JP7076995B2 - Display device and head-mounted display - Google Patents
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Description
本発明は、表示装置及びヘッドマウントディスプレイに関し、特に、導光板を用いた表示装置に関する。 The present invention relates to a display device and a head-mounted display, and more particularly to a display device using a light guide plate.
導光板を用いた表示装置は、表示素子から射出した光を導光板によって観察者の眼へ導いて、観察者の眼に画像を表示する装置である。 A display device using a light guide plate is a device that guides the light emitted from the display element to the observer's eyes by the light guide plate and displays an image in the observer's eyes.
特許文献１には、表示素子からの光を平面基板内に閉じ込めて、その光を平面基板の中に配置した複数の取出ミラーによって外へ射出し、観察者の眼に画像を表示する表示装置が開示されている。 Patent Document 1 describes a display device in which light from a display element is confined in a flat substrate, and the light is emitted to the outside by a plurality of extraction mirrors arranged in the flat substrate to display an image in the eyes of an observer. Is disclosed.
特許文献２には、表示素子からの光を平面基板内に閉じ込めて、その光を平面基板の下に配置した複数の取出ミラーによって外へ射出し、観察者の眼に画像を表示する表示装置が開示されている。
特許文献３には、表示素子からの光を平面基板内に閉じ込めて、その光を平面基板の上に配置した複数の取出ミラーによって外へ射出し、観察者の眼に画像を表示する表示装置が開示されている。
なお、特許文献４では、異なる反射率の複数領域を有するミラーで偏向光束群のそれぞれの光束幅を大きくすることが開示されている。 It should be noted that Patent Document 4 discloses that a mirror having a plurality of regions having different reflectances increases the light flux width of each of the polarized light flux groups.
特許文献１では、取出ミラーを平面基板内の上面から下面に渡って配置しているため、取出ミラーには平面基板の下面で全反射した光だけでなく平面基板の上面で全反射した光が直接入射してしまい、ゴーストが発生してしまうおそれがある。 In Patent Document 1, since the extraction mirror is arranged from the upper surface to the lower surface in the flat substrate, the extraction mirror receives not only the light totally reflected by the lower surface of the flat substrate but also the light totally reflected by the upper surface of the flat substrate. There is a risk that ghosts will occur due to direct incident.
特許文献２及び３では、複数の取出ミラーを使用しているが、その複数の取出ミラーで偏向された偏向光束群のそれぞれの光束幅が小さくなり、光束と光束との間に大きな空隙ができてしまっていた。その結果、特許文献２及び３の表示装置では、偏向光束群の光量分布が均一でなくなり、高画質な画像を表示することができなかった。
In
そこで、本発明は、より高画質な画像を表示することができる表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a display device capable of displaying a higher image quality image.
本発明の一側面としての表示装置は、導光素子と、表示素子からの光を前記導光素子に入射させる入射光学系とを備える表示装置であって、前記導光素子は、前記入射光学系からの前記光を第１方向に導く第１導光部と、前記第１導光部からの前記光を前記第１方向と交差する第２方向に導く第２導光部とを有し、前記第１導光部及び前記第２導光部の少なくとも一方は、前記光が入射する入射面と、前記第１方向又は前記第２方向に沿って配置されており且つ前記光を反射するミラー群と、該ミラー群と対向する反射面とを有し、前記ミラー群は、夫々が前記光を部分的に反射する領域を含む複数のミラーを有し、前記複数のミラーは、第１ミラーと、該第１ミラー及び前記入射面の間に配置される第２ミラーとを含み、前記反射面と前記第１ミラーとの最短距離は、前記反射面と前記第２ミラーとの最短距離よりも長いことを特徴とする。 The display device as one aspect of the present invention is a display device including a light guide element and an incident optical system for incident light from the display element on the light guide element, and the light guide element is the incident optical. It has a first light guide unit that guides the light from the system in the first direction, and a second light guide unit that guides the light from the first light guide unit in a second direction that intersects the first direction. At least one of the first light guide unit and the second light guide unit is arranged along the first direction or the second direction with the incident surface on which the light is incident, and reflects the light. The mirror group has a mirror group and a reflecting surface facing the mirror group, and each of the mirror group has a plurality of mirrors including a region in which the light is partially reflected, and the plurality of mirrors are the first. It includes one mirror and a second mirror arranged between the first mirror and the incident surface , and the shortest distance between the reflecting surface and the first mirror is the shortest distance between the reflecting surface and the second mirror. It is characterized by being longer than the distance.
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。 Other aspects of the invention will be demonstrated in embodiments described below.
本発明によれば、より高画質な画像を表示することができる表示装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a display device capable of displaying a higher image quality image.
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明を適用可能な実施例１の表示装置について説明する。 The display device of Example 1 to which the present invention can be applied will be described.
図１に本発明を適用できる表示装置を示す。 FIG. 1 shows a display device to which the present invention can be applied.
表示装置１は、導光板（導光素子）２、入射光学系３、表示素子４を有する。
The display device 1 includes a light guide plate (light guide element) 2, an incident
表示素子４から放射された発散光束は、入射光学系３により平行光束に変換されて導光板２の入射面に結合され、結合された光束は導光板２の内部を伝搬した後、導光板２の射出面から射出されて観察者の眼５に入射する。このように、本実施例の表示装置１は、観察者が導光板２の射出面側の所定の位置に眼５を置いた際に、観察者の眼５に画像（映像を含む）を表示することが可能な表示装置である。表示素子４としては、透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＯＳ）、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（ＯＬＥＤ）、空間変調装置（ＳＬＭ）などを用いることができる。
The divergent light flux radiated from the display element 4 is converted into a parallel light beam by the incident
図２に本実施例の導光板を示す。 FIG. 2 shows the light guide plate of this embodiment.
本実施例の導光板２は、光束が導光板内部を水平方向（第１方向）に伝搬する水平導光部２１と垂直方向（第２方向）に伝搬する垂直導光部２２とを有する。水平導光部２１は、水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２とを有し、水平伝搬部２１１の下に水平ミラー群２１２を配置している。また、垂直導光部２２は、垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２とを有し、垂直伝搬部２２１の観察者の眼５を配置する側に垂直ミラー群２２２を配置している。そして、水平ミラー群２１２の下に垂直伝搬部２２１を配置して、水平導光部２１と垂直導光部２２とを連結し、導光板２を構成している。
The
図３（Ａ）は、水平導光部の上面図、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は水平導光部の正面図である。 3 (A) is a top view of the horizontal light guide unit, and FIGS. 3 (B) and 3 (C) are front views of the horizontal light guide unit.
図３（Ａ）、図３（Ｂ）には、観察者の眼に対する画角の中心を通過する光束（導光板からＸ方向と平行に射出する光束）、すなわち中心画角の光束が、水平導光部内を伝搬する様子も示した。 In FIGS. 3A and 3B, the luminous flux passing through the center of the angle of view with respect to the observer's eye (the luminous flux emitted from the light guide plate in parallel with the X direction), that is, the luminous flux at the central angle of view is horizontal. The state of propagating in the light guide section was also shown.
図３（Ａ）ならびに図３（Ｂ）を用いて、水平導光部内の光束伝搬について説明する。 The light flux propagation in the horizontal light guide section will be described with reference to FIGS. 3 (A) and 3 (B).
水平導光部２１は、水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２を備え、水平伝搬部２１１の下面２１１４の一部と水平ミラー群２１２の上面とを接合して構成している。この接合面、すなわち、水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２の間には、入射した一部の光束が透過し且つ一部の光束が反射する透過反射膜を配置している。
The horizontal
水平伝搬部２１１は、正面２１１１、背面２１１２、上面２１１３、下面２１１４、左面２１１５、右面２１１６を有する立方体であり、長さＬ、高さＨ、幅Ｗとしたときに、長さＬが最も大きく、次に高さＨが大きく、幅Ｗが最も小さい構成である。水平伝搬部２１１は水平方向（Ｚ軸方向）が長手の立方体であり、上面２１１３が垂直導光部２２を配置したＹ方向を向くように配置した。また、水平ミラー群２１２を水平伝搬部の上面２１１３（第１反射面）と対向させて配置している。
The
水平伝搬部の左面２１１５を入射面としており、図示しない入射光学系からの光束がその入射面から入射する。また、水平伝搬部の下面２１１４（第１射出面）のうち水平ミラー群２１２と接合されている領域を射出領域としており、水平伝搬部の少なくとも一部を通過した光がその射出領域から射出する。入射光束のうち中心画角の光束は、水平伝搬部２１１の長手方向の軸（長軸）Ａｘに対して、ＸＺ断面方向に±２６°、ＹＺ断面方向±３２°の４つの角度で平伝搬部２１１内部に入射され、水平導光部２１内部の伝搬光束となる。中心画角の光束がＸＺ断面方向、ＹＺ断面方向それぞれにプラスとマイナスの傾きを持ち、４つの角度で入射する理由は、実施例２の図９（Ａ）、図９（Ｂ）を用いて後程詳述する。ここでは簡単に説明する。水平導光部に接続される入射光学系３の接続部３２には、背面２１１２と上面２１１３にそれぞれ平行な平面部（不図示）が設けられている。その平面部で内面反射されて水平導光部に入射する光束とその平面部で内面反射せずに水平導光部に入射する光束とが、ＸＺ断面方向及びＹＺ断面方向のそれぞれで生じるため、４つの角度で入射することになる。本実施例では入射光学系と水平導光部２１を同じ材料で構成しており、水平導光部２１内部でも伝搬光束は長軸Ａｘに対してＸＺ断面方向に±２６°、ＹＺ断面方向に±３２°の角度を有する。このとき、長軸Ａｘに対する伝搬光束が成す角度をＸＺ断面方向とＹＺ断面方向でそれぞれＸＺ伝搬角、ＹＺ伝搬角と呼ぶ。
The
図３（Ａ）において、伝搬光束５１１と５１３は、ＸＺ伝搬角＋２６°の光束で、伝搬光束５１２と５１４は、ＸＺ伝搬角－２６°の光束であり、それらの伝搬光束は、正面２１１１と背面２１１２で全反射を繰り返して右面２１１６まで到達する。
In FIG. 3A, the propagating
図３（Ｂ）において、伝搬光束５１１と５１２は、ＹＺ伝搬角＋３２°の光束で、伝搬光束５１３と５１４は、ＸＺ伝搬角－３２°の光束であり、それらの伝搬伝搬光束は、上面２１１３で全反射、下面２１１４で反射を繰り返して右面２１１６まで到達する。
In FIG. 3B, the propagating
このように、中心画角の光束を含む全画角の伝搬光束は、水平伝搬部２１１内で２次元方向（ＸＺ断面方向とＹＺ断面方向）に角度を有して伝搬しており、伝搬光束が水平伝搬部２１１内を螺旋状に伝搬するように構成している。
In this way, the propagating light beam of all angles of view including the light beam of the central angle of view propagates at an angle in the two-dimensional direction (XZ cross-sectional direction and YZ cross-sectional direction) in the horizontal propagating
伝搬光束は、水平伝搬部２１１の水平方向に平行な４面（正面２１１１、背面２１１２、上面２１１３、下面２１１４）で内面反射を繰り返しながら右面２１１６まで水平方向に伝搬される。水平伝搬部の下面２１１４に到達した伝搬光束は、接合面に設けた透過反射膜によって一部が反射、一部が透過し、透過した伝搬光束は水平ミラー群２１２へ入射する。水平ミラー群２１２には、ＹＺ断面内に傾きを有した複数枚の水平取出ミラー２１２０をＺ軸方向に並べて配置しており、水平ミラー群２１２へ入射した伝搬光束を水平取出ミラー２１２０で反射してＹ軸方向に偏向し、垂直導光部へ入射させている。
The propagating light beam propagates horizontally to the
前述したように、本実施例では一つの画角に対して、伝搬角はＸＺ断面方向、ＹＺ断面方向それぞれにプラス方向とマイナス方向があり、全部で４方向となる。このように配置することで、水平伝搬部２１１内を伝搬光束で満たすことができ、水平伝搬部２１１のどの位置で伝搬光束を取り出しても観察者の眼に入射する光束の光量分布を均一にすることができる。
As described above, in this embodiment, the propagation angle has a plus direction and a minus direction in each of the XZ cross-section direction and the YZ cross-section direction for one angle of view, and there are a total of four directions. By arranging in this way, the inside of the horizontal propagating
図示しないが、水平導光部２１内部の伝搬角について、各画角光束は中心画角光束に対して、それぞれＸＺ断面方向に０°～±７．７°、ＹＺ断面方向に０°～±１３．５°の角度を有している。屈折率Ｎ＝１．４以上２．０以下の導光板から屈折率Ｎ＝１．０の空気層へ射出して観察者の眼に入射する際には、射出面で屈折するために画角は伝搬角よりも大きくなる。ＸＺ断面方向が垂直方向なので、ＸＺ伝搬角は垂直画角に変換されて０°～±１１．６°、ＹＺ断面方向が水平方向なのでＹＺ伝搬角が水平画角に変換されて０°～±２０．０°を有する表示装置となる。
Although not shown, with respect to the propagation angle inside the horizontal
水平伝搬部内の伝搬角ωと水平伝搬部の側面（上面、下面、正面、及び背面）への入射角Ψとはω＝９０°－Ψの関係にある。水平伝搬部内の伝搬光束の伝搬角を大きく設定すれば、水平伝搬部の材料の屈折率によっては水平伝搬部の側面で全反射せずに透過してしまう状況が発生する。例えば、水平伝搬部の材料が合成石英（Ｎｄ＝１．４５８５７）であった場合、臨界角は４３．２８°となり、伝搬角ω＝９０°－４３．２８°＝４６．７２°以上で水平伝搬部の側面を透過してしまう。 The propagation angle ω in the horizontal propagation portion and the incident angle Ψ on the side surfaces (upper surface, lower surface, front surface, and back surface) of the horizontal propagation portion have a relationship of ω = 90 ° −Ψ. If the propagation angle of the propagating luminous flux in the horizontal propagating portion is set large, a situation may occur in which the light is transmitted on the side surface of the horizontal propagating portion without total reflection depending on the refractive index of the material of the horizontal propagating portion. For example, when the material of the horizontal gene transfer part is synthetic quartz (Nd = 1.45857), the critical angle is 43.28 °, and the horizontal gene transfer angle is ω = 90 ° -43.28 ° = 46.72 ° or more. It penetrates the side surface of the propagation part.
本実施例では、水平伝搬部内において２次元方向に伝搬させており、２次元方向の合成の入射角が１次元方向に伝搬させた場合と比較して水平伝搬部の側面への入射角を大きくすることができる。水平伝搬部内における伝搬角ωは条件式（１）の範囲とするのが良い。
１０°≦ω≦５０°… 条件式（１）
In this embodiment, the propagation is performed in the two-dimensional direction in the horizontal propagation portion, and the incident angle to the side surface of the horizontal propagation portion is larger than that in the case where the incident angle of the composition in the two-dimensional direction is propagated in the one-dimensional direction. can do. The propagation angle ω in the horizontal propagation portion should be within the range of the conditional expression (1).
10 ° ≤ ω ≤ 50 ° ... Conditional expression (1)
上限を超えると、水平伝搬部の側面への入射角が材料によっては臨界角を下回る。下限を下回ると水平ミラー群２１２で反射された偏向光束群に多くの空隙が生じてしまう。後者については、図４を用いて後程詳述する。
When the upper limit is exceeded, the angle of incidence on the side surface of the horizontal gene transfer portion falls below the critical angle depending on the material. Below the lower limit, many voids are generated in the deflection luminous flux group reflected by the
本実施例では、水平伝搬部内で、ＸＺ断面方向の伝搬角（ＸＺ伝搬角ωｘｚ）を＋１８．３°～＋３３．７°、－１８．３°～－３３．７°とし、ＹＺ断面方向の伝搬角（ＹＺ伝搬角ωｙｚ）を＋１８．５°～＋４４．５°、－１８．５°～－４４．５°とした。なお、２次元方向の伝搬角ωが“９０°－臨界角”未満になる範囲で１次元方向のＸＺ伝搬角又は１次元方向のＹＺ伝搬角を“９０°－臨界角”以上に設定して、広画角の光束を光量ロスを低減しつつ伝搬することも可能である。 In this embodiment, the propagation angle (XZ propagation angle ωxz) in the XZ cross-sectional direction is set to + 18.3 ° to + 33.7 ° and -18.3 ° to -33.7 ° in the horizontal propagation section, and is in the YZ cross-sectional direction. The propagation angle (YZ propagation angle ωyz) was set to + 18.5 ° to + 44.5 ° and -18.5 ° to -44.5 °. In addition, set the XZ propagation angle in the one-dimensional direction or the YZ propagation angle in the one-dimensional direction to "90 ° -critical angle" or more within the range where the propagation angle ω in the two-dimensional direction is less than "90 ° -critical angle". It is also possible to propagate a light beam with a wide angle of view while reducing the amount of light loss.
図３（Ｃ）には画角光線の伝搬の様子を示す。 FIG. 3C shows the propagation of the angle-of-view ray.
図３（Ｃ）を用いて各画角光束について説明する。 Each angle of view luminous flux will be described with reference to FIG. 3 (C).
図３（Ｃ）中の画角光束５１１はＹＺ伝搬角＋３２°、画角光束５２３はＹＺ伝搬角－４５°、画角光束５３３はＹＺ伝搬角－１９°で水平伝搬部２１１内を伝搬している。各画角の伝搬光束はプラス方向とマイナス方向の伝搬角を有するが、図３（Ｃ）中にはそのうちの１つを表示している。
The angle of view
伝搬光束５１１、５２３、５３３は、水平伝搬部２１１の上面、下面、正面、及び背面で内面反射（全反射）を繰り返しながら伝搬する。伝搬光束が透過反射膜を塗布した下面２１１４に到達した際、伝搬光束の一部は下面２１１４を透過して水平ミラー群２１２へ入射し、他の一部は下面２１１４で反射して水平伝搬部２１１内を伝搬する。
The propagating
水平ミラー群２１２にはＹＺ断面内に傾きを有した複数の取出ミラー２１２０を配置しており、水平ミラー群２１２へ入射した光を取出ミラー２１２０で反射してＹＺ断面方向の伝搬角を偏向し、水平ミラー群２１２の下面を透過して垂直導光部へ入射させる。
A plurality of
このとき、水平ミラー群２１２を水平伝搬部２１１の垂直導光部２２側へ配置することで、水平伝搬部２１１内を伝搬する際の反射回数を減らし、光量ロスを低減することができる。
At this time, by arranging the
これについて詳しく説明する。観察者が真っ直ぐ前を見るときは、導光板の垂直導光部２２の水平方向（Ｚ軸方向）中央から射出した光束が、観察者の眼に届くことで画像を表示する。観察者が左方向を見るときは垂直導光部２２の左側から射出した光束が、観察者が右方向を見るときは垂直導光部２２の右側から射出した光束が、観察者の眼に届くことで画像を表示する。図３（Ｃ）中の画角光束５１１はＹＺ伝搬角＋３２°であり、水平ミラー群２１２で反射された光束はＹＺ断面では真っ直ぐ下に進み、眼に対する画角の中央を進む光束に相当する。画角光束５２３はＹＺ伝搬角－４５°であり、水平ミラー群２１２で反射された光束はＹＺ断面では右下方向に進み、眼に対する画角の左方向を進む光束に相当する。画角光束５３３はＹＺ伝搬角－１９°であり、水平ミラー群２１２で反射された光束はＹＺ断面では左下方向に進み、眼に対する画角の右方向を進む光束に相当する。したがって、画角光束５１１は水平ミラー群２１２の中央付近から射出すると観察者の眼に入る有効光束となる。画角光束５２３は水平ミラー群２１２の左側（水平伝搬部の左面２１１５側）から、画角光束５３３は水平ミラー群２１２の右側（水平伝搬部の右面２１１６側）から射出すると観察者の眼に入る有効光束となる。このように、伝搬角の絶対値が大きい光束ほど水平ミラー群２１２の水平伝搬部の入射面（左面２１１５）側から射出すると有効光束になるように構成している。伝搬角の絶対値が大きい場合、伝搬距離に対する水平伝搬部２１１内部での反射回数が多くなり、有効光束となる位置まで伝搬する際の反射回数が増えて光量ロスの問題が生じる。特に、水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群との接合面には透過反射膜が設置してあり、接合面（もしくは、水平伝搬部の下面２１１４の接合領域）での反射率が５０％程度である場合は、反射回数に応じて伝搬光束の光量が低下する。これは、水平伝搬部の入射面２１１５から離れた位置ほど伝搬光束の光量が低下することとなるが、全画角における光量分布を均一化するためには、光量が低いところに合わせることとなり光量ロスが問題となる。
This will be explained in detail. When the observer looks straight ahead, the light beam emitted from the center of the vertical
本実施例のように、水平伝搬部２１１と垂直伝搬部２２１との間に水平ミラー群２１２を配置すると、伝搬角の絶対値が大きい光束ほど水平ミラー群２１２の水平伝搬部の入射面２１１５側から射出すると有効光束になるように構成することができる。これにより、水平伝搬部２１１内での反射回数を減らすことができるので、光量ロスの低減が可能となる。
When the
図４（Ａ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）は本実施例における水平ミラー群２１２の説明図、図４（Ｂ）は比較例の水平ミラー群２１２の説明図である。
4 (A), 4 (C), and 4 (D) are explanatory views of the
図４（Ａ）～図４（Ｄ）を用いて本実施例における水平ミラー群２１２の複数の取出ミラー２１２０の構成を説明する。
The configurations of the plurality of
水平ミラー群２１２としては、４３枚の水平取出ミラー２１２０をＺ軸方向に互いに平行に並べたものを用いている。図４（Ａ）には水平取出ミラー２１２０の一部を模式的に表示している。４３枚の水平取出ミラー２１２０の法線は、Ｙ方向とＺ方向とを含む平面内で、ＹＺ方向に６１°傾いている。水平取出ミラー２１２０には、反射率及び透過率が異なる２種類の反射領域２１２１、２１２２が設けられている。水平取出ミラー２１２０の水平伝搬部に近い第１反射領域２１２１には反射率が約４５％、透過率が約４５％と反射率と透過率の比が約１：１のハーフミラーを配置している。一方、水平取出ミラー２１２０の水平伝搬部から遠い第２反射領域２１２２には、反射率が約８５％、透過率が１％以下の高反射ミラーを配置している。すなわち、水平取出ミラー２１２０の高さ（Ｙ方向）の上半分をハーフミラー２１２１、下半分を高反射ミラー２１２２とした。これにより、水平伝搬部２１１からの光束のうち、ハーフミラー２１２１への入射光束の一部を反射して垂直導光部の方向へ偏向し、入射光束の他の一部を透過させて次の取出ミラー２１２０の高反射ミラー２１２２で反射して垂直導光部の方向へと偏向できる。つまり、水平取出ミラー２１２０が第１及び第２ミラーを有する場合、第１ミラーの第１反射領域を透過した光が第２ミラーの第２反射領域で反射され垂直導光部に入射し、第１ミラーの第２反射領域で反射した光は第２ミラーを介さず垂直導光部に直接入射する。この際、取出ミラー２１２０で垂直導光部の方向へ偏向された偏向光束群は、水平伝搬部２１１内の伝搬光束よりも光束幅を拡大している。水平伝搬部２１１内の伝搬光束の光束幅はＷｐ１、Ｗｐ２、Ｗｐ３であったが、水平取出ミラー２１２０で反射された後の偏向光束群の幅はＷｒ１、Ｗｒ２、Ｗｒ３となる。Ｗｒ１＞Ｗｐ１、Ｗｒ２＞Ｗｐ２、Ｗｒ３＞Ｗｐ３と水平取出ミラー２１２０で反射された後の光束群の幅が常に大きく、この光束幅で観察者の眼に届くので水平導光部によって水平方向に瞳拡大する効果を有する。
As the
また、図４（Ｂ）に比較例を示した。比較例の水平ミラー群は、本実施例の構成とは異なり水平取出ミラー２１２０全領域を高反射ミラーとしている。水平取出ミラーで偏向した偏向光束群も本実施例と同様に伝搬光束の光束幅よりも拡大されているが、偏向光束群には多くの空隙（光束が存在しない部分）が生じてしまい、偏向光束群内の光量の均一性が問題となる。
Further, a comparative example is shown in FIG. 4 (B). In the horizontal mirror group of the comparative example, unlike the configuration of the present embodiment, the entire area of the
しかしながら、本実施例のように水平取出ミラー２１２０の一部にハーフミラー２１２１を配置した場合は、ハーフミラー２１２１によって反射光束と透過光束に分離されるので、反射光束の光束幅を拡大する際に生じた空隙を透過光束で埋めることができる。そのため、ハーフミラー２１２１の垂直導光部側に高反射ミラーを配置し、ハーフミラー２１２１の透過光束は、隣の水平取出ミラー２１２０の高反射ミラー２１２２で反射して、上述の空隙を埋める構成とした。
However, when the
このように、水平取出ミラー２１２０に入射する光束を２光束に分離しつつ垂直導光部の方向へと偏向させることにより、従来の偏向光束群の光束幅の拡大という効果に加えて、拡大した偏向光束群内の光量分布を均一化する効果も得ている。
In this way, by separating the luminous flux incident on the
水平伝搬部の上面２１１３で全反射した伝搬光束が水平取出ミラー２１２０へ到達する。水平取出ミラー２１２０の第１反射領域を第２反射領域より水平伝搬部の上面２１１３側に配置する、すなわち第１反射領域は第２反射領域よりも水平伝搬部の上面２１１３から距離を短く配置する。この構成を採用することで、偏向光束群による瞳拡大と光量の均一性を実現することができる。
The propagating luminous flux totally reflected by the
本実施例の水平取出ミラー２１２０はハーフミラー２１２１と高反射ミラー２１２２とを上下半分ずつに分けて配置の比率を１：１としたがこれに限ったものではなく、配置の比率は２：１や３：１、４：１などとしてもよい。さらには、全てをハーフミラー２１２１としてもよい。これらと比べて、ハーフミラー２１２１と高反射ミラー２１２２を１：１に配置すると、ハーフミラー２１２１の反射した光束の間にハーフミラー２１２１を透過した光が高反射ミラー２１２２で反射した光束を配置する構成にできる。この構成は、光束幅の拡大と、拡大した光束内の光量分布の均一化ならびに光利用効率の向上に好適である。さらに、ハーフミラー２１２１は反射率４５％、透過率を４５％に限ったものではなく、振幅分割する振幅分割ミラーであればよい。例えば、反射率４１％、透過率４９％として、透過率を反射率よりも高くすることにより、ハーフミラーでの反射光束とハーフミラーを透過して高反射ミラーで反射した光束との光量がほぼ同等になって光束群内の光量分布をより均一に補正することができる。また、反射率と透過率の比率が２：１や１：２となっても実用上問題なく使用できる。
In the horizontal take-
また、水平取出ミラー２１２０のうち、最後のミラー（最も入射面２１１５から遠いミラー）は、それ以降にミラーが無く有効部が無いので、第１領域２１２１、第２領域２１２２を共に高反射ミラーとして偏向光束の光量を増やしている。
Further, among the horizontal extraction mirrors 2120, the last mirror (the mirror farthest from the incident surface 2115) has no mirror after that and has no effective portion. Therefore, both the
また、複数の水平取出ミラー２１２０の間隔は眼５の瞳径４ｍｍよりも小さくすることが好ましく、２ｍｍ以下と瞳径よりも十分に小さい方がより好ましい。しかし、水平取出ミラー２１２０の間隔が０．５ｍｍよりも小さいと開口数が小さくなって解像力に問題が生じる為、水平取出ミラーの間隔Ｐは下記の範囲が好ましい。
０．５ｍｍ ≦ Ｐ ≦ ２．０ｍｍ … 条件式（２）
Further, the distance between the plurality of horizontal extraction mirrors 2120 is preferably smaller than the pupil diameter of 4 mm of the
0.5mm ≤ P ≤ 2.0mm ... Conditional expression (2)
図１に示したように、観察者が表示画像を見るとき、画像の左側の画角を担当する光束は導光板２の左側から発せられ、画像の右側の画角を担当する光束は導光板２の右側から発せられて観察者の眼に入射する。
As shown in FIG. 1, when the observer looks at the displayed image, the light flux responsible for the angle of view on the left side of the image is emitted from the left side of the
本実施例のように、水平ミラー群２１２を水平伝搬部２１１と垂直導光部２２との間に配置すれば、伝搬角が大きい光束が入射面に近い場所（図２の導光板の左側）で必要になり、伝搬角が小さい光束は入射面から遠い場所（図２の導光板の右側）で必要になる。
If the
水平伝搬部２１１内の伝搬において、正面２１１１と背面２１１２及び上面２１１３では全反射するが、下面２１１４では透過反射膜による反射のため反射率が１００％よりも低く、反射回数に応じで伝搬光の光量が低下する。
In the propagation in the
本実施例のように水平ミラー群２１２を水平伝搬部２１１と垂直導光部２２との間に配置すると、各画角における反射回数を揃えるとともに、水平伝搬部の下面２１１４での反射回数を減らして光利用効率が向上できる。このように、伝搬角と必要となる場所を好適な関係に設定できる点にメリットがある。さらには、水平伝搬部の下面２１１４とは異なり、水平ミラー群の下面２１２４では反射させる必要がない。したがって、水平ミラー群の下面２１２４の光束が射出する領域と垂直伝搬部２２１の光束が入射する領域とを接合することができ、水平導光部２１と垂直導光部２２とを容易に一体化することができる。これにより、水平導光部２１と垂直導光部２２と位置関係を高精度に維持することが可能となり、常に良好な画像を表示することが可能となる。
When the
このように、本実施例の構成は、特許文献２や特許文献３のように水平ミラー群２１２を水平伝搬部２１１の上面２１１３側へ配置した場合と比べて、反射透過膜による反射回数低減による光利用効率向上、導光板の一体化のメリットがある。また、本実施例の構成は、特許文献１のように水平ミラー群２１２を水平伝搬部２１１の中へ配置し且つ水平伝搬部２１１の下面で最後に反射した光束がミラー群によって反射される構成にした場合と比べても、同様のメリットがある。
As described above, the configuration of this embodiment is based on the reduction of the number of reflections by the reflective transmission film as compared with the case where the
本実施例の水平ミラー群２１２は、隣り合う水平取出ミラー２１２０の間隔は常に等しく１ｍｍに設定しており、高さ（Ｙ方向）を水平取出ミラー２１２０の位置に応じて変化させている。水平伝搬部の入射面２１１５近傍にある水平取出ミラーは高く、入射面２１１５から離れるほど（Ｚ方向の距離に応じて）高さを低く設定している。水平伝搬部の上面２１１３で全反射した伝搬光束が水平取出ミラー２１２０に入射するので、水平伝搬部の入射面２１１５から離れるにつれて水平伝搬部の上面２１１３との距離を長くすると良い。これは、前述したように、有効光束になる伝搬光束の伝搬角の絶対値が水平伝搬部の入射面２１１５からの距離に応じて小さくなるため、水平取出ミラー２１２０の高さをその伝搬角の絶対値に応じて低くしたものである。水平伝搬部の入射面２１１５側は大きい伝搬角±４５°の伝搬光束が有効光束になる領域であり、この伝搬光束が水平取出ミラー２１２０で偏向した際に光束の隙間が少なくなるように、水平取出ミラー２１２０を高く３．０ｍｍに設定している。水平ミラー群２１２の中央付近は中央値の伝搬角±３２°の伝搬光束が有効光束になる領域であり、水平取出ミラー２１２０を中程度の高さ１．８ｍｍに設定している。水平ミラー群２１２の入射面と反対側は小さい伝搬角±１９°の伝搬光束が有効光束になる領域であり、水平取出ミラー２１２０を低く１．２ｍｍに設定している。このように、有効光束になる伝搬光束の伝搬角に応じて水平取出ミラー２１２０の高さを変更している。
In the
なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、複数の水平取出ミラー２１２０の高さを全て異ならせて直線状に高さを減少させている。しかし、数枚ごとに高さを減少させることによってステップ状に高さを減少させてもよいし、非線形に（例えば、サインカーブに沿って）高さを減少させてもよい。また、それらを組み合わせてもよい。
In addition, in FIGS. 4A and 4B, the heights of the plurality of horizontal take-out
図４（Ｃ）、図４（Ｄ）は水平取出ミラーの高さの決定方法についての説明図である。 4 (C) and 4 (D) are explanatory views of a method of determining the height of the horizontal take-out mirror.
図４（Ｃ）で水平取出ミラー２１２０の高さの上限について説明する。
FIG. 4C will explain the upper limit of the height of the horizontal take-
本実施例の水平取出ミラー２１２０には、第１領域２１２１はハーフミラー、第２領域は高反射ミラーとなっており、第１領域２１２１と第２領域２１２２の境界へ向かう光線５４が水平伝搬部２１１から水平ミラー群２１２へ入射している。
In the
光線５４が透過するハーフミラーをＮ枚以下とする為、光線５４がＮ個前（入射面側）の水平取出ミラー２１２０の上端をかすめるようにＮ個前の水平取出ミラー２１２０の高さを規定し、それを基に対象の水平取出ミラー２１２０の高さの上限を設定した。光線５４と平行で且つ第２領域２１２２で反射する光束が透過するハーフミラーの枚数は、好ましくは３枚以下とするのが良い。対象の水平取出ミラー２１２０の第１領域２１２１と第２領域２１２２との境界からＮ個前の水平取出ミラー２１２０の上端までのＺ軸方向の間隔をＬｕとする。この間隔Ｌｕは、対象の水平取出ミラー２１２０とＮ個前の水平取出ミラー２１２０との間隔ＰＮと、角度θ°傾けて配置した際のＮ個前の水平取出ミラー２１２０の幅の半分の幅Ｌｕ１と、から求められる。伝搬角ωの光線５４が対象の水平取出ミラー２１２０の第１領域２１２１と第２領域２１２２との境界に入射すると仮定する。そのとき、Ｎ個前の水平取出ミラー２１２０の上端の位置では、対象の水平取出ミラー２１２０の第１領域２１２１と第２領域２１２２との境界の高さからＬｕ×ｔａｎωの高さを光線５４が通過する。ここで、Ｎ個前の水平取出ミラー２１２０は光線５４を遮らない高さに設定すれば光線５４と平行で且つ第２領域２１２２で反射する光束の透過枚数をＮ枚以下に設定できる。すなわち、Ｎ個前の水平取出ミラー２１２０の高さをＨ／２＜Ｌｕ×ｔａｎωとすればよい。対象となる水平取出ミラー２１２０についても同様である。
In order to limit the number of half mirrors through which the
図４（Ｄ）を用いて水平取出ミラー２１２０の高さの下限について説明する。
The lower limit of the height of the horizontal take-
水平取出ミラー２１２０の上端に光線５５が入射しており、水平取出ミラーの第１領域２１２１で反射され、対象の水平取出ミラー２１２０と１つ前の水平取出ミラー２１２０との間を通過している。この際、水平取出ミラー２１２０のピッチＰ１に対して、水平取出ミラー２１２０の高さＨが低いと、１つ前の水平取出ミラー２１２０と反射光５５との間隔Ｌｌが大きくなり、偏向光束群に隙間が生じてしまう。水平取出ミラー２１２０の高さの下限は、水平取出ミラー２１２０での偏向光束群に所定幅Ｂ以上の隙間を作らない配置とした。好ましくは、偏向光束群の隙間は所定幅Ｂ≦０．５ｍｍとするのが良い。図中Ｌｌ１は水平取出ミラー２１２０のＺ方向の距離でありＬｌ１＝Ｈ／ｔａｎθである。また、Ｌｌ２は光束５５の反射光が反射位置から水平ミラー群の下面２１２４までにＺ方向に進む距離でありＬｌ２＝Ｈ×ｔａｎαである。このような条件のもと、水平取出ミラー２１２０の高さＨは条件式（３）の関係を満足させると良い。
A
条件式（３）でＮは３以下とするのが良い。本実施例ではＮを２とした。条件式の上限を上回るとハーフミラーの透過回数が多くなり、光量ロスが生じて問題となる。 In the conditional expression (3), N should be 3 or less. In this example, N was set to 2. If the upper limit of the conditional expression is exceeded, the number of transmissions of the half mirror increases, which causes a problem of light loss.
本実施例では、条件式（３）で水平取出ミラーの高さを決定したが、これに限ったものではなく、垂直ミラー群における垂直取出ミラーの高さを条件式（３）で決定してもよい。 In this embodiment, the height of the horizontal extraction mirror is determined by the conditional expression (3), but the height is not limited to this, and the height of the vertical extraction mirror in the vertical mirror group is determined by the conditional expression (3). May be good.
図５（Ａ）に本実施例の表示装置における垂直導光部のＸＹ断面図を示す。 FIG. 5A shows an XY cross-sectional view of the vertical light guide portion in the display device of this embodiment.
図５（Ａ）に示しように、垂直導光部２２は、垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２とで構成している。垂直伝搬部２２１は平板であり、正面２２１１、背面２２１２、上面２２１３を研磨面としており、その他の３つの面には不要光を遮光する遮光膜（遮光部）を設けている。垂直伝搬部の上面２２１３を入射面としており、水平導光部からの光束がその入射面から入射する。また、垂直伝搬部の正面２２１１（第２射出面）のうち垂直ミラー群２２２と接合されている領域を射出領域としており、垂直伝搬部の少なくとも一部を通過した光がその射出領域から射出する。垂直伝搬部２２１に入射した伝搬光束は、垂直伝搬部２２１の垂直方向に平行な４面のうち２面以下（正面２２１１、背面２２１２）で内面反射を繰り返しながら垂直方向に伝搬される。垂直ミラー群２２２は垂直伝搬部の背面２２１２（第２反射面）と対向させて配置されている。垂直ミラー群２２２には、入射した光束の一部を透過し一部を反射する透過反射面を有した垂直取出ミラー２２２０を複数備え、垂直取出ミラー２２２０をＸＹ断面内で傾け、かつ互いに平行にしてＹ軸方向に並べて配置している。垂直ミラー群２２２の外形は平板形状であり、正面２２２１、背面２２２２を研磨面としている。垂直伝搬部２２１、及び垂直ミラー群２２２は水平方向（Ｚ軸方向）に最も幅が広く、次に垂直方向（Ｙ軸方向）に幅が広く、奥行き方向（Ｘ軸方向）が最も幅が狭い。垂直ミラー群２２２を垂直伝搬部２２１の観察者の眼５側に配置し、垂直伝搬部２２１の正面２２１１と垂直ミラー群の背面２２２２とを接合して垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２とを一体化している。垂直伝搬部２２１の正面２２１１と垂直ミラー群２２２の背面２２２２との接合面には透過反射膜を塗布しており、入射した光束の一部を透過し一部を反射する構成とした。
As shown in FIG. 5A, the vertical
図３（Ｂ）に示した水平導光部２１の水平ミラー群２１２の下面２１２４と、図５に示した垂直導光部２２の垂直伝搬部２２１の上面２２１３とを接合して水平導光部２１と垂直導光部２２とを一体化している。
The
水平導光部２１の水平取出ミラーで反射された伝搬光束は、垂直伝搬部２２１の上面２２１３に入射して垂直伝搬部２２１内部へ入射し、垂直伝搬部２２１の正面２２１１と背面２２１２との間で内面反射を繰り返しながら垂直伝搬部２２１内を伝搬する。垂直伝搬部２２１の正面２２１１のうち垂直ミラー群の背面２２２２との接合している部分は、接合面に備えた透過反射膜によって、伝搬光束の一部が透過して垂直ミラー群２２２へ入射し、一部が反射して再び垂直伝搬部２２１内を伝搬する。
The propagating luminous flux reflected by the horizontal extraction mirror of the horizontal
垂直ミラー群２２２には背面２２１２に対してＸＹ方向に５８°傾け、互いに平行に配置した垂直取出ミラー２２２０を２８枚設置している。各垂直取出ミラー２２２０は垂直ミラー群２２２へ入射した伝搬光束の一部を反射して垂直ミラー群の正面２２２１の方向へ偏向するとともに、伝搬光束の一部を透過させる。１つ目の垂直取出ミラー２２２０を透過した伝搬光束は次の垂直取出ミラー２２２０によって反射され垂直ミラー群２２２の正面２２２１の方向へ偏向させる。
The
垂直ミラー群２２２の正面２２２１は垂直伝搬部２２１の背面２２１２と平行であり、垂直ミラー群２２２へ入射したままの角度では垂直ミラー群２２２の正面２２２１に入射した場合は入射角が臨界角を超えるので全反射される。一方で、垂直取出ミラー２２２０で偏向された伝搬光束は、垂直ミラー群２２２の正面２２２１への入射角が臨界角よりも小さくなり、伝搬光束が垂直ミラー群２２２の正面２２２１から観察者の眼５の方向（第３方向側）へ射出する。これにより、観察者の眼５に光束を入射させて画像を表示することができる。なお、入射角とは、光束の入射方向と入射面の法線とがなす角度のことである。
The
垂直導光部２２においても、水平導光部２１と同様に、１つの画角における伝搬光束が複数の垂直取出ミラー２２２０で偏向されるように構成することによって偏向光束群の光束幅を伝搬光束の光束幅よりも拡大している。
Similarly to the horizontal
図６は本実施例の垂直取出ミラーの概要図である。 FIG. 6 is a schematic view of the vertical take-out mirror of this embodiment.
図６を用いて本実施例の垂直取出ミラーを説明する。 The vertical take-out mirror of this embodiment will be described with reference to FIG.
本実施例の垂直ミラー群２２２として、２８枚の垂直取出ミラー２２２０を用いている。本実施例では、水平取出ミラーの枚数を、垂直取出ミラーの枚数よりも多くしている。これは、観察者の眼に対する画角のうち水平画角を垂直画角より大きく設定しており、更に、観察者の眼と水平ミラー群との距離が観察者の眼と垂直ミラー群との距離よりも大きいためである。この構成によって、観察者に良好な画像を常に提供することが可能となる。
As the
図６には、２８枚の垂直取出ミラー２２２０のうちの６枚の垂直取出ミラー２２２０を表示している。本実施例の垂直取出ミラー２２２０は、Ｚ方向に長軸を持つ矩形のミラーである。本実施例の垂直取出ミラー２２２０としては、偏光分割する偏光分割ミラーである偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）用いている。より具体的には、サブ波長構造（Ｓｕｂ－Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＳＷＳ）を用いた構造複屈折型のＰＢＳの一種であるワイヤーグリッド偏光板を用いている。ワイヤーグリッド偏光板は、光学基板２２２５上（例えばガラス基板）に誘電体ワイヤ２２２６（金属ワイヤ、例えばアルミミウム）を波長以下（１００ｎｍ程度）のピッチで多数並べてグリッド状に構成したものである。ワイヤーグリッド偏光板は、ワイヤーグリッド（金属ワイヤ）と平行方向２２２７に電場が振動する光（Ｐ偏光）を透過させ、ワイヤーグリッドと垂直方向に電場が振動する光（Ｓ偏光）を反射する特性がある。すなわち、ワイヤーグリッドの向きによって反射／透過の偏光方向を選択できる偏光ビームスプリッタである点が特徴である。
FIG. 6 shows 6 vertical take-out
本実施例では、垂直取出ミラー２２２０のワイヤーグリッドの向きを交互に９０°回転させて配置することにより、隣り合う垂直取出ミラー２２２０のワイヤーグリッドの向きが直交するように配置した。具体的には、垂直取出ミラー２２２０の１つである第１の偏光ビームスプリッタはワイヤーグリッドの向きを垂直取出ミラーの長軸に対して９０°とし、隣の垂直取出ミラー２２２０である第２の偏光ビームスプリッタはワイヤーグリッドの向きを０°とした。最初に入射した垂直取出ミラー２２２０で伝搬光束を反射光束と透過光束とに分岐し、反射光束を垂直ミラー群の正面２２２１へ偏向し、透過光束を隣の垂直取出ミラー２２２０で反射して垂直ミラー群の正面２２２１へ偏向する構成とした。最初の垂直取出ミラー２２２０のワイヤーグリッドの向きと隣の垂直取出ミラー２２２０のワイヤーグリッドの向きは直交しているので、最初の垂直取出ミラー２２２０の透過光束は隣の垂直取出ミラー２２２０で全て反射される。第１偏光ビームスプリッタを透過した光は第２偏光ビームスプリッタで反射されて導光板２から射出し、第１偏光ビームスプリッタで反射した光は第２偏光ビームスプリッタを介さずに導光板２から射出させている。このため、伝搬光束が最初に入射した垂直取出ミラー２２２０で反射光束と透過光束を１：１に分岐し、透過光束は次に入射した垂直取出ミラー２２２０で反射することによって、１光線が２つの垂直取出ミラー２２２０から観察者の眼に向けて射出する。これによって、偏向光束群を形成し、偏向光束群の光束幅を伝搬光束の光束幅よりも拡大している。構造複屈折型のＰＢＳの代わりに誘電体多層膜型のＰＢＳを垂直取出ミラー２２２０として用いた場合には、最初に入射した垂直取出ミラー２２２０で透過したＰ偏光が、次に入射した垂直取出ミラー２２２０でも透過するようにしか構成できない。しかし、構造複屈折型のＰＢＳは、ワイヤーグリッドの向きを変更することにより透過する偏光や反射する偏光の偏光方向を変更できる。したがって、本実施例のように構造複屈折型のＰＢＳを垂直取出ミラー２２２０として用いれば、最初に入射した垂直取出ミラー２２２０で透過したＰ偏光を、隣の垂直取出ミラー２２２０で反射することが可能になる。なお、本実施例では、偏光度が低い光を放射する有機エレクトロルミネッセンス（ＯＬＥＤ）パネルを表示素子４として使用している。しかし、偏光度の高い光を放射する液晶パネル等を表示素子４として使用する場合には、表示素子４と垂直ミラー群２２２との間の光路中に偏光解消板を設けても良い。具体的には、表示素子４と入射光学系３との間、又は、入射光学系３と導光板２との間に、偏光解消板を配置しても良い。
In this embodiment, the directions of the wire grids of the vertical extraction mirrors 2220 are alternately rotated by 90 ° and arranged so that the directions of the wire grids of the adjacent vertical extraction mirrors 2220 are orthogonal to each other. Specifically, the first polarization beam splitter, which is one of the vertical extraction mirrors 2220, has the wire grid oriented at 90 ° with respect to the long axis of the vertical extraction mirror, and the second
図７に本実施例の垂直取出ミラーの説明図を示す。 FIG. 7 shows an explanatory diagram of the vertical take-out mirror of this embodiment.
図７には５枚の垂直取出ミラー２２２０を表示している。 FIG. 7 shows five vertical take-out mirrors 2220.
垂直導光部２２内を伝搬角ωが小さい伝搬光束が導光しており、最初に到達した垂直取出ミラー２２２０で光量の半分が反射し、半分が透過する。反射した伝搬光束は垂直ミラー群の正面２２２１の方向へ偏向されて、観察者の眼へ向けて射出される。透過した伝搬光束は次の垂直取出ミラー２２２０で反射して垂直ミラー群の正面２２２１の方向へ偏向されて、観察者の眼へ向けて射出される。
A propagating luminous flux having a small propagating angle ω guides the inside of the vertical
このとき、最初の第１垂直取出ミラー２２２０を透過して次の第２垂直取出ミラー２２２０で反射された光束とその第２垂直取出ミラー２２２０に最初に入射して第２垂直取出ミラー２２２０で反射された光束とが並べて配置される。これにより、観察者の眼に向けて射出する偏向光束群における光束の隙間を減らし、観察者が各画角を均一な光量分布で観察可能な構成を実現している。
At this time, the light beam transmitted through the first
このとき、垂直取出ミラー２２２０の高さＨと間隔Ｐが条件式（４）を満足するように配置することにより、偏向光束群内の光束の隙間を減らした適切な構成を実現できる。
At this time, by arranging the height H and the interval P of the
上限を超えると、３枚以上の偏光板を通過する構成となり、取出ミラーに到達する伝搬光束に隙間が生じて、結果として偏向光束幅の隙間が大きくなり問題となる。下限を下回ると偏向光束と取出ミラーとの間隔が大きくなり、結果として偏向光束幅の隙間が大きくなり問題となる。 If the upper limit is exceeded, the structure passes through three or more polarizing plates, and a gap is generated in the propagating light flux reaching the extraction mirror, and as a result, the gap in the deflection light flux width becomes large, which becomes a problem. If it is less than the lower limit, the distance between the deflected luminous flux and the extraction mirror becomes large, and as a result, the gap of the deflected luminous flux width becomes large, which becomes a problem.
観察者の眼の瞳（瞳孔）の平均径（約４ｍｍ）よりも大きくなり、反射光束の隙間による光量分布が目立つようになって問題である。下限を下回ると反射光束の幅が狭く成りすぎて解像力が低下して問題となる。 It becomes larger than the average diameter (about 4 mm) of the pupil (pupil) of the observer's eye, and the light amount distribution due to the gap of the reflected light flux becomes conspicuous, which is a problem. If it is less than the lower limit, the width of the reflected light flux becomes too narrow and the resolving power is lowered, which causes a problem.
また、構造複屈折型の偏光板は、誘電体膜多層膜型の偏光ビームスプリッタと比較して、入射角特性や波長特性が広い範囲で高い性能（反射率、透過率）を維持できる特徴がある。垂直取出ミラー２２２０では入射角の範囲が４５°以上７０°以下と広く、波長も可視光４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の広帯域で使用するため、構造複屈折型の偏光板が持つ広角かつ広帯域で高性能が必要となる。
In addition, the structural birefringence type polarizing plate is characterized in that it can maintain high performance (reflectance, transmittance) in a wide range of incident angle characteristics and wavelength characteristics as compared with the dielectric film multilayer film type polarizing beam splitter. be. The
このように、導光板から射出する光束幅を拡大し、かつ拡大した光束内の光量分布を均一化している。これにより、観察者の眼の位置にＥＭＢ（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ）を１５ｍｍ確保しており、広画角な表示画像の周辺部を観察する際に瞳位置の移動があっても観察者の眼の瞳に表示画像からの光束を常に入射することができ、高品位な画像を提供できる。 In this way, the width of the luminous flux emitted from the light guide plate is expanded, and the light amount distribution in the expanded luminous flux is made uniform. As a result, an EMB (Eye Motion Box) of 15 mm is secured at the position of the observer's eye, and even if the pupil position is moved when observing the peripheral portion of the wide angle of view display image, the observer's eye The luminous flux from the displayed image can always be incident on the pupil, and a high-quality image can be provided.
図５（Ｂ）には、図５（Ａ）に示した垂直導光部２２と垂直導光部２２内の伝搬光束に加えて、外界から垂直導光部２２に入射した光束を一点鎖線で示した。
In FIG. 5B, in addition to the propagating light flux in the vertical
外界からの光束は、垂直伝搬部の背面２２１２、正面２２１１、垂直ミラー群の背面２２２２の順に透過し、更には垂直取出ミラー２２２０と垂直ミラー群の正面を透過して観察者の眼５に到達する。本実施例の垂直取出ミラー２２２０にはワイヤーグリッド偏光板を用いているため、ワイヤーグリッドの配列方向と垂直方向の偏光光束はワイヤーグリッド偏光板を透過することができる。これにより、観察者が垂直導光部２２越しに外界を観察可能とし、光学シースルーの機能を発揮している。
The luminous flux from the outside world passes through the
更には、垂直取出ミラー２２２０から観察者の眼５までにおいて、表示素子４からの伝搬光束の光路と外界からの光束の光路とを同じ光路に重ねることができるので、外界に表示素子４からの画像を重ねて表示することが可能となる。
Further, since the optical path of the propagating light beam from the display element 4 and the optical path of the light beam from the outside world can be overlapped on the same optical path from the
このように本実施例の表示装置では、観察者に水平方向、垂直方向共に広画角で高品位な表示画像を観察可能とするとともに、外界を光学シースルーで観察可能とし、両者を重畳して観察可能にすることができる。 As described above, the display device of the present embodiment enables the observer to observe a high-quality display image with a wide angle of view in both the horizontal and vertical directions, and also enables the outside world to be observed by optical see-through, and both are superimposed. Can be observable.
そして、本実施例の表示装置における入射光学系３は、伝搬光束が、水平伝搬部２１１の上面２１１３及び垂直伝搬部２２１の背面２２１２で反射されるように、表示素子４からの光をＸＹ断面内とＹＺ断面内の２方向において斜めに入射させている。これにより、水平方向と垂直方向の２次元方向において、観察者の眼に照射する光束幅を拡大することができ、２次元方向に広画角化している。
Then, the incident
本実施例の表示装置では、水平導光部２１の水平取出ミラー２１２０にハーフミラーとミラーの組合せを用いたが、これに限ったものではない。水平取出ミラー２１２０に、ハーフミラーだけ、または、ワイヤーグリッドの向きが交差している複数の偏光板の組合せを用いても良い。水平ミラー群２１２の構成として、前述の垂直ミラー群の構成（ワイヤーグリッド偏光板を交互に回転させて配置する構成）を適用してもよい。
In the display device of this embodiment, a combination of a half mirror and a mirror is used for the
また、垂直導光部２２の垂直取出ミラー２２２０にはワイヤーグリッド偏光板を用いたが、これに限った物ではなく、ハーフミラーやハーフミラーとミラーの組合せを用いてもよい。
Further, although a wire grid polarizing plate is used for the
また、本実施例の表示装置では、垂直導光部２２の垂直取出ミラー２２２０にワイヤーグリッド偏光板を交互に９０°回転させて配置する構成を用いた。しかし、隣り合うワイヤーグリッドは９０°回転に限らず、３０°、４５°、６０°、１２０°、１３５°、１５０°回転であってもよい。要するに、３０°以上１５０°以下が好ましいが、隣り合うワイヤーグリッドが異なる方向を向いていればよい。
Further, in the display device of this embodiment, a configuration is used in which the wire grid polarizing plates are alternately rotated by 90 ° and arranged on the
また、本実施例の導光板では、水平導光部内を光束が水平方向（Ｚ方向）に導光され垂直導光部内を光束が垂直方向（Ｙ方向）に導光されるように構成していた。しかし、特許文献３に記載されているように、水平導光部内を光束が垂直（Ｙ方向）に導光され垂直導光部内を光束が垂直（Ｚ方向）に導光されるように構成してもよい。本実施例のように導光板を構成したほうが、垂直ミラー群の長軸方向が水平方向と一致して観察者の垂直ミラー群の視認性を低減することが可能になるため、より好ましい。なお、本実施例の表示装置では、水平伝搬部の光束の伝搬方向（第１方向）と垂直伝搬部の光束の伝搬方向（第２方向）とが直交し、それらの方向と導光板から光束が射出する方向（第３方向）とが直交するように構成していた。しかし、それらは、必ずしも直交させる必要はなく、交差させる構成にすれば良い。
Further, in the light guide plate of the present embodiment, the light beam is guided in the horizontal direction (Z direction) in the horizontal light guide section, and the light beam is guided in the vertical direction (Y direction) in the vertical light guide section. rice field. However, as described in
また、本実施例の導光板では、水平伝搬部２１１と垂直伝搬部２２１との間に水平ミラー群２１２を配置した。しかし、水平ミラー群２１２は、水平伝搬部２１１の上面２１１３と垂直伝搬部２２１との間に配置すればよく、特許文献１と同様、水平伝搬部２１１の中にミラー群を配置してもよい。ただし、その場合に、特許文献１のように、水平伝搬部２１１の下面で最後に反射した光束がミラー群によって反射される構成にすることは好ましくない。本実施例のように、水平伝搬部２１１の上面２１１３で最後に反射した光束がミラー群によって反射される構成することが好ましい。換言すると、中心画角の光束（ミラー群からＹ方向と平行に射出する光束）がミラー群のミラーに４５°より大きい入射角度で入射するように構成することが好ましい。このように構成することで、伝搬角の絶対値が大きい光束ほど水平導光部の入射面に近い側から有効光束として射出させることができ、本実施例と同様の効果を得ることができる。
Further, in the light guide plate of this embodiment, the
また、本実施例の導光板では、垂直伝搬部２２１と観察者の眼５との間に垂直ミラー群２２２を配置した。しかし、垂直ミラー群２２２は、垂直伝搬部２２１の背面２２１２と観察者の眼５との間（つまり、垂直伝搬部２２１の背面２２１２よりも、導光板からの光束が射出される方向側）に配置すればよく、垂直伝搬部２２１の中にミラー群を配置してもよい。ただし、その場合にも、垂直伝搬部２２１の背面２２１２で最後に反射した光束がミラー群によって反射される構成することが好ましい。換言すると、中心画角の光束（ミラー群からＸ方向と平行に射出する光束）がミラー群のミラーに４５°より大きい入射角度で入射するように構成することが好ましい。
Further, in the light guide plate of this embodiment, the
図８に本発明を適用可能な実施例２の表示装置を示す。 FIG. 8 shows a display device of Example 2 to which the present invention can be applied.
本実施例と実施例１との相違点は、水平導光部２１ならびに垂直導光部２２の構成を変更した点にある。具体的には、水平導光部２１においては、水平伝搬部２１１の高さを水平導光部２１の入射光学系の開口絞りよりも高くした点と、水平伝搬部２１と水平ミラー群２２との接合面に配置した透過反射膜を無くした点である。垂直導光部２２においては、垂直伝搬部２２１のＸ軸方向の幅を水平伝搬部２１１のＸ軸方向の幅よりも大きくした点と、垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２との接合面に配置した透過反射膜を無くした点である。
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the configurations of the horizontal
図９（Ａ）、図９（Ｂ）には比較例の水平導光部、図９（Ｃ）には本実施例の水平導光部を示す。 9 (A) and 9 (B) show the horizontal light guide section of the comparative example, and FIG. 9 (C) shows the horizontal light guide section of the present embodiment.
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）を用いて本実施例における水平導光部の構成を説明する。 The configuration of the horizontal light guide unit in this embodiment will be described with reference to FIGS. 9 (A), 9 (B), and 9 (C).
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）中には、水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２から成る水平導光部２１、投影レンズ３１と接続部３２とからなる入射光学系３、表示素子４を模式的に表示している。
In FIGS. 9 (A), 9 (B), and 9 (C), the horizontal
表示素子４の各画素から射出された光束は投影レンズ３１によって平行光束に変換されるとともに、表示素子４の画素位置に応じた画角を有する画角光束となる。投影レンズ３１からの画角光束は接続部３２に入射し、画角光束の一部が接続部３２で内面反射して水平伝搬部の入射面２１１５との接合領域３３へ到達し、他の一部は接続部３２で内面反射せずに接合領域３３へ到達している。これより、水平伝搬部２１１の長軸Ａｘに対してプラス方向とマイナス方向の２つの入射光束が生じることになる。そして、各画角光束は接合領域３３で光束幅を制限されて水平伝搬部２１１へ入射し、伝搬光束となる。つまり、入射光学系の接続部３２と水平伝搬部の入射面２１１５との接合領域３３が、入射光学系３の開口絞り３３の機能を持っている。つまり、水平導光部２１には入射光学系の開口絞り３３で制限された光束が入射している。
The luminous flux emitted from each pixel of the display element 4 is converted into a parallel luminous flux by the
図９（Ａ）に示したように比較例は、水平伝搬部の左面２１１５の全面を使って入射光学系の接続部３２と接合しており、水平伝搬部の左面２１１５が入射光学系の開口絞り３３と同サイズである。水平伝搬部の入射面２１１５から入射した伝搬光束が、水平伝搬部の上面２１１３、下面２１１４で内面反射して水平伝搬部２１１内部を伝搬している。水平伝搬部の入射面２１１５ではＹＺ方向において、水平伝搬部２１１の長軸Ａｘに対してプラス方向とマイナス方向の２つの方向で入射させており、水平伝搬部２１１内を伝搬光束で満たすことができる。これにより、水平ミラー群２１２の下面２１２４には、水平伝搬部の入射面２１１５に近い側において伝搬光束を満遍なく行き渡らせることができる。
As shown in FIG. 9A, in the comparative example, the entire
図９（Ａ）の比較例の水平導光部２１では、水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群の上面２１２３との接合面に透過反射膜を設置しておらず、水平伝搬部２１１内の伝搬光束は接合面を透過して水平ミラー群２１２に入射する。この際、水平伝搬部２１１内の伝搬光束は、水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群の上面２１２３との接合面の開始位置から距離Ｌｐを伝搬し、水平ミラー群２１２には伝搬光束が隙間なく到達している。
In the horizontal
また、図９（Ａ）中のＷｅは、中心画角で必要とされる必要光束領域であり、ＥＭＢと呼ばれる表示装置の瞳径と同等の幅が必要で、通常６ｍｍ～１５ｍｍを確保する。 Further, We in FIG. 9A is a required luminous flux region required for the central angle of view, and is required to have a width equivalent to the pupil diameter of a display device called EMB, and usually secures 6 mm to 15 mm.
しかしながら、図９（Ａ）の比較例では、水平ミラー群２１２の下面２１２４の位置における必要光束領域Ｗｅの一部にしか伝搬光束が届かない。これでは観察者の眼に十分な幅の光束が到達せず、画像が欠ける問題が発生する。
However, in the comparative example of FIG. 9A, the propagating light flux reaches only a part of the required light flux region We at the position of the
図９（Ｂ）には、図９（Ａ）の比較例の水平導光部２１に対して、水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群の上面２１２３との接合面に透過反射膜を配置した比較例である。実施例１もこの形態である。この場合、水平伝搬部２１１内の伝搬光束は水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群の上面２１２３との接合面で一部が透過して水平ミラー群２１２に入射し、他の一部は反射して再び水平伝搬部２１１内を伝搬する。これを繰り返し行うことにより、伝搬光束は水平伝搬部の終端２１１６まで到達し、水平ミラー群２１２の全域へ伝搬光束を行き渡らせている。従って、水平取出ミラー２１２０で偏向された偏向光束群は中心画角の必要光束領域Ｗｅの全領域に存在し、観察者の眼に十分な幅の光束を到達させることができる。しかしながら、水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群の上面２１２３との接合面には透過反射膜が配置され、透過反射膜に入射した伝搬光束の一部しか反射しない。例えば、透過反射膜の透過率が２５％、反射率が６５％だとすると、反射の度に伝搬光束の光量が３５％低下する。伝搬距離が長くなる程、透過反射膜での反射回数は増えるので水平導光部２１から射出する偏向光束群には伝搬距離に応じた光量分布が生じることとなり、光量の高い所の光量を減光して光量の低い所に合わせて光量分布を補正することとなる。そのため、光量ロスが発生して問題となる。
In FIG. 9B, a transmission reflection film is arranged on the joint surface between the
図９（Ｃ）には本実施例の水平導光部を示した。 FIG. 9C shows the horizontal light guide portion of this embodiment.
本実施例の水平伝搬部２１は、水平伝搬部２１１の高さＨ（Ｙ軸方向の幅）を入射光学系との開口絞り３３の高さＨａよりもＨｃだけ高く設定した。水平伝搬部２１の下面２１１４（後述の張出面）に垂直なＹ軸方向における長さは、入射光学系の開口絞り３３のＹ軸方向における開口の幅の１倍よりも長く、２倍より短い。すなわち、０＜Ｈｃ＜Ｈａとした。なお、ここでの水平伝搬部２１のＹ軸方向における長さは、水平伝搬部２１の２つの全反射面（上面２１１３及び下面２１１４）間の距離に相当する。
In the
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の比較例では水平伝搬部２１１の高さＨ＝Ｈａであった。
In the comparative examples of FIGS. 9 (A) and 9 (B), the height H = Ha of the
本実施例の水平導光部２１も図９（Ａ）の比較例と同様に、水平伝搬部の入射面２１１５における接続部３２との接続領域３３には、ＹＺ断面においてプラスマイナスの２方向の角度（±ω）で光束が入射して伝搬光束になっている。伝搬光束は水平伝搬部の下面２１１４と上面２１１３で全反射しながら水平伝搬部２１１内を伝搬している。また、本実施例の水平導光部も、水平伝搬部の下面２１１４と水平ミラー群の上面２１２３との接合面に透過反射膜を設置していない。そのため、水平伝搬部２１１の下面２１１４の射出領域に入射した９０％以上（より好ましくは９５％以上）の伝搬光束は接合面を透過して水平ミラー群２１２に入射する。従って、水平伝搬部２１１が水平ミラー群２１２と接合する領域に入ってからは、反射回数は水平伝搬部の上面２１１３での１回だけとなる。この１回の反射回数で各画角光束を必要な領域まで届ける必要がある。
Similar to the comparative example of FIG. 9A, the horizontal
ここで、水平伝搬部の下面２１１４からスタートして水平伝搬部の上面２１１３で反射し、再び水平伝搬部の下面２１１４へ到達するまでを伝搬１周期としたとき、伝搬１周期当たりの伝搬距離Ｌａは条件式（５）で与えられる。
Ｌａ＝Ｈ／ｔａｎω×２ … 条件式（５）
Here, assuming that one propagation cycle starts from the
La = H / tanω × 2 ... Conditional expression (5)
条件式（５）に示したように、水平導光部の高さＨに比例して伝搬１周期当たりの伝搬距離Ｌａが長くなる。 As shown in the conditional equation (5), the propagation distance La per propagation cycle becomes longer in proportion to the height H of the horizontal light guide portion.
本実施例の水平導光部２１は、水平伝搬部２１１の高さＨ（Ｙ軸方向の幅）を入射光学系の開口絞り３３の高さＨａよりもＨｃだけ高く設定したことにより、伝搬距離を２×Ｈｃ／ｔａｎω伸ばすことができる。これにより、各画角における必要光束領域Ｗｅの遠端（必要光束領域Ｗｅの入射面２１１５から最も遠い位置）に伝搬光束を到達させることができる。図９（Ｃ）には中央画角の画角光束を例に挙げて表示しているが、本実施例の構成により中央画角光束における必要光束領域Ｗｅの遠端を超える位置へ伝搬光束を届けている。
The horizontal
各画角における必要光束領域Ｗｅの遠端に伝搬光束を到達させるためには、条件式（６）を満足するように、水平伝搬部の高さＨを入射光学系の開口絞り３３の高さＨａよりもＨｃだけ高く設定すると良い。
In order to reach the far end of the required luminous flux region We at each angle of view, the height H of the horizontal gene transfer portion is set to the height of the
Ｈは水平伝搬部２１１の高さ（Ｙ軸方向の幅）
Ｈａは入射光学系の開口絞り３３の高さ
Ｈｃは水平伝搬部２１１の高さを入射光学系の開口絞り３３の高さよりも高くする量
Ｈｍは水平ミラー群２１２の高さ
Ｌｏは水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２の接合面の最も入射面２１１５側の位置から必要光束領域Ｗｅの最も入射面２１１５側の位置までの距離
Ｗｅは必要光束領域の幅
ωは伝搬角
… 条件式（６）
H is the height of the horizontal gene transfer portion 211 (width in the Y-axis direction)
Ha is the height of the
一方、水平伝搬部２１１の高さを入射光学系の開口絞り３３より高く設定すると、水平伝搬部２１１内を伝搬光束で満たすことができなくなる。水平伝搬部２１１内には伝搬光束が存在しない伝搬光束の隙間が生じてしまうが、各画角において伝搬光束の隙間が必要光束領域Ｗｐに掛からないように構成すれば、前述の利点のみが得られる。図９（Ｃ）に示した中央画角の画角光束を例においても、伝搬光束の隙間が必要領域Ｗｅに掛からないように構成している。
On the other hand, if the height of the horizontal
そのためには、水平伝搬部２１１の高さＨが入射光学系の開口絞り３３の高さＨａよりもＨｃだけ高い領域を水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２との接合面の端より接続部３２側へ張出す構成が重要である。図９（Ｃ）においては張出し量をＬｈとし、入射光学系３の接続部３２の上面で反射した光束を、張出面（水平方向において水平伝搬部の入射面２１１５とミラー群２１２との間に配置されており且つ上面２１１３と対向している面）で反射させている。これにより、伝搬光束が到達する最も手前（水平伝搬部の入射面側に最も近い）の位置が必要光束領域Ｗｅよりも手前になるように構成している。
For that purpose, a region where the height H of the
各画角において、伝搬光束の隙間を必要光束領域から外すには、水平伝搬部２１１が入射光学系の開口絞り３３よりＨｃ高い部分の張出し量Ｌｈが条件式（７）を満足する構成をとればよい。
In order to remove the gap of the propagating luminous flux from the required luminous flux region at each angle of view, the horizontal propagating
Ｈａは入射光学系の開口絞り３３の高さ
Ｈｃは水平伝搬部２１１の高さを入射光学系の開口絞り３３の高さよりも高くする量
Ｈｍは水平ミラー群２１２の高さ
Ｌｏは水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２の接合面の最も入射面２１１５側の位置から必要光束領域Ｗｅの最も入射面２１１５側の位置までの距離
ωは伝搬角
… 条件式（７）
Ha is the height of the
このように、本実施例では、各画角において必要光束領域Ｗｐに各画角の伝搬光束を到達させるとともに、伝搬光束の隙間部分が必要とされる光束領域Ｗｐに掛からないように構成している。 As described above, in this embodiment, the propagating light flux of each angle of view is made to reach the required light flux region Wp at each angle of view, and the gap portion of the propagating light flux is configured so as not to be applied to the required light flux region Wp. There is.
すなわち、条件式（６）と条件式（７）とを同時に満足する構成がよく、水平伝搬部２１１の高さを入射光学系の開口絞り３３の高さよりも高くする量Ｈｃが条件式（８）を満足する構成とするのが良い。
That is, it is preferable that the conditional expression (6) and the conditional expression (7) are satisfied at the same time, and the amount Hc that makes the height of the horizontal
Ｈは水平伝搬部２１１の高さ（Ｙ軸方向の幅）
Ｈａは入射光学系の開口絞り３３の高さ
Ｈｍは水平ミラー群２１２の高さ
Ｌｏは水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２の接合面の最も入射面２１１５側の位置から必要光束領域Ｗｅの最も入射面２１１５側の位置までの距離
Ｌｈは水平伝搬部２１１が入射光学系の開口絞り３３よりＨｃ高い部分の張出し量
Ｗｅは必要光束領域の幅
ωは伝搬角
… 条件式（８）
H is the height of the horizontal gene transfer portion 211 (width in the Y-axis direction)
Ha is the height of the
本実施例のように、水平導光部の水平伝搬部の高さＨを入射光学系３の開口絞り３３よりも高くすることで、少ない反射回数で各画角の伝搬光束を必要な光束領域へ到達させることができる。
As in this embodiment, by making the height H of the horizontal propagation portion of the horizontal light guide portion higher than that of the
本実施例では、水平導光部の水平伝搬部の高さを入射光学系３の開口絞り３３よりＨｃ高く設定したことや、水平伝搬部２１１が入射光学系の開口絞り３３よりＨｃ高い部分の張出し量Ｌｈを適切に設定した。これによって、透過反射面での反射回数が０回の構成を実現しており、光量ロスを軽減した表示装置を実現している。すなわち、本実施例では、水平伝搬部２１１に入射した伝搬光束は、水平伝搬部２１１の水平方向に平行な４面（正面２１１１、背面２１１２、上面２１１３、下面２１１４）のうち３面以上で内面反射して水平方向に伝搬される。
In this embodiment, the height of the horizontal propagation portion of the horizontal light guide portion is set higher by Hc than the
図９（Ｂ）の比較例では、中心画角の光束が、必要光束領域Ｗｅを含む中央部に配置されているミラーだけでなく、両端部に配置されているミラーでも、反射されるように構成されており、光量ロスが多かった。しかし、図９（Ｃ）の本実施例では、中心画角の光束が、必要光束領域Ｗｅを含む中央部に配置されているミラーだけで反射され、両端部に配置されているミラーでは反射されないように構成しており、光量ロスが少ない。 In the comparative example of FIG. 9B, the luminous flux at the central angle of view is reflected not only by the mirror arranged in the central portion including the required luminous flux region We but also by the mirrors arranged at both ends. It was configured and there was a lot of light loss. However, in this embodiment of FIG. 9C, the luminous flux at the central angle of view is reflected only by the mirrors arranged in the central portion including the required luminous flux region We, and is not reflected by the mirrors arranged at both ends. The light intensity loss is small.
なお、本実施例では、開口絞りの開口の両端のうち、下側（張出面側）の一端を下面（張出面）２１１４と同じ位置に配置し、上側（反射面側）の他端を上面（反射面）２１１３よりも下側に配置していた。しかし、開口絞りの開口の両端のうち、上側（反射面側）の一端を上面（反射面）２１１３と同じ位置に配置し、下側（張出面側）の他端を下面（張出面）２１１４よりも上側に配置してもよい。ただし、この場合は、伝搬距離をＨｃ／ｔａｎωしか伸ばすことができない。 In this embodiment, one end of the lower side (overhanging surface side) of both ends of the opening of the aperture diaphragm is arranged at the same position as the lower surface (overhanging surface) 2114, and the other end of the upper side (reflection surface side) is the upper surface. (Reflective surface) It was arranged below 2113. However, of both ends of the opening of the aperture diaphragm, one end on the upper side (reflection surface side) is arranged at the same position as the upper surface (reflection surface) 2113, and the other end on the lower side (overhanging surface side) is placed on the lower surface (overhanging surface) 2114. It may be placed above the above. However, in this case, the propagation distance can be extended only by Hc / tanω.
図１０には、本実施例の垂直導光部２２を示す。
FIG. 10 shows the vertical
本実施例においても垂直導光部２２は垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２とから構成される。垂直ミラー群２２２は複数の垂直取出ミラー２２２０を備え、各垂直取出ミラー２２２０にはワイヤーグリッドを使用し、隣り合う垂直取出ミラー２２２０でワイヤーグリッドの方向を９０°回転させて配置している。なお、本実施例では、図１０に示したように、垂直伝搬部２２１に段差を設けて、その段差のところに垂直ミラー群２２２を配置している。
Also in this embodiment, the vertical
本実施例の垂直伝搬部２２１の厚みＴ（Ｘ方向の幅）は、実施例１の垂直伝搬部２２１の厚みよりも大きくしている。実施例１の垂直伝搬部２２１の厚みは水平導光部２１の厚みと同じであるが、本実施例の垂直伝搬部２２１の厚みＴは水平導光部２１の厚みＴａよりもＴｃ大きくしている。これにより、垂直伝搬部２２１内の伝搬光束は垂直伝搬部の背面２２１２で全反射した後、垂直ミラー群２２２へ入射し、垂直取出ミラー２２２０で反射されて偏向され垂直ミラー群の正面２２２１から射出して観察者の眼５へ入射する。
The thickness T (width in the X direction) of the
ここで、垂直伝搬部２２１を厚くしたことにより、垂直伝搬部の背面２２１２で１回全反射しただけで各画角光束が必要な場所へ伝搬光束を到達させることができる。これにより、垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２との接合面で反射させる必要がなくなり、透過反射膜が不要になるばかりでなく、垂直伝搬部２２１と垂直ミラー群２２２とを一体化して形成することでコストダウンが図れる。
Here, by making the vertical propagating
図１１（Ａ）に本発明を適用できる実施例３の正面図、図１１（Ｂ）に側面図を示す。 11 (A) shows a front view of Example 3 to which the present invention can be applied, and FIG. 11 (B) shows a side view.
本実施例と実施例２との相違点は、水平ミラー群と垂直ミラー群の構成を変更した点と、水平導光部２１、垂直導光部２２、及び入射光学系の接続部３２を一体化して構成した点である。
The difference between the present embodiment and the second embodiment is that the configurations of the horizontal mirror group and the vertical mirror group are changed, and the horizontal
図１１（Ａ）に示したように、本実施例では導光板２の全体が一体化されており、樹脂製の成形品の中に、水平取出ミラー２１２０と垂直取出ミラー２２２０を埋め込んでいる。具体的には水平取出ミラー２１２０と垂直取出ミラー２２２０をガラスで製作し、それを金型の中に挿入して外側を覆うように樹脂で成形している。所謂、ガラスインサート成形である。そのため、実施例２のように、水平導光部２１の水平伝搬部２１１と水平ミラー群２１２との間に明確な境界は無く、所定の取出位置に至っていない伝搬光束に当たってしまわない範囲で取出ミラーを伝搬部のほうへ進出して配置することができる。
As shown in FIG. 11A, in this embodiment, the entire
また、本実施例では取出ミラーの高さを場所毎に変化させると共に、隣の取出ミラーとの間隔（ピッチ）も変化させており、より自由度の高い配置を可能としている。水平導光部２１の入射面２１１５から離れるにつれて取出ミラーの間隔が長くなるように構成している。これにより、取出ミラーからの偏向光束群における隙間を減少させ、より均一な光量分布の偏向光束群を観察者の眼に入射させて、高品位な画像を表示することができる。
Further, in this embodiment, the height of the take-out mirror is changed for each place, and the distance (pitch) from the adjacent take-out mirror is also changed, so that the arrangement with a higher degree of freedom is possible. The distance between the extraction mirrors becomes longer as the distance from the
本実施例の導光板２も、入射光学系からの光をＺ軸方向に導光する水平導光部２１と、Ｙ軸方向に導光する垂直導光部２２と、を有する。そして、水平導光部２１は水平ミラー２１２群を備え、水平導光部２１内を導光する光束を水平ミラー群２１２で反射することにより、垂直導光部２２へ導光する。
The
実施例２と同様に、水平導光部２１の入射面が、入射光学系３の開口絞り３３の役割を果たしている。また、水平導光部２１の２つの全反射面間のＹ軸方向における距離のほうが、開口絞り３３のＹ軸方向における開口幅の１倍よりも長く、２倍より短くなるように、設定されている。
Similar to the second embodiment, the incident surface of the horizontal
図１１（Ｂ）に示したように、垂直導光部２２は垂直ミラー群２２２を備え、垂直導光部２２内を導光する光束を垂直ミラー２２２０で反射することによりＸ軸方向へ偏向し、観察者の眼５へ向けて光束を垂直導光部２２から射出する。
As shown in FIG. 11B, the vertical
なお、本実施例では、複数の取出ミラーの高さと間隔の両方を変化させていたが、複数の取出ミラーの間隔だけを変化させる構成としても、偏向光束群の隙間を減少させることができる。 In this embodiment, both the height and the spacing of the plurality of extraction mirrors are changed, but the gap of the deflected luminous flux group can be reduced even if only the spacing of the plurality of extraction mirrors is changed.
人間の眼は異なる画角を観察するときに眼球を回転させる。一方で、導光板から射出される偏向光束群には隙間が存在し、隙間の位置や大きさは画角によって異なる。 The human eye rotates the eyeball when observing different angles of view. On the other hand, there is a gap in the deflection luminous flux group emitted from the light guide plate, and the position and size of the gap differ depending on the angle of view.
観察者の眼に入射する光束に大きな隙間が存在する場合、眼の瞳に入射する光束の光量が変化するため、均一な明るさの画像を見たとしても、明部と暗部が点在するように見える。例えるならば、まるで網戸越しに景色を見るかのように、良好な視界とは言い難い品質の表示画像となる。 When there is a large gap in the luminous flux incident on the observer's eye, the amount of light incident on the pupil of the eye changes, so even if an image with uniform brightness is viewed, bright and dark areas are scattered. looks like. For example, it is a display image with a quality that cannot be said to have a good field of view, as if you were looking at the scenery through a screen door.
一方、実施例１～３の表示装置では、全画角において観察者の眼に入射する光束の隙間を小さく設定することができるので、画角毎の明部と暗部の差も小さくなり、観察者が気にならない程度に軽減される。常に良好な画像を表示可能な表示装置を提供することができる。 On the other hand, in the display devices of Examples 1 to 3, since the gap between the light flux incident on the observer's eyes can be set small at all angles of view, the difference between the bright part and the dark part at each angle of view becomes small, and the observation is performed. It is reduced to the extent that people do not care. It is possible to provide a display device capable of always displaying a good image.
実施例１～３の表示装置は、例えば、ヘッドマウントディスプレイ（スマートグラスやＡＲグラスやスカウター等を含む）、ヘッドアップディスプレイ、携帯電話ディスプレイ、３Ｄディスプレイなどに応用が可能である。 The display devices of Examples 1 to 3 can be applied to, for example, a head-mounted display (including smart glasses, AR glasses, scouters, etc.), a head-up display, a mobile phone display, a 3D display, and the like.
本実施例では、ヘッドマウントディスプレイの一例であるスマートグラスに対して、本発明の表示装置を応用している。 In this embodiment, the display device of the present invention is applied to a smart glass which is an example of a head-mounted display.
図１２は、本発明を適用できる実施例４のスマートグラス６００の図である。
FIG. 12 is a diagram of a
スマートグラス６００は、メガネ型のウエアラブル端末であり、実際に見えている現実の世界に対してさまざまな情報を重ねて表示する、いわゆる拡張現実（ＡＲ）のための端末である。
The
スマートグラス６００は、フレームと２つの表示装置１ａ及び表示装置１ｂとを有する。フレームは、表示装置１ａと表示装置１ｂとが下面に接合されているリム６１と、リム６１の両サイドに接合されているテンプル６２ａ及びテンプル６２ｂと、を有する。表示装置１ａ及び表示装置１ｂとしては、実施例１～３のいずれかの表示装置を使用することができる。
The
表示装置１ａの表示素子（不図示）からの光が入射光学系３ａ及び導光板２ａによってスマートグラス６００を装着した観察者の右眼に導かれて、観察者の右眼に画像が表示される。同様に、表示装置１ｂの表示素子（不図示）からの光が入射光学系３ｂ及び導光板２ｂによってスマートグラス６００を装着した観察者の左眼に導かれて、観察者の左眼に画像が表示される。
Light from the display element (not shown) of the
なお、本実施例のスマートグラス６００では、観察者の左右の眼が並ぶ方向を水平導光部２１が光束を伝搬する水平方向（第１方向）と等しくし、リム６１に垂直な方向を垂直導光部２２が光束を伝搬する垂直方向（第２方向）と等しくしている。このように構成することにより、垂直ミラー群のミラーの長手方向を観察者の眼の並ぶ方向と等しくできるため、観察者の垂直ミラー群の視認性を低減することが可能になる。
In the
本実施例のスマートグラスによれば、スマートグラスを装着した観察者に画角の広い高画質な画像を表示することができる。 According to the smart glasses of the present embodiment, it is possible to display a high-quality image with a wide angle of view to an observer wearing the smart glasses.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
例えば、実施例１～３の表示装置では、２次元方向に光束幅を拡大する表示装置について説明した。しかし、実施例１の水平ミラー群又は垂直ミラー群の構成を１次元方向に光束幅を拡大する表示装置のミラー群に適用してもよいし、実施例２の水平伝搬部又は垂直伝搬部の構成を１次元方向に光束幅を拡大する表示装置の伝搬部に適用してもよい。また、実施例３のミラー群の構成や実施例３の一体化の概念を１次元方向に光束幅を拡大する表示装置の伝搬部に適用してもよい。 For example, in the display devices of Examples 1 to 3, a display device that expands the luminous flux width in a two-dimensional direction has been described. However, the configuration of the horizontal mirror group or the vertical mirror group of the first embodiment may be applied to the mirror group of the display device for expanding the luminous flux width in the one-dimensional direction, or the horizontal propagation portion or the vertical propagation portion of the second embodiment may be applied. The configuration may be applied to the propagation portion of the display device that expands the luminous flux width in the one-dimensional direction. Further, the concept of the configuration of the mirror group of the third embodiment and the integration of the third embodiment may be applied to the propagation portion of the display device for expanding the luminous flux width in the one-dimensional direction.
１ 表示装置
２ 導光板（導光素子）
３ 入射光学系
４ 表示素子
５ 観察者の眼
２１ 水平導光部（第１導光部）
２２ 垂直導光部（第２導光部）
２１１ 水平伝搬部（第１伝搬部）
２１２ 水平ミラー群（第１ミラー群）
２２１ 垂直伝搬部（第２伝搬部）
２２２ 垂直ミラー群（第２ミラー群）
２１１３ 上面（第１反射面）
２１１４ 下面（第１射出面）
２２１１ 正面（第２射出面）
２２１２ 背面（第２反射面）
２１２０ 水平取出ミラー（複数のミラー）
２１２１ 第１反射領域（ハーフミラー）
２１２２ 第２反射領域（高反射ミラー）
1
3 Incident optical system 4
22 Vertical light guide section (second light guide section)
211 Horizontal gene transfer section (first propagation section)
212 Horizontal mirror group (1st mirror group)
221 Vertical propagation section (second propagation section)
222 Vertical mirror group (second mirror group)
2113 Upper surface (first reflective surface)
2114 lower surface (first injection surface)
2211 Front (second injection surface)
2212 Back surface (second reflective surface)
2120 Horizontal take-out mirror (multiple mirrors)
2121 First reflection area (half mirror)
2122 Second reflection area (high reflection mirror)
Claims (10)
前記導光素子は、前記入射光学系からの前記光を第１方向に導く第１導光部と、前記第１導光部からの前記光を前記第１方向と交差する第２方向に導く第２導光部とを有し、
前記第１導光部及び前記第２導光部の少なくとも一方は、前記光が入射する入射面と、前記第１方向又は前記第２方向に沿って配置されており且つ前記光を反射するミラー群と、該ミラー群と対向する反射面とを有し、
前記ミラー群は、夫々が前記光を部分的に反射する領域を含む複数のミラーを有し、
前記複数のミラーは、第１ミラーと、該第１ミラー及び前記入射面の間に配置される第２ミラーとを含み、
前記反射面と前記第１ミラーとの最短距離は、前記反射面と前記第２ミラーとの最短距離よりも長いことを特徴とする表示装置。 A display device including a light guide element and an incident optical system for incident light from the display element on the light guide element.
The light guide element guides the light from the incident optical system in a first direction and guides the light from the first light guide in a second direction intersecting the first direction. It has a second light guide and
At least one of the first light guide unit and the second light guide unit is a mirror that is arranged along the first direction or the second direction and reflects the light with the incident surface on which the light is incident. It has a group and a reflective surface facing the mirror group.
The mirror group each has a plurality of mirrors including a region that partially reflects the light.
The plurality of mirrors include a first mirror and a second mirror arranged between the first mirror and the incident surface .
A display device characterized in that the shortest distance between the reflecting surface and the first mirror is longer than the shortest distance between the reflecting surface and the second mirror.
前記導光素子は、前記入射光学系からの前記光を第１方向に導く第１導光部と、前記第１導光部からの前記光を前記第１方向と交差する第２方向に導く第２導光部とを有し、
前記第１導光部及び前記第２導光部の少なくとも一方は、前記光が入射する入射面と、前記第１方向又は前記第２方向に沿って配置されており且つ前記光を反射するミラー群とを有し、
前記ミラー群は、夫々が前記光を部分的に反射する領域を含む複数のミラーを有し、
前記複数のミラーにおける互いに隣接する二つのミラーの間隔が、前記入射面から離れるにつれて長くなっていることを特徴とする表示装置。 A display device including a light guide element and an incident optical system for incident light from the display element on the light guide element.
The light guide element guides the light from the incident optical system in a first direction and guides the light from the first light guide in a second direction intersecting the first direction. It has a second light guide and
At least one of the first light guide unit and the second light guide unit is a mirror that is arranged along the first direction or the second direction and reflects the light with the incident surface on which the light is incident. Have a group and
The mirror group each has a plurality of mirrors including a region that partially reflects the light.
A display device characterized in that the distance between two mirrors adjacent to each other in the plurality of mirrors becomes longer as the distance from the incident surface increases.
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