JP2015172676A - 表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を提供する。
【解決手段】導光部２７と、導光部２７に映像光を導入する光学系（２４、２５）と、導光部２７内を伝播する映像光を伝播方向に亘って導光部２７の表面から射出させる光束取出し部３６と、を備える表示装置１０において、導光部２７の表面Ｓ９に接して光学系（２４、２５）の一部（２５）を位置決めする位置決め部材５１を備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、射出瞳を拡大して映像を表示する表示装置に関するものである。
従来の表示装置として、例えば、観察者が様々な位置において映像を観察可能にするために、投影光学系の射出瞳を拡大するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の表示装置は、表示すべき映像光を導光部に導入し、導光部内で映像光を繰り返し全反射させながら導光している。ここで、全反射とは、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に光が入るときに、入射光が境界面を透過せず、すべて反射する現象を指す。そして、導光部内を映像光が導光中に、導光部に接合された光束取出し部により映像光を導光部の表面から順次射出させている。これにより、導光部の表面のほぼ全域から映像光を射出させて導光部に入射する映像光の射出瞳を拡大し、導光部の表面の任意の位置において映像を虚像として観察可能としている。
特開２０１３−０６１４８０号公報
特許文献１に開示の表示装置は、導光部の表面を空気と接触させることで、導光部内に入射された映像光を導光部の表面で確実に全反射させるようにしている。そのため、このような表示装置では、導光部を装置に固定するために、あるいは導光部に映像光を入射させる光学系の一部を導光部に固定するために、導光部表面の全反射の有効領域内に接着剤等を塗布したりすると、その固定部分で映像光が全反射されなくなる。その結果、観察される映像に欠けが生じるなどの画質の劣化を招くことが想定される。その対策として、導光部表面の全反射の有効領域外に接着シロを形成することが想定される。しかし、接着シロを形成すると、その分、導光部が大きくなって、装置の大型化やコストアップを招くことになる。
したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を提供することにある。
上記目的を達成する本発明は、導光部と、該導光部に映像光を導入する光学系と、前記導光部内を伝播する前記映像光を伝播方向に亘って前記導光部の表面から射出させる光束取出し部と、を備える表示装置において、
前記導光部の前記表面に接して前記光学系の一部又は前記導光部を位置決めする位置決め部材を備える、ことを特徴とするものである。
前記位置決め部材は、前記表面に弾性的に押圧されて接するとよい。
前記位置決め部材は、前記表面に点接触するとよい。
前記位置決め部材は、前記表面に線接触してもよい。
前記位置決め部材は、前記表面に接する面が粗面からなってもよい。
前記粗面は、面粗度Ｒｖが０．６μｍ以上とするとよい。
前記位置決め部材は金属からなるとよい。
前記位置決め部材はプラスチックからなってもよい。
本発明によれば、装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を提供することができる。
第１実施の形態に係る表示装置の斜視図である。 図１の映像投影光学系の構成を概略的に示す構成図である。 図１の瞳拡大光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。 図３の第１の伝播光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。 第１の伝播光学系の側面図である。 入射角により薄膜の分光曲線が波長方向に沿ってシフトする性質を説明するための、薄膜の波長に対する反射率を示すグラフである。 第１の偏光ビームスプリット膜の入射領域からの距離に応じた透過率を示すグラフである。 図３の第２の伝播光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。 図３の１／２波長板の支持機構を説明するための図である。 スペーサの一例を示す図である。 スペーサの他の例を示す図である。 スペーサの更に他の例を示す図である。 第２実施の形態に係る表示装置の要部の構成を示す図である。 図１３の受け部の３つの例を示す図である。 第３実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。 第３実施の形態の伝播光学系の支持機構を説明するための図である。 第４実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る表示装置の斜視図である。図１に示す表示装置１０は、映像投影光学系１１及び瞳拡大光学系１２を含んで構成される。本実施の形態において、映像投影光学系１１の光軸に沿った方向をｚ方向、ｚ方向に垂直且つ互いに垂直な２方向をｘ方向及びｙ方向とする。図１においては、上方向をｘ方向とする。また、図１において、瞳拡大光学系１２近傍においては、右斜め下方をｙ方向、左斜め下方をｚ方向とする。
映像投影光学系１１は、任意の映像に対応する映像光を無限遠に投影する。瞳拡大光学系１２は、映像投影光学系１１が投影する映像光を入射し、射出瞳を拡大して射出する。拡大された射出瞳の投影領域ＰＡ内の任意の位置に目を合わせることにより、観察者は映像を観察可能である。
次に、映像投影光学系１１の構成について説明する。映像投影光学系１１は、光源１３、照明光学系１４、透過型チャート１５、及び投影光学系１６を含んで構成される。光源１３は、光源ドライバ（図示せず）に駆動され、バッテリ（図示せず）から供給される電力を用いて、照明光としてレーザを射出する。レーザの波長は、可視光領域の波長で、例えば５３２ｎｍである。
照明光学系１４は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１７、第１のレンチキュラレンズ１８、第２のレンチキュラレンズ１９、第１のレンズ２０、拡散板２１及び第２のレンズ２２を含んで構成される。コリメートレンズ１７、第１のレンチキュラレンズ１８、第２のレンチキュラレンズ１９、第１のレンズ２０、拡散板２１及び第２のレンズ２２は、光学的に結合される。コリメートレンズ１７は、光源１３から射出された照明光を平行光に変換する。
第１のレンチキュラレンズ１８は、コリメートレンズ１７から射出される照明光の光束の幅よりも短いレンズピッチ、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍで複数のレンズ要素を有し、入射する平行光束が複数のレンズ要素にまたがって照射されるように構成される。第１のレンチキュラレンズ１８はｘ方向に屈折力を有し、平行光束に変換された照明光をｘ方向に沿って発散させる。
第２のレンチキュラレンズ１９は、第１のレンチキュラレンズ１８より短い焦点距離を有する。例えば、第１のレンチキュラレンズ１８及び第２のレンチキュラレンズ１９の焦点距離は、１．６ｍｍ及び０．８ｍｍである。第２のレンチキュラレンズ１９は、第１のレンチキュラレンズ１８及び第２のレンチキュラレンズ１９の後側焦点位置が実質的に一致するように配置される。また、第２のレンチキュラレンズ１９は、コリメートレンズ１７からの照明光の光束の幅よりも短いレンズピッチ、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍで複数のレンズ要素を有し、入射する平行光束が複数のレンズ要素にまたがって照射されるように構成される。第２のレンチキュラレンズ１９は、ｙ方向に屈折力を有し、ｘ方向に発散された照明光をｙ方向に沿って発散させる。ｙ方向への発散角度が第１のレンチキュラレンズ１８のｘ方向への発散角度より大きなレンチキュラレンズが、第２のレンチキュラレンズ１９として用いられる。
第１のレンズ２０は、第１のレンズ２０の前側焦点位置が第１のレンチキュラレンズ１８及び第２のレンチキュラレンズ１９の後側焦点位置が実質的に一致するように、配置される。第１のレンズ２０の焦点距離は、例えば５０ｍｍである。したがって、第１のレンズ２０は、第２のレンチキュラレンズ１９の複数のレンズ要素から射出した各照明光成分を、それぞれ異なる射出角度の平行光束に変換して射出する。
拡散板２１は、第１のレンズ２０の後側焦点位置に実質的に一致するように配置される。したがって、第１のレンズ２０から射出する複数の平行光束は、拡散板２１上に畳み込まれる態様で照射される。その結果、拡散板２１上には、ガウシアン強度分布を有するレーザが、略均一化された強度分布を有し、ｘ方向よりｙ方向の光束幅が長い矩形の照明光として照射される。拡散板２１は、拡散板駆動機構（図示せず）に駆動され、光軸ＯＸに垂直な平面に沿って振動し、スペックルの視認性を低減化する。拡散板２１は、例えば拡散角度を矩形に設計したホログラフィックディフューザであり、拡散板２１から射出する照明光を、均一な強度且つ過不足無く、後述する矩形の透過型チャート１５の全領域に照射する。
第２のレンズ２２は、第２のレンズ２２の前側焦点位置が拡散板２１の位置と実質的に一致するように配置される。第２のレンズ２２の焦点距離は、例えば２６ｍｍである。第２のレンズ２２は、多様な角度で入射する照明光を角度毎に集光させる。
透過型チャート１５は、空間光変調素子を構成するもので、第２のレンズ２２の後側焦点位置に配置される。透過型チャート１５は、例えばｘ方向に４．５ｍｍ、ｙ方向に５．６ｍｍの長さを有する矩形である。透過型チャート１５は、チャート駆動部（図示せず）により駆動され、表示装置１０で表示すべき任意の映像を形成する。透過型チャート１５の映像を構成する各画素には角度毎に集光した各平行光束が照射される。したがって、各画素を透過した光が映像光を構成する。
投影光学系１６は、投影光学系１６の射出瞳と拡散板２１とが光学的に共役となるように、配置される。したがって、射出瞳の形状はｘ方向よりｙ方向に長い矩形となる。投影光学系１６はたとえば焦点距離が２８ｍｍであり、透過型チャート１５を投影した映像光を無限遠に投影する。なお、投影光学系１６は、透過型チャート１５の各画素のｘ方向及びｙ方向の位置、すなわち光軸ＯＸからの物体高に応じたｘ方向及びｙ方向の角度成分を有する平行光束の群を映像光として射出する。本実施の形態においては、例えばｘ方向に±４．６°、ｙ方向に±５．７°の角度範囲で射出される。投影光学系１６が投影する映像光は、瞳拡大光学系１２に入射する。
次に、瞳拡大光学系１２の構成について、図３を用いて説明する。瞳拡大光学系１２は、偏光子２３、第１の伝播光学系２４、１／２波長板２５、及び第２の伝播光学系２６を含んで構成される。図３においては、説明のために、偏光子２３、第１の伝播光学系２４、１／２波長板２５、及び第２の伝播光学系２６を大きく離間させた状態で表示されるが、実際には、図１に示すように、近接して配置される。
偏光子２３は、投影光学系１６の射出瞳及び第１の伝播光学系２４の間に配置され、投影光学系１６からの映像光を入射して、Ｓ偏光を射出する。第１の伝播光学系２４は、後述する第１の導光部（図３において図示せず）の第２の平面（図３において図示せず）の入射領域（図３において図示せず）と投影光学系１６の射出瞳が合わさるように配置され、偏光子２３によりＳ偏光として投影される射出瞳をｘ方向に拡大して射出する（符号“Ｅｘ”参照）。１／２波長板２５は、ｘ方向に拡大された映像光の偏光面を９０°回転させる。偏光面を９０°回転させることにより、第２の伝播光学系２６の第１の偏光ビームスプリット膜（図３において図示せず）に映像光をＳ偏光で入射させることが可能である。第２の伝播光学系２６は、１／２波長板２５により偏光面が回転した映像光をｙ方向に拡大して射出する（符号“Ｅｙ”参照）。
次に、第１の伝播光学系２４による射出瞳の拡大機能について、第１の伝播光学系２４の構成とともに説明する。図４に示すように、第１の伝播光学系２４は、第１の導光部２７、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の入力偏向部２９、及び第１の出力偏向部３０を含んで構成される。なお、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、後述するように、第１の導光部２７に蒸着されており、互いに分離できないが、図４においては、模式的に分離して示している。
第１の導光部２７は、互いに平行且つ対向する第１の平面Ｓ１及び第２の平面Ｓ２を有し、透過性を有する平板である。第１の入力偏向部２９はプリズムであり、平面状の入力側接合面Ｓ３及び入力側接合面Ｓ３に対して傾斜した傾斜面Ｓ４を有する。第１の出力偏向部３０は出力側接合面Ｓ５と裏側において三角プリズムアレイが形成された三角プリズムアレイ面Ｓ６とを有する透過性の板状部材である。
第１の導光部２７の第１の平面Ｓ１の一部の領域には、第１の出力偏向部３０の出力側接合面Ｓ５と実質的に同じ大きさの第１の偏光ビームスプリット膜２８が蒸着により形成される。第１の平面Ｓ１における第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された領域には、透明接着剤により、出力側接合面Ｓ５において第１の出力偏向部３０が接合される。また、第１の平面Ｓ１における第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された領域以外の領域には、透明接着剤により、入力側接合面Ｓ３において第１の入力偏向部２９が接合される。第１の導光部２７と第１の出力偏向部３０及び第１の入力偏向部２９との接合により、第１の伝播光学系２４は一体化される。以下、第１の伝播光学系２４の長手方向（図４における“ｘ方向”）において、第１の入力偏向部２９が設けられる領域を入射領域、第１の出力偏向部３０が設けられる領域を射出領域と呼ぶ（図５参照）。なお、後述するように、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、入射領域側に僅かに進入するように形成されることが好ましい。
一体化された第１の伝播光学系２４は平板状であり、第１の伝播光学系２４及び第１の導光部２７の長さ方向（図４における“ｘ方向”）及び幅方向（図４における“ｙ方向”）の長さＷｘ１、Ｗｙ１は、例えば６０ｍｍ、２０ｍｍである。また、第１の偏光ビームスプリット膜２８の長手方向の長さＷｘ１ｅは、例えば５０ｍｍである。また、第１の入力偏向部２９の長手方向の長さＷｘ１ｉは、例えば７ｍｍである。なお、図４に示すように、第１の入力偏向部２９は、入力側接合面Ｓ３と対向する面として、傾斜面Ｓ４以外の面を有する部位を含み得るが、第１の入力偏向部２９の長手方向の長さＷｘ１ｉは、傾斜面Ｓ４の長手方向に沿った長さである。
第１の偏光ビームスプリット膜２８は、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射し、残りを透過するように設計された多層膜である。このような特性は、ローパス型又はバンドパス型の分光反射特性を有する薄膜により得ることができる。
従来知られているように、薄膜において入射角に応じて分光曲線が波長方向にシフトする。図６に示すように、略垂直入射光に対する分光曲線（破線参照）は、斜入射光に対する分光曲線（実線参照）から、長波長側にシフトする。斜入射光に対する分光曲線と、略垂直入射光に対する分光曲線との両者のカットオフ波長に挟まれ、斜入射光に対して反射率が９５％、略垂直入射光に対して反射率が０％となるように、入射光束Ｌｘの波長及び薄膜の設定を組み合わせることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を形成可能となる。
また、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、ｘ方向に沿った位置に応じて変動する斜入射光に対する透過率を有する。例えば、第１の偏光ビームスプリット膜２８の、第１の入力偏向部２９側の一端からの距離に応じて等比級数的に透過率が増加するように（図７参照）、第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成される。蒸着によってこのような膜を形成するには、例えば蒸着源からの距離が第１の入力偏向部２９からの平面上の距離に応じて変化するように配置し、その距離の差（成膜される膜厚の差）によるそれぞれの位置において所望の反射特性をもつように予め設計することにより、成膜可能である。
第１の導光部２７は、例えば２ｍｍの厚み、すなわちｚ方向の長さを有する合成石英（透明媒質）が用いられる（図４参照）。第１の導光部２７に合成石英を用いることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を蒸着させるときの加熱に対して耐熱性を有し、硬質であるため膜応力に対して反りにくくなる利点を有する。
第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２には、ＡＲ（反射防止）膜３１が形成される。ＡＲ膜３１は垂直な方向から入射する映像光の反射を抑制する。ＡＲ膜３１は、膜応力が第１の偏光ビームスプリット膜２８の膜応力とつり合うように設計され、形成される。膜応力をつりあわせることにより、第１の伝播光学系２４の歪みを抑制し、映像光の良好な伝播に寄与可能である。
第１の入力偏向部２９は、例えば合成石英により形成される。第１の入力偏向部２９を、第１の導光部２７と同一な材質である合成石英を用いて形成することにより、入力側接合面Ｓ３及び第１の平面Ｓ１間の界面における反射を理想的に低減可能である。
第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。図５に示すように、傾斜面Ｓ４の法線は、第１の導光部２７の射出領域側に延びる。したがって、入射領域において第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２に垂直に入射する光束が、第１の入力偏向部２９の内部において傾斜面Ｓ４で反射され、射出領域に向かって伝播される。入力側接合面Ｓ３及び傾斜面Ｓ４のなす頂角については、後述する。また、第１の入力偏向部２９の第１の出力偏向部３０との界面は黒色に色付けられ、入射する光束を反射すること無く、吸収する。
第１の出力偏向部３０は、例えば３ｍｍの厚さを有するアクリルによって形成される。第１の出力偏向部３０に形成される三角プリズムアレイは微細であり、射出成型により形成される。それゆえ、射出成型可能な透明媒体としてアクリルが例として選択される。三角プリズムアレイ面Ｓ６にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。本実施の形態において、第１の出力偏向部３０は、アクリルによって形成される構成であるが、アクリル樹脂に限定されない。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８のように一方向の偏光方向に特性を有する膜と平面において接合する場合、材料内部で複屈折の発生を抑制可能な材料及び成形条件を考慮することが好ましい。
第１の出力偏向部３０における三角プリズムアレイ面Ｓ６には、ｙ方向に延びる複数の三角プリズム３２が形成される。複数の三角プリズム３２は、ｘ方向に沿って、例えば０．９ｍｍのピッチで鋸歯状に並べられる。
各三角プリズム３２の、出力側接合面Ｓ５に対する各三角プリズム３２の傾斜面Ｓ７の傾斜角は、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４とは反対向き、すなわち傾斜面Ｓ７の法線は第１の導光部２７の入射領域側に延びる。また、各三角プリズム３２の傾斜角の絶対値は傾斜面Ｓ４の傾斜角と実質的に同じ、あるいは第１の入力偏向部２９、第１の導光部２７、及び第１の出力偏向部３０に採用する材料の組み合わせに応じて数度の範囲で異なる。なお、三角プリズムアレイ面Ｓ６内の隣り合うプリズムの角度差は、０．０１°（０．５分）程度以下である。
第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３及び傾斜面Ｓ４のなす頂角及び三角プリズム３２の傾斜角は、以下に説明するように、第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２における臨界角に基づいて定められる。
第１の伝播光学系２４は、映像投影光学系１１の光軸ＯＸに平行な光束Ｌｘが、第２の平面Ｓ２における入射領域に外部から垂直に入射するように配置される。入射領域に垂直に入射した当該光束Ｌｘは、第１の導光部２７から第１の入力偏向部２９に入射し、傾斜面Ｓ４により斜方に反射される。斜方に反射された光束Ｌｘは、第１の導光部２７内を透過して第２の平面Ｓ２に入射する。第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２に入射する当該光束Ｌｘが全反射するように、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３及び傾斜面Ｓ４のなす頂角及び三角プリズム３２の傾斜角が定められる。
したがって、第１の導光部２７内部での第２の平面Ｓ２に対する入射角度θが臨界角を超える、すなわち、θ＞臨界角＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）（ｎは第１の導光部２７の屈折率）であることが必要である。本実施の形態においては、上述のように第１の導光部２７は合成石英によって形成されるので、臨界角は４３．６°である。
映像投影光学系１１から垂直に入射する物体高の光束に関して、第１の導光部２７内での第２の平面Ｓ２への入射角度θは、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３に対する傾斜面Ｓ４の傾斜角度の倍角なので、当該傾斜角度は２１．８°以上であることが必要である。本実施の形態では、当該傾斜角度は、例えば、２５．８°であって、２１．８°以上である。また、各三角プリズム３２の傾斜角度は、例えば２５°である。
ここで、透過型チャート１５のサイズと、投影光学系１６の焦点距離とに基づいて、第２の平面Ｓ２の入射領域に入射する光線の角度を制限可能である。例えば、入射する光線の角度を、空気側でｘ方向に±４．６°、ｙ方向に±５．７°、合成石英により形成された第１の導光部２７の媒質中でｘ方向に±３．１°、ｙ方向に３．９°の範囲内に制限することができる。このような角度に制限することにより、上述の第１の伝播光学系２４において、全ての物体高に応じた映像光の角度の光束を、第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２において全反射させることが可能である。
上述のように構成及び配置した第１の伝播光学系２４において、第２の平面Ｓ２の入射領域に垂直に入射した光束Ｌｘは、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４で反射され、第１の導光部２７の内部で第２の平面Ｓ２の射出領域に斜方から入射する。斜方から入射した光束Ｌｘは第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射して全反射される。すなわち、光束Ｌｘは、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に臨界角を超える入射角で入射することにより、境界面の第２の平面Ｓ２を透過せず、すべて反射される。全反射された光束Ｌｘは、第１の偏光ビームスプリット膜２８に斜方から入射し、所定の割合の光量だけ透過し、残りの光量は反射する。第１の偏光ビームスプリット膜２８で反射された光束Ｌｘは、再び第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射して全反射される。以後、第１の偏光ビームスプリット膜２８における一部反射と、第２の平面Ｓ２における全反射とを繰返しながら、光束Ｌｘは第１の導光部２７のｘ方向に伝播される。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８に入射するたびに、所定の割合で透過して、第１の出力偏向部３０に入射する。
第１の出力偏向部３０に入射された光束Ｌｘは、三角プリズム３２の傾斜面Ｓ７の反射膜により再び第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２に垂直な方向に偏向される。垂直な方向に偏向された光束Ｌｘは、第１の偏光ビームスプリット膜２８を実質的に１００％の透過率で透過し、第２の平面Ｓ２から外部に射出される。したがって、第１の伝播光学系２４において、光束取出し部は、第１の偏光ビームスプリット膜２８及び第１の出力偏向部３０を含んで構成される。
１／２波長板２５（図３参照）は、第２の平面Ｓ２の射出領域と実質的に同じサイズの形状に形成される。１／２波長板２５は、第２の平面Ｓ２の射出領域と対向する位置において、空隙を介して配置される。したがって、第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２に斜め入射する光束は、第２の平面Ｓ２を透過すること無く、全反射が保証される。前述のように、１／２波長板２５は、第１の伝播光学系２４から射出される光束の偏光面を９０°回転させる。１／２波長板２５の支持機構については詳述する。
第２の伝播光学系２６は、そのサイズ及び配置を除いて、第１の伝播光学系２４と同じ構成である。図８に示すように、第２の伝播光学系２６は、第２の導光部３３、第２の偏光ビームスプリット膜３４、第２の入力偏向部３５、及び第２の出力偏向部３６を含んで構成される。第１の伝播光学系２４と同様に、これらの構成部材は一体化された平板状であり、第２の伝播光学系２６及び第２の導光部３３の幅方向（図８における“ｘ方向”）及び長さ方向（図８における“ｙ方向”）の長さＷｘ２、Ｗｙ２は、例えば５０ｍｍ、１１０ｍｍである。また、第２の伝播光学系２６における第２の偏光ビームスプリット膜３４の長手方向の長さＷｙ２ｅは、例えば１００ｍｍである。また、第２の入力偏向部３５の長手方向の長さＷｙ２ｉは、例えば１０ｍｍである。第２の導光部３３、第２の偏光ビームスプリット膜３４、第２の入力偏向部３５、及び第２の出力偏向部３６の機能は、それぞれ第１の導光部２７、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の入力偏向部２９、及び第１の出力偏向部３０と同様である。
第２の導光部３３は、第２の偏光ビームスプリット膜３４が蒸着される第３の平面Ｓ８及び第３の平面Ｓ８に対向する第４の平面Ｓ９を有する。第４の平面Ｓ９は、観察者側表面である。第２の伝播光学系２６は、第１の伝播光学系２４の第２の平面Ｓ２の射出領域と第２の伝播光学系２６の第４の平面Ｓ９の入射領域とが対向し、第２の伝播光学系２６を第１の伝播光学系２４に対してｚ方向に平行な直線を軸に９０°回転させた姿勢で、配置される（図３参照）。したがって、第２の伝播光学系２６において、光束取出し部は、第２の偏光ビームスプリット膜３４及び第２の出力偏向部３６を含んで構成される。そして、第２の伝播光学系２６は、第１の伝播光学系２４から射出される映像光の射出瞳をｙ方向に拡大して、第２の導光部３３の観察者側表面である第４の平面Ｓ９の投影領域ＰＡから映像光を射出する。
なお、第１の伝播光学系２４において、第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２上のＡＲ膜３１は省略されてもよい。同様に、第２の伝播光学系２６において、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９上のＡＲ膜は省略されてもよい。
上述した映像投影光学系１１は、表示装置１０の固定部に適宜固定される。瞳拡大光学系１２は、偏光子２３、第１の伝播光学系２４及び第２の伝播光学系２６が、投影領域ＰＡを外部から観察可能に表示装置１０の固定部に適宜固定される。本実施の形態では、第２の伝播光学系２６の第２の導光部３３に映像光を導入する光学系の一部である１／２波長板２５が、第２の導光部３３の表面である第４の平面Ｓ９に接する位置決め部材により位置決めされて、第４の平面Ｓ９上に支持される。以下、１／２波長板２５の支持機構について説明する。
１／２波長板２５は、図３及び図９に示すように、枠状の支持部材５０に支持される。支持部材５０は、１／２波長板２５をｘ方向及びｙ方向の変位を規制し、ｚ方向に変位可能に支持する。支持部材５０は、表示装置１０の固定部に適宜固定される。１／２波長板２５には、射出面すなわち第２の導光部３３側の面の周縁部で、映像光が透過しない領域の複数個所（図３では四隅）に、それぞれ位置決め部材を構成するスペーサ５１が接着されている。
また、支持部材５０には、第１の導光部２７側の面の複数個所（図３では四隅）に、例えば板バネからなる弾性部材５２が設けられている。弾性部材５２は、１／２波長板２５の入射面の映像光が透過しない周辺部を、第２の導光部３３側に押圧するように設けられ、スペーサ５１を第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９に弾性的に押圧接触させる。これにより、１／２波長板２５は、第４の平面Ｓ９上に位置決めされて、スペーサ５１により形成される空隙５３を介して第４の平面Ｓ９に対向して配置される。
なお、支持部材５０は、枠状に限らず、１／２波長板２５をｘ方向及びｙ方向に位置決めでき、ｚ方向に変位可能に支持できる構成であればよい。したがって、支持部材５０は、例えば１／２波長板２５のコーナー部に接する、ｘｙ断面がＬ字型の４つのコーナー部材を有して構成してもよいし、１／２波長板２５の４つの辺に接する少なくとも４つの突状部材を有して構成してもよい。また、スペーサ５１は、１／２波長板２５の四隅に限らず、１／２波長板２５が空隙５３を介して第４の平面Ｓ９に対向して配置されるように、映像光が透過しない領域に３個以上設ければよい。
スペーサ５１は、例えば、直径１ｍｍ程度の大きさの円柱状で、厚さ（ｚ方向寸法）が０．５ｍｍ程度の真鍮等の金属や、ポリアセタール等のプラスチックからなる。なお、スペーサ５１は、円柱状に限らず、三角柱状や多角柱状の任意の形状とすることができるし、大きさや厚さについても、１／２波長板２５を透過する映像光に影響を与えず、第２の導光部３３内での映像光の全反射が保障される空隙５３が形成されれば、装置の小型化を考慮して適宜設定することができる。
スペーサ５１は、第２の導光部３３側を、例えば図１０、図１１又は図１２に示すように形成される。図１０に示すスペーサ５１は、第２の導光部３３側を円錐状に形成して第４の平面Ｓ９に点接触させるようにしたものである。図１１に示すスペーサ５１は、第２の導光部３３側を１本の稜線を有する屋根型に形成して第４の平面Ｓ９に線接触させるようにしたものである。図１２に示すスペーサ５１は、第２の導光部３３側を粗面に形成して第４の平面Ｓ９に複数の点で点接触させるようにしたものである。なお、図１０、図１１及び図１２において、（ａ）はスペーサ５１をｙ方向から見た図であり、（ｂ）はスペーサ５１をｚ方向から見た図である。
ここで、スペーサ５１と第４の平面Ｓ９との間の距離が映像光の波長以上の場合、第２の導光部３３内を伝播する映像光は、第４の平面Ｓ９でエバネッセント光として染み出すことなく全反射される。一方、スペーサ５１と第４の平面Ｓ９との距離が映像光の波長以下の場合は、その部分で第２の導光部３３内を伝播する映像光が第４の平面Ｓ９から染み出して、第４の平面Ｓ９での反射率が低下することになる。そのため、スペーサ５１は、図１０及び図１１の構成の場合、第２の導光部３３側のスペーサ５１の頂角を、強度等を考慮して可能な限り小さくするのが好ましい。また、図１２の構成の場合は、スペーサ５１の第２の導光部３３側の面粗度を、例えば粗さ曲線の最大谷深さＲｖが、人の目の感度の高い緑色の波長を包含する０．６μｍ以上とするのが好ましく、より好ましくは可視光領域の波長を包含する０．７μｍ以上とするとよい。
このように、スペーサ５１の第２の導光部３３側を図１０〜図１２に示したように構成して、第４の平面Ｓ９に点接触又は線接触させるようにすれば、スペーサ５１と第４の平面Ｓ９との接触面積を人の瞳の面積に比べて非常に小さくできる。したがって、スペーサ５１と第４の平面Ｓ９との接触部分で、映像光の一部が欠けても観察像の画質に殆ど影響がない。また、第２の導光部３３上でスペーサ５１を介して１／２波長板２５を第２の導光部３３上に位置決めすることで、１／２波長板２５と第４の平面Ｓ９との間に映像光の波長以上の空隙５３を確実に形成して、第２の導光部３３内での映像光の全反射を保証することができるとともに、第２の導光部３３の大型化を避けることが可能となる。
したがって、本実施の形態によれば、装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を実現することができる。なお、スペーサ５１は、第４の平面Ｓ９に対する接触面積が小さいため、やわらかい素材であると、変形して１／２波長板２５が傾くおそれがある。そのためスペーサ５１は、ロックウェル硬度がＲ１００以上であることが望ましい。
（第２実施の形態）
図１３は、本発明の第２実施の形態に係る表示装置を説明するための図で、（ａ）は要部の概略構成図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。つまり、図１３（ａ）は、図１を瞳拡大光学系１２の投影領域ＰＡ側から見た概略図である。本実施の形態に係る表示装置６０は、第１実施の形態に係る表示装置１０において、第２の伝播光学系２６の支持機構が異なるものである。以下、第１実施の形態と同じ部分は同一の参照符号を付して説明を省略し、第１実施の形態と異なる点について説明する。
第２の伝播光学系２６は、枠状の支持部材６１に支持される。支持部材６１は、第２の伝播光学系２６をｘ方向及びｙ方向の変位を規制し、ｚ方向に変位可能に支持する。支持部材６１は、表示装置６０の固定部に適宜固定される。支持部材６１には、枠の内側に突出して複数の受け部６２が形成されている。受け部６２は、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９の周縁部に当接して、第２の導光部３３を位置決めする位置決め部材を構成する。図１３は、支持部材６１のｙ方向に延在する２辺にそれぞれ２個の受け部６２を有する場合を例示している。
また、図１３（ａ）において、支持部材６１の背面側で、受け部６２と対応する位置には、それぞれ第２の出力偏向部３６の三角プリズムアレイ面の周縁部に当接可能に押圧部材６３が設けられている。押圧部材６３は、ｚ方向にスライド可能で、支持部材６１の枠の開口領域に対して進退可能にｘｙ面内で回動可能に設けられ、スプリング、板バネ、ゴム、スポンジ等の弾性部材６４により、対応する受け部６２側に附勢されている。図１３（ａ）では、弾性部材６４としてスプリングを例示している。
第２の伝播光学系２６は、押圧部材６３が支持部材６１の開口領域から退避した状態で支持部材６１の枠内に挿入され、その後、押圧部材６３が支持部材６１の開口領域に進入されて、弾性部材６４により受け部６２側に附勢される。これにより、第２の伝播光学系２６は、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９が受け部６２に弾性的に押圧接触して位置決めされる。
ここで、受け部６２は、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９が接する面側が、図１４（ａ）〜（ｃ）に部分拡大斜視図を示すように、図１０〜図１２と同様に形成される。すなわち、図１４（ａ）に示す受け部６２は、第２の導光部３３側を円錐状に形成して第４の平面Ｓ９に点接触させるようにしたものである。図１４（ｂ）に示す受け部６２は、第２の導光部３３側を１本の稜線を有する屋根型に形成して第４の平面Ｓ９に線接触させるようにしたものである。図１４（ｃ）に示す受け部６２は、第２の導光部３３側を粗面に形成して第４の平面Ｓ９に複数の点で点接触させるようにしたものである。なお、粗面とする場合の面粗度、例えば粗さ曲線の最大谷深さＲｖは、図１２の場合と同様に、好ましくは０．６μｍ以上、より好ましくは０．７μｍ以上とする。
このように、受け部６２の第２の導光部３３側を図１４（ａ）〜（ｃ）に示したように構成して、第４の平面Ｓ９に点接触又は線接触させるようにすれば、受け部６２と第４の平面Ｓ９との接触面積を人の瞳の面積に比べて非常に小さくできる。したがって、受け部６２と第４の平面Ｓ９との接触部分で、映像光の一部が欠けても観察像の画質に殆ど影響がない。また、受け部６２を第２の導光部３３の周縁部に接触させて第２の伝播光学系２６を位置決めすることで、第２の導光部３３の大型化も避けることが可能となる。
したがって、本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を実現することができる。
なお、本実施の形態において、支持部材６１は、枠状に限らず、第２の伝播光学系２６をｘ方向及びｙ方向に位置決めでき、ｚ方向に変位可能に支持できる構成であればよい。したがって、支持部材６１は、例えば第２の導光部３３のコーナー部に接する、ｘｙ断面がＬ字型の４つのコーナー部材を有して構成してもよいし、第２の導光部３３の４つの辺に接する少なくとも４つの突状部材を有して構成してもよい。また、受け部６２は、第２の伝播光学系２６のｚ方向の変位を規制できれば、任意の個数を任意の辺に形成することができる。例えば、図１３において、ｙ方向に延在する２辺に代えて、ｘ方向に延在する２辺にそれぞれ２個の受け部６２を形成してもよい。また、支持部材６１が上述のように４つのコーナー部材又は４つの突状部材を有して構成される場合は、それぞれのコーナー部材又は突状部材に受け部を形成してもよい。また、押圧部材６３は、必ずしも受け部６２に対応して設ける必要はなく、第２の導光部３３が複数の受け部６２にほぼ均等に押圧接触できるように、第２の出力偏向部３６の三角プリズムアレイ面の周縁部の任意の位置に設けることができる。
（第３実施の形態）
図１５は、本発明の第３実施の形態に係る表示装置の全体の光学系の構成を模式的に示す図である。本実施の形態に係る表示装置７０は、上述した実施の形態において、瞳拡大光学系１２が、偏光子２３、１／２波長板２５及び第２の伝播光学系２６を省略した第１の伝播光学系２４からなる。以下、上述した実施の形態と同じ部分は同一の参照符号を付して詳細な説明を省略し、上述した実施の形態と異なる点について説明する。なお、以下の説明では、第１の伝播光学系２４を単に伝播光学系２４と称する。同様に、伝播光学系２４の構成要素についても、単に、導光部２７、偏光ビームスプリット膜２８、入力偏向部２９、及び出力偏向部３０と称する。
また、映像投影光学系１１は、伝播光学系２４の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４に、映像光を外部から直接入射させる。したがって、本実施の形態において、傾斜面Ｓ４には、当然のことながら反射膜は形成されていない。傾斜面Ｓ４に入射された映像光は、導光部２７内の第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射される。導光部２７に入射された映像光は、導光部２７内で全反射を繰り返しながらｘ方向に伝播され、光束取出し部を構成する偏光ビームスプリット膜２８及び出力偏向部３０の作用により、観察者側表面である第２の平面Ｓ２から射出される。これにより、映像投影光学系１１の射出瞳がｘ方向に拡大されて、導光部２７の第２の平面Ｓ２の投影領域から映像光が射出される。なお、図１５において、映像投影光学系１１は、照明光学系１４及び投影光学系１６を簡略化して示している。
本実施の形態において、伝播光学系２４は、第２実施の形態で説明した第２の伝播光学系２６と同様に支持される。図１６は、伝播光学系２４の支持機構の要部の概略構成を示すもので、（ａ）はｚ方向から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。伝播光学系２４は、枠状の支持部材６１にｘ方向及びｙ方向の変位が規制され、ｚ方向に変位可能に支持される。支持部材６１は、表示装置７０の固定部に適宜固定される。支持部材６１には、枠の内側に突出し、導光部２７の第２の平面Ｓ２の周縁部に当接して、導光部２７を位置決めする位置決め部材を構成する複数の受け部６２が形成されている。受け部６２は、導光部２７の第２の平面Ｓ２が接する面側が、図１４（ａ）〜（ｃ）と同様に形成されている。
また、支持部材６１の背面側には、出力偏向部３０の三角プリズムアレイ面Ｓ６の周縁部に当接可能に押圧部材６３が設けられている。押圧部材６３は、ｚ方向にスライド可能で、支持部材６１の枠の開口領域に対して進退可能にｘｙ面内で回動可能に設けられ、弾性部材６４により受け部６２側に附勢されている。
伝播光学系２４は、支持部材６１の枠内に挿入された状態で、弾性部材６４により受け部６２側に附勢される。これにより、伝播光学系２４は、導光部２７の第２の平面Ｓ２が受け部６２に弾性的に押圧接触して位置決めされる。
本実施の形態によれば、受け部６２の導光部２７側を図１４（ａ）〜（ｃ）に示したように構成して、第２の平面Ｓ２に点接触又は線接触させるようにしたので、受け部６２と第２の平面Ｓ２との接触面積を人の瞳の面積に比べて非常に小さくできる。したがって、受け部６２と第２の平面Ｓ２との接触部分で、映像光の一部が欠けても観察像の画質に殆ど影響がない。また、受け部６２を導光部２７の周縁部に接触させて伝播光学系２４を位置決めすることで、導光部２７の大型化も避けることが可能となる。
したがって、本実施の形態によれば、装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を実現することができる。
（第４実施の形態）
図１７は、本発明の第４実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。本実施の形態に係る表示装置７１は、第３実施の形態に係る表示装置７０において、伝播光学系２４の光束取出し部の構成が異なるものである。以下、第３実施の形態と異なる点について説明する。
すなわち、光束取出し部は、第３実施の形態においては偏光ビームスプリット膜２８及び第１の出力偏向部３０を含んで構成されているが、本実施の形態では導光部２７にｘ方向に複数設けられたビームスプリット膜５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、・・・によって構成される。以下、ビームスプリット膜５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、・・・を総称して、ビームスプリット膜５４とも称する。各ビームスプリット膜５４は、導光部２７の第１の平面Ｓ１及び第２の平面Ｓ２に対して２５°傾斜して形成されている。
図１７において、入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４から導光部２７内の第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射された映像光は、第２の平面Ｓ２で全反射されてビームスプリット膜５４ａに入射される。ビームスプリット膜５４ａに入射した映像光は、一部が反射されて残りが透過する。ビームスプリット膜５４ａで反射された映像光は、第２の平面Ｓ２から射出される。ビームスプリット膜５４ａを透過した映像光は、第１の平面Ｓ１で全反射された後、第２の平面Ｓ２で全反射されてビームスプリット膜５４ｂに入射される。以後、同様にして、映像光は、順次のビームスプリット膜５４で透過光と反射光とに分離されながら、ビームスプリット膜５４での透過光が第１の平面Ｓ１及び第２の平面Ｓ２で全反射を繰り返して導光部２７内を伝播し、ビームスプリット膜５４での反射光が第２の平面Ｓ２から射出される。
図１７に示した伝播光学系２４は、図１６に示したと同様に、支持部材６１の受け部６２に、弾性部材６４により押圧されて位置決め支持される。この伝播光学系２４の支持機構については、第３実施の形態と同様であるので説明を省略する。
これにより、本実施の形態においても、第３実施の形態と同様に、装置の大型化やコストアップを招くことなく、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を実現することができる。
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第３実施の形態及び第４実施の形態において、映像投影光学系１１は、装置の小型化を考慮して、任意のレイアウトで配置することができる。例えば、図１５及び図１７において、光源１３、照明光学系１４、透過型チャート１５及び投影光学系１６を、出力偏向部３０の下方で、伝播光学系２４の延在方向すなわちｘ方向に配置し、投影光学系１６から射出される映像光を適当な反射部材で反射させて、入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４に入射させてもよい。また、上述した各実施の形態において、映像投影光学系１１は、例えばレーザ光源からの光束をスキャンミラーによりラスタ走査して映像光を瞳拡大光学系１２に入射させるように構成してもよい。また、第１〜３実施の形態において、光束取出し部は、三角プリズムアレイに代えてグレーティングを用いて構成してもよい。
１０、６０、７０、７１ 表示装置
１１ 映像投影光学系
１２ 瞳拡大光学系
１３ 光源
１４ 照明光学系
１５ 透過型チャート
１６ 投影光学系
２４ 第１の伝播光学系
２５ １／２波長板
２６ 第２の伝播光学系
２７ 第１の導光部
２８ 第１の偏光ビームスプリット膜
２９ 第１の入力偏向部
３０ 第１の出力偏向部
３１ ＡＲ膜
３２ 三角プリズム
３３ 第２の導光部
３４ 第２の偏向ビームスプリッタ
３５ 第２の入力偏向部
３６ 第２の出力偏向部
５０ 支持部材
５１ スペーサ
５２ 弾性部材
５３ 空隙
６１ 支持部材
６２ 受け部
６３ 押圧部材
６４ 弾性部材

Claims (8)

  1. 導光部と、該導光部に映像光を導入する光学系と、前記導光部内を伝播する前記映像光を伝播方向に亘って前記導光部の表面から射出させる光束取出し部と、を備える表示装置において、
    前記導光部の前記表面に接して前記光学系の一部又は前記導光部を位置決めする位置決め部材を備える、ことを特徴とする表示装置。
  2. 前記位置決め部材は、前記表面に弾性的に押圧されて接する、ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
  3. 前記位置決め部材は、前記表面に点接触する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
  4. 前記位置決め部材は、前記表面に線接触する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
  5. 前記位置決め部材は、前記表面に接する面が粗面からなる、ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
  6. 前記粗面は、面粗度Ｒｖが０．６μｍ以上である、ことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
  7. 前記位置決め部材は金属からなる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表示装置。
  8. 前記位置決め部材はプラスチックからなる、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表示装置。
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