導光板以及具備該導光板的虛像顯示裝置的制作方法

專利名稱：導光板以及具備該導光板的虛像顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及安裝在頭部使用的頭戴顯示器等中使用的導光板和裝入該導光板的虛像顯示裝置。
背景技術：
近年來，作為像頭戴顯示器那樣能夠進行虛像的形成和觀察的虛像顯示裝置，提出了各種通過導光板將來自顯示元件的影像光引導至觀察者的瞳孔的類型。作為這樣的虛像顯示裝置用的導光板，已知使用全反射引導影像光，并且由相對于導光板的主面成預定角度而相互平行配置的多個部分反射面反射影像光而從導光板取出該影像光，由此使影像光到達觀察者的視網膜(參照專利文獻1、2)。設置于導光板的多個部分反射面例如可以是在截面鋸齒狀的部分形成反射層而得到的反射面(參照專利文獻2的圖5等)。專利文獻1 日本特表2003-536102號公報專利文獻2 日本特開2004-157520號公報如上所述從形成了平行的多個部分反射面的導光板取出光束的情況下，關于各光束，由于導光板內的全反射角度的不同，按沿導光板的導光方向配置的每個部分反射面取出的光束的寬度產生差異，所以存在圖像的分辨率局部降低的可能性。

發明內容
于是，本發明的目的在于提供能夠抑制分辨率的局部降低的虛像顯示裝置用的導光板和裝入該導光板的虛像顯示裝置。為了解決上述課題，本發明的導光板具備(a)光入射部，將圖像光取入內部；(b) 導光部，具有相對延伸的第一和第二全反射面，通過第一和第二全反射面的全反射引導從光入射部取入的圖像光；(c)圖像取出部，具有在預定的排列方向排列的多個反射單元，能夠將經由導光部入射的圖像光通過在多個反射單元的光路的彎曲向外部取出；以及(d)光射出部，將經過了圖像取出部的所述圖像光射出到外部，(e)多個反射單元的反射面形狀根據在所述多個反射單元彎曲的圖像光在導光部的全反射角度的大小，在圖像取出部內沿著預定的排列方向變化，以抑制圖像光的分辨率降低。在此，全反射不僅包含所有光在內面反射傳遞的情況，還包括在滿足全反射條件的面上實施鏡覆蓋層(mirror coat)、半透過的鋁膜形成的半反射膜進行反射的情況等。此外，光射出部是指將在圖像取出部使光路彎曲的圖像光射出到導光板的外部的光射出面或包括該光射出面的部分。此外，關于多個反射單元的反射面形狀的變化，例如包含在多個反射單元之間尺寸不同。在上述導光板中，各反射單元的反射面形狀根據在導光部的全反射角度的狀態變化，使得在圖像取出部內抑制分辨率降低，所以在各反射單元中，能夠防止由于使尺寸變化等反射面形狀的調整引起分辨率過度降低。特別在沿排列方向使反射單元的尺寸變化的情況下，能夠將入射的圖像光中最終由觀察者認識的有效成分的光束寬度即有效光束寬度以在反射面的擴散或散射的前提下確保充分大。因此，能夠避免在特定的反射單元反射引起的圖像光的劣化，其結果是對射出的虛像光的圖像能夠可靠地抑制局部分辨率降低。本發明的具體側面中，圖像取出部具有對全反射角度相對大的圖像光進行光路的彎曲的第一反射單元和對全反射角度相對小的圖像光進行光路的彎曲的第二反射單元，第一反射單元的反射面比第二反射單元的反射面大。在此情況下，對難以確保有效光束寬度的全反射角度相對大的圖像光，通過使得與之對應的第一反射單元的反射面比較大，能夠確保充分的有效光束寬度。本發明的另一側面中，將在圖像取出部分別以不同的角度入射到多個反射單元的任一個的圖像光的光束的入射角度分別設為α i、CI2，將該圖像光的光束入射的反射單元的間距分別設為C^d2，則在Ci1 < Ci2的情況下，Cl1 <d2。在此情況下，通過反射單元具有與對此的光束的入射角度的變化對應的間距，能夠確保各圖像光的有效光束寬度。本發明的另一側面中，構成多個反射單元的各反射單元分別包括第一反射面和相對于所述第一反射面成預定角度的第二反射面，將由導光部引導的圖像光通過第一反射面反射，并且通過第二反射面將在第一反射面反射后的所述圖像光進一步反射而進行光路的彎曲。在此情況下，能夠通過第一反射面和第二反射面兩個階段的反射取出圖像光。本發明的另一側面中，在多個反射單元中位于離光入射部遠的反光入射部側的反射單元的尺寸比位于光入射部側的反射單元的尺寸大。在此情況下，由于反射單元的尺寸的不同，能夠使從位于反光入射部側的反射單元取出的光束的有效光束寬度與從位于光入射部側的反射單元取出的光束的有效光束寬度相同或近似。本發明的另一側面中，在多個反射單元中位于離光入射部遠的反光入射部側的反射單元的間距比位于光入射部側的反射單元的間距大。在此情況下，通過調整反射單元的間距，能夠使從位于反光入射部側的反射單元取出的光束的有效光束寬度與從位于光入射部側的反射單元取出的光束的有效光束寬度相同或近似。本發明的另一側面中，從光射出部的光射出面到在圖像取出部的各反射單元中彎曲的所述圖像光的射出方向的前端即射出側端的距離一定。在此情況下，通過選擇各反射單元的尺寸或間距，能夠在該各反射單元中確定取入圖像光的寬度。本發明的另一側面中，在多個反射單元中，越是尺寸大的反射單元，在該反射單元中彎曲的圖像光的射出方向的前端即射出側端越接近所述光射出部，所述多個反射單元在預定的排列方向根據各反射單元的尺寸在所述光射出部側突出。在此情況下，越是尺寸大的反射單元，越能夠高效地取入圖像光。本發明的另一側面中，多個反射單元的尺寸進行變化，使得分別向各反射單元入射的圖像光的有效光束寬度保持在預定值以上。在此情況下，使在各反射單元中使圖像光的有效光束寬度增大到光束散亂不嚴重的程度，由此能夠以將入射到圖像取出部的所有圖像光的分辨率保持在一定以上的水準的方式進行反射。本發明的另一側面中，多個反射單元的間距在0. 5mm 1. 3mm之間變化。在此情況下，通過設為0. 5mm以上，能夠降低散射、衍射等引起的光束散亂，通過設為1. 3mm以下能夠使得對于觀察者反射單元的格紋不會變得顯眼。為了解決上述課題，本發明的虛像顯示裝置，具備(a)上述任一記載的導光板； 以及(b)形成導向所述導光板的圖像光的圖像形成裝置。在此情況下，通過使用上述任一所述的導光板，虛像顯示裝置能夠射出分辨率高的虛像光。


圖1的(A)是表示第一實施方式的虛像顯示裝置的截面圖，(B)和(C)是實施方式涉及的導光板的主視圖和俯視圖。圖2的(A)是說明導光板內的圖像取出部的中央部分的構造的截面圖，(B)是說明圖像取出部的里側的部分的構造的截面圖，(C)是說明圖像取出部的入口側的部分的構造的截面圖。圖3是表示在圖像取出部內的反射單元的變化的樣子的圖。圖4的(A)是用于說明反射單元中的有效光束寬度的圖，(B)是比較例的圖。圖5的(A)是說明變形例的導光板內的圖像取出部的中央部分的構造的截面圖， (B)是說明圖像取出部的里側的部分的構造的截面圖，(C)是說明圖像取出部的入口側的部分的構造的截面圖。圖6的(A)是用于說明第二實施方式的導光板內的圖像取出部的里側的部分的構造的截面圖，(B)是說明圖像取出部的入口側的部分的構造的截面圖。圖7的(A)是用于說明第三實施方式的導光板內的圖像取出部的里側的部分的構造的截面圖，(B)是說明圖像取出部的入口側的部分的構造的截面圖。(標號的說明)10圖像形成裝置；11液晶裝置；12投射光學系統；20導光板；20a導光板主體部； 21入射光彎曲部；22導光部；2 第一全反射面；22b第二全反射面；23、123、223圖像取出部；23a第一反射面；2 第二反射面；23c反射單元；100虛像顯示裝置；AX光軸；EY眼； GLl、GL2、GL3、GLa、GLb圖像光；IS光入射面(光入射部)；OA光軸；OS光射出面(光射出部)；PS棱鏡部；d橫寬(間距)；α入射角度(全反射角度)；K、ΚΚ2、ΚΚ3頂點(射出側端)；HS縱尺寸(反射單元的尺寸)；WS橫尺寸(反射單元的尺寸)
具體實施例方式(第一實施方式)下面參照附圖對本發明的第一實施方式所涉及的虛像顯示裝置用的導光板和裝入導光板的虛像顯示裝置進行說明。(Α.導光板和虛像顯示裝置的構造)圖1的(A)所示的實施方式涉及的虛像顯示裝置100適用于頭戴顯示器，作為一組具備圖像形成裝置10、導光板20。圖1的(A)對應于圖1的(B)所示的導光板20的A-A截面。虛像顯示裝置100使觀察者識別基于虛像的圖像光，并且使觀察者以透視方式觀察外界像。圖像形成裝置10和導光板20通常對應于觀察者的右眼和左眼而各設置一組， 左眼用和右眼用左右對稱，所以在此僅示出左眼用，對右眼用省略圖示。虛像顯示裝置100 作為整體具有例如一般的眼鏡的外觀(未圖示)。如圖1的(A)所示，圖像形成裝置10具備液晶裝置11和投射光學系統12。其中， 液晶裝置11具有射出二維照明光的照明裝置31、作為透過型的空間光調制裝置的液晶顯示裝置32、配置在它們之間的射出角調整部件33。液晶顯示裝置32將來自照明裝置31的照明光進行空間地調制，形成要成為動圖像等的顯示對象的圖像光。投射光學系統12是使從液晶顯示裝置32上的各點射出的圖像光成為平行狀態的光束的準直透鏡。射出角調整部件33根據畫面內的位置使照明光的射出角度分布變化，進行調整使得從液晶顯示裝置 32射出的圖像光最后入射到觀察者的眼EY。如圖1的(A) (C)所示，導光板20具備導光板主體部20a、入射光彎曲部21、 作為角度變換部的圖像取出部23。導光板20將由圖像形成裝置10形成的圖像光作為虛像光朝向觀察者的眼EY射出，使之識別為圖像。導光板20的整體外觀由與圖中TL面平行延伸的平板即導光板主體部20a形成。 此外，導光板20的構造為在較長方向的一端具有包括埋入導光板主體部20a的多個微鏡的圖像取出部23，在較長方向的另一端具有以擴張導光板主體部20a的方式形成的棱鏡部 PS和該棱鏡部PS所附帶的入射光彎曲部21。導光板主體部20a具有作為光入射部的光入射面IS，其由光透射性樹脂材料等形成，在平行于TL面且與圖像形成裝置10相對的正面側的平面上取入來自圖像形成裝置 10的圖像光；以及作為光射出部的光射出面0S，其用于使圖像光朝向觀察者的眼EY射出。 導光板主體部20a作為該棱鏡部PS的側面，除了光入射面IS之外還具有矩形的斜面RS，在該斜面RS上以覆蓋斜面RS的方式形成有鏡層21a。在此，鏡層21a通過與斜面RS合作， 作為以相對于光入射面IS傾斜的狀態配置的入射光彎曲部21發揮作用。在導光板主體部 20a，沿光射出面OS的里側的平面形成有作為微細構造的圖像取出部23。作為與導光板主體部20a的光入射面IS相對并傾斜配置的鏡層21a的入射光彎曲部21通過在導光板主體部20a的上述斜面RS上施以鋁蒸鍍等成膜而形成，作為反射入射光而將光路向接近大致垂直方向的預定方向彎曲的反射面發揮作用。即，入射光彎曲部 21通過使從光入射面IS入射作為整體朝向+X方向的圖像光以作為整體朝向偏向-X方向的+Z方向的方式彎曲，可靠地使圖像光結合于導光板主體部20a內。此外，導光板主體部20a具有導光部22，該導光部22用于從入口側的入射光彎曲部21向里側的圖像取出部23將經由入射光彎曲部21入射到內部的圖像光導向圖像取出部23。導光部22具有將在入射光彎曲部21彎曲的圖像光分別全反射的第一全反射面 22a和第二全反射面22b，作為平板狀的導光板主體部20a的主面且相互相對的相對于TL 面平行延伸的兩個平面。在此，第一全反射面2 為距離圖像形成裝置10遠的背側的面， 第二全反射面22b為接近圖像形成裝置10的正側的面。此時，第二全反射面22b是與光入射面IS和光射出面OS共通的面部分。在入射光彎曲部21反射的圖像光首先入射到第二全反射面22b而被全反射。然后，該圖像光入射到第一全反射面2 而被全反射。以下通過重復該動作，圖像光被導向導光板20的里側即設置有圖像取出部23的+Z側。在此，用于導光板主體部20a的透明樹脂材料的折射率η例如為1. 5以上的高折射率材料。通過在導光板20使用折射率比較高的透明樹脂材料，能夠使得在導光板20內部容易引導圖像光， 且使導光板20內部的圖像光的視角比較小。與導光板主體部20a的光射出面OS相對配置的圖像取出部23，在導光部22的里側(+Z側)大致沿第一全反射面22a的延長平面接近于該延長平面形成。圖像取出部23 將經由導光部22的第一和第二全反射面22a、22b入射來的圖像光以預定角度反射向光射出面OS側彎曲。即，圖像取出部23作為變換圖像光的角度的角度變換部發揮作用。在此， 最初入射到圖像取出部23的圖像光是作為虛像光的取出對象。關于圖像取出部23的詳細構造，通過圖2的(A)在后面描述。(B.圖像光的光路)下面對圖像光的光路進行詳細說明。如圖1的㈧所示，從液晶裝置11中的液晶顯示裝置32的射出面3 上分別射出的圖像光中圖中虛線所示的從射出面32a的中央部分射出的成分設為圖像光GL1，圖中單點劃線所示的從射出面32a的周邊中紙面左側(-Z 側)射出的成分設為圖像光GL2，圖中兩點劃線所示的從射出面Ila的周邊中紙面右側(+Z 側)射出的成分設為圖像光GL3。經過投射光學系統12的各圖像光GL1，GL2，GL3的主要成分從導光板20的光入射面IS分別入射后，在第一和第二全反射面22a、22b中以相互不同的角度反復全反射。具體而言，圖像光GL1、GL2、GL3中，從液晶裝置11的射出面32a的中央部分射出的圖像光GLl 作為平行光束在入射光彎曲部21反射后，以標準反射角α ^入射到導光部22的第二全反射面22b而被全反射。然后，圖像光GLl在保持標準反射角C^的狀態下，在第一和第二全反射面22a、22b反復全反射。圖像光GLl在第一和第二全反射面22a、22b被N次(N為自然數)全反射，入射到圖像取出部23的中央部23k。S卩，標準反射角aQ決定圖像光GLl向圖像取出部23的入射角度。圖像光GLl在該中央部23k以預定的角度被反射，從光射出面 OS向相對于包含該光射出面OS的TL面垂直的光軸AX方向作為平行光束射出。從液晶裝置11的射出面32a的一端側(-Z側)射出的圖像光GL2作為平行光束在入射光彎曲部21 反射后，以最大反射角a +入射到導光部22的第二全反射面22b而被全反射。圖像光GL2 在第一和第二全反射面22a、22b中例如被全反射N-M次(M為自然數)，在圖像取出部23中反光入射部側(+Z側)的周邊部23m以預定的角度被反射，從光射出面OS向預定的角度方向作為平行光束射出。此時的射出方向為向入射光彎曲部21側返回的方向，相對于+Z軸成鈍角。從液晶裝置11的射出面32a的另一端側(+Z側)射出的圖像光GL3作為平行光束在入射光彎曲部21反射后，以最小反射角a —入射到導光部22的第二全反射面22b而被全反射。圖像光GL3在第一和第二全反射面22a、22b中例如全反射N+M次，在圖像取出部23中最靠光入射面側(-Z側)的周邊部23h以預定的角度被反射，從光射出面OS向預定的角度方向作為平行光束射出。此時的射出方向為從入射光彎曲部21側離開的方向，相對于+Z軸成銳角。在第一和第二全反射面22a、22b全反射的光反射效率非常高，所以如上所述即使在圖像光GL1、GL2、GL3之間反射次數不同，也幾乎不會由于這樣的反射次數的差異產生亮度降低。此外，如圖1的⑶所示，在縱向即Y方向觀察的圖像光即圖像光GLy通過導光板 20內，使得作為光束整體集束。(C.圖像取出部的構造和基于圖像取出部的光路的彎曲)下面參照圖2的㈧ (C)等對圖像取出部23的構造和基于圖像取出部23的圖像光的光路的彎曲進行詳細說明。圖2的(A) (C)是分別擴大了圖1的(A)所示的圖像取出部23的中央部23k、周邊部23m，23h的示意圖。首先，對圖像取出部23的構造進行說明。圖像取出部23由排列成條紋狀的多個線狀的反射單元23c構成。S卩，圖像取出部23通過將在Y方向延伸的細長反射單元23c沿導光部22延伸的第一方向即Z方向排列多個而構成。各反射單元23c具有配置在里側即+Z 側的一個反射面部分即第一反射面23a和配置在入口側即-Z側的其他一個反射面部分即第二反射面2 作為一組反射面。其中，至少第二反射面2 是能夠透過一部分光的反射面，能夠使觀察者以透視方式觀察外界像。此外，各反射單元23c通過相鄰的第一和第二反射面23a、23b，在)(Z截面視圖上成為V字或楔形狀。更具體而言，第一和第二反射面23a、 23b，以平行于圖1的(A)等所示的第一全反射面22a、相對于反射單元23c排列的排列方向即Z方向垂直延伸的方向即Y方向作為較長方向，以線狀延伸。此外，第一和第二反射面 23a,23b以該較長方向為軸，相對于第一全反射面2 分別以不同角度(即相對于H面分別不同的角度)傾斜。結果是，第一反射面23a周期性地反復排列、相互平行地延伸，第二反射面2 也周期性地反復排列、相互平行地延伸。在圖2的(A)等所示的具體例中，各第一反射面23a沿相對于第一全反射面2 大致垂直的方向(X方向)延伸。此外，各第二反射面2 在相對于對應的第一反射面23a按逆時針方向成預定角度(相對角度)β的方向延伸。在此，相對角度β在具體例中例如為Μ. 7°。各第一反射面23a成為圖像光的實際的入射面，但在本說明書中，將經過全反射面22a、22b入射到各圖像光的第一和第二反射面23a、2!3b的圖像光在全反射面22a、22b的全反射角度稱為對圖像取出部23的入射角度即向反射單元23c的入射角度。本實施方式的情況下，如圖2的㈧ 圖2的(C)所示，相互在截面視圖上具有相似形狀的各反射單元23c的大小，即圖中的虛線所示的一個反射單元23c在縱向(X方向) 的長度即縱尺寸HS、在橫向(Z方向)的橫尺寸WS根據在各反射單元23c彎曲的圖像光在導光部22 (參照圖1的(A)等)的全反射角度即向反射單元23c或圖像取出部23的入射角度，在圖像取出部23內關于排列方向即Z方向變化。更具體而言，首先，如圖2的(A)所示，在構成圖像取出部23的多個反射單元23c中位于中央側即中央部23k側的反射單元 23c的縱和橫尺寸HS、WS對應于以平均大小的入射角度α。入射的圖像光GL1，成為中等程度。與此相對，如圖2的(B)所示，位于圖像取出部23的里側即周邊部2 !側的反射單元 23c的縱和橫尺寸HS、WS對應于以比較大的入射角度α +入射的圖像光GL2，比圖2的(A) 所示的中央反射單元23c的縱和橫尺寸HS、WS大。此外，如圖2的(C)所示，位于圖像取出部23的入口側即周邊部2 側的反射單元23c的縱和橫尺寸HS、WS對應于以比較小的入射角度α —入射的圖像光GL3，比圖2的(A)所示的中央反射單元23c的縱和橫尺寸HS、WS 小。結果是，與圖2的(C)的圖像光GL3對應的反射單元23c的縱和橫尺寸HS、WS比與圖 2的(B)的圖像光GL2對應的反射單元23c的縱和橫尺寸HS、WS小。由此，在圖像取出部 23中，將對全反射角度相對大的圖像光GL2進行光路的彎曲的反射單元23c (第一反射單元)和對全反射角度相對小的圖像光GLl、GL3進行光路的彎曲的反射單元23c (第二反射單元)進行比較的情況下，圖像光GL2用的第一反射單元的反射面比圖像光GLl (GL3)用的第二反射單元的反射面大。如上所述，關于各反射單元23c的尺寸，通過縱尺寸HS和橫尺寸WS示出，但各反射單元23c的截面形狀相互相似，所以可以僅以相當于其中的橫尺寸WS 的Z方向上的寬度即橫寬d(參照圖3)作為各反射單元23c的尺寸的基準。此外，在圖像取出部23整體中，如圖3示意所示，相互相似的多個反射單元23c越是在圖像取出部23的入口側即-Z側越小，隨著去向里側即+Z側而變大，連接各反射單元 23c的頂點P而得到的曲線L2以按照去向+Z側在深度方向即X方向逐漸增加的方式傾斜。
在此，確定反射單元23c的尺寸的橫寬d可以考慮為在反射單元23c的排列方向即Z方向的各反射單元23c的間距。具體而言，在圖3中，將反射單元23c中在Z方向位于中央的一個反射單元23c的橫寬Cltl確定為標準間距Cltl時，相對于該標準間距Cltl，各反射單元23c的橫寬d即間距d隨著朝向+Z側逐漸增加(d+ > d0)，隨著朝向-Z側逐漸減少 (d_< dQ)。此外，換言之，多個反射單元23c的尺寸或間距隨著朝向+Z側單調增大，所以多個反射單元23c中位于最遠離光入射面IS(參照圖1的(A))的反光入射面側即里側的反射單元23c的尺寸或間距比位于最靠光入射面側即入口側的反射單元23c的尺寸或間距大。通過調整反射單元23c的尺寸或間距，能夠使入射到各反射單元23c的各圖像光的有效光束寬度相同或近似。返回圖2的(A) (C)，圖像取出部23在深度方向即X方向具有一定的厚度H。 艮口，構成圖像取出部23的各反射單元23c的邊界部分、圖像取出部23的各反射單元23c的前端即在圖像取出部23彎曲的圖像光GLl等在射出方向的射出側端即頂點K連接起來的線LLl相對于光射出面OS平行。因此，在導光板23的厚度方向(X方向)從光射出面OS 到第二反射面23b的頂點K的距離HT —定，可以根據各反射單元23c的尺寸準確地規定各反射單元23c取入圖像光的寬度。下面對圖像取出部23的圖像光的光路的彎曲進行詳細說明。首先，如圖2的(A) 所示，在圖像光中以成為基準的中等程度的入射角度引導的圖像光GLl入射到在圖像取出部23中配置在中央側的中央部23k的一個反射單元23c，最初在反光入射面側即+Z側的第一反射面23a反射，然后在光入射面側即-Z側的第二反射面2 反射。經過了該反射單元23c的圖像光GLl不經過其他反射單元23c而從光射出面OS射出。S卩，圖像光GLl在圖像取出部23僅一次通過，彎曲成所希望的角度，在觀察者側取出。此外，如圖2的⑶所示，以入射角度的最大角度α +引導的圖像光GL2入射到在圖像取出部23中在距離光入射面IS(參照圖1的(A))最遠的反光入射部側即+Z側的周邊部2 !配置的一個反射單元23c，與圖2的(A)的圖像光GLl的情況同樣地，最初在反光入射面側即+Z側的第一反射面23a反射，然后在光入射部側即-Z側的第二反射面23b反射。經過了該反射單元23c的圖像光GL2不經過其他反射單元23c，從光射出面OS射出。 艮口，圖像光GL2在圖像取出部23通過一次，以所希望的角度彎曲，在觀察者側取出。此外，如圖2的(C)所示，以入射角度最小的角度α-引導的圖像光GL3入射到在圖像取出部23中在最接近的光入射面側即-Z側的周邊部2 配置的一個反射單元23c， 與圖2的(A)的圖像光GLl的情況同樣地，最初在反光入射面側即+Z側的第一反射面23a 反射，然后在光入射面側即-Z側的第二反射面2 反射。經過了該反射單元23c的圖像光 GL3不經過其他反射單元23c，在圖像取出部23僅通過一次，以所希望的角度彎曲，在觀察者側取出。如上述那樣在第一和第二反射面23a、2!3b兩個階段的反射的情況下，如圖2的 (A) (C)所示，各圖像光的入射時的方向和射出時的方向所成的角即彎曲角Ψ都是Ψ = 20 -0)0 :直角)。即，彎曲角Ψ是與相對于圖像取出部23的入射角度即各圖像光的全反射角度即α0, α+, α —等值無關而恒定。由此，如上所述，使圖像光中全反射角度比較大的成分在圖像取出部23中+Z側的周邊部2 !側入射，使全反射角度比較小的成分在圖像取出部23中-Z側的周邊部2 側入射的情況下，也能夠將圖像光作為整體以聚集在觀察者的眼EY的角度狀態下高效地取出。因為是以這樣的角度關系取出圖像光的結構，所以導光板20能夠不使圖像光在圖像取出部23多次通過而僅通過一次，能夠將圖像光以少損失作為虛像光取出。導光部22的形狀和折射率，在構成圖像取出部23的反射單元23c的光學設計中， 能夠通過適當調整引導圖像光GL2、GL3等的角度，將從光射出面OS射出的圖像光作為以基本圖像光GLl即光軸AX為中心整體保持對稱性的狀態的虛像光入射到觀察者的眼EY。即， 一端的圖像光GL2相對于X方向或光軸AX的角度θ 2和另一端的圖像光GL3相對于X方向或光軸AX的角度θ3的大小大致相等且逆向。圖像光GL2、GL3的角度02、03相對于光射出面OS或第二全反射面22b接近比較垂直，以充分的透過率通過光射出面OS。此外，角度θ2和角度θ 3需要嚴密地考慮通過光射出面OS或第二全反射面22b時的折射，相當于從圖像形成裝置10射出的圖像光產生的虛像的視角。(D.圖像光的有效光束寬度)下面，通過圖4的(A)等對確保在圖像取出部23即反射單元23c取出的圖像光的有效光束寬度抑制圖像光的分辨率的局部降低的原理進行說明。圖4的(A)例示反射入射角度比較大的圖像光GL的反射單元23c，是位于圖像取出部23的里側即+Z側的周邊部23m 側的擴大圖。在圖像取出部23取出圖像光時的分辨率的降低起因于由于第一和第二反射面23a、2!3b上的瑕疵等的缺陷導致的鏡面精度。因此，如果將在各反射單元23c最終取出的圖像光的有效光束寬度W保持在一定程度的大小以上，則抑制分辨率降低。然而，尤其如圖4的(A)所示的在周邊部2 !側的反射單元23c，使圖像光GL入射時的入射光束寬X受到限制而容易變小，確保有效光束寬度W的值不一定容易。即，確保圖像光GL的入射光束寬X成為用于抑制分辨率的局部降低的重要問題。如圖所示，以入射光束寬X入射到反射單元23c的圖像光GL在第一和第二反射面23a、2!3b保持其寬度作為有效光束寬度W射出。在此，入射光束寬X的值根據入射角度α、反射單元23c的開口 OP的大小即表示反射單元23c的尺寸的橫寬d確定。更具體說明，首先，將開口 OP的兩端即頂點K中位于里側和入口側的頂點分別設為頂點Kl，K2，圖像光GL在從通過頂點Kl的成分到通過頂點K2 的成分為止的范圍取入。即，從表示通過頂點Kl的成分的線PPl到表示通過頂點K2的成分的線PP2為止的寬度成為圖像光GL的入射光束寬X。此外，在此，將從頂點Kl向線PP2 的垂足設為交點Q時，根據頂點Kl，K2以及交點Q所形成的直角三角形，入射光束寬X成為X = dXsin(R_a )…⑴S卩，如周邊部2 !側的反射單元23c那樣，入射角度α變大的情況下，為了確保入射光束寬X的值一定程度大，需要根據上式(1)使橫寬d變大。在本實施方式中，如圖3等所示，根據入射的圖像光的入射角度即全反射角度，使各反射單元23c的尺寸或間距變化， 尤其圖像光的入射角度越大則使尺寸或間距越大，由此對入射到任意反射單元23c的圖像光都能夠使其入射光束寬充分大。例如，作為比較例，如圖4的⑶所示，與在周邊部2 !側入射比較大的入射角度 α的圖像光GL無關地，周邊部2 !側的反射單元23c為與周邊部23h的反射單元23c (參照圖2的(C))相同尺寸的橫寬(即圖4的⑶的橫寬d'維持為小)時，在周邊部2 !側的反射單元23c中能夠取入的入射光束寬X'變小，作為結果取出的有效光束寬度W'也變小，在第一和第二反射面23a、23b的反射中，存在圖像光GL的分辨率降低的可能性。與此相對，在本實施方式中，如圖4的(A)等所示的周邊部2 !側的反射單元23c代表的那樣， 在難以確保圖像光GL的有效光束寬度W的圖像取出部23的里側，通過考慮上式(1)適當地增大橫寬d的值，由此能夠抑制在圖像取出部23中尤其里側的反射單元23c的反射時容易產生的分辨率的降低(局部降低)。在此，為了考察圖2的⑶所示的有效光束寬度中最難確保的圖像光GL2的有效光束寬度W2，首先設導光板20的折射率為nd，設觀察者識別的圖像的最大視角為ω。在此情況下，根據圖2的(B)所示的角度的關系，關于對應于圖像光GL2的入射角度α+和角度 Ψ，表示為 sin(a+-ψ) Xn d = sinco。艮口，入身寸角度 a + 表示為 a + = ψ+sirT1 (sinω/ nd) = 2X (R-β HsirT1 (s into/nd). · . (2)。因此，作為一例，設 nd = 1. 5、ω = 15°，β = 54.7°時，反射角為a + N8 0。。根據該值，能夠從(1)式算出將圖像光GL2的入射光束寬X 即有效光束寬度W確保在一定值以上的橫寬d+的值。即，通過基于上述關系適當設定橫寬 d+，對圖像光GL2能夠獲得充分的光束寬。例如，如圖2的(B)和(C)所示，考慮以各反射單元23c的尺寸的單調增加為基調，以使得作為周邊光的圖像光GL2的有效光束寬度W2和圖像光GL3的有效光束寬度W3變為大致相同程度的方式調整對應的各反射單元23c的尺寸， 由此將所有圖像光的有效光束寬度設為一定值以上。此外，此時，例如將反射單元23c的橫寬d的具體數值范圍設為0. 2mm以上，作為更優選的一例為在0. 5mm 1. 3mm的范圍變化。 由于處于該范圍，能夠確保要取出的圖像光的有效光束寬度，并且在圖像取出部23不受衍射的影響且使得對于觀察者而言反射單元23c產生的格紋不會變得顯眼。根據以上說明的本實施方式的導光板20，作為多個反射單元23c的反射面的形狀變化的一例，各反射單元23c的尺寸根據在導光部22的全反射角度的狀態在圖像取出部23 內沿Z方向變化。由此，在所有的反射單元23c中，能夠充分確保入射的圖像光的有效光束寬度。因此，能夠避免在反射單元23c的反射引起的圖像光的劣化，其結果能夠抑制射出的虛像光引起的圖像的分辨率降低。此外，在圖3中連接各反射單元23c的頂點P而得到的曲線LL2即各反射單元23c 的尺寸以朝向+Z側單調增大的方式變化，但如果能夠確保圖像光的有效光束寬度在一定值以上，則曲線LL2可以是除此以外的形狀的曲線、直線等。即，各反射單元23c的尺寸的變化的程度可以根據虛像顯示裝置100的光學規格適當調整。關于上述內容，例如作為一個變形例，如圖5的㈧ (C)所示，可以使圖像取出部23的多個反射單元23c變化。具體而言，也可以是如下方式關于圖5的(A)以及圖5 的(C)所示的從入口側的周邊部2 到中心側的中央部23k的各反射單元23c，朝向里側少許增減尺寸，設為大致一定的尺寸，關于圖5的(A)和圖5的(B)所示的從中心側的中央部 23k到里側的周邊部23m的各反射單元23c，朝向里側逐漸增大尺寸。在此情況下，如圖所示，能夠進行調整使得在中央部23k反射的圖像光GLl的有效光束寬度Wl與其他有效光束寬度W2、W3大致相同。此外，例如，在入射到圖像取出部23的入口側的圖像光的成分在反射面23a、23b的深側即+X側進入在反射單元23c反射而取出為止的期間存在一部分切斷的可能性的方式中，通過增大入口側反射單元23c的尺寸，可以確保有效光束寬度。在此情況下，例如可以使中央部23k附近的反射單元23c的尺寸最小，分別使反射單元23c的尺寸朝向周邊部2 !!和周邊部2 分別逐漸地增大。此外，將排列多個同一尺寸的反射單元23c所得設為一個模塊，通過使得在排列多個反射單元23c中至少包含一個以上的該模塊，由此可以構成反射單元23c尺寸或間距階段變化的圖像取出部23。在此情況下，將圖像光的光束的入射角度分別設為角度αι、 α 2，將該圖像光的光束入射的反射單元23c的間距分別設為屯、d2時，在同一模塊內，即使 Q1 < α 2，也是Cl1 = d2，在圖像取出部23整體中，關于任意的Ci1 < α 2，可以設為(I1彡d2。 在圖3的情況下，關于任意的Ci1 < Ciyd1Sc^如上所述，關于反射單元23c的尺寸的變化程度，可以是各種方式，例如，可以一個一個調整各反射單元23c的尺寸，使得從各反射單元23c射出的圖像光的有效光束寬度
全部一致。在圖2的(A)等所示例子中，第一反射面23a相對于第一全反射面2 大致垂直， 但如果能夠確保有效光束寬度W，則可以根據導光板20的規格適當調整第一反射面23a的方向。例如，可以相對于第一全反射面22a以-Z方向為基準按逆時針例如從80°到100° 的范圍內成任意傾斜角度。此外，第二反射面2 的方向可以相對于第一全反射面2 以-Z 方向為基準按逆時針例如從30°到40°的范圍內成任意傾斜角度。其結果是，第二反射面 2 相對于第一反射面23a在40°到70°的范圍內具有任意相對角度。(第二實施方式)下面通過圖6的(A)等對使第一實施方式變形后的第二實施方式進行說明。本實施方式的導光板120除了圖像取出部的構造外具有與圖1的(A)等所示的導光板20同樣的構造，所以在圖6的㈧和6(B)中僅示出與圖2的⑶和圖2的(C)所示的圖像取出部 23對應的圖像取出部123的一部分及其周邊擴大后的示意圖，對導光板和虛像顯示裝置整體的構造省略圖示和說明。在導光板120中，圖像取出部123由排列成條紋狀的多個線狀的反射單元123c構成。各反射單元123c與圖2的(A)等各反射單元23c同樣地，以在)(Z截面視圖上成為V 字或楔形狀的第一反射面123a和第二反射面12 為一組，在Z方向排列。在此，如圖6的(A)和圖6的(B)所示，各反射單元123c的尺寸或間距越是里側即+Z側越大。在此情況下，位于圖像取出部123的里側即周邊部12 !側與圖像光GL2對應的反射單元123c的尺寸最大，位于圖像取出部123的入口側即周邊部12 側與圖像光 GL3對應的反射單元123c的尺寸最小。尤其是，在此，圖像取出部123的厚度在深度方向即X方向不是一定的，隨著反射單元123c的尺寸變化。具體而言，越是尺寸大的反射單元 123c，其射出側端即頂點K越在光射出面OS側即-X側突出，頂點K越接近光射出面0S，圖 6的(A)所示的里側即+Z側的圖像取出部123在X方向的厚度H2比圖6的(B)所示的入口側即+Z側的圖像取出部123的厚度H3大。換言之，圖6的(A)所示的與圖像光GL2對應的反射單元123c的射出側端即頂點KK2到光射出面OS的距離HT2比圖6的⑶所示的與圖像光GL3對應的反射單元123c的射出側端即頂點KK3到光射出面OS的距離HT3短。 由此，圖像光的入射角度變大，與此對應，越是增大尺寸的反射單元123c，越高效地取入圖像光。圖像取出部123的突出程度可以根據光學規格進行各種調整。根據以上說明的第二實施方式的導光板120，各反射單元123c的尺寸以與全反射角度即入射角度的狀態相關聯的方式在圖像取出部123內沿Z方向變化，此外越是尺寸大的反射單元123c越向光射出面OS側突出。由此，能夠充分確保圖像光的有效光束寬度，能夠避免由在反射單元23c的反射引起的圖像光的劣化，其結果是能夠抑制射出的虛像光引起的圖像分辨率降低。此外，在圖像取出部123能夠高效地取入圖像光。(第三實施方式)下面通過圖7的(A)等對將第一實施方式變形后的第三實施方式進行說明。本實施方式的導光板220除了圖像取出部的構造外具有與圖1的(A)等所示的導光板20同樣的構造，所以在圖7的㈧和7(B)中僅示出與圖2的⑶和圖2的(C)所示的圖像取出部 23對應的圖像取出部223的一部分及其周邊擴大后的示意圖，對導光板和虛像顯示裝置整體的構造省略圖示和說明。下面，對本實施方式的導光板220的圖像取出部223的詳細構造進行說明。如圖 7的(A)和圖7的(B)所示，圖像取出部223由多個圖像光反射面223a構成，各圖像光反射面223a在相對于圖像光反射面223a排列的Z方向垂直延伸的方向即Y方向延伸。多個圖像光反射面223a相互平行，相對于第一全反射面2 分別成同一角度，透過圖像光的光成分的一部分，成為反射剩下部分的部分反射面。各圖像光反射面223a間通過不具有作為用于取出圖像光的反射面等的功能的邊界部22 連接。其結果是，圖像光反射面223a沿 Z方向周期反復排列并相互平行延伸。在此，以一個圖像光反射面223a和與此相鄰的一個邊界部22 為一組稱為反射單元223c。下面對圖像光的各成分中入射到圖像取出部223的兩端側的圖像光GLa和圖像光 GLb進行說明。作為前提，包括圖像光GLa、GLb的圖像光從光入射面IS入射到圖1的(A)、圖 1的(B)等所示的導光板20，在入射光彎曲部21反射，作為整體，在導光部22中在偏向-X 方向的+Z方向前進，如圖7的(A)等所示，在導光部22的第一和第二全反射面22a、22b反復全反射而導光，到達圖像取出部223。首先，如圖7的(A)所示，以最小反射角α_在導光部22的第一和第二全反射面22a、22b全反射的圖像光GLa通過圖像取出部223N次(N為比1大的自然數)后，到達圖像取出部223中周邊部22 !的位于最里側(+Z側)的圖像光反射面223a，通過在圖像光反射面223a的反射，相對于眼EY的中心軸即光軸AX以角度θ 2 從光射出面OS向眼EY作為平行光束射出。此時的射出角相對于+Z軸成鈍角。在此，將圖像光GLa的反射角α _作為對圖像光反射面223a的入射角度。另一方面，如圖7的(B)所示，以最大反射角α +在導光部22的第一和第二全反射面22a、22b全反射的圖像光GLb到達圖像取出部223中周邊部22 的位于最靠入口側 (-Z側)的圖像反射面223a，通過在圖像光反射面223a的反射，相對于光軸AX以角度θ3 從光射出面OS向眼EY作為平行光束射出。此時的射出角相對于+Z軸成銳角。在此，將圖像光GLb的反射角α +作為對圖像光反射面223a的入射角度。圖像光GLa的角度θ 2和圖像光GLb的角度θ 3的大小大致相等且逆向，相當于基于圖像光的虛像的視角。在此，各反射單元223c即圖像光反射面223a的尺寸或間距越在入口側即-Z側越大。具體而言，位于圖像取出部223的入口側即周邊部22 側與圖像光GLb對應的圖像光反射面223a的尺寸最大，位于圖像取出部223的里側即周邊部22 !側與圖像光GLa對應的圖像光反射面223a的尺寸最小。即，關于在全反射面22a、22b的反射角即向圖像取出部 223的入射角度，與越大角度的圖像光對應的圖像光反射面223a，越是大的尺寸。由此，能夠將所有圖像光的有效光束寬度設為一定值以上。如上所述，在第三實施方式中，各反射單元223c的尺寸或間距以與全反射角度即入射角度的狀態關聯的方式在圖像取出部223內沿Z方向變化。由此，充分確保圖像光的有效光束寬度，能夠避免由在反射單元223c的反射引起的圖像光的劣化，其結果是能夠抑制射出的虛像光引起的圖像的分辨率降低。在上述中關于圖像取出部223的深度方向即X 方向，厚度一定，但也可以根據反射單元223c的尺寸改變該厚度。(其他)根據以上實施方式說明了本發明，但本發明不限于上述實施方式，在不脫離其要旨的范圍內能夠在各種方式下實施，例如也可以進行如下變形。在上述說明中，作為多個反射單元23c的反射面形狀的變化的一例，使各反射單元23c的尺寸變化，但作為反射面形狀的變化，除了上述之外或在上述的基礎上例如可以使構成圖像取出部23的反射單元23c的朝向變化。即，可以將反射單元23c的朝向圍繞Y 軸進行微小旋轉進行方向的調整。此時，只要使所有反射單元23c中的相對角度β —致， 不需要使所有反射單元23c的朝向準確地一致。在上述說明中，作為圖像顯示元件，使用了透過型的液晶裝置11，但作為圖像顯示元件不限于透過型的液晶裝置，可以使用各種元件。例如，可以是使用反射型的液晶面板的結構，也可以代替液晶裝置11使用數字微鏡裝置等。此外，也可以是使用LED陣列或 OLED (有機EL)等為代表的自發光型元件的結構。此外，也可以是使用組合了激光光源和多角鏡其他掃描器的激光掃描器的結構。在液晶裝置11、其光源中，也能夠考慮圖像取出部 23的光取出特性進行亮度模式的調整。在上述說明中，虛像顯示裝置100對應于右眼和左眼雙方而具備各一組圖像形成裝置10和導光板20，但也可以是僅對右眼或左眼的任一方設置圖像形成裝置10和導光板 20而單眼識別圖像的結構。在上述說明中，對透視型的虛像顯示裝置進行了說明，但在沒有必要觀察外界像的情況下，可以將第一和第二反射面23a、2!3b雙方的光反射率設為大致100%。在上述說明中，將光入射面IS和光射出面OS配置在同一平面上，但不限于此，例如也可以將光入射面IS與第一全反射面2 配置在同一平面上，將光射出面OS與第二全反射面22b配置在同一平面上。在上述說明中，對構成入射光彎曲部21的鏡層21a和斜面RS的角度沒有特別提及，但本發明可以根據用途和規格將鏡層21等相對于光軸OA的角度設為各種值。在上述說明中，反射單元23c形成的V字狀的槽以前端尖銳的狀態圖示，但關于V 字狀的槽的形狀，不限于此，也可以將前端切平或在前端進行倒角。在上述說明中，以實施方式的虛像顯示裝置100為頭戴顯示器進行了具體說明， 但實施方式的虛像顯示裝置100也可以改變為平視顯示器。在上述說明中，在第一和第二全反射面22a、22b，不在表面上施以鏡、半反射鏡等而通過與空氣的界面使圖像光全反射而進行引導，但關于本發明的全反射，也包含在第一和第二全反射面22a、22b上的整體或一部分形成鏡覆蓋層(mirror coat)、半反射膜進行的反射。例如，包括如下情況在圖像光的入射角度滿足全反射條件的基礎上，在全反射面 22a,22b的整體或一部分施以鏡覆蓋層等，實質上反射所有圖像光。此外，如果能夠得到充分亮度的圖像光，則可以通過多少具有透射性的鏡覆蓋全反射面22a、22b的整體或一部分。
權利要求
1.一種導光板，具備光入射部，將圖像光取入內部；導光部，具有相對延伸的第一和第二全反射面，通過所述第一和第二全反射面的全反射引導從所述光入射部取入的所述圖像光；圖像取出部，具有在預定的排列方向排列的多個反射單元，能夠將經由所述導光部入射的所述圖像光通過在所述多個反射單元的光路的彎曲向外部取出；以及光射出部，將經過了所述圖像取出部的所述圖像光射出到外部，所述多個反射單元的反射面形狀根據在所述多個反射單元彎曲的所述圖像光的在所述導光部的全反射角度的大小，在所述圖像取出部內沿著所述預定的排列方向變化，以抑制所述圖像光的分辨率降低。
2.根據權利要求1所述的導光板，其中，所述圖像取出部具有對全反射角度相對大的所述圖像光進行光路的彎曲的第一反射單元和對全反射角度相對小的所述圖像光進行光路的彎曲的第二反射單元，所述第一反射單元的反射面比所述第二反射單元的反射面大。
3.根據權利要求2所述的導光板，其中，將在所述圖像取出部分別以不同的角度入射到所述多個反射單元的任一個的所述圖像光的光束的入射角度分別設為α α 2，將該圖像光的光束入射的反射單元的間距分別設為屯、d2，則在α工< α2的情況下，Cl1彡d2。
4.根據權利要求1至權利要求3中任一項所述的導光板，其中，構成所述多個反射單元的各反射單元分別包括第一反射面和相對于所述第一反射面成預定角度的第二反射面，將由所述導光部引導的所述圖像光通過所述第一反射面反射， 并且通過所述第二反射面將在所述第一反射面反射的所述圖像光進一步反射而進行光路的彎曲。
5.根據權利要求4所述的導光板，其中，在所述多個反射單元中位于離所述光入射部遠的反光入射部側的反射單元的尺寸比位于所述光入射部側的反射單元的尺寸大。
6.根據權利要求4或權利要求5所述的導光板，其中，在所述多個反射單元中位于離所述光入射部遠的反光入射部側的反射單元的間距比位于所述光入射部側的反射單元的間距大。
7.根據權利要求1至權利要求6中任一項所述的導光板，其中，從所述光射出部的光射出面到在所述圖像取出部的各反射單元中彎曲的所述圖像光的射出方向的前端即射出側端的距離一定。
8.根據權利要求1至權利要求7中任一項所述的導光板，其中，在所述多個反射單元中，越是尺寸大的反射單元，在該反射單元中彎曲的所述圖像光的射出方向的前端即射出側端越接近所述光射出部，所述多個反射單元在所述預定的排列方向根據各反射單元的尺寸在所述光射出部側突出。
9.根據權利要求1至權利要求8中任一項所述的導光板，其中，所述多個反射單元的尺寸進行變化，使得分別向各反射單元入射的所述圖像光的有效光束寬度保持在預定值以上。
10.根據權利要求1至權利要求9中任一項所述的導光板，其中， 所述多個反射單元的間距在0. 5mm 1. 3mm之間變化。
11.一種虛像顯示裝置，具備根據權利要求1至權利要求10中任一項所述的導光板；以及形成導向所述導光板的所述圖像光的圖像形成裝置。
全文摘要
本發明提供了能夠抑制圖像的分辨率降低的虛像顯示裝置用的導光板和裝入該導光板的虛像顯示裝置。各反射單元(23c)的尺寸在圖像取出部(23)內沿Z方向變化，使得與導光部的全反射角度的狀態關聯。由此，在所有反射單元(23c)，能夠充分確保入射的圖像光的有效光束寬度。因此，能夠避免在反射單元(23c)的反射引起的圖像光的劣化，其結果是，能夠抑制射出的虛像光引起的圖像的分辨率降低。
文檔編號G02B27/00GK102455461SQ20111032231
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月21日 優先權日2010年10月21日
發明者宮尾敏明, 小松朗, 戶谷貴洋, 武田高司, 高木將行 申請人:精工愛普生株式會社