导光板、图像显示装置的制作方法

本发明涉及一种在头戴显示器等图像显示装置中使用的导光板、和使用了该导光板的图像显示装置。
背景技术：
：近年来，作为利用虚像光学系统将2维图像放大，以使观察者观察放大后的虚像的方式进行显示的装置，头戴显示器(headmounteddisplay)已被实用。头戴显示器被分类为透明的透光型和非透光型。作为透光型的头戴显示器，由于与信息终端组合使用或者作为ar(augmentedreality：扩展现实)等的设备而使用，因此期望小型且便携性优良。另外，作为非透光型的头戴显示器，由于作为电影欣赏、游戏、vr(virtualreality：虚拟现实)等的设备而使用，因此期望是获得沉浸感的广视角。这种头戴显示器例如在专利文献1中记载。专利文献1的头戴显示器具有：显示装置，其显示图像；导光部件，其使在显示元件上显示的图像入射；以及传输单元，其使入射的图像在导光部件内部全反射而朝向使用者的瞳孔进行传输。并且，为了获得规定的视角，由折射率为约1.7的硝材形成导光部件。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2010－243787号公报。技术实现要素：发明所要解决的技术问题根据专利文献1记载的头戴显示器的导光部件，可以获得视角10.0°程度的图像，但在vr的用途中，还要求广视角、且颜色再现性优良。另外，在ar的用途中，还要求小型、轻量的，对于导光部件，要求实现薄型化。另外，近年来，从环境保护、资源的有效利用的观点，对于导光部件还存在无铅化的要求。本发明就是鉴于这种情况，其目的在于，提供一种使用无铅玻璃也能使颜色再现性优良、轻量且可以获得广阔的视角的图像显示装置(头戴显示器等)用的导光板、和使用了该导光板的图像显示装置。解决技术问题的技术方案为了实现上述目的，本发明的导光板是对从图像显示元件入射的图像光进行导光而朝向使用者的瞳孔射出的图像显示装置用的导光板，该导光板由相对于图像光的波长而折射率为1.8以上的无铅玻璃构成，板厚10mm时的波长400nm的内部透光率为0.6以上。根据这种结构的导光板，可以构成颜色再现性优良、薄型轻量且广阔的视角的图像显示装置。另外，优选构成为，导光板具有彼此相对的第1面和第2面，第1面和第2面的平行度为20角秒以下。另外，在该情况下优选构成为，从第1面至第2面为止的距离的最大值和最小值的差为5μm以下。另外，优选在将板厚10mm时的标准光源d65的透过光由xy色度坐标图表现时，x的色度为0.31～0.34，y的色度为0.33～0.36。另外，优选板厚为0.5～1.0mm。另外，导光板优选具备第一光学元件，所述第一光学元件对被导光的图像光进行衍射，而朝向使用者的瞳孔射出。此时，优选地，第一光学元件由折射率大于空气的折射率的材料而制成的。而且，较优选地，第一光学元件由折射率大于导光板的折射率的材料而制成的。另外，优选具备第二光学元件，所述第二光学元件对从图像显示元件入射的图像光进行衍射，并入射至所述导光板。此时，优选地，第二光学元件由折射率大于空气的折射率的材料而制成的。较优选地，第二光学元件由折射率大于导光板的折射率的材料而制成的。另外，本发明的图像显示装置，具有：光源，其射出照明光；图像显示元件，其接受来自于光源的照明光而输出图像光；以及上述任一个导光板，其对从图像显示元件入射的图像光进行导光而朝向使用者的瞳孔射出。发明的效果如上所述，根据本发明，可以实现使用无铅玻璃也能使颜色再现性优良、轻量且可以获得广阔视角的图像显示装置用的导光板。另外，可以实现使用了该导光板的图像显示装置。附图说明图1是表示使用了本发明的实施方式涉及的导光板的头戴显示器的结构示意图。图2是示意地表示使用了本发明的实施方式涉及的导光板的头戴显示器的结构的侧视图。图3是表示本发明的实施例1涉及的导光板的特性的坐标图。图4是表示使用了本发明的实施例1涉及的导光板的头戴显示器的仿真模型的图。图5是表示本发明的实施例2涉及的导光板的特性的坐标图。标号说明：1-hmd；2-眼镜型框架；2a-安装部；3-眼镜片；4-背光灯；5-信号处理设备；6-扬声器；7-fpc；10-导光板；10a-第1面；10b-第2面；20-显示元件单元；21-激光光源；22-扩散光学系统；23-微透镜阵列；24-图像显示元件；32r、32l、52r、52l-hoe。具体实施方式以下，对于本发明的实施方式，参照附图详细地进行说明。此外，对于图中相同或相当的部分，标注相同的标号，其说明省略。图1是表示使用了本发明的实施方式涉及的导光板10的头戴显示器1(以下简记为“hmd1”)的结构的图，图1(a)是正面侧立体图，图1(b)是背面侧立体图。如图1(a)及图1(b)所示，在使用者的头部佩戴的眼镜型框架2的正面部安装眼镜片3。在眼镜型框架2的安装部2a安装用于对图像进行照明的背光灯4。在眼镜型框架2的眼镜腿部分，设置用于显现图像的信号处理设备5、及对声音进行再现的扬声器6。导光板10为矩形薄板状的光学部件，从信号处理设备5的电路引出的构成配线的fpc(flexibleprintedcircuits：柔性电路板)7沿眼镜型框架2布线。显示元件单元(例如液晶显示元件)20利用fpc7布线至使用者的两眼中央位置，且被保持为，在背光灯4的光轴线上配置显示元件单元20的大致中心部。显示元件单元20以位于导光板10的大致中央部的方式，与导光板10相对地固定。另外，在位于使用者眼前的部位，hoe(holographicopticalelement：全息光学元件)32r、32l(第一光学元件)分别通过粘结等紧贴固定在导光板10的第1面10a上。在隔着导光板10而与显示元件单元20相对的位置，hoe52r、52l层叠在导光板10的第2面10b上。图2是示意地示出本实施方式的hmd1的结构的侧视图。此外，在图2中，为了使附图清晰，仅示出发明的主要部分，眼镜型框架2等省略图示。如图2所示，hmd1具有关于将图像显示元件24和导光板10的中心连接的中心线x而左右对称的构造。另外，从图像显示元件24向导光板10入射的各波长的光，如后所述被分为两部分而被分别向使用者的右眼、左眼导光。向各眼睛导光的各波长的光的光路也关于中心线x而大致左右对称。如图2所示，背光灯4具有激光光源21、扩散光学系统22、及微透镜阵列23。显示元件单元20是具有图像显示元件24的图像生成单元，例如由场序(fieldsequential)方式进行驱动。激光光源21具有与r(波长436nm)、g(波长546nm)、b(波长633nm)的各波长对应的激光光源，高速地依次照射各波长的光。各波长的光入射至扩散光学系统22、微透镜阵列23，变换为没有光量不匀的、均匀的高指向性的平行光束，向图像显示元件24的显示面板面垂直地入射。图像显示元件24例如是由场序方式进行驱动的透光型液晶(lcdt-lcos)面板。图像显示元件24对各波长的光施加与信号处理设备5的图像引擎(未图示)生成的图像信号相应的调制。由图像显示元件24的有效区域的像素调制后的各波长的光，以规定的光束剖面(与该有效区域大致相同形状)向导光板10入射。此外，图像显示元件24例如也可以替换为dmd(digitalmirrordevice：数字微镜器件)或反射型液晶(lcos)面板、mems(microelectromechanicalsystems：微机电系统)、有机el(electro-luminescence：电致发光)、无机el等其它形式的显示元件。此外，显示元件单元20并不限于场序方式的显示元件，也可以是同时式的显示元件(在射出面前面具有规定排列的rgb彩色滤光片的显示元件)的图像生成单元。在该情况下，对于光源例如使用白色光源。如图2所示，由图像显示元件24调制后的各波长的光，从第1面10a向导光板10内部依次入射。在导光板10的第2面10b上层叠hoe52r和52l(第二光学元件)。hoe52r及52l是例如具有矩形的反射型的体积相位型hoe，具有将分别记录有与r、g、b的各波长的光对应的干涉条纹的光聚合物层叠三片而成的结构。即，hoe52r及52l构成为具有下述的波长选择功能，即，对r、g、b的各波长的光进行衍射并使其以外的波长的光透过。另外，hoe52r及52l也可以为记录有与r、g、b的各波长的光对应的干涉条纹的一层光聚合物。另外，也可以利用二层的光聚合物构成hoe52r及52l，赋予与r、g、b的各波长的光对应的波长选择功能。例如，考虑利用记录有与r、g的各波长的光对应的干涉条纹的一层光聚合物、和记录有与b的波长的光对应的干涉条纹的一层光聚合物的合计二层构成hoe52r及52l。此外，hoe32r及32l也是反射型的体积相位型hoe，与hoe52r及52l具有相同的层构造。作为hoe32r及32l和52r及52l，例如干涉条纹图案的间距也可以大致相同。hoe52r和52l以彼此的中心一致、且干涉条纹图案反转180°的状态层叠。并且，在层叠后的状态下，以其中心与中心线x一致的方式通过粘结等紧贴固定在导光板10的第2面10b上。经由导光板10向hoe52r、52l依次入射由图像显示元件24调制后的各波长的光。hoe52r、52l为了向右眼、左眼引导，分别对依次入射的各波长的光赋予规定的角度而将其衍射。由hoe52r、52l衍射后的各波长的光，分别在导光板10与空气之间的分界面反复进行全反射，在导光板10内部传输而向hoe32r、32l入射。在这里，hoe52r、52l对各波长的光赋予同一衍射角。因此，相对于导光板10的入射位置为大致相同的(或者根据其它表现，从图像显示元件24的有效区域内的大致相同坐标射出的)全部波长的光，在导光板10内部的大致相同的光路中传输，向hoe32r、32l上的大致相同位置入射。根据其它观点，hoe52r、52l对rgb的各波长的光进行衍射，以使得在hoe32r、32l上忠实地再现在图像显示元件24的有效区域显示的图像的该有效区域内的像素位置关系。如上所述，在本实施方式中，hoe52r、52l对从图像显示元件24的有效区域内的大致相同坐标射出的全部波长的光分别进行衍射，以使其向hoe32r、32l上的大致相同位置入射。另一方面，在其它实施方式中，hoe52r、52l也可以构成为，对在图像显示元件24的有效区域内相对地偏移的本来构成同一像素的全部波长的光进行衍射，以使其向hoe32r、32l上的大致相同位置入射。向hoe32r、32l上入射的各波长的光，由hoe32r、32l衍射而从导光板10的第2面10b向外部大致垂直地依次射出。这样作为大致平行光而射出的各波长的光，分别作为由图像显示元件24生成的图像的虚像i而在使用者的右眼视网膜、左眼视网膜上成像。另外，也可以为了使得使用者能够观察放大图像的虚像i，而对hoe32r、32l赋予聚光器作用。即，也可以使向hoe32r、32l的周边区域入射的光以靠向瞳孔的中心的方式具有角度而射出，在使用者的视网膜上成像。或者，为了使得使用者观察放大图像的虚像i，也可以使hoe52r、52l对rgb的各波长的光进行衍射，以使得hoe32r、32l上的像素位置关系成为相对于在图像显示元件24的有效区域显示的图像的该有效区域内的像素位置关系而放大后的相似形状。而且，作为制成hoe32r、32l、52r、52l的材料，优选使用折射率大于空气的折射率的材料。通过对hoe32r、32l、52r、52l使用这种材料，可以有效地提高hoe32r、32l、52r、52l的衍射效率。另外，较优选地，制成hoe32r、32l、52r、52l的材料的折射率高于形成导光板10的材料的折射率。通过对hoe32r、32l、52r、52l使用这种材料，可以提高衍射效率，并有效地提高图像的清晰度。作为制成hoe32r、32l、52r、52l的材料，例如可以使用包含si3n4、tio2、nb2o5、ta2o5中的一种以上的材料。由此，rgb的各波长的光在使用者的视网膜上高速地依次成像，因此使用者对由图像显示元件24得到的生成图像作为彩色图像进行识别。此外，使用者的眼睛和图像显示元件24之间的实际距离不超过数十毫米的程度。但是，由于各波长的光作为大致平行光而入射至眼球，因此使用者可以在无限远视时清晰地识别由图像显示元件24获得的生成图像。另外，作为体积相位型的反射型hoe的hoe32r、32l，衍射效率的半值幅狭窄而外界影像的光的透光率高。因此，使用者可以与图像显示元件24的显示图像一起清晰地观察外界影像。此外，在本实施方式中，采用不是分别具有右眼用、左眼用的显示元件而是具有单板的图像显示元件24的结构。因此，获得制造成本降低等效果。另外，将来自于同一个物点的光(即单板的图像显示元件24的图像)在左右经过相同的光路长度而向使用者的各眼睛导光。因此，可以相对于使用者的各眼睛入射同步的图像。在如上所述的本实施方式的结构中，由于折射率越高，进入导光板10内的光的空气换算光路长度越短，因此折射率越高，与图像显示元件24的宽度相对的外观的视角越大。因此，在本实施方式中，为了增大视角(即，为了使得相对于图像显示元件24的虚像i的视角θv例如为13.5°以上)，对于导光板10，使用在rgb的各波长下折射率为1.8以上的、板厚0.5～1.0mm的高折射率无铅玻璃。此外，导光板10的折射率越高越好，优选为1.95以上。对导光板10使用如上所述的高折射率无铅玻璃时，构成玻璃的各成分的优选组成范围为如下：sio2：0～35％；b2o3：0～55％；zno：0～35％；y2o3：0～40％；zro2：0～30％；tio2：0～20％。另外，各成分的含有率是在整体氧化物换算组成中相对于玻璃总质量的质量百分比。此处，氧化物换算组成是假设在作为本发明的玻璃组成成分的原料所使用的氧化物、复合盐、金属氟化物等熔融时被全部分解而变成氧化物的情况下，将所生成氧化物的总质量设为100质量百分比时，表示玻璃中所含有的各成分的组成。sio2是构成玻璃的基本结构的成分，可以提高玻璃的稳定性，并且，容易保持适合成型熔融玻璃的粘度。sio2的含有率多于35％时，由于折射率降低或者液相温度或玻璃转移温度上升，因此，优选为0～35％。而且，sio2的含有率，较优选为1～25％，更优选为1～15％。b2o3是对玻璃赋予低分散特性的网眼形成氧化物，可以提高玻璃的稳定性及化学耐久性。b2o3的含有率多于55％时，由于折射率降低，因此，优选为0～55％。而且，b2o3的含有率，较优选为1～45％，更优选为1～40％。zno是保持高折射率的同时，赋予低分散特性的成分，可以有效地降低玻璃的熔融温度、液相温度以及转移温度。zno的含有率多于35％时，容易反玻璃化，而且，化学耐久性降低，因此，优选为0～35％。而且，zno的含有率，较优选为0.5～25％，更优选为1～20％。y2o3是保持高折射率的同时，赋予低分散特性的成分，可以提高玻璃的稳定性和化学耐久性。y2o3的含有率多于40％时，容易反玻璃化，而且，玻璃转移温度或变形点温度上升，因此，优选为0～40％。而且，y2o3的含有率，较优选为0～20％，更优选为0.1～8％。zro2是调整光学常数，同时提高玻璃的稳定性及耐候性的成分，可以提高玻璃的稳定性。zro2的含有率多于30％时，由于玻璃的稳定性降低，引起分散的增加，因此，优选为0～30％。而且，zro2的含有率，较优选为0.5～15％，更优选为1～10％。tio2是作玻璃结构的装饰剂作用的成分，可以提高玻璃的折射率，同时可以提高玻璃的稳定性。tio2的含有率多于20％时，由于引起分散的增加、热稳定性的降低、液相温度的上升、着色度的恶化，因此，优选为0～20％。而且，tio2的含有率，较优选为1～18％，更优选为1～15％。另外，本实施方式的导光板10，为了将rgb的各波长的光向hoe32r、32l可靠地导光，第1面10a与第2面10b的平行度越高越好。因此，本实施方式的导光板10被加工为，第1面10a与第2面10b的平行度为20arcseconds以下，arcseconds表示角秒。此外，第1面10a与第2面10b的平行度优选为10arcseconds以下，更优选为5arcseconds以下。此外，如果第1面10a与第2面10b的平行度比20arcseconds大，则无法将rgb的各波长的光准确地向hoe32r、32l导光。由此，本实施方式的导光板10，由于使用在rgb的各波长下折射率为1.8以上的高折射率无铅玻璃，因此可以构成薄型轻量且广视角θv(例如：13.5°以上)的hmd1。另外，本实施方式的导光板10，为了将rgb的各波长的光准确地导光(即，为了准确地对颜色进行再现)，rgb的各波长的透光率越高越好。特别地，b的波长属于400～500nm的波长区域，如果b的成分减少，则显示图像(虚像i)整体会呈黄色，因此期望以b的成分不会减少的方式构成。因此，对于本实施方式的导光板10，使用板厚10mm时的波长400nm的内部透光率为0.6以上的硝材。此外，内部透光率越高越好，优选为0.65以上，更优选为0.70以上。另外，在本实施方式的导光板10中，为了忠实地再现由图像显示元件24得到的彩色图像，要求将rgb的各波长的光准确(平衡性良好)地进行导光。通常，标准光源d65的10度视野下的xy色度坐标为x：0.3138，y：0.3310，但在导光板10存在吸收的情况下，由于会从该坐标产生偏差，因此使用者的色感也会变得不同。因此，对于本实施方式的导光板10使用下述硝材，即，在将板厚10mm时的标准光源d65的透过光由xy色度图(坐标)表现时，成为x：0.31～0.34，y：0.33～0.36。此外，x优选为0.31～0.33，更优选为0.31～0.32。另外，y优选为0.33～0.35，更优选为0.33～0.34。此外，在超过x：0.31～0.34的范围的情况下，或者超过y：0.33～0.36的范围的情况下，显示图像(虚像i)的着色变大，使用者会观察到色感较大地不同的显示图像(虚像i)。另外，本实施方式的导光板10，为了将rgb的各波长的光准确地导光，获得渗色少的图像，平坦度越高越好。因此，本实施方式的导光板10被研磨加工为，使得导光板10的厚度(即，第1面10a与第2面10b的距离)的最大值和最小值的差(即，ttv(totalthicknessvariation：总厚度变化))为5μm以下。此外，平坦度(即ttv)优选为2μm以下，更优选为1μm以下。此外，ttv如果超过5μm，则使用者观察到的显示图像(虚像i)渗色变多。【实施例】下面示出导光板10的具体实施例。此外，本发明的导光板10并不限定于本实施例。【实施例1】作为硝材，使用“hoya株式会社”制的“tafd55”，将其加工为长度50mm×宽度20mm×厚度1.0mm，获得导光板10。主要的特性如下所述。折射率(＠436nm)：2.04600；折射率(＠546nm)：2.00912；折射率(＠633nm)：1.99406；第1面10a与第2面10b的平行度：15arcseconds；平坦度(ttv)：5μm；板厚10mm时的波长400nm的内部透光率：0.749；板厚10mm时的标准光源d65的透过光的色度：x＝0.3187，y＝0.3385。“tafd55”的组成为如下：sio2：1～10％；b2o3：1～10％；zno：0～10％；y2o3：0～1％；zro2：1～10％。另外，图3是表示本实施例的特性的坐标图，图3(a)是板厚10mm时的分光特性，图3(b)是板厚10mm时的标准光源d65的透过光的色度图。在将这样获得的导光板10组装于hmd1，在视点的位置对图像进行评价时，可以在广阔的视角，观察到高亮度且高对比度的图像。表1是表示在将本实施例的导光板10组装于hmd1时的、对视角进行仿真时的各参数和其结果(即视角θv)的表。另外，图4是表示仿真模型的图，图4所示的各参数与表1的参数对应。表1hoe52r、52l的衍射角：θ'd85.0导光板10的厚度：t1.0导光板10内的反射次数15hoe52r、52l的宽度5.2hoe52r、52l、32r、32l的折射率1.80导光板10的折射率2.04600导光板10内的光线角度：θ'i61.2每反射一次的偏移量：t/tanθ'i1.8l(＝t/tanθ'i×(反射次数+1))27.3每反射一次的光路长度：t/cosθ'i2.1实际光路长度(＝t/cosθ'i×(反射次数+1))31.1空气换算光路长度15.2附加光路长度(从hoe32r、32l至瞳孔的距离)5.0视角θv14.7如图4所示，在本仿真模型中，rgb的各波长的光(图4中的虚线)向hoe52r、52l入射，在hoe52r、52l的内部，以衍射角θ'd(85.0°)被衍射，以光线角度θ'i(61.2°)向导光板10入射(图4(a))。并且，向导光板10入射的rgb的各波长的光，在导光板10(厚度：t＝1.0mm，折射率：2.04600)内以规定次数(15次)反射，朝向使用者的瞳孔射出(图4(b))。并且，该情况下的视角θv由瞳孔位置p和hoe52r、52l之间的位置关系决定，如图4(c)所示，可以作为hoe52r、52l的两端与瞳孔位置p所成的角度而表示，该hoe52r、52l的两端配置于从瞳孔位置p偏离空气换算光路长+附加光路长(从hoe32r、32l至瞳孔的距离)后的位置。并且，如果使用表1的各参数进行计算，则组装了本实施例的导光板10的hmd1的视角θv成为14.7°(参照表1)。由此可知，根据本实施例的导光板10，与当前结构的hmd相比较获得广阔的视角。【实施例2】作为硝材，使用“hoya株式会社”制的“tafd65”，将其加工为长度50mm×宽度20mm×厚度1.0mm，获得导光板10。主要的特性如下所述。折射率(＠436nm)：2.10226；折射率(＠546nm)：2.06011；折射率(＠633nm)：2.04305；第1面10a与第2面10b的平行度：15arcseconds；平坦度(ttv)：5μm；板厚10mm时的波长400nm的内部透光率：0.609；板厚10mm时的标准光源d65的透过光的色度：x＝0.3227，y＝0.3440。“tafd65”的组成为如下：sio2：1～10％；b2o3：1～10％；zno：0～1％；y2o3：0～1％；zro2：1～10％；tio2：10～20％。另外，图5是表示本实施例的特性的坐标图，图5(a)是板厚10mm时的分光特性，图5(b)是板厚10mm时的标准光源d65的透过光的色度图。在将这样获得的导光板10组装于hmd1，在视点的位置评价图像时，可以以广阔的视角观察到高亮度且高对比度的图像。表2是表示将本实施例的导光板10组装于hmd1时的、对视角进行仿真时的各参数和其结果(即视角θv)的表。此外，仿真模型与表示图4的相同。表2如果与表1的仿真同样地使用表2的各参数进行仿真，则组装了本实施例的导光板10的hmd1的视角θv成为15.9°。由此可知，根据本实施例的导光板10，与当前结构的hmd相比较获得了广阔的视角。以上是本发明的实施方式的说明。本发明并不限定于各实施方式的结构及具体的数值构成等，在本发明的技术的思想的范围内可以有各种变形。hoe32r、32l、52r、52l例如也可以是透光型hoe。这种情况下，hoe52r、52l例如以层叠于与显示元件单元20相对的导光板10的第1面10a上的状态紧贴固定，对来自于显示元件单元20的各波长的光进行衍射，以使其在导光板10内部全反射而向hoe32r或者32l传输。hoe32r、32l例如在与使用者的瞳孔相对的导光板10的第2面10b上紧贴固定，将在导光板10内部传输的各波长的光朝向使用者的瞳孔进行衍射。另外，以本实施方式的hoe32r、32l、52r、52l由光聚合物形成进行了说明，但并不限定于这种结构，例如也可以在导光板10的表面上沉积光学薄膜而形成。另外，显示元件单元20所具有的激光光源21，例如也可以是高速地依次照射r、g、b的各波长的光的led或者ld(半导体激光)背光灯。另外，在本实施方式中，以显示元件单元20配置于导光板10的第1面10a侧，hoe52r、52l配置于导光板10的第2面10b侧进行了说明，但并不限定于这种结构，例如也可以将显示元件单元20配置于导光板10的第2面10b侧，将hoe52r、52l配置于导光板10的第1面10a侧。当前第1页12