JP2017146448A - ライトガイド及び虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い視野角、特に垂直方向の視野角の確保が実現された虚像表示装置用のライトガイドを提供する。【解決手段】ライトガイド５０は、画像光が入射される光線入射部１０１と画像光を外部に射出するための光線射出部１０４とを備えた導光部材１００を有する。導光部材１００は、光線入射部１０１から入射し導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部１０６と、再帰反射部１０６で進行方向が反転された画像光を光線射出部１０４に導光して取り出す画像取り出し部１０３を備え、再帰反射部１０６は多数の面で構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ライトガイド及びこのライトガイドを用いた虚像表示装置に関する。

２次元の画像を虚像光学系により拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する装置として、ライトガイドを用いた虚像表示装置が知られている。かかる虚像表示装置で用いられるライトガイドの一形態として、近年、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下「ＨＭＤ」と称する。）が普及し始めている。ＨＭＤは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のＨＭＤは、例えばＧｏｏｇｌｅ ＬＴＤ．（米国）のＧｏｏｇｌｅｇｌａｓｓ（商標登録）がある。

透過型のＨＭＤは、情報端末と組み合わせて使用したりＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）等の提供用として使用するため、小型で携帯性が良いものが望まれている。非透過型のＨＭＤは、映画鑑賞やゲームやＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）等の提供用として使用するため、没入感が得られる広視野角であることが望まれている。

近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉、小型、かつ、広視野角であることが要請されるようになり、かかる要請を考慮したものとして、例えば特許文献１乃至３が知られている。

特許文献１の装置は、ある特定の反射率のコートを施した幾つものミラーを配置し、光線の入射角度によって、光線の反射と透過を振り分けて、画像光を取り出す方式としている。

特許文献２の装置は、ライトガイドの一つの側面に微細構造体と隙間ゾーンを設け、これらの部分で光線を反射、伝播させることで、画像光を取り出す方式としている。

特許文献３の装置は、互いに対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、導光部の内側に向かって傾斜して延びる複数の第一要素面と、第一要素面に対して鈍角をなして延びる複数の第二要素面とを交互に配置してなる導光板を用いた方式としている。

これらの方式の装置では、コリメート光学系を介してライトガイド内に取り込まれた光線は、導光板内の垂直視野方向において広がって伝播する。このため、広い視野角を達成しようとすると、ライトガイド内に設けた複数のミラーあるいはライトガイドの側面の微細構造では、上手く光を取り出すことが難しく、特に垂直方向の視野が確保できない問題があった。

本発明は、虚像表示装置用のライトガイドの広い視野角、特に垂直方向の視野角を確保することを主たる目的とする。

本発明は、画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材を有し、前記導光部材は、前記光線入射部から入射し前記導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部と、前記再帰反射部で進行方向が反転された画像光を前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、前記再帰反射部は、多数の面で構成されていることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、虚像表示装置用のライトガイドの広い視野角が実現され、特に垂直方向の視野角が確保される。

本発明に係るライトガイドの実施形態を示す平面図である。 図１のライトガイドの導光部材における光線入射部を説明するための部分拡大平面図である。 図１のライトガイドの導光部材における画像取り出し部の構成を説明するための部分拡大平面図である。 図１のライトガイドの導光部材の斜視図である。 再帰反射部の構成を説明するためのライトガイドの導光部材の前面図である。 図１のライトガイドを用いた虚像表示装置を説明するための平面図である。 参考例として、再帰反射部を有しない導光部材内の画像光の広がりを説明するための図である。 図１のライトガイドの導光部材内で画像表示素子の隅から射出された画像光が導光する様子を示す図である。 図８の画像光が導光する様子を表した導光部材の平面図である。 導光部材の画像取り出し部と光学部材との境界面の配置状態を説明するための部分拡大平面図である。 図４の導光部材を用いた虚像表示装置の実施例を説明する図であり、垂直視野方向の画像光の射出状態を説明するための側面図である。 図１１の画像光の射出状態を水平視野方向から示す平面図である。 変形例としての導光部材を用いた虚像表示装置の実施例を説明する図であり、垂直視野方向の画像光の射出状態を説明するための側面図である。 図１３の画像光の射出状態を水平視野方向から示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。以下の実施形態は、透過型のライトガイド及びこれを用いた虚像表示装置に関する。

図１に本実施形態のライトガイド５０を示し、かかるライトガイド５０を虚像表示光学系の光路上に配置した虚像表示装置の構成を図６に示す。図６では、虚像表示装置における虚像表示光学系の光路を実線で示すとともに、装置のユーザすなわち虚像観察者の目を模式的に描いている。以下、ライトガイド５０の面に関し、観察者から見て手前側（図１及び図６において下側）の面を「後面」とし、奥側（図１及び図６において上側）の面を「前面」として説明する。

ライトガイド５０は、画像表示素子からの画像光を内部に入射及び導光して虚像表示のために射出する素子であり、本実施形態では、導光部材１００と光学部材２００とが一体的に設けられることで、全体が略角柱状、平面視で非対称な台形の外形を呈する。

ライトガイド５０の導光部材１００は、画像表示素子からの画像光を内部に取り込んで導光し、虚像表示のために外部に射出する役割を有する。このため、導光部材１００は、画像光を内部に入射する光線入射部１０１、入射した画像光を反射して内部に導光させるための前面及び後面、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための光線射出部１０４を備える。さらに、導光部材１００は、光線入射部１０１から入射し導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部１０６と、再帰反射部１０６で進行方向が反転された画像光を光線射出部１０４に導光して取り出す画像取り出し部１０３を備える。

本実施形態では、導光部材１００の前面に画像取り出し部１０３が、導光部材１００の後面に光線射出部１０４が、それぞれ設けられている。画像取り出し部１０３は、内部に導光される画像光を光線射出部１０４に向けて反射させる役割を有し、光線射出部１０４は、画像取り出し部１０３から導かれた画像光を虚像観察者の目に向けて外部に射出させる役割を有する。

導光部材１００の前面のうち画像取り出し部１０３が設けられていない領域は、入射した画像光を全反射して進行させるための全反射面１０５である。シースルー性を良好にするために、導光部材１００の全反射面１０５と後面は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。

画像取り出し部１０３は、再帰反射部１０６に向かって導光部材１００の部材の厚みが増すような形状となっており、詳細な構成については後述する。再帰反射部１０６は、光線入射部１０１とは反対側の端面に形成されており、詳細な構成については後述する。

導光部材１００の光線入射部１０１を図２に拡大して示す。光線入射部１０１は、導光部材１００の後面から連続して設けられており、画像光の入射面積をより広く確保するために、導光部材１００の前面から突起した形状となっている。

導光部材１００の画像取り出し部１０３を図３に拡大して示す。図３中、光線射出部１０４と平行な基準面を点線で表している。画像取り出し部１０３は、図３に示すように、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂとが、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている。

画像取り出し部１０３の第１面１０３ａは、導光部材１００の内部に入射し且つ再帰反射部１０６で反射した画像光を光線射出部１０４に導いて光線射出部１０４から射出させる役割を担う面であり、光線射出部１０４に対して傾斜する平面となっている。第１面１０３ａは、光線射出部１０４に対して所定の傾斜角で傾斜することにより、再帰反射部１０６と対向している。

第１面１０３ａが光線射出部１０４に対して傾斜する角度θaの値は、導光部材１００の材質の屈折率にもよるが、２０度から４０度までの範囲に設定することが好ましい。

他方、第２面１０３ｂは、入射された画像光を反射させて再帰反射部１０６に導く役割、及び再帰反射部１０６で進行方向が反転された画像光を反射させる反射面としての役割を担う面であり、光線射出部１０４と平行な平面となっている。したがって、角度θb＝０°である。さらに、第２面１０３ｂは、シースルー性を確保するため、ライトガイド５０の前面及び後面からの外部の光を入射させる透過面としての役割も担っている。

第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して傾斜させる、すなわち角度θb≠０°に設定すると、導光部材１００内で導光される画像光が、第２面１０３ｂで反射される反射角と、光線射出部１０４で反射される反射角とで一致せずに変化することになる。この場合、光線入射部１０１から入射される光線と光線入射部１０１の法線とのなす角で定義される入射角θinと、光線射出部１０４から射出される光線と光線射出部１０４の法線とのなす角で定義される射出角θoutとが同角度とならない。さらに、画像光が第１面１０３ａ及び光線射出部１０４を通じてライトガイド５０の外部に射出される際に、異なった方向に射出されてしまい、虚像としては思わしくないものとなってしまう。したがって、本実施形態では、角度θb＝０°とし、第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して平行に形成している。

図３に示すように、各第２面１０３ｂは、再帰反射部１０６に近づくに従って当該面の高さが順次高くなるような構造とすることが好ましい。言い換えると、再帰反射部１０６に近づくに従って、第２面１０３ｂと光線射出部１０４との距離すなわち導光部材１００の部材の厚さが大きくなる構成とすることが好ましい。

かかる構成の導光部材１００によれば、再帰反射部１０６で光線の進行方向が反転した後の画像光の進む方向から見ると、各第２面１０３ｂの高さが順次低くなり、画像光が全反射される間隔が狭まる。このため、画像取り出し部１０３で反射される光線が次第に増え、光線射出部１０４から眼に入る光線が多くなり、輝度ムラの少ない良好な虚像を観察することが出来る。

次に、図１の平面図、図４の斜視図及び図５の前面図を参照して、導光部材１００に設けられている再帰反射部１０６の詳細を説明する。

図１に示すように、再帰反射部１０６は、光線射出部１０４に対して垂直な面となる導光部材１００の一の側面上、具体的には光線入射部１０１とは反対側の端面上に設けられている。この再帰反射部１０６は、図４及び図５に示すように、多数の面で構成されている。言い換えると、光線入射部１０１とは反対側の端面は、平面ではなく、再帰反射部１０６としての多数の面が形成されている。

図５に示すように、再帰反射部１０６は、光線入射部１０１に連続する導光部材１００の一の側面１０７に対して角度θｓで傾斜する第１傾斜面１０６ａと、第１傾斜面１０６ａに対して角度θpで傾斜する第２傾斜面１０６ｂと、が連続して形成される。そして、第１傾斜面１０６ａ及び第２傾斜面１０６ｂにより、一つのプリズムが構成される。言い換えると、再帰反射部１０６は、光線入射部１０１とは反対側の端面上に複数の屋根形のプリズムが連続して設けられてなる構成である。第１傾斜面１０６ａと第２傾斜面１０６ｂとは、互いに略等しい形状と面積を有する平面である。

本実施形態において、側面１０７と第１傾斜面１０６ａとのなす角θｓは、１３５度である。また、第１傾斜面１０６ａと第２傾斜面１０６ｂのなす角θpは、プリズムの頂角であり、本実施形態では９０度に形成されている。したがって、再帰反射部１０６は、頂角が９０度である多数個のプリズムで構成されている。

再帰反射部１０６に到達した画像光を良好に反射させるため、再帰反射部１０６すなわち第１傾斜面１０６ａ及び第２傾斜面１０６ｂに反射率の高いコートを設けることが好ましい。かかるコートの反射率は、７０％以上であることが望ましい。

本実施形態では、光線射出部１０４に対して垂直な側面の内の一つ、すなわち光線入射部１０１とは反対側の端面に再帰反射部１０６を形成している。

ライトガイド５０の構成を更に詳細に説明すると、導光部材１００の材質は、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質が好ましく、さらに、上述した画像取り出し部１０３の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。

また、画像取り出し部１０３には任意のコートを施すことができ、例えば、アルミニウムや銀、誘電コートなどのミラーコートを施すことができる。導光される画像光の光量の損失を出来るだけ防止するために、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａは、反射率が略１００％のコートを施すことが望ましい。

導光部材１００における画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗの値は、
０．５[ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０[ｍｍ]
の条件を満たすように設定される。ここで、幅ｗは、導光部材１００の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第２面１０３ｂの長さである。

以下、第２面１０３ｂの幅ｗの設定条件について詳細に説明する。

虚像として確認できる視野の幅を「アイボックス」と称し、虚像が確認できる光線射出部１０４から眼球までの距離を「アイレリーフ」と称する。そして、アイボックスの径をφ、アイレリーフをＬ、ライトガイドの厚み（肉厚）をｔｌ、画像取り出し部１０３が有する光線射出部１０４と平行な面すなわち第２面１０３ｂの数をｎとすると、第２面１０３ｂの幅ｗは、次式で表される。

ここで、アイボックスの幅が広いほど見える範囲も広くなるため、通常、アイボックス径φは大きいほうが望ましい。他方、アイボックス径φを大きくすると、ライトガイドの厚みが厚くなり、ライトガイドの設計難易度が高くなりがちとなる。

一般的には、目の瞳の直径は５mm程度であるが、個人差に応じてライトガイド５０の適切な位置設定が必要となるため、アイボックス径φを大きく設定する方が良い。また、後述のようにライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置に適用することを考慮すると、一般にアイレリーフＬは１５mm以上必要である。

したがって、例えばアイレリーフを２０mmに設定し、アイボックスを５mm以上１０mm以下に設定すると、第２面１０３ｂの幅ｗは、上記の
０．５[ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０[ｍｍ]
の条件を満たす必要がある。

画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗが０．５ｍｍに満たない場合、第１面１０３ａの幅が短くする必要があり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなり、また製造が難しくなるため、望ましくない。さらに、第１面１０３ａの幅を短くすることなしに、アイレリーフ２０mmの位置においてアイボックス５mm以上１０mm以下を確保するためには、ライトガイドの厚みを増す必要があり、重量も大きくなるため望ましくない。

一方、第２面１０３ｂの幅ｗが３．０ｍｍを超える場合、入射された画像光につき、第１面１０３ａを反射して光線射出部１０４から射出される光線の密度が低下し、目の位置における光量が低下するため、望ましくない。したがって、画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗは、０．５[ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０[ｍｍ]の条件を満たすことが望ましい。

第２面１０３ｂの幅ｗは、各々の第２面１０３ｂで異なる値としてもよい。具体的には、通常、光線入射部１０１からの距離が短くなるほど画像光の光線密度が低下することから、光線入射部１０１からの距離が短くなるほど第２面１０３ｂの幅ｗを小さくする設定にするとよい。かかる設定とすることで、光線入射部１０１から近くなるほど第１面１０３ａの単位長さあたりの配置数が増えるので、光量ムラを低減させることができる。

同様に、光量ムラを低減させるために、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａの幅を各々の第１面１０３ａで異なる幅としてもよい。ここで、第１面１０３ａの幅は、導光部材１００の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第１面１０３ａの長さである。具体的には、光線入射部１０１からの距離が短くなるほど第１面１０３ａの幅を大きくする設定にするとよい。かかる設定とすることにより、光線入射部１０１から近くなるほど第１面１０３ａの面積が大きくなるので、光量ムラを低減させることができる。

ライトガイド５０の厚みは、１ｍｍから８ｍｍの範囲とすることが望ましい。ライトガイド５０の厚みが１ｍｍに満たないと、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状を形成することが困難となる。他方、ライトガイド５０の厚みが８ｍｍを超えると、広視野角を得るには有利であるが、部材の重量が大きくなることから、好ましくない。

次に、図１を参照して光学部材２００の構成を説明する。光学部材２００は、図１に示すように、平面視でテーパー状の外形を有する。光学部材２００は、導光部材１００の前面すなわち画像取り出し部１０３及び全反射面１０５に対向して設けられることで、主に光線射出部１０４及び画像取り出し部１０３の光線透過性すなわちシースルー性を確保する役割を有する。

光学部材２００は、導光部材１００の光線射出部１０４に平行に位置する前面２１０と、かかる前面２１０に対して全体として傾斜する後面を有する。光学部材２００の後面は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向配置され前面２１０に対して全体として傾斜する傾斜部２０３と、導光部材１００の全反射面１０５に対向配置され前面２１０に平行な平面部２０５を有する。傾斜部２０３は、導光部材１００の再帰反射部１０６に近づくに従って光学部材２００の部材の厚みが薄くなるように構成されている。傾斜部２０３の詳細については後述する。

以下、上述したライトガイド５０を用いた虚像表示装置について、図６を参照して説明する。

図６に示す本実施形態の虚像表示装置は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子１０と、画像表示素子１０からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系３００と、上述したライトガイド５０とを虚像表示光学系として備える。図６では、画像表示素子１０の画像表示面の中心から射出される画像光の光路を示している。かかる虚像表示光学系において、コリメート光学系３００は、導光部材１００の光線入射部１０１の直近に配置され、画像表示素子１０で表示される画像光すなわち表示画像の画像情報を角度変換して導光部材１００に入射させる役割を担う。

画像表示素子１０は、ライトガイド５０を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子１０は、有機ＥＬＤ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子１０として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）が適用可能である。また、画像表示素子１０として、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）が適用可能である。さらに、画像表示素子１０として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が適用可能である。

図６では、画像表示素子１０として、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどを用いた例を示しており、画像表示素子１０を照明するための光源ＬＳを加えている。光源ＬＳは、種々のものが適用でき、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、放電ランプなどを用いることができる。

コリメート光学系３００は、複数の光学レンズや絞りなどから構成され、画像表示素子１０から出力される画像光を拡大し平行光として射出する。

かかる虚像表示装置によれば、光源ＬＳで照明された画像表示素子１０の画像光は、コリメート光学系３００を通過することで、拡大され平行光としてライトガイド５０に入射する。すなわち、コリメート光学系３００で拡大された平行光である画像光は、ライトガイド５０における導光部材１００の光線入射部１０１から入射して導光部材１００の内部に導光される。導光された画像光は、導光部材１００の内部すなわち前面及び後面を全反射しながら再帰反射部１０６に向かって進行する。画像光は、再帰反射部１０６に到達すると、再帰反射部１０６の上述した第１傾斜面１０６ａ及び第２傾斜面１０６ｂによる多数のプリズムによって反射され、光線入射部１０１の方向に進むように進行方向が反転する。進行方向が反転した画像光は、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａに到達すると、第１面１０３ａで反射されて光線射出部１０４に導かれ、光線射出部１０４からユーザの両目に向けて画像情報として射出される。ユーザは、導光部材１００の光線射出部１０４及び光学部材２００を通して前方を覗くことで、画像光の虚像を視認することができる。

次に、導光部材１００内に導光される画像光の進行状態の詳細について、図面を参照しながら説明する。図７は、再帰反射部１０６が設けられていない参考例としての導光部材１０００に画像光が入射されている状態を示している。この参考例としての導光部材１０００は、再帰反射部１０６を有しない点、および、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａが逆向きすなわち光線入射部１０１と対向する向きに形成されている点で、上述の実施形態の構成とは異なっている。

図示のように、画像表示素子１０から射出された画像光は、コリメート光学系３００を通過することでコリメート光とされた状態で、導光部材１０００の光線入射部１０１から入射して導光部材１０００内を進行する。光線入射部１０１から入射した画像光は、導光部材１０００内を全反射することにより、図７に示すように、発散光となって導光部材１０００内を進行する。すなわち、光線入射部１０１から入射した画像光は、導光部材１０００内を進むに従って発散していることが分かる。この画像光の発散の度合いは、広角方向の光になる程顕著になる。したがって、導光部材１０００内を進行する画像光は、垂直視野方向に広がって進行する。

この導光部材１０００では、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａから画像光を取り出そうとすると、発散光のまま取り出すことになるので、光線射出部１０４から射出され観察者の眼に入ってゆく画像光は、垂直視野方向に発散するものとなる。このため、発散角度の大きい画像周辺部などの画像光が観察者の眼に光が入らず、観察される虚像が欠けることになる。

本実施形態のライトガイド５０の導光部材１００内で画像光が導光される様子を図８及び図９に示す。ここで、図８はライトガイド５０の前面側（正面）から表した図であり、図９はライトガイド５０の側面側（上方）から表した図である。また、図８及び図９では、分かりやすくするために、画像表示素子１０の画像表示面の隅から射出された１本の光線４００のみを抽出して示している。

図示のように、画像表示素子１０の隅から射出された画像光は、コリメート光学系３００を通過してコリメート光とされた状態で、導光部材１００の光線入射部１０１から入射して導光部材１００内を進行する。導光部材１００の光線入射部１０１から入射した画像光は、導光部材１００内を全反射することにより、発散光となって導光部材１００内を進行する。すなわち、光線入射部１０１から入射した画像光は、再帰反射部１０６に達するまでは、図７で上述した例と同様に発散光として導光部材１００内を進行する。

続いて、画像光は、再帰反射部１０６で反射することにより、進行方向すなわち導光する方向が反転する。ここで、画像光は、再帰反射部１０６を構成する第１傾斜面１０６ａ及び第２傾斜面１０６ｂの両面で反射して、平面方向から見た入射光と出射光が平行になるとともに、収束光となって導光部材１００内を進行する。さらに、画像光は、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射して、収束光として光線射出部１０４から射出され、観察者の眼の方向に導かれる。このように、本実施形態のライトガイド５０によれば、画像光が収束光として射出され、観察者の眼に提供されるので、広角でも虚像が欠けずに良好に観察できる虚像表示装置を実現できる。

（光学部材）
次に、光学部材２００の傾斜部２０３の構成及び導光部材１００に対する光学部材２００の配置について説明する。図１０に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。なお、図１０中、光学部材２００の前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。

図１０に示すように、光学部材２００は、傾斜部２０３が、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気層すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。本実施形態では、導光部材１００の画像取り出し部１０３の端縁と光学部材２００の傾斜部２０３の端縁とを、マイクロボール型の接着剤を用いて接着している。このようにすることで、取り出し部１０３と傾斜部２０３のエアギャップ１４０を等間隔とすることが可能となり、シースルー性をより高めることができる。

光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向した部位に、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが、交互に配置されている。

前面２１０は、導光部材１００の光線射出部１０４と平行な面である。また、第４面２０３ｂは、前面２１０と平行であり、角度θb’＝０°である。したがって、第４面２０３ｂは導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂとも平行であり、θb＝θb’＝０°である。このような設定とすることで、ライトガイド５０のシースルー性を高めることができる。なお、第４面２０３ｂが前面２１０、導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂに対して平行な面でない場合は、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。

さらに、前面２１０に対する第３面２０３ａの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部１０４に対する画像取り出し部１０３の角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材２００の第３面２０３ａが導光部材１００の第１面１０３ａと平行となり、ライトガイド５０のシースルー性をより高めることが可能になる。

ライトガイド５０のシースルー性について最大の効果を得るためには、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向（図１０における上方向）に平行移動させたときに、対向する第３面２０３ａとの間のずれを可能な限り無くせばよい。かかるずれを無くすために、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔すなわちエアギャップ１４０を調整する調整機構を取り付けることができる。

ライトガイド５０のシースルー性を確保するために、導光部材１００と光学部材２００は、相互に同一の材料で作られていることが望ましい。

また、取り出し部１０３と傾斜部２０３との間のエアギャップ１４０は、種々の気体や液体を介在させることができるが、シースルー性確保の観点からは大気であることが望ましい。

上述の図１から図１０に示す実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材１００の光線入射部１０１を配置して、画像光を虚像観察者の左側から入射する例について説明した。かかる配置を左右逆にする場合、すなわち虚像観察者の右側に導光部材１００の光線入射部１０１を配置して、画像光を虚像観察者の右側から入射する場合も、上述と同一の効果が得られる。

また、図６や図９では虚像観察者の片方の目のみ図示したが、ライトガイド５０は、射出される画像を両目で確認することができる。他方、ライトガイド５０をより小型に形成して、単眼用のライトガイドとすることもできる。

上述した実施形態では、ライトガイド５０を眼鏡型のＨＭＤに適用する場合を想定して説明した。上述したライトガイド５０は、他の種類のＨＭＤにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）にも適用できる。ライトガイド５０は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。

以上のように、上述した実施形態によれば、肉薄で、４０度以上の広い視野角を確保でき、特に垂直方向の視野角を良好に確保できる虚像表示装置用のライトガイドを提供することができる。

（虚像表示装置の実施例）
以下、図１１乃至図１４を参照して、虚像表示装置の具体的な実施例を説明する。図１１及び図１２は、実施例１として、上述したライトガイド５０を用いて製作した虚像表示装置を示し、図１３及び図１４は、実施例２として、変形例としてのライトガイド５０Ａを用いて製作した虚像表示装置を示している。

実施例１及び２では、焦点距離が７．５ｍｍのコリメータレンズを使用し、屈折率（Ｎｄ）＝１．５３のプラスチックでライトガイドを製作し、第１面の角度θa＝３１．５度に設定した。また、射出される画像光に関し、アイレリーフ１５mm以上、アイボックス５mm以上の条件を満たすようにライトガイドを製作した。

（実施例１）
図１１及び図１２に示す実施例１では、ライトガイド５０の寸法を以下の数値に設定して製作した。
・ライトガイドの厚み（肉厚） ：最薄部１mm 、最厚部１．９mm
・ライトガイドの長手方向の長さ：４６mm
・ライトガイドの幅：３３mm

かかる実施例１では、ライトガイドの水平視野角＝５０度、垂直視野角＝２７度が確保された。

（実施例２）
図１３及び図１４に示す実施例２で製作したライトガイド５０Ａは、後面側から画像光を入射する構造となっており、上述した実施形態及び実施例１のライトガイド５０と比較して、以下の構成が異なっている。

すなわち、実施例２のライトガイド５０Ａの導光部材１００Ａは、図示のように、画像光が入射される光線入射部１０１Ａが光線射出部１０４と同一面すなわち後面に設けられている。このため、実施例２では、光学系の光路の配置も異なり、ライトガイド５０Ａの後面側にコリメートレンズが設けられる。また、導光部材１００Ａは、光線入射部１０１Ａで入射した画像光を反射して導光部材１００Ａの内部に導くための反射部１０２が設けられている。反射部１０２は、光線入射部１０１Ａ及び前面１０５に連続する平面であり、光線入射部１０１Ａに対して所定の角度で傾斜している。

かかる実施例２では、ライトガイド５０Ａの寸法を実施例１と同一に設定して製作した。すなわち、ライトガイド５０Ａの厚み（肉厚）につき、最薄部を１mm 、最厚部を１．９mmとし、長手方向の長さを４６mmとし、幅を３３mmとした。かかる実施例２においても、ライトガイドの水平視野角＝５０度、垂直視野角＝２７度が確保された。

以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、肉薄で、広い視野角を確保でき、特に垂直方向の視野角を良好に確保できる虚像表示装置用のライトガイドを提供することができる。

１０ 画像表示素子
３００ コリメート光学系
ＬＳ 光源
５０，５０Ａ ライトガイド
１００，１００Ａ 導光部材
１０１，１０１Ａ 光線入射部
１０２ 反射部
１０３ 画像取り出し部
１０３ａ 第１面
１０３ｂ 第２面
１０４ 光線射出部
１０５ 全反射面
１０６ 再帰反射部
１０６ａ 第１傾斜面
１０６ｂ 第２傾斜面
１４０ 空気層
２００ 光学部材
２０３ 傾斜部
２０５ 平面部
２１０ 前面

特許５６９８２９７号 特許５４２１２８５号 特許第５７０３８７５号

Claims (8)

1. 画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、
   前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材を有し、
   前記導光部材は、前記光線入射部から入射し前記導光部材内を導光する画像光の進行方向を反転させる再帰反射部と、
   前記再帰反射部で進行方向が反転された画像光を前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、
   前記再帰反射部は、多数の面で構成されていること
   を特徴とするライトガイド。
2. 前記再帰反射部は、頂角が９０度である多数個のプリズムで構成されている
   請求項１記載のライトガイド。
3. 前記多数個のプリズムは、前記光線射出部に対して垂直な面上に配置されている
   請求項２に記載のライトガイド。
4. 前記再帰反射部は、反射率が７０％以上であるコートを有する
   請求項１乃至３のいずれかに記載のライトガイド。
5. 前記画像取り出し部は、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と前記光線射出部に平行な第２面とが交互に配置され、前記画像光を前記第１面から前記光線射出部に導光して取り出す
   請求項１乃至４のいずれかに記載のライトガイド。
6. 前記画像取り出し部の前記第１面は、前記再帰反射部と対向している
   請求項５に記載のライトガイド。
7. 前記導光部材に一体的に設けられる光学部材をさらに備え、
   前記光学部材は、前記導光部材と空気層を介して接合されており、該接合される面と反対側の面に、前記導光部材の前記光線射出部と平行な面を備える
   請求項１乃至６のいずれかに記載のライトガイド。
8. 照明光を射出する光源と、
   前記光源からの照明光を受けて虚像表示のための表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、
   前記画像表示素子からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系と、
   前記コリメート光学系からの画像光を導光して射出する請求項１乃至７のいずれかに記載のライトガイドと、
   を虚像表示光学系として備える虚像表示装置。