在第一以及第二反射面21a、21b以等角度反复全反射，最终从光出射面OS作为平行光束出射。具体而言，图像光GL21、GL22作为平行光束在导光部件21的第三反射面21c被反射后，以第二反射角γ2(γ2＜γ1)入射于导光部件21的第一反射面21a、被全反射(第一次全反射)。之后，图像光GL21、GL22以保持第一反射角γ2的状态入射于第二反射面21b并被全反射(第二次全反射)，再次入射于第一反射面21a并被全反射(第三次全反射)，再次入射于第二反射面21b并被全反射(第四次全反射)，又一次入射于第一反射面21a并被全反射(第五次全反射)。结果，图像光GL21、GL22在第一以及第二反射面21a、21b合计被全反射五次，入射于第四反射面21d。图像光GL21、GL22在该第四反射面21d以与第三反射面21c相同的角度被反射，从光出射面OS相对于垂直于该光出射面OS的第二光轴AX2方向按角度θ2倾斜地作为平行光束出射。
在图6中，描绘了在展开了导光部件21的情况下与第一反射面21a相对应的设想的第一面121a、和在展开了导光部件21的情况下与第二反射面21b相对应的设想的第二面121b。通过这样展开可知：来自于第一显示点P1的图像光GL11、GL12通过了与光入射面IS相对应的入射等价面IS’之后，二次通过第一面121a、一次通过第二面121b，并从光出射面OS出射而入射于观察者的眼睛EY；来自于第二显示点P2的图像光GL21、GL22通过了与光入射面IS相对应的入射等价面IS”之后，三次通过第一面121a、二次通过第二面121b，并从光出射面OS出射而入射于观察者的眼睛EY。如果改变观察方式，则观察者正在重叠观察二个存在于位置不同的入射等价面IS’、IS”附近的投影光学系统12的透镜L3。
图7(A)是概念性地说明液晶显示器件32的显示面的图，图7(B)是概念性地说明观察者所能看到的液晶显示器件32的虚像的图，图7(C)以及图7(D)是说明构成虚像的部分图像的图。图7(A)所示的设置于液晶显示器件32的矩形图像形成区域AD作为图7(B)所示的虚像显示区域AI被观察。在虚像显示区域AI的左侧，形成有与液晶显示器件32的图像形成区域AD中的从中央到右侧的部分相当的第一投影像IM1，该第一投影像IM1如图7(C)所示成为缺失右侧的部分图像。另外，在虚像显示区域AI的右侧，作为虚像形成有与液晶显示器件32的图像形成区域AD中的从中央到左侧的部分相当的第二投影像IM2，该第二投影像IM2如图7(D)所示成为缺失左侧的部分图像。
图7(A)所示的液晶显示器件32中的仅形成第一投影像(虚像)IM1的第一部分区域A10，包含例如液晶显示器件32的右端的第一显示点P1，出射在导光部件21的导光部B2合计被全反射三次的图像光GL11、GL12。液晶显示器件32中的仅形成第二投影像(虚像)IM2的第二部分区域A20，包含例如液晶显示器件32的左端的第二显示点P2，出射在导光部件21的导光部B2合计被全反射五次的图像光GL21、GL22。来自于在液晶显示器件32的图像形成区域AD的靠中央由第一以及第二部分区域A10、A20夹着的纵长的带状区域SA的图像光，形成了图7(B)所示的重复图像SI。也就是说，来自于液晶显示区域32的带状区域SA的图像光成为：通过在导光部B2中合计被全反射三次的图像光GL11、GL12而形成的第一投影像IM1；和通过在导光部B2中合计被全反射五次的图像光GL21、GL22而形成的第二投影像IM2，在虚像显示区域AI上重叠。导光部件21的加工是精密的，如果通过投影光学系统12形成了被正确地准直化了的光束，则关于重复图像SI，能够防止由2个投影像IM1和IM2的重叠所产生的错位和/或洇渗。
E.防止图像劣化
下面，关于图7(B)所示的重复图像SI等的图像劣化进行说明。可以认为：重复图像SI是使图7(C)所示的第一投影像IM1的周边部和图7(D)所示的第二投影像IM2的周边部重合而成的，在投影光学系统12的视场角小的情况下，在周边产生被称为暗角的局部遮光。在本实施方式的图像形成装置10的情况下，上述图像形成区域AD的中央，尽管为重复图像SI存在光量的增加，但由于第一以及第二投影像IM1、IM2的周边减光，容易产生亮度降低。进而，在本实施方式的图像形成装置10的情况下，形成重复图像SI的图像光GL，从投影光学系统12的出射开口EA中的第二方向D2的两端侧出射的倾向高。
图8是说明形成重复图像SI的图像光GL从投影光学系统12的出射开口EA中的第二方向D2的两端侧出射的倾向高的原因的图。在沿第二方向(限制方向)D2的横截面中，将从液晶显示器件32的中央出射的图像光中的图中由单点划线所示的向+X侧倾斜的分量设为图像光GL31、GL32，将从液晶显示器件32的中央出射的图像光中的图中的由双点划线所示的向-X侧倾斜的分量设为图像光GL41、GL42。前者的图像光GL31、GL32作为与第二光轴AX2平行的平行光束入射于眼睛EY的左侧，后者的图像光GL41、GL42作为与第二光轴AX2平行的平行光束入射于眼睛EY的右侧。这些图像光GL31、GL32、GL41、GL42、尤其是倾斜角大的图像光GL32、GL42，通过投影光学系统12的外侧，入射于导光部件21的设置于光入射部B1的第三反射面21c中的靠边界BA和端面21h附近。因此，为了充分覆盖第三反射面21c，充分拓宽投影光学系统12中的尤其是透镜组L3的第二方向(限制方向)D2的宽度，使图像光GL高效地入射于导光装置20。也就是说，如图2(B)等所示，使投影光学系统12的第二方向(限制方向)D2上的出射开口宽度E2比第三反射面21c的开口宽度F2宽，防止发生图像光的缺失。另外，在使投影光学系统12的第二方向(限制方向)D2上的出射开口宽度E2比第三反射面21c的开口宽度F2窄的情况下，较大倾斜角的图像光GL32、GL42等的中心侧光束的缺失变得显著，在图像的左右中央附近产生图像的缺失，并且/或者在图像的左右中央附近产生显著的减光之类的图像劣化。
另外，以上这样的现象，一般来说如果使投影光学系统12的第二方向(限制方向)D2的宽度与第一方向D1的宽度为相同程度则可以消除，但在本实施方式这样的眼镜型头戴式显示器中，轻量化很重要，所以优选，尽可能地缩短投影光学系统12的第二方向(限制方向)D2的宽度。结果，优选，将投影光学系统12的X方向的出射开口宽度E2，设为在第三反射面21c的X方向的开口宽度F2上加上几mm后的程度以下的宽度。
另外，在图7(B)中产生重叠的带状区域SA的横向宽度或者重叠宽度，能够通过控制对液晶显示器件32进行照明的照明光SL的角度范围来一定程度地进行调整。在本实施方式中，没有特别调节照明光SL的角度范围，所以就存在与背光导光部31b等的发散特性相应的横向宽度或者重叠宽度的带状区域SA。
以上，设为：从包含液晶显示器件32的右侧第一显示点P1的第一部分区域A10出射的图像光GL11、GL12在第一以及第二反射面21a、21b进行全反射的次数合计为三次，从包含液晶显示器件32的左侧第二显示点P2的第二部分区域A20出射的图像光GL21、GL22在第一以及第二反射面21a、21b进行全反射的次数合计为五次，但关于全反射次数能够适当变更。也就是说，也能够通过导光部件21的外形(即厚度t、距离D、锐角α、β)的调整，将图像光GL11、GL12的全反射次数设为合计五次，将图像光GL21、GL22的全反射次数设为合计7次。另外，以上，图像光GL11、GL12、GL21、GL22的全反射次数为奇数，但如果将光入射面IS和光出射面OS配置在相反侧、即如果将导光部件21形成为俯视为平行四边形，则图像光GL11、GL12、GL21、GL22的全反射次数变为偶数。
F.杂光(ghost)的处理
图9(A)是说明在图2(A)等所示的导光部件21设有去除了棱那样的第一端面21h的原因的放大图。入射于导光部件21的接近棱121h的位置的图像光GL，在第三反射面21c被反射后在第一反射面21a被反射，但在第一反射面21a进行了反射后在第三反射面21c被再次反射。作为这样的再反射光的多余光HL，由于在第三反射面21c所进行的反射而变得与原本的图像光GL不平行，被导入于设想以外的光路，但其一部分仍有可能被导入于光出射部B3并从光出射面OS出射。也就是说，在棱121h所产生的多余光HL变为非期待的杂光，所以优选预先将其去除。因此，去除棱121h而设置杂散光阻止用的端面21h，对多余光HL的光路设有限制。
图9(B)是说明在图2(A)等所示的导光部件21设有去除了棱那样的第二端面21i的原因的放大图。该情况下，端面21i在导光部件21的第四反射面21d设置为去除了棱121i。在端面21i，设有例如反射率比较高的涂层或粗糙表面，在光透射部件23也设有与端面21i相配的阶梯差。通过设置这样的端面21i，由此能够防止：在导光部件21中传播的正规的图像光GL在第四反射面21i被反射二次以上的多余光HL、和/或因不满三次的反射而通过导光部B2在第四反射面21d被反射的多余光HL通过光出射面OS被出射到外部。也就是说，端面21i防止由于经过设想以外的路径而相对于原本的图像光GL倾斜的多余光HL变为非期待的杂光GG。
G.其他
图10(A)是说明图2(A)等所示的导光部件21的变形例的图。在以上的说明中，设为在导光部件21中传播的图像光相对于第一以及第二反射面21a、21b仅按2个反射角γ1、γ2被全反射，但也能够容许如图10(A)所示的变形例的导光部件21那样，3个分量的图像光GL31、GL32、GL33按反射角γ1、γ2、γ3(γ1＞γ2＞γ3)被全反射。该情况下，从液晶显示器件32出射的图像光GL，按3个模式被传输，在观察者的眼睛EY的位置被合成而作为虚像被识别。该情况下，如图10(B)所示，在有效显示区域A0的左侧形成有例如合计三次全反射的投影像IM21，在有效显示区域A0的靠中央形成有例如合计五次全反射的投影像IM22，有效显示区域A0的右侧形成有例如合计7次全反射的投影像IM23。
在上面说明的实施方式的虚像显示装置100中，在光入射部B1的第三反射面21c被反射后的图像光GL在导光部的第一以及第二反射面21a、21b被全反射同时被传输，在光出射部B3的第四反射面21d被反射并入射于观察者的眼睛EY。此时，从图像显示装置11的包含第一显示点P1的第一部分区域A10出射的第一图像光GL11、GL12在导光部的反射次数，与从图像显示装置11的包含第二显示点P2的第二部分区域A20出射的第二图像光GL21、GL22在导光部的反射次数不同，所以能够使从光出射部B3出射的图像光GL的出射角度的角度范围(宽度)变宽。也就是说，能够比比较宽广的视野角获取来自于图像显示装置11中的不同部分区域A10、A20的图像光GL，能够确保隔着光出射部B3观察到的虚像的显示尺寸较大。这样，通过设为获取反射次数不同的图像光GL的结构，能够不怎么增厚导光部B2地以覆盖瞳孔的方式增大光出射部B3，所以不需要将光出射部B3接近瞳孔来进行瞳孔分割，能够确保出射光瞳直径，也能够进行良好的透视观察。
另外，在上述实施方式的虚像显示装置100中，投影光学系统12在导光时通过反射而折回的第二方向(限制方向)D2上具有比第三反射面21c的开口宽度F2宽的出射开口宽度E21，所以能够防止在从投影光学系统12出射的图像光GL入射于第三反射面21c时产生部分缺失的情况，能够防止图像产生缺失和/或大的亮度不均。
以上按照实施方式说明了本发明，但本发明不限于上述的实施方式，在不脱离其要旨的范围内能够在各种各样的方式中实施，也能够进行例如下面这样的变形。
在上述实施方式中，将设置于导光部件21的第四反射面21d的半反射镜层28的反射率设为20％、透视优先，但也能够将半反射镜层28的反射率设为50％以上、图像光优先。另外，半反射镜层28，也可以不在第四反射面21d的整面形成，能够设为仅在一部分必要区域形成。另外，半反射镜层28也能够形成在光透射部件23的第三面23c上。
光透射部件23的形状不限于将导光部件21在横向即X方向上延伸的形状，也能够设为包括以从上下夹着导光部件21的方式扩张后的部分。
在上述实施方式中，没有特别地使来自于照明装置31的照明光SL具有指向性，但能够使照明光SL具有与液晶显示器件32的位置相应的指向性。由此，能够高效地对液晶显示器件32进行照明，能够减低由图像光GL的位置所产生的亮度不均。
在上述实施方式中，没有特别地调整液晶显示器件32的显示亮度，但能够与如图7(B)所示那样的投影像IM1、IM2的范围和/或重复相应地进行显示亮度的调整。
在上述实施方式中，作为图像显示装置11，使用了透射型液晶显示器件32等，但作为图像显示装置11不限于透射型液晶显示器件32，能够应用各种各样的装置。例如，使用了反射型液晶显示器件32的构成也可以，也可以取代液晶显示器件32而使用数字微镜器件等。另外，作为图像显示装置11，也可以使用LED阵列和/或OLED(有机EL)等所代表的自发光型元件。
在上述实施方式的虚像显示装置100中，设为与右眼和左眼的两方对应地各设置一组图像形成装置10以及导光装置20的构成，但也可以设为仅对于右眼或左眼中的任一方设置图像形成装置10和导光装置20并用一只眼睛观察图像的构成。
在上述实施方式中，设为通过光入射面IS的第一光轴AX1和通过光入射面IS的第二光轴AX2平行，但也可以将这些光轴AX1、AX2设为不平行。
在上述的说明中，设为虚像显示装置100为头戴式显示器并进行了具体的说明，但虚像显示装置100也可以变更为平视显示器(head updisplay)。
在上述的说明中，设为在第一以及第二反射面21a、21b，在表面上不设置反射镜和/或半反射镜等而通过与空气的界面使图像光全反射而对其进行引导，但关于本申请发明中的全反射，也包括在第一以及第二反射面21a、21b上的整体或一部分形成反射镜涂层和/或半反射镜膜而进行的反射。例如，也包括：在图像光的入射角度满足全反射条件的基础上，在第一以及第二反射面21a、21b的整体或一部分设置反射镜涂层等，实质上对全部的图像光进行反射的情况。另外，只要能够得到足够亮度的图像光，也可以通过具有或多或少的透射性的反射镜对第一以及第二反射面21a、21b的整体或一部分进行涂层。
在上述的说明中，导光部件21在眼睛EY的并列横向上延伸，但导光部件21也可以在纵向上延伸。该情况下，光学面板110并不串联而并联地平行配置。

Claims (10)

1.一种虚像显示装置，其中，具备：
形成图像光的图像显示装置；
使从所述图像显示装置出射后的所述图像光入射的投影光学系统；和
导光部件，该导光部件具有导光部、使图像光入射于所述导光部的光入射部和使由所述导光部导光后的图像光向外部出射的光出射部，并能够隔着所述光出射部进行所述图像光的观察，
所述导光部具有相互平行地配置并能够通过全反射来导光的第一反射面和第二反射面，
所述光入射部具有相对于所述第一反射面呈预定角度的第三反射面，
所述光出射部具有相对于所述第一反射面呈预定角度的第四反射面，
所述投影光学系统具有：在与所述第一反射面的平面平行并与所述第一反射面和所述第三反射面的交线垂直的方向上比所述第三反射面的在所述方向上的开口宽度宽的出射开口宽度。
2.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
从所述投影光学系统的最靠光出射侧的透镜到所述导光部件的所述第一反射面为止的距离为3mm以下。
3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述投影光学系统的出射开口宽度，与平行于所述第一反射面和所述第三反射面的交线的第一方向相比，在与所述第一反射面平行并与所述第一反射面和所述第三反射面的交线垂直的第二方向上更小。
4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其中，
所述图像显示装置的有效尺寸，与所述第一方向相比在所述第二方向上更大。
5.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
从所述图像显示装置的第一部分区域出射的第一图像光在所述导光部的反射次数，与在导光时通过反射而产生光路的折回的限制方向上、从不同于所述第一部分区域的第二部分区域出射的第二图像光在所述导光部的反射次数相互不同。
6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其中，
所述限制方向为与包含通过所述投影光学系统的第一光轴和所述第三反射面的法线的截面平行的方向。
7.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
在所述第四反射面设有半反射镜，还具备具有与所述第四反射面相对的透射面的楔形的光透射部件。
8.根据权利要求7所述的虚像显示装置，其中，
所述光透射部件具有相对于所述第一反射面和所述第二反射面分别平行配置的第一面和第二面。
9.根据权利要求1所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件通过注射成型独立地一体成型。
10.根据权利要求9所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件由热聚合型树脂材料成型。
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