JP6687885B2

JP6687885B2 - Virtual image optical system and virtual image display device

Info

Publication number: JP6687885B2
Application number: JP2016000551A
Authority: JP
Inventors: 高士窪田; 中村　直樹; 直樹中村; 史織大杉
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: JP2017122771A

Description

本発明は、ライトガイドを用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関する。 The present invention relates to a virtual image optical system and a virtual image display device using a light guide.

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（ＨｅａｄＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ、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ＧｏｏｇｌｅＬＴＤ．（米国）のＧｏｏｇｌｅｇｌａｓｓ（商標登録）がある。非透過型のＨＭＤに関しても、その没入感から、各社から種々の提案がなされている。 A virtual image display device using a light guide is known as a device for enlarging a two-dimensional image by a virtual image optical system and displaying the enlarged virtual image so that an observer can observe it. In recent years, a head mounted display (Head Mounted Display, hereinafter referred to as “HMD”) has become popular as one form of a light guide used in such a virtual image display device. The HMD is classified into a see-through transparent type and a non-transparent type. The transparent HMD is, for example, Google LTD. (United States) Googleglass (registered trademark). As for non-transmissive HMDs, various companies have made various proposals because of their immersive feeling.

透過型のＨＭＤは、情報端末と組み合わせて使用したり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。 Since the transparent HMD is used in combination with an information terminal or for providing AR (Augmented Reality) and the like, it is desired to have a small size and good portability. Since the non-transmissive HMD is used for watching movies, providing games, VR (Virtual Reality), etc., it is desired that the non-transparent HMD has a wide viewing angle that provides an immersive feeling.

ＨＭＤの外形や大きさに関しては、本体サイズの小型化、薄肉化を重視すると視野角が狭くなる傾向にあり、逆に、表示エリアを広視野角にすると本体サイズが大型化、厚肉化する傾向にある。 Regarding the external shape and size of the HMD, the viewing angle tends to become narrower when the main body size is made smaller and the thickness is made smaller, and conversely, when the display area is wide, the main body size becomes larger and thicker. There is a tendency.

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透過型の虚像表示装置として、例えば特許文献１乃至３が知られている。 In recent years, even transmissive devices are required to be thin, small and have a wide viewing angle due to user needs, and as a transmissive virtual image display device considering such a request, for example, Patent Document 1 Through 3 are known.

特許文献１の虚像表示装置は、導光板の光線入射部と光線射出部とを同一面上に位置させ、コリメート光学系の投射レンズの主光線を導光板に対して垂直に入射するように配置し、光透過性基板に２つ以上の主要面及びエッジを設ける。この虚像表示装置では、全反射によって光透過性基板に光を結像させる手段及び光透過性基板に設けられる１つ以上の部分的反射面を備える。 In the virtual image display device of Patent Document 1, the light incident portion and the light emission portion of the light guide plate are located on the same plane, and the principal ray of the projection lens of the collimating optical system is arranged so as to be incident perpendicularly to the light guide plate. Then, the light transmissive substrate is provided with two or more major surfaces and edges. In this virtual image display device, means for focusing light on a light transmissive substrate by total reflection and one or more partially reflecting surfaces provided on the light transmissive substrate are provided.

特許文献２の虚像表示装置は、２つの面を備えた光導波路において、光ビームを光導波路内に入射させるための注入部分を有し、光導波路の２つの面による連続反射によって光導波路中を伝搬して光ビームを射出させる。この虚像表示装置では、光導波路の２つの面の内の一の面上の平らな表面に微細構造を有し、光導波路の２つの面を平行にすることによって、透過する像と虚像とを重ね合わせる。 The virtual image display device of Patent Document 2 has an injection portion for allowing a light beam to enter the optical waveguide in an optical waveguide having two surfaces, and a continuous reflection by the two surfaces of the optical waveguide causes the optical waveguide to pass through the optical waveguide. Propagate and emit a light beam. In this virtual image display device, a fine structure is provided on a flat surface on one of the two surfaces of the optical waveguide, and by making the two surfaces of the optical waveguide parallel to each other, a transmitted image and a virtual image can be obtained. Overlap.

特許文献３の虚像表示装置は、自由曲面を有する導光板を使用し、投射レンズを導光板に対して傾斜して配置し、投射レンズから射出される光線で導光板内に中間像を形成させ、導光板の画像取り出し部で導光板内に形成された中間像を拡大化して虚像を表示するものである。 The virtual image display device of Patent Document 3 uses a light guide plate having a free curved surface, arranges a projection lens inclined with respect to the light guide plate, and forms an intermediate image in the light guide plate by a light beam emitted from the projection lens. The virtual image is displayed by enlarging the intermediate image formed in the light guide plate at the image extracting portion of the light guide plate.

本発明は、ライトガイドを小型に実現できる虚像光学系及び虚像表示装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a virtual image optical system and a virtual image display device that can realize a small light guide.

本発明に係る虚像光学系は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、前記画像表示素子からの画像光を拡大して射出する拡大光学系と、前記拡大光学系からの画像光を導光して虚像表示のために射出するライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記画像光が入射される凹面形状を有する光線入射部と、入射された前記画像光を導光して取り出す画像取り出し部と、取り出された前記画像光を外部に射出する光線射出部とが設けられた導光部材を有し、前記拡大光学系の焦点距離をＣｆ、前記ライトガイドの焦点距離をＬｆ、虚像光学系全系の焦点距離をｆとし、以下の条件（１）または条件（２）のいずれかを満足する。
０．５＜Ｃｆ／ｆ＜３．０・・・条件（１）
Ｌｆ＜０・・・条件（２） The virtual image optical system according to the present invention includes an image display element that outputs image light of a display image, a magnifying optical system that magnifies and emits image light from the image display element, and an image light from the magnifying optical system. A light guide that guides and emits light for displaying a virtual image, wherein the light guide guides the incident image light, and a light ray incident portion having a concave surface shape on which the image light is incident. an image pickup section, have a light guide member and the beam emitter provided to emit the image light to the outside taken out, Cf the focal length of the magnifying optical system, a focal length of the light guide Lf retrieve , F is the focal length of the entire virtual image optical system, and either condition (1) or condition (2) below is satisfied.
0.5 <Cf / f <3.0 ... Condition (1)
Lf <0 ... Condition (2)

本発明によれば、ライトガイドを小型に実現できる虚像光学系を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a virtual image optical system that can realize a small light guide.

本発明を適用した虚像光学系の第１の実施形態を示す平面図であり、画像表示素子、拡大光学系、及びライトガイドの位置関係を示す。1 is a plan view showing a first embodiment of a virtual image optical system to which the present invention is applied, showing a positional relationship between an image display element, a magnifying optical system, and a light guide. 上記虚像光学系の光路図である。It is an optical-path figure of the said virtual image optical system. 上記虚像光学系の光路等を説明するための斜視図である。It is a perspective view for explaining an optical path and the like of the virtual image optical system. 虚像光学系の第２の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 2nd Embodiment of a virtual image optical system. 虚像光学系の第３の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 3rd Embodiment of a virtual image optical system. 虚像光学系の第４の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 4th Embodiment of a virtual image optical system. ライトガイドの導光部材の部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is a partial enlarged plan view of the light guide member of a light guide, (a) is a figure which expands and shows an image extraction part, (b) is a figure which further expands and shows an image extraction part. 光学部材の一の構成例、及び、導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is a partial enlarged plan view which shows one structural example of an optical member, and the arrangement | positioning state of a light guide member and an optical member, (a) is a figure which expands and shows the image extraction part, (b) shows an image extraction part. It is a figure which expands and shows. 導光部材と光学部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は図８の導光部材と光学部材の場合、（ｂ）は図８の導光部材と他の構成例の光学部材の場合である。FIG. 9 is a partially enlarged plan view showing a state in which the light guide member and the optical member are joined with an adhesive, (a) is the case of the light guide member and the optical member of FIG. 8, and (b) is the light guide member of FIG. This is the case of the optical member having the above configuration example. 導光部材の他の実施形態を説明する部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。It is a partially expanded top view explaining other embodiment of a light guide member, (a) is a figure which expands and shows an image extraction part, (b) is a figure which further expands and shows an image extraction part. 図１０の導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。FIG. 11 is a partially enlarged plan view showing an arrangement state of the light guide member and the optical member of FIG. 10, (a) is an enlarged view of the image extracting portion, and (b) is a further enlarged view of the image extracting portion. is there. 導光部材と光学部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は図１０の導光部材と光学部材の場合、（ｂ）は図１０の導光部材と他の構成例の光学部材の場合である。FIG. 11 is a partially enlarged plan view showing a state in which the light guide member and the optical member are joined with an adhesive, (a) is the light guide member and the optical member of FIG. 10, and (b) is the light guide member of FIG. 10 and the like. This is the case of the optical member having the above configuration example. 虚像光学系で用いられる光学系の一例を示す光学配置図である。FIG. 3 is an optical layout diagram showing an example of an optical system used in a virtual image optical system. 図１３の光学系の収差図である。FIG. 14 is an aberration diagram of the optical system in FIG. 13. 虚像光学系で用いられる光学系の他の一例を示す光学配置図である。It is an optical layout drawing which shows another example of the optical system used by a virtual image optical system. 図１５の光学系の収差図である。16 is an aberration diagram of the optical system in FIG. 15. 第１の実施形態の虚像光学系を備えた虚像表示装置を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a virtual image display device including the virtual image optical system of the first embodiment. 各実施形態のライトガイドを眼鏡型のＨＭＤに適用した例を表す模式図であり、（ａ）はライトガイドを両眼一体型とした場合、（ｂ）及び（ｃ）は、ライトガイドを単眼型とし、左右の目に各々適用した場合及び片方の目に適用した場合を示す。It is a schematic diagram showing the example which applied the light guide of each embodiment to a spectacles type HMD, (a) is a binocular integrated type light guide, (b) and (c) is a monocular light guide. It shows the case of applying it to the left and right eyes and the case of applying to one eye.

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を用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関するものであり、最初に、虚像表示装置用の虚像光学系の構成を説明する。 Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. The following embodiments relate to a virtual image optical system and a virtual image display device using a transmissive light guide. First, the configuration of the virtual image optical system for the virtual image display device will be described.

（第１の実施形態）
図１乃至図３に示す第１の実施形態の虚像光学系は、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からの画像光を拡大して射出する拡大光学系３００と、ライトガイド５０と、を備える。ライトガイド５０は、拡大光学系３００から拡大して射出される画像光を内部に導光し、虚像表示のために外部すなわち観察者の目に向けて射出する役割を担うものである。図２は、かかる虚像光学系の光路を矢印で示すとともに、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２において下側）の面を「後面」とし、奥側（図２において上側）の面を「前面」として説明する。 (First embodiment)
The virtual image optical system of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 includes an image display element 10 that outputs image light of a display image, and a magnifying optical system 300 that magnifies and emits the image light from the image display element 10. And a light guide 50. The light guide 50 plays a role of guiding the image light, which is enlarged and emitted from the enlargement optical system 300, to the inside, and emits the image light to the outside, that is, the eyes of an observer for displaying a virtual image. In FIG. 2, the optical path of the virtual image optical system is indicated by arrows, and the eyes of the observer are schematically drawn. Hereinafter, regarding the surface of the light guide 50, the surface on the near side (lower side in FIG. 2) as viewed from the observer is referred to as “rear surface”, and the surface on the far side (upper side in FIG. 2) is referred to as “front surface”.

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ＬＥＤ（ＯＬＥＤ：ＯｒｇａｎｉｃＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）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（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）が適用可能である。また、画像表示素子１０として、ＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）が適用可能である。さらに、画像表示素子１０として、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）が適用可能である。 The image display element 10 is a device that outputs image light of a display image that is a basis of a virtual image displayed through the light guide 50. The image display element 10 is preferably an organic LED (OLED: Organic Light Emitting Diode) or a liquid crystal display element, but various display methods can be applied. For example, as the image display element 10, a DMD (Digital Micromirror Device) can be applied. Further, as the image display element 10, a TFT (Thin Film Transistor) or an LCOS (Liquid Crystal On Silicon) can be applied. Further, as the image display element 10, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) can be applied.

拡大光学系３００は、画像表示素子１０から出力される上述の画像光を拡大し平行光として射出する。図１乃至図３に示すように、第１の実施形態では、拡大光学系３００は、その射出光の中心軸（光軸）が、ライトガイド５０の後述する光線射出部１０４に対して傾きを有するように配置される。拡大光学系３００の構成例については後述する。 The magnifying optical system 300 magnifies the above-mentioned image light output from the image display element 10 and emits it as parallel light. As shown in FIGS. 1 to 3, in the first exemplary embodiment, the central axis (optical axis) of the emitted light of the magnifying optical system 300 is tilted with respect to the light emitting section 104 of the light guide 50 described later. Arranged to have. A configuration example of the magnifying optical system 300 will be described later.

（ライトガイド）
ライトガイド５０は、拡大光学系３００から入射される画像光を内部に導光し、外部すなわち観察者の目に向けて射出することで、画像光を観察者に虚像として提供するものである。ライトガイド５０は、図２に示すように、画像光の入射、導光及び射出を行うための導光部材１００と、ライトガイド５０のシースルー性を確保するため導光部材１００と一体をなすように設けられる光学部材２００と、を備える。 (Light guide)
The light guide 50 provides the image light to the observer as a virtual image by guiding the image light incident from the magnifying optical system 300 to the inside and emitting it toward the outside, that is, the observer's eyes. As shown in FIG. 2, the light guide 50 is integrally formed with the light guide member 100 for entering, guiding, and emitting image light, and the light guide member 100 for ensuring the see-through property of the light guide 50. And an optical member 200 provided in.

（導光部材）
ライトガイド５０の導光部材１００は、拡大光学系３００からの画像光が入射される光線入射部１０１と、画像光を外部に射出する光線射出部１０４と、を有する。導光部材１００の光線射出部１０４は、平面となっている。また、シースルー性を良好にするために、導光部材１００は、光線射出部１０４が設けられた後面と、奥側（図１において上側）の前面１０５とが、互いに平行に形成されている。 (Light guide member)
The light guide member 100 of the light guide 50 includes a light ray incident portion 101 on which the image light from the magnifying optical system 300 is incident, and a light ray emission portion 104 that emits the image light to the outside. The light emitting portion 104 of the light guide member 100 is a flat surface. Further, in order to improve the see-through property, the light guide member 100 has a rear surface provided with the light emitting portion 104 and a front surface 105 on the inner side (the upper side in FIG. 1) formed in parallel with each other.

導光部材１００は、光線入射部１０１から入射された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を備える。画像取り出し部１０３の具体的な構成は後述する。導光部材１００の材質としては、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質が好ましく、さらに、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。 The light guide member 100 includes an image extracting unit 103 for guiding the image light incident from the light incident unit 101 to the light emitting unit 104 and extracting the image light. The specific configuration of the image extracting unit 103 will be described later. As a material of the light guide member 100, a material having high transparency is preferable in consideration of the see-through property, and further, in consideration of processing of the image taking-out portion 103 described later, it is preferable to mold the resin.

導光部材１００の光線入射部１０１は、図１乃至図３に示すように、光線入射部１０１が設けられる面すなわち光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１に対して凸状に盛り上がる形状を有し、拡大光学系３００からの画像光が入射される面が、曲率を有する凹面Ｓ２となっている。このように、光線が入射される面を凹面にすることで、拡大光学系３００からの画像光を導光部材１００の内部に効果的に取り込むことが可能となる。 As shown in FIG. 1 to FIG. 3, the light incident part 101 of the light guide member 100 has a shape that bulges in a convex shape with respect to a surface on which the light incident part 101 is provided, that is, a surface S1 around the light incident part 101. The surface on which the image light from the magnifying optical system 300 is incident is a concave surface S2 having a curvature. In this way, by making the surface on which the light rays enter a concave surface, it becomes possible to effectively take in the image light from the magnifying optical system 300 into the light guide member 100.

すなわち、光線入射部１０１の光線入射面を凹面形状とすることで、ライトガイド５０は、負の屈折力を有することになる。そして、ライトガイド５０は、光線入射部１０１に入射した拡大光学系３００からの画像光の光線を効果的に発散させることができ、広視野角の実現を容易にすることができる。 That is, the light guide 50 has a negative refracting power by forming the light incident surface of the light incident portion 101 into a concave shape. Then, the light guide 50 can effectively diverge the light beam of the image light from the magnifying optical system 300 that has entered the light beam incident unit 101, and can easily realize a wide viewing angle.

この実施形態では、光線入射部１０１が設けられる面すなわち光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１は、図３に示すように、光線射出部１０４に対して所定の角度、この例では鈍角で傾斜している平面になっている。 In this embodiment, the surface on which the light incident part 101 is provided, that is, the surface S1 around the light incident part 101, is inclined at a predetermined angle with respect to the light emitting part 104, in this example, an obtuse angle, as shown in FIG. It is a flat surface.

拡大光学系３００と導光板の光線入射部分１０１の光軸を合わせるために、光線入射部１０１における凹面Ｓ２の周囲の部位は、光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１に対して凸状に盛り上がる形状となっている。このように、光線入射部１０１における凹面Ｓ２の周囲の部位を凸形状にしておくことにより、拡大光学系３００の機構部と接続して一体化する際に、かかる機構部の枠を凹面Ｓ２の周囲の凸形状の部位と当接させることが可能となる。ライトガイド５０と拡大光学系３００との位置合わせは、生産の安定性を図る上では重要な要素であり、上述の様な形状とすることが望ましい。また、このような形状とすることによって、部品点数を減らし、虚像光学系全体の大きさをコンパクトにすることが可能となる。 In order to align the optical axes of the magnifying optical system 300 and the light incident part 101 of the light guide plate, the portion around the concave surface S2 of the light incident part 101 is convexly raised with respect to the surface S1 around the light incident part 101. Has become. In this way, by making the region around the concave surface S2 of the light ray incident part 101 into a convex shape, when connecting and integrating with the mechanical part of the magnifying optical system 300, the frame of the mechanical part of the concave surface S2 is formed. It becomes possible to make contact with the surrounding convex portion. The position alignment between the light guide 50 and the magnifying optical system 300 is an important factor for ensuring the stability of production, and it is desirable that the light guide 50 and the magnifying optical system 300 have the above-described shapes. Further, with such a shape, the number of parts can be reduced and the size of the entire virtual image optical system can be made compact.

この実施形態では、図３に示すように、光線入射部１０１における凹面Ｓ２の周囲の部位は、凹面Ｓ２を平面視で正方形状に取り囲むように、角柱状に突起した形状となっている。凹面Ｓ２を取り囲む突起形状は、これに限られず、例えば、凹面Ｓ２を平面視で円形状に取り囲むように、円柱状に突起した形状としてもよい。或いは、凹面Ｓ２を平面視で多角形状に取り囲むように、角柱状に突起した形状としてもよい。 In this embodiment, as shown in FIG. 3, the portion around the concave surface S2 in the light incident portion 101 has a prismatic shape so as to surround the concave surface S2 in a square shape in a plan view. The shape of the protrusion surrounding the concave surface S2 is not limited to this, and may be, for example, a shape protruding in a column shape so as to surround the concave surface S2 in a circular shape in a plan view. Alternatively, it may be formed in a prismatic shape so as to surround the concave surface S2 in a polygonal shape in a plan view.

図１乃至図３では、光線入射部１０１を導光部材５０と一体成形した構成例を示している。他の構成例として、光線入射部１０１を導光部材５０とは別体の部品とし、導光部材に対して当接する構成とすることもできる（図３参照）。 1 to 3 show a configuration example in which the light incident part 101 is integrally molded with the light guide member 50. As another configuration example, the light incident part 101 may be a component separate from the light guide member 50 and may be in contact with the light guide member (see FIG. 3).

光線入射部１０１から入射した画像光はライトガイド５０内を全反射して導光され、画像取り出し部１０３で反射した光線は、全反射角以上の角度で光線射出部１０４に導かれ、光線射出部１０４から外部に射出される。ユーザは、光線射出部１０４からの射出光を覗くことで、虚像を確認することができる。 The image light incident from the light ray incident unit 101 is totally reflected and guided in the light guide 50, and the light ray reflected by the image extraction unit 103 is guided to the light ray emission unit 104 at an angle equal to or more than the total reflection angle and emitted. It is injected from the part 104 to the outside. The user can confirm the virtual image by looking into the light emitted from the light emitting unit 104.

（虚像光学系の変形例）
図４乃至図６を参照して、虚像光学系の他の実施形態について説明する。 (Modification of virtual image optical system)
Another embodiment of the virtual image optical system will be described with reference to FIGS. 4 to 6.

（虚像光学系の第２の実施形態）
虚像光学系の第２の実施形態を図４に示す。第２の実施形態は、ライトガイド５０の導光部材１００の構造が上述した第１の実施形態とは異なっている。すなわち、第１の実施形態では、導光部材１００の光線入射部１０１は、光線射出部１０４に対して傾斜した方向に位置している。これに対して、第２の実施形態では、図４に示すように、導光部材１００は、光線入射部１０１が光線射出部１０４の面に対して平行な位置に配置されている。すなわち、光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１と光線射出部１０４とは、いずれも導光部材１００の同一面である後面に設けられている。また、本実施形態の導光部材１００は、光線入射部１０１から入射した画像光を反射して内部に導光させるための反射部１０２を備えている。反射部１０２は、光線射出部１０４の面に対し傾斜して形成されている。 (Second Embodiment of Virtual Image Optical System)
A second embodiment of the virtual image optical system is shown in FIG. The second embodiment is different from the above-described first embodiment in the structure of the light guide member 100 of the light guide 50. That is, in the first embodiment, the light incident part 101 of the light guide member 100 is located in a direction inclined with respect to the light emitting part 104. On the other hand, in the second embodiment, as shown in FIG. 4, in the light guide member 100, the light incident part 101 is arranged in a position parallel to the surface of the light emitting part 104. That is, the surface S1 around the light incident part 101 and the light emitting part 104 are both provided on the same rear surface of the light guide member 100. Further, the light guide member 100 of the present embodiment includes a reflection portion 102 for reflecting the image light incident from the light ray incident portion 101 and guiding the image light to the inside. The reflecting portion 102 is formed to be inclined with respect to the surface of the light emitting portion 104.

このような構造のライトガイド５０は、光線入射部１０１から入射した光線を、反射部１０２で反射させて、導光部材１００内を全反射しながら導光し、光線射出部１０４から射出することができる。 In the light guide 50 having such a structure, the light ray incident from the light ray incident portion 101 is reflected by the reflection portion 102, is guided while being totally reflected in the light guide member 100, and is emitted from the light ray emission portion 104. You can

なお、光線入射部１０１と前記反射部１０２とのなす角θは、２０°から３０°の範囲に設定することが望ましい。光線入射部１０１と前記反射部１０２とのなす角θが２０°に満たない場合は、反射部１０２からの光線が光線入射部１０１に再度入射してしまうので望ましくない。光線入射部１０１と前記反射部１０２とのなす角θが３０°を超える場合は、ライトガイド５０の肉厚が厚くなり、重量が嵩むので望ましくない。 The angle θ formed by the light incident part 101 and the reflection part 102 is preferably set in the range of 20 ° to 30 °. If the angle θ formed by the light ray incident portion 101 and the reflection portion 102 is less than 20 °, the light ray from the reflection portion 102 is incident on the light ray incident portion 101 again, which is not desirable. If the angle θ formed by the light incident portion 101 and the reflection portion 102 exceeds 30 °, the light guide 50 becomes thick and heavy, which is not desirable.

（虚像光学系の第３の実施形態）
虚像光学系の第３の実施形態を図５に示す。第３の実施形態は、拡大光学系３００のレンズ構成が第１及び第２の実施形態とは異なっている。また、第３の実施形態における拡大光学系３００を構成する各レンズは、第１及び第２の実施形態と比較して、径方向に大きくなっている。このような構成の拡大光学系３００とすることにより、ライトガイド５０の光線入射部１０１の凹面Ｓ２の径を小さくすることができ、かつ、凹面Ｓ２のサグ量を小さくすることができる。 (Third Embodiment of Virtual Image Optical System)
A third embodiment of the virtual image optical system is shown in FIG. The third embodiment is different from the first and second embodiments in the lens configuration of the magnifying optical system 300. Further, each lens forming the magnifying optical system 300 in the third embodiment is larger in the radial direction than in the first and second embodiments. With the enlarging optical system 300 having such a configuration, the diameter of the concave surface S2 of the light incident portion 101 of the light guide 50 can be reduced, and the sag amount of the concave surface S2 can be reduced.

（虚像光学系の第４の実施形態）
虚像光学系の第４の実施形態を図６に示す。第４の実施形態は、拡大光学系３００を図５で上述した第３の実施形態と同様に各レンズを径方向に大きくし、ライトガイド５０の光線入射部１０１の配置を第１の実施形態と同様にした例である。このように、光線射出部１０４に対して角度を付けて光線入射部１０１を設ける場合には、光線入射部１０１の配置を最適化することにより虚像光学系の全体のサイズを小型に実現することが可能となる。 (Fourth Embodiment of Virtual Image Optical System)
A fourth embodiment of the virtual image optical system is shown in FIG. In the fourth embodiment, each lens is enlarged in the radial direction in the magnifying optical system 300 as in the third embodiment described above with reference to FIG. 5, and the light incident portion 101 of the light guide 50 is arranged in the first embodiment. This is an example similar to. As described above, when the light incident part 101 is provided at an angle to the light emitting part 104, the overall size of the virtual image optical system can be reduced by optimizing the arrangement of the light incident part 101. Is possible.

図１乃至図６で上述した拡大光学系３００のレンズ構成の詳細等については、後述する。 Details of the lens configuration of the magnifying optical system 300 described above with reference to FIGS. 1 to 6 will be described later.

（光学部材）
図１に戻り、ライトガイド５０の光学部材２００を説明する。光学部材２００は、平面テーパー状をなし、導光部材１００の光線射出部１０４に平行な平行面としての前面２１０と、前面２１０に対して傾斜し、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向配置される傾斜部２０３を有する。光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対して近接設置または接合される部位であり、かかる部位の詳細については後述する。 (Optical member)
Returning to FIG. 1, the optical member 200 of the light guide 50 will be described. The optical member 200 has a planar taper shape, is inclined with respect to the front surface 210, which is a parallel surface parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100, and faces the image extraction portion 103 of the light guide member 100. It has an inclined portion 203 arranged. The inclined portion 203 of the optical member 200 is a portion that is installed or joined in proximity to the image extraction portion 103 of the light guide member 100, and details of such a portion will be described later.

ライトガイド５０は、導光部材１００の前面１０５と光学部材２００の前面２１０とが同一平面になるように面位置を合わせて配置されており、これにより、ライトガイド全体として、前面と後面が平行を保つ形状をなしている。なお、ライトガイドの変形例として、光学部材２００の前面２１０が導光部材１００の前面１０５の位置から前方に出ている或いは後方に引っ込んでいる形状とすることもあり得る。シースルー性を考慮すると、導光部材１００の前面と光学部材２００の前面２１０の面位置は、一致していることが望ましいが、携帯性や用途などを考慮して、かかる両面の面位置をずらす形態としてもよい。但し、導光部材１００の画像取り出し部１０３を外部に露出しないようにすることが望ましい。 The light guide 50 is arranged such that the front surface 105 of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are flush with each other, whereby the front surface and the rear surface of the light guide as a whole are parallel. It has a shape that keeps. As a modified example of the light guide, the front surface 210 of the optical member 200 may have a shape protruding forward from the position of the front surface 105 of the light guide member 100 or retracting rearward. Considering the see-through property, the surface positions of the front surface of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are preferably the same, but in consideration of portability and use, the surface positions of both surfaces are shifted. It may be in the form. However, it is desirable not to expose the image extraction unit 103 of the light guide member 100 to the outside.

ライトガイド５０は、導光部材１００の光線射出部１０４の平面と、光学部材２００の前面２１０とが平行とされる。かかる構成によって、光線射出部１０４を通じてのシースルー性が良好になる。導光部材１００の光線射出部１０４の面と、光学部材２００の前面２１０とが平行でない場合、プリズム効果によりシースルー性が低下するので望ましくない。 In the light guide 50, the plane of the light emitting portion 104 of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are parallel to each other. With this configuration, the see-through property through the light emitting unit 104 is improved. If the surface of the light emitting portion 104 of the light guide member 100 and the front surface 210 of the optical member 200 are not parallel, the see-through property is reduced due to the prism effect, which is not desirable.

（導光部材の画像取り出し部）
次に、図７（ａ）及び（ｂ）の部分拡大平面図を参照して、導光部材１００の画像取り出し部１０３の構成を説明する。図７（ａ）は、導光部材１００の画像取り出し部１０３と光線射出部１０４の各一部を拡大して表し、図７（ｂ）は、画像取り出し部１０３の一部をさらに拡大して表している。また、図７（ｂ）中、光線射出部１０４と平行な仮想面を点線で表している。 (Image extraction part of light guide member)
Next, the configuration of the image extracting unit 103 of the light guide member 100 will be described with reference to the partially enlarged plan views of FIGS. FIG. 7A is an enlarged view of each of the image extraction unit 103 and the light beam emission unit 104 of the light guide member 100, and FIG. 7B is an enlarged view of a portion of the image extraction unit 103. It represents. Further, in FIG. 7B, a virtual plane parallel to the light emitting unit 104 is indicated by a dotted line.

画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂとが、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている（図７（ｂ）参照）。 In the image extracting unit 103, first surfaces 103a having an angle of θa with respect to the light emitting unit 104 and second surfaces 103b having an angle of θb with respect to the light emitting unit 104 are alternately arranged. It has a substantially step-like shape (see FIG. 7B).

ここで、第１面１０３ａは、入射された画像光を光線射出部１０４に導いて光線射出部１０４から射出させる役割を担う面であり、光線射出部１０４に対して傾斜する平面となっている。第１面１０３ａが光線射出部１０４に対して傾斜するθaの角度は、導光部材１００の材質の屈折率にもよるが、２０度から３５度までの範囲に設定することが好ましい。 Here, the first surface 103 a is a surface that plays a role of guiding the incident image light to the light emitting unit 104 and emitting the image light from the light emitting unit 104, and is a plane inclined with respect to the light emitting unit 104. . The angle of θa at which the first surface 103a is inclined with respect to the light emitting portion 104 depends on the refractive index of the material of the light guide member 100, but is preferably set in the range of 20 degrees to 35 degrees.

他方、第２面１０３ｂは、入射された画像光を導光部材１００の内部に導光させる反射面としての役割を担う面であり、光線射出部１０４と平行な平面となっている。したがって、角度θb＝０°である。さらに、第２面１０３ｂは、シースルー性を確保するため、ライトガイド５０の前面及び後面からの外部の光を入射させる透過面としての役割も担っている。 On the other hand, the second surface 103b is a surface that plays a role as a reflecting surface that guides the incident image light to the inside of the light guide member 100, and is a flat surface parallel to the light beam emitting unit 104. Therefore, the angle θb = 0 °. In addition, the second surface 103b also plays a role as a transmission surface on which the external light from the front surface and the rear surface of the light guide 50 is incident in order to ensure the see-through property.

ここで、第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して傾斜させる、すなわち角度θb≠０°に設定すると、導光部材１００内で導光される画像光が、第２面１０３ｂで反射される反射角と、光線射出部１０４で反射される反射角とで一致せずに変化することになる。この場合、光線入射部１０１から入射される光線と光線入射部１０１の法線とのなす角で定義される入射角θinと、光線射出部１０４から射出される光線と光線射出部１０４の法線とのなす角で定義される射出角θoutとが同角度とならない。さらに、画像光が第１面１０３ａ及び光線射出部１０４を通じてライトガイド５０の外部に射出される際に、異なった方向に射出されてしまい、虚像としては思わしくないものとなってしまう。したがって、本実施形態では、角度θb＝０°とし、第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して平行に形成している。 Here, when the second surface 103b is inclined with respect to the light emitting portion 104, that is, when the angle θb ≠ 0 ° is set, the image light guided in the light guide member 100 is reflected by the second surface 103b. The reflection angle and the reflection angle reflected by the light emitting unit 104 do not match and change. In this case, the incident angle θin defined by the angle formed by the light ray incident portion 101 and the normal line of the light ray incident portion 101, and the light ray emitted from the light ray emitting portion 104 and the normal line of the light ray emitting portion 104. The exit angle θout defined by the angle between and does not become the same angle. Further, when the image light is emitted to the outside of the light guide 50 through the first surface 103a and the light ray emission unit 104, the image light is emitted in different directions, which makes the image unimaginable. Therefore, in the present embodiment, the angle θb is set to 0 ° and the second surface 103b is formed parallel to the light emitting portion 104.

導光部材１００における画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅（図８の左右方向における幅）をｗとすると、ｗの値は、
０．５[ｍｍ] ＜ｗ＜３．０[ｍｍ]
の条件を満たすように設定される。 Assuming that the width of the second surface 103b of the image extracting portion 103 in the light guide member 100 (width in the left-right direction in FIG. 8) is w, the value of w is
0.5 [mm] <w <3.0 [mm]
It is set to satisfy the condition of.

以下、第２面１０３ｂの幅ｗの設定条件について詳細に説明する。 Hereinafter, the setting condition of the width w of the second surface 103b will be described in detail.

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。そして、アイボックスの径をφ、アイレリーフをＬ、ライトガイドの厚みをｔ_ｌ、画像取り出し部１０３が有する光線射出部１０４と平行な面すなわち第２面１０３ｂの数をｎとすると、第２面１０３ｂの幅ｗは、次式で表される。 The width of the visual field that can be confirmed as a virtual image is referred to as an "eye box", and the distance from the light emitting unit 104 where the virtual image can be confirmed to the eyeball is referred to as an "eye relief". Then, if the diameter of the eye box is φ, the eye relief is L, the thickness of the light guide is t _l , and the surface parallel to the light emitting portion 104 of the image extracting portion 103, that is, the number of second surfaces 103b is n, the second The width w of the surface 103b is expressed by the following equation.

ここで、アイボックスの幅が広いほど見える範囲も広くなるため、通常、アイボックスは広いほうが望ましい。他方、アイボックスを広くすると、ライトガイドの厚みが厚くなり、ライトガイドの設計難易度が高くなりがちとなる。 Here, the wider the eye box is, the wider the visible range is. Therefore, it is usually preferable that the eye box is wide. On the other hand, if the eye box is wide, the thickness of the light guide becomes thicker, and the difficulty of designing the light guide tends to increase.

一般的には、目の瞳の直径は５mm程度であるが、個人差に応じてライトガイド５０の適切な位置設定が必要となるため、アイボックス径φを大きく設定する方が良い。また、後述のようにライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置に適用することを考慮すると、アイレリーフＬは１５mm以上とすることが好ましい。 Generally, the diameter of the pupil of the eye is about 5 mm, but it is preferable to set the eyebox diameter φ large because it is necessary to set the appropriate position of the light guide 50 according to the individual difference. Further, considering that the light guide 50 is applied to a spectacles-type virtual image display device as described later, the eye relief L is preferably 15 mm or more.

したがって、例えばアイレリーフを２０mmに設定し、アイボックスを５mm以上１０mm以下に設定すると、第２面１０３ｂの幅ｗは、上記の
０．５[ｍｍ] ＜ｗ＜３．０[ｍｍ]
の条件を満たす必要がある。 Therefore, for example, when the eye relief is set to 20 mm and the eye box is set to 5 mm or more and 10 mm or less, the width w of the second surface 103b becomes 0.5 [mm] <w <3.0 [mm] above.
It is necessary to meet the condition of.

画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗが０．５ｍｍに満たない場合、第１面１０３ａの幅が短くなり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなるため、望ましくない。 If the width w of the second surface 103b of the image extraction unit 103 is less than 0.5 mm, the width of the first surface 103a becomes short and the incident image light is likely to be diffracted, which is not desirable.

一方、第２面１０３ｂの幅ｗが３．０ｍｍを超える場合、入射された画像光につき、第１面１０３ａを反射して光線射出部１０４から射出される光線の密度が低下し、目の位置における光量が低下するため、望ましくない。したがって、画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗは、０．５[ｍｍ] ＜ｗ＜３．０[ｍｍ]の条件を満たすことが望ましい。 On the other hand, when the width w of the second surface 103b exceeds 3.0 mm, the density of the light ray emitted from the light ray emitting unit 104 that reflects the first surface 103a with respect to the incident image light decreases, and the position of the eye This is not desirable because the amount of light at. Therefore, it is desirable that the width w of the second surface 103b of the image extracting unit 103 satisfies the condition of 0.5 [mm] <w <3.0 [mm].

第２面１０３ｂの幅ｗは、各々の第２面１０３ｂで異なる値としてもよい。これにより光量ムラを低減させることが可能となる。 The width w of the second surface 103b may be different for each second surface 103b. This makes it possible to reduce the unevenness of the light amount.

ライトガイド５０の厚みは、１ｍｍから８ｍｍの範囲とすることが望ましい。ライトガイド５０の厚みが１ｍｍに満たないと、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状を形成することが困難となる。他方、ライトガイド５０の厚みが８ｍｍを超えると、広視野角を得るには有利であるが、部材の重量が大きくなることから、好ましくない。 The thickness of the light guide 50 is preferably in the range of 1 mm to 8 mm. If the thickness of the light guide 50 is less than 1 mm, it becomes difficult to form the shape of the image extraction portion 103 of the light guide member 100. On the other hand, if the thickness of the light guide 50 exceeds 8 mm, it is advantageous to obtain a wide viewing angle, but it is not preferable because the weight of the member becomes large.

（光学部材）
次に、光学部材２００の構成及び導光部材１００に対する光学部材２００の配置について説明する。図８に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図８（ａ），（ｂ）に示す例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気層すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。図９（ａ）及び（ｂ）に示す他の例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に接着剤１５０を用いて接合されている。 (Optical member)
Next, the configuration of the optical member 200 and the arrangement of the optical member 200 with respect to the light guide member 100 will be described. FIG. 8 shows an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200. In the example shown in FIGS. 8A and 8B, the optical member 200 is arranged in proximity to the image extracting portion 103 of the light guide member 100 via an air layer, that is, an air gap 140. In another example shown in FIGS. 9A and 9B, the optical member 200 is bonded to the image extracting portion 103 of the light guide member 100 using an adhesive agent 150.

まず、図８に示す形態から説明する。なお、図８（ｂ）中、前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向した部位に、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが、交互に配置されている（図８（ｂ）参照）。 First, the form shown in FIG. 8 will be described. In FIG. 8B, a virtual plane parallel to the front surface 210 is shown by a dotted line. The inclined portion 203 of the optical member 200 has a third surface 203a having an angle of θa ′ with respect to the front surface 210 and an angle of θb ′ with respect to the front surface 210, at a portion facing the image extraction portion 103 of the light guide member 100. And the fourth surface 203b having the are arranged alternately (see FIG. 8B).

前面２１０は、導光部材１００の光線射出部１０４と平行な面である。また、第４面２０３ｂは、前面２１０と平行であり、角度θb’＝０°である。したがって、第４面２０３ｂは導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂとも平行であり、θb＝θb’＝０°である。このような設定とすることで、ライトガイド５０のシースルー性を高めることができる。なお、第４面２０３ｂが前面２１０、導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂに対して平行な面でない場合は、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。 The front surface 210 is a surface parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100. The fourth surface 203b is parallel to the front surface 210 and has an angle θb ′ = 0 °. Therefore, the fourth surface 203b is parallel to the light emitting portion 104 of the light guide member 100 and the second surface 103b, and θb = θb ′ = 0 °. With such a setting, the see-through property of the light guide 50 can be enhanced. If the fourth surface 203b is not a surface parallel to the front surface 210, the light emitting portion 104 of the light guide member 100, or the second surface 103b, the see-through property is deteriorated due to the prism effect, which is not preferable.

さらに、２１０に対する第３面２０３ａの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部１０４に対する画像取り出し部１０３の角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材２００の第３面２０３は導光部材１００の第１面１０３ａと平行となり、ライトガイド５０のシースルー性をより高めることが可能になる。 Further, it is preferable to set the angle θa ′ of the third surface 203a with respect to 210 to the same angle θa as described above, that is, the angle of the image extraction unit 103 with respect to the light emitting unit 104. In this case, the third surface 203 of the optical member 200 becomes parallel to the first surface 103a of the light guide member 100, and the see-through property of the light guide 50 can be further enhanced.

ライトガイド５０のシースルー性について最大の効果を得るためには、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向（図８における上方向）に平行移動させたときに、対向する第３面２０３ａとの間のずれを最小限にすることである。組立上、多少のずれが発生するが、目安としては、１０μｍ程度のずれの場合は、シースルー性は保持できる。かかるずれを最小限に留めるには、一例として、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔すなわちエアギャップ１４０を調整する調整機構を取り付けるとよい。 In order to obtain the maximum effect of the see-through property of the light guide 50, when the first surface 103a of the light guide member 100 is translated in the normal direction (upward direction in FIG. 8) of the light emitting unit 104, the light guide member 100 faces each other. The deviation from the third surface 203a is minimized. Although some deviation occurs during assembly, as a guideline, the see-through property can be maintained when the deviation is about 10 μm. In order to minimize such a shift, as an example, an adjustment mechanism that adjusts the gap between the optical member 200 and the light guide member 100, that is, the air gap 140 may be attached.

ライトガイド５０のシースルー性を確保するために、導光部材１００と光学部材２００は、相互に同一の材料で作られていることが望ましい。 In order to secure the see-through property of the light guide 50, it is desirable that the light guide member 100 and the optical member 200 are made of the same material.

次に、導光部材１００と光学部材２００が接着剤を介して固定される形態について説明する。図９（ａ）は、図８に示す導光部材１００及び光学部材２００を、接着剤１５０を介して固定した例を示す。導光部材１００及び光学部材２００の対向する各部位は、図８で説明した例と同様に、導光部材１００の各第１面１０３ａと、対向する各第３面２０３ａとの位置が一致するように配置されている。このような配置とすることで、導光部材１００の第２面１０３ｂでの全反射が保持され、かつ、ライトガイド５０のシースルー性を保持することが可能となる。 Next, a mode in which the light guide member 100 and the optical member 200 are fixed via an adhesive will be described. FIG. 9A shows an example in which the light guide member 100 and the optical member 200 shown in FIG. 8 are fixed with an adhesive 150. As in the example described with reference to FIG. 8, the respective facing portions of the light guide member 100 and the optical member 200 have the same position of each first surface 103a of the light guide member 100 and each facing third surface 203a. Are arranged as follows. With such an arrangement, the total reflection on the second surface 103b of the light guide member 100 can be maintained, and the see-through property of the light guide 50 can be maintained.

接着剤１５０の屈折率は、導光部材１００の材質の屈折率よりも低い、または同等であることが望ましい。導光部材１００の材質の屈折率と接着剤１５０の屈折率を同等とする場合は、接着界面にハーフミラー等のコートを施すことで、界面での画像光の反射を確保しつつ、ライトガイド５０のシースルー性を高めることが可能となる。なお、接着剤１５０の屈折率が導光部材１００の材質の屈折率よりも高い場合は、画像光が全反射せずに接着剤１５０の部位で屈折してしまうため、虚像を表示することが困難になる。 The refractive index of the adhesive 150 is preferably lower than or equal to the refractive index of the material of the light guide member 100. When the refractive index of the material of the light guide member 100 and the refractive index of the adhesive agent 150 are made equal to each other, a coating such as a half mirror is applied to the adhesive interface to ensure reflection of image light at the interface and the light guide. It is possible to improve the see-through property of 50. If the refractive index of the adhesive 150 is higher than the refractive index of the material of the light guide member 100, the image light is refracted at the portion of the adhesive 150 without being totally reflected, and thus a virtual image may be displayed. It will be difficult.

図９（ｂ）は、図９（ａ）と同様に、導光部材１００と光学部材２００が接着剤１５０を介して固定されている形態を示しているが、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向する光学部材２００の傾斜部２０３の構成が図９（ａ）の例と異なっている。すなわち、図９（ｂ）に示す例では、光学部材２００の傾斜部２０３は、均一な面すなわち凹凸のない平面になっている。このように傾斜部２０３を平面とした場合でも、接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。 Similar to FIG. 9A, FIG. 9B shows a mode in which the light guide member 100 and the optical member 200 are fixed to each other with an adhesive 150. The configuration of the inclined portion 203 of the optical member 200 that faces 103 is different from the example of FIG. That is, in the example shown in FIG. 9B, the inclined portion 203 of the optical member 200 is a uniform surface, that is, a flat surface without unevenness. Even when the inclined portion 203 is flat as described above, by setting the refractive index of the adhesive 150 to be equal to or less than the refractive index of the material of the light guide member 100, high see-through property can be maintained.

（導光部材の変形例）
次に、導光部材１００の他の構成例について、図１０乃至図１２を参照して説明する。なお、図１０（ｂ）では光線射出部１０４と平行な仮想面を点線で表しており、図１１（ｂ）では、前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。 (Modification of light guide member)
Next, another configuration example of the light guide member 100 will be described with reference to FIGS. 10 to 12. Note that in FIG. 10B, a virtual plane parallel to the light emitting unit 104 is shown by a dotted line, and in FIG. 11B, a virtual plane parallel to the front surface 210 is shown by a dotted line.

図７乃至図９で説明した上述の実施形態では、画像取り出し部１０３は、第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂの２つの平面で構成されている。すなわち、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθb（＝０°）の角度を有する第２面１０３ｂとが交互配置された、略階段状の形状をなすものである。 In the embodiment described above with reference to FIGS. 7 to 9, the image extraction unit 103 is composed of two planes, the first surface 103a and the second surface 103b. That is, in the image extraction unit 103, the first surface 103a having an angle of θa with respect to the light emitting unit 104 and the second surface 103b having an angle of θb (= 0 °) with respect to the light emitting unit 104 alternate. They are arranged in a substantially step-like shape.

これに対し、図１０に示す変形例では、画像取り出し部１０３は、４つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。具体的には、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθａの角度を有する第１面１０３ａと、θｂの角度を有する第２面１０３ｂと、θｃの角度を有する傾斜面１０３ｃと、θｄの角度を有する平面１０３ｄが、この順で配された形状となっている。 On the other hand, in the modified example shown in FIG. 10, the image extracting unit 103 is composed of four planes and has a sawtooth shape. Specifically, the image extracting unit 103 has a first surface 103a having an angle of θa with respect to the light emitting unit 104, a second surface 103b having an angle of θb, and an inclined surface 103c having an angle of θc. A plane 103d having an angle of θd has a shape arranged in this order.

上記の４つの面の内、第１面１０３ａと第２面１０３ｂの機能や最適範囲等は、上述した実施形態と同様であり、詳述を省略する。 Among the above four surfaces, the functions and optimum ranges of the first surface 103a and the second surface 103b are the same as those in the above-described embodiment, and detailed description thereof will be omitted.

傾斜面１０３ｃは、第１面１０３ａの面積を広く確保する役割、及び導光部材１００の曲げ強度を向上させる役割を有する。傾斜面１０３ｃは、図１０（ｂ）に示すように、平面１０３ｄに向かって傾斜している。言い換えると、傾斜面１０３ｃは、第１面１０３ａとは逆向きに傾斜する。 The inclined surface 103c has a role of ensuring a large area of the first surface 103a and a role of improving the bending strength of the light guide member 100. The inclined surface 103c is inclined toward the plane 103d, as shown in FIG. In other words, the inclined surface 103c is inclined in the opposite direction to the first surface 103a.

光線射出部１０４に対する傾斜面１０３ｃの角度θｃは、０°よりも大きく９０°の範囲とされる。角度θｃが０°になると、傾斜面１０３ｃは、第２面１０２ｂと同一面すなわち第２面１０２ｂの一部になるため、上述した実施形態と同じ構成になる。また、角度θｃは、生産性を考慮すると４５°から９０°の範囲とすることが望ましい。さらには、傾斜面１０３ｃは、画像表示素子１０からの画像光が当たると乱反射等の現象が生じるため、出来るだけ画像表示素子１０からの画像光が当たらないような角度範囲とすることが好ましい。 The angle θc of the inclined surface 103c with respect to the light emitting portion 104 is set to a range larger than 0 ° and 90 °. When the angle θc becomes 0 °, the inclined surface 103c becomes the same surface as the second surface 102b, that is, a part of the second surface 102b, and thus has the same configuration as the above-described embodiment. Further, the angle θc is preferably in the range of 45 ° to 90 ° in consideration of productivity. Further, the inclined surface 103c preferably has an angle range in which the image light from the image display element 10 does not hit because the phenomenon such as diffuse reflection occurs when the image light from the image display element 10 hits.

平面１０３ｄは、主にシースルー性を保持するための部位であり、光線射出部１０４に対する角度θｄ＝０°とする、すなわち光線射出部１０４と平行とすることが望ましい。角度θｄ＝０°とする場合には、第２面１０２ｂと同様に、画像表示素子１０からの画像光を平面１０３ｄで反射させる構成とすることもできる。 The flat surface 103d is a portion mainly for maintaining the see-through property, and it is desirable that the angle θd = 0 ° with respect to the light emitting portion 104, that is, it is parallel to the light emitting portion 104. When the angle θd = 0 °, the image light from the image display element 10 may be reflected by the flat surface 103d similarly to the second surface 102b.

さらに、図１０の形態のさらなる変形例として、第１面１０３ａ及び傾斜面１０３ｃを図の上方向に伸ばすように拡張することで、画像取り出し部１０３を、平面１０３ｄを有しない３平面構成としてもよい。この場合、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂと、光線射出部１０４に対してθｃの角度を有する傾斜面１０３ｃとが連続して配置される。 Further, as a further modified example of the form of FIG. 10, the first surface 103a and the inclined surface 103c are expanded so as to extend in the upward direction of the figure, so that the image extraction unit 103 may have a three-plane configuration without the flat surface 103d. Good. In this case, the image extracting unit 103 includes a first surface 103a having an angle of θa with respect to the light emitting unit 104, a second surface 103b having an angle of θb with respect to the light emitting unit 104, and a light emitting unit 104. On the other hand, the inclined surface 103c having an angle of θc is continuously arranged.

このように、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とすることで、図７等に示す実施形態と比較して複雑な形状となるが、かかる形状とすることで、第１面１０３ａの面積を相対的に広く取ることができる。したがって、光線射出部１０４から射出される画像光の光量を相対的に多く確保することが可能となる。また、かかる形状とすることで、導光部材１００の曲げ強度の向上を図ることができ、特に導光部材１００が樹脂製の場合に有利になる。すなわち、導光部材１００を樹脂で形成する場合、導光部材１００の厚みが薄くなる先端側で曲げ強度が弱くなるが、傾斜面１０３ｃを追加することによって、曲げ強度を向上させることができる。 As described above, the image extracting unit 103 having a three-plane configuration or a four-plane configuration has a complicated shape as compared with the embodiment shown in FIG. 7 or the like. However, by having such a shape, the first surface 103a The area can be relatively large. Therefore, it is possible to secure a relatively large amount of image light emitted from the light emitting unit 104. Further, with such a shape, the bending strength of the light guide member 100 can be improved, which is particularly advantageous when the light guide member 100 is made of resin. That is, when the light guide member 100 is made of resin, the bending strength becomes weaker on the front end side where the thickness of the light guide member 100 becomes thinner, but the bending strength can be improved by adding the inclined surface 103c.

図１１及び図１２に、画像取り出し部１０３を４平面構成とした場合の導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図１１（ａ），（ｂ）に示す例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。図１２に示す他の例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に接着剤１５０を用いて接合されている。 11 and 12 show an enlarged boundary surface between the light guide member 100 and the optical member 200 when the image extraction unit 103 has a four-plane configuration. In the example shown in FIGS. 11A and 11B, the optical member 200 is arranged close to the image extracting portion 103 of the light guide member 100 via air, that is, an air gap 140. In another example shown in FIG. 12, the optical member 200 is bonded to the image extracting portion 103 of the light guide member 100 using an adhesive agent 150.

また、図１１及び図１２（ａ）に示す例では、光学部材２００は、図８で説明した形状の傾斜部２０３を有する。すなわち、光学部材２００の傾斜部２０３は、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが交互に配置された２面構成となっている。角度θa’及びθb’の好適値については上述と同様であり、また、この例でも角度θa＝θa’、角度θb＝θb’となっている。接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる点も上述と同様である。 Further, in the example shown in FIGS. 11 and 12A, the optical member 200 has the inclined portion 203 having the shape described in FIG. That is, in the inclined portion 203 of the optical member 200, the third surface 203a having an angle of θa ′ with respect to the front surface 210 and the fourth surface 203b having an angle of θb ′ with respect to the front surface 210 are alternately arranged. It has a two-sided structure. The preferable values of the angles θa ′ and θb ′ are the same as above, and in this example, the angle θa = θa ′ and the angle θb = θb ′. By setting the refractive index of the adhesive agent 150 to be equal to or less than the refractive index of the material of the light guide member 100, the high see-through property can be maintained as in the above case.

図１２（ｂ）に示す例は、図９（ｂ）と同様に光学部材２００の傾斜部２０３を凹凸の無い平面とした場合であり、この場合も、接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。 The example shown in FIG. 12B is a case where the inclined portion 203 of the optical member 200 is a flat surface without unevenness as in the case of FIG. 9B, and in this case also, the refractive index of the adhesive 150 is set to the light guide member. By setting the refractive index of the material of 100 to be equal to or less than that, high see-through property can be maintained.

傾斜面１０３ｃや平面１０３ｄを追加して画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とする変形例は、画像取り出し部１０３の全体に施す構成に限られず、画像取り出し部１０３の一部に施してもよい。すなわち、第１面１０３ａと第２面１０３ｂとが交互に配置される図７に示す画像取り出し部１０３の構成を基本としつつ、光量を確保したい部位や曲げ強度を確保したい部位に傾斜面１０３ｃさらには平面１０３ｄを個別に追加することができる。 The modification example in which the inclined surface 103c and the flat surface 103d are added to form the image extracting unit 103 in the three-plane configuration or the four-plane configuration is not limited to the configuration of the entire image extracting unit 103, but may be applied to a part of the image extracting unit 103. May be. That is, based on the configuration of the image extraction unit 103 shown in FIG. 7 in which the first surface 103a and the second surface 103b are alternately arranged, the inclined surface 103c is further provided on the part where the light amount is desired to be secured and the bending strength is desired to be secured. Can add planes 103d individually.

さらに、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成の形状とした場合、対向配置される光学部材２００の傾斜部２０３をかかる３平面や４平面の変形形状に対応した形状とすることもできる。この場合、上述したように、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向に平行移動させたときに、対向する光学部材２００の第３面２０３ａとの間のずれが生じない形状とすることにより、ライトガイド５０のシースルー性が良好となる。かかるずれを無くすために、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔を調整する調整機構を取り付けることができる。 Furthermore, when the image extracting unit 103 has a three-plane configuration or a four-plane configuration, the inclined portion 203 of the optical member 200 arranged to face each other can have a shape corresponding to the deformed shape of the three-plane or the four-plane. . In this case, as described above, when the first surface 103a of the light guide member 100 is translated in the normal direction of the light emitting unit 104, the displacement between the first surface 103a and the third surface 203a of the opposing optical member 200 is reduced. With the shape that does not occur, the see-through property of the light guide 50 becomes good. In order to eliminate such a shift, the optical member 200 can be attached with an adjusting mechanism for adjusting the distance between the optical member 200 and the light guide member 100.

このように、上述した種々の実施形態により、コンパクトで４０度以上の広視野角を実現可能な虚像表示装置用のライトガイド及び虚像光学系が実現される。 As described above, the light guide and the virtual image optical system for the virtual image display device, which are compact and can realize a wide viewing angle of 40 degrees or more, are realized by the various embodiments described above.

（拡大光学系）
以下、拡大光学系３００の構成のさらなる詳細な構成や数値条件等について説明する。上述した各種実施形態において更なる高性能を達成するために、拡大光学系３００及びライトガイド５０に関し、以下の条件（１）または条件（２）のいずれかを満足することが好ましい。 (Magnifying optical system)
Hereinafter, further detailed configurations of the magnifying optical system 300, numerical conditions, and the like will be described. In order to achieve higher performance in the various embodiments described above, it is preferable that the magnifying optical system 300 and the light guide 50 satisfy either of the following condition (1) or condition (2).

０．５＜Ｃ_ｆ／ｆ＜３．０・・・条件（１）
Ｌ_ｆ＜０・・・条件（２）
但し、Ｃ_ｆは拡大光学系３００の焦点距離、ｆは虚像光学系全系の焦点距離、Ｌ_ｆはライトガイド５０の焦点距離である。 0.5 <C _f /f<3.0 ... Condition (1)
L _f <0 ... Condition (2)
Here, C _f is the focal length of the magnifying optical system 300, f is the focal length of the entire virtual image optical system, and L _f is the focal length of the light guide 50.

条件（１）は、拡大光学系３００の焦点距離Ｃ_ｆと、虚像光学系全系の焦点距離ｆとの比率を表わしている。条件（１）の下限を超える場合、すなわちＣ_ｆ／ｆの値が０．５以下の場合、Ｃ_ｆの焦点距離が小さくなる（屈折力が大きくなる）またはｆの焦点距離が大きくなる（屈折力が小さくなる）ことから、虚像光学系全系が大きくなる傾向となり、コンパクト化には不利になる。他方、条件（１）の上限を超える、すなわちＣ_ｆ／ｆの値が３．０以上の場合、拡大光学系３００の焦点距離が大きくなる（屈折力が小さくなる）または虚像光学系全系の焦点距離が短くなることから、小型化や広視野角化には有利になるが、高性能化を達成しにくくなる。 The condition (1) represents the ratio of the focal length C _f of the magnifying optical system 300 to the focal length _f of the entire virtual image optical system. When the lower limit of the condition (1) is exceeded, that is, when the value of C _f / f is 0.5 or less, the focal length of C _f becomes small (refractive power becomes large) or the focal length of f becomes large (refractive index). (Because the force becomes smaller), the entire virtual image optical system tends to become large, which is disadvantageous for compactification. On the other hand, when the value exceeds the upper limit of the condition (1), that is, when the value of C _f / f is 3.0 or more, the focal length of the magnifying optical system 300 becomes large (refractive power becomes small) or the entire virtual image optical system. Since the focal length is short, it is advantageous for downsizing and widening the viewing angle, but it is difficult to achieve high performance.

したがって、拡大光学系３００の焦点距離Ｃ_ｆと、虚像光学系全系の焦点距離ｆとの比率は、０．５＜Ｃ_ｆ／ｆ＜３．０の範囲に設定されることが望ましい。 Therefore, it is desirable that the ratio of the focal length C _f of the magnifying optical system 300 and the focal length _f of the entire virtual image optical system is set in the range of 0.5 <C _f /f<3.0.

条件（２）は、ライトガイド５０の焦点距離を示している。ライトガイド５０は、光線入射部１０１が負の屈折力を有しているが、画像取り出し部１０３と画像射出部１０４は屈折力が無いため、シースルー性は保たれており、虚像光学系として成立できる。 The condition (2) indicates the focal length of the light guide 50. In the light guide 50, the light incident portion 101 has a negative refracting power, but the image extracting portion 103 and the image emitting portion 104 do not have a refracting power, so that the see-through property is maintained and it is established as a virtual image optical system. it can.

以下、拡大光学系３００の具体的構成例として、２つの実施例を説明する。図１、図２及び図４で説明した光学系３００と光線入射部１０１の詳細な構成を図１３に示し、実施例１として説明する。また、図５及び図６の光学系３００と光線入射部１０１の詳細な構成を図１５に示し、実施例２として説明する。 Two specific examples of the magnifying optical system 300 will be described below. Detailed configurations of the optical system 300 and the light beam incident unit 101 described with reference to FIGS. 1, 2 and 4 are shown in FIG. Further, detailed configurations of the optical system 300 and the light ray incident unit 101 of FIGS. 5 and 6 are shown in FIG. 15 and will be described as a second embodiment.

実施例１：
図１３に示す実施例１の拡大光学系３００は、射出側すなわちライトガイド５０側から順に、開口絞り、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５が配置された、４群５枚のレンズ構成となっている。図１３では第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２がそれぞれ正メニスカスレンズのように見えるが、実際はこれらレンズＬ１及びＬ２は、ともに両面が非球面であり、周辺部が変曲点を持つ形状を有する両面凸レンズでとなっている。また、第３レンズＬ３は両側が凸面の正レンズ、第４レンズＬ４は両側が凹面の負レンズ、第５レンズＬ５は両面凸の正レンズである。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は接合されており、接合レンズとしては負の屈折力を有する。 Example 1:
The magnifying optical system 300 of the first embodiment illustrated in FIG. 13 includes an aperture stop, a first lens L1, a second lens L2, a third lens L3, a fourth lens L4, and a fifth lens in order from the exit side, that is, the light guide 50 side. It has a lens configuration of 5 elements in 4 groups, in which the lens L5 is arranged. In FIG. 13, the first lens L1 and the second lens L2 look like positive meniscus lenses, but in reality, both lenses L1 and L2 have aspherical surfaces on both sides, and have a shape having an inflection point in the peripheral portion. It is a double-sided convex lens. The third lens L3 is a positive lens having convex surfaces on both sides, the fourth lens L4 is a negative lens having concave surfaces on both sides, and the fifth lens L5 is a positive lens having convex surfaces on both sides. The third lens L3 and the fourth lens L4 are cemented, and have a negative refracting power as a cemented lens.

実施例１の拡大光学系３００では、
ライトガイドから第５レンズＬ５までの焦点距離：6.0ｍｍ
Ｆナンバー：2.5
射出角：最大37度
とした。 In the magnifying optical system 300 of Example 1,
Focal length from light guide to 5th lens L5: 6.0mm
F number: 2.5
Exit angle: Maximum 37 degrees.

また、
Ｒ：曲率半径
Ｄ：間隔・肉厚
Ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：アッベ数
として、拡大光学系３００の実施例１の数値データを表１に示す。 Also,
R: radius of curvature D: spacing / thickness Nd: refractive index of d-line νd: Abbe number Table 1 shows numerical data of Example 1 of the magnifying optical system 300.

（表１）

(Table 1)

表１において、面番号Ｓ１乃至Ｓ１４は、図１３に対応させて射出側から付けており、Ｓ１は光線入射部１０１の外側に位置する平面（図１３参照）、Ｓ２はライトガイド５０の光線入射部１０１の凹面を表す。また、Ｓ３は開口絞り、Ｓ８は第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間に設けられた絞り、Ｓ１４は表示素子１０の表面すなわち画像表示面を表す。表示素子１０からの光線情報はテレセントリックとなっている。 In Table 1, surface numbers S1 to S14 are attached from the exit side in correspondence with FIG. 13, S1 is a plane located outside the light incident portion 101 (see FIG. 13), and S2 is light incident on the light guide 50. The concave surface of the portion 101 is shown. Further, S3 is an aperture stop, S8 is a stop provided between the second lens L2 and the third lens L3, and S14 is a surface of the display element 10, that is, an image display surface. The light ray information from the display element 10 is telecentric.

かかる実施例１において、ライトガイド５０の光軸上の光路の長さは、目安として、ライトガイドの肉厚がｔ＝２ｍｍの場合は２５ｍｍ程度、ライトガイドの肉厚がｔ＝４ｍｍの場合は４４ｍｍ程度となる。 In Example 1, the length of the optical path on the optical axis of the light guide 50 is, as a guide, about 25 mm when the thickness of the light guide is t = 2 mm, and when the thickness of the light guide is t = 4 mm. It will be about 44 mm.

表１において、面番号に付加したアスタリスク（＊）は、非球面を表している。すなわち、本実施例では、面番号Ｓ２に対応するライトガイド５０の光線入射部１０１、面番号Ｓ４〜Ｓ７に対応する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の両側の面は非球面である。また、面番号Ｓ８〜Ｓ１３に対応する第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５は、それぞれ、両側とも球面である。 In Table 1, an asterisk (*) added to the surface number represents an aspherical surface. That is, in this embodiment, the light incident portion 101 of the light guide 50 corresponding to the surface number S2 and the surfaces on both sides of the first lens L1 and the second lens L2 corresponding to the surface numbers S4 to S7 are aspherical surfaces. The third lens L3, the fourth lens L4, and the fifth lens L5 corresponding to the surface numbers S8 to S13 are spherical on both sides.

上述の非球面の数値データを表２に示す。 Table 2 shows numerical data of the above-mentioned aspherical surface.

（表２）

(Table 2)

表２において、上欄のＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７は、上述した非球面の面番号である。また、Ｋは円錐係数であり、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０は、非球面係数である。 In Table 2, S2, S4, S5, S6 and S7 in the upper column are surface numbers of the above-mentioned aspherical surfaces. Further, K is a conic coefficient, and C4, C6, C8, and C10 are aspherical coefficients.

上記の円錐係数及び非球面係数を用いて非球面を表すと、周知の次式となる。
Ｘ＝(Ｈ^２／Ｒ)／[１＋{１−Ｋ(Ｈ／ｒ)^２}^１／２］
＋Ｃ４・Ｈ^４＋Ｃ６・Ｈ^６＋Ｃ８・Ｈ^８＋Ｃ１０・Ｈ^１０＋・・・ When the aspherical surface is expressed using the above-mentioned conical coefficient and aspherical surface coefficient, the following equation is well known.
^{X = (H 2 / R)} / [1+ {1-K (H / r) 2} 1/2]
+ C4 ・ H ⁴ + C6 ・ H ⁶ + C8 ・ H ⁸ + C10 ・ H ¹⁰ + ...

この式において、Ｘは「面頂点を基準としたときの光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位」であり、非球面係数はＣ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０・・・で表される。 In this equation, X is “the displacement in the optical axis direction at the position of the height H from the optical axis with respect to the surface vertex”, and the aspherical coefficients are C4, C6, C8, C10 ... expressed.

上述した条件（１）及び条件（２）について、この実施例１では、
Ｃｆ／ｆ＝２．７３・・・条件（１）
｜Ｌｆ｜＝７．１７・・・条件（２）
と設定した場合に最も良い結果が得られた。 Regarding the condition (1) and the condition (2) described above, in the first embodiment,
Cf / f = 2.73 ... Condition (1)
| Lf | = 7.17 ... Condition (2)
The best result was obtained when set to.

実施例１の光学性能を図１４に示す。図１４の上段には、左側から、実施例１の球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれグラフで示す。また、図１４の下段は、コマ収差及び横収差を示し、左側にＴａｎｇｅｎｔｉａｌのグラフを、右側にＳａｇｉｔｔａｌのグラフをそれぞれ示す。球面収差と横収差のグラフに示した３本の線は、各々、Ｒ、Ｇ、Ｂの収差曲線を示しており、Ｒは６５６ｎｍ、Ｇは５４６ｎｍ、Ｂは４３５ｎｍの波長の光線の特性を示している。各々の収差は、図１４に示すように、高度に収差補正されていることが分かる。 The optical performance of Example 1 is shown in FIG. The spherical aberration, astigmatism, and distortion of the first embodiment are shown in the graph from the left side in the upper part of FIG. The lower part of FIG. 14 shows the coma aberration and the lateral aberration, the tangential graph is shown on the left side, and the sagittal graph is shown on the right side. The three lines shown in the graph of the spherical aberration and the lateral aberration show the aberration curves of R, G, and B, respectively, where R shows the characteristics of a light beam with a wavelength of 656 nm, G has a wavelength of 546 nm, and B has a wavelength of 435 nm. ing. As shown in FIG. 14, it can be seen that each aberration is highly corrected.

実施例２：
図１５に示す実施例２の拡大光学系３００は、４群５枚のレンズ構成となっており、この点では上述した実施例１と同様である。すなわち、実施例２の拡大光学系３００は、ライトガイド５０側から順に、開口絞り、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５が配置されている。この例では、第１レンズＬ１は画像表示素子１０側に対して凸面となる正メニスカスレンズ、第２レンズＬ２は両面非球面であり、面Ｓ６の周辺部分は変曲点を有する面形状であるが、画像表示素子１０側に対して凸面となる正メニスカスレンズである。また、第３レンズＬ３は両側が凸面の正レンズ、第４レンズＬ４は両側が凹面の負レンズである。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は接合されており、接合レンズとしては負の屈折力を有する。第５レンズＬ５は、均肉の波状にうねった形状を有し、負の屈折力を有するレンズである。 Example 2:
The magnifying optical system 300 of Example 2 shown in FIG. 15 has a lens configuration of 5 elements in 4 groups, and in this respect, it is similar to Example 1 described above. That is, in the magnifying optical system 300 of Example 2, the aperture stop, the first lens L1, the second lens L2, the third lens L3, the fourth lens L4, and the fifth lens L5 are arranged in order from the light guide 50 side. ing. In this example, the first lens L1 is a positive meniscus lens convex to the image display element 10 side, the second lens L2 is aspherical on both sides, and the peripheral portion of the surface S6 is a surface shape having an inflection point. Is a positive meniscus lens having a convex surface toward the image display element 10 side. The third lens L3 is a positive lens having convex surfaces on both sides, and the fourth lens L4 is a negative lens having concave surfaces on both sides. The third lens L3 and the fourth lens L4 are cemented, and have a negative refracting power as a cemented lens. The fifth lens L5 has a uniform wavy shape and a negative refractive power.

実施例２の拡大光学系３００では、
ライトガイドから第５レンズＬ５までの焦点距離：6.0ｍｍ
Ｆナンバー：2.5
射出角：最大36度
とした。 In the magnifying optical system 300 of Example 2,
Focal length from light guide to 5th lens L5: 6.0mm
F number: 2.5
Exit angle: Maximum 36 degrees.

また、
Ｒ：曲率半径
Ｄ：間隔・肉厚
Ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：アッベ数
として、実施例２の拡大光学系３００の数値データを表３に示す。 Also,
R: radius of curvature D: spacing / thickness Nd: refractive index of d-line νd: Abbe number Table 3 shows numerical data of the magnifying optical system 300 of the second embodiment.

（表３）

(Table 3)

表３において、面番号Ｓ１乃至Ｓ１４は、図１５に対応させて射出側から付けており、Ｓ１は光線入射部１０１の外側に位置する平面（図１５参照）、Ｓ２はライトガイド５０の光線入射部１０１の凹面を表す。また、Ｓ３は開口絞り、Ｓ８は第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間に設けられた絞り、Ｓ１４は表示素子１０の表面すなわち画像表示面を表す。表示素子１０からの光線情報はテレセントリックとなっている。 In Table 3, surface numbers S1 to S14 are attached from the exit side corresponding to FIG. 15, S1 is a plane located outside the light incident part 101 (see FIG. 15), and S2 is light incident on the light guide 50. The concave surface of the portion 101 is shown. Further, S3 is an aperture stop, S8 is a stop provided between the second lens L2 and the third lens L3, and S14 is a surface of the display element 10, that is, an image display surface. The light ray information from the display element 10 is telecentric.

かかる実施例２において、ライトガイド５０の光軸上の光路の長さの目安は、実施例１と同様であり、ライトガイドの肉厚がｔ＝２ｍｍの場合は２５ｍｍ程度、ライトガイドの肉厚がｔ＝４ｍｍの場合は４４ｍｍ程度である。 In the second embodiment, the guideline for the length of the optical path on the optical axis of the light guide 50 is the same as that of the first embodiment. When the thickness of the light guide is t = 2 mm, the light guide thickness is about 25 mm. Is about 44 mm when t = 4 mm.

表３において、面番号に付加したアスタリスク（＊）は、非球面を表している。すなわち、実施例２では、面番号Ｓ２に対応するライトガイド５０の光線入射部１０１は非球面である。また、面番号Ｓ８〜Ｓ１３に対応する第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５は、それぞれ、両側とも球面である。 In Table 3, an asterisk (*) added to the surface number represents an aspherical surface. That is, in the second embodiment, the light incident part 101 of the light guide 50 corresponding to the surface number S2 is an aspherical surface. The third lens L3, the fourth lens L4, and the fifth lens L5 corresponding to the surface numbers S8 to S13 are spherical on both sides.

実施例２の上述の非球面の数値データを表４に示す。 Table 4 shows numerical data of the above-mentioned aspherical surfaces of Example 2.

（表４）

(Table 4)

表４において、上欄のＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１２，Ｓ１３は、上述した非球面の面番号である。また、Ｋは円錐係数であり、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０は、非球面係数である。 In Table 4, S2, S4, S5, S6, S7, S12, and S13 in the upper column are surface numbers of the above-mentioned aspherical surfaces. Further, K is a conic coefficient, and C4, C6, C8, and C10 are aspherical coefficients.

条件（１）及び条件（２）について、この実施例２では、
Ｃ_ｆ／ｆ＝２．７３・・・条件（１）
｜Ｌ_ｆ｜＝８．２３・・・条件（２）
に設定した場合に最も良い結果が得られた。 Regarding the condition (1) and the condition (2), in the second embodiment,
C _f / _f = 2.73 ··· conditions (1)
| L _f | = 8.23 ... Condition (2)
The best results were obtained when set to.

実施例２の光学性能を図１６に示す。図１６の上段には、左側から、実施例２の球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれグラフで示す。また、図１６の下段は、コマ収差及び横収差を示し、左側にＴａｎｇｅｎｔｉａｌのグラフを、右側にＳａｇｉｔｔａｌのグラフをそれぞれ示す。球面収差と横収差のグラフに示した３本の線は、各々、Ｒ、Ｇ、Ｂの収差曲線を示しており、Ｒは６５６ｎｍ、Ｇは５４６ｎｍ、Ｂは４３５ｎｍの波長の光線の特性を示している。各々の収差は、図１６に示すように、高度に収差補正されていることが分かる。 The optical performance of Example 2 is shown in FIG. The spherical aberration, astigmatism, and distortion of the second embodiment are graphed from the left side in the upper part of FIG. Further, the lower part of FIG. 16 shows coma aberration and lateral aberration, and shows a graph of Tangential on the left side and a graph of Sagittal on the right side. The three lines shown in the graph of the spherical aberration and the lateral aberration show the aberration curves of R, G, and B, respectively. ing. As shown in FIG. 16, it can be seen that each aberration is highly corrected.

また、本実施例では、表示素子１０に最も近い側のレンズを均肉のうねったレンズ形状のものとすることで、コンパクトでより高性能の虚像光学系が実現できた。すなわち、第５レンズＬ５を均肉のうねったレンズ形状とした本実施例による虚像光学系は、実施例１と比較して光学系３００自体のレンズ全長を短く構成でき、より高性能となった。 In addition, in this embodiment, the lens closest to the display element 10 has a lens shape with a uniform wavy shape, so that a compact and higher performance virtual image optical system can be realized. That is, the virtual image optical system according to the present embodiment, in which the fifth lens L5 has a lens shape with a uniform thickness and wavy shape, can be configured to have a shorter total lens length of the optical system 300 itself as compared with the first embodiment, and has higher performance. .

（ライトガイドの実施例）
次に、ライトガイドの具体的な実施例の数値を述べる。 (Example of light guide)
Next, numerical values of specific examples of the light guide will be described.

以下の実施例３及び実施例４では、ライトガイド５０すなわち導光部材１００及び光学部材２００を、屈折率（Ｎｄ）＝１．５４のプラスチック材料としている。また、導光部材１００の画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの角度θａ＝３０度とした。 In Examples 3 and 4 below, the light guide 50, that is, the light guide member 100 and the optical member 200 are made of a plastic material having a refractive index (Nd) = 1.54. Further, the angle θa of the first surface 103a of the image extracting portion 103 of the light guide member 100 is set to 30 degrees.

実施例３：
導光部材１００の肉厚ｔ＝１mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０ｍｍとした。 Example 3:
The thickness t of the light guide member 100 was 1 mm, and the width w of the second surface 103b of the image extracting portion 103 was 2.20 mm.

実施例４：
導光部材１００の肉厚ｔ＝４mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０ｍｍとした。 Example 4:
The thickness t of the light guide member 100 was 4 mm, and the width w of the second surface 103b of the image extracting portion 103 was 0.90 mm.

実施例３は主に軽量化に主眼を置き、実施例４は主に光量を追及したものであり、いずれの実施例でも、水平視野角が４０度で、アイレリーフ１９mm、アイボックス５mmを達成できる。なお、上記の各角度は、絶対値表示である。 Example 3 mainly focuses on weight reduction, and Example 4 mainly pursues the amount of light. In all Examples, a horizontal viewing angle of 40 degrees, an eye relief of 19 mm, and an eye box of 5 mm were achieved. it can. The above angles are absolute values.

実施例４では、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗを実施例３よりも狭くしている。実施例４では、第２面１０３ｂの幅ｗを狭くした分、画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの面の幅を狭くすることができ、光線射出部１０４から射出される光線の密度を高くし、瞳位置における光量の低下を防止することが可能となる。 In the fourth embodiment, the width w of the second surface 103b in the image extracting unit 103 is set narrower than that in the third embodiment. In the fourth embodiment, since the width w of the second surface 103b is narrowed, the width of the surface of the first surface 103a in the image extraction unit 103 can be narrowed, and the density of light rays emitted from the light ray emission unit 104 is increased. However, it is possible to prevent a decrease in the light amount at the pupil position.

なお、変形例として、実施例３と実施例４を掛け合わせた形態としてもよい。具体的には、導光部材１００の肉厚ｔ＝１mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０ｍｍとすることができる。或いは、導光部材１００の肉厚ｔ＝４mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０ｍｍとすることができる。 As a modified example, a configuration in which the third embodiment and the fourth embodiment are combined may be used. Specifically, the thickness t of the light guide member 100 can be set to 1 mm, and the width w of the second surface 103b of the image extraction unit 103 can be set to 0.90 mm. Alternatively, the thickness t of the light guide member 100 can be set to 4 mm, and the width w of the second surface 103b of the image extracting portion 103 can be set to w = 2.20 mm.

上述した実施例によれば、画像表示素子１０から出力される画像光は、その位置情報が拡大光学系３００において角度情報に変換されてライトガイド５０の光線入射部１０１に入射される。そして、かかる画像光が光線射出部１０４から外部に射出される際は、拡大光学系３００からの入射角度が保存された状態で射出されるので、高品質な虚像を表示することができる。また、優れたシースルー性を備え、４０度以上の広い視野角を有する小型のライトガイド５０を実現することができる。 According to the above-described embodiment, the image light output from the image display element 10 has its position information converted into angle information in the magnifying optical system 300 and is incident on the light ray incident unit 101 of the light guide 50. Then, when the image light is emitted from the light ray emitting unit 104 to the outside, the image light is emitted in a state in which the incident angle from the magnifying optical system 300 is preserved, so that a high-quality virtual image can be displayed. Further, it is possible to realize a small light guide 50 having excellent see-through properties and having a wide viewing angle of 40 degrees or more.

（虚像表示装置）
上述したライトガイド５０及び虚像光学系を用いた虚像表示装置の構成を図１７に示す。図中、画像光の光線経路を矢印で示すとともに、観察者すなわちユーザの目を模式的に描いている。図１７に示す虚像表示装置は、図１及び図２に示す虚像光学系に対して画像表示素子１０を照明するための光源ＬＳを加えたものであり、同一部分についての説明を省略する。画像表示素子１０は、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどが用いられる。光源ＬＳは、種々のものが適用でき、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、半導体レーザ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ：ＬＤ）、放電ランプなどを用いることができる。 (Virtual image display device)
FIG. 17 shows the configuration of a virtual image display device using the light guide 50 and the virtual image optical system described above. In the figure, the light ray path of the image light is shown by an arrow, and the eyes of an observer, that is, a user are schematically drawn. The virtual image display device shown in FIG. 17 is obtained by adding a light source LS for illuminating the image display element 10 to the virtual image optical system shown in FIGS. 1 and 2, and a description of the same parts will be omitted. As the image display element 10, LCOS, DMD or the like which requires a light source is used. Various types of light sources can be applied to the light source LS, and for example, an LED (Light Emitting Diode), a semiconductor laser (Laser Diode: LD), a discharge lamp, or the like can be used.

かかる虚像表示装置によれば、光源ＬＳで照明された画像表示素子１０の画像光は、拡大光学系３００で拡大されてライトガイド５０に入射する。すなわち、拡大光学系３００で拡大された画像光は、ライトガイド５０における導光部材１００の光線入射部１０１から入射して導光部材１００の内部に導光される。導光された画像光は、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射され、光線射出部１０４からユーザの両目に向けて画像情報として射出される。ユーザは、導光部材１００の光線射出部１０４及び光学部材２００を通して前方を覗くことで、画像情報の虚像を視認することができる。 According to such a virtual image display device, the image light of the image display element 10 illuminated by the light source LS is magnified by the magnifying optical system 300 and enters the light guide 50. That is, the image light magnified by the magnifying optical system 300 enters from the light ray incident portion 101 of the light guide member 100 in the light guide 50 and is guided inside the light guide member 100. The guided image light is reflected by the first surface 103a of the image extracting unit 103 and is emitted from the light emitting unit 104 as image information toward both eyes of the user. The user can visually recognize the virtual image of the image information by looking forward through the light emitting unit 104 of the light guide member 100 and the optical member 200.

上述の図１から図１７に示す実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材１００の光線入射部１０１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の光線入射部１０１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。 In the embodiments shown in FIGS. 1 to 17 described above, the example in which the light beam incident unit 101 of the light guide member 100 is arranged on the left side of the virtual image observer and the image light is incident from the left side of the virtual image observer has been described. The same effect as described above can be obtained when the arrangement is reversed from right to left, that is, when the light beam incident portion 101 of the light guide member 100 is arranged on the right side of the virtual image observer and the image light is incident from the right side of the virtual image observer. can get.

上述したライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を図１８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に例示する。 A case where the above-described light guide 50 is applied to an eyeglass-type virtual image display device, that is, an HMD is illustrated in FIGS. 18 (a), 18 (b) and 18 (c).

図１８（ａ）に示す例は、一つのライトガイド５０を両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、導光部材１００の光線入射部１０１を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。ライトガイド５０は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部４００に固定される。図１８ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部４００は、ライトガイド５０の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。 The example shown in FIG. 18A is a case where one light guide 50 is applied to an HMD for both eyes, and the light ray incident part 101 of the light guide member 100 is arranged on the right side of the virtual image observer, that is, the user. . The light guide 50 is fixed to a frame portion 400 that plays a role as a temple that can be worn on the user's ear. Although the frame portion is illustrated in a simplified manner in FIG. 18, the frame portion 400 may have a shape that covers not only both end sides of the light guide 50 but also the upper edge and the lower edge.

他方、図１８（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つのライトガイド５０を小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合である。図１８（ｂ）に示す例は、二つのライトガイド５０，５０をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各ライトガイドの光線入射部１０１は、左右外側に配置される。 On the other hand, the example shown in FIGS. 18B and 18C is a case where one light guide 50 is downsized and applied to a monocular HMD. The example shown in FIG. 18B is a case where the two light guides 50, 50 are arranged corresponding to the positions of the left and right eyes of the user, and the light incident part 101 of each light guide is arranged on the left and right outer sides. To be done.

なお、図１８では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部４００に取り付けることができる。すなわち、図１８（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源ＬＳ、画像表示素子１０及び拡大光学系３００を右目側のフレーム部に、図１８（ｂ）に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。 Although illustration of the virtual image optical system and the light source is omitted in FIG. 18, they can be attached to the frame portion 400. That is, in the example shown in FIGS. 18 (a) and 18 (c), the light source LS, the image display element 10 and the magnifying optical system 300 are placed in the frame portion on the right eye side, and in the example shown in FIG. Just attach it to the section.

上述した実施形態では、ライトガイド５０を眼鏡型のＨＭＤに適用した場合について説明した。他方、上述したライトガイド５０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。 In the above-described embodiment, the case where the light guide 50 is applied to a glasses-type HMD has been described. On the other hand, the light guide 50 described above can be applied to other types of HMDs and further to a head-up display (HUD). The light guide 50 is particularly suitable for displaying a virtual image of an original image formed by a light beam optically modulated by a minute device.

以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、小型で４０度以上の広い視野角を有する透過型のライトガイドが実現され、また、ライトガイドを小型に実現できる虚像光学系及び虚像表示装置を提供することができる。 As described above, according to the above-described embodiments and examples, a small-sized transmission light guide having a wide viewing angle of 40 degrees or more is realized, and a virtual image optical system and a virtual image that can realize a small light guide are realized. A display device can be provided.

１０画像表示素子
３００拡大光学系
ＬＳ光源
５０ライトガイド
１００導光部材
１０１光線入射部
Ｌ２凹面
１０２反射部
１０３画像取り出し部
１０３ａ第１面
１０３ｂ第２面
１０３ｃ傾斜面
１０３ｄ平面
１０４光線射出部
１５０接着剤
２００光学部材
２１０前面（平行面）
２０３傾斜部 10 image display device 300 magnifying optical system LS light source 50 light guide 100 light guide member 101 light incident portion L2 concave surface 102 reflective portion 103 image extraction portion 103a first surface 103b second surface 103c inclined surface 103d flat surface 104 light emission portion 150 adhesive 200 optical member 210 front surface (parallel surface)
203 slope

特許４５０８６５５号公報Japanese Patent No. 4508655 特許５４２１２８５号公報Japanese Patent No. 5421285 特開２０１４−１５３６４４号公報JP, 2014-153644, A

Claims

An image display element that outputs image light of a display image, a magnifying optical system that magnifies and emits image light from the image display element, and guides image light from the magnifying optical system to display a virtual image. A virtual image optical system including a light guide for emitting light,
The light guide includes a light ray incident portion having a concave surface shape on which the image light is incident, an image extraction portion that guides and outputs the incident image light, and a light ray that emits the extracted image light to the outside. have a light guide member and the exit portions are provided,
The focal length of the magnifying optical system is Cf, the focal length of the light guide is Lf, the focal length of the entire virtual image optical system is f, and either of the following conditions (1) or (2) is satisfied: Characteristic virtual image optical system.
0.5 <Cf / f <3.0 ... Condition (1)
Lf <0 ... Condition (2)

The virtual image optical system according to claim 1, wherein the light ray incident portion is configured to have a curvature.

The virtual image optical system according to claim 1, wherein the light ray incident section is a component that is brought into contact with the light guide member.

The image extraction unit of the light guide member includes a first surface that is inclined with respect to the light beam emission unit and guides the image light to the light beam emission unit to be extracted. Virtual image optics.

The image extracting portion of the light guide member has a second surface parallel to the light emitting portion, and the first surface and the second surface are alternately arranged in a stepwise manner. Virtual image optics.

The virtual image optical system according to claim 5, wherein the image extracting portion of the light guide member is further provided with an inclined surface provided between the first surface and the second surface and inclined toward the second surface. .

The virtual image optical system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the magnifying optical system includes a plurality of lenses, and the lens closest to the image display element has a lens surface having a uniform thickness and a wavy shape.

A virtual image optical system according to any one of claims 1 to 7 ,
A virtual image display device comprising: a light source that illuminates an image display element of the virtual image optical system.