JP6836707B2 - ライトガイド及び虚像表示装置 - Google Patents

ライトガイド及び虚像表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、ライトガイド及びこのライトガイドを用いた虚像表示装置に関する。
2次元の画像を虚像光学系により拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する装置として、ライトガイドを用いた虚像表示装置が知られている。かかる虚像表示装置で用いられるライトガイドの一形態として、近年、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display、以下「HMD」と称する。)が普及し始めている。HMDは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のHMDは、例えばGoogle LTD.(米国)のGoogleglass(商標登録)がある。
透過型のHMDは、情報端末と組み合わせて使用し、あるいはAR(Augmented Reality:拡張現実)等の提供用として使用するため、小型で携帯性が良いものが望まれている。非透過型のHMDは、映画鑑賞やゲームやVR(Virtual Reality:仮想現実)等の提供用として使用するため、没入感が得られる広視野角であることが望まれている。
近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉、小型、かつ、広視野角であることが要請されるようになり、かかる要請を考慮したものとして、例えば特許文献1乃至3が知られている。
特許文献1の装置は、ある特定の反射率のコートを施した幾つものミラーを配置し、光線の入射角度によって、光線の反射と透過を振り分けて、画像光を取り出す方式としている。
特許文献2の装置は、ライトガイドの一つの側面に微細構造体と隙間ゾーンを設け、これらの部分で光線を反射、伝播させることで、画像光を取り出す方式としている。
特許文献3の装置は、互いに対向して延びる第1及び第2の全反射面を有し、導光部の内側に向かって傾斜して延びる複数の第一要素面と、第一要素面に対して鈍角をなして延びる複数の第二要素面とを交互に配置してなる導光板を用いた方式としている。
これらの方式の装置では、コリメート光学系を介してライトガイド内に取り込まれた光線は、導光板内の垂直視野方向において広がって伝播する。このため、広い視野角を達成しようとすると、ライトガイド内に設けた複数のミラーあるいはライトガイドの側面の微細構造では、上手く光を取り出すことが難しく、特に垂直方向の視野が確保できない問題があった。
本発明は、虚像表示装置用のライトガイドにおいて広い視野角、特に垂直方向の視野角を確保することを主たる目的とする。
本発明は、画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する導光部材を備える虚像表示装置用のライトガイドであって、導光部材は、画像光が入射される光線入射部と、光線入射部から入射し、ライトガイド内を導光する光線を反射させる反射部と、画像光を外部に射出する光線射出部と、画像光を光線射出部に向かって反射する画像取り出し部と、を有し、反射部は、光線射出部に垂直な反射面を有することを最も主要な特徴とする。
本発明によれば、虚像表示装置用のライトガイドの広い視野角が実現され、特に垂直方向の視野角が確保される。
本発明に係るライトガイドの実施形態を示す正面図である。 上記ライトガイドを備える虚像表示装置の光路図である。 上記ライトガイドが備える導光部材の斜視図である。 上記導光部材の上面図である。 導光部材における光線入射部を説明するための部分拡大正面図である。 導光部材における画像取出部および光線射出部を説明するための部分拡大正面図である。 上記光線入射部から入射した光線のうち、導光部材の反射部で反射せずに光線射出部から射出されて眼に入る光線を、上記ライトガイドの正面から見た光路図である。 上記光線を上記ライトガイドの上面から見た光路図である。 上記光線入射部から入射した光線のうち、上記反射部で2回反射した後に上記光線射出部から射出されて眼に入る光線を、上記ライトガイドの正面から見た光路図である。 上記光線を上記ライトガイドの上面から見た光路図である。 上記光線入射部から入射した光線のうち、上記反射部で4回反射した後に上記光線射出部から射出されて眼に入る光線を、上記ライトガイドの正面から見た光路図である。 上記光線を上記ライトガイドの上面から見た光路図である。 本発明にかかるライトガイドの他の実施の形態を示す斜視図である。 上記ライトガイドの上面図である。 上記ライトガイドの光線入射部から入射した光線のうち、導光部材の反射部で2回反射した後に光線射出部から射出されて眼に入る光線を、上記ライトガイドの正面から見た光路図である。 上記光線を上記ライトガイドの上面から見た光路図である。 図1に示すライトガイドを備える虚像表示装置の実施例を説明する光路図である。 上記虚像表示装置を上面側からみた光路図である。 図13に示すライトガイドを備える虚像表示装置の実施例を説明する光路図である。 上記虚像表示装置を上面側からみた光路図である。 従来のライトガイドに光線入射部から光線が入射した様子を示す上面図である。
●ライトガイド(1)●
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。以下の実施形態は、透過型のライトガイド及びこれを用いた虚像表示装置に関する。
図1に実施形態のライトガイド50を示し、かかるライトガイド50を虚像表示光学系の光路上に配置した虚像表示装置1の構成を図2に示す。図2では、虚像表示装置における虚像表示光学系の光路を示すとともに、装置のユーザすなわち虚像観察者の目を模式的に描いている。以下、ライトガイド50の面に関し、観察者から見て手前側(図1及び図2において下側)の面を「後面」とし、奥側(図1及び図2において上側)の面を「前面」として説明する。
図2に示すように、虚像表示装置1は、光源0および虚像表示光学系を備える。虚像表示装置1は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子10と、画像表示素子10からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系300と、ライトガイド50とを虚像表示光学系として備える。
図2では、画像表示素子10として、光源を必要とするLCOSやDMDなどを用いた例を示しており、画像表示素子10を照明するための光源0を加えている。光源0は、種々のものが適用でき、例えばLED(Light Emitting Diode)、半導体レーザ(Laser Diode:LD)、放電ランプなどを用いることができる。
画像表示素子10は、ライトガイド50を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子10は、有機ELD(OLED:Organic Light Emitting Diode)や液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子10として、DMD(Digital Micromirror Device)が適用可能である。また、画像表示素子10として、TFT(Thin Film Transistor)やLCOS(Liquid Crystal On Silicon)が適用可能である。さらに、画像表示素子10として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が適用可能である。
コリメート光学系300は、複数の光学レンズや絞りなどから構成され、画像表示素子10から出射される画像光を拡大し平行光として射出する。コリメート光学系300は、導光部材100の後述する光線入射部101の直近に配置され、画像表示素子10で表示される画像光すなわち表示画像の画像情報を角度変換してライトガイド50に入射する。
図3および図4に示すように、ライトガイド50は、前面側から見た形状が長方形の板状の素子である。ライトガイド50は、コリメート光学系300で拡大された平行光である画像光を内部に入射及び導光して、虚像表示のために射出する。
●導光部材100の構成
ライトガイド50は、導光部材100を有する。導光部材100の材質は、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質、例えば硝子等が好ましい。また、導光部材100は、後述する画像取り出し部103の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。
導光部材100は、画像光を導光部材100の内部に入射する光線入射部101と、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための光線射出部104を備える。また、導光部材100は、反射部106と、導光部材100内を進行する画像光を光線射出部104に導光して取り出すための画像取り出し部103と、を備える。
導光部材100は、前面に画像取り出し部103が、後面に光線射出部104が、それぞれ設けられている。画像取り出し部103は、導光部材100内に導光される画像光を光線射出部104に向けて反射する。光線射出部104は、画像取り出し部103から導かれた画像光を虚像観察者の目に向けて導光部材100の外部に射出する。観察者は、光線射出部104を通して前方を覗くことで画像光の虚像を確認することができる。
導光部材100の前面と後面のうち、画像取り出し部103と光線射出部104以外の部分は、内側が全反射面となっている。光線入射部101から入射した光線は、導光部材100の内側の面に反射しながら導光部材100内を進行する。
●反射部106の構成
図2及び図3に示すように、反射部106は、導光部材100の内部の、画像光の光路上に設けられている。反射部106は、画像光が入射する面が反射面となっている。反射面は、光線射出部104に垂直に設けられている。ここで、図3において、Z軸は導光部材100の長辺方向に平行であり、Y軸は光線射出部104の射出面に直交する方向である。X軸は、Y軸及びZ軸に直交する方向である。言い換えれば、光線射出部104は、図3中のZ軸に平行であり、反射面は、Y軸に平行である。反射面が光線射出部104に垂直に設けられているため、導光部材100内を進行する光線は、反射面で反射してもY軸方向の成分が変化せずに進行する。
反射面は、導光部材100内を導光する光線の導光方向軸に対して傾斜していて、光線入射部101から入射した光線の一部が反射面に入射するように配置されている。反射面は、光線入射部101から入射し導光部材100内を導光する画像光の進行方向を変える。反射面は、導光部材100におけるZ軸方向の中心から外側へ発散する光線を、Z軸中心方向へ収束する方向に変える。
反射部106は、エアギャップで形成されたスリット構造である。すなわち、反射部106は、空気で満たされた空隙である。スリットの幅を1.0mm未満とすることで、観察者は、良好な虚像を観察することができる。
スリット構造は、切削加工で形成してもよい。また、スリット構造は、導光部材を複数の部材の接着により形成し、部材同士の接着時に隙間を設けることで形成してもよい。さらに、スリット構造は、成形加工時に金型にピンを設け、樹脂が流れ込まない領域を設けることで形成してもよい。
反射部106は、ミラー材料で形成してもよい。例えば、反射部106は、薄いミラーを成形時に導光部材に組み込むことで形成してもよい。
反射部106の反射面は、全反射で反射させてもよい。また、反射面は、反射コーティングを施した面を用いてもよい。
反射部106の長さを10mm以上としてもよい。この構成により、反射部106は、コリメート光学系300を介してコリメートされて幅を持って入射した光線を、確実に反射することができる。
導光部材100は、反射部106を複数有する。本実施の形態では、導光部材100は、4つの反射部106a、106b、106c、106dを有する。反射部106aおよび反射部106bは、長さが等しく、導光部材100の長辺方向における中心軸に対して対称に配置されている。反射部106aと反射部106bの距離は、光線入射部101から遠ざかるほど近づいている。また、反射部106cおよび反射部106dは、長さが等しく、導光方向を軸として対称に配置されている。反射部106cと反射部106dの距離は、光線入射部101から遠ざかるほど離れている。
すなわち、反射部106aおよび反射部106dの、導光部材100における長辺方向中心軸、言い換えればZ軸に対する角度をθs1、反射部106bおよび反射部106cのZ軸に対する角度をθs2とすると、θs1=−θs2である。
反射部106aおよび反射部106dは、互いに平行である。また、反射部106bおよび反射部106cは、互いに平行である。
上述のように反射部106を配置することにより、反転した光線と反転していない光線が画像上で重ならない。すなわち、導光部材100は、鮮明な虚像を射出することができる。
●光線入射部101の構成
図5に示すように、光線入射部101は、画像光を導光部材100の内部に導光する。光線入射部101は、正面から見て傾斜していて、導光方向軸に垂直である。
●画像取り出し部103の構成
図6に示すように、画像取り出し部103は、反射部106で反転された画像光を光線射出部104に導光する画像取り出し面1030を備えている。画像取り出し面1030は、光線射出部104に平行な第1面1031と、光線射出部104から角度θaで傾斜する第2面1032を有する。第1面1031と第2面1032は、交互に多数配置されている。第1面1031は、光線射出部101の方から斜めに入射した画像光を全反射する。
複数の第1面1031と光線射出部104との距離は、光線入射部101から遠ざかるに従って小さくなっている。すなわち、画像取り出し部103は、階段状に形成されている。この構成により、画像取り出し部103によって全反射する光線の間隔が狭まる。したがって、輝度むらの少ない良好な虚像を観察することができる。
画像取り出し面1030には任意のコートを施すことができ、例えば、アルミニウムや銀、誘電コートなどのミラーコートを施すことができる。導光される画像光の光量の損失を出来るだけ防止するために、画像取り出し面1030には、反射率が10%以上のコートを施すことが望ましく、さらには、反射率が略100%のコートを施すことが、より望ましい。さらに、第2面1032のみにミラーコートを施すことで、シースルー性を確保しつつ虚像を観察することが可能になる。
●従来の導光部材900
図21に示すように、反射部を有しない従来の導光部材900に光線入射部901から入射した画像光は、導光部材900内を進むに従って発散する。発散の度合いは広角になるほど顕著になり、画像取り出し部903で反射して光線射出部から出射する光線も発散方向になる。すなわち、光線射出部から出射する画像光は、観察者の眼に入らない。すなわち、従来の導光部材900における光線射出部を覗いている観察者は、欠けた虚像を視認する。
●導光部材100に入射した画像光の光路
図7および図8は、反射部106で反射せずに光線射出部104から射出され、眼に入る光線11の光路図である。光線11は、画像表示素子10の垂直方向中心近傍から射出しているため、上面から見た発散角は小さい。そのため、眼に入っていく光線の発散角も小さい。したがって、光線11は、反射部106に反射せずとも眼に入射する。
図9および図10は、反射部106で2回反射した後に光線射出部104から射出され、眼に入る光線12の光路図である。光線12は、画像表示素子10の垂直方向に角度を持った位置から射出しているため、上面から見た発散角が光線11よりも大きい。そのため、眼に入っていく光線の発散角も大きい。したがって、光線12は反射部106がないと眼に入らず発散する。
図10に示すように、光線12は、反射部106aで反射して、発散方向が変化する。反射部106aで反射した光線12は、反射部106dで反射して再び発散方向が変化する。光線12は、導光部材100の内部を進行し、導光部材100の中心近傍で光線射出部104から射出され、眼に至る。光線12は、発散方向は元の光線と等しいが位置がずれた光線となる。この場合、発散方向が2度変えられているため、画像の反転は生じず、図7および図8に示した光線と同じ向きの画像が形成される。
反射部106aおよび反射部106dの、導光方向軸に対する角度θs1の範囲は、5°<θs1<20°であり、好ましくはθs1=10°である。反射部106の反射面が互いに平行である場合、光線の発散角が保存されるため、画像情報が保存される。
図11および図12は、反射部106で4回反射した後に光線射出部104から射出され、眼に入る光線13の光路図である。光線13は、光線12よりも画像の垂直方向に画角を持った位置から射出しているため、上面から見た光線の発散角がより大きい。そのため、反射部106がないと観察者の眼には入射しない。
本実施形態においては、光線13は、反射部106aで反射して発散方向が変えられた後、反射部106bで再び発散方向が変えられる。その後、反射部106cで反射して発散方向が変えられた後、反射部106dで反射して再び発散方向が変えられる。光線13の発散方向は、元の光線と等しいが位置がずれた光線となる。この場合、発散方向が4回変えられているため、画像の反転は生じず、光線11および光線12と同じ向きの画像が形成される。
光線12及びL3が反射部106により反射して観察者の眼に入射することで、ライトガイド50は、広い視野角を実現する。
●ライトガイド(2)●
次に、本発明にかかるライトガイドの他の実施の形態について、先に説明した実施の形態と異なる部分を中心に説明する。図13及び図14に示すように、ライトガイド250が備える反射部206は、導光部材200の側面に形成されている。導光部材200は、前面側から見て中央にくびれのある形状である。導光部材200は、反射部206a、206b、206c、及び206dを有する。
図15及び図16を参照して、導光部材200に入射した画像光のうち、反射部206に2回反射した後光線射出部204から射出され、眼に入る光線14の光路について説明する。
コリメート光学系300を出射した光線14は、導光部材200の光線入射部201に入射する。光線入射部201から入射した光線14は、反射部206a及び反射部206dで反射した後、画像取り出し部203で反射され、光線射出部204から射出される。光線14は、発散方向が2回変えられているため、画像の反転は生じない。
光線14が反射部206により反射して観察者の眼に入射することで、ライトガイド250は、広い視野角を実現する。
上述した各実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材100(200)の光線入射部101(201)を配置して、画像光を虚像観察者の左側から入射する例について説明した。かかる配置を左右逆にする場合、すなわち虚像観察者の右側に導光部材100(200)の光線入射部101(201)を配置して、画像光を虚像観察者の右側から入射する場合も、上述と同一の効果が得られる。
また、図17乃至図20では虚像観察者の片方の目のみ図示したが、上述したライトガイド50(250)は、射出される画像を両目で確認することができる。また、ライトガイド50(250)をより小型に形成して、単眼用のライトガイドとすることもできる。
図17及び図18を参照して、導光部材100の具体的な実施例を説明する。導光部材100の寸法、虚像表示装置1が有するコリメート光学系300の焦点距離、及び虚像観察者の位置を以下の数値に設定した。
・導光部材の厚み(肉厚):最薄部0.75mm、最厚部1.75mm
・導光部材の長手方向の長さ:60.8mm
・導光部材の幅:15mm
・θa=31.5度
・θs=12度
・θs’=−12度
・t(スリットの幅)=0.1mm
・L1(反射部106a及び反射部106bの長さ)=12.0mm
・L2(反射部106c及び反射部106dの長さ)=30.0mm
・水平視野角:50度、垂直視野角:30度
・コリメータレンズ焦点距離:7.5mm
・アイボックス:5mm以上
・アイレリーフ:15mm以上
上記のうち、導光部材の厚みは、図1及び図3中に加えた矢印Y方向のサイズである。導光部材の幅は、図3中に加えた矢印X方向のサイズである。
虚像として確認できる視野の幅を「アイボックス」と称し、虚像が確認できる光線射出部104から眼球までの距離を「アイレリーフ」と称する。
導光部材100の材質は、屈折率(Nd)=1.53の樹脂とした。
図19及び図20を参照して、導光部材200の具体的な実施例を説明する。導光部材200の寸法、虚像表示装置1が有するコリメート光学系300の焦点距離、及び虚像観察者の位置を以下の数値に設定した。
・導光部材の厚み(肉厚):最薄部0.75mm、最厚部1.75mm
・導光部材の長手方向の長さ:60.8mm
・導光部材の幅:最長部15mm、最短部1.8mm
・θa=31.5度
・θs=10度
・θs’=−10度
・L1(反射部206a及び反射部206bの長さ)=14.7mm
・L2(反射部206c及び反射部206dの長さ)=26.7mm
・水平視野角:50度、垂直視野角:35度
・コリメータレンズ焦点距離:7.5mm
・アイボックス:5mm以上
・アイレリーフ:15mm以上
上記のうち、導光部材の厚みは、図13及び図14中に加えた矢印Y方向のサイズである。導光部材の幅は、図13及び図14中に加えた矢印X方向のサイズである。ここで、Z軸は導光部材100の長辺方向に平行であり、Y軸は光線射出部104の射出面に直交する方向である。X軸は、Y軸及びZ軸に直交する方向である。
導光部材100の材質は、屈折率(Nd)=1.53の樹脂とした。
上述した実施形態では、ライトガイドを眼鏡型のHMDに適用する場合を想定して説明した。上述したライトガイド50、250は、他の種類のHMDにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ(HUD)にも適用できる。ライトガイド50は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。
以上のように、上述した実施形態によれば、肉薄で、40度以上の広い視野角を確保でき、特に垂直方向の視野角を良好に確保できる虚像表示装置用のライトガイドを提供することができる。
0 光源
10 画像表示素子
50 ライトガイド
100 導光部材
101 光線入射部
103 画像取り出し部
104 光線射出部
106 反射部
300 コリメート光学系
特開2013−210633号 特許5421285号 特許第5703875号

Claims (10)

  1. 画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する導光部材を備える虚像表示装置用のライトガイドであって、
    前記導光部材は、
    前記画像光が入射する光線入射部と、
    前記光線入射部から入射し、前記ライトガイド内を導光する光線を反射する反射部と、
    前記画像光を外部に射出する光線射出部と、
    前記画像光を前記光線射出部に向かって反射する画像取り出し部と、
    を有し、
    前記画像取り出し部は、前記光線射出部に平行な第1面と、前記光線射出部に対して傾斜する第2面をそれぞれ複数有し、前記画像取り出し部と前記光線射出部との間隔は前記光線入射部から遠ざかるについて小さくなり、
    前記反射部は、第1の反射部と、前記第1の反射部より前記光線射出部側に設けられた第2の反射部とを有し、
    前記第1の反射部は、共に前記光線射出部に垂直な第1の反射面と第2の反射面を有し、
    前記第2の反射部は、共に前記光線射出部に垂直な第3の反射面と第4の反射面を有し、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面との距離は前記光線入射部から遠ざかるほど小さく、
    前記第3の反射面と前記第4の反射面との距離は前記光線入射部から遠ざかるほど大きくなり、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面との前記光線射出部側における距離が、前記第3の反射面と前記第4の反射面との前記光線入射部側における距離より近い
    ライトガイド。
  2. 前記反射部は、前記導光部材に設けられたスリットである、請求項1記載のライトガイド。
  3. 前記スリットは、エアギャップで形成されている、請求項2記載のライトガイド。
  4. 前記スリットの幅は1.0mmより小さい、請求項2又は3記載のライトガイド。
  5. 前記反射部は、前記導光部材の側面に設けられている、請求項1記載のライトガイド。
  6. 前記反射部は、前記導光部材内の導光方向に対して傾斜している、請求項1乃至5のいずれかに記載のライトガイド。
  7. 前記第1の反射面と前記第3の反射面とは互いに平行である、請求項1乃至6のいずれかに記載のライトガイド。
  8. 前記第2の反射面と前記第4の反射面は互いに平行であって、前記第1の反射面と前記導光部材の長辺方向の中心軸とがなす角θs1と、前記第2の反射面と前記導光部材の長辺方向の中心軸とがなす角θs2との関係は、θs1=−θs2である、請求項7記載のライトガイド。
  9. 前記反射部の長さは10mm以上である、請求項1乃至8のいずれかに記載のライトガイド。
  10. 虚像を表示させるための虚像光学系を備える虚像表示装置であって、
    前記虚像光学系は、
    光源と、
    前記光源からの光線が入射する画像表示素子と、
    前記画像表示素子の画像情報を角度変換するコリメート光学系と、
    前記コリメート光学系から出射した光線が入射して、前記画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する導光部材を備えるライトガイドと、
    を有し、
    前記導光部材は、
    前記画像光が入射する光線入射部と、
    前記光線入射部から入射し、前記ライトガイド内を導光する光線を反射する反射部と、
    前記画像光を外部に射出する光線射出部と、
    前記画像光を前記光線射出部に向かって反射する画像取り出し部と、
    を有し、
    前記画像取り出し部は、前記光線射出部に並行な第1面と、前記光線射出部に対して傾斜する第2面をそれぞれ複数有し、前記画像取り出し部と前記光線射出部との間隔は前記光線入射部から遠ざかるについて小さくなり、
    前記反射部は第1の反射部と、前記第1の反射部より前記光線射出側に設けられた第2の反射部を有し、
    前記第1の反射部は前記光線射出部に垂直な第1の反射面と第2の反射面を有し、
    前記第2の反射部は前記光線射出部に垂直な第3の反射面と第4の反射面を有し、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面との距離は前記光線入射部から遠ざかるほど近づいており、
    前記第3の反射面と前記第4の反射面との距離は前記光線入射部から遠ざかるほど離れており、
    前記第1の反射面と前記第2の反射面との前記光線射出部側における距離が、前記第3の反射面と前記第4の反射面との前記光線入射部側における距離より近い
    虚像表示装置。
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