JP2012163662A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ等の光学系に起因する色斑等を抑えることで、高品位の虚像を得られる虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】虚像表示装置１００では、偏光解消素子５０が画像表示装置１１の光射出側の位置からから導光装置２０の光射出部Ｂ３の光射出側の位置までの間である投射光学系１２から導光部材２１までの間に配置され、虚像表示装置１００内での複屈折の影響により生じた特有の偏光傾向を解消するので、当該偏光傾向に起因する色斑を抑制した画像を観察者の眼ＥＹに対して表示することができる。これにより、虚像表示装置１００によって表示される虚像を高品位のものとすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。

このような虚像表示装置において、画像光と外界光とを重畳させるために、シースルー光学系の提案がなされている（特許文献１、２参照）。

しかし、特許文献１等に記載の装置では、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いる瞳分割方式によってシースルーを実現しているため、虚像の表示サイズを大きくすることが困難である。また、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いるため、人間の個々の眼幅に対応するために有効瞳径（虚像の取り込みを可能にする採光径であり、アイリング径とも呼ぶ）を大きくすることが困難である。また、物理的に瞳付近に導光光学系の射出開口や筐体が配置されるため、死角が生じてしまい完全なシースルーとはいえなくなる。

なお、頭部装着ディスプレイ用の光学システムとして、導光角度の異なる複数の光モードを進行させることができる導光パイプを備えるものが存在する（特許文献３参照）。このような光学システムをおいて、射出側の第３光学面をハーフミラーとし第３光学面の透過光が直進するような工夫をすることで、シースルー型の表示装置にすることも考えられる。

しかし、特許文献３の光学システムでは、複数の光モードによる像が互いに位置ずれしていることを前提として、光モードごとに異なる入射角度に設定されたコリメート光で液晶パネルを照明する。そして、各光モードで表示内容を変更するとともに各光モードの表示をシーケンシャルに実行することで、各光モードの画像をつなぎ合わせて全体画像を得るようにしている。この場合、１つの液晶パネルによって、全体画像を構成する中央の画像と左右の画像とを時間差で変更しつつ表示しなければならず、虚像表示装置が複雑化し観察画像も暗くなる。

以上とは別に、眼前を覆うような光射出部を有する導光部材によって外界光に重ねて虚像の観察を可能にする虚像表示装置であって、時間差で画像をつなぎ合わせる必要のないものも考えられるが、大きな画像を表示することは容易でなく、画像に色斑や輝度斑が生じやすい。

特開２００６−３８７９号公報 特開２０１０−２２４４７３号公報 特開２００８−５３５００１号公報

本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、レンズ等の光学系に起因する色斑等を抑えることで、高品位の虚像を得られる虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像表示装置と、（ｂ）画像表示装置から射出された画像光を入射させる投射光学系と、（ｃ）導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にする導光装置と、（ｄ）画像表示装置の光射出側の位置から導光装置の光射出部の光射出側の位置までの間に配置され、通過する光の偏光傾向を低減する偏光解消素子と、を備える。ここで、光の偏光傾向とは、特定の光束断面における偏光状態の偏在の度合を示すものとする。つまり、種々の偏光が均一に混ざっている状態を最も偏光傾向が低いものとし、特定方向の偏光成分のみを持つ状態を最も偏光傾向が高いものとする。

上記虚像表示装置では、偏光解消素子が画像表示装置の光射出側の位置から導光装置の光射出部の光射出側の位置までの間に配置され、虚像表示装置内に配置された光学素子のいずれかに存在する複屈折の影響により生じる偏光傾向を低減するので、当該偏光傾向に起因する色斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置で表示される虚像を高品位のものとすることができる。

本発明の具体的な側面では、偏光解消素子が、少なくとも投射光学系の光射出面から導光装置の光入射部までの間に配置される。この場合、投射光学系等を構成する光学素子が複屈折性を有していても、偏光解消素子によって光束の偏光傾向を低減又は解消することができる。

本発明の別の側面では、偏光解消素子が、少なくとも導光装置の光射出部から画像光を観察する観察者の瞳の位置までの間に配置される。この場合、投射光学系から導光装置にかけて配置されたいずれかの光学素子が複屈折性を有していても、偏光解消素子によって光束の偏光傾向を低減又は解消することができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消素子が、少なくとも画像表示装置の光射出面から投射光学系の光射出面までの間に配置される。この場合、投射光学系から導光装置にかけて配置されたいずれかの光学素子の複屈折性を有していても、偏光解消素子によって光束の偏光傾向を低減又は解消することができる。また、この場合、偏光解消素子を比較的小さいサイズにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消素子が、複屈折性材料を含む。この場合、偏光傾向を相殺するような複屈折性によって光の偏光傾向を低減又は解消することができる。

本発明のさらに別の側面では、複屈折性材料が、水晶及びサファイアのうち少なくとも一方と、延伸されたフィルムを積層したものと、透明基板上に無機物を蒸着したものとのうちのいずれかを含む。

本発明のさらに別の側面では、画像表示装置の光射出側の位置から導光装置の光射出部の光射出側の位置までの光路上に配置される光学素子のうちの少なくとも１つが、偏光解消素子として通過する光の偏光傾向を低減する。この場合、当該光学素子が偏光解消素子として機能することで、別途部材を設けることなく当該光学素子を通過する光の偏光傾向を低減又は解消することができる。

本発明のさらに別の側面では、画像表示装置は、液晶パネルであり、投射光学系と導光装置との少なくとも一方は、樹脂素材で形成された光学素子を含む。この場合、画像表示装置で形成される画像光が偏光となり、当該光学素子は、画像光に偏光傾向を生じやすいが、例えば射出成型等により簡易に作製することができ、かつ、装置全体の重量を軽くすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光装置が、導光部と光入射部と光射出部とを有する導光部材と、導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材とをさらに備える。この場合、導光部材と光透過部材とを組み合わせた透視部を介してシースルー観察が可能になり、虚像の画像に外界像を重ね合わせて観察することができる。

本発明のさらに別の側面では、（ａ）導光部が、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第１反射面と第２反射面とを有し、（ｂ）光入射部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、（ｃ）光射出部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有する。この虚像表示装置では、光入射部の第３反射面で反射された画像光が導光部の第１及び第２反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の第４反射面で反射されて観察者の眼に入射する。この場合、導光部材を多面体ブロック状の外形を有するものとして形成可能になり、導光部材の高精度で観察可能になる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消素子が、第３反射面及び第４反射面のうち少なくとも一方の面に付随して設けられる。この場合、第３反射面又は第４反射面での反射により、光が偏光解消素子を２回通過することになるので、偏光解消素子の厚さを設計上必要とされるものの半分にすることができる。

本発明のさらに別の側面では、画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の導光部における反射回数とが、互いに異なる。この場合、反射回数の異なる画像光を利用することで、光射出部から射出される画像光の射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置における異なる部分領域からの画像光を比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように反射回数が異なる画像光を取り出す構造とすることにより、導光部をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部を大きくすることができる。なお、以上の閉じ込め方向は、板状の導光部内においては、第１反射面の平面と垂直であって、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向を意味する。また、閉じ込め方向は、光入射部よりも光路的に上流側すなわち投射光学系等において、第１反射面の平面と平行であって、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向に相当するものとなる。

本発明のさらに別の側面では、閉じ込め方向が、投射光学系を通る第１光軸と第３反射面の法線とを含む断面に平行である。上記断面方向に関して異なる位置からの画像光は、射出角度すなわち光入射部への入射角度を互いに異なるものとすることで、導光部における反射回数を異なるものとできる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材が、熱重合型の樹脂材料を用いて射出成型によって一体的に成型される。この場合、樹脂によって軽量化や安全性を高めることができ、熱硬化によって安定であって、かつ、射出成型技術を利用して高精度で導光部材を量産することができる。

第１実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 （Ａ）は、導光部材の光入射部における第３反射面の構造を説明する図であり、（Ｂ）は、導光部材の導光部における第１、２反射面の構造を説明する図であり、（Ｃ）は、導光部材の光射出部における第４反射面の構造を説明する図である。 （Ａ）は、縦の第１方向に関する光路を展開した概念図であり、（Ｂ）は、横の第２方向に関する光路を展開した概念図である。 虚像表示装置の光学系における光路を具体的に説明する平面図である。 （Ａ）は、液晶表示デバイスの表示面を示し、（Ｂ）は、観察者に見える液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。 投射光学系の光学レンズにおける複屈折の影響を示す図である。 偏光解消素子の複屈折性について説明するための図である。 第２実施形態の虚像表示装置を構成する第１表示装置の平面図である。 第３実施形態の虚像表示装置を構成する第１表示装置の平面図である。 第４実施形態の虚像表示装置を構成する第１表示装置の平面図である。 第５実施形態の虚像表示装置を構成する第１表示装置の平面図である。 （Ａ）は、変形例の虚像表示装置を説明するための画像光の導光状態を説明する図であり、（Ｂ）は、液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す第１実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を覆う光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１のヨロイからテンプルにかけての部分に付加された第１及び第２駆動部１３１，１３２とを備える。ここで、光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有し、両パネル部分１１１，１１２は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２（Ａ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成装置１０と、導光装置２０と、偏光解消素子５０とを備える。ここで、画像形成装置１０は、図１における第１駆動部１３１に相当し、導光装置２０は、図１における第１パネル部分１１１に相当する。なお、図１に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

画像形成装置１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、画像表示装置１１は、２次元的な照明光ＳＬを射出する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、照明装置３１及び液晶表示デバイス３２の動作を制御する駆動制御部３４とを有する。

照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源３１ａと、光源３１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部３１ｂとを有する。液晶パネルである液晶表示デバイス３２は、照明装置３１からの照明光ＳＬを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部３４は、光源駆動回路３４ａと、液晶駆動回路３４ｂとを備える。光源駆動回路３４ａは、照明装置３１の光源３１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを射出させる。液晶駆動回路３４ｂは、液晶表示デバイス３２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路３４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。

液晶表示デバイス３２において、第１方向Ｄ１は、投射光学系１２を通る第１光軸ＡＸ１と、後述する導光部材２１の第３反射面２１ｃに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第２方向Ｄ２は、上記第１光軸ＡＸ１と、上記第３反射面２１ｃの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、第１方向Ｄ１は、後述する導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとを延長してできる交線ＣＬに平行な方向であり、第２方向Ｄ２は、上記第１反射面２１ａとの平面と平行であり、上記第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線ＣＬに垂直な方向となっている。つまり、液晶表示デバイス３２の位置において、第１方向Ｄ１は、縦のＹ方向に相当し、第２方向Ｄ２は、横のＸ方向に相当する。

導光装置２０は、導光部材２１と光透過部材２３とを接合したものであり、全体としてＸＹ面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。

導光装置２０のうち、導光部材２１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材２１で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに垂直（Ｚ軸に平行）で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第２方向Ｄ２に相当するものとなり、導光に際して反射によって折り返されない縦方向すなわち自由伝搬方向は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ及び第３反射面２１ｃに平行（Ｙ軸に平行）で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス３２の第１方向Ｄ１に相当する。

導光部材２１は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃと、第４反射面２１ｄとを有する。また、導光部材２１は、第１、第２、第３、及び第４反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに隣接するとともに互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有する。ここで、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、ＸＹ面に沿って延び、導光部材２１の厚みｔだけ離間する。また、第３反射面２１ｃは、ＸＹ面に対して４５°以下の鋭角αで傾斜しており、第４反射面２１ｄは、ＸＹ面に対して例えば４５°以下の鋭角βで傾斜している。第３反射面２１ｃを通る第１光軸ＡＸ１と第４反射面２１ｄを通る第２光軸ＡＸ２とは平行に配置され距離Ｄだけ離間している。なお、以下に詳述するが、第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの間には、稜を除去するように端面２１ｈが設けられている。導光部材２１は、この端面２１ｈも含めると、７面の多面体状の外形を有するものとなっている。

導光部材２１は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材２１は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。このように導光部材２１は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とに分けて考えることができる。

光入射部Ｂ１は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光入射面ＩＳと、光入射面ＩＳに対向する第３反射面２１ｃとを有する。光入射面ＩＳは、画像形成装置１０からの画像光ＧＬを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系１２に対向してその第１光軸ＡＸ１に垂直に延びている。第３反射面２１ｃは、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層２５を有し保護層２６で被覆されている（図３（Ａ）参照）。このミラー層２５は、全反射のコーティングであり、導光部材２１の斜面ＲＳ上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第３反射面２１ｃは、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として−Ｚ方向寄りの−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光ＧＬを導光部Ｂ２内に確実に結合させる。

導光部Ｂ２は、互いに対向しＸＹ面に平行に延びる２平面として、光入射部Ｂ１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１反射面２１ａと第２反射面２１ｂとを有している。第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの間隔すなわち導光部材２１の厚みｔは、例えば９ｍｍ程度とされている。ここでは、第１反射面２１ａが画像形成装置１０に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第２反射面２１ｂが画像形成装置１０から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第１反射面２１ａは、上記の光入射面ＩＳや後述する光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。ただし、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層２７で被覆されている（図３（Ｂ）参照）。このハードコート層２７は、導光部材２１の平坦面ＦＳ上にＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等を、ディップ処理やスプレーコート処理等によって成膜する事によって形成される。光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬは、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光ＧＬは、第２反射面２１ｂに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置２０の奥側即ち光射出部Ｂ３を設けた−Ｘ側に導かれる。なお、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂには反射コートが施されていないため、外界側から第２反射面２１ｂに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部Ｂ２を通過する。つまり、導光部Ｂ２は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。

以上の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂでの全反射は、ハードコート層２７の屈折率の設定によっており、ハードコート層２７の表面ＳＳの内側で生じさせることができるが、平坦面ＦＳの内側で生じさせることもできる。

光射出部Ｂ３は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光射出面ＯＳと、光射出面ＯＳに対向する第４反射面２１ｄとを有する。光射出面ＯＳは、画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて射出するための表側の平面であり、光入射面ＩＳと同様に第１反射面２１ａの一部となっており、第２光軸ＡＸ２に垂直に延びている。光射出部Ｂ３を通る第２光軸ＡＸ２と光入射部Ｂ１を通る第１光軸ＡＸ１との距離Ｄは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば５０ｍｍに設定されている。第４反射面２１ｄは、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを反射して光射出部Ｂ３外に射出させるための矩形の平坦面である。第４反射面２１ｄに付随して、ハーフミラー層２８が設けられている（図３（Ｃ）参照）。このハーフミラー層２８は、光透過性を有する反射膜であり、導光部材２１の斜面ＲＳ上に金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層２８の画像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＧＬ'の観察を容易にする観点で、１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層２８の画像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、画像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、上記ハーフミラー層２８により、導光部Ｂ２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを部分的に反射して全体として−Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面ＯＳを通過させる。なお、第４反射面２１ｄを透過した画像光ＧＬは、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。

光透過部材２３は、導光部材２１の本体と同一の屈折率を有し、第１面２３ａと、第２面２３ｂと、第３面２３ｃとを有する。第１及び第２面２３ａ，２３ｂは、ＸＹ面に沿って延びる。また、第３面２３ｃは、ＸＹ面に対して傾斜しており、導光部材２１の第４反射面２１ｄに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材２３は、第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれた楔状の部分を有する部材となっている。光透過部材２３は、導光部材２１と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材２３は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。

光透過部材２３において、第１面２３ａは、導光部材２１に設けた第１反射面２１ａの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹに近い裏側にあり、第２面２３ｂは、導光部材２１に設けた第２反射面２１ｂの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹから遠い表側にある。第３面２３ｃは、接着剤によって導光部材２１の第４反射面２１ｄに接合される矩形の透過面である。以上の第１面２３ａと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとのなす角度εと等しくなっており、第２面２３ｂと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとのなす角度βと等しくなっている。

光透過部材２３と導光部材２１とは、両者の接合部分及びその近傍において、透視部Ｂ４を構成している。すなわち、第１及び第２面２３ａ，２３ｂには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材２１の導光部Ｂ２と同様に外界光ＧＬ'を高い透過率で透過させる。第３面２３ｃも、外界光ＧＬ'を高い透過率で透過可能であるが、導光部材２１の第４反射面２１ｄがハーフミラー層２８を有していることから、第３面２３ｃを通過する外界光ＧＬ'は、例えば２０％減光される。つまり、観察者は、２０％に減光された画像光ＧＬと８０％に減光された外界光ＧＬ'とを重畳させたものを観察することになる。

偏光解消素子５０は、投射光学系１２の光射出面ＲＯから導光部材２１の光入射面ＩＳまでの間である導光部材２１の光入射面ＩＳ上に接着されている。偏光解消素子５０は、板状の部材であり、図１に示す第１駆動部１３１のケース内に固定されてＸＹ面に平行に延びている。偏光解消素子５０は、例えば水晶板であり、複屈折性を有することで、偏光傾向を低減又は解消する役割を有する。

〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図４（Ａ）は、液晶表示デバイス３２の縦断面ＣＳ１に対応する第１方向Ｄ１の光路を説明する図である。第１方向Ｄ１に沿った縦断面すなわちＹＺ面（展開後のＹ'Ｚ'面）において、液晶表示デバイス３２から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂの上端側（＋Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬａとし、図中二点差線で示す表示領域３２ｂの下端側（−Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬｂとする。

上側の画像光ＧＬａは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度φ_１の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光ＧＬｂは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度φ_２（｜φ_２｜＝｜φ_１｜）の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ_１，φ_２は、上下の半画角に相当し、例えば６．５°に設定される。なお、上側の画像光ＧＬａと下側の画像光ＧＬｂとは、観察者の眼ＥＹに時間差をおいて入射するのではなく、観察者の眼ＥＹに同時に入射する。

図４（Ｂ）は、液晶表示デバイス３２の横断面ＣＳ２に対応する第２方向（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２の光路を説明する図である。第２方向Ｄ２（閉じ込め方向又は合成方向）に沿った横断面すなわちＸＺ面（展開後のＸ'Ｚ'面）において、液晶表示デバイス３２から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂに向かって右端側（＋Ｘ側）の第１表示点Ｐ１から射出される成分を画像光ＧＬｃとし、図中二点差線で示す表示領域３２ｂに向かって左端側（−Ｘ側）の第２表示点Ｐ２から射出される成分を画像光ＧＬｄとする。図４（Ｂ）中には、参考のため、右寄り内側のから射出される画像光ＧＬｅと、左寄り内側のから射出される画像光ＧＬｆとを追加している。

右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬｃは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度θ_１の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬｄは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ'に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度θ_２（｜θ_２｜＝｜θ_１｜）の左方向から傾いて入射する。以上の角度θ_１，θ_２は、左右の半画角に相当し、例えば１０°に設定される。なお、上側の画像光ＧＬｃと下側の画像光ＧＬｄとは、同時に合成されて光射出部Ｂ３から射出される。つまり、上側の画像光ＧＬｃと下側の画像光ＧＬｄとは、観察者の眼ＥＹに時間差をおいて入射するのではなく、観察者の眼ＥＹに同時に入射する。

なお、第２方向Ｄ２の横方向に関しては、導光部材２１中で画像光ＧＬｃ，ＧＬｄが反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光ＧＬｃ，ＧＬｄが導光部材２１中で不連続に表現されている。また、観察者の眼ＥＹについては、図２（Ａ）の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材２１を高精度に加工することで、液晶表示デバイス３２の右半分の画像と液晶表示デバイス３２の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光ＧＬｃ，ＧＬｄの導光部材２１内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光ＧＬｃの射出角度θ_１'と左側の画像光ＧＬｄの射出角度θ_２'とは異なるものに設定されている。

以上により、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬｃ，ＧＬｄは、無限遠からの虚像となっており、縦の第１方向Ｄ１に関しては液晶表示デバイス３２に形成された映像が正立し、横の第２方向Ｄ２に関しては液晶表示デバイス３２に形成された映像が反転する。

〔Ｄ．横方向に関する画像光の光路〕
図５は、第１表示装置１００Ａにおける具体的な光路を説明する断面図である。投射光学系１２は、３つのレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を有している。

液晶表示デバイス３２の右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、投射光学系１２のレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を通過することで平行光束化され、導光部材２１の光入射面ＩＳに入射する。導光部材２１内に導かれた画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面ＯＳから平行光束として射出される。具体的には、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、平行光束として導光部材２１の第３反射面２１ｃで反射された後、第１反射角γ１で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される（第１回目の全反射）。その後、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、第１反射角γ１を保った状態で、第２反射面２１ｂに入射して全反射され（第２回目の全反射）、次いで再度第１反射面２１ａに入射して全反射される（第３回目の全反射）。結果的に、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて計３回全反射され、第４反射面２１ｄに入射する。画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、この第４反射面２１ｄで第３反射面２１ｃと同一の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳに垂直な第２光軸ＡＸ２方向に対して角度θ_１の傾きで平行光束として射出される。

液晶表示デバイス３２の左側の第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、投射光学系１２のレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３を通過することで平行光束化され、導光部材２１の光入射面ＩＳに入射する。導光部材２１内に導かれた画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面ＯＳから平行光束として射出される。具体的には、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、平行光束として導光部材２１の第３反射面２１ｃで反射された後、第２反射角γ２（γ２＜γ１）で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される（第１回目の全反射）。その後、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、第２反射角γ２を保った状態で、第２反射面２１ｂに入射して全反射され（第２回目の全反射）、再度第１反射面２１ａに入射して全反射され（第３回目の全反射）、再度第２反射面２１ｂに入射して全反射され（第４回目の全反射）、再々度第１反射面２１ａに入射して全反射される（第５回目の全反射）。結果的に、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて計５回全反射され、第４反射面２１ｄに入射する。画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、この第４反射面２１ｄで第３反射面２１ｃと同一の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳに垂直な第２光軸ＡＸ２方向に対して角度θ_２の傾きで平行光束として射出される。

図５において、導光部材２１を展開した場合に第１反射面２１ａに対応する仮想的な第１面１２１ａと、導光部材２１を展開した場合に第２反射面２１ｂに対応する仮想的な第２面１２１ｂとを描いている。このように展開することにより、第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２は、光入射面ＩＳに対応する入射等価面ＩＳ'を通過した後、第１面１２１ａを２回通過し第２面１２１ｂを１回通過して光射出面ＯＳから射出されて観察者の眼ＥＹに入射することが分かり、第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２は、光入射面ＩＳに対応する入射等価面ＩＳ"を通過した後、第１面１２１ａを３回通過し第２面１２１ｂを２回通過して光射出面ＯＳから射出されて観察者の眼ＥＹに入射することが分かる。見方を変えると、観察者は、２つの位置の異なる入射等価面ＩＳ'，ＩＳ"の近傍に存在する投射光学系１２のレンズＬ３を重ねて観察していることになる。

図６（Ａ）は、液晶表示デバイス３２の表示面を概念的に説明する図であり、図６（Ｂ）は、観察者に見える液晶表示デバイス３２の虚像を概念的に説明する図であり、図６（Ｃ）及び６（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図６（Ａ）に示す液晶表示デバイス３２に設けた矩形の画像形成領域ＡＤは、図６（Ｂ）に示す虚像表示領域ＡＩとして観察される。虚像表示領域ＡＩの左側には、液晶表示デバイス３２の画像形成領域ＡＤのうち中央から右側にかけての部分に相当する第１投射像ＩＭ１が形成され、この第１投射像ＩＭ１は、図６（Ｃ）に示すように右側が欠けた部分画像となっている。また、虚像表示領域ＡＩの右側には、液晶表示デバイス３２の画像形成領域ＡＤのうち中央から左側にかけての部分に相当する第２投射像ＩＭ２が虚像として形成され、この第２投射像ＩＭ２は、図６（Ｄ）に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。図６（Ｃ）に示す第１投射像ＩＭ１と、図６（Ｄ）に示す第２投射像ＩＭ２とは、この場合、観察者の眼ＥＹ内に同時に入射し同時に結像される。

図６（Ａ）に示す液晶表示デバイス３２のうち第１投射像（虚像）ＩＭ１のみを形成する第１部分領域Ａ１０は、例えば液晶表示デバイス３２の右端の第１表示点Ｐ１を含んでおり、導光部材２１の導光部Ｂ２において合計３回全反射される画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２を射出する。液晶表示デバイス３２のうち第２投射像（虚像）ＩＭ２のみを形成する第２部分領域Ａ２０は、例えば液晶表示デバイス３２の左端の第２表示点Ｐ２を含んでおり、導光部材２１の導光部Ｂ２において合計５回全反射される画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２を射出する。液晶表示デバイス３２の画像形成領域ＡＤの中央寄りにおいて第１及び第２部分領域Ａ１０，Ａ２０に挟まれて縦長に延びる帯域ＳＡからの画像光は、図６（Ｂ）に示す重複画像ＩＳを形成している。つまり、液晶表示デバイス３２の帯域ＳＡからの画像光は、導光部Ｂ２において計３回全反射される画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２によって形成される第１投射像ＩＭ１と、導光部Ｂ２において計５回全反射される画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２によって形成される第２投射像ＩＭ２となって、虚像表示領域ＡＩ上で重畳していることになる。導光部材２１の加工が精密で、投射光学系１２によって正確にコリメートされた光束が形成されているならば、重複画像ＩＳについて、２つの投射像ＩＭ１，ＩＭ２の重畳によるズレや滲みを防止することができる。なお、重畳の生じている帯域ＳＡの横幅又は重畳幅は、液晶表示デバイス３２を照明する照明光ＳＬの角度範囲を制御することで調整可能である。本実施形態では、照明光ＳＬの角度範囲を特に調節していないので、バックライト導光部３１ｂ等の発散特性に応じた横幅又は重畳幅の帯域ＳＡが存在することになる。

〔Ｅ．光学素子の複屈折による色斑の発生とその解消〕
ここで、図７は、投射光学系１２の光学レンズの一例であるレンズＬ３における複屈折の影響を示す図であり、図中縦方向がＹ方向、横方向がＸ方向である。つまり、図２（Ｂ）でのレンズＬ３の配置に対応する。以下、図７を用いて、虚像表示装置１００内の光学素子に内在する複屈折によって発生する色斑について説明する。虚像表示装置１００のうち、射出成型により形成される樹脂材料の光学素子であるレンズＬ１〜Ｌ３（図７ではレンズＬ３を例示）において、偏光の分布が形成され、特定の色光となって現れる。図７のような特定の色光による縞模様は、通常は見えないが、例えば偏光板等を通すことによって確認できる。このような偏光の分布は、射出成型時に生じる内部応力の影響を受けることで、レンズＬ１〜Ｌ３の内部に複屈折が発生した結果であると考えられるが、このような内部応力の発生はレンズＬ１〜Ｌ３等の光学素子の材料として樹脂材料を用いる限り不可避的である。さらに、画像表示装置１１に液晶表示デバイス３２を用いていることから、画像表示装置１１から射出された画像光ＧＬは、特定方向の成分のみからなる偏光であるため、レンズＬ１〜Ｌ３等を通過する際に上記のような偏光の分布ができやすく、第４反射面２１ｄ等で反射される際の偏光分離や偏光成分同士の干渉等によって特定の色光の斑ができる。このような特定の色光の斑は、画像の色斑となって現れる。これに対して、本実施形態では、光の偏光傾向を低減又は解消する偏光解消素子５０を有することで、光の干渉を低減し、観察者に認識される画像において色斑が発生することを低減している。

〔Ｆ．偏光解消素子の機能〕
以下、投射光学系１２と導光装置２０との間に配置される偏光解消素子５０の機能について説明する。

図８は、偏光解消素子５０が有する複屈折性について説明するための図である。図示のように、偏光解消素子５０は、例えば光軸方向であるＸ方向に対して垂直なＸＹ面内において、互いに直交するＸ方向とＹ方向とで異なる屈折率ｎ_ｘ、ｎ_ｙを有するものとなっている。つまり、偏光解消素子５０は、複屈折性材料で構成されている。ここでは、複屈折性材料の一例として偏光解消素子５０に水晶板を用いている。また、当該水晶板は、Ｘ方向の屈折率ｎ_ｘと、Ｙ方向の屈折率ｎ_ｙとの差が最大となるように、その光学軸の方向が調整されているものとする。

この場合、Ｚ方向に進む光が偏光解消素子５０に入射すると、偏光解消素子５０の複屈折性によって、偏光解消素子５０の光路長及び入射光の波長に応じて通過光の偏光状態が変化する。より具体的には、まず、複屈折｜ｎ_ｘ−ｎ_ｙ｜＝Δｎとし、偏光解消素子５０の進行方向即ちＺ方向についての厚さｄを用いると、リタデーションＲは、Ｒ＝Δｎ×ｄで表される。従って、入射する光の波長λでリタデーションＲを割った値に２πをかけた値Ｒ×２π／λが、偏光解消素子５０を経た直後の波長λの光の偏光状態を示すものとなる。この場合、偏光解消素子５０の厚さｄをある程度大きなものとすることで、ある波長帯域にある光の偏光傾向を低減又は解消することができる。例えば人間の目には同じ色の帯域に属するものとして捉えられる成分であって、波長がわずかに異なる２種類の光に対して、厚さｄをある程度大きなものとすることで、偏光解消素子５０が波長λに対して十分に長い光路長を有するものとなり、当該２種類の光の間で位相差を大きく異なるものにできる。この結果として、同じ色として認識されるある程度の帯域内に属する光であっても、わずかに波長の差があることで、種々の偏光状態を有するものとなり、当該域内に属する光全体としては、偏光傾向の低いものとなるようにできる。つまり、その帯域に属する光の偏光傾向が低減又は解消された状態になる。偏光解消素子５０として、上記のように水晶板を用いた場合、厚さｄを例えば２〜３ｍｍ程度とすることで、各色の帯域に属する光について、十分に偏光傾向を低減又は解消されたものにできる。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）に戻って、投射光学系１２から射出された画像光ＧＬは、偏光解消素子５０に入射する。偏光解消素子５０に入射する直前の画像光ＧＬは、樹脂材料で構成されるレンズＬ１〜Ｌ３等での複屈折性の影響を受けて特有の偏光状態となっている。これに対して、偏光解消素子５０が上記のような光の偏光傾向を低減又は解消する機能を有することで、偏光解消素子５０を経た画像光ＧＬは、自然光のように種々の偏光状態の光が混ざり合った偏光傾向の低い状態となり、図７のように特定の色光が見えてしまう、という事態を抑制できる。これにより、画像光ＧＬは、色斑の抑えられた画像となって観察者の眼ＥＹに到達するものとなる。なお、上記のように偏光傾向が低減又は解消された各色の光は、種々の偏光状態を有するため、その後仮に複屈折性を有する光学素子（例えば導光部材２１）を通過することがあっても、全体としての偏光傾向は変わらないか又は殆ど変わらないものとなる。

以上の説明において、偏光解消素子５０を構成する複屈折性材料の一例として、水晶板を用いているが、水晶板以外に例えばサファイアを用いることも可能である。また、このほか、延伸されたフィルムを必要な低減度に応じて複数枚積層したものや、透明基板上に無機物を斜方蒸着したもので偏光解消素子５０を構成してもよい。

〔Ｇ．その他〕
以上では、液晶表示デバイス３２の右側の第１表示点Ｐ１を含む第１部分領域Ａ１０から射出された画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂによる全反射回数が計３回で、液晶表示デバイス３２の左側の第２表示点Ｐ２を含む第２部分領域Ａ２０から射出された画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂによる全反射回数が計５回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材２１の外形（すなわち厚みｔ、距離Ｄ、鋭角α，β）の調整によって、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の全反射回数を計５回とし、画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の全反射回数を計７回とすることもできる。また、以上では、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材２１を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２の全反射回数が偶数となる。

〔Ｈ．まとめ〕
以上説明した第１実施形態の虚像表示装置１００では、光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬが導光部の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射されつつ伝搬され、光射出部Ｂ３の第４反射面２１ｄで反射されて観察者の眼ＥＹに入射する。この際、画像表示装置１１の第１表示点Ｐ１から射出される第１画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の導光部における反射回数と、画像表示装置１１の第２表示点Ｐ２から射出される第２画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の導光部Ｂ２における反射回数とが異なるので、光射出部Ｂ３から射出される画像光ＧＬの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置１１における異なる表示位置からの画像光ＧＬを比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部Ｂ３越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように、反射回数が異なる画像光ＧＬを取り出す構造とすることにより、導光部Ｂ２をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部Ｂ３を大きくすることができるので、光射出部Ｂ３を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察も可能になる。

また、上記第１実施形態の虚像表示装置１００では、偏光解消素子５０が画像表示装置１１の光射出側の位置にある光射出面ＱＯから導光装置２０の光射出部Ｂ３の光射出側の位置にある光射出面ＯＳまでの間に配置されている、ここでは、投射光学系１２から導光部材２１までの間に配置されていることにより、虚像表示装置１００内での複屈折の影響により生じた特有の偏光傾向を低減又は解消するので、当該偏光傾向に起因する色斑を抑制した画像を観察者の眼ＥＹに対して表示することができる。これにより、虚像表示装置１００によって表示される虚像を高品位のものとすることができる。

〔第２実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図９に示すように、偏光解消素子１５０は、導光部材２１の光射出面ＯＳから観察者の眼ＥＹすなわち瞳の位置までの間である導光部材２１の光射出面ＯＳ上に接着されている。なお、偏光解消素子１５０は、第１実施形態における偏光解消素子５０と同様に例えば水晶板等で構成されている。この場合、投射光学系１２から導光装置２０にかけて配置されたいずれかの光学素子が複屈折性を有するものであっても、偏光解消素子１５０によって偏光傾向が低減又は解消され色斑等の抑制された画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに到達させることができる。

〔第３実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１０に示すように、偏光解消素子２５０は、画像表示装置１１の光射出面ＱＯから投射光学系１２の光射出面ＲＯまでの間である画像表示装置１１の光射出面ＱＯ上に接着されている。なお、偏光解消素子２５０は、第１実施形態における偏光解消素子５０と同様に例えば水晶板等で構成されている。この場合、偏光解消素子２５０は、液晶表示デバイス３２から射出された光の偏光傾向を低減又は解消する。つまり、液晶表示デバイス３２よりも光路下流側に位置する光学素子に対しては、偏光傾向の低くなった状態の画像光ＧＬが射出されることになる。これにより、投射光学系１２から導光装置２０にかけて配置されたいずれかの光学素子が複屈折性を有するものであっても、偏光解消素子２５０によって偏光傾向が低減又は解消され色斑等の抑制された画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに到達させることができる。また、この場合、偏光解消素子２５０のサイズは、液晶表示デバイス３２の出口側すなわち光射出面ＱＯのサイズに対応したものとなるので、比較的小さいものとすることができ、偏光解消素子２５０の作製コストを低減できる。

〔第４実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第４実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１１において一部拡大して示すように、偏光解消素子３５０は、第３反射面２１ｃに付随して設けられている。より具体的には、偏光解消素子３５０は、導光部材２１の斜面ＲＳとミラー層２５とに挟持された状態で形成されている。なお、偏光解消素子２５０は、第１実施形態における偏光解消素子５０と同様に例えば水晶板等で構成されている。この場合、図示のように画像光ＧＬは、第３反射面２１ｃでの反射の間に偏光解消素子３５０を都合２回通過することになる。従って、偏光解消素子３５０の厚さを偏光傾向の低減又は解消のために設計上必要となる厚さの半分の厚さにすることができ、偏光解消素子３５０の作製コストを低減できる。

〔第５実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第５実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図１２において一部拡大して示すように、偏光解消素子４５０は、第４反射面２１ｄに付随して設けられている。より具体的には、偏光解消素子４５０は、導光部材２１の斜面ＲＳとミラー層２８とに挟持された状態で形成されている。また、ミラー層２８は接着層ＣＣによって光透過部材２３と接合している。なお、偏光解消素子２５０は、第１実施形態における偏光解消素子５０と同様に例えば水晶板等で構成されている。この場合、図示のように画像光ＧＬは、第４反射面２１ｄでの反射の間に偏光解消素子４５０を都合２回通過することになる。従って、偏光解消素子４５０の厚さを偏光傾向の低減又は解消のために設計上必要となる厚さの半分の厚さにすることができ、偏光解消素子４５０の作製コストを低減できる。

〔変形例等〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

図１３（Ａ）及び１３（Ｂ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の変形例を説明する図である。以上の説明では、導光部材２１を伝播する画像光が第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して２つの反射角γ１，γ２のみで全反射されるとしたが、図１３（Ａ）に示す変形例の導光部材２１のように、３つの成分の画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２，ＧＬ３３が反射角γ１，γ２，γ３（γ１＞γ２＞γ３）でそれぞれ全反射されることを許容することもできる。この場合、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＧＬは、３つのモードで伝搬され、観察者の眼ＥＹにおいて合成されて虚像として認識される。この場合、図１３（Ｂ）に示すように、有効表示領域Ａ０の左側に例えば計３回全反射の投射像ＩＭ２１が形成され、有効表示領域Ａ０の中央寄りに例えば計５回全反射の投射像ＩＭ２２が形成され、有効表示領域Ａ０の右側に例えば計７回全反射の投射像ＩＭ２３が形成される。

偏光解消素子５０等は、上記各実施形態に示す場合のほか、種々の位置に設けることが可能であり、例えば導光部材２１の内部や、レンズＬ１〜Ｌ３の表面に偏光解消素子を設けるものとしてもよい。

また、例えばレンズＬ１〜Ｌ３のように画像表示装置１１の光射出面ＱＯから導光装置２０の光射出面ＯＳまでの光路上に配置される光学素子のうちの少なくとも１つが、偏光解消素子として通過する光の偏光傾向を低減するものであってもよい。この場合、当該光学素子が偏光解消素子として機能することで、別途部材を設けることなく当該光学素子を通過する光の偏光傾向を低減又は解消することができる。

上記実施形態では、導光部材２１の第４反射面２１ｄに設けたハーフミラー層２８の反射率を２０％としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層２８の反射率を５０％以上として画像光を優先することもできる。なお、ハーフミラー層２８は、第４反射面２１ｄの全面に形成されなくてもよく、一部の必要領域にのみ形成されるものとできる。

光透過部材２３の形状は、導光部材２１を横すなわちＸ方向に延長するものに限らず、導光部材２１を上下から挟むように拡張した部分を含むものとできる。

上記実施形態では、画像表示装置１１として、透過型の液晶表示デバイス３２等を用いているが、画像表示装置１１としては、透過型の液晶表示デバイス３２に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス３２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置１１として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。

上記実施形態の虚像表示装置１００では、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置１０及び導光装置２０設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置１０と導光装置２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光射出面ＯＳを通る第２光軸ＡＸ２とが平行であるとしたが、これらの光軸ＡＸ１，ＡＸ２を非平行とすることもできる。

上記の説明では、虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。

上記の説明では、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。

上記の説明では、導光部材２１が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材２１は、縦方向に延びるものとできる。この場合、光学パネル１１０は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。

１０…画像形成装置、 １１…画像表示装置、 １２…投射光学系、 ２０…導光装置、 ２１…導光部材、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…反射面、 ２１ｅ…上面、 ２１ｆ…下面、 ２１ｈ，２１ｉ…端面、 ２３…光透過部材、 ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…面、 ２５…ミラー層、 ２７…ハードコート層、 ２８…ハーフミラー層、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 ３２ｂ…表示領域、 ３４…駆動制御部、 ５０，１５０，２５０，３５０，４５０…偏光解消素子、 ５１…基板上、 ５２…金属反射膜、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １１０…光学パネル、 １２１…フレーム、 １３１，１３２…駆動部、 ＡＸ１…第１光軸、 ＡＸ２…第２光軸、 Ｂ１…光入射部、 Ｂ２…導光部、 Ｂ３…光射出部、 Ｂ４…透視部、 ＥＹ…眼、 ＦＳ…平坦面、 ＧＬ…画像光、 ＧＬ'…外界光、 ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２…画像光、 ＩＭ１，ＩＭ２…投射像、 ＩＳ…光入射面、 Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…レンズ、 ＯＳ…光射出面、 Ｐ１…表示点、 Ｐ２…表示点、ＳＬ…照明光

Claims (14)

1. 画像光を形成する画像表示装置と、
   前記画像表示装置から射出された前記画像光を入射させる投射光学系と、
   導光部と、前記導光部に前記画像光を入射させる光入射部と、前記導光部によって導かれた前記画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、前記光射出部を介して前記画像光の観察を可能にする導光装置と、
   前記画像表示装置の光射出側の位置から前記導光装置の前記光射出部の光射出側の位置までの間に配置され、通過する光の偏光傾向を低減する偏光解消素子と、
   を備える虚像表示装置。
2. 前記偏光解消素子は、少なくとも前記投射光学系の光射出面から前記導光装置の前記光入射部までの間に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記偏光解消素子は、少なくとも前記導光装置の前記光射出部から前記画像光を観察する観察者の瞳の位置までの間に配置される、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記偏光解消素子は、少なくとも前記画像表示装置の光射出面から前記投射光学系の光射出面までの間に配置される、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記偏光解消素子は、複屈折性材料を含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記複屈折性材料は、水晶及びサファイアのうち少なくとも一方と、延伸されたフィルムを積層したものと、透明基板上に無機物を蒸着したものとのうちのいずれかを含む、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記画像表示装置の光射出側の位置から前記導光装置の前記光射出部の光射出側の位置までの光路上に配置される光学素子のうちの少なくとも１つは、前記偏光解消素子として通過する光の偏光傾向を低減する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記画像表示装置は、液晶パネルであり、
   前記投射光学系と前記導光装置との少なくとも一方は、樹脂素材で形成された光学素子を含む、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記導光装置は、前記導光部と前記光入射部と前記光射出部とを有する導光部材と、前記導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部材とをさらに備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第１反射面と第２反射面とを有し、
    前記光入射部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、
    前記光射出部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記偏光解消素子は、前記第３反射面及び前記第４反射面のうち少なくとも一方の面に付随して設けられる、請求項１０に記載の虚像表示装置。
12. 前記画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の前記導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して前記第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の前記導光部における反射回数とは、互いに異なる、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記閉じ込め方向は、前記投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である、請求項１２に記載の虚像表示装置。
14. 前記導光部材は、熱重合型の樹脂材料を用いて射出成型によって一体的に成型される、請求項９から１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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