JP2017161564A - 導光装置及び虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる導光装置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】導光装置２０は、映像光を取り込む入射部２１と、導光用の平行導光体２２と、映像光を取り出すための射出部２３とを備える。射出部２３は、複数のミラー３１を配列してなるとともに複数のミラー３１に隣接して複数の波長板３５を配置した反射ユニット３０を有し、複数のミラー３１がＰ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも低い反射素子であるので、反射ユニット３０に入射し特定の第１ミラー３１Ａで反射されて眼ＥＹに入射する映像光ＧＬの輝度と、当該特定の第１ミラー３１Ａを透過して隣の第２ミラー３１Ｂで反射されて眼ＥＹに入射する映像光ＧＬの輝度とをバランスさせることが容易になり、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる。【選択図】図４

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装置及びこれを組み込んだ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映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、視準像等を観察者の視野に導入するウェアラブルディスプレイ装置として、平行平面板状の導光体の中に主面に対して傾斜するとともに互いに平行に配置された多数のハーフミラー（以下、「ＨＭ」とも呼ぶ）を組み込み、このＨＭで映像光を反射して観察者に提示するものが公知となっている（特許文献１参照）。この装置では、導光体越しのシースルーによって周囲環境を眺めつつ、イメージングユニットからの映像光を導光体内の多数のＨＭで反射させて取り出すことにより可視像として観察可能にしている。

上記特許文献１に記載のウェアラブルディスプレイ装置では、可視像に筋状のムラが発生する可能性について記載されていない。具体的には、この種のウェアラブルディスプレイ装置の場合、アレイ状のＨＭが眼前に配置されるので、ＨＭを一度も透過しないで反射された光と、ＨＭを一度透過して反射された光とが同一方向から眼に入射するといった多重反射が生じ、この反射回数に応じて明るさが段差的に減少する。このため、眼に各角度方向から入射する光がＨＭの配列方向に配列間隔に対応する周期的な輝度分布を持つことになり、光の角度方向に応じてその輝度分布が非連続的に変化することから、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうという問題がある。

米国出願公開第ＵＳ２０１３／０１６３０８９号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる導光装置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。

上記目的を達成するため、本発明に係る導光装置は、観察者側及び外界側に対応して対向する一対の面を有する導光体と、導光体の一端側に設けられた入射部と、導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、射出部は、入射部からの映像光を観察者側にそれぞれ射出させる複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、反射ユニットは、複数のミラーのそれぞれに対応して配置される複数の波長板を有し、複数のミラーは、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも低い反射素子である。なお、Ｐ偏光は、電界成分がミラーの入射面（ここでの入射面は、ミラー面と垂直の関係にあり入射光線と反射光線を含む）に平行なものを意味し、Ｓ偏光は、電界成分がミラーの上記入射面に垂直なものを意味する。

上記導光装置によれば、複数のミラーのそれぞれに対応して配置される複数の波長板を有し、複数のミラーがＰ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも低い反射素子であるので、反射ユニットに入射し特定のミラーで反射されて眼に入射する映像光の輝度と、当該特定のミラーを透過して隣のミラーで反射されて眼に入射する映像光の輝度とをバランスさせることが容易になり、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる。

本発明の具体的な側面では、各波長板は、各ミラーに隣接して配置されている。ここで、隣接して配置とは、ミラーに接している場合のほか、ミラーに近接してミラーから僅かに離間している場合を含むものとする。波長板がミラーに隣接することで、例えばミラーを通過するがこれに対応する波長板に入射しないといった意図しない光の発生を確実に防止することができる。

本発明の別の側面では、各波長板は、各ミラーに対して入射部から離れる反入射側に配置されている。波長板が例えば１／２波長板である場合、特定のミラーに入射する映像光を構成するＰ偏光及びＳ偏光と、当該特定のミラーを透過して隣のミラーに入射する映像光を構成するＰ偏光及びＳ偏光とを互いに入れ替えることができる。これにより、特定のミラー及び隣のミラーでそれぞれＳ偏光として反射された映像光が略均等に眼側に取り出される。
なお、外界光が導光装置に入射する場合、外界光がＰ偏光であれば、隣のミラーを高い透過率で透過することになるとともに、外界光がＳ偏光であれば、最初の特定のミラーを高い透過率で透過することになり、ミラーでの２重反射による間接光（つまり隣のミラーでの反射）に起因してゴーストが観察されてしまうことを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、上記導光装置において、各波長板は、各ミラーに対して入射部のある入射側に配置されている。波長板が例えば１／２波長板である場合、特定のミラーに入射する映像光を構成するＰ偏光及びＳ偏光と、当該特定のミラーを透過して隣のミラーに入射する映像光を構成するＰ偏光及びＳ偏光とを互いに入れ替えることができる。これにより、特定のミラー及び隣のミラーでそれぞれＳ偏光として反射され波長板にてそれぞれＰ偏光とされた映像光が略均等に眼側に取り出される。
なお、外界光が導光装置に入射する場合、外界光がＰ偏光であれば、最初の特定のミラーを高い透過率で透過することになるとともに、外界光がＳ偏光であれば、隣のミラーを高い透過率で透過することになり、ミラーでの２重反射による間接光（つまり隣のミラーでの反射）に起因してゴーストが観察されてしまうことを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、ミラーは、誘電体多層膜で形成されている。この場合、Ｐ偏光の反射率とＳ偏光の反射率との調整が容易である。誘電体多層膜を用いることにより、光の損失が少なく、反射率を下げても均一な特性を維持しやすい。

本発明のさらに別の側面では、波長板は、１／２波長板である。この場合、Ｐ偏光及びＳ偏光の入れ替え、つまり偏光方向の入れ替えが可能になる。

本発明のさらに別の側面では、ミラーのＰ偏光の反射率をＲｐとし、ミラーのＳ偏光の反射率をＲｓとしたときに、下記の条件式（１）及び（２）
Ｒｐ＜０．０５ … （１）
Ｒｐ＜０．５×Ｒｓ … （２）
を満たす。この場合、Ｐ偏光の反射率とＳ偏光の反射率との差が大きく、Ｐ偏光の反射率がかなり小さいので、映像光の反射率を高めつつ可視像において表示ムラの発生を抑制することができる。

本発明のさらに別の側面では、導光体の一対の面は、略平行に延び、複数のミラーは、導光体の外界側で反射された映像光を反射して観察者側にそれぞれ射出させるため外界側に向かって入射部側に傾斜している。この場合、映像光が、導光体と反射ユニットとの境界面で反射されることなく射出部に入射する位置又はその近傍のミラーのみを経由する構成とできる。これにより、観察されるべき映像光がミラーを経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、その一方で、意図しない映像光の射出を防止してゴースト光の発生を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、ミラーへの映像光の入射角は、４０°以上である。この場合、入射部側からの映像光が反射ユニットに入射して最初のミラーに入射した段階又は隣のミラーに入射した段階で、ミラーによって映像光が反射され眼側に取り出される構成をとりやすくなる。

上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、上述した導光装置とを備える。

上記虚像表示装置によれば、上述した導光装置を用いることにより、可視像において表示ムラが観察されることを抑制できる。

本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、導光体の外界側を覆うとともに所定方向に偏った偏光特性を有するシェード部材をさらに備える。この場合、水面等での反射を含む外界光の観察が容易になる。

（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）は、導光装置の裏面図である。 導光装置等における映像光の光路を光軸を含む断面で説明する図である。 反射ユニットにおけるミラー等の配置及び光路の状態を説明する部分拡大図である。 反射ユニットによる映像光の処理を説明する図である。 反射ユニットによる外界光の処理を説明する図である。 反射ユニットによる映像光の処理の一例を説明する図である。 反射ユニットによる外界光の処理の一例を説明する図である。 反射ユニットの一作製例を説明する図である。 映像光の光路の射出側における変形例を説明する断面図である。 映像光の光路の射出側における別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装置の反射ユニットの構造と映像光の処理とを説明する図である。 図１１の反射ユニットによる外界光の処理を説明する図である。 反射ユニットによる映像光の処理の一例を説明する図である。 反射ユニットによる外界光の処理の一例を説明する図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。 導光装置の変形例を説明する断面図である。 導光装置の別の変形例を説明する断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。

〔１Ａ．導光装置及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）及び１（Ｂ）を参照して、第１実施形態の導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。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、導光装置２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光装置２０のＡ−Ａ断面に対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像としての映像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。虚像表示装置１００において、画像形成装置１０と導光装置２０とは、通常観察者の右眼及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。

画像形成装置１０は、映像素子である液晶デバイス１１と、光結合用の投射レンズ１２とを備える。
液晶デバイス（映像素子）１１は、光源１４からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき映像光ＧＬを形成する。液晶デバイス（映像素子）１１は、所定の偏光特性を有する映像光ＧＬを射出する。具体的には、液晶デバイス１１からＳ偏光に偏った状態の映像光ＧＬを平行導光体２２経由で反射ユニット３０に入射させることができる。なお、ここでＳ偏光とは、後に詳述する反射ユニット３０又はそのミラー３１を基準とするものである。
投射レンズ１２は、例えば縦のｙ方向に関して液晶デバイス１１上の各点から射出された映像光ＧＬを略平行光線にするコリメートレンズとして機能し、横のｘｚ断面に関して導光装置２０の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。なお、投射レンズ１２は、ガラス又はプラスチックで形成され、１枚に限らず複数枚の構成とすることができる。投射レンズ１２は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等とすることができる。

導光装置２０は、平板状の部分を有し、画像形成装置１０で形成された映像光ＧＬを虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光ＯＬを実質的にそのまま透過させる。導光装置２０は、映像光を取り込む入射部２１と、導光用の平行導光体２２と、映像光を取り出すための射出部２３とを備える。本実施形態の場合、入射部２１は、観察者の耳側に配置され、射出部２３は、観察者の鼻側に配置される。平行導光体２２と入射部２１の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品である。
なお、平行導光体２２は、観察者の眼ＥＹを基準とする光軸ＡＸに対して傾けて配置されており、その法線方向Ｚは、光軸ＡＸに対して角σだけ傾いている。この場合、平行導光体２２を顔の曲線に沿って配置できるが、平行導光体２２の法線は、光軸ＡＸに対して傾きを有するものとなる。このように、平行導光体２２の法線を光軸ＡＸに平行なｚ方向に対して角度σだけ傾ける場合、反射ユニット３０から射出させる光軸ＡＸ上及びその近傍の映像光ＧＬ０は、光射出面ＯＳの法線に対して角度σを成すものとなる。

入射部２１は、画像形成装置１０からの映像光ＧＬを取り込む光入射面ＩＳと、取り込んだ映像光ＧＬを反射して平行導光体２２内に導く反射面ＲＳとを有する。光入射面ＩＳは、投射レンズ１２側に凹の曲面２１ｂから形成されており、この曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された映像光ＧＬを内面側で全反射する機能も有する。反射面ＲＳは、投射レンズ１２側に凹の曲面２１ａから形成されている。反射面ＲＳは、曲面２１ａ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面ＩＳから入射した映像光ＧＬを反射し光路を所定方向に折り曲げ、曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された映像光ＧＬを内側で全反射し光路を所定方向に折り曲げる。つまり、入射部２１は、光入射面ＩＳから入射した映像光ＧＬを２回の反射によって折り曲げることで、映像光ＧＬを平行導光体２２内に確実に結合させる。
なお、曲面２１ｂや曲面２１ａは、球面又は非球面に限らず、非軸対称曲面とすることができる。これにより、導光装置２０の光学性能を向上させることができる。
さらに、曲面２１ｂ，２１ａは、縦のｙ方向に屈折力を有するものであってもよい。これにより、投射レンズ１２によるコリメート機能を補助することができる。

平行導光体２２は、ｙ軸に平行でｘ軸又はｚ軸に対して傾斜した平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体（導光体）２２は、光透過性の樹脂材料等により形成され、平行に延びる一対の面である２つの対向する平面２２ａ，２２ｂを有する。両平面２２ａ，２２ｂは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、＋ｚ側又はＺ側の一方の平面２２ａは、入射部２１からの映像光を全反射させる全反射面として機能し、映像光を少ない損失で射出部２３に導く役割を有する。すなわち、＋ｚ側の平面２２ａは、平行導光体２２の外界側に配置されて全反射面として機能し、本明細書中において外界側面とも呼ぶ。また、−ｚ側の平面２２ｂは、本明細書中において観察者側面とも呼ぶ。裏側の平面（観察者側面）２２ｂは、射出部２３の一端まで延びている。ここで、裏側の平面２２ｂの延長平面は、平行導光体２２と射出部２３との境界面ＩＦとなっている。
平行導光体２２において、入射部２１の反射面ＲＳや光入射面ＩＳの内側で反射された映像光ＧＬは、全反射面である平面２２ａに入射し、ここで全反射され、導光装置２０の奥側すなわち射出部２３を設けた＋ｘ側又はＸ側に導かれる。つまり、平行導光体２２において、Ｘ軸方向は映像光ＧＬの導光方向となっている。
なお、平行導光体２２は、導光装置２０の外形のうち＋ｘ側又はＸ側の端面を画成する側面として終端面ＥＳを有する。また、平行導光体２２は、±ｙ側の端面を画成する上面及び底面として上端面ＴＰと下端面ＢＰとをそれぞれ有している。

図２に示すように、射出部２３は、平行導光体２２の奥側（＋Ｘ側）において、裏側の平面２２ｂに沿ってその延長上に層状に形成され、或いは境界面ＩＦに沿うように層状に形成されている。射出部２３は、平行導光体２２の外界側の平面（全反射面）２２ａにおいて所定面領域ＦＲで全反射された映像光ＧＬを通過させる際に、入射した映像光ＧＬを所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。ここでは、射出部２３にこれまでこの射出部２３を透過することなく最初に入射する映像光ＧＬが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部２３において光射出面ＯＳの内面や境界面ＩＦで反射される光があっても、これは映像光として利用されない。射出部２３は、透過性を有する複数のミラー、波長板等を配列してなる反射ユニット３０を有するが、その詳しい構造については、図３等を参照して後に詳述する。

導光装置２０が以上のような構造を有することから、画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光装置２０に入射した映像光ＧＬは、入射部２１で複数回の反射によって折り曲げられ、平行導光体２２の平面２２ａの所定面領域ＦＲにおいて全反射されて光軸ＡＸに略沿って進む。＋ｚ側又は＋Ｚ側の平面２２ａの所定面領域ＦＲで反射された映像光ＧＬは、射出部２３に入射する。この際、ＸＹ面内において、所定面領域ＦＲの長手方向の幅は、射出部２３の長手方向の幅よりも狭くなっている。つまり、映像光ＧＬの光線束が射出部２３（又は反射ユニット３０）に入射する入射幅は、映像光ＧＬの光線束が所定面領域ＦＲに入射する入射幅よりも広い。このように、映像光ＧＬの光線束が所定面領域ＦＲに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面ＩＦを導光に利用しないで（つまり、境界面ＩＦで映像光ＧＬを反射させずに）、所定面領域ＦＲからの映像光ＧＬを射出部２３又は反射ユニット３０に直接的に入射させることが容易になる。射出部２３に入射した映像光ＧＬは、射出部２３又は反射ユニット３０において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから射出される。光射出面ＯＳから射出された映像光ＧＬは、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光ＧＬを認識することができる。
ここで、像形成に用いられる映像光ＧＬが射出部２３に入射する角度は、光源側の入射部２１から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部２３の奥側には、外界側の平面２２ａに平行なＺ方向又は光軸ＡＸに対して傾きの大きな映像光ＧＬが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部２３の前側には、Ｚ方向又は光軸ＡＸに対して傾きの小さな映像光ＧＬが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。

〔１Ｂ．映像光の光路〕
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図２に示すように、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を映像光ＧＬ０とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（＋ｚ寄りの−ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ１とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（−ｚ寄りの＋ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ２とする。これらのうち映像光ＧＬ０の光路は光軸ＡＸに沿って延びるものとなっている。

投射レンズ１２を経た各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、入射部２１を経て平行導光体２２内を通過して射出部２３に至る。
具体的には、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された映像光ＧＬ０は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、標準反射角θ０で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（又は反射ユニット３０）との境界面ＩＦで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部２３の中央の部分２３ｋに直接的に入射する。映像光ＧＬ０は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳを含むＸＹ面に対して傾いた光軸ＡＸ方向（Ｚ方向に対して角σの方向）に平行光束として射出される。
また、射出面１１ａの一端側（−ｘ側）から射出された映像光ＧＬ１は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最大反射角θ１で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（又は反射ユニット３０）との境界面ＩＦで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部２３のうち奥側（＋Ｘ側）の部分２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角（光軸ＡＸを基準とした場合の角γ１に対応）は、入射部２１側に戻される程度が相対的に大きくなっている。
一方、射出面１１ａの他端側（＋ｘ側）から射出された映像光ＧＬ２は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最小反射角θ２で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（又は反射ユニット３０）との境界面ＩＦで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部２３のうち入口側（−Ｘ側）の部分２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角（光軸ＡＸを基準とした場合の角γ２に対応）は、入射部２１側に戻される程度が相対的に小さくなっている。
つまり、様々な画角の映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、観察者の眼ＥＹを想定したアイポイントＥＰａに集まる。アイポイントＥＰａは、導光装置２０に設定された射出瞳の位置を意味し、ここに眼ＥＹを置けば明るい欠けの無い画像が得られる。
なお、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、映像光ＧＬの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光ＧＬを構成する光線成分についても映像光ＧＬ０等と同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。

ここで、入射部２１及び平行導光体２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．４とすると、その臨界角θｃの値はθｃ≒４５．６°となる。各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の反射角θ０，θ１，θ２のうち最小である反射角θ２を臨界角θｃよりも大きな値とすることで、必要な映像光について平行導光体２２内での平面２２ａにおける全反射条件を満たすものにできる。
なお、中央向けの映像光ＧＬ０は、仰角φ０（＝９０°−θ０）で射出部２３の部分２３ｋに入射し、周辺向け映像光ＧＬ１は、仰角φ１（＝９０°−θ１）で射出部２３の部分２３ｈに入射し、周辺向け映像光ＧＬ２は、仰角φ２（＝９０°−θ２）で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角φ０，φ１，φ２間には、反射角θ０，θ１，θ２の大小関係を反映してφ２＞φ０＞φ１の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット３０の偏光分離型のミラー３１等への入射角ι（図３参照）は、仰角φ２に対応する部分２３ｍ、仰角φ０に対応する部分２３ｋ、仰角φ１に対応する部分２３ｈの順で徐々に小さくなる。換言すれば、偏光分離型のミラー３１への入射角ι又はかかるミラー３１での反射角（逆進光路を考えた場合には視線の入射角でもある）は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のミラー３１への入射角ιは、ミラー３１の通過回数を少なく調整可能にする観点で４０°以上とする。これにより、入射部２１側からの映像光ＧＬが反射ユニット３０に入射して最初のミラー３１等に入射した段階又は隣のミラー３１に入射した段階で、ミラー３１によって映像光ＧＬが反射され眼ＥＹ側に取り出される構成をとりやすくなる。

平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射されて射出部２３に向かう映像光ＧＬの光線束の全体的な挙動について説明する。映像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、平行導光体２２の外界側の所定面領域ＦＲで反射される前後の直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれかで幅が絞られる。具体的には、映像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含むＸＺ断面において、所定面領域ＦＲ近辺、つまり直進光路Ｐ１，Ｐ２の境界付近で両直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。これにより、映像光ＧＬの光線束を射出部２３の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。
なお、図示の例では、映像光ＧＬの光線束が両直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で幅が絞られてビーム幅が細くなっているが、直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれか片側のみで幅が絞られてビーム幅が細くなってもよい。

〔１Ｃ．射出部の構造及び射出部による光路の折曲げ〕
以下、図２〜３等を参照して、射出部２３の構造及び射出部２３による映像光の光路の折曲げ及び偏光状態の切り換えについて詳細に説明する。

まず、射出部２３の構造について説明する。射出部２３は、映像光ＧＬをそれぞれ部分的に反射する偏光分離型の複数のミラー３１と、映像光ＧＬの偏光状態をそれぞれ変化させる偏光状態変換用の波長板３５とを組み合わせた複合層３９を配列してなる反射ユニット３０を有する。反射ユニット３０は、光軸ＡＸに対して角σだけ傾いたＸＹ平面に沿って延びる矩形板状の部材であり、細い帯状のミラー３１及び波長板３５を組み合わせた複合層３９をストライプパターンとなるように多数埋め込んだ構造を有する。つまり、反射ユニット３０は、ｙ方向又はＹ方向に延びる細長い複合層３９を平行導光体２２の延びる方向すなわちＸ方向に多数配列させることで構成されている。より具体的には、ミラー３１及び波長板３５は、図２等に示す平行導光体２２の平面２２ａ，２２ｂに平行でミラー３１の配列されるＸ方向に対して垂直に延びる方向のうち、上下のｙ方向又はＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、ミラー３１及び波長板３５は、平行導光体２２の観察者側よりも外界側に向かって入射部２１側に傾斜している。より具体的には、ミラー３１は、その長手方向（Ｙ方向）を軸として、平面２２ａ，２２ｂに直交するＹＺ面を基準として上端（＋Ｚ側）が反時計方向に回転するように傾斜している。つまり、各ミラー３１及び波長板３５は、ＸＺ断面で見て−Ｘ方向及び＋Ｚ方向の間の方向に延びている。さらに、全ミラー３１及び波長板３５は、精密に互いに平行に配置されている。以上の複合層３９において、ミラー３１は、入射側に配置され、波長板３５は、反入射側に配置されている。つまり、波長板３５は、ミラー３１の反入射側に配置されていることになる。

反射ユニット３０は、多数のブロック部材３２を接合した構造を有し、ミラー３１及び波長板３５を組み合わせた複合層３９は、隣接する一対のブロック部材３２間に挟まれた薄膜状のものとなっている。ここで、ブロック部材３２の屈折率は、平行導光体２２の屈折率と略等しくなっているが、両者の屈折率を相違させることもできる。両者の屈折率を相違させる場合、ミラー３１を傾斜させる角度δを調整又は修正する必要がある。

ミラー３１は、例えば誘電体多層膜で形成された反射素子であり、Ｐ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とが異なるものとなっている。より具体的には、複数のミラー３１は、同様の特性を有し、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも低い反射素子である。例えば、ミラー３１のＰ偏光の反射率をＲｐとし、ミラー３１のＳ偏光の反射率をＲｓとしたときに、下記の条件式（１）及び（２）
Ｒｐ＜０．０５ … （１）
Ｒｐ＜０．５×Ｒｓ … （２）
が満たされるように、ミラー３１の反射特性が設定されている。さらに、具体的な例では、ミラー３１の反射特性は、上記の条件式（２）に代えて下記の条件式（２）'
Ｒｐ＜０．２×Ｒｓ … （２）'
を満たすようなものとなっている。つまり、Ｐ偏光の反射率は、極めて低く設定されており、Ｓ偏光の反射率は、Ｐ偏光の２倍以上、好ましくは５倍以上に設定されて相対的に十分大きくなっている。
なお、ミラー３１の映像光ＧＬに対する全体的な反射率、つまりＰ偏光とＳ偏光とを合わせた反射率は、シースルーによる外界光ＯＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において３％以上５０％以下とする。

波長板３５は、例えば誘電体の蒸着膜、有機材材料のフィルム、ストライプ状のナノ構造を形成した微細構造層で形成された１／２波長板である。波長板３５は、ミラー３１に入射する映像光ＧＬ及び外界光ＯＬの偏光状態を切り換える。具体的には、例えばＰ偏光の映像光ＧＬがミラー３１を通過した場合、このＰ偏光をＳ偏光に切り換え、Ｓ偏光の映像光ＧＬがミラー３１を通過した場合、このＳ偏光をＰ偏光に切り換える。また、例えばＰ偏光の外界光ＯＬがミラー３１に入射する前に、このＰ偏光をＳ偏光に切り換え、Ｓ偏光の外界光ＯＬがミラー３１に入射する前に、このＳ偏光をＰ偏光に切り換える。このような偏光方向の切り換えを実現するため、波長板３５の光学軸その他の基準軸は、波長板３５又はミラー３１の延びる方向を基準として適宜設定されている。
なお、映像光ＧＬがミラー３１に入射する角度と、外界光ＯＬがミラー３１に入射する角度とは、反対側からであり一致するので、波長板３５は、映像光ＧＬ及び外界光ＯＬに対して同様の作用を及ぼすことになる。

反射ユニット３０の厚みＴＩ（すなわちミラー３１のＺ軸方向の幅）は、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。なお、反射ユニット３０を支持する平行導光体２２の厚みは、例えば数ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍ程度となっている。平行導光体２２の厚みが反射ユニット３０の厚みに比較して十分大きいと、反射ユニット３０又は境界面ＩＦへの映像光ＧＬの入射角を小さくしやすく、映像光ＧＬが眼ＥＹに取り込まれない位置にあるミラー３１での反射を抑えやすい。一方、平行導光体２２の厚みを比較的薄くすると、平行導光体２２や導光装置２０の軽量化を図りやすくなる。
なお、波長板３５の厚みは、ミラー３１の配列間隔ＳＰに比較して充分小さくすることが望ましい。これにより、ミラー３１に入射しない映像光ＧＬが波長板３５と干渉することを防止できる。

ミラー３１及び波長板３５は、すべて同一の傾きに設定され、平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂを基準として時計回りで例えば４８°〜７０°程度の傾斜角度δをなすものとできる。具体的には、ミラー３１は、例えば平面２２ｂに対して６０°の傾斜角度δをなしている。ここで、映像光ＧＬ０の仰角φ０が例えば３０°に設定され、映像光ＧＬ１の仰角φ１が例えば２２°に設定され、映像光ＧＬ２の仰角φ２が例えば３８°に設定されているものとする。この場合、映像光ＧＬ１と映像光ＧＬ２とは、光軸ＡＸを基準として角度γ１＝γ２≒１２．５°をなして観察者の眼ＥＹに入射する。

これにより、上記映像光ＧＬのうち全反射角度の比較的大きい成分（映像光ＧＬ１）を反射ユニット３０のうち反入射側である＋Ｘ側の部分２３ｈ側に主に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分（映像光ＧＬ２）を射出部２３のうち入射側である−Ｘ側の部分２３ｍ側に主に入射させた場合において、映像光ＧＬ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。このような角度関係で映像光ＧＬを取り出す構成であるため、導光装置２０は、映像光ＧＬを反射ユニット３０において原則として複数回透過させないで１回反射させることができ、映像光ＧＬを少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。

なお、反射ユニット３０のミラー３１等を１回以上通過する非利用光は、外界側の平面２２ａに再度入射する可能性があるが、ここで全反射された場合、多くは反射ユニット３０の奥側の部分２３ｈ又はさらに奧側であって有効領域外に入射させることができ、眼ＥＹに入射する可能性が低減される。

また、反射ユニット３０の部分２３ｍ，２３ｋ，２３ｈにおいて、映像光ＧＬの少なくとも一部は、ミラー３１を複数回経由（具体的には、１回以上の透過と１回の反射とを含む通過）している。この場合、ミラー３１の経由回数が複数になるが、後述するように、複数のミラー３１からの反射光を映像光ＧＬとしてバランスさせて観察者の眼ＥＹにそれぞれ入射させるので、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる。一方で、ミラー３１を経由回数が３回以上となると、その光量制御が困難になり、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまう可能性が生じる。このため、ミラー３１の配列間隔ＳＰや反射ユニット３０の厚みＴＩが適宜に設定される。

図４、５等を参照して、反射ユニット３０を構成する複数のミラー３１及び波長板３５の機能について説明する。なお、以下では説明を簡単にするため、外界光ＯＬが反射ユニット３０の主面に垂直に入射し光射出面ＯＳから垂直に射出する場合を基本に考える。これに対応して、図５は、外界光ＯＬが反射ユニット３０に垂直方向から入射する場合を示し、図４は、図５の状態に対応しており、映像光ＧＬが反射ユニット３０に仰角φで入射して反射ユニット３０から垂直方向に射出する場合を示している。

ミラー３１は、誘電体多層膜で形成された偏光分離素子であり、実線で示すＰ偏光を透過率αで透過させ、点線で示すＳ偏光を透過率βで透過させる。つまり、ミラー３１のＰ偏光の反射率Ｒｐ＝（１−α）であり、ミラー３１のＳ偏光の反射率Ｒｓ＝（１−β）である。ここで、便宜上、入射部２１側からの映像光ＧＬが反射ユニット３０に入射して最初に入射するミラー３１を第１ミラー３１Ａと呼び、第１ミラー３１Ａの反入射側に配置された隣のミラー３１を第２ミラー３１Ｂと呼ぶこととする。
波長板３５は、第１ミラー３１Ａの反入射側に隣接して配置されており、既述のようにミラー３１を通過後の映像光ＧＬをＳ偏光からＰ偏光に変換し或いはＰ偏光からＳ偏光に変換する。また、ミラー３１に入射する前の外界光ＯＬをＳ偏光からＰ偏光に変換し或いはＰ偏光からＳ偏光に変換する。

図４に示すように、反射ユニット３０に入射した映像光ＧＬは、これがＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含むとした場合、これらの偏光成分が第１ミラー３１Ａにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、Ｐ偏光成分の元の強度をＩＰ０としＳ偏光成分の元の強度をＩＳ０として、第１ミラー３１Ａの反射光ＧＲ１には、強度（１−α）×ＩＰ０のＰ偏光と、強度（１−β）×ＩＳ０のＳ偏光とが含まれる。また、第１ミラー３１Ａの透過光ＧＴには、強度α×ＩＰ０のＳ偏光と、強度β×ＩＳ０のＰ偏光とが含まれる。ここで、映像光ＧＬは、第１ミラー３１Ａの通過に伴って波長板３５も通過するので、Ｓ偏光及びＰ偏光間の偏光の入れ替えが生じている。
第１ミラー３１Ａからの透過光ＧＴの偏光成分は、第２ミラー３１Ｂにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、第２ミラー３１Ｂの反射光ＧＲ２には、強度β（１−α）×ＩＳ０のＰ偏光と、強度α（１−β）×ＩＰ０のＳ偏光とが含まれる。
つまり、観察者の眼ＥＹには、反射ユニット３０越しに、第１ミラー３１Ａを経た強度（（１−α）×ＩＰ０＋（１−β）×ＩＳ０）の反射光ＧＲ１と、第２ミラー３１Ｂを経た強度（β（１−α）×ＩＳ０＋α（１−β）×ＩＰ０）の反射光ＧＲ２とが入射する。

ここで、ミラー３１のＰ偏光の反射率Ｒｐ＝（１−α）は、近似的にゼロであり、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１の強度は、（１−β）×ＩＳ０となり、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２の強度は、α（１−β）×ＩＰ０となる。また、Ｐ偏光の透過率Ｒｓ＝αは、近似的に１に近い値であり、映像光ＧＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含むとすると、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１の強度（１−β）×ＩＳ０と、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２の強度α（１−β）×ＩＰ０≒（１−β）×ＩＰ０とが略等しくなると言える。
上記のように、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１の強度と、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２の強度とが等しい場合、第１ミラー３１Ａで反射されて眼ＥＹに入射する反射光ＧＲ１又は映像光ＧＬの輝度と、第２ミラー３１Ｂで反射されて眼ＥＹに入射する反射光ＧＲ２又は映像光ＧＬの輝度とをバランスさせることができ、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる。つまり、液晶デバイス１１上の各表示点から射出された映像光ＧＬが、眼ＥＹの配置されるアイポイントＥＰａ周辺にミラー３１の配置との関連性が少ない比較的一様な輝度分布で入射するので、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１と第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２とがバランスしていない場合に比較して、反射ユニット３０越しに見える虚像に意図しない縦筋状のムラが観察されてしまうことを防止できる。

一方、図５に示すように、反射ユニット３０に入射した外界光ＯＬは、これがＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含むとした場合、これらの偏光成分が第１ミラー３１Ａにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、Ｐ偏光成分の元の強度をＩＰ０としＳ偏光成分の元の強度をＩＳ０として、第１ミラー３１Ａの透過光ＯＴには、強度α×ＩＳ０のＰ偏光と、強度β×ＩＰ０のＳ偏光とが含まれる。また、第１ミラー３１Ａの反射光ＯＲ１には、強度（１−β）×ＩＰ０のＰ偏光と、強度（１−α）×ＩＳ０のＳ偏光とが含まれる。
第１ミラー３１Ａからの反射光ＯＲ１の偏光成分は、第２ミラー３１Ｂにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、第２ミラー３１Ｂの反射光ＯＲ２には、強度（１−β）・（１−α）×ＩＰ０のＰ偏光と、強度（１−α）・（１−β）×ＩＳ０のＳ偏光とが含まれる。
つまり、観察者の眼ＥＹには、反射ユニット３０越しに、第１ミラー３１Ａを経た強度（α×ＩＳ０＋β×ＩＰ０）の透過光ＯＴと、第２ミラー３１Ｂを経た強度（（１−β）・（１−α）×ＩＰ０＋（１−α）・（１−β）×ＩＳ０）の反射光ＯＲ２とが入射する。

ここで、ミラー３１のＰ偏光の反射率Ｒｐ＝（１−α）は、近似的にゼロであり、第１ミラー３１Ａからの透過光ＯＴの強度は、α×ＩＳ０＋β×ＩＰ０となり、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＯＲ２の強度は、０×ＩＳ０＋０×ＩＰ０となる。結果的に、観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＯＬは、第１ミラー３１Ａを透過したもののみとなり、第２ミラー３１Ｂを経由するものは実質的に存在しなくなる。
このように、眼ＥＹに至る外界光ＯＬが第１ミラー３１Ａを透過したもののみで構成される場合、反射ユニット３０越しに近接物体を見た時に、反射光ＯＲ２（つまりミラー３１での２重反射による間接光）に起因してゴーストが観察されてしまうことを抑制できる。近接物体からの外界光ＯＬは、発散角を持つので、互いに位置が異なるとともに平行に延びる第１ミラー３１Ａと第２ミラー３１Ｂとを経て、同じ角度で眼ＥＹに入射する透過光ＯＴと反射光ＯＲ２とが併存する場合、画像が僅かにずれて重畳するゴーストの原因となってしまう。なお、反射ユニット３０越しに無限遠物体を見た場合には、このように画像が僅かにずれて重畳するゴーストが発生しない。

図６及び７は、反射ユニット３０を構成する複数のミラー３１等の具体的構成例の機能について説明するものである。この場合、ミラー３１は、実線で示すＰ偏光を透過率α＝１．０で透過させ、点線で示すＳ偏光を透過率β＝０．８で透過させる。
図６から明らかなように、反射ユニット３０に入射した映像光ＧＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含む場合、第１ミラー３１Ａで折り曲げられて眼ＥＹに向かう透過光ＧＴの強度は、０．２×ＩＳ０となり、第２ミラー３１Ｂで折り曲げられて眼ＥＹに向かう反射光ＧＲ２の強度は、０．２×ＩＰ０となる。つまり、液晶デバイス１１上の各表示点から射出された映像光ＧＬが、眼ＥＹの配置されるアイポイントＥＰａ周辺にミラー３１の配置との関連性が少ない比較的一様な輝度分布で入射するので、反射ユニット３０越しに見える虚像に意図しない縦筋状のムラが観察されてしまうことを防止できる。
図７から明らかなように、反射ユニット３０に入射した外界光ＯＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含む場合、第１ミラー３１Ａを直進して眼ＥＹに向かう透過光ＯＴの強度は、０．８×ＩＰ０＋１．０×ＩＳ０となり、第２ミラー３１Ｂで折り曲げられて眼ＥＹに向かう反射光ＯＲ２の強度は、ゼロとなる。つまり、外界光ＯＬが無限遠からのものであっても近接物体からのものであっても、画像が僅かにずれて重畳するゴーストの発生を防止できる。

以上では、説明の便宜上、外界光ＯＬが反射ユニット３０の主面に垂直に入射するとして説明を行ったが、外界光ＯＬが反射ユニット３０の主面に傾いて入射しても同様の機能を発揮させることができる。例えば、反射ユニット３０を構成する複数のミラー３１の偏光分離特性を外界光ＯＬや映像光ＧＬの入射角に合わせて適宜調整すればよく、入射角に所定の幅がある場合もＰ偏光やＳ偏光の反射率を問題が生じない程度に一様に保つことができる。さらに、以上の説明では、外界光ＯＬや映像光ＧＬの波長について説明しなかったが、外界光ＯＬや映像光ＧＬは、可視光線の波長域で任意の波長とできる。このように光の波長域に所定の幅がある場合も、Ｐ偏光やＳ偏光の反射率を問題が生じない程度に一様に保つことができる。

図８を参照して、反射ユニット３０の製造方法の一例について説明する。予め、ガラス製の平行平板である多数のガラス板９１を準備する。次に、準備した多数のガラス板９１の一面に真空蒸着等を利用して誘電体多層膜９２を成膜することにより多数の要素板９０を準備する。誘電体多層膜９２は、所望の偏光分離特性を実現するため、膜材料、膜厚、積層数等が適宜設定される。さらに、誘電体多層膜９２上に波長板層９３を形成する。波長板層９３は、例えば光透過性を有する無機誘電体材料を斜め蒸着することによって蒸着膜に屈折率異方性を持たせることができ、透過光に偏光方向に応じた位相差を付与することができる。また、波長板層９３は、光学的異方性を有する有機材料フィルムに置き換えることができ、かかる有機材料フィルムを誘電体多層膜９２上に接着剤で貼り付けることができる。さらに、波長板層９３は、ナノインプリントやフォトリソグラフィによって誘電体多層膜９２上に波長スケール以下のピッチを有するストライプパターン状の凹凸構造を形成し、その上に屈折率が異なる成膜を行うことによっても可能である。波長板層９３の形成後、形成された多数の要素板９０を接着剤で接合しつつ積層し、切断線Ｃ１，Ｃ２に沿って全体を斜めにカットする。これにより、平行平板を斜めに分割した細長いプリズム片であるブロック部材３２の間に誘電体多層膜からなるミラー３１及び波長板３５を挟んだ構造の反射ユニット３０を得ることができる。この反射ユニット３０を、平行導光体２２の観察者側の適所に接着剤を介して貼り付け、接着剤を硬化させることによって固定する。
なお、以上では、ガラス板９１の主面の片側に誘電体多層膜９２と波長板層９３とを形成したが、ガラス板９１の主面の一方側に誘電体多層膜９２を形成し、主面の他方側に波長板層９３を形成してもよい。

〔１Ｄ．第１実施形態のまとめ〕
以上で説明した第１実施形態の導光装置２０によれば、複数のミラー３１のそれぞれに隣接して配置される複数の波長板３５を有し、複数のミラー３１がＰ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも低い反射素子であるので、反射ユニット３０に入射し特定の第１ミラー３１Ａで反射されて眼ＥＹに入射する映像光ＧＬの輝度と、当該特定の第１ミラー３１Ａを透過して隣の第２ミラー３１Ｂで反射されて眼ＥＹに入射する映像光ＧＬの輝度とをバランスさせることが容易になり、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる。

図９は、上記第１実施形態に係る導光装置２０のうち射出部２３の構造等に関する変形例を説明する図である。この場合、反射ユニット３０の厚みが、入射部２１に近い入射側で厚く入射部２１から遠い反入射側で薄くなっている。また、反射ユニット３０を構成する複合層３９の配列間隔ＳＰが入射部２１に近い入射側で短く入射部２１から遠い反入射側で徐々に長くなっている。
導光装置２０において、入射部２１から遠い側では、映像光ＧＬ２の仰角φ２が小さくなっており、反射ユニット３０を薄くすることや配列間隔ＳＰを広くすることで、ミラー３１等を経由する回数が増加することを抑制できる。ここで、反射ユニット３０の観察側の光射出面ＯＳと、平行導光体２２の外界側の平面２２ａとは平行であることが望ましい。つまり、平行導光体２２のうち反射ユニット３０に隣接する部分は原則として僅かな楔角を有することになる。

図１０は、上記第１実施形態に係る導光装置２０のうち射出部２３の構造等に関する別の変形例を説明する図である。この場合、射出部２３に設けた反射ユニット３０が傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、反射ユニット３０は、入射部２１から遠い奥側の部分２３ｈが入射部２１に近い前側の部分２３ｍよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、反射ユニット３０の入射面３０ａ及び出射面３０ｂは、平行導光体２２の平面２２ａ，２２ｂを基準として、反時計回りに９０°未満の適宜の角度ρで傾斜したものとなっている。
なお、射出部２３は、反射ユニット３０を挟んで平行導光体２２の反対側に、反射ユニット３０の出射面３０ｂに接合される断面楔状のプリズム部材２３ｆを有する。これにより、平行導光体２２の外界側の平面２２ａと、この平面２２ａに対向する光射出面ＯＳ又は平面２０ｂとが平行になって、外界光ＯＬの自然な観察が可能になる。反射ユニット３０が傾斜した状態で配置されていても、角度条件を図２〜３に示す例と同様とすれば、平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射された映像光ＧＬを複数のミラー３１で反射させて、観察側の光射出面ＯＳを通過させることでき、図２等の場合と同様に虚像を形成することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図１１及び１２に示すように、本実施形態の導光装置２０では、複合層３９において、ミラー３１は、反入射側に配置され、波長板３５は、入射側に配置されている。つまり、波長板３５は、ミラー３１の入射側に隣接して配置されている。ミラー３１及び波長板３５の機能は、図４及び５に示すものと同じである。

図１１に示すように、反射ユニット３０に入射した映像光ＧＬは、これがＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含むとした場合、これらの偏光成分が第１ミラー３１Ａにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、Ｐ偏光成分の元の強度をＩＰ０としＳ偏光成分の元の強度をＩＳ０として、第１ミラー３１Ａの反射光ＧＲ１には、強度（１−β）×ＩＰ０のＰ偏光と、強度（１−α）×ＩＳ０のＳ偏光とが含まれる。また、第１ミラー３１Ａの透過光ＧＴには、強度β×ＩＰ０のＳ偏光と、強度α×ＩＳ０のＰ偏光とが含まれる。ここで、映像光ＧＬは、第１ミラー３１Ａへの入射前に波長板３５も通過するので、反射光ＧＲ１については、偏光の入れ替えが２回生じて元の偏光状態に戻り、透過光ＧＴについては、Ｓ偏光及びＰ偏光間の偏光の入れ替えが生じている。
第１ミラー３１Ａからの透過光ＧＴの偏光成分は、第２ミラー３１Ｂにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、第２ミラー３１Ｂの反射光ＧＲ２には、強度α（１−β）×ＩＳ０のＰ偏光と、強度β（１−α）×ＩＰ０のＳ偏光とが含まれる。ここでも、反射光ＧＲ２については、偏光の入れ替えが２回生じて元の偏光状態に戻っている。
つまり、観察者の眼ＥＹには、反射ユニット３０越しに、第１ミラー３１Ａを経た強度（（１−β）×ＩＰ０＋（１−α）×ＩＳ０）の反射光ＧＲ１と、第２ミラー３１Ｂを経た強度（α（１−β）×ＩＳ０＋β（１−α）×ＩＰ０）の反射光ＧＲ２とが入射する。

ここで、ミラー３１のＰ偏光の反射率Ｒｐ＝（１−α）は、近似的にゼロであり、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１の強度は、（１−β）×ＩＰ０となり、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２の強度は、α（１−β）×ＩＳ０となる。また、Ｐ偏光の透過率Ｒｓ＝αは、近似的に１に近い値であり、映像光ＧＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含むとすると、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１の強度（１−β）×ＩＰ０と、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２の強度α（１−β）×ＩＳ０≒（１−β）×ＩＳ０とが略等しくなると言える。
上記のように、第１ミラー３１Ａからの反射光ＧＲ１の強度と、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＧＲ２の強度とが等しい場合、第１ミラー３１Ａで反射されて眼ＥＹに入射する反射光ＧＲ１又は映像光ＧＬの輝度と、第２ミラー３１Ｂで反射されて眼ＥＹに入射する反射光ＧＲ２又は映像光ＧＬの輝度とをバランスさせることができ、可視像に縦筋状のムラが観察されてしまうことを抑制できる。

一方、図１２に示すように、反射ユニット３０に入射した外界光ＯＬは、これがＰ偏光成分とＳ偏光成分とを含むとした場合、これらの偏光成分が第１ミラー３１Ａにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、Ｐ偏光成分の元の強度をＩＰ０としＳ偏光成分の元の強度をＩＳ０として、第１ミラー３１Ａの透過光ＯＴには、強度β×ＩＳ０のＰ偏光と、強度α×ＩＰ０のＳ偏光とが含まれる。また、第１ミラー３１Ａの反射光ＯＲ１には、強度（１−α）×ＩＰ０のＰ偏光と、強度（１−β）×ＩＳ０のＳ偏光とが含まれる。
第１ミラー３１Ａからの反射光ＯＲ１の偏光成分は、第２ミラー３１Ｂにより透過及び反射の区別として分離される。具体的には、第２ミラー３１Ｂの反射光ＯＲ２には、強度（１−α）・（１−β）×ＩＰ０のＰ偏光と、強度（１−β）・（１−α）×ＩＳ０のＳ偏光とが含まれる。
つまり、観察者の眼ＥＹには、反射ユニット３０越しに、第１ミラー３１Ａを経た強度（β×ＩＳ０＋α×ＩＰ０）の透過光ＯＴと、第２ミラー３１Ｂを経た強度（（１−α）・（１−β）×ＩＰ０＋（１−β）・（１−α）×ＩＳ０）の反射光ＯＲ２とが入射する。

ここで、ミラー３１のＰ偏光の反射率Ｒｐ＝（１−α）は、近似的にゼロであり、第１ミラー３１Ａからの透過光ＯＴの強度は、β×ＩＳ０＋α×ＩＰ０となり、第２ミラー３１Ｂからの反射光ＯＲ２の強度は、０×ＩＳ０となる。結果的に、観察者の眼ＥＹに入射する外界光ＯＬは、第１ミラー３１Ａを透過したもののみとなり、第２ミラー３１Ｂを経由するものは実質的に存在しなくなる。
このように、眼ＥＹに至る外界光ＯＬが第１ミラー３１Ａを透過したもののみで構成される場合、反射ユニット３０越しに近接物体を見た時に、反射光ＯＲ２（つまりミラー３１での２重反射による間接光）に起因してゴーストが観察されてしまうことを抑制できる。

図１３及び１４は、反射ユニット３０を構成する複数のミラー３１の具体的構成例の機能について説明するものである。この場合、ミラー３１は、実線で示すＰ偏光を透過率α＝１．０で透過させ、点線で示すＳ偏光を透過率β＝０．８で透過させる。
図１３から明らかなように、反射ユニット３０に入射した映像光ＧＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含む場合、第１ミラー３１Ａで折り曲げられて眼ＥＹに向かう透過光ＧＴの強度は、０．２×ＩＰ０となり、第２ミラー３１Ｂで折り曲げられて眼ＥＹに向かう反射光ＧＲ２の強度は、０．２×ＩＳ０となる。つまり、液晶デバイス１１上の各表示点から射出された映像光ＧＬが、眼ＥＹの配置されるアイポイントＥＰａ周辺にミラー３１の配置との関連性が少ない比較的一様な輝度分布で入射するので、反射ユニット３０越しに見える虚像に意図しない縦筋状のムラが観察されてしまうことを防止できる。
図１４から明らかなように、反射ユニット３０に入射した外界光ＯＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含む場合、第１ミラー３１Ａを直進して眼ＥＹに向かう透過光ＯＴの強度は、０．８×ＩＳ０＋１．０×ＩＰ０となり、第２ミラー３１Ｂで折り曲げられて眼ＥＹに向かう反射光ＯＲ２の強度は、ゼロとなる。つまり、外界光ＯＬが無限遠からのものであっても近接物体からのものであっても、画像が僅かにずれて重畳するゴーストの発生を防止できる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図１５に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、導光装置２０に付随する要素として、導光装置２０の外界側を覆うシェード部材６０を備えている。このシェード部材６０は、不図示のフレームを介して導光装置２０に着脱自在に固定されている。シェード部材６０は、所定方向に偏った偏光特性を有し、例えばＰ偏光の透過率がＳ偏光の透過率よりも低いものとなっている。
図１５に示す虚像表示装置１００の場合、シェード部材６０によって横方向に電界が振動するＰ偏光の透過が抑制されるので、水面、窓ガラス等での反射を含む外界光ＯＬの観察が容易になる。
なお、シェード部材６０の偏光特性に関してＰ偏光及びＳ偏光とは、導光装置２０のミラー３１を基準とするものである。つまり、シェード部材６０は、外界光ＯＬのうち平行導光体２２の導光方向（つまりＸ軸方向）に略平行な第１方向（図１５のｘ軸方向に相当）の電界成分であるＰ偏光の透過率が外界光ＯＬのうち第１方向と直交する第２方向（図１５のｙ軸方向に相当）の電界成分であるＳ偏光の透過率よりも低い。

〔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。

例えば、上記実施形態の虚像表示装置１００に設けた導光装置２０は、平行導光体２２において、平面２２ａで映像光ＧＬを一回のみ全反射させて反射ユニット３０に導く構成としたが、対向する平面２２ａ，２２ｂで映像光ＧＬを複数回全反射させて反射ユニット３０に導く構成とすることもできる。例えば、平面２２ｂでの反射後に平面２２ａで反射させて映像光ＧＬを反射ユニット３０に導くことができ、さらに平面２２ａ，２２ｂによって３以上の反射を行って反射ユニット３０に導くことができる。ただし、この際に映像光ＧＬを表側の平面２２ａで最後に反射させて反射ユニット３０に導く必要がある。その他、映像光ＧＬが射出部２３に達するまでの全反射回数については、これらを全ての映像光ＧＬで一致させることは必須でなく、平面２２ａ，２２ｂでの反射回数が異なる映像光ＧＬを合成して画像を表示するものとできる。

反射ユニット３０に設けた多数のミラー３１の反射率は、原則として一致させるが、これらミラー３１の反射率又は偏光分離特性を入射部２１に近い入射側から反入射側にかけて徐々に変化させることもできる。同様に、多数の波長板３５による位相変化量も、入射側から反入射側にかけて徐々に変化させることもできる。

以上の説明では、映像素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、映像素子としては、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、有機ＥＬ、ＬＥＤアレイや有機ＬＥＤ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スキャナーを用いた構成も可能である。

図４、６等の説明では、反射ユニット３０に入射する映像光ＧＬがＰ偏光とＳ偏光とを略均等に含むとしたが、液晶デバイス１１その他の映像素子がＰ偏光とＳ偏光とをバランスさせて射出しない場合もあり得る。この場合、波長板３５を１／２波長板としないで、位相差の調整量を変更すれば、複合層３９又は波長板３５に同様の機能を持たせることができる。

例えば図１６に示すように、虚像表示装置１００における映像光ＧＬの光路上に偏光解消素子７２を配置することができる。この場合、偏光解消素子７２は、液晶デバイス１１に対向して液晶デバイス１１の後段に配置されている。偏光解消素子７２は、所定方向に偏った偏光特性を有する映像光ＧＬをＰ偏光及びＳ偏光を均等に含むものに変更する光学要素である。また、図１７に示すように、導光装置２０における映像光ＧＬの光路上に偏光解消素子７２を配置することもできる。この場合、偏光解消素子２１は、反射面ＲＳを形成する部材と入射部２１との間に配置される。偏光解消素子２１として、例えば屈折率異方性材料を含んで局所的に異なる方向に配向させるランダム局所配向位相差部材を用いるもの、高位相差フィルムを用いるもの、或いは液晶の屈折率異方性を利用するものほか、サブ波長格子を２次元的に配列した回折格子を用いることができる。なお、この回折格子において、サブ波長格子は、波長スケール以下のピッチを有するストライプパターン状の凹凸構造を有し、２次元的に配列された各サブ波長格子において、ピッチやストライプの延びる方向が異なるように設定したものである。このような偏光解消素子７２を組み込むことにより、例えば液晶デバイス１１が映像光ＧＬとして偏光を射出する場合、映像光ＧＬの偏光に関する偏りを良好に解消することができる。具体的には、反射ユニット３０に入射する映像光ＧＬをＳ偏光及びＰ偏光を略均等に含むものにすることができる。

以上の説明では、虚像表示装置１００として、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。

以上の説明では、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、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。

以上の説明では、平行導光体２２等の平面２２ａ，２２ｂ又は曲面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映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、平面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ることによって達成される反射も含むものとする。例えば、映像光ＧＬの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面２２ａ，２２ｂの一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。

以上の説明では、平行導光体２２をＸ方向又はｘ方向に横長とし、光入射面ＩＳを眼の横方向外側に位置するように形成しているが、映像光ＧＬを導光装置２０内に適切に導くことができれば、光入射面ＩＳの位置はこれに限らず、例えば導光装置２０の上下にある上端面ＴＰや下端面ＢＰの一部等に設けることも可能である。この場合、反射ユニット３０は、眼前の光軸ＡＸのまわりに９０°回転させる。
なお、このように向きを変化させた導光装置２０にシェード部材６０を付加する場合、シェード部材６０は、外界光ＯＬのうち平行導光体２２の導光方向に略平行な第１方向（つまり縦方向）の電界成分であるＰ偏光の透過率が外界光ＯＬのうち第１方向と直交する第２方向（つまり横方向）の電界成分であるＳ偏光の透過率よりも例えば高いものとなる。

以上では触れていないが、平行導光体２２において外形を画定する外周部のうち上端面ＴＰや下端面ＢＰ等を黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面とすることができる。さらに、上端面ＴＰや下端面ＢＰ以外の箇所に黒色塗装塗布やサンドブラスト加工を施してもよい。上端面ＴＰや下端面ＢＰ等の一部にのみ黒色塗装やサンドブラスト加工を施すものとしてもよい。

以上の説明では、ミラー３１と波長板３５とが接しているが、波長板３５がミラー３１から僅かに離間していてもよい。ただし、例えば図５に示す場合のようにミラー３１と波長板３５とが接している方が、ミラー３１を通過するがこれに対応する波長板３５に入射しないといった意図しない光の発生を確実に防止することができる。なお、ミラー３１と波長板３５とが離間する場合、この距離は、ミラー３１の配列間隔ＳＰの１０％程度以下であることが望ましい。

１０…画像形成装置、１１…液晶デバイス、１２…投射レンズ、２０…導光装置、２１…入射部、２２…平行導光体、２２ａ，２２ｂ…平面、２３…射出部、３０…反射ユニット、３１…ミラー、３１Ａ…第１ミラー、３１Ｂ…第２ミラー、３２…ブロック部材、３５…波長板、３９…複合層、６０…シェード部材、７１…偏光素子、９０…要素板、９１…ガラス板、９２…偏光分離膜、１００…虚像表示装置、ＡＸ…光軸、ＥＹ…眼、ＦＲ…所定面領域、ＩＦ…境界面、ＩＳ…光入射面、ＯＳ…光射出面、ＯＬ…外界光、ＧＬ…映像光、ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２…映像光、ＯＲ１，ＯＲ２，ＧＲ１，ＧＲ２…反射光、ＧＴ，ＯＴ…透過光、Ｐ１，Ｐ２…直進光路

Claims (11)

1. 観察者側及び外界側に対応して対向する一対の面を有する導光体と、
   前記導光体の一端側に設けられた入射部と、
   前記導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、
   前記射出部は、前記入射部からの映像光を観察者側にそれぞれ射出させる複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、
   前記反射ユニットは、前記複数のミラーのそれぞれに対応して配置される複数の波長板を有し、
   前記複数のミラーは、Ｐ偏光の反射率がＳ偏光の反射率よりも低い反射素子である、導光装置。
2. 各波長板は、各ミラーに隣接して配置されている、請求項１に記載の導光装置。
3. 各波長板は、各ミラーに対して前記入射部から離れる反入射側に配置されている、請求項２に記載の導光装置。
4. 各波長板は、各ミラーに対して前記入射部のある入射側に配置されている、請求項２に記載の導光装置。
5. 前記ミラーは、誘電体多層膜で形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の導光装置。
6. 前記波長板は、１／２波長板である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の導光装置。
7. 前記ミラーのＰ偏光の反射率をＲｐとし、前記ミラーのＳ偏光の反射率をＲｓとしたときに、下記の条件式（１）及び（２）
   Ｒｐ＜０．０５ … （１）
   Ｒｐ＜０．５×Ｒｓ … （２）
   を満たす、請求項１〜６のいずれか一項に記載の導光装置。
8. 前記導光体の前記一対の面は、略平行に延び、前記複数のミラーは、前記導光体の外界側で反射された映像光を反射して観察者側にそれぞれ射出させるため外界側に向かって前記入射部側に傾斜している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の導光装置。
9. 前記ミラーへの映像光の入射角は、４０°以上である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の導光装置。
10. 映像光を生じさせる映像素子と、請求項１〜９のいずれか一項に記載の導光装置とを備える虚像表示装置。
11. 前記導光体の外界側を覆うとともに所定方向に偏った偏光特性を有するシェード部材をさらに備える、請求項１０に記載の虚像表示装置。

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