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號公報如上所述在截面鋸齒狀的部分形成有反射層的導光板，存在導光板內的全反射角為某程度以上大的光束不入射到反射層而通過導光板的情況，因此會產生不用于成像的光束，光的利用效率會降低。

發明內容
于是，本發明的目的在于提供一種提高了光的利用效率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。為了解決上述問題，本發明的所涉及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；圖像取出部，包括在預定的排列方向排列、具有第一反射面和與第一反射面成預定角度的第二反射面而成的多個反射單元，在該反射單元中，通過由第一反射面反射由導光部引導的圖像光并且通過第二反射面進一步反射在第一反射面反射后的圖像光的光路的折彎，能夠將圖像光向外部取出；以及光射出部，具有將經過了圖像取出部的圖像光射出到外部的光射出面，圖像取出部的反射單元的第一和第二反射面與光射出面的間隔在光入射部側相對寬。在此，作為全反射，不僅包含所有的光在內面反射而傳遞的情況，還包含在滿足全反射條件的面上施以鏡覆蓋層(mirror coat)、半透明的鋁膜制的半反射鏡膜而反射的情況等。在上述導光板中，從構成圖像取出部的反射單元的第一和第二反射面到光射出面的距離關于上述預定的排列方向在光入射部側相對寬，所以從反射單元的第一和第二反射面到光射出面的距離在反光入射部側相對窄，能夠減少由于以不入射到構成圖像取出部的反射單元而在圖像取出部和光射出面之間通過的方式傳播使得無法向外部取出的圖像光。即，能夠將導光板內的全反射角大的圖像光多入射到圖像取出部而從光射出部有效地的取出，所以能夠提高在成像時的光利用率。
根據本發明的具體側面，圖像取出部中至少一個以上的反射單元的第一和第二反射面，與相比于所述至少一個以上的反射單元配置在光入射部側的其他反射單元的第一和第二反射面比較，配置在接近光射出面的位置，使得將圖像光多向光射出部側反射。換言之，圖像光的光路的通過寬度或導光寬度，在配置在反光入射部側的所述至少一個以上的反射單元側相對窄。在此情況下，通過在反光入射部側接近光射出面的位置配置的反射單元，能夠將導光板內的全反射角大的圖像光朝向光射出面折彎，能夠有效地回收導向導光板的圖像光而用于成像。通過縮短從反射單元到光射出面的距離，能夠提高將入射到反光入射部側的反射單元的圖像光集中在眼睛的方向的效果。根據本發明的另一側面，在圖像取出部中配置在最靠反光入射部側的反射單元的第一和第二反射面，比在圖像取出部中配置在最靠光入射部側的反射單元的第一和第二反射面，配置在更接近光射出面的位置。在此情況下，通過配置在最靠反光入射部側的反射單元，能夠將導光板內的全反射角大的圖像光朝向光射出面延伸進而朝向眼睛彎曲，能夠有效地回收在導光板引導的圖像光并用于成像。根據本發明的另一側面，在圖像取出部中關于預定的排列方向的反光入射部側的部分區域中，反射單元的所述第一和第二反射面，越位于反光入射部側越配置在接近光射出面的位置。在此情況下，能夠可靠地使圖像光入射到構成圖像取出部的各反射單元的所述第一和第二反射面。根據本發明的另一側面，在圖像取出部中比部分區域靠近光入射部側的基本區域中，反射單元的第一和第二反射面被配置為將其與光射出面的間隔保持為一定。根據本發明的另一側面，部分區域中的反射單元的第一和第二反射面沿著從與第一全反射面平行的狀態向預定的傾斜方向傾斜預定角度的傾斜平面配置。在此情況下，入射到沿傾斜平面配置的反射單元的圖像光以比較均勻的狀態朝向光射出部回收，用于成像。根據本發明的另一側面，部分區域中的反射單元的第一和第二反射面沿著從與第一全反射面平行的狀態向預定的傾斜方向傾斜并且傾斜角變化的曲面配置。在此情況下，入射到沿曲面配置的反射單元的第一和第二反射面的圖像光以錯亂少的狀態朝向光射出部回收并用于成像。根據本發明的另一側面，部分區域中的反射單元的第一和第二反射面沿著相對于第一全反射面的傾斜角在關于預定的排列方向的反光入射部側變大的曲面配置。在此情況下，能夠使圖像光可靠地入射到沿曲面配置的各反射單元的第一和第二反射面。根據本發明的另一側面，圖像取出部中反光入射部側的至少一個反射單元的第一和第二反射面接近光射出面配置。在此情況下，能夠有效地活用導向導光板的圖像光。根據本發明的另一側面，圖像取出部中光入射部側的至少一個反射單元的第一和第二反射面接近第一全反射面配置。在此情況下，能夠有效地活用導向導光板的圖像光。根據本發明的另一側面，在各反射單元中，第一反射面相比于第二反射面與反光入射部側相鄰，在相對于導光部的第一全反射面大致正交的方向延伸。在此情況下，能夠不浪費地反射向各反射單元的入射光而可靠地引導至位于光射出部前方的眼球。為了解決上述問題，本發明的虛像顯示裝置具有(a)上述任一所述的導光板和(b)形成導向導光板的圖像光動圖像形成裝置。在此情況下，通過使用上述任一所述的導光板，虛像顯示裝置能夠防止亮度不均并且以高光利用效率射出虛像光。


圖1的(A)是表示第一實施方式所涉及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是說明導光板內的圖像取出部的配置的截面圖。圖3的㈧ (C)是用于對圖像取出部中的圖像光的光路進行說明的示意圖。圖4的㈧、⑶是比較圖像取出部設置的基本區域和部分區域中的光利用效率的圖。圖5的㈧、(C)是說明由第一實施方式的虛像顯示裝置形成的像的二維亮度分布和截面亮度分布的圖，(B)、(D)是說明由比較例的虛像顯示裝置形成的像的二維亮度分布和截面亮度分布的圖。圖6的㈧ (C)是說明導光板的變形例的截面圖。圖7是說明第二實施方式涉及的虛像顯示裝置的主要部分的截面圖。圖8的(A)、(C)是說明由第二實施方式的虛像顯示裝置形成的像的二維亮度分布和截面亮度分布的圖，(B)、(D)是說明由第一實施方式的虛像顯示裝置形成的像的二維亮度分布和截面亮度分布的圖。符號說明10圖像形成裝置；11液晶裝置；12準直透鏡；20導光板；20a導光板本體部；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；Al、A2部分區域；AX光軸；CP曲面；EY眼；GL1、GL2、GL3圖像光；IS光入射面；OA光軸；OS光射出面(光射出部)；PS棱鏡部；TP傾斜平面
具體實施例方式第一實施方式下面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。A.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)。圖像形成裝置10具備作為圖像顯示元件的液晶裝置11和光束形成用的準直透鏡12。液晶裝置11將來自設置于背后的光源(未圖示)的照明光進行空間調制，形成應該成為動圖像等顯示對象的圖像光。準直透鏡12使從液晶裝置11上的各點射出的圖像光成為平行狀態的光束。準直透鏡12的透鏡材料可以設為玻璃或塑料的任一種。如圖1的(A) (C)所示，本實施方式涉及的導光板20具備導光板本體部20a、入射光彎曲部21、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本體部20a形成。此外，導光板20的構造為在長度方向的一端具有包括裝入導光板本體部20a的多個微鏡的圖像取出部23，在長度方向的另一端具有在以擴張導光板本體部20a的方式形成的棱鏡部PS所附帶的入射光彎曲部21。導光板本體部20a具有作為光入射部的光入射面IS，其由光透過性樹脂材料等形成，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。導光板本體部20a作為設置于其一端的棱鏡部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，作為相對于光入射面IS傾斜的反射面即入射光彎曲部21發揮作用。另外，在導光板本體部20a的背面側，以沿光射出面OS相對的方式形成有作為微細構造的圖像取出 23 ο作為與導光板本體部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通過在導光板本體部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少許偏向-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本體部20a內。此外，導光板本體部20a具有導光部22，該導光部22用于從入口側(即光入射部側)的入射光彎曲部21向里側(即反光入射部側)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，作為相當于平板狀的導光板本體部20a的主面、且相互對向地相對于TL面平行延伸的兩個平面。在此，第一全反射面22a為位于距離圖像形成裝置10遠的背面側的面，第二全反射面22b為位于接近圖像形成裝置10的正面側的面。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22a而被全反射。以下通過重復該動作，圖像光被導向導光板20的反光入射部側即設置有圖像取出部23的+Z側。在此，用于導光板本體部20a的透明樹脂材料是折射率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內部的圖像光的面角比較小。與導光板本體部20a的光射出面OS相對配置的圖像取出部23大致沿TL面具有二維的展寬，但從圖像取出部23到光射出面OS的距離如后面詳述的那樣不是一樣的，在反光入射部側短于光入射部側。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而向光射出面OS側彎曲。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。即，導向導光板本體部20a的圖像光通過入射到圖像取出部23僅一次，就向適當的方向彎曲而通過光射出面OS。如圖2所示，圖像取出部23由排列成條紋狀的多個細線狀的反射單元23c構成。更具體而言，圖像取出部23通過將在Y方向延伸的細長反射單元23c以預定的間距大致沿導光部22延伸的方向即Z方向周期排列多個而構成。即，Z方向成為反射單元23c的排列方向。圖像取出部23不完全一樣，分成配置在光入射部側的基本區域Al和配置在反光入射部側的部分區域A2。基本區域Al是平坦的層狀部分，接近于第一全反射面2 的延長平面平行延伸。此外，部分區域A2是平坦層狀的部分，沿著以在反光入射部側從第一全反射面22a的延長平面離開的方式傾斜的傾斜平面TP延伸。即，在基本區域Al，從構成圖像取出部23的各反射單元23c到光射出面OS的距離與光軸OA延伸的Z方向的位置無關而保持相同。另一方面，在部分區域A2，從構成圖像取出部23的各反射單元23c到光射出面OS的距離從光入射部側即-Z側的端部A21向反光入射部側即+Z側的端部A22逐漸變大。結果，在圖像取出部23中配置在最反光入射部側一端的反射單元23c比配置在最靠光入射部側的一端的反射單元23c配置在更接近光射出面OS的位置。換言之，配置在最靠反光入射部側的一端的反射單元23c和光射出面OS之間的間隔相對窄，配置在最靠光入射部側的一端的反射單元23c和光射出面OS之間的間隔相對寬。在此，在圖像取出部23中光路最下游或最上游側的反射單元23c考慮為圖像取出部23的有效區域。即，還存在如下情況相比于圖像取出部23的最靠+Z側的反射單元23c，在-Z側設置的若干反射單元23c在有效區域內處于最靠反光入射部側。如上所述，設置部分區域A2而配置在最靠反光入射部側一端的反射單元23c相對于光射出面OS配置在比較近的位置的情況下，如后面詳述那樣，能夠減少在圖像取出部23不彎曲而從其周邊部23h向反光入射部側漏出的光束。部分區域A2的Z方向的寬度SW2在圖示的例子中是圖像取出部23的Z方向的整個寬度SWO的一半以下，也可以設為整個寬度SWO或接近該整個寬度SWO的值。此時，為實質上不存在基本區域Al的狀態。此外，在配置部分區域A2的傾斜平面TP關于Z方向的傾斜角設為ε時，部分區域Α2的縱深D2為D2 = SW2 Xtane ,設導光板本體部20a的X方向的厚度為DO時，SW2X tan ε < DO的關系成立。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的射出面Ila上分別射出的圖像光中圖中虛線所示的從射出面Ila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Ila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。經過準直透鏡的各圖像光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Ila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θ 0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θ ^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。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Ila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θ +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中例如全反射N-M次(M為自然數)，在圖像取出部23中最靠反光入射部側(+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Ila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θ —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中最靠反光入射部側(-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。此時的射出方向為遠離入射光彎曲部21側的方向，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，圖像光GL1、GL2、GL3代表圖像光的光束整體的一部分進行了說明，對于構成其他圖像光的光束成分也與圖像光GL等同樣地被引導而從光射出面OS射出，所以對它們省略圖示和說明。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3的㈧等對基于圖像取出部23的圖像光光路的彎曲進行詳細說明。圖像取出部23通過在光入射部側的基本區域Al和反光入射部側的部分區域A2雙方將在Y方向上延伸的細長反射單元23c以預定的節距PT在Z方向周期排列多個而構成。各反射單元23c具有配置在里側即反光入射部側的第一反射面23a和配置在入口側即光入射部側的第二反射面23b。在此，至少第二反射面2 是能夠透過一部分光的部分反射面，能夠使觀察者透視觀察外界像。此外，各反射單元23c通過相鄰的第一和第二反射面23a,23b在XL截面視圖上呈V字或楔狀。更具體而言，第一和第二反射面23a、2!3b相互成銳角，與作為整體的反射單元23c同樣，以與平行于第一全反射面2 沿整體光路的Z方向垂直延伸的Y方向作為長度方向，以細長線狀延伸。反射單元23c的節距PT的具體數值范圍為0. 2mm以上，更優選為0. 5mm 1. 3mm。通過處于該范圍，應該被取出的圖像光能夠在圖像取出部23中不會受到衍射的影響且能夠使反射單元23c的格子條紋對于觀察者來說不顯眼。下面對構成反射單元23c的第一反射面23a和第二反射面2 的傾斜進行詳細說明。首先，在光入射部側的基本區域Al，構成各反射單元23c的第一反射面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，在該反射單元23c中，與第一反射面23a相鄰的第二反射面2 在相對于第一反射面23a成預定角度(相對角度)α的方向延伸。在此，相對角度α考慮基于反射單元23c的圖像光的取出效率來設定，在具體例中，例如為54.7°。在反光入射部側的部分區域A2，構成各反射單元23c的第一反射面23a也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，在該反射單元23c，與第一反射面23a相鄰的第二反射面2 與基本區域Al的反射單元23c同樣，在相對于第一反射面23a成預定角度α (具體而言例如Μ. 7° )的方向延伸。在此，在部分區域Α2中，在反光入射部側反射單元23c以遠離第一全反射面2 的方式傾斜配置，所以從反射單元23c的反射面23a、2!3b到第一全反射面22a的距離根據+Z方向的位置逐漸增加。因此，部分區域A2中的反射單元23c的情況下，第一反射面23a的長度d2比構成基本區域Al的反射單元23c的第一反射面23a的長度dl長補償臺階的量。即，在部分區域A2中，第一反射面23a的面積相對變大。下面對基于圖像取出部23的圖像光的光路的彎曲進行詳細說明。在此，在圖像光中示出入射到圖像取出部23的兩端側的圖像光GL2和圖像光GL3，對于其他光路，與它們是同樣的，所以省略圖示等。首先，如圖3的(A)及其部分擴大圖即圖3的(B)所示，圖像光中以全反射角度的最大反射角θ +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。圖3 (B)所示的反射單元23c中，圖像光GL2最初在反光入射部側即+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，從如圖1的(A)等所示的光射出面OS射出。即，圖像光GL2通過在圖像取出部23僅通過一次，以所希望的角度彎曲，被取出到觀察者側。此外，如圖3的(A)及其部分擴大圖即圖3的(C)所示，以全反射角度的最小的反射角θ引導的圖像光GL3入射到在圖像取出部23中在最接近光入射面IS(參照圖1的(A))的光入射部側即-Z側的周邊部2 !配置的一個反射單元23c。在圖3的(C)所示的反射單元23c中，圖像光GL3與圖3的(B)的圖像光GL2的情況同樣，最初在反光入射部側即+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GL3不經過其他反射單元23c，通過在圖像取出部23僅通過一次，以所希望的角度彎曲，被取出到觀察者側。在此，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3的(B)和圖3的(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β都是β =20 -叫0 :直角)。S卩，彎曲角β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Θ&Θ+、θ_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能夠使圖像光在圖像取出部23不是多次通過而是僅通過一次，能夠損失少地將圖像光作為虛像光取出。在導光部22的形狀和/或折射率、構成圖像取出部23的反射單元23c的形狀等的光學設計中，能夠通過適當調整引導圖像光GL2、GL3等的角度，使從光射出面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δ2和另一端的圖像光GL3相對于X方向或光軸AX的角度δ 3為大小大致相等且方向相反。圖像光GL2、GL3的角度S2、δ 3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δ2和角度δ 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面角。在此，參照圖3的(A)對反射單元23c的詳細配置進行說明。在附圖左側即光入射部側的基本區域Al中，反射單元23c的反射面23a、2!3b接近第一全反射面2 配置，結果最遠離圖2所示的光射出面OS。另一方面，在附圖右側即反光入射部側的部分區域A2中，反射單元23c的反射面23a、23b以從第一全反射面2 逐漸遠離的方式配置，結果在反光入射部側逐漸接近圖2所示的光射出面OS。在本說明書中，反射單元23c的反射面23a、23b與第一全反射面22a的間隔以各反射面23a、23b中圖像光GL2、GL3入射的光路上的位置為基準在X方向上考慮。即，以具有楔形截面的反射單元23c中接近開口側的部分關于X方向的位置為基準。在兩反射面23a、23b中圖像光GL2、GL3入射的X方向的位置不同的情況下，以兩者的平均值進行考慮。同樣，反射單元23c的反射面23a、2!3b與光射出面OS (參照圖2)的間隔以各反射面23a、23b中圖像光GL2、GL3入射的光路上的位置為基準在X方向上進行考慮。如圖4的㈧所示，入射到圖像取出部23中的中央部23k的光束即圖像光GLl入射到設置于基本區域Al的特定的多個反射單元23c，它們在反射單元23c折彎光路，以兩全反射面22a、22b的法線NL大致平行的狀態下通過光射出面OS。此時，具有光束寬度wl的圖像光GLl通過在圖像取出部23反射以光束寬度wl'的狀態射出。在此情況下，反射單元23c的反射面23a、2!3b與光射出面OS的間隔相對寬。即，反射后的圖像光GLl的光路關于X方向的通過寬度(X方向的導光寬度)接近于導光板本體部20a的厚度DO而相對寬。此外，如圖4的⑶所示，入射到圖像取出部23中+Z側的周邊部23h的光束即圖像光GL2入射到設置于基本區域A2的特定的多個反射單元23c，它們在反射單元23c折彎光路，以相對于兩全反射面22a、22b的法線NL傾斜的狀態下通過光射出面OS。此時，具有光束寬度《2的圖像光GL2通過在圖像取出部23反射以光束寬度w2'的狀態射出。在此情況下，反射單元23c的反射面23a、2!3b與光射出面OS的間隔相對窄，朝向反光入射部側逐漸變窄。即，反射后的圖像光GLl的光路關于X方向的通過寬度(X方向的導光寬度)在反光入射部側與導光板本體部20a的厚度DO相比逐漸變窄。在上述中，中央部23k的反射單元23c存在的基本區域Al接近于第一全反射面2 的延長平面而平行延伸，周邊部2 的反射單元23c存在的部分區域A2，以相對于第一全反射面22a的延長平面在反光入射部側遠離的方式傾斜延伸。S卩，部分區域A2以與第一全反射面22a的法線NL的方向(X方向)和各反射單元23c的排列方向(Z方向)雙方垂直的方向即Y方向為旋轉的軸向，從相對于第一全反射面2 平行的狀態順時針旋轉傾斜角ε。結果以比較大的全反射角θ +傳播的圖像光GL2入射到部分區域Α2的入射角θ+-ε接近以比較小的全反射角θ ^傳播的圖像光GLl入射到基本區域Al的入射角Qtl，圖像光GL2的入射側的光束寬度w2接近圖像光GLl的入射側的光束寬度wl。因此，圖像光GL2的射出側的光束寬度《2'也以與圖像光GLl的出射側的光束寬度wl'相當的程度變寬，能以高亮度觀察圖像。在部分區域A2不傾斜而與基本區域Al在同一平面上的情況下，圖像光GL2的光束寬度w2比圖像光GLl的光束寬度wl小很多，所以圖像光GL2的出射側的光束寬度也比圖像光GLl的出射側的光束幅度wl'小很多，成為以低亮度觀察圖像而發生亮度不均的原因。
通過設置以從第一全反射面22a的延長平面在反光入射部側遠離的方式傾斜的部分區域A2，能夠使在導光部22中傳播的圖像光GL2代表的全反射角大的圖像光作為寬幅光束入射到光射出面OS側而進行回收，能夠提高聚集在觀察者的眼EY的效果。由此，能夠使全反射角大的圖像光即在圖像取出部23的反光入射部側的部分反射而經由光射出面OS 入射到觀察者的眼EY的光束具有充分的亮度，能夠使由虛像顯示裝置100形成的虛像的亮度關于位置具有高的均勻度。換言之，通過在反光入射部側設置以接近光射出面OS的方式傾斜的部分區域A2，能夠減少通過圖像取出部23和光射出面OS之間而未用于虛像形成的圖像光。即，能夠減少引導至導光板本體部20a的內部但未通過圖像取出部23在光射出面 OS側取出而向圖像取出部23的反光入射部側傳播無法加以利用這樣的光損失，所以能夠提高圖像取出部23特別是反光入射部側的部分中的光利用效率，能夠提高由虛像顯示裝置100形成的虛像的亮度的均勻度。圖5的(A)是說明由實施方式的虛像顯示裝置100形成的虛像型的圖像光的二維亮度分布的圖，圖5的(B)是說明由比較例的虛像顯示裝置形成的虛像型的圖像光的二維亮度分布的圖。比較兩圖可知，在實施方式的虛像顯示裝置100的情況下大幅降低亮度不均的發生。比較例的虛像顯示裝置具有與實施方式的虛像顯示裝置100同樣的構造，但在圖像取出部23作為整體接近第一全反射面2 而平行延伸的方面不同。圖5的(C)是表示由實施方式的虛像顯示裝置100形成的圖像光的沿光軸OA的Z 方向的亮度分布的曲線圖，圖5的(D)是表示由比較例的虛像顯示裝置形成的圖像光的沿光軸OA的Z方向的亮度分布的曲線圖。比較兩圖可知，在實施方式的虛像顯示裝置100的情況下Z方向的亮度分布比較均勻。D.導光板的制造方法在此，參照圖2簡單說明導光板20的主要部分的制造方法。首先，用光透過性樹脂材料一體形成應該成為導光部22和圖像取出部23的基底等的母材部分。在母材部分形成與第一和第二反射面23a、23b的形狀對應的鋸齒狀的表面。然后，在該母材部分的鋸齒狀的表面上通過鋁蒸鍍形成用于形成第一和第二反射面23a、23b的反射膜。然后，通過從反射膜上方涂敷紫外線硬化性樹脂填埋凹部RE使其平坦化，照射紫外線使這樣的紫外線硬化性樹脂硬化。這樣，制成在內部埋入有圖像取出部23a的導光板20。E.導光板的變形例圖6的(A)是說明第一變形例的導光板20的圖，相當于圖2。在此情況下，設置于部分區域A2的最靠光入射部側的反射單元23c即其反射面23a、2!3b接近第一全反射面 22a形成，設置于部分區域A2的最靠反光入射部側的反射單元23c即其反射面23a、2!3b接近第一全反射面22b。即，配置有部分區域A2的傾斜平面TP的傾斜角ε最大。圖6的(B)是說明第二變形例的導光板20的圖。在此情況下，部分區域Α2沿相對于第一全反射面22a的延長平面的傾斜角向反光入射部側變大的曲面CP延伸。S卩，圖示的部分區域A2中，從構成圖像取出部23的各反射單元23c即其反射面23a、2!3b到光射出面OS的距離從光入射部側即-Z側的端部A21向反光入射部側即+Z側的端部A22逐漸增加，其增加程度向反光入射部側增加。此情況下，部分區域A2的光入射部側的端部A21與基本區域Al的反光入射部側的端部平滑連接。通過這樣的導光板20，也能夠減少未通過圖像取出部23彎曲而向其反光入射部側漏出的光束。
圖6的(C)是說明第三變形例的導光板20的圖。在此情況下，部分區域A2沿相對于第一全反射面22a的延長平面的傾斜角不同的兩個傾斜平面TP1、TP2延伸。在圖示的部分區域Α2中，從構成圖像取出部23的各反射單元23c即其反射面23a、23b到光射出面 OS的距離也從光入射部側即-Z側的端部A21朝向反光入射部側即+Z側的端部A22逐漸增加。通過這樣的導光板20，也能夠減少未通過圖像取出部23彎曲而向其反光入射部側漏出的光束。部分區域A2不限于兩個傾斜平面TP1、TP2而可以以沿著三個以上的傾斜平面折彎的方式延伸。根據以上說明的本實施方式的導光板20，構成圖像取出部23的反射單元23c的反射面23a、2!3b與光射出面OS的間隔關于反射單元23的排列方向即Z方向在反光入射部側比在光入射部側相對窄，所以能夠減少由于不入射到反射單元23c而以通過圖像取出部23 和光射出面OS之間的方式傳播從而無法取出到外部的圖像光。即，能夠使導光板20內的全反射角大的圖像光可靠地入射到圖像取出部23而從光射出面OS有效地取出，所以能夠提高成像時的光利用效率。由此，能夠提供明亮高性能的虛像顯示裝置100。第二實施方式下面通過圖7等對將第一實施方式變形得到的第二實施方式進行說明。本實施方式涉及的導光板除了圖像取出部的構造外具有與圖2等所示的導光板20同樣的構造，所以在圖7中僅圖示圖像取出部及其周邊，對導光板和虛像顯示裝置整體的構造省略圖示和說明。圖7所示的第二實施方式中，對于與圖2等的導光板20相同的符號，只要不特別說明， 則表示與在第一實施方式中說明的部件同等的部件。在圖7所示的第二實施方式的導光板20，部分區域A2具有相對于第一全反射面 22a的延長平面平行延伸的多個分割區域B21、B22。各分割區域B21、B22接近于第一全反射面2 平行延伸，但從構成反光入射部側的分割區域B22的反射單元23c的反射面23a、 23b到光射出面OS的距離短于從構成光入射部側的分割區域B21的反射單元23c的反射面 23a、23b到光射出面OS的距離。結果從圖像取出部23的反射單元23c的反射面23a、23b 到光射出面OS的距離關于反射單元23c的排列方向即Z方向在反光入射部側比在光入射部側短。通過這樣的導光板20，也能夠減少不通過圖像取出部23折彎而向其反光入射部側漏出的光束。圖8的㈧是說明由第二實施方式的虛像顯示裝置100形成的圖像光的二維亮度分布的圖，圖8的(B)是對應于圖5的(A)說明第一實施方式的圖像光的二維亮度分布的圖。此外，圖8的(C)是由第二實施方式的虛像顯示裝置100形成的圖像光的沿光軸OA的 Z方向的亮度分布的曲線圖，圖8的(D)是對應于圖5的(C)表示第一實施方式的圖像光的沿光軸OA的Z方向的亮度分布的曲線圖。可知第二實施方式的虛像顯示裝置100的情況下，也能夠與第一實施方式的虛像顯示裝置100相當的程度地減少亮度不均的發生。以上說明的第二實施方式的導光板20在分割區域B21、B22間等形成臺階，所以與第一實施方式相比在亮度不均的方面不利，但正因為分割區域B21、B22與光射出面OS平行配置而調節臺階，所以導光板20的制造可以說比較簡單。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。
首先，配置在圖像取出部23中光入射部側的基本區域Al不限于相對于第一全反射面22a的延長平面平行延伸，可以以從第一全反射面22a的延長平面在反光入射部側少許離開的方式微小傾斜。此外，上述說明中，與構成圖像取出部23的特定的反射單元23c的反光入射部側相鄰的反射單元23c的反射面23a、2!3b與上述特定的反射單元23c的反射面23a、2!3b相比相對于光射出面OS為等距離或更接近。基本上優選這樣的排列，但對于局部的一部分反射單元23c的反射面23a、23b，也可以是與更靠光入射部側的特定的反射單元23c的反射面 23a,23b相比從光射出面OS稍微離開的狀態。關于構成圖像取出部23的反射單元23c的排列的節距PT，不限于在各第一反射面 23a之間全部相同的情況，也包括各節距PT存在某種程度的差異的情況。構成圖像取出部23的反射單元23c的朝向不限于圖示，可以使之圍繞Y軸微小旋轉來調整方向。此時，只要使所有反射單元23c的相對角度α —致，不需要使所有反射單元23c的朝向準確一致。在上述說明中，作為圖像顯示元件，使用透過型的液晶裝置11，但作為圖像顯示元件不限于透過型的液晶裝置，也可以使用各種元件。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各具備一組圖像形成裝置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、2^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，也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過性的鏡覆蓋全反射面22a、2^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，包括在預定的排列方向排列、具有第一反射面和與所述第一反射面成預定角度的第二反射面而成的多個反射單元，在該反射單元中，通過由所述第一反射面反射由所述導光部引導的所述圖像光并且由所述第二反射面進一步反射在所述第一反射面反射后的所述圖像光的光路的折彎，能夠將所述圖像光向外部取出；以及光射出部，具有將經過了所述圖像取出部的所述圖像光射出到外部的光射出面，所述圖像取出部的所述反射單元的所述第一和第二反射面與所述光射出面的間隔在所述光入射部側相對寬。
2.根據權利要求1所述的導光板，其中，所述圖像取出部中至少一個以上的反射單元的所述第一和第二反射面，與相比于所述至少一個以上的反射單元配置在所述光入射部側的其他反射單元的所述第一和第二反射面比較，配置在接近所述光射出面的位置，使得將所述圖像光多向所述光射出部側反射。
3.根據權利要求1所述的導光板，其中，在所述圖像取出部中配置在最靠近反光入射部側的反射單元的所述第一和第二反射面，比在所述圖像取出部中配置在最靠近所述光入射部側的反射單元的所述第一和第二反射面，配置在接近所述光射出面的位置。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的導光板，其中，在所述圖像取出部中在關于所述預定的排列方向的反光入射部側的部分區域中，所述反射單元的所述第一和第二反射面，越位于反光入射部側越配置在接近所述光射出面的位置。
5.根據權利要求4所述的導光板，其中，在所述圖像取出部中比所述部分區域靠近所述光入射部側的基本區域中，所述反射單元的所述第一和第二反射面被配置成其與所述光射出面的間隔保持為一定。
6.根據權利要求4或5所述的導光板，其中，所述部分區域中的所述反射單元的所述第一和第二反射面沿著從與所述第一全反射面平行的狀態向所述預定的傾斜方向傾斜預定角度的傾斜平面配置。
7.根據權利要求4或5所述的導光板，其中，所述部分區域中的所述反射單元的所述第一和第二反射面沿著從與所述第一全反射面平行的狀態向所述預定的傾斜方向傾斜并且傾斜角變化的曲面配置。
8.根據權利要求7所述的導光板，其中，所述部分區域中的所述反射單元的所述第一和第二反射面沿著相對于所述第一全反射面的傾斜角在關于所述預定的排列方向的反光入射部側變大的曲面配置。
9.根據權利要求1 8中任一項所述的導光板，其中，所述圖像取出部中所述反光入射部側的至少一個反射單元的所述第一和第二反射面接近所述光射出面配置。
10.根據權利要求1 9中任一項所述的導光板，其中，所述圖像取出部中所述光入射部側的至少一個反射單元的所述第一和第二反射面接近所述第一全反射面配置。
11. 一種虛像顯示裝置，具備根據權利要求1 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
本發明提供提高了光利用效率的虛像顯示裝置用的導光板和裝入有該導光板的虛像顯示裝置。從圖像取出部23到光射出面OS的距離，關于反射單元23c的排列方向即Z方向在光路下游側短于光路上游側，所以能夠減少由于以不入射到反射單元23c而通過圖像取出部23和光射出面OS之間的方式傳播使得無法向外部取出的圖像光。即，能夠使在導光板20內的全反射角大的圖像光可靠地入射到圖像取出部23，有效地從光射出面OS取出，所以能夠提高在成像時的光利用效率。由此，能夠提供明亮且高性能的虛像顯示裝置100。
文檔編號G02B6/00GK102385096SQ20111025871
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月2日 優先權日2010年9月3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