专利名称：虚像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装在头部来使用的头戴式显示器等的虚像显示装置。
背景技术：
近年，作为如头戴式显示器那样能够进行虚像形成和观察的虚像显示装置，提出了通过导光板将来自显示元件的图像光引导到观察者的瞳孔的各种类型的虚像显示装置。在这样的虚像显示装置中，为了使图像光和外界光重叠，提出了透视光学系统(参照专利文献I、2)。
然而，在专利文献I等记载的装置中，由于通过使用射出口比瞳孔尺寸小的导光光学系统的瞳孔分割方式实现透视，因而难以增大虚像的显示尺寸。并且，由于使用射出口比瞳孔尺寸小的导光光学系统，因而难以增大有效瞳孔直径(是能够进行虚像取入的采光直径，也称为出射光瞳(eye ring)直径)，以应对每个人的眼宽度。并且，在物理上在瞳孔附近配置导光光学系统的射出口或壳体，因而产生死角，还不能说是完全的透视。专利文献I日本特开2006-3879号公报专利文献2日本特开2010-224473号公报
发明内容
本发明是鉴于上述背景技术的问题而作成的，本发明的目的是提供一种结构简单、可增大虚像的显示尺寸、可大大确保出射光瞳(eye ring)直径、能够进行良好的透视观察的虚像显示装置。为了解决上述课题，本发明的虚像显示装置具有(a)导光部件，其具有导光部、使图像光入射到导光部的光入射部、使由导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，该导光部件使得能够经由光射出部进行图像光的观察；以及(b)支撑框架，其支撑导光部件，(C)支撑框架具有光透射部，光透射部通过与导光部件组合来构成透视部。在上述虚像显示装置中，由于支撑框架具有通过与导光部件组合来构成透视部的光透射部，因而通过将用于图像光观察的导光部件组装在支撑框架上，能够进行利用透视部的透视的外界观察。并且，通过在支撑框架上设置光透射部，可在使导光部件轻量化的同时，提高支撑框架的强度。另外，通过在导光部件的光射出部侧与图像光重叠而能够进行外界光的透视观察，可增大虚像的显示尺寸。并且，无需使光射出部接近瞳孔来进行瞳孔分害U，可大大确保出射光瞳(eye ring)直径。在本发明的具体的侧面，在上述虚像显示装置中，导光部具有相互平行配置且能够进行基于全反射的导光的第I反射面和第2反射面，光入射部具有与第I反射面成预定角度的第3反射面，光射出部具有与第I反射面成预定角度的第4反射面，在第4反射面上施加有半镜面，光透射部具有与导光部件接合的楔状部件。在该虚像显示装置中，在光入射部的第3反射面反射的图像光在导光部的第I和第2反射面全反射的同时进行传播，在光射出部的第4反射面反射而作为虚像入射到观察者的眼。在该情况下，能够将导光部件形成为具有多面体块状的外形的导光部件，能够以导光部件的高精度进行观察。并且，隔着第4反射面的半镜面的透视观察由于光透射部而可成为失真少的透视观察。在本发明的另一侧面，光透射部具有通过半镜面与第4反射面接合的光透射面。在该情况下，可将光透射部的加工精度与导光部件相比较设定得低，通过使光透射部的光透射面与导光部件的第4反射面接合，可减少不需要光的产生。在本发明的又一侧面，光透射部具有分别平行于第I反射面和第2反射面而配置的第I面和第2面。由此，利用透视部的透视观察成为平坦性高的透视观察。在本发明的又一侧面，支撑框架具有对导光部件进行定位的定位部件。由此，能够进行导光部件相对于支撑框架的的准确设置，能够对安装支撑框架的观察者进行图像光的精密的虚像形成。在本发明的又一侧面，导光部件在第I反射面和第4反射面之间具有端面，支撑框 架具有形成在第I面和光透射面之间且与端面对置的卡定面作为定位部件。由此，可将相对于第I和第2反射面倾斜配置的第4反射面和光透射面比较精密地定位。在本发明的又一侧面，导光部件将第I反射面、第2反射面、第3反射面和第4反射面作为侧面，具有与第I反射面、第2反射面、第3反射面和第4反射面分别邻接的上表面和下表面，支撑框架将导光部件保持成从上表面侧和下表面侧夹住导光部件。由此，导光部件的支撑稳定，可进一步提高导光部件的安装精度。在本发明的又一侧面，导光部件的第I反射面被配置成定位在与光透射部的第I面相同的平面上。在本发明的又一侧面，导光部件的第2反射面被配置成定位在与光透射部的第2面相同的平面上。在本发明的又一侧面，虚像显示装置具有形成图像光的图像显示装置、使从图像显示装置射出的图像光入射的投影光学系统，从图像显示装置中的第I部分区域射出的第I图像光在导光部内的反射次数与从第2部分区域射出的第2图像光在导光部内的反射次数相互不同，该第2部分区域是关于在导光时因反射而产生光路折返的封闭方向与第I部分区域不同的区域。在该情况下，通过利用反射次数不同的图像光，可将从光射出部射出的图像光的射出角度的角度范围取得宽。也就是说，可以以比较宽的视野角取入来自图像显示装置中的不同的显示区域或部分区域的图像光，可大大确保隔着光射出部观察的虚像的显示尺寸。这样，通过采用取出反射次数不同的图像光的结构，可增大光射出部，以便覆盖瞳孔而不使导光部太厚，能够进行良好的透视观察。在本发明的又一侧面，封闭方向是与如下截面平行的方向，该截面包含通过投影光学系统的第I光轴和所述第3反射面的法线。关于上述封闭方向来自不同的位置的图像光通过使射出角度即向光入射部的入射角度相互不同，可使导光部中的反射次数不同。在本发明的又一侧面，导光部件和支撑框架通过注塑成型而分别独立地一体成型。在该情况下，可利用注塑成型技术来高精度进行导光部件和支撑框架的批量生产。在本发明的又一侧面，导光部件和支撑框架使用热聚合型的树脂材料分别成型。在该情况下，可通过树脂提高轻量化和安全性，能够通过热固化进行稳定的高精度成型。
图I是示出实施方式的虚像显示装置的立体图。图2的(A)是构成虚像显示装置的第I显示装置的主体部分的部分截面图，图2的(B)是主体部分的主视图。图3的(A)是导光部件的主视图，图3的⑶是导光部件的仰视图，图3的(C)是导光部件的左侧视图，图3的(D)是导光部件的右侧面图。图4的(A)是支撑框架的背面图，图4的⑶是支撑框架的BB截面图，图4的(C) 是支撑框架的左侧视图，图4的(D)是支撑框架的CC截面图。图5是说明第I显示装置的主体部分的立体图。图6的(A)是说明导光部件的光入射部中的第3反射面的结构的图，图6的(B)是说明导光部件的导光部中的第I、第2反射面的结构的图，图6的(C)是说明导光部件的光射出部中的第4反射面的结构的图。图7的(A)是展开了关于纵第I方向的光路的示意图，图7的(B)是展开了关于横第2方向的光路的示意图。图8是具体说明虚像显示装置的光学系统中的光路的截面图。图9的(A)示出液晶显示器件的显示面，图9的(B)是示意性说明观察者可看到的液晶显示器件的虚像的图，图9的(C)和图9的(D)是说明构成虚像的部分图像的图。图10的(A)是说明变型例中的图像光的导光状态的图，图10的(B)是示意性说明变型例中的液晶显示器件的虚像的图。图11是说明在导光部件上设置去除棱的端面的理由的图。图12是说明使设在导光部件上的半镜面层与端面分离的理由的图。标号说明10 :图像形成装置；11 :图像显示装置；12 :投影光学系统；20 :导光装置；21 :导光部件；21a、21b、21c、21d :第I 第4反射面；21e :上斜面；21f :下斜面；21j、21i :端面；21m、21n :凸状部；23 :框架部分;23a、23b、23a :面；23k :光透射部；23g :卡定面；24a :中央部件；24b :上侧支撑部件；24c :下侧支撑部件;24e、24f :连接部；25 :镜面层；26 :保护层；27 :硬涂层；28 :半镜面层；31 :照明装直；32 :液晶显不器件；34 :驱动控制部；100 :虚像显示装置;100A、100B :显示装置；110 :光学面板;111、112 :面板部分；121 :支撑部；123 支撑框架；131、132 :驱动部；141 :壳体；A0 :有效显示区域；AX1、AX2 :光轴；B1 :光入射部；B2 :导光部；B3 :光射出部；B4 :透视部；EY :眼；FS :平坦面；GL :图像光;GL，:外界光;GL11、GL12、GL21、GL22 :图像光。
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的一个实施方式的虚像显示装置。(A.虚像显示装置的外观〕图I所示的实施方式的虚像显示装置100是具有眼镜那样的外观的头戴式显示器，可使安装了该虚像显示装置100的观察者识别基于虚像的图像光，并可使观察者透视观察外界像。虚像显示装置100具有覆盖观察者的眼前的光学面板110 ;支撑光学面板110的支撑部121 ;附加在支撑部121的从脚套到脚丝的部分上的第I和第2驱动部131、132。这里，光学面板110具有第I面板部分111和第2面板部分112，两个面板部分111、112成为在中央一体地连接的板状部件。使在图面上左侧的第I面板部分111和第I驱动部131组合得到的第I显示装置IOOA是形成左眼用的虚像的部分，单独也作为虚像显示装置执行功能。并且，使在图面上右侧的第2面板部分112和第2驱动部132组合得到的第2显示装置100B是形成右眼用的虚像的部分，单独也作为虚像显示装置执行功能。另外，第I驱动部131和第2驱动部132被分别收纳在遮光用和保护用的壳体141内。〔B.显示装置的结构〕 如图2(A)等所示，第I显示装置100A具有图像形成装置10和导光装置20。另夕卜，图I所示的第2显示装置100B具有与第I显示装置100A相同的结构并仅使左右反转，因而省略第2显示装置100B的详细说明。在图2(A)等所示的第I显示装置100A中，图像形成装置10相当于图I中的第I驱动部131，导光装置20相当于图I中的第I面板部分111。关于图像形成装置10，图示出除了图I中的壳体141以外的主体部分。另外，在图2(A)中，导光装置20的部分为图2 (B)的AA向视截面图。图像形成装置10具有图像显示装置11和投影光学系统12。其中，图像显示装置11具有射出二维照明光SL的照明装置31，透射型的空间光调制装置即液晶显示器件32，以及控制照明装置31和液晶显示器件32的动作的驱动控制部34。照明装置31具有产生包含红、绿、蓝的3色的光的光源31a，以及使来自光源31a的光扩散并形成矩形截面的光束的背光源导光部31b。液晶显示器件32对来自照明装置31的照明光SL进行空间调制，形成应成为动态图像等的显示对象的图像光。驱动控制部34具有光源驱动电路34a和液晶驱动电路34b。光源驱动电路34a向照明装置31的光源31a提供电力，射出稳定亮度的照明光SL。液晶驱动电路34b通过向液晶显示器件32输出图像信号或驱动信号，形成成为动态图像或静态图像的基础的彩色图像光作为透射率图形。另夕卜，使驱动控制部34等进行动作的电源可为了轻量化而设置在图像形成装置10的外部，即为外装。并且，可使液晶驱动电路34b具有图像处理功能，然而也可以使外装的控制电路具有图像处理功能。投影光学系统12在图2 (A)中仅示出镜筒12a，但却是使从液晶显示器件32上的各点射出的图像光成为平行状态的光束的准直镜头。在液晶显示器件32中，第I方向Dl对应于包含通过投影光学系统12的第I光轴AX1、和平行于后述的导光部件21的第3反射面21c的特定线的纵截面的延伸方向，第2方向D2对应于包含上述第I光轴AXl和上述第3反射面21c的法线的横截面的延伸方向。换句话说，第I方向Dl是平行于后述的导光部件21的第I反射面21a与第3反射面21c的交线CL的方向，第2方向D2是平行于上述第I反射面21a的平面、且垂直于上述第I反射面21a与第3反射面21c的交线CL的方向。也就是说，在液晶显示器件32的位置，第I方向Dl相当于纵Y方向，第2方向D2相当于横X方向。另外，液晶显示器件32的有效尺寸是与第I方向Dl相比第2方向D2长的横长。另一方面，投影光学系统12的射出口宽度是与第2方向D2相比第I方向Dl长的纵长。导光装置20具有导光部件21和框架部分23，导光部件21与框架部分23接合，作为整体构成平行于XY面延伸的平板状的光学部件。导光装置20中的导光部件21是利用第I和第2反射面21a、21b的全反射进行导光的导光部件，具有在导光时通过反射进行折返的方向，和在导光时不通过反射进行折返的方向。在对由导光部件21导光的图像作了考虑的情况下，在导光时通过多次的反射进行折返的横方向即封闭方向垂直于第I和第2反射面21a、21b (平行于Z轴)，在如后所述将光路展开到光源侧的情况下，相当于液晶显示器件32的第2方向D2，在导光时不通过反射进行折返的纵方向即自由传播方向平行于第I和第2反射面21a、21b以及第3反射面21c (平行于Y轴)，在如后所述将光路展开到光源侧的情况下，相当于液晶显示器件32的第I方向Dl0如图3(A) 3(D)所示，导光部件21在俯视图中是梯形的棱镜状部件，如图4 (A) 4 (D)所示，框架部分23在主视图中是H字状的支撑框架123的一半，具有口字状或U字状的外观。导光部件21嵌合到支撑框架123上以便填充支撑框架123的挖出部SP，与支撑框架123的中央部件24a、上侧支撑部件24b和下侧支撑部件24c接合并固定。如图5 所示，设置在支撑框架123的上侧支撑部件24b的末端部的第I连接部24e和设置在下侧支撑部件24c的末端部的第2连接部24f使用螺丝(未图示)与投影光学系统12的镜筒12a连接。如图3(A) 3 (D)等所示，导光部件21具有以下侧面第I反射面21a、第2反射面21b、第3反射面21c、第4反射面21d。并且，导光部件21具有与第I、第2、第3和第4反射面21a、21b、21c、21d邻接并相互对置的上斜面21e和下斜面21f。而且，导光部件21在上斜面21e和第I反射面21a的边界具有沿着上斜面21e呈直线状延伸的第I凸状部21m，在下斜面21f 和第I反射面21a的边界具有沿着下斜面21f 呈直线状延伸的第2凸状部 21n。这里，第I和第2反射面21a、21b沿着XY面延伸，隔开导光部件21的厚度t。并且，第3反射面21c相对于XY面以45°以下的锐角a倾斜，第4反射面21d相对于XY面例如以45°以下的锐角P倾斜。通过第3反射面21c的第I光轴AXl和通过第4反射面21d的第2光轴AX2平行配置并隔开距离D。另外，尽管以下进行详述，然而在第I反射面21a和第3反射面21c之间设有端面21 j，以便去除棱。并且，在第I反射面21a和第4反射面21d之间也设有端面21i，以便去除棱。第I凸状部21m是在将导光部件21固定在支撑框架123的上侧支撑部件24b上时的引导器和支撑体，阶梯面21s和侧面21t通过粘接剂与上侧支撑部件24b的阶梯面24s和侧面24t分别接合。第2凸状部21n是在将导光部件21固定在支撑框架123的下侧支撑部件24c上时的引导器和支撑体，阶梯面21s和侧面21t通过粘接剂与下侧支撑部件24c的阶梯面24s和侧面24t分别接合。回到图2(A)，导光部件21使用在可见光区域内呈现高的光透射性的树脂材料形成。导光部件21是通过注塑成型而一体成型的块状部件，例如通过使热聚合型的树脂材料注射到成型模具内使其热固化来形成。这样，导光部件21是一体形成品，然而在功能上，可考虑分为光入射部BI、导光部B2以及光射出部B3。光入射部BI是三角棱镜状的部分，具有第I反射面21a的一部分即光入射面IS，和与光入射面IS对置的第3反射面21c。光入射面IS是用于取入来自图像形成装置10的图像光GL的背侧或观察者侧的平面，与投影光学系统12对置垂直于其第I光轴AXl而延伸。第3反射面21c是用于使通过了光入射面IS的图像光GL反射并引导到导光部B2内的矩形的全反射镜面，具有镜面层25并由保护层26覆盖(参照图6(A))。该镜面层25是全反射涂层，是通过在导光部件21的斜面RS上利用铝等的蒸镀实施成膜来形成的。第3反射面21c相对于投影光学系统12的第I光轴AXl或XY面例如以锐角a = 25° 27°倾斜，通过使从光入射面IS入射且作为整体朝向+Z方向的图像光GL折曲，以使其作为整体朝向偏-Z方向的-X方向，使图像光GL可靠结合在导光部B2内。导光部B2具有相互对置且平行于XY面延伸的2个平面，即，使在光入射部BI折曲的图像光分别全反射的第I反射面21a和第2反射面21b。第I和第2反射面21a、21b的间隔即导光部件21的厚度t例如被设定为9_左右。这里，假定第I反射面21a在靠近图像形成装置10的背侧或观察者侧，并假定第2反射面21b在远离图像形成装置10的表侧或外界侧。在该情况下，第I反射面21a是与上述的光入射面IS或后述的光射出面OS共同的面部分。第I和第2反射面21a、21b是利用折射率差的全反射面，没有实施镜面层等的反射涂层。不过，第I和第2反射面21a、21b由硬涂层27覆盖，用于防止表面损伤并防止影像的清晰度下降(参照图6(B))。该硬涂层27是通过在导光部件21的平坦面FS上利用浸涂处理或喷涂处理使UV固化性树脂或热固化性树脂等成膜来形成的。在光入射部BI的第3反射面21c反射的图像光GL首先入射到第I反射面21a，进行全反射。然后，该图像光GL入射到第2反射面21b，进行全反射。以下通过重复该动作，将图像光引导到导光装置20的进深侧即设置光射出部B3的-X侧。另外，由于没有对第I和第2反射面21a、21b实施反射涂层，因而从外界侧入射到第2反射面21b的外界光或外部光以高的透射率通过导光部B2。也就是说，导光部B2是能够实现外界像的透视的透视型的导光部件。在以上的第I和第2反射面21a、21b的全反射根据硬涂层27的折射率的设定来进行，可在硬涂层27的表面SS的内侧产生，然而也可以在平坦面FS的内侧产生。光入射部B3是三角棱镜状的部分，具有第I反射面21a的一部分即光射出面OS，和与光射出面OS对置的第4反射面2Id。光射出面OS是用于使图像光GL向观察者的眼EY射出的表侧的平面，与光入射面IS —样是第I反射面21a的一部分，垂直于第2光轴AX2延伸。通过光射出部B3的第2光轴AX2与通过光入射部BI的第I光轴AXl的距离D考虑观察者的头部的宽度等而被设定为例如50mm。第4反射面21d是用于使经过第I和第2反射面21a、21b入射来的图像光GL反射并射出到光射出部B3外的矩形的平坦面，例如在其一部分上具有半镜面层28 (参照涂6 (C))。该半镜面层28是通过在导光部件21的第3反射面21c侧的斜面RS上利用Ag等的蒸镀实施成膜来形成的。半镜面层28的反射率被设定为例如20%，透射率被设定为例如80%。第4反射面21d相对于垂直于第I反射面21a的第2光轴AX2或XY面例如以锐角P =25° 27°倾斜，通过使经过导光部B2的第I和第2反射面21a、21b入射来的图像光GL部分反射并折曲以便作为整体朝向-Z方向，使图像光GL通过光射出面OS。另外，透射过第4反射面21d的图像光GL入射到框架部分23，不用于影像形成。 以下，说明框架部分23的光学侧面。框架部分23具有与导光部件21的主体相同的折射率，具有第I面23a、第2面23b以及第3面23c。第I面和第2面23a、23b沿着XY面延伸。并且，第3面23c相对于XY面倾斜，与导光部件21的第4反射面21d对置平行配置。框架部分23与导光部件21—样，使用在可见光区域内呈现高的光透射性的树脂材料形成。框架部分23是通过注塑成型而一体成型的块状部件，是例如通过使热聚合型的树脂材料注射到成型模具内使其热固化来形成的。
在框架部分23中，第I面23a配置在设于导光部件21上的第I反射面21a的延长平面上，在靠近观察者的眼EY的背侧，第2面23b配置在设于导光部件21上的第2反射面21b的延长平面上，在远离观察者的眼EY的表侧。第I面和第2面23a、23b由硬涂层覆盖，用于防止表面损伤并防止影像的清晰度下降。第3面23c是矩形的透射面，相对于第I面23a例如以155° 153°的钝角倾斜，相对于第2面23b例如以25° 27°的锐角倾斜，以便与导光部件21的第4反射面21d —致。也就是说，第3面23c和第2面23b形成的角与导光部件21的第I反射面21a和第4反射面21d形成的锐角P相等。同样，第3面23c和第I面23a形成的角与导光部件21的第2反射面21b和第4反射面21d形成的钝角e相等。 框架部分23和导光部件21在两者的接合部分及其附近，即与观察者的眼前对置的部位，构成透视部B4。框架部分23中构成透视部B4的透明部分是能够进行良好的透视观察的部分，称为光透射部23k。该光透射部23k中、由相互形成锐角的第2面23b和第3面23c夹住且在-X方向扩展的楔状部件23m与同样楔状的光射出部B3接合，从而作为整体构成平板状的透视部B4中的X方向的中央部分。由于没有对光透射部23k的第I和第2面23a、23b实施镜面层等的反射涂层，因而与导光部件21的导光部B2 —样使外界光GL’以高的透射率透射。第3面23c也是使外界光GL’以高的透射率透射的光透射面，然而由于导光部件21的第4反射面21d具有半镜面层28,因而通过第3面23c的外界光GL’被减光例如20%。也就是说，观察者观察使被减光20%的图像光GL和被减光80%的外界光GV重叠后的图像光。〔C.支撑框架的结构〕以上说明的框架部分23是图4(A) 图4(D)所示的支撑框架123中左眼用的一半。也就是说，支撑框架123具有从周围支撑与图3(A)所示的导光部件21镜对称配置的导光部件的框架部分23具有右眼用的一半。在支撑框架123中，中央部件24a具有左右一对光透射部23k。在中央部件24a的中央下部形成有用于嵌入鼻托的挖出部24x。延伸到中央部件24a的左侧的框架部分23具有光透射部23k、上侧支撑部件24b以及下侧支撑部件24c。其中，上下一对的上侧支撑部件24b和下侧支撑部件24c从上下夹住左侧的导光部件21来固定光透射部23k。通过这些支撑部件24c、24b和光透射部23k的协作，导光部件21相对于光透射部23k，不仅在上下的Y方向，而且在左右的X方向和前后的Z方向都能准确定位并固定。另外，以上是延伸到中央部件24a的左侧的框架部分23的说明，然而延伸到中央部件24a的右侧的框架部分23也仅使左右反转，是一样的。在将棱镜状的导光部件21固定在支撑框架123的各框架部分23上时，使导光部件21的第4反射面21d通过粘接剂与设在支撑框架123的中央部件24a上的第3面23c接合。在这样的贴合时，使导光部件21的端面21i与形成在第3面23c和第I面23a的边界的卡定面23g轻轻按压来抵接的同时，将导光部件21嵌入到挖出部SP，从而可将导光部件21相对于框架部分23精密地定位。也就是说，框架部分23的卡定面23g垂直于第I面23a且平行于YZ面，具有X方向的对准功能。并且，框架部分23中形成在第3面23c的上下缘的夹持面23q垂直于第I面23a等且平行于XZ面，具有Y方向的对准功能。上下的支撑部件24b、24c的侧面24t也平行于XZ面，具有Y方向的辅助的对准功能。而且，上下的支撑部件24b、24c的阶梯面24s平行于XY面，具有Z方向的辅助的对准功能。也就是说，框架部分23中的卡定面23g、夹持面23q、侧面24t以及阶梯面24s作为用于对导光部件21进行定位的定位部件执行功能。另外，以上的定位部件中的框架部分23的卡定面23g具有与导光部件21的端面21i相等的Z方向的宽度，因而在使导光部件21的端面21i按压框架部分23的卡定面23g的同时，只需在导光部件21的第4反射面21d和框架部分23的第3面23c之间夹住粘接剂进行按压，就不仅能够进行导光部件21的X方向的精密定位，而且可将导光部件21的第I反射面21a简单配置在与框架部分23的第I面23a相同的平面上，并可将导光部件21的第2反射面21b简单配置在与框架部分23的第2面23b相同的平面上。并且，可使第3面23c和第4反射面21d之间的粘接剂的厚度变薄，粘接剂的厚度调整也容易，因而框架部分23和导光部件21的光射出部B3的配置关系在Z方向也极其精密。也就是说，可防止导光部件21的光射出部B3相对于框架部分23前后错开。另外，端面21i也能成为镜面，然而也可以实施比较高的反射率的涂层或粗面。 设在各框架部分23上的上侧支撑部件24b除了在导光部件21的安装时使导光部件21的上侧的被夹持面21q在Y方向对准的上述的夹持面23q以外，还具有将导光部件21的上侧的第I凸状部21m在Z方向进行支撑的阶梯面24s、以及将第I凸状部21m在Y方向进行定位的侧面24t。导光部件21的第I凸状部21m通过粘接剂被固定在上侧支撑部件24b的阶梯面24s和侧面24t上。另外，在导光部件21的安装时，导光部件21的上斜面21e也通过粘接剂与设在上侧支撑部件24b上的上内面23d接合。而且，导光部件21的上侧的被夹持面21q通过粘接剂与上侧支撑部件24b的夹持面23q接合。如以上所述，通过利用上侧支撑部件24b来将导光部件21固定在框架部分23上，可防止对具有半镜面层28的第4反射面21d施加过度负担。设在各框架部分23上的下侧支撑部件24c除了在导光部件21的安装时使导光部件21的下侧的被夹持面21q在Y方向对准的上述第2夹持面23q以外，还具有将导光部件21的下侧的第2凸状部21n在Z方向进行支撑的阶梯面24s、以及将第2凸状部21n在Y方向进行定位的侧面24t。导光部件21的第2凸状部21n通过粘接剂被固定在下侧支撑部件24c的阶梯面24s和侧面24t上。另外，在导光部件21的安装时，导光部件21的下斜面21f也通过粘接剂与设在下侧支撑部件24c上的下内面23e接合。而且，导光部件21的下侧的被夹持面21q通过粘接剂与下侧支撑部件24c的夹持面23q接合。如以上所述，通过利用下侧支撑部件24c来将导光部件21固定在框架部分23上，可防止对具有半镜面层28的第4反射面21d施加过度负担。分别设在上侧支撑部件24b的端部和下侧支撑部件24c的端部的连接部24e、24f不仅用于将投影光学系统12的镜筒12a固定在框架部分23上，而且用于安装图I的壳体141。(D.图像光的光路的概要〕图7 (A)是说明与液晶显示器件32的纵截面CSl对应的第I方向Dl的光路的图。在沿着第I方向Dl的纵截面即YZ面(展开后的Y’ Z’面)上，从液晶显示器件32射出的图像光中、从由图中单点划线所示的显示区域32b的上端侧(+Y侧)射出的成分称为图像光GLa，从图中双点划线所示的显示区域32b的下端侧(-Y侧)射出的成分称为图像光GLb。
上侧的图像光GLa由投影光学系统12进行平行光束化，沿着所展开的光轴AX’，通过导光部件21的光入射部BI、导光部B2以及光射出部B3，在平行光束状态下从角度(^1的上方向倾斜入射到观察者的眼EY。另一方面，下侧的图像光GLb由投影光学系统12进行平行光束化，沿着所展开的光轴AX’，通过导光部件21的光入射部BI、导光部B2以及光射出部B3，在平行光束状态下从角度小2(| (^2 = I (^1)的下方向倾斜入射到观察者的眼EY0以上的角度小2相当于上下的半视场角，被设定为例如6. 5°。图7 (B)是说明与液晶显示器件32的横截面CS2对应的第2方向(封闭方向或合成方向)D2的光路的图。在沿着第2方向(封闭方向或合成方向)D2的横截面即XZ面(展开后的X’Z’面)上，从液晶显示器件32射出的图像光中、从右端侧(+X侧)的第I显示点Pl向图中单点划线所示的显示区域32b射出的成分称为图像光GLc，从左端侧(-X侧)的第2显示点P2向图中双点划线所示的显示区域32b射出的成分称为图像光GLd。在图7(B)中，为了参考起见，追加了从靠右内侧射出的图像光GLe和从靠左内侧射出的图像光GLf。来自右侧的第I显示点Pl的图像光GLc由投影光学系统12进行平行光束化，沿 着所展开的光轴AX’，通过导光部件21的光入射部BI、导光部B2以及光射出部B3，在平行光束状态下从角度9 !的右方向倾斜入射到观察者的眼EY。另一方面，来自左侧的第2显示点P2的图像光GLd由投影光学系统12进行平行光束化，沿着所展开的光轴AX’，通过导光部件21的光入射部BI、导光部B2以及光射出部B3，在平行光束状态下从角度02(| 02= I^1I)的左方向倾斜入射到观察者的眼EY。以上的角度0^ 02相当于左右的半视场角，被设定为例如10°。另外，关于第2方向D2的横方向，在导光部件21中图像光GLc、GLd通过反射被折返，反射次数也不同，因而各图像光GLc、GLd在导光部件21中表现为不连续。结果，关于横方向，作为整体画面进行左右反转，而如后详述通过对导光部件21进行高精度加工，液晶显示器件32的右半部分的图像和液晶显示器件32的左半部分的图像无缝隙地连续、无错位地接在一起。另外，考虑到两图像光GLc、GLd在导光部件21内的反射次数相互不同，右侧的图像光GLc的射出角度0 /和左侧的图像光GLd的射出角度0 2’被设定为不同的射出角度。通过以上，入射到观察者的眼EY的图像光GLa、GLb、GLc、GLd成为来自无限远的虚像，关于纵的第I方向Dl，形成在液晶显示器件32上的影像正立，关于横的第2方向D2，形成在液晶显示器件32上的影像反转。(E.关于横方向的图像光的光路〕图8是说明第I显示装置100A中的具体光路的截面图。投影光学系统12具有3个透镜L1、L2、L3。来自液晶显示器件32的右侧的第I显示点Pl的图像光GL11、GL12通过投影光学系统12的透镜LI、L2、L3来进行平行光束化，入射到导光部件21的光入射面IS。被导入导光部件21内的图像光GL11、GL12在第I和第2反射面21a、21b以相等角度重复全反射，最终从光射出面OS作为平行光束射出。具体地说，图像光GL11、GL12作为平行光束在导光部件21的第3反射面21c反射，之后以第I反射角Y I入射到导光部件21的第I反射面21a，进行全反射(第I次全反射)。之后，图像光GL11、GL12在保持第I反射角Yl的状态下，入射到第2反射面21b进行全反射(第2次全反射)，然后再次入射到第I反射面21a进行全反射(第3次全反射)。结果，图像光GLlI、GL12在第I和第2反射面21a、21b进行全反射合计3次，入射到第4反射面21d。图像光GL11、GL12在该第4反射面21d以与第3反射面21c相同的角度反射,从光射出面OS朝垂直于该光射出面OS的第2光轴AX2方向以角度0 !的斜度作为平行光束射出。
来自液晶显示器件32的左侧的第2显示点P2的图像光GL21、GL22通过投影光学系统12的透镜LI、L2、L3来进行平行光束化，入射到导光部件21的光入射面IS。被导入导光部件21内的图像光GL21、GL22在第I和第2反射面21a、21b以相等角度重复全反射，最终从光射出面OS作为平行光束射出。具体地说，图像光GL21、GL22作为平行光束在导光部件21的第3反射面21c反射,之后以第2反射角y2(y2< Y I)入射到导光部件21的第I反射面21a，进行全反射(第I次全反射)。之后，图像光GL21、GL22在保持第2反射角Y 2的状态下，入射到第2反射面21b进行全反射(第2次全反射)，再次入射到第I反射面21a进行全反射(第3次全反射)，再次入射到第2反射面21b进行全反射(第4次全反射)，再次入射到第I反射面21a进行全反射(第5次全反射)。结果，图像光GL21、GL22在第I和第2反射面21a、21b进行全反射合计5次，入射到第4反射面21d。图像光GL2UGL22在该第4反射面21d以与第3反射面21c相同的角度反射，从光射出面OS朝垂直于该光射出面OS的第2光轴AX2方向以角度0 2 ( 6>2 ^ 0 )的斜度作为平行光束射出。在图8中，描绘了在展开导光部件21的情况下与第I反射面21a对应的假想的第I面121a、和在展开导光部件21的情况下与第2反射面21b对应的假想的第2面121b。通过这样展开可知，来自第I显示点Pl的图像光GL11、GL12通过与光入射面IS对应的入射等效面IS’，之后通过第I面121a 2次，通过第2面121b I次，从光射出面OS射出，入射到观察者的眼EY，并可知，来自第2显示点P2的图像光GL21、GL22通过与光入射面IS对应的入射等效面IS”，之后通过第I面121a 3次，通过第2面121b 2次，从光射出面OS射出，入射到观察者的眼EY。当改变了观察方法时，观察者能够重叠观察2个位置不同的入射等效面IS’、IS”的附近存在的投影光学系统12的透镜L3。图9 (A)是示意性说明液晶显示器件32的显示面的图，图9 (B)是示意性说明观察者可看到的液晶显示器件32的虚像的图，图9 (C)和图9(D)是说明构成虚像的部分图像的图。设在图9(A)所示的液晶显示器件32上的矩形的图像形成区域AD被观察为图9(B)所示的虚像显示区域Al。在虚像显示区域Al的左侧形成与液晶显示器件32的图像形成区域AD中从中央到右侧的部分相当的第I投影像IM1，该第I投影像Ml如图9(C)所示为右侧欠缺的部分图像。并且，在虚像显示区域Al的右侧形成与液晶显示器件32的图像形成区域AD中从中央到左侧的部分相当的第2投影像頂2作为虚像，该第2投影像頂2如图9 (D)所示为左半部分欠缺的部分图像。图9(A)所示的液晶显示器件32中仅形成第I投影像(虚像)IMl的第I部分区域AlO包含例如液晶显示器件32的右端的第I显示点Pl，射出在导光部件21的导光部B2中进行合计3次全反射的图像光GL11、GL12。液晶显示器件32中仅形成第2投影像(虚像)頂2的第2部分区域A20包含例如液晶显示器件32的左端的第2显示点P2，射出在导光部件21的导光部B2中进行合计5次全反射的图像光GL21、GL22。来自在液晶显示器件32的图像形成区域AD的中央附近由第I和第2部分区域A10、A20夹住并纵长延伸的区域SA的图像光形成图9 (B)所示的重复图像SI。也就是说，来自液晶显示器件32的区域SA的图像光成为由在导光部B2中进行合计3次全反射的图像光GL11、GL12形成的第I投影像頂1、和由在导光部B2中进行合计5次全反射的图像光GL11、GL12形成的第2投影像頂2，在虚像显示区域Al上重叠。在导光部件21的加工精密、且形成了由投影光学系统12准确准直后的光束的情况下，可针对重复图像SI防止由2个投影像頂1、頂2的重叠引起的错位或重影。另外，重叠产生的区域SA的横宽度或重叠宽度能够通过控制对液晶显示器件32进行照明的照明光SL的角度范围来调整。在本实施方式中，由于没有特别调节照明光SL的角度范围，因而存在与背光源导光部31b等的发散特性对应的横宽度或重叠宽度的区域SA0以上，假定从包含液晶 显示器件32的右侧的第I显示点Pl的第I部分区域AlO射出的图像光GL11、GL12的第I和第2反射面21a、21b的全反射次数合计3次，从包含液晶显示器件32的左侧的第2显示点P2的第2部分区域A20射出的图像光GL21、GL22的第I和第2反射面21a、21b的全反射次数合计5次，然而可适当变更全反射次数。也就是说，也可以通过导光部件21的外形(即厚度t、距离D、锐角a、@)的调整，使图像光GL11、GL12的全反射次数为合计5次，使图像光GL21、GL22的全反射次数为合计7次。并且，以上，图像光GL11、GL12、GL21、GL22的全反射次数为奇数，然而在将光入射面IS和光射出面OS配置在相反侧的情况下，即，在使导光部件21在俯视图中为平行四边形的情况下，图像光GL11、GL12、GL21、GL22的全反射次数为偶数。〔F.其它〕图10(A)是说明图2(A)等所示的导光部件21的变型例的图。在以上的说明中，假定在导光部件21内传播的图像光相对于第I和第2反射面21a、21b仅以2个反射角、I、Y 2进行全反射，然而可以如图10 (A)所示的变型例的导光部件21那样，允许3个成分的图像光GL31、GL32、GL33以反射角Y I、Y 2、y3(y I > y2 > Y 3)分别进行全反射。在该情况下，从液晶显示器件32射出的图像光GL在3个模式下传播，在观察者的眼EY的位置合成而成为虚像。在该情况下，如图10(B)所示，在有效显示区域AO的左侧形成例如合计3次全反射的投影像IM21，在有效显示区域AO的中央附近形成例如合计5次全反射的投影像頂22，在有效显示区域AO的右侧形成例如合计7次全反射的投影像頂23。图11是说明在图2(A)等所示的导光部件21上设置去除棱的端面21j的理由的放大图。入射到靠近导光部件21的棱121 j的位置的图像光GL在第3反射面21c反射后在第I反射面21a反射，而在第I反射面21a的反射后在第3反射面21c再次反射。这样的再反射光HL结果成为不期望的重影光，因而期望预先去除。因此，去除棱121 j设置端面21 j，对光路设定限制。图12是说明伴随图2(A)等所示的导光部件21的第3反射面21c而设置的半镜面层28离开端面21i而形成的理由的放大图。通过这样从端面21i离开预定距离设置半镜面层28，可防止在导光部件21内传播的正规的图像光GL在第4反射面21d反射2次以上而成为不需要光HL入射到观察者的眼EY，或者利用不到3次的反射通过导光部B2的图像光等即不需要光HL在第4反射面21d反射2次以上入射到观察者的眼EY等，能够防止重影光入射到观察者的眼。在以上说明的实施方式的虚像显示装置100中，在光入射部BI的第3反射面21c反射的图像光GL在导光部的第I和第2反射面21a、21b全反射的同时进行传播,在光射出部B3的第4反射面21d反射而成为虚像入射到观察者的眼EY。此时，由于从包含图像显示装置11的第I显示点Pl的第I部分区域AlO射出的第I图像光GL11、GL12在导光部内的反射次数与从包含图像显示装置11的第2显示点P2的第2部分区域A20射出的第2图像光GL21、GL22在导光部B2内的反射次数不同，因而可将从光射出部B3射出的图像光GL的射出角度的角度范围取得宽。也就是说，可以以比较宽的视野角取入来自图像显示装置11中的不同的部分区域A10、A20的图像光GL，可大大确保隔着光射出部B3观察的虚像的显示尺寸。这样，通过采用取出反射次数不同的图像光GL的结构，可增大光射出部B3，以便覆盖瞳孔而不使导光部B2太厚，因而无需使光射出部B3接近瞳孔来进行瞳孔分割，可大大确保出射光瞳(eye ring)直径,能够进行良好的透视观察。
并且，在上述虚像显示装置100中，由于支撑框架123具有通过与导光部件21组合来构成透视部B4的光透射部23k，因而通过将用于图像光观察的导光部件21组装在支撑框架123上，能够进行利用透视部B4的透视的外界观察。并且，通过在支撑框架123上设置光透射部23k，可在使导光部件21轻量化的同时，提高支撑框架123的强度。以上结合实施方式说明了本发明，然而本发明不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内在各种方式中实施，例如也能进行如下变型。在上述实施方式中，在框架部分23中在第3面23c和第I面23a的边界的全部区域内形成卡定面23g,然而通过在第3面23c和第I面23a的边界的一部分设置卡定面23g并使其与导光部件21的端面21i部分地对置，也能够进行定位。在上述实施方式中，在导光部件21中在第I反射面21g和第4反射面21d的边界的全部区域内形成端面21i，然而通过在第I反射面21a和第4反射面21d的边界的一部分设置端面21i并使其与框架部分23的卡定面23g部分地对置，也能够进行定位。在上述实施方式中，使来自照明装置31的照明光SL不特别具有指向性，然而可以使照明光SL具有与液晶显示器件32的位置对应的指向性。由此，可对液晶显示器件32进行有效照明，可减少由图像光GL的位置引起的亮度不均匀。在上述实施方式中，没有特别调整液晶显示器件32的显示亮度，然而可以根据图9(B)所示的投影像IM1、IM2的范围或重复进行显示亮度的调整。在上述实施方式中，将设在第4反射面21d上的半镜面层28的反射率设定为20%来使透视优先，然而也可以将半镜面层28的反射率设定为50%以上来使图像光优先。另夕卜，半镜面层28也可以形成在框架部分23的第3面23c上，而不是导光部件21侦U。在上述实施方式中，作为图像显示装置11，使用了透射型的液晶显示器件32等，然而作为图像显示装置11，不限于透射型的液晶显示器件32，而可利用各种液晶显示器件。例如，也可以是使用反射型的液晶显示器件的结构，也可以取代液晶显示器件32而使用数字微镜面器件等。并且，作为图像显示装置11，也可以使用以LED阵列或OLED(有机EL)等为代表的自发光型元件。在上述实施方式的虚像显示装置100中，采用对应于右眼和左眼的双方各设置一组图像形成装置10和导光装置20的结构，然而可以采用仅针对右眼或左眼中的任一方设置图像形成装置10和导光装置20来单眼观察图像的结构。在上述实施方式中，假定通过光入射面IS的第I光轴AXl和通过光射出面OS的第2光轴AX2是平行的，然而也可以使这些光轴AXUAX2不平行。
在上述说明中，假定虚像显示装置100是头戴式显示器进行了具体说明，然而虚像显示装置100也可以改变为平视显示器。在上述说明中，假定在导光部件21的第I和第2反射面21a、21b中，不在表面上实施镜面或半镜面等而通过与空气的界面使图像光全反射并引导图像光，然而关于本发明中的全反射，假定也包含在第I和第2反射面21a、21b上的全体或一部分形成镜面涂层、半镜面膜来进行的反射。例如，也包含这样的情况在图像光的入射角度满足了全反射条件后，在第I和第2反射面21a、21b的全体或一部分实施镜面涂层等，实质上反射全部图像光。并且，只要能获得足够亮度的图像光，就可以通过具有少许透射性的镜面对第I和第2反射面21a、21b的全体或一部分进行涂层。以上的涂层也同样能够应用于框架部分23的第I和第2面23a、23b。在上述的说明中，导光部件21朝眼EY的并排横方向延伸，然而导光部件21也可以朝纵方向延伸。在该情况下，第I光学面板部分111和第2光学面板部分112不是串联 而是并列平行配置。也就是说，支撑框架123是将一对导光部件21平行配置在同一平面上的支撑框架。
权利要求
1.一种虚像显示装置，其中，所述虚像显示装置具有 导光部件，其具有导光部、使图像光入射到所述导光部的光入射部、使由所述导光部引导的图像光射出到外部的光射出部，该导光部件使得能够经由所述光射出部进行所述图像光的观察；以及 支撑框架，其支撑所述导光部件， 所述支撑框架具有光透射部，该光透射部通过与所述导光部件组合来构成透视部。
2.根据权利要求I所述的虚像显示装置，其中， 所述导光部具有相互平行配置且能够进行基于全反射的导光的第I反射面和第2反射 面， 所述光入射部具有与所述第I反射面成预定角度的第3反射面， 所述光射出部具有与所述第I反射面成预定角度的第4反射面， 在所述第4反射面上施加有半镜面， 所述光透射部具有与所述导光部件接合的楔状部件。
3.根据权利要求2所述的虚像显示装置，其中，所述光透射部具有通过所述半镜面与所述第4反射面接合的光透射面。
4.根据权利要求3所述的虚像显示装置，其中，所述光透射部具有分别平行于所述第I反射面和第2反射面而配置的第I面和第2面。
5.根据权利要求3和4中任一项所述的虚像显示装置，其中，所述支撑框架具有对所述导光部件进行定位的定位部件。
6.根据权利要求5所述的虚像显示装置，其中， 所述导光部件在所述第I反射面和所述第4反射面之间具有端面， 所述支撑框架具有形成在所述第I面和所述光透射面之间且与所述端面对置的卡定面作为所述定位部件。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述导光部件将所述第I反射面、第2反射面、第3反射面和第4反射面作为侧面，具有与所述第I反射面、第2反射面、第3反射面和第4反射面分别邻接的上表面和下表面，所述支撑框架将所述导光部件保持为从所述上表面侧和所述下表面侧夹住所述导光部件。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的虚像显示装置，其中，所述导光部件的所述第I反射面被配置成定位在与所述光透射部的所述第I面相同的平面上。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的虚像显示装置，其中，所述导光部件的所述第2反射面被配置成定位在与所述光透射部的所述第2面相同的平面上。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的虚像显示装置，其中， 所述虚像显示装置具有形成图像光的图像显示装置、使从所述图像显示装置射出的所述图像光入射的投影光学系统， 从所述图像显示装置中的第I部分区域射出的第I图像光在所述导光部内的反射次数、与从第2部分区域射出的第2图像光在所述导光部内的反射次数相互不同，该第2部分区域是关于在导光时因反射而产生光路折返的封闭方向与所述第I部分区域不同的区域。
11.根据权利要求10所述的虚像显示装置，其中，所述封闭方向是与如下截面平行的方向，该截面包含通过所述投影光学系统的第I光轴和所述第3反射面的法线。
12.根据权利要求I至11中任一项所述的虚像显示装置，其中，所述导光部件和所述支撑框架通过注塑成型而分别独立地一体成型。
13.根据权利要求12所述的虚像显示装置，其中，所述导光部件和所述支撑框架使用热聚合型的树脂材料分别成型。
全文摘要
本发明提供一种结构简单、可增大虚像的显示尺寸、能够进行良好的透视观察的虚像显示装置。由于支撑框架(123)具有通过与导光部件(21)组合来构成透视部(B4)的光透射部(23k)，因而通过将用于图像光观察的导光部件(21)组装在支撑框架(123)上，能够进行利用透视部(B4)的透视的外界观察。并且，通过在支撑框架(123)上设置光透射部(23h)，可在使导光部件(21)轻量化的同时，提高支撑框架(123)的强度。
文档编号G02B17/08GK102628990SQ201210022389
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月4日
发明者宫尾敏明, 小松朗, 户谷贵洋, 武田高司, 高木将行 申请人:精工爱普生株式会社