本發(fā)明涉及用于通過在頭部佩戴使用的頭戴式顯示器的導(dǎo)光裝置以及設(shè)置有導(dǎo)光裝置的虛像顯示設(shè)備。

背景技術(shù)：

近年來，作為能夠形成和觀測虛像的、諸如頭戴式顯示器這樣的虛像顯示設(shè)備，建議了通過使用導(dǎo)光板將圖像光線從顯示設(shè)備引導(dǎo)至觀測者的瞳孔的各種設(shè)備。

例如，作為將準(zhǔn)直圖像等引導(dǎo)至觀測者的視角的裝置，已知被如下構(gòu)造的裝置：在平行的平面導(dǎo)光板中布置多個半反射鏡(下文中稱為“HM”)，并且從HM反射圖象光線以呈現(xiàn)給觀測者(參見PTL(專利文獻(xiàn))1至5)。在PTL 1的設(shè)備中，從導(dǎo)光板的一個端部引導(dǎo)的圖像光線被反射而相繼透過多個傾斜穿過導(dǎo)光板的HM，并且到達(dá)觀測者。在PTL 2的設(shè)備中，被引導(dǎo)至導(dǎo)光板的圖像光線在導(dǎo)光板中被完全反射的情況下傳播、從外表面被反射、從多個傾斜穿過導(dǎo)光板的HM被反射并且最終被引向觀測者。在PTL 3的設(shè)備中，被引導(dǎo)至導(dǎo)光板的圖像光線在導(dǎo)光板中被完全反射的情況下傳播、從靠近觀測者的表面被反射、從多個傾斜穿過導(dǎo)光板的HM被反射并且最終被引向觀測者。在該情況下，為了提高效率，將入射到HM上的光線之中的、具有大入射角(50度至70度)的光線的反射率設(shè)置成大約為0，并且將入射到HM上的光線之中的、具有小入射角(40度或更小)的光線的反射率設(shè)置成預(yù)定反射率。在PTL4的設(shè)備中，被引導(dǎo)至導(dǎo)光板的圖像光線在導(dǎo)光板中被完全反射的情況下傳播、從靠近觀測者的表面被反射、從多個HM被反射并且最終被引向觀測者。這里，設(shè)置有HM的區(qū)域或?qū)拥暮穸缺辉O(shè)置成比導(dǎo)光板薄，因此觀測者可以在圖像光線未透射通過HM的情況下觀測到該圖像光線。在圖1所示的PTL5的設(shè)備中，被引導(dǎo)至導(dǎo)光板的圖像光線在導(dǎo)光板中被完全反射的情況下傳播、從靠近外側(cè)的表面被反射、從HM被反射并且最終被引向觀測者。這里，設(shè)置有HM的區(qū)域具有與導(dǎo)光板相同的厚度，并且HM的反射率隨著HM距顯示器變得更遠(yuǎn)而逐漸增大。

作為另一種顯示設(shè)備，存在一種包括粘附至平行板型導(dǎo)光板的一側(cè)的薄微鏡陣列的設(shè)備(參見PTL6)。在該設(shè)備中，為了形成圖像，使用掃描光束圖像源，并且瞳孔也垂直擴(kuò)張。被引導(dǎo)至導(dǎo)光板的掃描光線在導(dǎo)光板和半反射鏡陣列中傳播、從靠近外側(cè)的表面被反射、從半反射鏡陣列中的靠近觀測者的HM被反射并且最終被引向觀測者。

在PTL1至3和PTL5所描述的設(shè)備中，由于每當(dāng)圖像光線透射穿過HM時亮度就降低，因此視角中出現(xiàn)不均勻性，并且不容易解決或抑制這種不均勻性。為了解決亮度不均勻性，當(dāng)存在于與光源相對的一側(cè)或內(nèi)側(cè)上的HM的反射率逐漸增加時，HM的透射率根據(jù)其反射率的增加而減小，并且在外部光(透視光)中出現(xiàn)不均勻性。在PTL 4所描述的裝置中，由于被構(gòu)造成布置有HM的反射單元的厚度比光導(dǎo)更薄，因此光線在不透過其它HM的情況下到達(dá)內(nèi)側(cè)上的HM。為此，不發(fā)生光量的不均勻性。然而，在反射單元中設(shè)置有被構(gòu)造成使得兩個小表面配對的HM部，并且圖像光線從HM被反射兩次。為此，反射效率趨于降低。在PTL6所描述的裝置中，為了加寬光束的寬度，使用HM來分割光束。以這樣的方式，由于圖像光線朝向內(nèi)側(cè)傳播，因此亮度降低，并且在視角中出現(xiàn)不均勻性。因此，不易解決或抑制這種不均勻性。

引用列表

專利文獻(xiàn)

PTL 1：JP-A-3-15815

PTL 2：JP-A-2013-210633

PTL 3：JP-A-2010-164988

PTL 4：JP-A-2012-88588

PTL 5：國際公開No.WO2007/062098

PTL 6：國際公開No.WO2009/009268

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一些方面的優(yōu)點(diǎn)在于，其提供一種不會使圖像光和外部光不均勻并且不會產(chǎn)生重影的導(dǎo)光裝置以及設(shè)有該導(dǎo)光裝置的虛像顯示設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的一方面的導(dǎo)光裝置包括：光導(dǎo)，其包括一對表面，所述一對表面彼此相對以對應(yīng)于觀測者和外側(cè)并且彼此基本平行地延伸；入射部，其設(shè)置在光導(dǎo)的一端；以及出射部，其設(shè)置在光導(dǎo)的靠近觀測者的另一端，其中，出射部包括反射單元，反射單元被構(gòu)造成布置有多個用于反射圖像光線的反射鏡，并且多個反射鏡朝著外側(cè)向入射部傾斜、使入射在反射單元上的圖像光線反射而不從光導(dǎo)與反射單元之間的邊界面反射圖像光線，并且使得經(jīng)反射的圖像光線被引向觀測者。這里，光導(dǎo)是指包括插在一對表面之間的導(dǎo)光區(qū)域的構(gòu)件。光導(dǎo)與反射單元之間的邊界面包括功能意義上的邊界，并且具體包括從材料的角度來看連續(xù)的功能邊界以及從材料的角度來看不連續(xù)的接合面。光導(dǎo)可以與入射部和出射部中的之一或二者一體成型，并且在這種情況下，通過延伸一對表面而形成的部分可以被形成在入射部或出射部上。

根據(jù)導(dǎo)光裝置，由于裝置被設(shè)置成使得入射到反射單元的圖像光線被反射而不從光導(dǎo)與反射單元之間的邊界面反射圖像光線，并且被引向觀測者，因此圖像光線僅通過位于從出射部射出圖像光線的位置或該位置周圍的位置的反射鏡被反射，而不從邊界面被反射。因此，可以通過減少要觀測的圖像光線通過反射鏡的次數(shù)來防止亮度不均勻或光減少，并且可以通過防止不期望的圖像光線出射來抑制重影光的出現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的一個特定方面，在根據(jù)該方面的導(dǎo)光裝置中，反射單元的厚度小于光導(dǎo)的厚度。在這種情況下，可以減少從光導(dǎo)的靠近外側(cè)的表面被反射并且入射在反射單元上的圖象光線通過反射鏡的次數(shù)，并且可以以較少的損耗向觀測者輸出圖象光線。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，多個反射鏡平行布置。在這種情況下，由于角度信息是與反射單元中的入射位置無關(guān)地被保持的，因此容易形成圖像光線，并且可以顯示高精度圖像。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，多個反射鏡以可變間距布置。在這種情況下，可以抑制衍射不均勻或莫爾條紋的出現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，多個反射鏡以隨機(jī)間距布置。在這種情況下，可以抑制衍射不均勻或莫爾條紋的出現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，多個反射鏡以0.5mm至2.0mm的間距布置。通過以這樣的間距布置多個反射鏡，具有以下效果：當(dāng)反射鏡的間距相對變窄時抑制由于圖像光線的干涉引起的波長色散的出現(xiàn)，或者當(dāng)反射鏡的寬度相對加寬時抑制由于光透射率的差異所導(dǎo)致的黑線的出現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，在圖像光線中，用于形成圖像的光線入射到反射單元的反射鏡上的角度隨著反射鏡遠(yuǎn)離入射部而減小。亦即，待觀測的圖像光線入射到反射鏡上的角度在靠近圖像光源的入口側(cè)增大，而待觀測的圖像光線入射在反射鏡上的角度在與圖像光源分開的內(nèi)側(cè)上減小。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，用于形成圖像的一束光線從光導(dǎo)的外側(cè)上的預(yù)定表面區(qū)域被反射、入射到反射單元上，并且該光束的寬度在包括光軸的截面上從預(yù)定表面區(qū)域反射的前直線光路和后直線光路中的任一光路處變窄。在這種情況下，由于用于形成圖像的光束一旦接近預(yù)定表面區(qū)域就變窄，因此相對加寬視角是容易的?？梢詼p小使圖像光線入射到光導(dǎo)上的投射透鏡在包括光軸的截面方向上的尺寸，并且可以容易地制造投射透鏡。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，在包括光軸的截面上，用于形成圖像的光束入射到反射單元上的入射寬度大于用于形成圖像的光束入射到預(yù)定表面區(qū)域上的入射寬度。如上所述，通過使用于形成圖像的光束入射到預(yù)定表面區(qū)域上的入射寬度相對變窄，易于使圖像光線入射到反射單元上而不是從光導(dǎo)與反射單元之間的邊界面反射圖像光線，并且易于從入射位置輸出圖像光。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，多個反射鏡是半反射鏡。在這種情況下，可以通過增加外部光的透射特性來促進(jìn)透視觀測。縮小多個反射鏡之間的間隔是容易的，并且可以提高圖像光線的利用效率。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，反射單元沿著光導(dǎo)的靠近觀測者的表面布置。在這種情況下，通過使用多個反射鏡，易于使從光導(dǎo)的靠近外側(cè)的表面反射的圖像光線反射。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，反射單元被布置為傾斜成使得遠(yuǎn)離入射部的部分相對靠近外側(cè)。在這種情況下，可以通過使用多個反射鏡而使從光導(dǎo)的靠近外側(cè)的表面反射的圖像光線反射到觀測者。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，所有視角的圖像光線在光導(dǎo)內(nèi)被反射相同的次數(shù)、從多個反射鏡被反射并到達(dá)觀測者的眼睛。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，入射部包括曲面的入射面和反射面中的至少一個。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，光導(dǎo)包括彼此平行延伸的第一全反射面和第二全反射面作為一對相對面，并且通過來自第一全反射面和第二全反射面的全反射來引導(dǎo)由入射部接收的圖像光線。

根據(jù)本發(fā)明的另一特定方面，通過將存在于入射部處的表面(例如，入射面或反射面)形成為非軸對稱彎面，提高了設(shè)計(jì)的自由度，并且實(shí)現(xiàn)了有利的光學(xué)性能。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面的虛像顯示設(shè)備包括產(chǎn)生圖像光線的圖像裝置和上述導(dǎo)光裝置。

根據(jù)該虛像顯示設(shè)備，通過使用導(dǎo)光裝置，可以防止觀測到圖像的亮度不均勻或光減少，并且可以抑制重影光的出現(xiàn)。因此，可以觀測高質(zhì)量圖像。

附圖說明

圖1A是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的虛像顯示設(shè)備的截面圖；

圖1B是導(dǎo)光裝置的后視圖；

圖2是用于通過使用包括光軸的截面來描述圖像光在導(dǎo)光裝置中的光路的圖；

圖3是用于描述反射單元中的光路變化的局部放大圖；

圖4是用于描述制造反射單元的示例的圖；

圖5A是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖5B是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖6A是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖6B是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖6C是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖6D是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖6E是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖6F是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖7A是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖7B是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖7C是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖7D是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖7E是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖7F是用于描述示例1的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖8是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖9A是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖9B是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖9C是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖9D是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖9E是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖9F是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖10A是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖10B是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖10C是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖10D是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖10E是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖10F是用于描述示例2的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖11是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖12A是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖12B是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖12C是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖12D是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖12E是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖12F是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖13A是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖13B是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖13C是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖13D是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖13E是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖13F是用于描述示例3的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖14是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖15A是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖15B是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖15C是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖15D是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖15E是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖15F是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖16A是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖16B是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖16C是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖16D是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖16E是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖16F是用于描述示例4的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖17是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖18A是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖18B是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖18C是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖18D是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖18E是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖18F是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖19A是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖19B是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖19C是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖19D是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖19E是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖19F是用于描述示例5的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖20A是示出了根據(jù)第二實(shí)施方式的虛像顯示設(shè)備的截面圖；

圖20B是導(dǎo)光裝置的后視圖；

圖21是用于通過使用包括光軸的截面來描述圖像光在導(dǎo)光裝置中的光路的圖；

圖22是用于描述反射單元中的光路變化的局部放大圖；

圖23A是用于描述制造反射單元的示例的圖；

圖23B是用于描述制造反射單元的示例的圖；

圖24是用于描述圖像光的光路的出射側(cè)的修改例的截面圖；

圖25A示出了反射單元的布置修改例；

圖25B示出了反射單元的結(jié)構(gòu)修改例；

圖26A是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖26B是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的截面圖；

圖27A是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖27B是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖27C是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖27D是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖27E是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖27F是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖28A是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖28B是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖28C是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖28D是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖28E是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖28F是用于描述示例6的光學(xué)系統(tǒng)的像差的圖；

圖29是示出了根據(jù)第三實(shí)施方式的虛像顯示設(shè)備的截面圖；

圖30是用于描述反射單元中的光路變化的局部放大圖；

圖31A是用于描述導(dǎo)光裝置的入射部的修改例的圖；

圖31B是用于描述導(dǎo)光裝置的入射部的修改例的圖。

具體實(shí)施方式

第一實(shí)施方式

在下文中，將描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的設(shè)置有導(dǎo)光裝置的虛像顯示設(shè)備。

1A.導(dǎo)光裝置和虛像顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)

圖1A所示的虛像顯示設(shè)備100被應(yīng)用于頭戴式顯示器，并且包括成對的圖像形成裝置10和導(dǎo)光裝置20。圖1A對應(yīng)于圖1B所示的導(dǎo)光裝置20的A-A截面。

虛像顯示設(shè)備100使得觀測者將圖像識別為虛像，并且使得觀測者以透視的方式觀測外部圖像。在虛像顯示設(shè)備100中，圖像形成裝置10和導(dǎo)光裝置20通常設(shè)置為兩對以對應(yīng)于觀測者的右眼和左眼。然而，由于用于右眼的一對和用于左眼的另一對彼此左右對稱，因此在本說明書中僅說明用于左眼的一對，而不說明用于右眼的另一對。例如，虛像顯示設(shè)備100就其整體而言具有一般的的眼鏡外觀(未示出)。

圖像形成裝置10包括作為圖像裝置的液晶裝置11和用于光耦合的投射透鏡12。液晶裝置11(圖像裝置)對來自光源14的照明光進(jìn)行空間調(diào)制，并且形成作為要顯示的運(yùn)動圖像或其它目標(biāo)的圖像光線GL。投射透鏡12是使從液晶裝置11上的各點(diǎn)射出的圖像光線GL成為基本平行的光線的準(zhǔn)直透鏡。投射透鏡12由玻璃或塑料制成，但不限于一個透鏡，而是可以是多個透鏡。投射透鏡12不限于球面透鏡，而是可以是非球面透鏡或自由曲面透鏡。

導(dǎo)光裝置20包括板狀部。導(dǎo)光裝置將在圖像形成裝置10中形成的圖像光線GL作為虛像光朝向觀測者的眼睛EY射出，并且基本上透射與外部圖像相對應(yīng)的外部光EL而沒有改變。導(dǎo)光裝置20包括：入射部21，其接收圖像光線；平行光導(dǎo)22，其用于引導(dǎo)光；以及出射部23，其輸出圖像光線。入射部21和平行光導(dǎo)22的主體是由具有高透光性的樹脂材料制成的整合體。在第一實(shí)施方式中，透過導(dǎo)光裝置20的圖像光線GL的光路與其中光線被反射相同次數(shù)的光路的類型相同，而不是其中組合了多種類型的光路的類型。平行光導(dǎo)22被布置為使得以觀測者的眼睛EY為基準(zhǔn)相對于光軸AX傾斜，并且其法線方向Z相對于光軸AX僅以角度k傾斜。在該情況下，平行光導(dǎo)22沿著觀測者臉部的曲線布置，但平行光導(dǎo)22的法線相對于光軸AX具有梯度。如上所述，當(dāng)平行光導(dǎo)22的法線相對于平行于光軸AX的x方向僅以角度k傾斜時，從反射單元30射出并且存在于其周圍的光軸AX上的圖像光線GL0相對于光出射面OS的法線形成角度

入射部21包括：光入射面IS，其從圖像形成裝置10接收圖像光線GL；以及反射面RS，其反射接收到的圖像光線GL以將反射光線引導(dǎo)至平行光導(dǎo)22。光入射面IS由凹曲面21b形成以靠近投射透鏡12，并且曲面21b具有將從反射面RS反射的圖像光線GL從內(nèi)表面完全反射的功能。反射面RS也由凹曲面21a形成以靠近投射透鏡12。反射面RS通過在曲面21a上進(jìn)行諸如鋁蒸鍍這樣的膜沉積而被形成，并且對從光入射面IS入射的圖像光線GL進(jìn)行反射以使光路沿預(yù)定方向彎曲。曲面21b將從反射面RS反射的圖像光線GL從內(nèi)表面完全反射以使光路沿預(yù)定方向彎曲。亦即，入射部21通過使從光入射表面IS入射的圖像光線GL反射兩次而使該圖像光線彎曲，來在平行光導(dǎo)22內(nèi)可靠地耦合圖像光線GL。

平行光導(dǎo)22是平行于y軸并且相對于z軸傾斜的板部，并且也稱為光導(dǎo)。平行光導(dǎo)(光導(dǎo))22由透射性樹脂材料制成，并且包括一對平行的平面22a和22b。由于平面22a和22b都是平行平面，因此外部圖像沒有被放大并且也沒有失焦。+z側(cè)或Z側(cè)的一個平面22a用作對來自入射部21的圖像光線進(jìn)行完全反射的全反射面，并且用于以較小的損失將圖像光線引導(dǎo)到出射部23。+z側(cè)的平面22a布置在平行光導(dǎo)22的外側(cè)以充當(dāng)?shù)谝蝗瓷涿?，并且在本說明書中也稱為外側(cè)面。-z側(cè)的平面22b在本說明書中被稱為觀測者側(cè)的面。后側(cè)平面(觀測者側(cè)的面)22b向上延伸至出射部23的一端。這里，后側(cè)平面22b的延伸平面是平行光導(dǎo)22與出射部23之間的邊界面IF(見圖2)。在平行光導(dǎo)22中，從入射部21的光入射面IS或反射面RS的內(nèi)表面反射的圖像光線GL入射在作為全反射面的平面22a上、在平面上被全反射并且被引導(dǎo)至導(dǎo)光裝置20的內(nèi)側(cè)，即設(shè)置有出射部23的+x側(cè)或X側(cè)。平行光導(dǎo)22具有端面ES作為限定導(dǎo)光裝置20的外觀的+x側(cè)或X側(cè)的端面的側(cè)面。平行光導(dǎo)22具有作為用于限定+/-y側(cè)的端面的頂表面和底表面的上端面TP和下端面BP。

如圖2所示，出射部23沿著后側(cè)平面22b或邊界面IF、以層狀形成在平行光導(dǎo)22的內(nèi)側(cè)(+x側(cè))上。當(dāng)從平行光導(dǎo)22的外側(cè)平面(全反射面)22a上的預(yù)定表面區(qū)域FR全反射的圖像光線GL透射時，出射部23以預(yù)定角度反射入射的圖像光線GL，并且使經(jīng)反射的圖像光線朝向光出射面OS彎曲。這里，最初入射而沒有透射至出射部23的圖像光線GL是作為虛擬光的輸出目標(biāo)。亦即，即使在出射部23中存在從光出射面OS的內(nèi)表面反射的光線，該反射光線也不用作圖像光。出射部23具有反射單元30，反射單元30被構(gòu)造成布置有多個具有透射特性的反射鏡(即，多個半反射鏡)，并且其具體結(jié)構(gòu)將在下面參照圖3進(jìn)行描述。反射單元30形成為沿著平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)平面22b延伸。

由于導(dǎo)光裝置20具有上述構(gòu)造，從圖像形成裝置10射出并從光入射面IS入射到導(dǎo)光裝置20的圖像光線GL由入射部21經(jīng)由反射多次彎曲、從平行光導(dǎo)22的平面22a的預(yù)定表面區(qū)域FR被完全反射并且基本上沿著光軸AX行進(jìn)。從+z側(cè)的平面22a的預(yù)定表面區(qū)域FR反射的圖像光線GL入射到入射部23。在該情況下，在xy平面中，預(yù)定表面區(qū)域FR在其縱向方向上的寬度小于出射部23在其縱向方向上的寬度。亦即，一束圖像光線GL入射到出射部23(或反射單元30)上的入射寬度大于圖像光束GL入射到預(yù)定表面區(qū)域FR上的入射寬度。如上所述，通過將圖像光束GL入射到預(yù)定表面區(qū)域FR上的入射寬度設(shè)定為相對窄，不會發(fā)生光路的干涉，并且邊界面IF不用于引導(dǎo)光(即，圖像光線GL不從邊界面IF被反射)。因此，易于使來自預(yù)定表面區(qū)域FR的圖像光線GL直接入射到出射部23(或反射單元30)上。入射到出射部23的圖像光GL通過在出射部23中以適當(dāng)?shù)慕嵌葟澢敵?，并且最終從光出射面OS射出。從光出射面OS射出的圖像光線GL作為虛擬光入射到觀測者的眼睛EY上。虛像光在觀測者的視網(wǎng)膜上形成，因此觀測者可以識別由于虛像所引起的圖像光線GL。這里，用于形成圖像的圖像光線GL入射到出射部23上的角度隨著反射鏡變得遠(yuǎn)離與光源接近的入射部21而增大。亦即，在出射部23的內(nèi)側(cè)，具有相對于光軸AX或與外側(cè)平面22a平行的Z方向的大傾斜的圖像光線GL入射并且以比較大的角度彎曲。在出射部23的前側(cè)，具有相對于光軸AX或Z方向的小傾斜度的圖像光線GL入射并且以相對小的角度彎曲。

1B.圖像光的光路

在下文中，將詳細(xì)描述圖像光線的光路。如圖2所示，在從液晶裝置11的出射面11a射出的圖像光線中，將由虛線指示的從出射面11a的中心部射出的成分稱為圖像光線GL0，將由圖中的點(diǎn)劃線指示的從出射面11a的周邊區(qū)域中的紙面上的左側(cè)(-x和+z側(cè))射出的成分稱為圖像光線GL1，以及將在該圖中由雙點(diǎn)劃線表示的從出射面11a的周邊區(qū)域中的紙面上的右側(cè)(+x和-z側(cè))射出的成分稱為圖像光線GL2。假定圖像光線GL0的光路沿光軸AX延伸。

透射通過投射透鏡12的各圖像光線GL0、GL1和GL2的主要成分分別從導(dǎo)光裝置20的光入射面IS入射、經(jīng)由入射部21透射通過平行光導(dǎo)22的內(nèi)部并且到達(dá)到出射部23。具體地，在圖像光線GL0、GL1和GL2之中，從出射面11a的中心部射出的圖像光線GL0由入射部21彎曲，然后在平行光導(dǎo)22內(nèi)耦合。隨后，圖像光線GL0以標(biāo)準(zhǔn)反射角θ₀入射在一個平面22a的預(yù)定表面區(qū)域FR上、被完全反射、透射通過平行光導(dǎo)22與出射部23(或反射單元30)之間的邊界面IF而沒有被反射并且直接入射到出射部23的中心部23k。圖像光線GL0以預(yù)定角度從部分23k反射，并且沿光軸AX方向(相對于Z方向的角度k方向)從光出射面OS作為平行光束射出，光軸AX方向相對于包括光出射面OS的XY平面傾斜。從出射面11a的一端側(cè)(-x側(cè))射出的圖像光線GL1由入射部21彎曲并且在平行光導(dǎo)22內(nèi)耦合。隨后，圖像光線GL1以最大反射角度θ₁入射在一個平面22a的預(yù)定表面區(qū)域FR上并且被完全反射。此后，圖象光線GL1透射通過平行光導(dǎo)22與出射部23(或反射單元30)之間的邊界面IF而沒有被反射、以預(yù)定的角度從出射部23的內(nèi)側(cè)(+x側(cè))部分23h被反射并且沿預(yù)定角度方向從光出射面OS作為并行光束射出。在該情況下，形成出射角γ₁以使返回入射部21的圖象光線GL1的量相對變大。同時，從出射面11a的另一端側(cè)(+x側(cè))射出的圖像光線GL2由入射部21彎曲并且在平行光導(dǎo)22內(nèi)耦合。圖象光線GL2以最小反射角度θ₂入射在一個平面22a的預(yù)定表面區(qū)域FR上并且被完全反射。圖象光線GL2透射通過平行光導(dǎo)22與出射部23(或反射單元30)之間的邊界面IF而沒有被反射、以預(yù)定的角度從出射部23的入口側(cè)(-x側(cè))部分23m反射并且沿預(yù)定角度方向從光出射面OS作為平行光束射出。在該情況下，形成出射角度γ₂以使返回入射部21的圖像光線GL2的量相對變小。已經(jīng)描述了圖像光線GL0、GL1和GL2表示所有圖像光線GL中的一些圖像光線。然而，與圖像光線GL0類似地，由于構(gòu)成其他圖像光線GL的光線成分被引導(dǎo)并從光出射面OS射出，因此將不再說明或描述這些光線成分。

這里，作為用于入射部21和平行光導(dǎo)22的透明樹脂材料的折射率n的例子，當(dāng)n＝1.4時，其臨界角θ_c的值為θ_c≈45.6°。通過將作為各圖像光線GL0、GL1和GL2的反射角θ₀、θ₁和θ₂中的最小值的反射角θ₂設(shè)定為大于臨界角θ_c，可以滿足必要圖像光在平行光導(dǎo)22內(nèi)的平面22a上的全反射條件。引向中心部分的圖像光線GL0以仰角φ₀(＝90度-θ₀)入射到出射部23的部分23k上，用于周邊區(qū)域的圖像光線GL1以仰角φ₁(＝90度-θ₁)入射到出射部23的部分23h上，并且用于周邊區(qū)域的圖像光線GL2以仰角φ₂(＝90度-θ₂)入射到出射部23的部分23m上。這里，通過反映反射角θ₀、θ₁和θ₂之間的大小關(guān)系而在仰角φ₀、φ₁和φ₂之間滿足關(guān)系φ₂>φ₀>φ₁。亦即，反射單元30的半反射鏡31上的入射角ι(參見圖3)以對應(yīng)于仰角φ₂的部分23m、對應(yīng)于仰角φ₀的部分23k和對應(yīng)于仰角φ₁的部分23h的順序逐漸減小。換言之，半反射鏡31上的入射角ι或來自半反射鏡31的反射角隨著反射鏡遠(yuǎn)離入射部21而減小。

將描述從平行光導(dǎo)22的外側(cè)平面22a反射并引向出射部23的圖像光束GL的整體移動。在包括光軸AX的截面上，圖像光束GL的寬度在從平行光導(dǎo)22的外側(cè)上的預(yù)定表面區(qū)域FR反射的前直線光路P1和后直線光路P2中的任一直線光路處變窄。具體地，在包括光軸AX的截面上，圖像光束GL的寬度在預(yù)定表面區(qū)域FR附近、即直線光路P1和P2之間的邊界附近的橫跨這兩個直線光路P1和P2的位置處整體上變窄，因此光束寬度變窄。因此，圖像光束GL在出射部23的前面變窄，因此易于相對加寬側(cè)視角。雖然在所說明的例子中已經(jīng)描述了圖像光束GL的寬度在橫跨直線光路P1和P2的位置處變窄并且光束寬度變窄，但是可以僅使直線光路P1和P2中的一個的寬度變窄并且光束寬度可以變窄。

1C.出射部的結(jié)構(gòu)和由于出射部引起的光路彎曲

在下文中，將參照圖2和圖3詳細(xì)描述出射部23的結(jié)構(gòu)和由于出射部23引起的圖像光線的光路彎曲。與平行光導(dǎo)22類似，出射部23沿著相對于光軸AX傾斜角度k的XY平面延伸。

首先，將描述出射部23的結(jié)構(gòu)。出射部23具有反射單元30，反射單元30被構(gòu)造成布置有分別反射圖像光線GL的多個半反射鏡31。反射單元30是矩形板狀的構(gòu)件，并且具有其中多個窄帶形半反射鏡31嵌入條紋圖案的結(jié)構(gòu)。亦即，反射單元30被構(gòu)造成使得在y方向或Y方向上延伸的多個細(xì)長半反射鏡31沿平行光導(dǎo)22延伸的方向(即，沿X方向)以預(yù)定間距PT布置。具體地，半反射鏡31在與圖2所示的平行光導(dǎo)22的平面22a和22b平行并且與布置半反射鏡31的X方向垂直的方向中，沿著作為縱向方向的垂直y方向或Y方向直線延伸。半反射鏡31朝著平行光導(dǎo)22的外側(cè)而不是觀測者向入射部21傾斜。具體地，半反射鏡31通過使用縱向(Y方向)作為其軸并且使用與平面22a和22b正交的YZ平面作為其基準(zhǔn)而傾斜成使得上端(+Z側(cè))沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。亦即，當(dāng)在XZ截面上觀測時，各個反射鏡31在-X方向和+Z方向之間的方向上延伸。所有半反射鏡31彼此平行地仔細(xì)布置。

反射單元30具有其中接合多個塊狀構(gòu)件32的結(jié)構(gòu)，并且半反射鏡31具有插在一對相鄰塊狀構(gòu)件32之間的薄膜形狀。這里，雖然已經(jīng)描述了塊狀構(gòu)件32的折射率等于平行光導(dǎo)22的折射率，但是它們的折射率可以彼此不同。當(dāng)其折射率不同時，必需調(diào)整或校正半反射鏡31傾斜的角度δ。為了容易以透視方式觀測外部光EL，半反射鏡31關(guān)于圖像光線GL的反射率被設(shè)定在圖像光線GL的假定入射角范圍的10％至50％的范圍內(nèi)。作為特定示例，半反射鏡31關(guān)于圖像光線GL的反射率被設(shè)定為例如20％，并且半反射鏡關(guān)于圖像光線GL的透射率被設(shè)定為例如80％。

將參考圖4描述制造反射單元30的方法的示例。預(yù)先制備作為由玻璃制成的平行板的多個玻璃板91，并且通過其一個表面上形成作為金屬反射膜或電介質(zhì)多層膜的反射膜92來制備多個元件板90。此后，多個所形成的元件板90被層疊并且用粘合劑粘合，并且層疊的元件板作為整體沿著切割線C1和C2被傾斜地切割。因此，可以獲得具有如下結(jié)構(gòu)的反射單元30，其中利用金屬反射膜或電介質(zhì)多層膜形成的半反射鏡31被插入在塊狀構(gòu)件32之間，塊狀構(gòu)件32是通過將平行板傾斜分割而獲得的細(xì)長棱鏡片。反射單元30通過粘合劑粘附到平行光導(dǎo)22的靠近觀測者的適當(dāng)位置并使粘合劑硬化來固定。

反射單元30中的半反射鏡31的間距PT被設(shè)定為大約0.5mm至2.0mm。通過以這樣的間距布置多個半反射鏡31，可以獲得以下效果：當(dāng)半反射鏡31的間距變窄時抑制由于圖像光線的干涉法之間的差異而導(dǎo)致的色移，或者當(dāng)半反射鏡31的間距變寬時抑制由于光透射量的差異引起的黑線的出現(xiàn)。當(dāng)使用圖3所示的反射單元30時，已經(jīng)描述了半反射鏡31的間距稍微加寬，并且外部光EL的一部分直接透射，但是可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整半反射鏡31的間距來防止外部光EL直接透射。

半反射鏡31的間距PT不是等間隔，而是可變間距。更具體地，反射單元30中的半反射鏡31的間距PT是隨機(jī)間距，其通過使用基準(zhǔn)間隔作為其中心而隨機(jī)地增大或減小。如上所述，通過以隨機(jī)間距在反射單元30中布置半反射鏡31，可以可靠地抑制衍射不均勻性或莫爾條紋的出現(xiàn)。間距不限于隨機(jī)間距，例如，可以重復(fù)包括在多個階段增大或減小的間距的預(yù)定間距圖案。

這里，反射單元30的厚度，即半反射鏡31在Z軸方向上的厚度TI被設(shè)定為大約0.7mm至3.0mm。支承反射單元30的平行光導(dǎo)22的厚度例如設(shè)定為約幾mm至10mm，優(yōu)選為約4mm至6mm。當(dāng)平行光導(dǎo)22的厚度充分地大于反射單元30的厚度時，易于使圖像光線GL在反射單元30或邊界面IF上的入射角減小，并且易于抑制來自位于圖像光線GL沒有被眼睛EY接收的位置的半反射鏡31的反射。同時，當(dāng)平行光導(dǎo)22的厚度相對較薄時，易于實(shí)現(xiàn)平行光導(dǎo)22和導(dǎo)光裝置20的重量減輕。

在圖2和圖3所示的示例中，所有半反射鏡31可以通過使用平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)的面22b作為其基準(zhǔn)，沿順時針方向形成例如約為48°至70°的傾斜角δ，具體地形成60°的傾斜角δ。這里，假設(shè)圖像光線GL0的仰角φ₀設(shè)為例如30°，圖像光線GL1的仰角φ₁設(shè)為例如22°，并且圖像光線GL2的仰角φ₂被設(shè)為例如38°。在該情況下，圖像光線GL1和圖像光線GL2入射到觀測者的眼睛EY上，同時通過使用光軸AX為其基準(zhǔn)而形成角度γ₁＝γ₂≈12.5°。

因此，在圖像光線GL中，全反射角比較大的成分(圖像光線GL1)主要入射到反射單元30的-x側(cè)的部分23h上，全反射角比較小的成分(圖像光線GL2)主要入射到出射部23的+x側(cè)的部分23m上。以這樣的方式，可以以能夠作為整體而被收集在觀測者的眼睛EY中的角度狀態(tài)來有效地輸出圖像光線GL。由于圖像光線GL以這樣的角度關(guān)系輸出，因此導(dǎo)光裝置20可以使圖像光線GL僅通過反射單元30一次，而基本上不使圖像光線通過反射單元多次，并且能夠以較小損失將圖像光線GL作為虛像光輸出。

在反射單元30的中心側(cè)或內(nèi)側(cè)的部分23k和23h中，非常小部分的圖像光線GL透過半反射鏡31多次(具體地，通過包括反射一次和透射一次或更多次)。在該情況下，圖像光線通過半反射鏡31的次數(shù)是多次。然而，由于來自多個半反射鏡31的反射光線分別作為圖像光線GL入射到觀測者的眼睛EY上，因此光量的損失不大。

在反射單元30的中心側(cè)或內(nèi)側(cè)的部分23k和23h中，也很可能產(chǎn)生從平行光導(dǎo)22的后側(cè)或觀測者側(cè)(即，光出射面OS或邊界面IF等)反射的圖像光線GL的成分。然而，圖像光線GL作為從半反射鏡31反射的無用光線GX(參見圖3)而被引導(dǎo)到光路的外部，并且防止其入射到觀測者的眼睛EY。通過半反射鏡31的無用光線可能再次入射在外側(cè)平面22a上。然而，當(dāng)無用光線從外側(cè)平面被完全反射時，大多數(shù)無用光線可以入射到反射單元30的內(nèi)側(cè)部分23h或者是入射到比內(nèi)側(cè)部分更內(nèi)側(cè)并且在有效區(qū)域外的區(qū)域上，并且不太可能入射到眼睛EY上。

1D.第一實(shí)施方式的結(jié)論

根據(jù)上述第一實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置20，由于導(dǎo)光裝置被設(shè)定成使入射到反射單元30的圖像光線GL被反射并被引向觀測者，而不是從平行光導(dǎo)22與反射單元30之間的邊界面IF反射圖像光線GL，圖像光線GL僅通過處于從出射部23的反射單元30輸出圖像光線的位置或處于該位置附近的半反射鏡31，而不會被邊界面IF反射。因此，通過減少待觀測的圖像光線GL通過半反射鏡31的次數(shù)，可以防止亮度不均勻或光減少。從另一角度來看，在根據(jù)本實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置20中，反射單元30在光路AX方向上具有等于或小于平行光導(dǎo)22約一半的厚度，構(gòu)成反射單元30的半反射鏡31傾斜成在平行光導(dǎo)22的遠(yuǎn)離觀測者的外側(cè)靠近入射部21，并且反射單元30的靠近至少入射部21的部分被布置在平行光導(dǎo)22的靠近觀測者的部分上。因此，要觀測的圖像光線GL相對于光軸AX的傾斜度在反射單元30的與入射部21分離的內(nèi)側(cè)相對增加，并且易于使來自入射部21圖像光線GL直接入射到反射單元30的目標(biāo)位置上。亦即，通過減少要觀測的圖像光線GL通過半反射鏡31的次數(shù)，可以防止亮度不均勻或光減少，并且可以抑制重影光的出現(xiàn)。

雖然在上述第一實(shí)施方式中已經(jīng)描述了平行光導(dǎo)22相對于垂直于通過眼睛的光軸AX的xy平面傾斜，但是可以使平行光導(dǎo)22平行于xy平面。已經(jīng)描述了入射部21包括曲面21a和21b，但是曲面中一個曲面或兩者可以是平面。在該情況下，對應(yīng)于曲面21b的部分可以形成為平面，該平面通過延伸平行光導(dǎo)22的平面22b而形成。在入射部21中，從光入射面IS入射的圖像光線GL可以無變化地耦合到平行光導(dǎo)22，而不會不從內(nèi)表面反射。平行光導(dǎo)22不限于完全平行的板，而是可以具有輕微的彎曲或楔角。亦即，平行光導(dǎo)22的平面22a和22b可以是非球面表面或其他曲面，或者平面可以形成傾斜角。當(dāng)平面22a和22b彎曲時，由于發(fā)生放大倍率或可見度的變化，因此平面優(yōu)選較不彎曲。當(dāng)平面22a和22b形成傾斜角時，由于發(fā)生色散，因此平面優(yōu)選地形成小傾斜角。

1E.第一實(shí)施方式的示例

在下文中，將描述根據(jù)本實(shí)施方式的虛像顯示設(shè)備所包括的光學(xué)系統(tǒng)的示例。下面描述各個示例中使用的標(biāo)記。

STOP:對應(yīng)于眼睛的停止表面

PLANE:在眼睛或圖像表面前面的平面

IMAGE:圖像表面

MA:反射鏡陣列

PSi:平面(i＝相同類型表面的表面編號)

FFSj:自由曲面(j＝相同類型表面的表面編號)

ASPk:球形表面或平面(k＝相同類型表面的表面編號)

R：曲率半徑

T：軸向表面距離

Nd：光學(xué)材料對d線的折射率

Vd:光學(xué)材料關(guān)于d線的阿貝(Abbe)數(shù)

TLY：光軸在特定表面的截面(XZ截面)上的傾斜角(°)

(在某些情況下，TLY在特定表面的前后變化)

DCX：X軸方向上的特定表面的截面(XZ截面)的光學(xué)偏移量

以下說明在所有示例中通用。

虛像的視角：25度*9.6度，對應(yīng)于前方2.5米的50英寸監(jiān)視器

顯示設(shè)備:9.6mm*5.4mm(0.43英寸面板)

焦距：21.7mm

入射瞳孔直徑：φ5mm

示例1

在表1中展示了示例1的光學(xué)表面的數(shù)據(jù)。例如，標(biāo)記PS1和FFS2表示平行光導(dǎo)22的平面22a和22b，而標(biāo)記FFS1和FFS2表示入射部21的反射面RS和光入射面IS。標(biāo)記ASP1至ASP6表示投射透鏡12的透鏡表面。

[表1]

對于示例1的棱鏡的光學(xué)表面，在表2中展示了在其橫截面上的光軸偏離量(偏心)DCX和光軸傾斜角(傾斜)TLY。

[表2]

在表3中展示了通過對示例1的光學(xué)表面的自由曲面執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Ak_m,n。在表3中，符號m和n表示系數(shù)Ak_m,n的變量或度數(shù)。這里，系數(shù)Ak_m,n是指構(gòu)成表示作為目標(biāo)的第k個表面的多項(xiàng)式的每個項(xiàng)X^m*Yⁿ的系數(shù)。亦即，第個k表面被表示為Z＝Σ{Ak _m,n*(X^m*Yⁿ)}。

[表3]

對于示例1的光學(xué)表面的非球面，通過對其截面形狀執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Bi(i＝2,4,6，...)被表示在表4中。亦即，通過使用r²＝X²+Y²，將非球面表示為Z＝ΣBi*rⁱ。

[表4]

圖5A是示例1的導(dǎo)光裝置20和投射透鏡12的截面圖。導(dǎo)光裝置20包括作為平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1對應(yīng)于光出射面OS。導(dǎo)光裝置20包括在入射部21中的、為自由曲面并且在截面上具有相對小的負(fù)折射力的第三表面S3、為自由曲面并且在截面上具有相對小的正折射力的第四表面S4以及作為第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。這里，第五表面S5對應(yīng)于光入射面IS。如本示例所示，通過在入射部21中形成自由曲面，可以減小投射透鏡的負(fù)擔(dān)，因此，可以形成薄光學(xué)系統(tǒng)。為了防止由入射折射表面和出射折射表面上的波長引起的色散，入射部21的光軸AX和出射部23的光軸AX在其中消除了色散的相同方向上傾斜。投射透鏡12包括三個透鏡L1、L2和L3。這些透鏡L1、L2和L3的兩個光學(xué)表面都是非球面。圖5B具體地示出了構(gòu)成導(dǎo)光裝置20的第一表面S1至第五表面面S5的本地坐標(biāo)。

圖6A至圖6F和圖7A至7F示出了示例1的像差。在各個像差圖中，水平軸表示瞳孔中的位置，而垂直軸表示像差量。具體地，圖6A和6B以微米量級表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖6C和6D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角的Y方向和X方向上的像差。圖6E和圖6F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖7A和圖7B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖7C和圖7D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖7E和圖7F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是當(dāng)光線向后移動時在圖像顯示裝置的圖像表面上的像差量。

示例2

在表5中展示了示例2的光學(xué)表面的數(shù)據(jù)。

[表5]

對于示例2的棱鏡的光學(xué)表面，在其橫截面上的光軸偏移量DCX和光軸傾斜角TLY被展示在表6中。

[表6]

對于示例2的光學(xué)表面的非球面，通過對其截面形狀執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表7中。

[表7]

圖8是示例2的導(dǎo)光裝置20和投射透鏡12的截面圖。導(dǎo)光裝置20包括作為平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1對應(yīng)于光出射面OS。導(dǎo)光裝置20包括在入射部21中的為平面的第三表面S3、為平面的第四表面S4和作為與第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。這里，第五表面S5對應(yīng)于光入射面IS。在示例2中，入射部21的光軸AX和出射部23的光軸AX平行。投射透鏡12包括三個透鏡L1、L2和L3。這些透鏡L1、L2和L3的兩個光學(xué)表面都是非球面。

圖9A至圖9F和圖10A至圖10F示出了示例2的像差。在各個像差圖中，水平軸表示瞳孔中的位置，而垂直軸表示像差量。具體地，圖9A和9B以微米量級表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖9C和圖9D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖9E和圖9F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖10A和圖10B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖10C和圖10D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖10E和圖10F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是當(dāng)光線向后移動時在圖像顯示裝置的圖像表面上的像差量。

示例3

表8展示了示例3的光學(xué)表面的數(shù)據(jù)。

[表8]

對于示例3的棱鏡的光學(xué)表面，在其橫截面上的光軸偏移量DCX和光軸傾斜角TLY被展示在表9中。

[表9]

對于示例3的光學(xué)表面的非球面，通過對其截面形狀執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表10中。

[表10]

圖11是示例3的導(dǎo)光裝置20和投射透鏡12的截面圖。導(dǎo)光裝置20包括作為平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1對應(yīng)于光出射面OS。導(dǎo)光裝置20包括在入射部21中的、為平面的第三表面S3、為平面的第四表面S4和作為與第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。這里，第五表面S5對應(yīng)于光入射面IS。投射透鏡12包括三個透鏡L1、L2和L3。這些透鏡L1、L2和L3的兩個光學(xué)表面都是非球面。為了防止由于入射折射表面和出射折射表面上的波長引起的色散，入射部21的光軸AX和出射部23的光軸AX在其中消除了色散的相同方向上傾斜。

圖12A至圖12F和圖13A至圖13F示出了示例3的像差。在各個像差圖中，水平軸表示瞳孔中的位置，而垂直軸表示像差量。具體地，圖12A和12B以微米量級表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖12C和圖12D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖12E和圖12F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖13A和圖13B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖13C和圖13D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖13E和圖13F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是當(dāng)光線向后移動時在圖像顯示裝置的圖像表面上的像差量。

示例4

表11展示了示例4的光學(xué)表面的數(shù)據(jù)。

[表11]

對于示例4的棱鏡的光學(xué)表面，在其橫截面上的光軸偏移量DCX和光軸傾斜角TLY被展表在表12中。

[表12]

在表13中展示了通過對示例4的光學(xué)表面的自由曲面執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Ak_m,n。

[表13]

圖14是示例4的導(dǎo)光裝置20和投射透鏡12的截面圖。導(dǎo)光裝置20包括作為平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1對應(yīng)于光出射面OS。導(dǎo)光裝置20包括在入射部21中的、為平面的第三表面S3、為自由曲面并且在截面上具有相對小的負(fù)折射力的第四表面S4以及作為第三表面S3共用的透射面的第五表面S5。這里，第五表面S5對應(yīng)于光入射面IS。為了防止由于入射折射表面和出射折射表面上的波長引起的色散，入射部21的光軸AX和出射部23的光軸AX在其中消除了色散的相同方向上傾斜。投射透鏡12包括三個透鏡L1、L2和L3。這些透鏡L1、L2和L3的兩個光學(xué)表面都是非球面。

圖15A至圖15F和圖16A至圖16F示出了示例4的像差。在各個像差圖中，水平軸表示瞳孔中的位置，而垂直軸表示像差量。具體地，圖15A和15B以微米量級表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖15C和圖15D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖15E和圖15F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖16A和圖16B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖16C和圖16D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖16E和圖16F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是當(dāng)光線向后移動時在圖像顯示裝置的圖像表面上的像差量。

示例5

表14展示了示例5的光學(xué)表面的數(shù)據(jù)。

[表14]

對于示例5的棱鏡的光學(xué)表面，在其橫截面上的光軸偏移量DCX和光軸傾斜角TLY被展示在表15中。

[表15]

在表16中展示了通過對示例5的光學(xué)表面的自由曲面執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Ak_m,n。

[表16]

對于示例5的光學(xué)表面的非球面，通過對其截面形狀執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表17中。

[表17]

圖17是示例5的導(dǎo)光裝置20和投射透鏡12的截面圖。導(dǎo)光裝置20包括作為平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1對應(yīng)于光出射面OS。導(dǎo)光裝置20包括在入射部21中的第三表面S3，其是自由形狀的曲面并且具有截面上的相對小的折射力。這里，第三表面S3對應(yīng)于光入射面IS。為了防止由于入射折射表面和出射折射表面上的波長引起的色散，入射部21的光軸AX和出射部23的光軸AX在其中消除了色散的相同方向上傾斜。投射透鏡12包括三個透鏡L1、L2和L3。這些透鏡L1、L2和L3的兩個光學(xué)表面都是非球面。

圖18A至圖18F和圖19A至圖19F示出了示例5的像差。在各個像差圖中，水平軸表示瞳孔中的位置，而垂直軸表示像差量。具體地，圖18A和18B以微米量級表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖18C和圖18D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖18E和圖18F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖19A和圖19B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖19C和圖19D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖19E和圖19F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是當(dāng)光線向后移動時在圖像顯示裝置的圖像表面上的像差量。

第二實(shí)施方式

在下文中，將描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的設(shè)置有導(dǎo)光裝置的虛像顯示設(shè)備。通過部分地改變根據(jù)第一實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置來構(gòu)造根據(jù)第二實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置，因此將省略對共同部分的描述。

2A.導(dǎo)光裝置和虛像顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)

圖20A所示的虛像顯示設(shè)備10應(yīng)用于頭戴式顯示器，并且包括成對的圖像形成裝置10和導(dǎo)光裝置20。圖20A對應(yīng)于圖20B所示的導(dǎo)光裝置20的A-A截面。

與第一實(shí)施方式類似，雖然虛像顯示設(shè)備100通常包括用于觀測者的右眼和左眼的兩對顯示單元，其中圖像形成裝置10和導(dǎo)光裝置20作為一個顯示單元，但是在本說明書中僅說明用于左眼的一對，而將不說明用于右眼的一對。

與第一實(shí)施方式類似地，圖像形成裝置10包括作為圖像裝置的液晶裝置11和用于光耦合的投射透鏡12。

導(dǎo)光裝置20包括在該圖中與xy平面平行延伸的板狀部分。導(dǎo)光裝置將在圖像形成裝置10中形成的圖像光線GL作為虛像光朝向觀測者的眼睛EY射出，并且無變化地基本上透射與外部圖像相對應(yīng)的外部光EL。導(dǎo)光裝置20包括：入射部21，其接收圖像光線；平行光導(dǎo)22，其用于引導(dǎo)光；以及出射部23，其輸出圖像光線。入射部21和平行光導(dǎo)22的主體是由具有高透光性的樹脂材料制成的整合體。在第二實(shí)施方式中，透過導(dǎo)光裝置20的圖像光線GL的光路包括其中光線被反射不同次數(shù)的多種類型的光路，并且是組合了多種類型的光路的類型。

入射部21包括：光入射面IS，其從圖像形成裝置10接收圖像光線GL；以及反射面RS，其反射接收到的圖像光線GL以將反射的光線引導(dǎo)至平行光導(dǎo)22。反射面RS通過在傾斜面21a上諸如鋁蒸鍍這樣的膜沉積而形成，并且對入射的圖像光線GL進(jìn)行反射以使光路沿接近正交方向的預(yù)定方向彎曲。亦即，反射面RS通過彎曲圖像光線使得從光入射面IS入射且整體上被引向+z方向的圖像光線GL整體上被引向+x方向，來與平行光導(dǎo)22內(nèi)的圖像光線GL可靠地耦合。入射部21具有在z方向上突出的三角形棱鏡，以確保反射面RS的尺寸。反射面RS在z方向上的寬度可以大于平行光導(dǎo)22的+z方向上的寬度或厚度，并且圖像光線GL可以無損耗地耦合到平行光導(dǎo)22。

平行光導(dǎo)22是與該圖中的xy平面平行地延伸的板部，也稱為光導(dǎo)。平行光導(dǎo)(光導(dǎo))22由光透射性樹脂材料制成，并且包括與xy平面平行的一對平面22a和22b。由于平面22a和22b都是平面，因此外部圖像沒有被放大并且沒有失焦。兩個平面22a和22b都用作全反射面，其完全地反射被入射部21的反射面RS彎曲的圖像光線，并且用于以更小的損失將圖像光線引導(dǎo)到出射部23。這里，+z側(cè)的平面22a布置在平行光導(dǎo)22的外側(cè)以用作第一全反射面，并且在本說明書中也稱為外側(cè)面。-z側(cè)的平面22b布置在平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)以用作第二全反射面，并且在本說明書中也稱為觀測者側(cè)的面。后側(cè)平面(觀測者側(cè)的面)22b的靠近圖像形成裝置10的一部分與光入射表面1S共用。亦即，觀測者側(cè)的面22b的一部分用作光入射面IS。后側(cè)平面(觀測者側(cè)的面)22b向上延伸到出射部23的一端，并且布置在與出射部23的光出射面OS相同的平面中。亦即，平行光導(dǎo)22與出射部23之間的邊界面IF布置在比后側(cè)平面22b更內(nèi)側(cè)的縮回位置。在平行光導(dǎo)22中，從入射部21的反射面RS反射的圖像光線GL最初入射到作為第二全反射面的平面22b上，并且被完全反射。隨后，圖像光線GL入射到作為第一全反射面的平面22a上，并且被完全反射。上述一對全反射被執(zhí)行一次或重復(fù)多次，因此圖像光線GL被引導(dǎo)到導(dǎo)光裝置20的內(nèi)側(cè)，即，設(shè)有出射部23的+x側(cè)。

出射部23沿著后側(cè)平面(第二全反射面)22b或邊界面IF以層疊形狀形成在平行光導(dǎo)22的內(nèi)側(cè)(+x側(cè))上。當(dāng)在從平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b全反射的情況下傳播并且從外側(cè)平面(第一全反射面)22a被完全反射的圖像光線GL被透射時，出射部23以預(yù)定角度反射入射的圖像光線GL，并且使經(jīng)反射的圖像光線朝向光出射面OS彎曲。這里，最初入射在出射部23上的圖像光線GL是作為虛擬光的輸出目標(biāo)。亦即，即使在出射部23中存在從光出射面OS的內(nèi)表面反射的光線，被反射的光線也不被用作圖像光。出射部23具有反射單元30，反射單元30被構(gòu)造成布置有多個具有透射特性的反射鏡(即，多個半反射鏡)。反射單元30形成為沿著平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)的平面22b延伸。亦即，出射部23或反射單元30的靠近入射部21并且與入射部21分離的兩個部分均布置在平行光導(dǎo)22的觀測者那側(cè)。

由于導(dǎo)光裝置20具有上述構(gòu)造，因此從圖像形成裝置10射出并從光入射面IS入射到導(dǎo)光裝置20的圖像光線GL由入射部21均勻反射和彎曲、從平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b反復(fù)地完全反射并且基本上沿著光軸AX行進(jìn)。從+z側(cè)的平面22a的預(yù)定表面區(qū)域FR反射的圖像光線GL的特定光線入射到入射部23上。在該情況下，在xy平面中，預(yù)定表面區(qū)域FR在其縱向方向上的寬度小于出射部23在其縱向方向上的寬度。亦即，圖像光束GL入射到出射部23(或反射單元30)上的入射寬度大于圖像光束GL入射到預(yù)定表面區(qū)域FR上的入射寬度。如上文所述，通過將圖像光束GL入射到預(yù)定表面區(qū)域FR上的入射寬度設(shè)置為相對較窄，由于光出射面OS不用于引導(dǎo)光(即，圖像光線GL不從光出射面OS被反射)，因此易于使來自預(yù)定表面區(qū)域FR的圖像光線GL直接入射到發(fā)射部23(或反射單元30)上。入射到出射部23的圖像光線GL通過在出射部23中以適當(dāng)?shù)慕嵌缺粡澢惠敵觯⑶易罱K從光出射面OS射出。從光出射面OS射出的圖像光線GL作為虛擬光入射到觀測者的眼睛EY上。虛像光在觀測者的視網(wǎng)膜上形成圖像，因此觀測者可以識別由于虛像所引起的圖像光線GL。這里，與第一實(shí)施方式類似，用于形成圖像的圖像光線GL入射到出射部23上的角度隨著反射鏡遠(yuǎn)離于靠近光源的入射部21而增大。亦即，在出射部23的內(nèi)側(cè)，相對于z方向具有大傾斜的圖像光線GL入射并且以比較大的角度彎曲。在出射部23的前側(cè)上，相對于z方向具有小傾斜度的圖像光線GL入射并且以相對小的角度彎曲。

2B.圖像光的光路

在下文中，將詳細(xì)描述圖像光線的光路。如圖21所示，在從液晶裝置11的出射面11a射出的圖像光線之中，將由虛線指示的從出射面11a的中心部分射出的成分稱為圖像光線GL0、將圖中由點(diǎn)劃線指示的從出射面11a的周邊區(qū)域中的紙面上的左側(cè)(-x)射出的成分稱為圖像光線GL1并且將在圖中由雙點(diǎn)劃線指示的從出射面11a的周邊區(qū)域中的紙面上的右側(cè)(+x)射出的成分稱為圖像光線GL2。

透射通過投射透鏡12的各圖像光線GL0、GL1和GL2的主要成分分別從導(dǎo)光裝置20的光入射面IS入射，并且以不同的角度從與第一全反射面和第二全反射面相對應(yīng)的平面22a和22b重復(fù)地完全反射。具體地，在圖像光線GL0、GL1和GL2之中，從出射面11a的中心部分射出的圖像光線GL0被入射部21反射為平行光束、以標(biāo)準(zhǔn)反射角θ₀入射到平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)的平面22b上并且被完全反射。隨后，圖像光線GL0在保持標(biāo)準(zhǔn)反射角θ₀的情況下從一對平面22a和22b被反復(fù)地完全反射。圖像光線GL0從平面22a和22b被完全反射偶數(shù)次、透射通過平行光導(dǎo)22與出射部23或反射單元30之間的邊界面IF而不被反射、并且入射到出射部23的中心部23k。圖像光線GL0從部分23k以預(yù)定角度被反射，并且沿與包括光出射部OS的xy平面垂直的光軸AX方向、作為平行光束從光出射面OS射出。從出射面11a的一端側(cè)(-x側(cè))射出的圖像光線GL1從入射部21被反射成平行光束、以最大反射角θ₁入射到平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)的平面22b上并且被完全反射。圖象光線GL1從平面22a和22b被完全反射多次、透射通過平行光導(dǎo)22與出射部23或反射單元30之間的邊界面IF而沒有被反射、以預(yù)定的角度從出射部23的內(nèi)側(cè)(+x側(cè))部分23h被反射并沿預(yù)定角度方向作為平行光束從光出射面OS射出。在該情況下，出射角γ₁被形成為使得圖像光線GL1返回入射部21并且相對于+x軸具有銳角。同時，從出射面11a的另一端側(cè)(+x側(cè))射出的圖像光線GL2被入射部21反射成平行光束、以最小反射角θ2入射到平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)的平面22b上并且被完全反射。圖象光線GL2從平面22a和22b被完全反射多次、透射通過平行光導(dǎo)22與出射部23或反射單元30之間的邊界面IF而沒有被反射、以預(yù)定的角度從出射部23的內(nèi)側(cè)(-x側(cè))部分23m被反射并且沿預(yù)定角度方向作為平行光束從光出射面OS射出。在該情況下，出射角γ₂被形成為使得圖像光線GL1與入射部21分離并且相對于+x軸具有銳角。圖像光GL0、GL1和GL2在到達(dá)出射部23之前被完全反射的次數(shù)不一定相同。亦即，在該圖的示例中，圖像光線GL2被全反射的次數(shù)比圖像光線GL1被完全反射的次數(shù)多一次或多次，而圖像光線GL0被全反射的次數(shù)與圖像光線GL1和GL2被完全反射的次數(shù)相同。由于來自平面22a和22b的全反射的光反射效率非常高，因此即使圖像光線GL0、GL1和GL2被完全反射的次數(shù)不同，也不會發(fā)生由于這樣的差別引起的亮度不均勻性。已經(jīng)描述了圖像光線GL0、GL1和GL2代表所有圖像光線GL中的一些圖像光線。然而，與圖像光線GL0類似，由于構(gòu)成其他圖像光線GL的光線成分被引導(dǎo)并從光出射面OS射出，因此將不說明或描述這些光線成分。

這里，作為用于入射部21和平行光導(dǎo)22的透明樹脂材料的折射率的例子，當(dāng)n＝1.4時，其臨界角θ_c的值為θ_c≈45.6°。通過將作為各圖像光線GL0、GL1和GL2的反射角θ₀、θ₁和θ₂中的最小值的反射角θ₂設(shè)定為大于臨界角θ_c，可以滿足必要的圖像光在平行光導(dǎo)22內(nèi)的全反射條件。引向中心部分的圖像光線GL0以仰角φ₀(＝90°-θ₀)入射到出射部23的部分23k上，針對周邊區(qū)域的圖像光線GL1以仰角φ₁(＝90°-θ₁)入射到出射部23的部分23h上，并且針對周邊區(qū)域的圖像光線GL2以仰角φ₂(＝90°-θ₂)入射到出射部23的部分23m上。這里，通過反映反射角θ₀、θ₁和θ₂之間的大小關(guān)系，在仰角φ₀、φ₁和φ₂之間滿足關(guān)系φ₂>φ₀>φ₁。亦即，反射單元30的半反射鏡31上的入射角ι(參見圖22)以對應(yīng)于仰角φ₂的部分23m、對應(yīng)于仰角φ₀的部分23k和對應(yīng)于仰角φ₁的部分23h的順序逐漸減小。換言之，半反射鏡31上的入射角ι或來自半反射鏡31的反射角隨著反射鏡遠(yuǎn)離于入射部21而減小。

將描述從平行光導(dǎo)22的外側(cè)平面22a被反射并引向出射部23的圖像光束GL的整體移動。在包括光軸AX的截面上，圖像光束GL的寬度在從平行光導(dǎo)22的外側(cè)的預(yù)定表面區(qū)域FR被反射的前直線光路P1和后直線光路P2中的任一光路處變窄。具體地，圖像光束GL的寬度沿在包括光軸AX的截面上執(zhí)行從預(yù)定表面區(qū)域FR的反射之后的直線光路P2而整體上變窄，因此光束寬度變窄。因此，圖像光束GL在出射部23的前面變窄，由此易于相對加寬側(cè)視角。

2C.出射部的結(jié)構(gòu)和由于出射部引起的光路彎曲

在下文中，將參照圖21和圖22詳細(xì)描述出射部23的結(jié)構(gòu)和由于出射部23引起的圖像光線的光路的彎曲。

首先，將描述出射部23的結(jié)構(gòu)。出射部23具有反射單元30，反射單元30被構(gòu)造成布置有多個分別反射圖像光線GL的半反射鏡31。反射單元30是矩形板狀構(gòu)件，并且具有其中多個窄帶形半反射鏡31嵌入條紋圖案的結(jié)構(gòu)。亦即，反射單元30被構(gòu)造成使得在y方向上延伸的多個細(xì)長半反射鏡31沿平行光導(dǎo)22延伸的方向(即，沿X方向)以預(yù)定間距PT布置。更具體地，半反射鏡31在與圖21所示的平行光導(dǎo)22的平面22a和22b平行并且與布置半反射鏡31的x方向垂直的方向中，沿垂直y方向以縱向方向直線延伸。半反射鏡31朝著平行光導(dǎo)22的外側(cè)而不是朝著觀測者向入射部21傾斜。更具體地，半反射鏡31通過使用縱向(y方向)作為其軸并且使用與平面22a和22b正交的yz平面作為其基準(zhǔn)而傾斜成使上端(+z側(cè))沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。亦即，當(dāng)在xz截面上觀測時，各個反射鏡31在-x方向和+z方向之間的方向上延伸。所有半反射鏡31彼此平行地仔細(xì)布置。

反射單元30具有與第一實(shí)施方式相同的結(jié)構(gòu)，并且具有其中接合多個塊狀構(gòu)件32的結(jié)構(gòu)。半反射鏡31具有插在一對相鄰塊狀構(gòu)件32之間的薄膜形狀。

與第一實(shí)施方式類似，可以通過圖4所示的方法來制造反射單元30。

反射單元30不限于與平行光導(dǎo)22分開制造的那種反射單元，而是可以與平行光導(dǎo)22一體成型。例如，如圖23A所示，制備成為平行光導(dǎo)22的基礎(chǔ)構(gòu)件22i，并且形成鋸齒狀截面的三維結(jié)構(gòu)部22k，在該三維結(jié)構(gòu)部中在形成有反射單元30的位置處布置多個三角形截面部22j。成為半反射鏡31的反射層22n形成在結(jié)構(gòu)部22k的傾斜面22m上，并且液態(tài)樹脂在結(jié)構(gòu)部22k的槽中流動。因此，如圖23B所示，形成多個三角形截面部分22p，并且完成層疊狀出射部23即反射單元30，在三角形截面部分中用液態(tài)樹脂填充構(gòu)成結(jié)構(gòu)部22k的各個槽。這里，假設(shè)在反射單元30和平行光導(dǎo)22之間的邊界面IF上存在連接三角形截面部22j的靠近觀測者的頂點(diǎn)的平面。邊界面IF是指功能性邊界，并且不是從材料的觀點(diǎn)來看為非連續(xù)的接合面，而是從材料的觀點(diǎn)來看為連續(xù)的面。因此，沒有出現(xiàn)圖像光線GL從邊界面IF的反射。雖然在圖23A中描述了反射單元30形成在成為平行光導(dǎo)22的基礎(chǔ)構(gòu)件22i上，但是反射單元30可以通過圖23A所示的方法形成在與平行光導(dǎo)22分開形成的基礎(chǔ)構(gòu)件上，并且以這種方式形成的反射單元30可以接合至平行光導(dǎo)22。圖23A和圖23B所示的反射單元30的制造方法可應(yīng)用于根據(jù)第一示例性實(shí)施方式的反射單元30制造方法。

與第一實(shí)施方式類似，反射單元30中的半反射鏡31的間距PT被設(shè)定為約為0.5mm至2.0mm。

與第一實(shí)施方式類似地，半反射鏡31的間距PT嚴(yán)格上來說不是等間隔，而是可變間距。具體地，反射單元30中的半反射鏡31的間距PT是隨機(jī)間距，其通過使用基準(zhǔn)間隔作為其中心而隨機(jī)地增大或減小。

這里，與第一實(shí)施方式類似，反射單元30的厚度，即半反射鏡31的z軸方向的厚度TI，被設(shè)定為0.7mm至3.0mm左右。與第一實(shí)施方式類似，支承反射單元30的平行光導(dǎo)22的厚度被設(shè)定為例如大約幾mm至10mm，優(yōu)選地為大約4mm至6mm。

在圖21和圖22所示的示例中，所有半反射鏡31可以通過使用平行光導(dǎo)22的觀測者側(cè)的面22b作為其基準(zhǔn)，沿順時針方向形成例如約為48°至70°的傾斜角δ，具體地，形成60°傾斜角δ。這里，假設(shè)圖像光線GL0的仰角φ₀被設(shè)為例如30°、圖像光線GL1的仰角φ₁被設(shè)定為例如22°并且圖像光線GL2的仰角φ₂被設(shè)定為例如38°。在該情況下，入射在反射單元30的中心上的圖像光線GL0沿垂直于平面22b的-z方向射出，并且入射到觀測者的眼睛EY上。入射到與反射單元30的入射部21分離的內(nèi)側(cè)部分23h上的圖像光線GL1相對于圖像光線GL0形成角度γ₁＝12.5°，并且入射到觀測者的眼睛EY上。入射到與反射單元30的靠近入射部21的前側(cè)部23h上的圖像光線GL2相對于圖像光線GL0形成角度γ₂＝12.5°，并且入射到觀測者的眼睛EY上。

因此，在圖像光線GL之中，其全反射角比較大的成分(圖像光線GL1)主要入射到反射單元30的+x側(cè)的部分23h上，其全反射角比較小的成分(圖像光線GL2)主要入射到出射部23的-x側(cè)的部分23m上。以這樣的方式，可以以能夠作為整體被收集在觀測者的眼睛EY中的角度狀態(tài)來有效地輸出圖像光線GL。由于圖像光線GL以這樣的角度關(guān)系輸出，因此導(dǎo)光裝置20可以使圖像光線GL僅通過反射單元30一次，而基本上不使圖像光線通過反射單元多次，并且能夠以較小損失作為虛像光輸出圖像光線GL。

在反射單元30的中心側(cè)或內(nèi)側(cè)的部分23k和23h中，圖像光線GL透射通過半反射鏡31多次(具體地，通過包括反射一次和透射一次或更多次)。在該情況下，圖像光線通過半反射鏡31的次數(shù)是多次。然而，由于來自多個半反射鏡31的反射光線分別作為圖像光線GL入射到觀測者的眼睛EY上，因此光量的損失不大。在反射單元30的中心側(cè)或內(nèi)側(cè)的部分23k和23h中，也很可能產(chǎn)生從平行光導(dǎo)22的后側(cè)或觀測者側(cè)(即，光出射面OS)反射的圖像光線GL的成分。然而，圖像光線GL作為從半反射鏡31反射的無用光線GX(參見圖22)而被引導(dǎo)到光路的外部，并且防止其入射到觀測者的眼睛EY上。通過半反射鏡31的無用光線可能再次入射在外側(cè)平面22a上。這里，當(dāng)無用光線從外側(cè)平面被完全反射時，大多數(shù)無用光線可以入射到反射單元30的內(nèi)側(cè)部分23h或者入射到比內(nèi)側(cè)部分更內(nèi)側(cè)且在有效區(qū)域外的區(qū)域，并且不太可能入射在眼睛EY上。

2D.第二實(shí)施方式的結(jié)論

根據(jù)上述第二實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置20，由于導(dǎo)光裝置被設(shè)定成使入射到反射單元30的圖像光線GL被反射并引向觀測者，而不是從平行光導(dǎo)22與反射單元30之間的邊界面IF反射圖像光線GL，因此圖像光GL僅通過處于從出射部23的反射單元30輸出圖像光線的位置或處于該位置附近的半反射鏡31，而不被邊界面IF反射。因此，通過減少待觀測的圖像光線GL通過半反射鏡31的次數(shù)，可以防止亮度不均勻或光減少。因此，可以防止出現(xiàn)重影光線。從另一個角度看，在根據(jù)本實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置20中，反射單元30在光路AX方向上具有等于或小于平行光導(dǎo)22的約一半的厚度，構(gòu)成反射單元30的半反射鏡31傾斜成在平行光導(dǎo)22的遠(yuǎn)離于觀測者的外側(cè)上靠近入射部21，并且反射單元30的靠近至少入射部21的部分被布置在平行光導(dǎo)22的靠近觀測者的部分上。因此，要觀測的圖像光線GL相對于光軸AX的傾斜度在反射單元30的與入射部21分離的內(nèi)側(cè)相對增加，并且易于使來自入射部21圖像光線GL直接入射到反射單元30的目標(biāo)位置上。亦即，通過減少要觀測的圖像光線GL通過半反射鏡31的次數(shù)，可以防止亮度不均勻或光減少，并且可以抑制重影光的出現(xiàn)。

圖像光線GL在平行光導(dǎo)22中被完全反射的次數(shù)不限于圖21所示的示例。亦即，根據(jù)平行光導(dǎo)22的在z方向上的厚度或者其在x方向上的長度，可以適當(dāng)?shù)馗淖儓D像光線GL在到達(dá)出射部23之前從入射部21被完全反射的次數(shù)。

圖24是用于描述改變導(dǎo)光裝置20的出射部23的結(jié)構(gòu)的示例的圖。在該情況下，反射單元30的厚度隨著反射單元靠近入射部21而增加，并且反射單元30的厚度隨著反射單元遠(yuǎn)離入射部21而減小。圖像光線GL2的仰角φ₂在反射單元的遠(yuǎn)離入射部21的部分處減小，并且可以通過減小反射單元30的厚度來抑制圖像光線通過半反射鏡31的次數(shù)的增加。圖24所示的反射單元30的形狀或結(jié)構(gòu)類似地適用于第一實(shí)施方式。

圖25A是用于描述改變出射部23的布置的示例的圖，并且是圖21所示的導(dǎo)光裝置20的一部分的放大截面圖。在該情況下，平行光導(dǎo)22和反射單元30被分開設(shè)置，并且反射單元30粘附至形成在平行光導(dǎo)22的后側(cè)的觀測者側(cè)的面22b。

圖25B是用于描述改變反射單元30或出射部23的結(jié)構(gòu)的示例的圖，并且對應(yīng)于圖22。在該情況下，半反射鏡31的間距稍微加寬，因此可以使得一些外部光EL直接通過。亦即，當(dāng)從平行光導(dǎo)22的前表面觀測時，外部光EL通過的間隙存在于一對相鄰反射鏡31之間，并且一些外部光EL通過形成在多個半反射鏡31之間的多個間隙并且以相對較少的損失入射到觀測者的眼睛EY上。如上文所述，當(dāng)半反射鏡31的間距變寬時，即使使用不具有透光性的簡單反射鏡來代替半反射鏡31，也可以在反射單元30上透視外部光EL。

2.第二實(shí)施方式的示例

在下文中，將描述根據(jù)實(shí)施方式的設(shè)置在虛像顯示設(shè)備中的光學(xué)系統(tǒng)的示例。示例6中使用的符號或規(guī)范與示例1至5相同。

示例6

表18示出了關(guān)于示例6的光學(xué)表面的數(shù)據(jù)。

[表18]

對于示例6的棱鏡的光學(xué)表面，在其橫截面上的光軸偏移量DCX和光軸傾斜角TLY被展示在表19中。

[表19]

對于示例6的光學(xué)表面的非球面，通過對其截面形狀執(zhí)行多項(xiàng)式展開而獲得的系數(shù)Bi(i＝2,4,6，...)被展示在表20中。

[表20]

圖26A和圖26B是示例6的導(dǎo)光裝置20和投射透鏡12的截面圖。導(dǎo)光裝置20包括作為平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b的第一表面S1和第二表面S2。平面22a或第一表面S1對應(yīng)于光出射面OS。導(dǎo)光裝置20包括入射部21中的為平面的第三表面S3和為平面的第四表面S4。這里，第四表面S4對應(yīng)于光入射面IS。示例6包括反射次數(shù)不同但是具有與示例2基本相同的形狀的多種類型的光路。圖26A示出了在以+z方向作為其基準(zhǔn)、在-x方向上傾斜的方向(沿逆時針方向傾斜的方向)上主要入射在眼睛EY上的圖像光線GL。圖26B示出了在以+z方向作為其基準(zhǔn)、在+x方向上傾斜的方向(沿順時針方向傾斜的方向)上主要入射在眼睛EY上的圖像光線GL。投射透鏡12包括三個透鏡L1、L2和L3。這些透鏡L1、L2和L3的兩個光學(xué)表面都是非球面。

圖27A至圖27F和圖28A至圖28F示出了示例6的像差。在各個像差圖中，水平軸表示瞳孔中的位置，而垂直軸表示像差量。具體地，圖27A和27B以微米量級表示在X方向上的-12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖27C和圖27D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖27E和圖27F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的0.0°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖28A和圖28B表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖28C和圖28D表示在X方向上的0.0°的方位角和在Y方向上的7.10°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。圖28E和圖28F表示在X方向上的12.48°的方位角和在Y方向上的7.1°的方位角處的、Y方向和X方向上的像差。出于方便，所示的像差量是當(dāng)光線向后移動時在圖像顯示裝置的圖像表面上的像差量。

第三實(shí)施方式

在下文中，將參照圖29和圖30描述根據(jù)第三實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置和虛像顯示設(shè)備。根據(jù)本實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置和虛擬顯示裝置是圖1A所示的第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式等的修改例，并且將省略對共用元素的描述。

如圖29和圖30所示，在根據(jù)本實(shí)施方式的導(dǎo)光裝置20中，設(shè)置在出射部23中的反射單元30設(shè)置成傾斜。亦即，反射單元30傾斜成使得遠(yuǎn)離入射部21的內(nèi)側(cè)部分23h比靠近入射部21的前側(cè)部分23m更靠近外側(cè)。亦即，反射單元30的入射面30a和出射面30b以平行光導(dǎo)22的平面22b為基準(zhǔn)沿逆時針方向以小于90°的角度適當(dāng)?shù)貎A斜。出射部23包括棱鏡構(gòu)件23f，該棱鏡構(gòu)件23f在與平行光導(dǎo)22相反的一側(cè)上耦合到反射單元30的出射面30b，其中反射單元30插在棱鏡構(gòu)件23f與平行光導(dǎo)22之間。因此，平行光導(dǎo)22的外側(cè)平面22b和與平面22b相對的光出射面OS是平行的，因此可以自然地觀測外部光EL。

如圖30所示，即使反射單元30布置成傾斜的，由于第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式的角度條件相同(例如，參見圖22)，因此從平行光導(dǎo)22的外側(cè)平面22a反射的圖像光線GL可以從多個半反射鏡31反射，并且可以通過觀測者側(cè)的平面22b。從出射部23射出的圖像光線GL0、GL1和GL2形成如圖21等的情況中的虛像。這里，圖像光束GL的寬度在包括光AX的截面上作為整體被反射之前、在預(yù)定表面區(qū)域FR的直線光路P1處變窄，并且光束寬度變窄。因此，圖像光束GL在出射部23的前面變窄，因此易于相對加寬側(cè)視角。

在第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式中，沒有必要將反射單元30的遠(yuǎn)離入射部21的內(nèi)側(cè)端23p連接到外側(cè)平面22a，并且端部23p可以與平面22a分開。反射單元30不必在平行光導(dǎo)22內(nèi)在截面圖中以平面形狀或直線延伸。例如，當(dāng)在圖29的截面上觀測時，反射單元可以在+z側(cè)具有凹形形狀，或者可以具有包括多個線段的形狀。然而，反射單元需要具有連續(xù)的形狀。

其他

雖然結(jié)合各實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，而是可以在不背離其主旨的情況下以各種形式來實(shí)現(xiàn)。例如，本發(fā)明可以進(jìn)行如下修改。

雖然設(shè)置在反射單元30中的多個半反射鏡31的反射率彼此基本上一致，但是半反射鏡31的反射率可以從入射部21至出射部23逐漸改變。

例如，雖然在第二實(shí)施方式中描述了入射部21反射圖像光線GL并且使得圖像光線入射到平行光導(dǎo)22的一個平面22b上，但是可以通過改變?nèi)肷洳?1的形狀(反射面RS或光入射面IS的傾斜度或它們之間的距離)而使得圖像光線GL入射到平行光導(dǎo)22的另一平面22a上。

例如，在第二實(shí)施方式中，入射部21的光入射面IS不需要與構(gòu)成平行光導(dǎo)22的一對平面22a和22b中的任一個共用，并且可以是與平面分開的表面。例如，如圖31A所示，設(shè)置在平行光導(dǎo)22的光入射側(cè)的入射部121可以從后側(cè)平面22b突出。在該情況下，光入射面IS與觀測者側(cè)的面22b分開設(shè)置，但是易于使圖像光線GL傾斜地入射在平行光導(dǎo)22上。如圖31B所示，當(dāng)形成從觀測者側(cè)的面22b突出的入射部121時，圖像光線可以從傾斜表面21f被反射一次。在該情況下，可以增加在進(jìn)行諸如圖像形成裝置10的布置這樣的設(shè)計(jì)時的自由度。

已經(jīng)描述了透射型液晶裝置11用作圖像裝置。然而，圖像裝置不限于透射型液晶裝置，并且可以使用各種裝置。例如，可以將使用反射型液晶面板的裝置用作圖像裝置，或者可以使用數(shù)字微鏡裝置來代替液晶裝置11?？梢允褂糜捎袡C(jī)EL、LED陣列或有機(jī)LED表示的自發(fā)光器件?？梢允褂闷渲性O(shè)置有激光光源、多角鏡和其它掃描器的激光掃描器。

雖然描述了作為虛像顯示設(shè)備100而設(shè)置兩對圖像形成裝置10與導(dǎo)光裝置20以對應(yīng)于右眼和左眼，但是可以僅針對右眼和左眼中的任何一個來提供圖像形成裝置10和導(dǎo)光裝置20，并且可以通過一只眼睛觀測圖像。

雖然描述了透視型虛像顯示設(shè)備，但是出射部23適用于除了透視型以外的其他虛像顯示設(shè)備。當(dāng)不一定要觀測外部圖像時，平面22a可以具有大約100％的光反射率。

雖然具體描述了根據(jù)本實(shí)施方式的虛像顯示設(shè)備100是頭戴式顯示器，但是虛像顯示設(shè)備100可以應(yīng)用于平視顯示器和雙目型手持顯示器。

已經(jīng)描述了圖像光線從與空氣的邊界面完全反射并且被引導(dǎo)，而不是在平行光導(dǎo)22的表面21b或平面22a和22b上設(shè)置反射鏡或半反射鏡。然而，本發(fā)明中的全反射可以包括通過在整個平面22a和22b或其一部分上形成鏡面涂層或半反射鏡膜而進(jìn)行的反射。例如，全反射可以包括在整個平面22a和22b或其一部分上進(jìn)行鏡面涂層的情況，并且當(dāng)圖像光線GL的入射角滿足全反射條件時基本上所有的圖像光線都被反射。

在第二實(shí)施方式中已經(jīng)描述了平行光導(dǎo)22具有在x方向上的橫向長度，并且光入射面IS形成為位于眼睛在與xy平面平行的平面上的左側(cè)和右側(cè)之外。然而，只要能夠?qū)D像光線GL適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)到導(dǎo)光裝置20的內(nèi)部，光入射面IS的位置就不限于上述位置。例如，光入射面可以形成在存在于導(dǎo)光裝置20的頂部和底部上的上端面TP或下端面BP的一部分上。

盡管未描述，然而限定平行光導(dǎo)22的外觀的外周的上端面TP或下端面BP可以是黑漆涂覆表面或噴砂表面?？梢栽诔隙嗣鎀P或下端面BP之外的位置執(zhí)行黑漆涂覆工藝或噴砂工藝。黑漆涂覆工藝或噴砂工藝可以在上端面TP或下端面BP的僅一部分中執(zhí)行。

構(gòu)成反射單元30的半反射鏡31不限于適當(dāng)?shù)亟档头瓷渎实姆瓷溏R，并且可以使用全息反射鏡。在該情況下，全息反射鏡可以是一次處理RGB顏色的多層型，或者可以是針對每種顏色的單層膜。

附圖標(biāo)記列表

10：圖像形成裝置；11：液晶裝置；11a：出射面；12：投射透鏡；14：光源；20：導(dǎo)光裝置；21：入射部；22：平行光導(dǎo)；22a，22b：平面(全反射面)；23：出射部；23h，23k，23m：部分；30：反射單元；31：半反射鏡；32：塊狀構(gòu)件；100：虛像顯示設(shè)備；AX：光軸；EY：眼睛；GL：圖像光線；GL0，GL1，GL2：圖像光線；GX：無用光；IS：光入射面；OS：光出射面；RS：反射面；IF：邊界面；FR：預(yù)定表面區(qū)域。