JP2013083745A - 虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者の使用中の眼への負担を軽減して、長時間の使用であっても観察者のストレスを抑えることができ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、クッション部材１５１を有すること、あるいは、画像表示装置１１と投射光学系１２との間でのシフト量を調整することで映像光軸ＩＸの方向調整すなわち観察者ＰＡの目線の角度調整を可能とし、これによって使用中での観察者ＰＡの眼ＥＹへの負担が軽減されるので、例えば虚像表示装置１００を長時間に亘って使用する場合であっても観察者ＰＡに掛かるストレスを抑えることができる。
【選択図】図７

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（例えば特許文献１、２等参照）。

ヘッドマウントディスプレイは、装置の小型化やデザイン性の観点から、特許文献１、２の場合に限らず、一般に多くのものが、メガネやサングラスのような形状となっている。このような構成のヘッドマウントディスプレイにおいて、形状に沿って画像光を伝搬させると、画像光が、その中心である中心光軸の方向を略水平０度とする状態で射出される。観察者は、この画像光の中心光軸の方向を目線の方向とするため、真っ直ぐ前を向いた状態で映像を観察し続けることになる。

しかしながら、真っ直ぐ前を向いた状態において、人間の眼は、大きく見開いて観察を行う構造となっているため、観察者のまぶたに大きな負担がかかる。従って、この状態が長く続くと、観察者は眼の疲労によるストレスを感じる。ヘッドマウントディスプレイは、長時間継続しての使用が想定されるため、このようなストレスは特に問題となり得る。

特開２００８−１７２３６７号公報 特開２０００−２４９９６９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、観察者の使用中の眼への負担を軽減して、長時間の使用であっても観察者のストレスを抑えることができ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による虚像を形成する投射光学系と、（ｃ１）投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｃ２）光入射部から取り込まれた画像光を全反射により導く導光部と、（ｃ３）導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する（ｃ）導光装置と、（ｄ）導光装置を支持するフレームと、を備え、（ｅ）導光装置から射出される画像光の映像光軸を、観察者の眼の正面に対応する正面視方向に対して傾いた方向に調整する傾斜角調整手段を有する。ここで、画像光の映像光軸とは、光射出部から射出される画像光のうち画像の中心から射出される成分の主光線に相当するものであり、画像光を観察する観察者の目線を決定するものである。また、観察者の正面視方向とは、観察者にとっての正面方向を言い、例えば観察者が真っ直ぐ座って或いは立った状態で正面を見る場合では、水平方向が正面視方向となる。この正面視方向は、導光装置を支持するフレームの形状が定まることで規定される。つまり、虚像表示装置においては、画像表示装置、投射光学系及び導光装置の相対的な配置関係や、観察者が装着する際の耳や鼻に当接する部材の位置が少なくとも導光装置を支持しているフレームによって確定する。虚像表示装置は、観察者の眼や鼻の一般的位置を想定して作製されるものであり、この想定に基づいてフレームの形状を確定させることで、上記光学部材との間で観察者にとって真っ直ぐ前を向いた状態となる方向と想定される正面視方向を確定することが可能になる。

上記虚像表示装置では、傾斜角調整手段を有することで正面視方向を基準として映像光軸の方向についての調整すなわち観察者の目線の角度調整を可能としている。これにより、例えば観察者の目線の方向が自然と観察者にとって下方側を観察するものとなるようにすることができる。このような観察者の目線の角度調整により、正面視方向に向いた状態で観察をする場合に比べて、観察者の眼への負担を軽減できるので、長時間に亘って使用する場合であっても観察者に掛かるストレスを抑えられる。

本発明の具体的な側面では、傾斜角調整手段が、正面視方向に対して、投射光学系の投射光軸を傾ける投射光軸調整部である。この場合、投射光学系の投射光軸を傾けることで、画像光の映像光軸の傾きを直接的に調整できる。

本発明の別の側面では、投射光軸調整部が、投射光学系の全体を傾けることで投射光軸を傾けるとともに、導光装置の全体を傾ける。この場合、投射光学系及び導光装置が傾くことで、画像光の映像光軸の傾きが調整される。

本発明のさらに別の側面では、投射光軸調整部が、フレームのうち観察者の耳の位置に対応する部分に配置されるクッション部材である。この場合、クッション部材のサイズを調整することで、投射光学系の投射光軸の傾きを調整でき、ひいては画像光の映像光軸の傾きを簡易に調整できる。

本発明のさらに別の側面では、傾斜角調整手段が、投射光学系の投射光軸と平行に延びる画像表示装置の表示中心軸を、投射光学系の投射光軸に垂直な方向にシフトさせたシフト構造である。この場合、シフト構造においてシフト量を調整することで、画像光の映像光軸の傾きを調整できる。

本発明のさらに別の側面では、導光装置が、シフト構造による画像表示装置のシフト量に応じて、光入射部、導光部及び光射出部の有効領域を調整している。この場合、導光装置において、画像表示装置からの画像光を、導光装置において確実に伝搬させることができる。

本発明のさらに別の側面では、投射光学系の投射光軸が延びる方向は、正面視方向に沿っている。この場合、例えば観察者が眼鏡を装着した状態を想起すると、通常の設計において眼鏡のテンプルは正面視方向に略沿って延びるものとなっていると考えられる。従って、投射光学系の投射光軸が眼鏡のテンプルにほぼ沿って延びるものにでき、装置の小型化が図れ、また、デザイン性を高いものにできる。

本発明のさらに別の側面では、傾斜角調整手段が、光射出部における画像光を外部へ取出すための反射面を有し、当該反射面の角度を調整する画像取出面調整構造である。この場合、反射面の角度を調整することで、画像光の映像光軸の傾きを調整できる。

本発明のさらに別の側面では、傾斜角調整手段が、光射出部における画像光を外部へ取出すための反射面を有し、当該反射面の領域が、画像光の映像光軸を傾ける方向に対応して導光装置の光透過領域の周辺側に偏って配置されている。この場合、光射出部において、所望の角度で映像光軸を傾けた画像光を確実に射出させることができる。

本発明のさらに別の側面では、傾斜角調整手段が、正面視方向に対して、画像光の映像光軸を観察者にとっての下方側に対応する俯瞰方向に傾ける。この場合、観察者の目線の方向を、正面視方向よりも下方側を観察する俯瞰方向となるようにする、言い換えると、見下ろすような角度で観察させるようにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、傾斜角調整手段が、正面視方向に対して、画像光の映像光軸の傾斜角度を７度以上傾ける。この場合、観察者の眼への負担が軽減されるのに必要な程度に観察者の目線の角度が自然と下がるようにできる。

本発明のさらに別の側面では、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、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、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。この場合、反射回数の異なる画像光を同時に合成して１つの虚像を形成する画像光として取り出して、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。

第１実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を装着した状態を示す側面図であり、（Ｂ）は、透視図である。（Ｃ）は、比較例の図である。 （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、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。 （Ａ）は、虚像表示装置の構造を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、映像光軸について説明するための図であり、（Ｃ）は、映像光軸と虚像との関係について説明するための図であり、（Ｄ）は、比較例の図である。 （Ａ）は、第２実施形態の虚像表示装置の構造を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、映像光軸について説明するための図であり、（Ｃ）は、映像光軸と虚像との関係について説明するための図であり、（Ｄ）は、虚像表示装置の光路を模式的に示す図である。 （Ａ）は、第３実施形態の虚像表示装置について説明するための導光部材を示す図であり、（Ｂ）は、導光部材の斜視図であり、（Ｃ）は、比較例の導光部材を示す図であり、（Ｄ）は、比較例の導光部材の斜視図である。 第３実施形態の虚像表示装置の光路を模式的に示す図である。

〔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等〕
図１に示す本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等を支持するフレーム１２１と、フレーム１２１の前方のカバー部分１９１，１９２からテンプル１４１，１４２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。特に、フレーム１２１は、テンプル１４１，１４２のうち第１及び第２駆動部１３１，１３２に隣接する部分に耳用のクッション部材１５１，１５２を有している。つまり、フレーム１２１は、各駆動部１３１，１３２やクッション部材１５１，１５２を支持する部材でもあり、これらの部材や光学パネル１１０等の虚像表示装置１００を構成する各部材の相対的配置関係を確定するものでもある。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。

図２（Ａ）等は、観察者ＰＡが虚像表示装置１００を装着した状態を左側方から見たものである。なお、右側方から見た状態は、同様であるため、図示等を省略する。図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、虚像表示装置１００が装着された状態において、装着者である観察者ＰＡの耳ＥＡには、耳用のクッション部材１５１が当たっている。これにより、通常のメガネやサングラス等を掛けた場合と比べて、虚像表示装置１００は、やや前傾した状態となっている。具体的には、比較例である図２（Ｃ）に示すクッション部材１５１を設けない通常の虚像表示装置の場合では、上端面ＵＥの延びる方向が水平面に対して略平行であるのに対して、本実施形態では、図２（Ｂ）に示すように、クッション部材１５１を設けることで、上端面ＵＥの延びる方向が水平面に対して約７°前方に傾斜した状態となっている。

なお、観察者ＰＡは、虚像表示装置１００に付随するイヤホンＰＨを併せて装着することで、映し出される画像ととともに音声を聞くことができる。

ここで、虚像表示装置１００を装着した観察者ＰＡにとっての正面方向、つまり、例えば観察者が状態で真っ直ぐ座って或いは立った状態で正面を見る場合の水平方向を、虚像表示装置１００の正面視方向ＳＰとする。この正面視方向ＳＰは、虚像表示装置１００が作製される際に、一般的な人間の眼や鼻等の位置を想定してフレーム１２１の形状を確定させる、すなわち虚像表示装置１００を構成する各部材の相対的な配置を定めることで規定される。虚像表示装置１００によって形成される画像は、上端面ＵＥに垂直であって観察者ＰＡにとっての虚像表示装置１００の正面ＦＦに平行な面に沿って形成されるように設計されている。この場合、図２（Ｃ）に示す比較例のように、上端面ＵＥが正面視方向ＳＰに対して略平行となるように設計されていると、正面視方向ＳＰが観察者ＰＡの目線の方向となる。これに対して、図２（Ｂ）に示す本実施形態の一例では、図示のように上端面ＵＥが正面視方向ＳＰに対して約７°傾斜している、すなわち装置全体として正面視方向ＳＰに対して傾いている。従って、観察者ＰＡの目線が、正面視方向ＳＰに対してやや下方の方向となる。本実施形態では、図示のように、虚像表示装置１００の正面ＦＦの中心からこの方向に延びる軸を映像光軸ＩＸとする。詳しくは後述するが、映像光軸ＩＸは、観察者ＰＡの観察方向を示すものであり、虚像表示装置１００から射出される画像光のうち画像の中心から射出される成分の主光線に相当するものとなっている。また、正面視方向ＳＰと映像光軸ＩＸとのなす角を、傾斜角ηとする。図示の場合上述の内容から、傾斜角ηは、約７度ということになる。

なお、正面視方向ＳＰは、上記のように、観察者ＰＡが真っ直ぐ座って或いは立って正面を見る場合では水平方向が相当するが、虚像表示装置１００は、観察者ＰＡとともに動くため、正面視方向ＳＰと水平方向とは常に一致するものではない。しかし、傾斜角ηの値は、観察者ＰＡの姿勢にかかわらず一定の値となる。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図３（Ａ）及び３（Ｂ）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の中心を通る第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。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、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、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。

上記の第１光軸ＡＸ１は、投射光学系１２の中心を通る投射光軸であり、第２光軸ＡＸ２は、導光装置２０から射出される画像光の中心光軸である。特に、本実施形態では、第２光軸ＡＸ２が、観察者の目線を決定する映像光軸ＩＸ（図２（Ｂ）参照）に相当するものとなっている。

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。一方、導光に際して反射によって折り返されないで伝搬する縦方向すなわち非閉じ込め方向は、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。なお、導光部材２１において、伝搬される光束が全体として向かう主導光方向は、−Ｘ方向になっている。

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を本体部分２０ａとし、本体部分２０ａは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光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、本体部分２０ａを一体形成品とするが、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、矩形の輪郭を有し、その矩形領域全体に、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための全反射ミラーであるミラー層２５（ミラー膜）を有する。このミラー層は、導光部材２１の本体部分２０ａ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が、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、表面コート層であるハードコート層ＣＣで被覆されている。

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、全体として導光装置２０の奥側の主導光方向すなわち光射出部Ｂ３を設けた＋Ｚ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。

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裏側の平面であり、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、矩形の平坦面であり、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外に射出させるとともに外界光を透過させるためのハーフミラー層２８を有する。つまり、このハーフミラー層２８は、画像光を折り曲げる光折り曲げ用の反射膜であるとともに、光透過性を有する半透過反射膜である。ハーフミラー層（半透過反射膜）２８は、導光部材２１のうち第４反射面２１ｄを構成する斜面ＲＲ上に例えば銀等による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、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において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を透過した画像光の成分は、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の本体と同一の材料で構成され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材を有するものとなっている。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、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。なお、光透過部材２３の表面には、導光部材２１と共通してハードコート層ＣＣが施されている。

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光透過面である。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。

〔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、図示のように、光軸ＡＸ’に対応する第１光軸ＡＸ１との関係から、映像光軸ＩＸの延びる方向と光軸ＡＸ’の延びる方向とが一致している。つまり、眼ＥＹの向く方向は、正面視方向ＳＰに対してやや下方となっている。

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ＣＳ２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、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３（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（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ＳＩ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ＳＩ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。

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。

〔Ｅ．虚像表示装置からの画像光の観察〕
以下、虚像表示装置から射出される画像光の観察について説明する。図７（Ａ）等は、装着された状態での虚像表示装置１００の構造を模式的に示すものである。なお、ここでは、簡便化のため、観察者ＰＡについては、観察者ＰＡが装着する眼鏡ＭＧや観察者ＰＡの眼ＥＹによって示すものとする。

図２（Ａ）等において示したように、虚像表示装置１００では、テンプル１４１がクッション部材１５１を有することで、虚像表示装置１００の全体が前方に傾斜した状態となっている。つまり、虚像表示装置１００を構成する第１駆動部１３１や第１パネル部分１１１が前傾している。見方を変えると、図７（Ａ）に模式的に示すように、テンプル１４１（クッション部材１５１）が虚像表示装置１００のうち観察者ＰＡの後頭部に近い側を上方に引き上げる役割をすることで、第１駆動部１３１に相当する画像形成装置１０を構成する画像表示装置１１や投射光学系１２及び導光部材２１といった構成要素の全体を、前傾した状態としている。つまり、投射光学系１２の投射光軸である第１光軸ＡＸ１は、観察者ＰＡが真っ直ぐ前を見た方向すなわち正面視方向ＳＰに対して傾斜角ηだけ傾いている。また、第１光軸ＡＸ１が傾斜角ηだけ傾斜していることに伴って、図７（Ｂ）に示すように、導光部材２１を経て射出される画像光の中心光軸である第２光軸ＡＸ２の方向も、正面視方向ＳＰに対して傾斜角ηだけ傾いている。本実施形態の場合、第２光軸ＡＸ２は、観察者の目線を決定する映像光軸ＩＸに相当するものとなっている。

ここで、画像光の映像光軸ＩＸとは、既述のように、観察者ＰＡの観察方向を示すものであるが、より詳しく説明すると、虚像表示装置１００の光射出部Ｂ３（図３（Ａ）等参照）から平行光束化されて射出される画像光のうち画像の中心から射出される成分の主光線に相当するものを意味する。つまり、図７（Ｃ）に示すように、映像光軸ＩＸは、観察者ＰＡが観察対象の画像として認識する投射像（虚像）ＩＭの中心ＣＴと、観察点である観察者ＰＡの眼ＥＹとを結んだ線上にある軸である。観察者ＰＡは、観察対象の中心に視点を置いて画像観察をするのが通常であるため、この映像光軸ＩＸは、画像光を観察する観察者ＰＡの目線を決定するものとなる。本実施形態の場合、虚像表示装置１００の全体を傾斜角ηだけ傾斜させた構成であるから、画像光の射出側の光軸である第２光軸ＡＸ２が映像光軸ＩＸそのものとなる。

虚像表示装置１００は、比較例として図７（Ｄ）に示すテンプル１４１がクッション部材１５１を有さない虚像表示装置と異なり、第１光軸ＡＸ１ひいては映像光軸ＩＸの方向が正面視方向ＳＰに対して平行とならず、観察者ＰＡにとって下方側に見る状態すなわち俯瞰した状態に対応する俯瞰方向に傾斜角ηだけ傾斜している。この場合、観察者ＰＡの目線の方向が自然と傾斜した映像光軸ＩＸに沿った方向となり、観察者ＰＡは、やや下方を観ている状態で画像光の観察を続けることになる。人間の眼ＥＹは、正面視方向ＳＰから７°以上より好ましくは１０°〜１５°程度下方を観るような俯瞰した状態で観察を続けることが望ましい構造となっている。このため、例えば一般の眼鏡ＭＧのレンズ面ＬＳもテンプルＴＰの延びる方向に対して垂直ではなくやや前倒しに傾斜したものとなっている。一方、図７（Ｄ）に示す比較例の場合のように、映像光軸ＩＸが側方から見て各光軸ＡＸ１，ＡＸ２と一致し、正面視方向ＳＰと平行な状態になっていると、観察者ＰＡは、真正面を見る状態となり、眼ＥＹを比較的大きく見開いて画像を見続けることになるため、まぶたに大きな負担が掛かることになる。本実施形態の虚像表示装置１００では、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）等に示すように、映像光軸ＩＸを、正面視方向ＳＰに対して一般の眼鏡ＭＧ等と同程度に傾けている。つまり、導光部材２１が眼鏡ＭＧのレンズ面ＬＳと略真正面で対向した状態としている。これにより、観察者ＰＡの目線を自然に下げさせて、眼ＥＹへの負担が軽減されるものとなっている。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００では、クッション部材１５１を有することで、投射光学系１２や導光装置２０を正面視方向ＳＰに対して傾斜角ηだけ傾けている。これにより、映像光軸ＡＸ２の方向調整すなわち観察者ＰＡの目線の角度調整を可能とし、虚像表示装置１００の使用中における観察者ＰＡの眼ＥＹへの負担が軽減される。従って、例えば虚像表示装置１００を長時間に亘って使用する場合であっても観察者ＰＡに掛かるストレスを抑えることができる。以上のように、クッション部材１５１，１５２は、観察者の耳の位置に対応する部分に配置され正面視方向ＳＰに対して第１光軸ＡＸ１を傾ける投射光軸調整部であり、傾斜角ηを調整する傾斜角調整手段として機能する。上記では、傾斜角ηの値を約７°としているが、傾斜角ηの値は、これに限らず、クッション部材１５１，１５２のサイズを調整することで、種々の値に調整可能である。

なお、図１等に示すクッション部材１５１，１５２は、観察者ＰＡの側頭部にも当たるようにしてもよい。クッション部材１５１，１５２が適度なテンションで観察者ＰＡの頭を挟むことにより、観察者ＰＡに係る虚像表示装置１００の重量を適度に分散させて、長時間の観察における疲労をさらに低減することができる。

〔第２実施形態〕
以下、図８（Ａ）〜８（Ｄ）により、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態の虚像表示装置２００は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない部分又は事項は、第１実施形態の場合と同様であるので、図７（Ａ）〜７（Ｃ）に対応する図である図８（Ａ）〜８（Ｃ）及び光路について模式的に示す図８（Ｄ）のみを示し、全体の構成等については、図示及び説明を省略する。

図８（Ａ）に示すように、本実施形態の虚像表示装置２００では、画像形成装置１０を構成する画像表示装置１１や投射光学系１２、導光部材２１等は、第１実施形態の虚像表示装置１００と異なり前傾していない。言い換えると、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１すなわち投射光軸は、正面視方向ＳＰに対して平行となっている。

一方、画像表示装置１１の中心軸である表示中心軸ＸＸは、図示のように、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１に対して平行であるが、垂直下方にシフトしたものとなっている。つまり、虚像表示装置２００は、画像表示装置１１の表示中心軸ＸＸを第１光軸ＡＸ１からシフトさせたシフト構造ＳＣを有するものとなり、映し出される画像も観察者ＰＡにとっての下方側へシフトする。これにより、図８（Ｂ）及び８（Ｃ）に示すように、観察対象である投射像（虚像）ＩＭの中心ＣＴが、仮にシフトをしなかった場合の投射像（虚像）ＩＭａの中心ＣＴａと比べて、距離ＤＤだけ下方にシフトし、映像光軸ＩＸの方向調整すなわち観察者ＰＡの目線が下方側へ向けさせている。

以上の画像をシフトさせる構造について、図８（Ｄ）に模式的に示す光路を用いて説明する。画像表示装置１１のうち中心１１ｃから射出される画像光の各光束成分ＰＸは、投射光学系１２において平行光束化され、導光装置２０（図示略）の第４反射面２１ｄを経て観察者ＰＡの眼ＥＹに到達する。この場合、光束成分ＰＸは、中心１１ｃから射出されるものであるから、画像光のうち画像の中心から射出される成分の主光線に相当する。つまり、光束成分ＰＸの中心光束が映像光軸ＩＸとなり、光束成分ＰＸの正面視方向ＳＰに対する角度が傾斜角ηとなる。本実施形態では、図示のように、画像表示装置１１の表示中心軸ＸＸが投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１に対してシフトしており、また、これに伴って、第４反射面２１ｄの中心軸である第２光軸ＡＸ２もシフトしている。これらのシフト量を調整することで、光束成分ＰＸの角度すなわち映像光軸ＩＸの傾斜角ηの調整が可能となる。

以上のように、本実施形態では、画像表示装置１１と投射光学系１２とにおけるシフト構造ＳＣが、映像光軸ＩＸの方向を調整するすなわち傾斜角ηの角度を調整する傾斜角調整手段として機能している。

なお、以上の構成において、必要であれば画像表示装置１１のシフト量に応じて、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２及び光射出部Ｂ３（図３（Ａ）参照）の有効領域すなわち反射面２１ｃ，２１ｄ等として機能できる領域を調整しておくことで、図８（Ｃ）に示す投射像（虚像）ＩＭの一部が欠けた画像となることがないように確実に画像光を伝搬させるものとすることができる。

なお、この場合、虚像表示装置２００は、装着時において装置全体を傾けた状態とする必要がないので、通常の眼鏡やサングラスの形状と同様の形状とすることができる。つまり、虚像表示装置２００全体の側面形状が、正面視方向ＳＰに略平行に延びるものとなるすなわち観察者ＰＡが装着する眼鏡ＭＧのテンプルＴＰに略沿って延びるものとなる。これにより、特に眼鏡の上から虚像表示装置２００を装着する場合にも、小型で、かつ、眼鏡のような形状として違和感のないデザイン性の高いものにすることが容易になる。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置２００では、画像表示装置１１と投射光学系１２との間でのシフト量を調整することで映像光軸ＩＸの方向調整すなわち観察者ＰＡの目線の角度調整を可能とし、観察者ＰＡの眼ＥＹへの負担が軽減されるので、例えば虚像表示装置２００を長時間に亘って使用する場合であっても観察者ＰＡに掛かるストレスを抑えることができる。

〔第３実施形態〕
以下、図９（Ａ）等により、第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本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の変形例であり、特に説明しない部分又は事項は、第１実施形態の場合と同様であるので、全体の構成等については、図示及び説明を省略する。

本実施形態では、図９（Ａ）及び９（Ｂ）に示すように、本実施形態の虚像表示装置を構成する導光部材３２１は、第４反射面２１ｄの法線方向がＹ方向について成分を持つように傾けた画像取出面調整構造ＰＰを有している。これにより、第４反射面２１ｄで反射されて射出される画像光の映像光軸を傾けることができる。なお、本実施形態の虚像表示装置の外観及び構造については、第１実施形態の虚像表示装置１００とは異なり、クッション部材１５１，１５２を有しておらず、また、第２実施形態の虚像表示装置２００とは異なり、シフト構造ＳＣを有していない。従って、外観としては、図７（Ｄ）に示す比較例の場合と同様のものとなっている。第１実施形態の場合、例えば比較例として図９（Ｃ）及び９（Ｄ）に示す導光部材２１、あるいは図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示す導光装置２０の導光部材２１のように、第３反射面２１ｃや第４反射面２１ｄがＸＹ面に平行な状態からＹ軸を回転軸として決められた角度α，βだけ傾いたものとなっている。この場合、例えば図９（Ｄ）に示すように、＋Ｚ方向から光入射面ＩＳに入射した成分ＧＬＩは、光射出面ＯＳから−Ｚ方向の成分ＧＬＯとして射出されることになる。つまり、各反射面２１ｃ，２１ｄを経ても光射出側において当該成分は、Ｙ方向への方向成分を持たない。これに対して、本実施形態では、図９（Ａ）及び９（Ｂ）に示すように、例えば第４反射面２１ｄの傾きが調整されているすなわち反射面２１ｄの法線方向がＹ方向について成分を持つように傾けられている。これにより、光射出面ＯＳから射出される際の画像光の映像光軸がＹ方向への成分を持つように傾けることができる。具体的には、図１０に示すように、映像光軸ＩＸは、画像表示装置１１の中心１１ｃから射出される光束成分ＰＸによって定められるものであり、第４反射面２１ｄの角度を調整することにより、光束成分ＰＸすなわち映像光軸ＩＸの傾斜角ηを調整する機能を有するものとすることができる。なお、この場合、反射面２１ｄの領域すなわち半透過反射膜を形成する領域は、面全体ではなく、画像光の映像光軸を傾ける方向に対応して導光部材２１のうち外光等を通過させる光透過領域の下方側（周辺側）すなわち−Ｙ側に偏った配置とすることができる。また、以上では、傾ける面を第４反射面２１ｄとしているが、これに限らず、例えば第３反射面２１ｃを傾けることも考えられる。

以上のように、本実施形態では、画像光を導光部材２１内に導くための第３反射面２１ｃや画像光を外部へ取出すための第４反射面２１ｄの角度を調整する画像取出面調整構造ＰＰを、画像光の映像光軸ＩＸの傾斜角ηを調整する傾斜角調整手段として有することで、観察者の目線を自然に下げさせることができる。

〔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。

まず、第３実施形態に限らず、上記第１及び第２実施形態においても、反射面２１ｄの領域すなわち半透過反射膜を形成する領域を面全体ではなく、画像光の映像光軸を傾ける方向に対応して導光部材２１のうち外光等を通過させる光透過領域の下方側（周辺側）に偏って配置とすることができる。

また、第１実施形態では、投射光学系１２とともに導光装置２０も傾けるものとしているが、投射光学系１２のみを傾ける構造とすることも可能である。この場合、導光装置２０を経た画像光の映像光軸は、投射光学系１２の投射光軸とは必ずしも平行とはならないが、傾け方を適宜調整することで、所望の方向に画像光の映像光軸を傾斜させて射出することができる。

また、上記では、いずれも投射光学系１２を有する構成としているが、例えば、画像表示装置１１において形成された画像光を導光装置２０に直接導き、投射光学系１２を有さない構成としてもよい。この場合、例えば図９（Ａ）等に示す画像取出面調整構造ＰＰによって傾斜角調整手段を構成することで画像光の映像光軸ＩＸを調整して、観察者の目線を自然に下げさせることができる。

上記実施形態では、虚像表示装置１００をシースルータイプのものとして説明しているが、本発明は、シースルーでないタイプのヘッドマウントディスプレイにおいても適用することができる。

上記実施形態では、照明装置３１からの照明光ＳＬに特に指向性を持たせていないが、照明光ＳＬに液晶表示デバイス３２の位置に応じた指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス３２を効率的に照明することができ、画像光ＧＬの位置による輝度ムラを低減できる。

上記実施形態では、液晶表示デバイス３２の表示輝度を特に調整していないが、図６（Ｂ）等に示すような投射像ＩＭ１，ＩＭ２の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。

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と光入射面ＩＳ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。

上記実施形態では、光射出部Ｂ３における画像の取出しを、一枚構成の反射面である第４反射面２１ｄで行うものとしているが、このようなタイプの虚像表示装置に限らず、例えば複数の反射面によって画像を取り出す角度変換部を有して、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて異なる角度で入射させた画像光を、異なる回数全反射させて取り出すタイプの虚像表示装置においても、上記のような傾斜角調整手段を設けることができる。このような角度変換部を有するものの一例として、例えば、角度変換部が第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して傾斜し互いに平行に等間隔で配列される多数のハーフミラー層を有する構造のものが考えられる。この場合、画像光のうち最大の反射角で第１反射面２１ａに入射し、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて全反射される画像光の成分は、角度変換部のうち最も入口側（＋Ｘ側）での反射により角度が変換されて取り出され、最小の反射角で第１反射面２１ａに入射し、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて全反射される成分は、角度変換部のうち最も奥側（−Ｘ側）での反射により角度が変換されて取り出される。また、角度変換部を有するものの別の一例として、例えば、角度変換部が第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して互いに異なる角度で傾斜する第１の反射面と、第２の反射面とを１組とする反射ユニットを、ストライプ状に多数配列させているものが考えられる。この場合、最大の反射角で入射した画像光の成分が最も奥側（−Ｘ側）で取り出され、最小の反射角で入射した画像光の成分が最も入口側（＋Ｘ側）で取り出される。また、この場合、１つの反射ユニットを経た画像光は、他の反射ユニットを経ることなく、角度変換部での１回だけの通過で所望の角度で取り出される。

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。

また、上記の方式に限らず、種々の他の方式のＨＭＤについても本発明の適用が可能であり、例えば直視型のＨＭＤに適用できる。

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、 ２０ａ…本体部分、 ２１，２２１…導光部材、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…反射面、 ２１ｅ…上面、 ２１ｆ…下面、 ２１ｈ…端面、 ２３…光透過部材、 ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…面、 ２５…ミラー層、 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、 １００，２００…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、 １５１，１５２…クッション部材（投射光軸調整部、傾斜角調整手段）、 ＳＰ…正面視方向、 ＩＸ…映像光軸、 ＸＸ…表示中心光軸、 ＡＸ１…第１光軸（投射光軸、）、 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、 ＧＬ…画像光、 ＧＬ’…外界光、 ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２…画像光、 ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ…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、 ＣＣ…ハードコート層、 ＳＣ…シフト構造（傾斜角調整手段）、 ＰＰ…画像取出面調整構造、 ＰＡ…観察者、 ＭＧ…眼鏡、 ＴＰ…（眼鏡の）テンプル

Claims (12)

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による虚像を形成する投射光学系と、
   前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置と、
   前記導光装置を支持するフレームと、
   を備え、
   前記導光装置から射出される前記画像光の映像光軸を、観察者の眼の正面に対応する正面視方向に対して傾いた方向に調整する傾斜角調整手段を有する、画像表示装置。
2. 前記傾斜角調整手段は、前記正面視方向に対して、前記投射光学系の投射光軸を傾ける投射光軸調整部である、請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記投射光軸調整部は、前記投射光学系の全体を傾けることで前記投射光軸を傾けるとともに、前記導光装置の全体を傾ける、請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記投射光軸調整部は、前記フレームのうち観察者の耳の位置に対応する部分に配置されるクッション部材である、請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記傾斜角調整手段は、前記投射光学系の投射光軸と平行に延びる前記画像表示装置の表示中心軸を、前記投射光学系の投射光軸に垂直な方向にシフトさせたシフト構造である、請求項１に記載の画像表示装置。
6. 前記導光装置は、前記シフト構造による前記画像表示装置のシフト量に応じて、前記光入射部、前記導光部及び前記光射出部の有効領域を調整している、請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記投射光学系の投射光軸が延びる方向は、前記正面視方向に沿っている、請求項５及び６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記傾斜角調整手段は、前記光射出部における前記画像光を外部へ取出すための反射面を有し、当該反射面の角度を調整する画像取出面調整構造である、請求項１に記載の画像表示装置。
9. 前記傾斜角調整手段は、前記光射出部における前記画像光を外部へ取出すための反射面を有し、当該反射面の領域は、前記画像光の映像光軸を傾ける方向に対応して前記導光装置の光透過領域の周辺側に偏って配置されている、請求項１から８までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 前記傾斜角調整手段は、前記正面視方向に対して、前記画像光の映像光軸を観察者にとっての下方側に対応する俯瞰方向に傾ける、請求項１から９までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
11. 前記傾斜角調整手段は、前記正面視方向に対して、前記画像光の映像光軸の傾斜角度を７度以上傾ける、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
12. 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１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

Images