CN104777618B - 虚像显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种虚像显示装置，具有图像显示装置、投影光学系统、导光部件，导光部件具有导光部、使图像光入射到导光部的光入射部、使由导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，使得能够通过光射出部观察图像光，导光部具有相互平行配置的能够进行基于全反射的导光的第1反射面和第2反射面，光入射部具有与第1反射面成预定角度的第3反射面，光射出部具有与第1反射面成预定角度的第4反射面，使来自图像显示装置的图像光在导光部件内导光，通过光射出部将对应于反射而形成的图像光射出到外部，第3反射面被施加了用于减少光量损失的全反射的涂层，第4反射面被施加了半镜面，第4反射面使图像光和外界光减少并重叠，外界光的减光率比图像光的减光率低。

Description

虚像显示装置
本申请是基于发明名称为“虚像显示装置”，申请日为2012年1月30日，申请号为201210020850.9的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及佩戴于头部使用的头戴式显示器等的虚像显示装置。
背景技术
近年来，关于头戴式显示器那样能够进行虚像的形成和观察的虚像显示装置，提出了各种类型的用导光板将来自显示元件的图像光引导到观察者的瞳孔中的方案。
在这种虚像显示装置中，提出了使图像光与外界光重叠的透视光学系统(参照专利文献1、2)。
但是，在专利文献1等记载的装置中，通过使用射出口小于瞳孔尺寸的导光光学系统的瞳孔分割方式来实现透视，因而很难增大虚像的显示尺寸。并且，由于采用小于瞳孔尺寸的导光光学系统，因而很难增大有效瞳径(能够取入虚像的采光直径，也称为出射光瞳直径)来应对人的每个眼宽。并且，由于在物理上的瞳孔附近配置导光光学系统的射出口和框体，因而导致产生死区，不能说是完全透视。
另外，作为头戴式显示器用的光学系统，存在具有能够以导光角度不同的多个光模式行进的导光管的光学系统(参照专利文献3)。在该光学系统中，以基于多个光模式的像相互错位为前提，利用根据每个光模式被设定为不同的入射角度的准直光来照明液晶面板。并且，根据各个光模式来变更显示内容，并且顺序地执行各个光模式的显示，由此将各个光模式的图像连接而得到整体图像。在这种情况下，必须用一个液晶面板按照时间差来变更并显示构成整体图像的中间图像和左右图像，使得虚像显示装置变复杂，观察图像也变暗。
【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
本发明正是鉴于上述背景技术的问题而提出的，其目的在于提供一种虚像显示装置，能够用简单的结构增大虚像的显示尺寸，能够确保较大的出射光瞳直径，能够实现良好的透视观察。
为了解决上述问题，本发明的第一虚像显示装置具有：(a)形成图像光的图像显示装置；(b)使从图像显示装置射出的图像光入射的投影光学系统；以及(c)使得能够通过光射出部观察图像光的导光部件，该导光部件具有导光部、使图像光入射到导光部的光入射部、和使由导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，(d)导光部具有相互平行配置的、能够进行基于全反射的导光的第1反射面和第2反射面，(e)光入射部具有与第1反射面成预定角度的第3反射面，(f)光射出部具有与第1反射面成预定角度的第4反射面，(g)使来自所述图像显示装置的图像光在导光部件内导光，通过所述光射出部将对应于反射而形成的图像光射出到外部，所述第3反射面被施加了用于减少光量损失的全反射的涂层，所述第4反射面被施加了半镜面，所述第4反射面使所述图像光和所述外界光减少，并使所述图像光和所述外界光重叠，所述外界光的减光率比所述图像光的减光率低。
在上述虚像显示装置中，在光入射部的第3反射面反射的图像光在导光部的第1和第2反射面进行全反射并传播，再在光射出部的第4反射面进行反射，然后作为虚像入射到观察者的眼睛中。此时，使来自图像显示装置的图像光以不同的反射次数在导光部件内导光，因而能够增大从光射出部射出的图像光的射出角度的角度范围。即，将从图像显示装置射出并经由导光部件的反射次数不同的图像光进行合成，作为形成部分重叠的一个虚像的图像光而取出，因而能够确保隔着光射出部观察到的虚像的显示尺寸比较大。这样，通过形成取出反射次数不同的图像光的构造，不需要将导光部设计得很厚即可增大光射出部，以便覆盖瞳孔，因而不需要使光射出部接近瞳孔来进行瞳孔分割，能够确保较大的出射光瞳直径，也能够实现良好的透视观察。
另外，在上述的第1虚像显示装置中，使来自图像显示装置的图像光以不同的反射次数在导光部件内导光，通过光射出部将对应于反射次数而形成的多个图像光同时合成而射出到外部，由此也能够作为形成一个虚像的图像光而取出。
本发明的第二虚像显示装置具有：(a)形成图像光的图像显示装置；(b)使从图像显示装置射出的图像光入射的投影光学系统；以及(c)使得能够通过光射出部观察图像光的导光部件，该导光部件具有导光部、使图像光入射到导光部的光入射部、和使由导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，(d)导光部具有相互平行配置的、能够进行基于全反射的导光的第1反射面和第2反射面，(e)光入射部具有与第1反射面成预定角度的第3反射面，(f)光射出部具有与第1反射面成预定角度的第4反射面，(g)使来自所述图像显示装置的图像光在导光部件内导光，通过所述光射出部将对应于反射而形成的图像光射出到外部，所述第3反射面被施加了用于减少光量损失的全反射的涂层，所述第4反射面被施加了半镜面，所述第4反射面使所述图像光和所述外界光减少，并使所述图像光和所述外界光重叠，所述外界光的减光率比所述图像光的减光率高。
在上述虚像显示装置中，在光入射部的第3反射面反射的图像光在导光部的第1和第2反射面进行全反射并传播，再在光射出部的第4反射面进行反射，然后作为虚像入射到观察者的眼睛中。此时，使从图像显示装置的第1部分区域射出的第1图像光在导光部的反射次数、与从图像显示装置的另一个区域即第2部分区域射出的第2图像光在导光部的反射次数不同，因而能够扩大从光射出部射出的图像光的射出角度的角度范围。即，能够以比较宽的视角取入来自图像显示装置的不同部分区域的图像光，能够确保隔着光射出部观察到的虚像的显示尺寸比较大。这样，通过形成取出反射次数不同的图像光的构造，不需要将导光部设计得很厚即可扩大光射出部，以便覆盖瞳孔，因而不需要使光射出部接近瞳孔来进行瞳孔分割，能够确保较大的出射光瞳直径，也能够实现良好的透视观察。
在本发明的具体方面中，所述虚像显示装置还具有透光部件，该透光部件具有与所述第4反射面对置的透射面，通过所述导光部件的第4面和所述透光部件将外界光导入瞳孔，由此能够进行透视观察。
在本发明的具体方面中，所述导光部件由沿着眼睛排列的横向延伸的第1导光部件和第2导光部件构成，两导光部件与所述透光部件接合，且在中央被连接为一体，构成覆盖观察者眼前的光学部件。
在本发明的具体方面中，使来自所述图像显示装置的图像光以不同的奇数的反射次数在导光部件内导光，通过所述光射出部将对应于反射次数而形成的多个图像光合成为1个虚像而射出到外部，所述1个虚像使来自所述图像显示装置的所述图像光以横向排列的方式再现并具有重叠宽度。
在本发明的具体方面中，第2方向上的所述投影光学系统的射出口宽度小于第1方向上的所述投影光学系统的射出口宽度，所述第1方向是与所述第1反射面和所述第3反射面的交线平行的纵向，所述第2方向是与所述第1反射面平行且与所述第1反射面和所述第3反射面的交线垂直的横向，所述图像显示装置的有效尺寸为，横向即第2方向大于纵向即第1方向。
在本发明的具体方面中，在与所述第1反射面和所述第3反射面的交线平行的第1方向上设置去除棱线后的端面，以去除重影光。
在本发明的具体方面中，在与所述第1反射面和所述第4反射面的交线平行的第1方向上设置去除棱线后的端面，以去除重影光。
在本发明的具体方面中，关于来自所述图像显示装置的所述图像光，在纵向即第1方向上使形成在所述图像显示装置上的影像正立，在横向即第2方向上使形成在所述图像显示装置上的影像反转，由此使两个所述图像光在横向上具有重叠宽度地排列，再现并合成来自所述图像显示装置的图像光的排列。
在本发明的具体方面中，在导光时由于反射而产生光路折返的封闭方向是与如下截面平行的方向，该截面包含通过投影光学系统的第1光轴和第3反射面的法线。来自沿着上述封闭方向的不同位置的图像光是使射出角度即进入光入射部的入射角度彼此不同的图像光，由此能够使在导光部的反射次数不同。
在本发明的另一个具体方面中，第3反射面和第4反射面都与第1反射面形成45°以下的锐角。在这种情况下，能够从第1反射面侧入射图像光、并使图像光射出到第1反射面侧，能够容易形成具有眼镜型外观的虚像显示装置。并且，能够缩小第1反射面与第2反射面的间隔，使导光部变薄，使导光部等变轻。
在本发明的又另一个具体方面中，第3反射面和第4反射面与第1反射面形成相等的角度。在这种情况下，能够使形成于图像显示装置的图像没有变形地从光射出部射出，能够简化图像显示装置和投影光学系统。
在本发明的又另一个方面中，通过投影光学系统的第1光轴和从光射出部射出的图像光的第2光轴都与第1反射面的法线平行。由此，能够简化光学系统，实现高精度。
在本发明的又另一个方面中，具有导光部、光入射部和光射出部的导光部件是一体形成的块状的部件。由此，能够精密地维持第1、第2、第3和第4反射面的配置关系，而不需要调整，并且容易对虚像显示装置进行装配。
在本发明的又另一个方面中，导光部件将第1、第2、第3和第4反射面作为侧面，并具有与第1、第2、第3和第4反射面分别邻接的上表面和下表面。
在本发明的又另一个方面中，导光部件具有包括第1端面和第2端面中至少一方的多面体形状的外形，第1端面被设置为去除第1反射面和第3反射面之间的棱线，第2端面被设置为去除第1反射面和第4反射面之间的棱线。第1反射面的两端的棱线周围具有形成重影像的趋势，因而去除棱线来设计第1端面和第2端面，能够抑制重影像的形成。
在本发明的又另一个方面中，导光部件是通过注塑成型而一体成型的。在这种情况下，能够利用注塑成型技术高精度地批量生产导光部件。
在本发明的又另一个方面中，导光部件是用热聚合型的树脂材料成型的。在这种情况下，能够利用树脂提高轻量化和安全性，能够通过热固化来实现稳定的高精度的成型。
在本发明的又另一个方面中，导光部件在第1反射面和第2反射面中被施加了硬涂层。在这种情况下，能够提高导光部件的第1反射面和第2反射面的耐久性。
在本发明的又另一个方面中，在第4反射面上被施加了半镜面加工，还具有楔状的透光部件，该透光部件具有与第4反射面对置的透射面。通过第4反射面和透光部件能够将外界光引导到瞳孔中，能够实现对外界的比较自然的观察。
在本发明的又另一个方面中，半镜面加工通过Ag膜的膜厚控制来调整透射率。Ag膜能够形成吸收少的效率良好的半镜面。并且，Ag膜的与膜厚的增减对应的透射率的敏感度比Al膜等低，容易进行半镜面的反射率或者透射率的调整。
在本发明的又另一个方面中，对第3反射面施加了全反射的涂层。在这种情况下，能够降低在第3反射面的光量损失。
附图说明
图1是示出实施方式的虚像显示装置的立体图。
图2的(A)是构成虚像显示装置的第1显示装置的主体部分的俯视图，(B)是主体部分的主视图。
图3的(A)是说明导光部件的光入射部的第3反射面的构造的图，(B)是说明导光部件的导光部的第1和第2反射面的构造的图，(C)是说明导光部件的光射出部的第4反射面的构造的图。
图4的(A)是将沿着纵向的第1方向的光路展开的示意图，(B)是将沿着横向的第2方向的光路展开的示意图。
图5是具体说明虚像显示装置的光学系统的光路的俯视图。
图6的(A)是示出液晶显示装置的显示面的图，(B)是示意说明观察者能够看到的液晶显示装置的虚像的图，(C)和(D)是说明构成虚像的部分图像的图。
图7的(A)是说明变形例的图像光的导光状态的图，(B)是示意说明变形例的液晶显示装置的虚像的图。
图8是说明在导光部件设计去除棱线的端面的理由的图。
图9是说明图2的(A)等示出的导光部件的变形例的图。
标号说明
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1～第4反射面；21e上表面；21f下表面；21h、21i端面；23透光部件；23a、23b、23c面；25镜面层；27硬涂敷层；28半镜面层；31照明装置；32液晶显示装置；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；AX1第1光轴；AX2第2光轴；B1光入射部；B2导光部；B3光射出部；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光射出面；P1第1显示点；P2第2显示点；A10第1部分区域；A20第2部分区域；SL照明光。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的一个实施方式的虚像显示装置。
[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是具有诸如眼镜的外观的头戴式显示器，能够使佩戴了该虚像显示装置100的观察者识别到基于虚像的图像光，并且能够使观察者以透视方式观察外界像。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、以及在从框架121的边缘(ヨロイ)到挂耳的部分中附加的第1和第2驱动部131、132。在此，光学面板110具有第1面板部分111和第2面板部分112，两个面板部分111、112形成为在中间连接成一体的板状的部件。将图中左侧的第1面板部分111和第1驱动部131组合得到的第1显示装置100A是形成左眼用的虚像的部分，能够独立作为虚像显示装置发挥作用。并且，将图中右侧的第2面板部分112和第2驱动部132组合得到的第2显示装置100B是形成右眼用的虚像的部分，能够独立作为虚像显示装置发挥作用。
[B.显示装置的构造]
如图2(A)等所示，第1显示装置100A具有图像形成装置10和导光装置20。在此，图像形成装置10相当于图1中的第1驱动部131，导光装置20相当于图1中的第1面板部分111。另外，图1所示的第2显示装置100B具有与第1显示装置100A相同的构造，仅仅是将左右反转而已，因而省略第2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：射出二维的照明光SL的照明装置31；透射型的空间光调制装置即液晶显示装置32；控制照明装置31和液晶显示装置32的动作的驱动控制部34。
照明装置31具有：产生包括红、绿、蓝三种颜色的光的光源31a；使来自光源31a的光扩散而成为矩形截面的光束的背光源导光部31b。液晶显示装置32对来自照明装置31的照明光SL进行空间调制，形成要成为动态图像等显示对象的图像光。驱动控制部34具有光源驱动电路34a和液晶驱动电路34b。光源驱动电路34a向照明装置31的光源31a提供电力，使稳定亮度的照明光SL射出。液晶驱动电路34b向液晶显示装置32输出图像信号或者驱动信号，由此作为透过率图案而形成成为动态图像或静态图像的基础的彩色图像光。另外，虽然可以使液晶驱动电路34b具有图像处理功能，但是也可以使外置的控制电路具有图像处理功能。投影光学系统12是使从液晶显示装置32上的各点射出的图像光成为平行状态的光束的准直镜头。
在液晶显示装置32中，第1方向D1与包括通过投影光学系统12的第1光轴AX1、和与后面叙述的导光部件21的第3反射面21c平行的特定线的纵截面的延伸方向对应，第2方向D2与包括所述第1光轴AX1和所述第3反射面21c的法线的横截面的延伸方向对应。换言之，第1方向D1是与后面叙述的导光部件21的第1反射面21a和第3反射面21c的交线CL平行的方向，第2方向D2是与所述第1反射面21a的平面平行、而且与所述第1反射面21a和第3反射面21c的交线CL垂直的方向。即，在液晶显示装置32的位置中，第1方向D1相当于纵向的Y方向，第2方向D2相当于横向的X方向。
另外，液晶显示装置32的有效尺寸是第2方向D2比第1方向D1长的横向较长的尺寸。另一方面，投影光学系统12的射出口宽度是第1方向D1比第2方向D2长的纵向较长的尺寸。
导光装置20是将导光部件21和透光部件23进行接合而形成的，整体上构成与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是在俯视观察时呈梯形的棱镜状部件，其侧面包括第1反射面21a、第2反射面21b、第3反射面21c、第4反射面21d。并且，导光部件21具有与第1、第2、第3及第4反射面21a、21b、21c、21d邻接并且相互对置的上表面21e和下表面21f。其中，第1和第2反射面21a、21b沿着XY面延伸，并间隔相当于导光部件21的厚度t的量。并且，第3反射面21c相对于XY面以45°以下的锐角α倾斜，第4反射面21d相对于XY面以例如45°以下的锐角β倾斜。通过第3反射面21c的第1光轴AX1和通过第4反射面21d的第2光轴AX2被平行配置，并且间隔距离D。另外，在第1反射面21a和第3反射面21c之间设有去除了棱线的端面21h，详细情况将在后面进行说明。导光部件21在也包括该端面21h时呈7面的多面体状的形状。
导光部件21利用基于第1和第2反射面21a、21b的全反射来进行导光，存在当进行导光时经由反射而折返的方向、和当进行导光时不经由反射而折返的方向。考虑到由导光部件21导光的图像，在进行导光时经由多次反射而折返的横向即封闭方向与第1和第2反射面21a、21b垂直(与Z轴平行)，在如后面所述将光路一直展开到光源侧的情况下，是相当于液晶显示装置32的第2方向D2的方向，在进行导光时不经由反射而折返的纵向即自由传播方向与第1和第2反射面21a、21b以及第3反射面21c平行(与Y轴平行)，在如后面所述将光路一直展开到光源侧的情况下，是相当于液晶显示装置32的第1方向D1的方向。
导光部件21用在可见光区域中表现出较高的透光性能的树脂材料形成。导光部件21是通过注塑成型而一体成型的块状部件，例如通过向成型模具内注射热聚合型的树脂材料并使其热固化而形成。这种导光部件21是一体成形品，但是在功能方面可考虑划分为光入射部B1、导光部B2和光射出部B3。
光入射部B1是指三角棱镜状的部分，具有作为第1反射面21a的一部分的光入射面IS、和与光入射面IS对置的第3反射面21c。光入射面IS是用于取入来自图像形成装置10的图像光GL的背面侧或者观察者侧的平面，与投影光学系统12对置，并与其第1光轴AX1垂直地延伸。第3反射面21c是将通过光入射面IS的图像光GL反射并引导到导光部B2内的矩形的全反射用镜面，具有被保护层26覆盖的镜面层25(参照图3(A))。该镜面层25是全反射的涂敷层，通过在导光部件21的斜面RS上实施铝等的蒸镀进行成膜而形成。第3反射面21c相对于投影光学系统12的第1光轴AX1或者XY面以例如锐角α＝25°～27°倾斜，使从光入射面IS入射并整体朝向+Z方向的图像光GL弯折而整体朝向靠近－Z方向的－X方向，由此将图像光GL在导光部B2内可靠引导。
导光部B2包括与XY面平行地延伸的相互对置的两个平面，即，使在光入射部B1弯折后的图像光分别全反射的第1反射面21a和第2反射面21b。第1和第2反射面21a、21b的间隔即导光部件21的厚度t例如约是9mm。在此，假设第1反射面21a位于接近图像形成装置10的背面侧或者观察者侧，第2反射面21b位于远离图像形成装置10的正面侧或者外界侧。在这种情况下，第1反射面21a成为与上述的光入射面IS或后面叙述的光射出面OS共同的面部分。第1和第2反射面21a、21b是利用折射率差的全反射面，没有实施镜面层等的反射涂层。但是，第1和第2反射面21a、21b被硬涂敷层27覆盖(参照图3(B))，以便防止表面的损伤，防止影像的析像度降低。该硬涂敷层27是通过浸渍处理或旋转涂敷处理，在导光部件21的平坦面FS上成膜UV固性树脂或热固性树脂等而形成。在光入射部B1的第3反射面21c反射的图像光GL首先入射到第1反射面21a进行全反射。然后，该图像光GL入射到第2反射面21b进行全反射。以后反复进行该动作，由此图像光被引导到导光装置20的进深侧即设置光射出部B3的－X侧。另外，由于在第1和第2反射面21a、21b没有实施反射涂层，因而从外界入射到第2反射面21b的外界光或者外部光以较高的透射率通过导光部B2。即，导光部B2是能够透视外界像的透视型部件。
以上所述的在第1和第2反射面21a、21b的全反射，通过设定硬涂敷层27的折射率，能够在硬涂敷层27的表面SS的内侧产生，但也能够在平坦面FS的内侧产生。
光射出部B3是三角棱镜状的部分，包括作为第1反射面21a的一部分的光射出面OS、和与光射出面OS对置的第4反射面21d。光射出面OS是用于朝向观察者的眼睛EY射出图像光GL的背面侧的平面，与光入射面IS相同地成为第1反射面21a的一部分，并与第2光轴AX2垂直地延伸。考虑到观察者的头部的宽度等，将通过光射出部B3的第2光轴AX2与通过光入射部B1的第1光轴AX1的距离D设定为例如50mm。第4反射面21d是用于使经由第1和第2反射面21a、21b入射的图像光GL反射、并射出到光射出部B3外部的矩形的平坦面，具有半镜面层28(参照图3(C))。该半镜面层28是通过在导光部件21的斜面RS上实施Ag等的蒸镀来进行成膜而形成的。半镜面层28的反射率被设定为例如20％，透射率被设定为例如80％。第4反射面21d相对于与第1反射面21a垂直的第2光轴AX2或者XY面以例如锐角α＝25°～27°倾斜，使经由导光部B2的第1和第2反射面21a、21b入射的图像光GL部分反射并整体朝向－Z方向弯折，由此通过光射出面OS。另外，在第4反射面21d透射的图像光GL入射到透光部件23，不被用于影像的形成。
透光部件23具有与导光部件21的主体相同的折射率，包括第1面23a、第2面23b、第3面23c。第1和第2面23a、23b沿着XY面延伸。并且，第3面23c相对于XY面而倾斜，并且与导光部件21的第4反射面21d对置地平行配置。透光部件23与导光部件21同样利用在可见光区域中表现出较高的透光性能的树脂材料形成。透光部件23是通过注塑成型而一体成型的块状部件，例如通过向成型模具内注射热聚合型的树脂材料并使其热固化而形成。
在透光部件23中，第1面23a配置在设于导光部件21的第1反射面21a的延展平面上，并位于接近观察者的眼睛EY的背面侧，第2面23b配置在设于导光部件21的第2反射面21b的延展平面上，并位于远离观察者的眼睛EY的正面侧。第3面23c是利用粘接剂接合在导光部件21的第4反射面21d上的矩形的透射面。
透光部件23和导光部件21在两者的接合部分及其附近构成透视部B4。即，在第1和第2面23a、23b没有实施镜面层等的反射涂层，因而与导光部件21的导光部B2相同地使外界光GL’以较高的透射率透射。第3面23c也能够使外界光GL’以较高的透射率透射，但由于导光部件21的第4反射面21d具有半镜面层28，因而在第3面23c通过的外界光GL’例如被减光20％。即，观察者观察到将被减光为20％的图像光GL和被减光为80％的外界光GL’重叠得到的图像。
[C.图像光的光路的概况]
图4(A)是说明与液晶显示装置32的纵截面CS1对应的第1方向D1的光路的图。在沿着第1方向D1的纵截面即YZ面(展开后的Y’Z’面)中，将从液晶显示装置32射出的图像光中、从在图中用单点划线示出的显示区域32b的上端侧(+Y侧)射出的成分设为图像光GLa，从在图中用双点划线示出的显示区域32b的下端侧(－Y侧)射出的成分设为图像光GLb。
上侧的图像光GLa经由投影光学系统12而成为平行光束，沿着被展开后的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2和光射出部B3，以平行光束状态从角度φ1的上方倾斜入射到观察者的眼睛EY中。另一方面，下侧的图像光GLb经由投影光学系统12而成为平行光束，沿着被展开后的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2和光射出部B3，以平行光束状态从角度φ2(|φ2|＝|φ1|)的下方倾斜入射到观察者的眼睛EY中。上述的角度φ1、φ2相当于上下的一半视角，例如被设定为6.5°。另外，上侧的图像光GLa和下侧的图像光GLb不是间隔时间差地入射到观察者的眼睛EY中，而是同时入射到观察者的眼睛EY中。
图4(B)是说明与液晶显示装置32的横截面CS2对应的第2方向(封闭方向或者合成方向)D2的光路的图。在沿着第2方向(封闭方向或者合成方向)D2的横截面CS2即X Z面(展开后的X’Z’面)中，将从液晶显示装置32射出的图像光中、从右端侧(+X侧)的第1显示点P1朝向图中用单点划线示出的显示区域32b射出的成分设为图像光GLc，从左端侧(－X侧)的第2显示点P2朝向图中用双点划线示出的显示区域32b射出的成分设为图像光GLd。在图4(B)中，追加了参考用的从靠右内侧射出的图像光GLe和从靠左内侧射出的图像光GLf。
来自右侧的第1显示点P1的图像光GLc经由投影光学系统12而成为平行光束，沿着被展开后的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2和光射出部B3，以平行光束状态从角度θ1的右侧倾斜入射到观察者的眼睛EY中。另一方面，来自左侧的第2显示点P2的图像光GLd经由投影光学系统12而成为平行光束，沿着被展开后的光轴AX’通过导光部件21的光入射部B1、导光部B2和光射出部B3，以平行光束状态从角度θ2(|θ2|＝|θ1|)的左侧倾斜入射到观察者的眼睛EY中。上述的角度θ1、θ2相当于左右的一半视角，例如被设定为10°。另外，上侧的图像光GLc和下侧的图像光GLd被同时合成并从光射出部B3射出。即，上侧的图像光GLc和下侧的图像光GLd不是间隔时间差地入射到观察者的眼睛EY中，而是同时入射到观察者的眼睛EY中。
另外，沿着第2方向D2的横向，在导光部件21中图像光GLc、GLd经过反射而折返，反射的次数也不同，因而各个图像光GLc、GLd在导光部件21中表现为不连续状。结果，整体上画面关于横向左右反转，但如后面所述通过高精度地加工导光部件21，液晶显示装置32的右侧一半的图像和液晶显示装置32的左侧一半的图像无接缝地连接，而且无错位地接合。另外，考虑到两个图像光GLc、GLd在导光部件21内的反射次数彼此不同，右侧的图像光GLc的射出角度θ1’和左侧的图像光GLd的射出角度θ2’被设定为不同的角度。
根据以上所述，入射到观察者的眼睛EY中的图像光GLa、GLb、GLc、GLd成为来自无限远处的虚像，沿着纵向的第1方向D1形成于液晶显示装置32的影像为正像，沿着横向的第2方向D2形成于液晶显示装置32的影像为倒像。
[D.沿着横向的图像光的光路]
图5是说明第1显示装置100A的具体光路的剖视图。投影光学系统12具有3个透镜L1、L2、L3。
来自液晶显示装置32的右侧的第1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而成为平行光束，并入射到导光部件21的光入射面IS。被引导到导光部件21内的图像光GL11、GL12在第1和第2反射面21a、21b中以相等的角度反复进行全反射，最终作为平行光束从光射出面OS射出。具体地讲，图像光GL11、GL12作为平行光束在导光部件21的第3反射面21c反射，然后以第1反射角γ1入射到导光部件21的第1反射面21a进行全反射(第1次全反射)。然后，图像光GL11、GL12在保持第1反射角γ1的状态下入射到第2反射面21b进行全反射(第2次全反射)，然后再次入射到第1反射面21a进行全反射(第3次全反射)。结果，图像光GL11、GL12在第1和第2反射面21a、21b合计进行3次全反射，并入射到第4反射面21d。图像光GL11、GL12在该第4反射面21d以与第3反射面21c相同的角度进行反射，作为平行光束从光射出面OS相对于与该光射出面OS垂直的第2光轴AX2方向倾斜角度θ1射出。
来自液晶显示装置32的左侧的第2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而成为平行光束，并入射到导光部件21的光入射面IS。被引导到导光部件21内的图像光GL21、GL22在第1和第2反射面21a、21b中以相等的角度反复进行全反射，最终作为平行光束从光射出面OS射出。具体地讲，图像光GL21、GL22作为平行光束在导光部件21的第3反射面21c反射，然后以第2反射角γ2(γ2<γ1)入射到导光部件21的第1反射面21a进行全反射(第1次全反射)。然后，图像光GL21、GL22在保持第2反射角γ2的状态下入射到第2反射面21b进行全反射(第2次全反射)，然后再次入射到第1反射面21a进行全反射(第3次全反射)，再次入射到第2反射面21b进行全反射(第4次全反射)，又再次入射到第1反射面21a进行全反射(第5次全反射)。结果，图像光GL21、GL22在第1和第2反射面21a、21b合计进行5次全反射，并入射到第4反射面21d。图像光GL21、GL22在该第4反射面21d以与第3反射面21c相同的角度进行反射，作为平行光束从光射出面OS相对于与该光射出面OS垂直的第2光轴AX2方向倾斜角度θ2射出。
在图5中描画出在将导光部件21展开时与第1反射面21a对应的假想的第1面121a、和将导光部件21展开时与第2反射面21b对应的假想的第2面121b。通过这样展开可知，来自第1显示点P1的图像光GL11、GL12在通过与光入射面IS对应的入射等效面IS’后，通过第1面121a两次，通过第2面121b一次，从光射出面OS射出，并入射到观察者的眼睛EY中，来自第2显示点P2的图像光GL21、GL22在通过与光入射面IS对应的入射等效面IS”后，通过第1面121a三次，通过第2面121b两次，从光射出面OS射出，并入射到观察者的眼睛EY中。如果改变观察方式，则观察者重合观察到位于不同的两个位置的入射等效面IS’、IS”附近的投影光学系统12的透镜L3。
图6(A)是示意说明液晶显示装置32的显示面的图，图6(B)是示意说明观察者能够看到的液晶显示装置32的虚像的图，图6(C)和(D)是说明构成虚像的部分图像的图。在图6(A)所示的液晶显示装置32中设置的矩形的图像形成区域AD被观察为图6(B)所示的虚像显示区域AI。在虚像显示区域AI的左侧形成有相当于液晶显示装置32的图像形成区域AD中从中央到右侧的部分的第1投影像IM1，该第1投影像IM1成为如图6(C)所示右侧缺失的部分图像。并且，在虚像显示区域AI的右侧形成有相当于液晶显示装置32的图像形成区域AD中从中央到左侧的部分的第2投影像IM2，该第2投影像IM2成为如图6(D)所示左半部分缺失的部分图像。图6(C)所示的第1投影像IM1和图6(D)所示的第2投影像IM2此时同时入射到观察者的眼睛EY中，并同时成像。
只形成图6(A)所示的液晶显示装置32中的第1投影像(虚像)IM1的第1部分区域A10，例如包括液晶显示装置32的右端的第1显示点P1，并射出在导光部件21的导光部B2合计进行3次全反射而得的图像光GL11、GL12。只形成液晶显示装置32中的第2投影像(虚像)IM2的第2部分区域A20，例如包括液晶显示装置32的左端的第2显示点P2，并射出在导光部件21的导光部B2合计进行5次全反射而得的图像光GL21、GL22。来自区域SA的图像光形成如图6(B)所示的重复图像SI，该区域SA位于液晶显示装置32的图像形成区域AD的靠近中央部位，并被第1和第2部分区域A10、A20夹在中间，而且纵向较长地延伸。即，来自液晶显示装置32的区域SA的图像光是由第1投影像IM1和第2投影像IM2在虚像显示区域AI上重叠形成的，第1投影像IM1是由在导光部B2合计进行3次全反射而得的图像光GL11、GL12形成的，第2投影像IM2是由在导光部B2合计进行5次全反射而得的图像光GL21、GL22形成的。如果导光部件21的加工精密、并形成通过投影光学系统12而准确平行的光束，则重复图像SI能够防止由于两个投影像IM1、IM2的重叠而形成的错位和重影。另外，通过控制对液晶显示装置32进行照明的照明光SL的角度范围，能够调整产生重叠的区域SA的横宽或者重叠宽度。在本实施方式中，没有特别调节照明光SL的角度范围，因而存在与背光源导光部31b等的发散特性对应的横宽或者重叠宽度的区域SA。
在以上说明中，从液晶显示装置32的包括右侧第1显示点P1的第1部分区域A10射出的图像光GL11、GL12在第1和第2反射面21a、21b进行全反射的次数合计为3次，从液晶显示装置32的包括左侧第2显示点P2的第2部分区域A20射出的图像光GL21、GL22在第1和第2反射面21a、21b进行全反射的次数合计为5次，但全反射次数能够适当变更。即，通过调整导光部件21的外形(即厚度t、距离D、锐角α、β)，能够将图像光GL11、GL12的全反射次数设为合计5次，将图像光GL21、GL22的全反射次数设为合计7次。并且，在以上说明中，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和光射出面OS配置在相反侧，即如果使导光部件21在俯视观察时为平行四边形，则图像光GL11、GL12、GL21、GL22的全反射次数为偶数。
[E.其它]
图7(A)是说明图2(A)等示出的导光部件21的变形例的图。在以上说明中，在导光部件21中传播的图像光在第1和第2反射面21a、21b仅以两个反射角γ1、γ2进行全反射，但也可以按照图7(A)示出的变形例的导光部件21那样，允许3种成分的图像光GL31、GL32、GL33以反射角γ1、γ2、γ3(γ1>γ2>γ3)分别进行全反射。在这种情况下，从液晶显示装置32射出的图像光GL以3个模式传播，并在观察者的眼睛EY的位置合成为虚像。在这种情况下，如图7(B)所示，在有效显示区域A0的左侧形成例如合计3次全反射而得的投影像IM21，在有效显示区域A0的靠近中央位置形成例如合计5次全反射而得的投影像IM22，在有效显示区域A0的右侧形成例如合计7次全反射而得的投影像IM23。
图8是说明在图2(A)等示出的导光部件21设置去除棱线的端面21h的理由的放大图。入射到导光部件21的接近棱线121h的位置的图像光GL在第3反射面21c进行反射，然后在第1反射面21a进行反射，但在第1反射面21a的反射之后再次在第3反射面21c反射。结果，这种再反射光HL成为不希望的重影光，因而期望预先去除。因此，设置去除了棱线121h的端面21h，对光路设计限制。
图9是说明图2(A)等示出的导光部件21的变形例的放大图。在这种情况下，在导光部件21的第4反射面21d侧设置去除了棱线121i的端面21i。即，导光部件21是具有8面的多面体状外形的部件。对端面21i实施例如反射率比较高的涂层或者粗糙面处理，在透光部件23设置与端面21i对应的台阶。通过设置这种端面21i，能够防止在导光部件21中传播的正规的图像光GL在第4反射面21d反射两次以上而作为不必要的光HL入射到观察者的眼睛EY中，或者能够防止经由不足3次的反射而通过导光部B2的图像光等不必要的光HL在第4反射面21d反射两次以上而入射到观察者的眼睛EY中等，能够防止重影光入射到观察者的眼睛中。
在以上说明的实施方式的虚像显示装置100中，在光入射部B1的第3反射面21c进行反射的图像光GL在导光部的第1和第2反射面21a、21b进行全反射并传播，再在光射出部B3的第4反射面21d反射，并作为虚像入射到观察者的眼睛EY中。此时，从图像显示装置11的第1显示点P1射出的第1图像光GL11、GL12在导光部的反射次数、和从图像显示装置11的第2显示点P2射出的第2图像光GL21、GL22在导光部B2的反射次数不同，因而能够扩大从光射出部B3射出的图像光GL的射出角度的角度范围。即，能够以比较宽的视角取入来自图像显示装置11的不同部分区域A10、A20的图像光GL，能够确保隔着光射出部B3观察到的虚像的显示尺寸比较大。这样，通过形成取出反射次数不同的图像光GL的构造，不需要将导光部B2设计得很厚即可增大光射出部B3，以便覆盖瞳孔，因而不需要使光射出部B3接近瞳孔来进行瞳孔分割，能够确保较大的出射光瞳直径，也能够实现良好的透视观察。
以上根据实施方式说明了本发明，但是本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离本发明宗旨的范围内以各种方式进行实施，例如能够实现以下所述的变形。
在上述实施方式中，没有使来自照明装置31的照明光SL特别具有指向性，但也能够使照明光SL具有与液晶显示装置32的位置对应的指向性。由此，能够高效地照明液晶显示装置32，能够降低基于图像光GL的位置的亮度不均。
在上述实施方式中没有特别调整液晶显示装置32的显示亮度，但也能够根据图6(B)所示的投影像IM1、IM2的范围或重复进行显示亮度的调整。
在上述实施方式中，将设于第4反射面21d的半镜面层28的反射率设为20％而使透视优先，但也能够将半镜面层28的反射率设为50％以上而使图像光优先。另外，在不需要观察外界像的情况下，也能够将第4反射面21d的光反射率设为大约100％。并且，半镜面层28也可以不形成于第4反射面21d的整个面上，而仅形成于一部分的必要区域中。另外，半镜面层28也可以形成于透光部件23的第3面23c上。
在上述实施方式中，图像显示装置11采用透射型的液晶显示装置32等，但图像显示装置11不限于透射型的液晶显示装置32，能够利用各种显示装置。例如，也可以采用反射型的液晶显示装置，还可以采用数字微型镜装置等取代液晶显示装置32。并且，图像显示装置11也可以采用以LED阵列或OLED(有机EL)等为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，采取对应右眼和左眼双方各设置一组图像形成装置10和导光装置20的结构，但也可以构成为仅在右眼或者左眼任意一方设置图像形成装置10和导光装置20，而单眼观察图像。
在上述实施方式中，通过光入射面IS的第1光轴AX1和通过光射出面OS的第2光轴AX2是平行的，但也能够使这些光轴AX1、AX2不平行。
在上述的说明中进行了虚像显示装置100是头戴式显示器的具体说明，但虚像显示装置100也能够变更为头顶式显示器。
在上述的说明中，在第1和第2反射面21a、21b中不在表面上实施镜面或半镜面等加工，而利用与空气的界面使图像光全反射来进行引导，但是本发明的全反射也包括在第1和第2反射面21a、21b上的整体或者一部分形成有镜面涂层或半镜面膜的反射。例如，也包括下述情况，即在图像光的入射角度满足全反射条件的情况下，对第1和第2反射面21a、21b上的整体或者一部分实施镜面涂层等而实质上反射所有图像光的情况。并且，只要能够得到足够亮度的图像光，也可以利用稍微具有透射性的镜面，对第1和第2反射面21a、21b的整体或者一部分进行涂层。
在上述的说明中，导光部件21沿着眼睛EY排列的横向延伸，但导光部件21也能够沿着纵向延伸。在这种情况下，光学面板110不进行串行配置，而是并行地平行配置。

Claims (19)

1.一种虚像显示装置，其中，该虚像显示装置具有：
图像显示装置，其形成图像光；
投影光学系统，其使从所述图像显示装置射出的所述图像光入射；
导光部件，其具有导光部、使所述图像光入射到所述导光部的光入射部、使由所述导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，该导光部件使得能够通过所述光射出部观察所述图像光；以及
透光部件，
所述导光部具有相互平行配置的、能够进行基于全反射的导光的第1反射面和第2反射面，
所述光入射部具有与所述第1反射面成预定角度的第3反射面，
所述光射出部具有与所述第1反射面成预定角度的第4反射面，
使来自所述图像显示装置的图像光在导光部件内导光，通过所述光射出部将对应于反射而形成的图像光射出到外部，
所述第3反射面被施加了用于减少光量损失的全反射的涂层，
所述第4反射面被施加了半镜面，所述第4反射面使所述图像光和外界光减少，并使所述图像光和所述外界光重叠，所述外界光的减光率比所述图像光的减光率低，
所述透光部件的透射面与所述第4反射面对置地平行配置，
入射到所述第4反射面的所述图像光中的透过所述第4反射面的所述半镜面的光从所述透光部件的所述透射面入射到所述透光部件的内部，且不从所述导光部件的所述光射出部射出。
2.一种虚像显示装置，其中，该虚像显示装置具有：
图像显示装置，其形成图像光；
投影光学系统，其使从所述图像显示装置射出的所述图像光入射；
导光部件，其具有导光部、使所述图像光入射到所述导光部的光入射部、使由所述导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，该导光部件使得能够通过所述光射出部观察所述图像光；以及
透光部件，
所述导光部具有相互平行配置的、能够进行基于全反射的导光的第1反射面和第2反射面，
所述光入射部具有与所述第1反射面成预定角度的第3反射面，
所述光射出部具有与所述第1反射面成预定角度的第4反射面，
使来自所述图像显示装置的图像光在导光部件内导光，通过所述光射出部将对应于反射而形成的图像光射出到外部，
所述第3反射面被施加了用于减少光量损失的全反射的涂层，
所述第4反射面被施加了半镜面，所述第4反射面使所述图像光和外界光减少，并使所述图像光和所述外界光重叠，所述外界光的减光率比所述图像光的减光率高，
所述透光部件的透射面与所述第4反射面对置地平行配置，
入射到所述第4反射面的所述图像光中的透过所述第4反射面的所述半镜面的光从所述透光部件的所述透射面入射到所述透光部件的内部，且不从所述导光部件的所述光射出部射出。
3.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
通过所述导光部件的第4反射面和所述透光部件将外界光导入瞳孔，由此能够进行透视观察。
4.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件由沿着眼睛排列的横向延伸的第1导光部件和第2导光部件构成，
两个导光部件与所述透光部件接合，且在中央被连接为一体，构成覆盖观察者眼前的光学部件。
5.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
使来自所述图像显示装置的图像光以不同的奇数的反射次数在导光部件内导光，通过所述光射出部将对应于反射次数而形成的多个图像光合成为1个虚像而射出到外部，所述1个虚像在横向上再现来自所述图像显示装置的所述图像光的排列，并具有重叠宽度。
6.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
第2方向上的所述投影光学系统的射出口宽度小于第1方向上的所述投影光学系统的射出口宽度，所述第1方向是与所述第1反射面和所述第3反射面的交线平行的纵向，所述第2方向是与所述第1反射面平行且与所述第1反射面和所述第3反射面的交线垂直的横向，
所述图像显示装置的有效尺寸为，横向即所述第2方向大于纵向即所述第1方向。
7.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
在与所述第1反射面和所述第3反射面的交线平行的第1方向上设置有用于去除重影光的去除了棱线后的端面。
8.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
在与所述第1反射面和所述第4反射面的交线平行的第1方向上设置有用于去除重影光的去除了棱线后的端面。
9.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
关于来自所述图像显示装置的所述图像光，在纵向即第1方向上使形成在所述图像显示装置上的影像正立，在横向即第2方向上使形成在所述图像显示装置上的影像反转，由此使两个所述图像光在横向上具有重叠宽度地排列，再现并合成来自所述图像显示装置的图像光的排列。
10.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
在所述导光时由于反射而产生光路折返的封闭方向是与如下截面平行的方向，该截面包含通过所述投影光学系统的第1光轴和所述第3反射面的法线。
11.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述第3反射面和所述第4反射面都与所述第1反射面形成45°以下的锐角。
12.根据权利要求11所述的虚像显示装置，其中，
所述第3反射面和所述第4反射面与所述第1反射面形成相等的角度。
13.根据权利要求12所述的虚像显示装置，其中，
穿过所述投影光学系统的第1光轴和从所述光射出部射出的图像光的第2光轴都与所述第1反射面的法线平行。
14.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
具有所述导光部、所述光入射部和所述光射出部的所述导光部件是一体形成的块状的部件。
15.根据权利要求14所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件将所述第1反射面、第2反射面、第3反射面和第4反射面作为侧面，并具有与所述第1反射面、第2反射面、第3反射面和第4反射面分别邻接的上表面和下表面。
16.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件是通过注塑成型而一体成型的。
17.根据权利要求16所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件是用热聚合型的树脂材料成型的。
18.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述导光部件在所述第1反射面和所述第2反射面中被施加了硬涂层。
19.根据权利要求1或2所述的虚像显示装置，其中，
所述半镜面由Ag膜构成。
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