JP2012198261A - 導光板及びこれを備える虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像光の取り出しに際して映像に縞状の斑が生じることを防止できる虚像表示装置用の導光板及びこれを組み込んだ虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】分岐平行化部材２５が画像取出部２３に設けた多数の反射ユニット２３ｃからの画像光ＧＬ２，ＧＬ３を当該複数の反射ユニット２３ｃからの光束に平行で導光方向（＋Ｚ方向）に関して位置ズレさせた成分ＧＬ２ａ，ＧＬ２ｂ，ＧＬ３ａ，ＧＬ３ｂにそれぞれ分岐するので、数の反射ユニット２３ｃから分断されて取り出される画像光ＧＬ２，ＧＬ３の隙間によって映像中に縞状の輝度斑が観察される現象を抑制することができる。これにより、高品質な映像の形成や観察が可能になる。
【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に用いられる導光板及びこれを備える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用の導光板として、全反射を利用して画像光を導くとともに、導光板の出口側において導光板の主面に対して所定角度をなして平行に配置される多数の部分反射面にて画像光を反射させることにより、画像光を導光板から取り出して観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１の表示装置の場合、画像光の重複等による輝度斑を抑制するには、部分反射面間での反射率や相対的距離の精密な調整が必要となる。さらに、上記特許文献１の場合、反射により導光板から画像光を取り出す際に、光取り出し用の反射部材において光を複数回通過させる構造であるため、光の利用効率については比較的低いものとならざるを得ない。

以上の技術とは異なるものとして、反射により導光板から画像光を取り出す際に、反射部材を一回通過させる構造とすることも考えられる。この場合、反射率の調整が不要で光の利用効率も高くなるが、個々の反射部材が独立するため各反射部材からの光束が横方向互いに分断される傾向が生じ、映像に明暗の縦縞が形成される可能性がある。

特開２００４−１５７５２０号公報

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、画像光の取り出しに際して映像に縞状の斑が生じることを防止できる虚像表示装置用の導光板及びこれを組み込んだ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、本発明に係る導光板は、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｃ）導光部を経て入射する画像光を所定の配列方向に配列される複数の反射ユニットでの光路の折り曲げによって外部へ取出す画像取出部を有する光射出部と、（ｄ）光射出部に対向して配置されるとともに、複数の反射ユニットからの光束を当該複数の反射ユニットからの光束に平行で所定の配列方向に関して位置ズレさせた状態に分岐する分岐平行化部材とを備える。

上記導光板では、分岐平行化部材が複数の反射ユニットからの光束を当該複数の反射ユニットからの光束に平行で所定の配列方向に関して位置ズレさせた状態にそれぞれ分岐するので、複数の反射ユニットから分断されて取り出される光束の隙間によって映像中に縞状の輝度斑が観察される現象を抑制することができる。これにより、高品質な映像の形成や観察が可能になる。

本発明の具体的な側面では、上記導光板において、分岐平行化部材は、ハーフミラーとプリズムアレイとを有するビームスプリッタアレイである。この場合、複数の反射ユニットからの光束を省スペースで個別に分岐することができる。

本発明の別の側面では、ハーフミラーの反射率が略５０％である。この場合、複数の反射ユニットからの光束をバランス良く分岐することができる。

本発明のさらに別の側面では、ハーフミラーが偏光分離膜である。この場合、複数の反射ユニットからの光束を偏光方向に応じて少ない損失で分岐することができる。

本発明のさらに別の側面では、ハーフミラーが金属反射膜である。この場合、複数の反射ユニットからの光束を少ない損失で偏りなく分岐することができる。

本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットが、所定の配列方向に第１のピッチで周期的に配列され、ビームスプリッタアレイが、第１のピッチ以下の第２のピッチで周期的に配列されている。この場合、複数の反射ユニットからの光束をビームスプリッタアレイの構成要素によって１回以上分岐することができ、輝度斑の抑制効果を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、分岐平行化部材が複屈折材料で形成されている。この場合、複数の反射ユニットからの光束を簡単な構造で個別に分岐することができる。

本発明のさらに別の側面では、複屈折材料が、方解石、複屈折液晶ポリマー、及び液晶のいずれかである。この場合、複屈折が大きな分岐平行化部材によって分岐された光束間の距離すなわち分離幅を比較的大きくすることができる。

本発明のさらに別の側面では、反射ユニットが、第１の反射面と第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とで構成され、導光部にて導かれた画像光を第１の反射面により反射するとともに第２の反射面により第１の反射面で反射された画像光をさらに反射して光路の折り曲げを行う。この場合、第１の反射面と第２の反射面との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。これにより、画像取出部の各部において、一回入射させるだけで光路の折り曲げによって画像光を外部へ取り出すことが可能になる。

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）上記いずれかの導光板と、（ｂ）導光板に導かれる画像光を形成する画像形成装置とを備える。この場合、上記いずれかの導光板を用いることで、虚像表示装置は、縞状の斑の発生が抑制された良好な虚像光を射出させることができる。

（Ａ）は、第１実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第１実施形態に係る導光板の正面図及び平面図である。 （Ａ）は、画像取出部の構造及び機能を説明する図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分における光路の折り曲げを説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分における光路の折り曲げ説明する断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、分岐平行化部材の構造及び機能を説明する断面図である。 図３（Ｂ）の変形例を説明する断面図である。 第２実施形態に係る導光板内の分岐平行化部材を説明する図である。 第３実施形態に係る導光板内の分岐平行化部材を説明する図である。

〔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用の導光板及びこれを組み込んだ虚像表示装置について説明する。

〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは左眼用のみを示し、右眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。

図１（Ａ）に示すように、画像形成装置１０は、液晶デバイス１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、液晶デバイス１１は、２次元的な照明光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、これらの間に配置される射出角調整部材３３とを有する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１からの照明光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。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。射出角調整部材３３は、照明光の射出角度分布を画面内の位置に応じて変化させており、液晶表示デバイス３２から射出される画像光が効率的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。

図１（Ｂ）及び１（Ｃ）に示すように、導光板２０は、光入射部Ｄ１と、導光部Ｄ２と、光射出部Ｄ３と、分岐平行化部材２５とを備える。光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳと入射光折曲面２１とを有し、画像形成装置１０からの画像光を光入射面ＩＳから取り込むとともに、取り込んだ画像光を導光部Ｄ２に向けて折り曲げる。導光部Ｄ２は、全反射面形成部２２を有し、取り込まれた画像光を光射出部Ｄ３に向けて伝播させる。なお、導光部Ｄ２が光束全体として導く方向であるＺ方向を導光板２０の導光方向とする。光射出部Ｄ３は、角度変換部である画像取出部２３と光射出面ＯＳとを有し、導光部Ｄ２で伝播された画像光の角度変換を行い光射出面ＯＳから画像光を射出する。分岐平行化部材２５は、光射出部Ｄ３の光射出面ＯＳから射出された個々の光束をその方向を変化させることなく導光方向に位置ズレするように分岐して眼ＥＹに入射させる。

光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳを、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側又は観察者側の平面上に有している。また、光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、アルミ蒸着等の成膜によりミラー層２１ａが形成されている。つまり、ミラー層２１ａと斜面ＲＳとが協働することで入射光折曲面２１を形成している。入射光折曲面２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｘ方向に向かう画像光を、全体として−Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光部Ｄ２内に導く。

導光部Ｄ２は、入口側である光入射部Ｄ１側から奥側である光射出部Ｄ３側にかけて、内部に入射させた画像光を光射出部Ｄ３の画像取出部２３に導くための全反射面形成部２２を有している。

全反射面形成部２２は、導光部Ｄ２として機能するための平板状の主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０に近い側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０から遠い側にあるものとする。この場合、第１の全反射面２２ａは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。従って、光入射面ＩＳや光射出面ＯＳの一部又は全体も画像光を導く導光部Ｄ２として機能する。光入射部Ｄ１の入射光折曲面２１で反射された画像光は、まず、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２の全反射面２２ｂ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、導光板２０の奥側すなわち画像取出部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。ここで、導光部Ｄ２等に用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、例えば１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。

光射出部Ｄ３は、光射出面ＯＳの外界側に対向して微細構造である画像取出部２３を配置したものとなっている。画像取出部２３は、全反射面形成部２２の奥側（＋Ｚ側）において、ＹＺ面に平行な第２の全反射面２２ｂの延長平面に略沿ってこの延長平面に近接して形成されており、全反射面形成部２２を経た画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。画像取出部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。

分岐平行化部材２５は、光射出部Ｄ３の光射出面ＯＳに対向して観察者側に配置され、画像取出部２３の微細構造に対応する微細構造を有する薄い板状の部材である。分岐平行化部材２５は、ＹＺ面に平行な光射出面ＯＳに沿って延びており、光射出面ＯＳを覆うような大きさを有している。分岐平行化部材２５は、例えば低屈折率の接着剤を利用して光射出部Ｄ３の光射出面ＯＳに貼り付けられて固定されている。分岐平行化部材２５は、光射出部Ｄ３の画像取出部２３の微細構造の各位置から射出された個々の光束を、当該個々の光束に平行な２以上の光束であって導光方向である＋Ｚ方向に互いに位置ズレした状態の光束に分岐する。分岐平行化部材２５の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。

〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について説明する。図１（Ａ）に示すように、投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶デバイス１１の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、入射光折曲面２１で反射された後、標準反射角α_０で全反射面形成部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、標準反射角α_０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ回（Ｎは自然数）全反射された後、画像取出部２３の導光方向に関する中央部２３ｋで反射され、光射出面ＯＳからこの面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に射出される。また、液晶デバイス１１の射出面３２ａの一端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、最小反射角α₋で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、画像取出部２３のうち最も光入射面側（−Ｚ側）の周辺部２３ｈで反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に射出される。また、液晶デバイス１１の射出面３２ａの他端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、最大反射角α_＋で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、画像取出部２３のうち反光入射面側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｍで反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に射出される。以上において、光射出面ＯＳに対向して配置される分岐平行化部材２５は、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３を部分的に微少量シフトさせることで分岐するものであり、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の射出方向を変化させないので、眼ＥＹによって観察される無限遠の虚像に乱れは生じない。分岐平行化部材２５は、詳細は後述するが、画像取出部２３の微細構造によって光束が横方向互いに分断され観察画像に明暗の縦縞が形成されることを防止するために挿入されている。

なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、このような反射回数の差によって輝度低下が生じることは殆どない。また、図１（Ｂ）に示すように、縦方向すなわちＹ方向について見た画像光である画像光ＧＬｙは、光束全体として収束するように導光板２０内を通過する。

〔Ｃ．画像取出部の構造〕
図２（Ａ）、図３（Ａ）、及び図３（Ｂ）に示すように、画像取出部２３は、所定の軸方向であるＹ方向にそれぞれ延びるとともに導光方向であるＺ方向に周期的に配列される反射ユニット２３ｃ，２３ｃ，…を備える。すなわち、画像取出部２３は、所定の軸方向（すなわちＹ方向）を長手方向とする細長い形状を有する多数の反射ユニット２３ｃを有し、これら反射ユニット２３ｃをその横の導光方向（すなわちＺ方向）の幅に等しいピッチＰＴ０で全反射面形成部２２の延びる導光方向すなわちＺ方向に多数配列させることで構成されている。

画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃは、導光板２０の奥側すなわち＋Ｚ側に配置される第１の反射面２３ａと、導光板２０の入口側すなわち＋Ｚ側に配置される第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な半透過型のミラー層２４ａを付随させたものであり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。なお、第１の反射面２３ａは、例えば完全な反射型のミラー層２４ｂを付随させたものとなっている。

各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂによってＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっており、画像取出部２３全体では、ＸＺ断面視においてＺ方向に延びる断面鋸歯状となっている。なお、第１の反射面２３ａは、Ｚ方向に対して垂直な面となっており、第２の反射面２３ｂは、Ｘ方向に対して垂直な第２の全反射面２２ｂに平行な基準面を、Ｙ方向に延びる所定の軸方向のまわりに反時計回りに回転させて傾斜させた斜面となっている。第１の反射面２３ａと第２の反射面２３ｂとの相対角度βは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。また、以上のような構成の画像取出部２３の作製については、まず、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂとなるべき上記所定角度の傾斜面等が射出成形によって成形され、次に、当該斜面に反射面として機能させるためのミラー層を成膜し、さらに、当該ミラー層を樹脂材料で埋めるものとなっている。

〔Ｄ．画像取出部による光路の折曲げ〕
以下、図２（Ａ）〜３（Ｃ）等を参照して、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、画像光のうち、画像取出部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。また、各第１の反射面２３ａは、画像光の実際の入射面となっているが、本明細書では、画像光の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射角度を画像取出部２３に対する入射角度すなわち反射ユニット２３ｃへの入射角と呼ぶこととする。

まず、図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も小さい入射角α₋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された反射ユニット２３ｃに入射する。これらの反射ユニット２３ｃに入射した画像光ＧＬ２は、最初に第１の反射面２３ａで反射され、次に、第２の反射面２３ｂで反射され、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、入射角の大きな画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ少ない損失で虚像光として観察者側に取り出される。

また、図２（Ａ）及び２（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も大きい入射角α_＋で導かれた画像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された反射ユニット２３ｃに入射する。これらの反射ユニット２３ｃに入射した画像光ＧＬ３は、最初に第１の反射面２３ａで反射され、次に、第２の反射面２３ｂで反射され、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、入射角の小さな画像光ＧＬ３は、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ少ない損失で虚像光として観察者側に取り出される。

ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−β）（Ｒ：直角）であり、入射角α_０，α₋，α_＋等の値によらず一定である。これにより、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。

なお、眼ＥＹ側に射出される画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３の角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。

〔Ｅ．画像取出部における有効光束幅の制限〕
ここで、図３（Ａ）及び３（Ｂ）により、画像取出部２３における画像光の有効光束幅の制限について説明する。画像取出部２３すなわち反射ユニット２３ｃで取り出される画像光の有効光束幅は、反射ユニット２３ｃのサイズと、反射ユニット２３ｃに対して入射する画像光の入射角によって決まる。例えば、図示のように、周辺部２３ｈと周辺部２３ｍとを比較した場合、周辺部２３ｈにおける各反射ユニット２３ｃでの有効光束幅Ｗ２は、周辺部２３ｍにおける各反射ユニット２３ｃでの有効光束幅Ｗ３よりも大きくなっている。これら有効光束幅Ｗ２，Ｗ３によって例示する画像光の各光束の有効光束幅には、各画像光の入射角αや各反射ユニット２３ｃのピッチＰＴ０の大きさから制限がある。例えば、画像光ＧＬ３の場合、反射ユニット２３ｃに入射できる幅（ピッチＰＴ０の大きさに相当）の範囲内に限られるため、その有効光束幅Ｗ３は、
Ｗ３＝ｄ×ｓｉｎ（Ｒ−α＋）（Ｒ：直角）
となる。このような制限が、いずれの光束の有効光束幅についてもあるため、画像光の各光束間には、光が届かない隙間ＢＤが存在する。この隙間ＢＤは、Ｚ方向に配列される反射ユニット２３ｃの境界の数だけ存在する。これらの隙間ＢＤは、画像取出部２３の置かれる観察者の眼の前数センチ程度のところにあるものとなるため直視されることはないが、観察者にとっては、映像中の縦縞状の斑として認識される。このため、本実施形態では、画像取出部２３に対向して分岐平行化部材２５を設けることで、映像における縞状の斑の発生を抑えている。つまり、分岐平行化部材２５によって、各反射ユニット２３ｃから射出された画像光ＧＬ２，ＧＬ３を、その射出方向を維持したまま反射ユニット２３ｃの配列方向に関して位置ズレした状態の成分ＧＬ２ａ，ＧＬ２ｂ，ＧＬ３ａ，ＧＬ３ｂに分岐することで、画像光ＧＬ２，ＧＬ３のデューティー比を倍増させて、縞状の輝度斑の発生を防止している。

〔Ｆ．分岐平行化部材の構造〕
図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示すように、分岐平行化部材２５は、ハーフミラー２５ａとプリズム２５ｂとを有し、これらのハーフミラー２５ａとプリズム２５ｂとを交互に配置して平板状とした構造を有するビームスプリッタアレイである。ここで、ハーフミラー２５ａは、隣接する一対のプリズム２５ｂに挟まれた偏光分離膜であり、Ｙ方向を長手方向としてＹ方向に延びている。ここで、偏光分離膜は、例えば誘電体多層膜で形成される。ハーフミラー２５ａは、光射出部Ｄ３の光射出面ＯＳに平行な基準面を、Ｙ方向に延びる所定の軸方向のまわりに時計回り又は半時計回りに回転させて傾斜角τだけ傾斜させた斜面となっている。全てのハーフミラー２５ａは、光射出面ＯＳに対して傾斜角τだけ傾斜して互いに平行であり、全体として導光方向に平行なＺ方向に配列されている。この際、ハーフミラー２５ａを配置するピッチは、ＰＴ１としており、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴ０の１／２となっている。ハーフミラー２５ａは、図３（Ａ）に示すように、入射した画像光ＧＬ２のうちＰ偏光の第１成分ＧＬ２ａを透過させ、Ｓ偏光の第２成分ＧＬ２ｂを反射する。また、ハーフミラー２５ａは、図３（Ｂ）に示すように、入射した画像光ＧＬ３のうちＰ偏光の第１成分ＧＬ３ａを透過させ、Ｓ偏光の第２成分ＧＬ３ｂを反射する。プリズム２５ｂは、Ｚ方向の両端を除いてＹＺ断面が平行四辺形となっており、Ｙ方向を長手方向としてＹ方向に延びている。これらのプリズム２５ｂは、斜面同士を接合することにより、全体として導光方向に平行なＺ方向に配列されている。

〔Ｇ．分岐平行化部材による光束の分岐〕
図３（Ａ）に示すように、反射ユニット２３ｃから射出された画像光ＧＬ２は、分岐平行化部材２５のハーフミラー２５ａに入射して、直進するＰ偏光の第１成分ＧＬ２ａと反射されるＳ偏光の第２成分ＧＬ２ｂとに分岐される。直進・通過するＰ偏光の第１成分ＧＬ２ａは、そのまま分岐平行化部材２５から射出されるが、反射されたＳ偏光の第２成分ＧＬ２ｂは、隣接するハーフミラー２５ａで再度反射されてＰ偏光の第１成分ＧＬ２ａと平行になり、分岐平行化部材２５から射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、これに平行な第１成分ＧＬ２ａと第２成分ＧＬ２ｂとに分岐され、両成分ＧＬ２ａ，ＧＬ２ｂは、導光方向である＋Ｚ方向に関して互いに位置ズレした状態となっている。この際、第１成分ＧＬ２ａの光束幅と第２成分ＧＬ２ｂの光束幅とは維持されるので、両成分ＧＬ２ａ，ＧＬ２ｂを合わせた光束幅は、重複がなければ２倍となる。さらに、画像光ＧＬ２は、液晶デバイス１１にランダム偏光板又は偏光解消板等を組み込むことによりＰ偏光とＳ偏光とを均等に含むものとでき、ハーフミラー２５ａによる分岐比を略５０％とできるので、両成分ＧＬ２ａ，ＧＬ２ｂの強度を等しくできる。つまり、分岐平行化部材２５を通すことで画像光ＧＬ２の導光方向（＋Ｚ方向）のデューティー比を２倍にして隙間ＢＤを減少させることができので、画像取出部２３の反射ユニット２３ｃによって光束が導光方向（＋Ｚ方向）に分断され観察画像に明暗の縦縞が形成されることを防止することができる

図３（Ｂ）に示すように、反射ユニット２３ｃから射出された画像光ＧＬ３は、分岐平行化部材２５のハーフミラー２５ａに入射して、直進・通過するＰ偏光の第１成分ＧＬ３ａと反射されるＳ偏光の第２成分ＧＬ３ｂとに分岐される。直進するＰ偏光の第１成分ＧＬ３ａは、そのまま分岐平行化部材２５から射出されるが、反射されたＳ偏光の第２成分ＧＬ３ｂは、隣接するハーフミラー２５ａで再度反射されてＰ偏光の第１成分ＧＬ３ａと平行になり、分岐平行化部材２５から射出される。つまり、画像光ＧＬ３は、これに平行な第１成分ＧＬ３ａと第２成分ＧＬ３ｂとに分岐され、両成分ＧＬ３ａ，ＧＬ３ｂは、導光方向である＋Ｚ方向に関して互いに位置ズレした状態となっている。この際、第１成分ＧＬ３ａの光束幅と第２成分ＧＬ３ｂの光束幅とは維持されるので、両成分ＧＬ３ａ，ＧＬ３ｂを合わせた光束幅は、重複がなければ２倍となる。さらに、画像光ＧＬ３は、液晶デバイス１１にランダム偏光板等を組み込むことによりＰ偏光とＳ偏光とを均等に含むものとでき、ハーフミラー２５ａによる分岐比を略５０％とできるので、両成分ＧＬ３ａ，ＧＬ３ｂの強度を等しくできる。つまり、分岐平行化部材２５を通すことで画像光ＧＬ３の導光方向（＋Ｚ方向）のデューティー比を２倍にして隙間ＢＤを減少させることができるので、画像取出部２３の反射ユニット２３ｃによって光束が導光方向（＋Ｚ方向）に分断され観察画像に明暗の縦縞が形成されることを防止することができる。

以上は、周辺部２３ｈ，２３ｍからの画像光ＧＬ２，ＧＬ３についての説明であったが、中央部２３ｋからの画像光ＧＬ１についても、光束の分岐によって導光方向（＋Ｚ方向）のデューティー比を増加させ隙間ＢＤを減少させることができる。

なお、以上では、ハーフミラー２５ａを配置するピッチＰＴ１が反射ユニット２３ｃを配置するピッチＰＴ０の１／２としたが、ハーフミラー２５ａのピッチＰＴ１は、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴ０以下で適宜増減することができる。例えば図４に示すように、中央部２３ｋから奥側の周辺部２３ｍで、ハーフミラー２５ａのピッチＰＴ１を反射ユニット２３ｃのピッチＰＴ０と等しくすることもできる。この場合も、中央部２３ｋから入口側の周辺部２３ｈでは、ハーフミラー２５ａのピッチＰＴ１を反射ユニット２３ｃのピッチＰＴ０の１／２のままとする。

以上のように、本実施形態の導光板２０等によれば、分岐平行化部材２５が画像取出部２３に設けた多数の反射ユニット２３ｃからの画像光ＧＬ２，ＧＬ３を当該複数の反射ユニット２３ｃからの光束に平行で導光方向（＋Ｚ方向）に関して位置ズレさせた成分ＧＬ２ａ，ＧＬ２ｂ，ＧＬ３ａ，ＧＬ３ｂにそれぞれ分岐するので、複数の反射ユニット２３ｃから分断されて取り出される画像光ＧＬ２，ＧＬ３の隙間によって映像中に縞状の輝度斑が観察される現象を抑制することができる。これにより、高品質な映像の形成や観察が可能になる。

〔第２実施形態〕
以下、図５を参照して、第２実施形態に係る導光板について説明する。第２実施形態に係る導光板は、図１（Ａ）等に示す第１実施形態に係る導光板２０の要部を変形したものであり、共通する部分については説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態の場合、分岐平行化部材２５を構成するハーフミラー２５ｅは、偏光分離膜ではなく、金属反射膜でできている。この場合、画像光ＧＬ２，ＧＬ３がＰ偏光とＳ偏光とを均等に含むものでなくても、金属反射膜の厚み等の設定によって、ハーフミラー２５ｅによる分岐比を略５０％とできる。なお、金属反射膜の場合、ハーフミラー２５ｅでの分岐を簡易に複数回とできるので、画像光ＧＬ２，ＧＬ３をより多く分岐してデューティー比を１に近づけることができる。

〔第３実施形態〕
以下、図６参照して、第３実施形態に係る導光板について説明する。第３実施形態に係る導光板は、図１（Ａ）等に示す第１実施形態に係る導光板２０の要部を変形したものであり、共通する部分についっては説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の場合、複屈折材料で形成され板状又は層状に配置される分岐平行化部材２２５を用いている。分岐平行化部材２２５の具体的な材料としては、方解石、複屈折液晶ポリマー、液晶等を用いることができる。この場合、分岐平行化部材２２５は、例えばＸＺ面内に光学軸ＯＡを有しており、画像光ＧＬ２のうち光学軸ＯＡに垂直な偏光成分である第１成分ＧＬ２ａは、正常光線として標準的な屈折率でスネルの法則に従って屈折されて分岐平行化部材２２５を通過するが、画像光ＧＬ２のうち光学軸ＯＡに水平な偏光成分を含む第２成分ＧＬ２ｂは、異常光線として分岐平行化部材２２５で異常に屈折されて通過する。これにより、画像光ＧＬ２を分岐することができ、分岐後の第１成分ＧＬ２ａと第２成分ＧＬ２ｂとを導光方向である＋Ｚ方向に関して互いに位置ズレした状態とでき、第１成分ＧＬ２ａの強度と第２成分ＧＬ２ｂの強度とを略一致させることができる。分岐平行化部材２２５を方解石から作製する場合、方解石が大きな複屈折を示すので、第１成分ＧＬ２ａと第２成分ＧＬ２ｂとを含む画像光ＧＬ２を広げてデューティー比を大きくする効果が大きい。同様に、分岐平行化部材２２５により画像光ＧＬ３を広げてデューティー比を比較的大きくすることができる。複屈折液晶ポリマーは、分子構造が鎖のように細長い形状を有しており、分子配列を規則正しくすることによって複屈折性を持たせることができる。また、複屈折液晶ポリマーは、ポリマー材料ゆえに柔らかく、破損して鋭利な破片等になりにくいので、危険性が低い。液晶は、複屈折液晶ポリマーと同様に鎖状の細長い分子構造を有しており、分子配列を規則正しくすることによって複屈折性を持たせることができる。また、液晶は、これを保持するための基板材料を柔らかすることができ、これに適当な処理を施して硬化させても柔らかくでき、破損して鋭利な破片等が発生しくいので、危険性が低い。

第３実施形態の導光板によれば、分岐平行化部材２２５が複屈折材料で形成されているので、画像取出部２３に設けた多数の反射ユニット２３ｃからの光束を簡単な構造で個別に分岐することができる。

〔その他〕
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。

上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス１１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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。なお、液晶デバイス１１やその光源において、画像取出部２３の光取出特性を考慮して輝度パターンの調整を行うこともできる。

上記の説明では、虚像表示装置１００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及び導光板２０を備えるとしているが、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と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、外界像を観察させる必要がない場合、第１〜第３実施形態において、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％にすることが可能である。

上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置することもできる。

上記の説明では、入射光折曲面２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等の光軸ＡＸに対する角度を用途や仕様に応じて様々な値とすることができる。

上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲを付けているものであってもよい。

上記の説明では、実施形態の虚像表示装置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、実施形態の虚像表示装置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の全反射面２２ａ，２２ｂ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の全反射面２２ａ，２２ｂ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、画像光の入射角が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂ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全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。

１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…投射光学系、 ２０…導光板、 ２１…入射光折曲面、 ２１ａ…ミラー層、 ２２…全反射面形成部、 ２２ａ…第１全反射面、 ２２ｂ…第２全反射面、 ２３ａ，２３ｂ…反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 ２３ｈ，２３ｍ…周辺部、 ２３ｋ…中央部、 ２４ａ，２４ｂ…ミラー層、 ２５…分岐平行化部材、 ２５ａ，２５ｅ…ハーフミラー、 ２５ｂ…プリズム、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 １００…虚像表示装置、 ２２５…分岐平行化部材、 ＡＸ…光軸、 ＢＤ…隙間、 Ｄ１…光入射部、 Ｄ２…導光部、 Ｄ３…光射出部、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 ＧＬ２ａ…第１成分、 ＧＬ２ｂ…第２成分、 ＧＬ３ａ…第１成分、 ＧＬ３ｂ…第２成分、 ＩＳ…光入射面、 ＯＳ…光射出面、 ＰＴ０，ＰＴ１…ピッチ、 ＲＳ…斜面、 Ｗ２，Ｗ３…有効光束幅

Claims (10)

1. 画像光を内部に取り込む光入射部と、
   対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、
   前記導光部を経て入射する前記画像光を所定の配列方向に配列される前記複数の反射ユニットでの光路の折り曲げによって外部へ取出す画像取出部を有する光射出部と、
   前記光射出部に対向して配置されるとともに、前記複数の反射ユニットからの光束を当該複数の反射ユニットからの光束に平行で前記所定の配列方向に関して位置ズレさせた状態に分岐する分岐平行化部材とを備える、導光板。
2. 前記分岐平行化部材は、ハーフミラーとプリズムアレイとを有するビームスプリッタアレイである、請求項１に記載の導光板。
3. 前記ハーフミラーの反射率は、略５０％である、請求項２に記載の導光板。
4. 前記ハーフミラーは、偏光分離膜である、請求項２及び３のいずれか一項に記載の導光板。
5. 前記ハーフミラーは、金属反射膜である、請求項２及び３のいずれか一項に記載の導光板。
6. 前記複数の反射ユニットは、前記所定の配列方向に第１のピッチで周期的に配列され、
   前記ビームスプリッタアレイは、前記第１のピッチ以下の第２のピッチで周期的に配列されている、請求項２から５までのずれか一項に記載の導光板。
7. 前記分岐平行化部材は、複屈折材料で形成されている、請求項１に記載の導光板。
8. 前記複屈折材料は、方解石、複屈折液晶ポリマー、及び液晶のいずれかである、請求項７に記載の導光板。
9. 前記反射ユニットは、第１の反射面と前記第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とで構成され、前記導光部にて導かれた前記画像光を前記第１の反射面により反射するとともに前記第２の反射面により前記第１の反射面で反射された前記画像光をさらに反射して光路の折り曲げを行う、請求項１から８までのいずれか一項に記載の導光板。
10. 請求項１から９までのいずれか一項に記載の導光板と、
    前記導光板に導かれる前記画像光を形成する画像形成装置と、
    を備える虚像表示装置。

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