以下に、図1〜図26を参照しながら、本発明に係る虚像光学系および虚像表示装置の実施の形態を詳細に説明する。また、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。
(第1の実施の形態)
<虚像表示装置の全体構成>
図1は、第1の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図1を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置1の全体構成について説明する。
図1に示すように、本実施の形態に係る虚像表示装置1は、虚像光学系2と、画像表示素子400と、を有する。
虚像光学系2は、画像表示素子400から出射される画像情報を含む光線(以下、単に「画像光」と称する場合がある)を、コリメート光学系300を介して、導光部材100に導光させ、後述する光線射出部105から人間の眼500に向けて出射させる光学系である。虚像光学系2は、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100と、を有する。
画像表示素子400は、虚像光学系2を通じて表示する虚像の基となる画像の画像光を出射するデバイスである。画像表示素子400として、例えば、OLED(Organic Light Emitting Diode:有機発光ダイオード)または液晶表示装置等の種々の表示素子を適用することができる。なお、画像表示素子400として、画像等の情報を表示できるものであれば、例えば、多数の微小鏡面(マイクロミラー)を平面に配列したMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスであるDMD(Digital Mirror Device)、または、LCOS(Liquid Crystal On Silicon)を適用することができる。この場合、画像表示素子400を照射する光源として、例えば、LED(Light Emitting Diode)、LD(Laser Diode)、または、放電ランプ等を用いることができる。
コリメート光学系300は、複数の光学レンズおよび絞り等から構成され、画像表示素子400から出射される画像光を、画像表示素子400の各位置に応じた方向に角度変換し、かつ、平行化する光学系である。なお、平行化された画像光の光束は、例えば、遠く離れた位置で収束するものとしてもよい。コリメート光学系300の平行化の動作の詳細は、図3で後述する。
反射光学系200は、コリメート光学系300からの画像光を複数の光束に分岐させる光学系である。反射光学系200は、図1に示すように、平行に配置された2枚の反射ミラー201、202を含んで構成されている。
反射ミラー201(第1反射面の一例)は、コリメート光学系300から出射した画像光が最初に当たるミラーであり、画像光の一部を透過させ、残りを反射させる機能を有するミラーである。反射ミラー201を透過した画像光の一部の光束は、図1に示すように、導光部材100の光線入射部101に入射する。
反射ミラー202(第2反射面の一例)は、反射ミラー201により反射された画像光(分岐された画像光)を略100%反射させるミラーである。すなわち、反射ミラー202の反射率は、反射ミラー201の反射率よりも高いことになる。反射ミラー202により反射された画像光の光束は、図1に示すように、導光部材100の光線入射部101に入射する。
以上のように、反射光学系200の反射ミラー201、202の透過および反射動作によって、コリメート光学系300から出射して、光線入射部101に入射する画像光が、複数の光束に分岐されるので、光線入射部101に入射する画像光の光束の幅を太くすることができる。
なお、画像光が最初に当たる反射ミラー201において、画像光の光量のうちどれだけの光量を透過させるかについては、取り出し部104の第1面107a(図2参照)の配置および間隔等に基づいて、光量ムラが発生しにくいように適宜設計するものとすればよい。
導光部材100は、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼500に射出させるライトガイドである。以下、導光部材100の面に関して、ユーザから見て手前側、すなわち、図1において下側の面を「後面」とし、ユーザから見て奥側、すなわち、図1において上側の面を「前面」として説明する。導光部材100は、光線入射部101と、反射部102と、導光部103と、取り出し部104と、光線射出部105と、を有する。
光線入射部101は、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光が入射する後面側の部位(面)である。反射部102は、光線入射部101から入射した画像光の光線を反射する部位(面)である。反射部102は、図1に示すように、光線入射部101に対して、所定の角度θの面となるように形成されている。また、反射部102は、反射コートが施されている。これによって、光線入射部101から入射した画像光は、反射部102により反射される。ここで、反射部102に施される反射コートとしては、例えば、アルミニウム、銀、または誘電体コート等の反射率が高いミラーコートを適用することが望ましい。
導光部103は、反射部102により反射された光線を全反射させながら導光する部位である。
取り出し部104は、導光部103により導光された光線を、導光部材100の外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。光線射出部105は、取り出し部104により導光部材100の外側に取り出すために反射された光線を、導光部材100の外部に射出させる後面側の部位(面)である。取り出し部104および光線射出部105の詳細は、図2で後述する。
<取り出し部および光線射出部について>
図2は、第1の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図2を参照しながら、導光部材100の取り出し部104および光線射出部105について説明する。
図2に示すように、導光部材100の取り出し部104は、光線射出部105の面(後面)に対して所定の角度θだけ反射部102とは逆に傾斜した第1面107aと、第1面107aに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に平行な第2面107bと、第2面107bに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に対して垂直に第1面107aに向かって形成された第3面107cと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第1面107aおよび第3面107cは、第2面107bに対して突起するように形成されている。また、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されている。また、第1面107a、第2面107bおよび第3面107cは、取り出し部104において、それぞれ少なくとも1以上が形成されている。
第1面107aは、導光部材100の内部に入射して導光された画像光を、光線射出部105に向かう方向に反射することによって、光線射出部105から射出させる機能を担う平面である。第1面107aの光線射出部105に対する傾斜角は、上述した光線入射部101と反射部102とがなす角度θと同一であり、例えば、20度〜35度の範囲に設定することが好ましい。このように、第1面107aの傾斜角を、光線入射部101と反射部102とがなす角度θと同一とすることによって、コリメート光学系300の配置の調整等が容易となる。ただし、第1面107aは、光線射出部105に対して、反射部102の光線入射部101に対する傾斜とは逆に傾斜している。
また、第1面107aには、反射率が10%以上の反射コートが施されている。これによって、画像光を効率よくユーザの眼500の方向に光線射出部105から射出させることができ、輝度の高い虚像を形成することが可能となる。また、この反射コートの反射率が10%に近い場合、虚像の視認と、外界の観察とを同時に行うことができるので、シースルー性が良好な虚像表示装置1を得ることができる。
第2面107bは、導光部材100の内部に入射して、導光部103で導光された画像光を、さらに、取り出し部104と光線射出部105とに挟まれる部位内を導光させるための反射面としての機能を担う面である。また、第2面107bは、光線射出部105の面(後面)と平行な平面となっている。これによって、導光部材100の前面および後面からの外部の光を透過させる透過面として機能するので、シースルー性が確保される。
ここで、仮に、第2面107bを光線射出部105に対して傾斜させた場合、導光部103で導光された画像光が、第2面107bで反射される反射角と、光線射出部105で反射される反射角とが一致せず、変化することになる。この場合、光線入射部101に入射する光線と光線入射部101の面の法線とのなす角で定義される入射角(絶対値)と、光線射出部105から射出される光線と光線射出部105の面の法線とのなす角で定義される射出角(絶対値)とが、同一の角度とならない。したがって、第1面107aで反射され、光線射出部105から射出された画像光は、光線入射部101の入射角と異なる方向に射出されることになり、思わしくない虚像が形成されてしまう。したがって、上述のように、本実施の形態では、第2面107bは、光線射出部105の面と平行となるように形成されている。
また、取り出し部104に形成された複数の第1面107aの間隔は、導光部103で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成されることが望ましい。第1面107aによる反射対象となる光線は、上述のように導光部103で導光される画像光であるので、導光部103から、取り出し部104と光線射出部105とで挟まれる部位内に導光された画像光は、まだ、第1面107aにより反射されておらず、導光部103近傍の画像光の光量は大きい。したがって、導光部103近傍の第1面107aでは、画像光の光線が反射される確率が高い。一方、導光部103から離れた第1面107aでは、導光部103から、取り出し部104と光線射出部105とで挟まれる部位内に導光された画像光のうち多くは、導光部103近傍の第1面107aによって反射され光線射出部105から射出されているので、導光部103から離れた場所の画像光の光量は小さい。したがって、導光部103から離れた第1面107aでは、画像光の光線が反射される確率が、導光部103近傍の第1面107aよりも低い。よって、上述のように、第1面107aの間隔を、導光部103で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成することによって、画像光がバランスよく第1面107aによって反射され、光線射出部105から射出されるので、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
なお、上述のように、第1面107aの間隔を、導光部103で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成するものとしたが、これに限定されるものではなく、複数の第1面107aの間隔のうち、少なくとも1つの間隔が異なる長さであるものとしてもよい。すなわち、導光部103で導光される画像光の性質によって、第1面107aのそれぞれの間隔を設定することによって、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
また、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されているものとしたが、必ずしもすべての第2面107bが同一平面上に形成される必要はない。
また、第3面107cは、光線射出部105の面に対して垂直に形成されるものとしているが、必ずしも垂直である必要はなく、第1面107aから光線射出部105に向かって形成されているものとすればよい。
<コリメート光学系の動作>
図3は、コリメート光学系の光線の平行化の動作を説明する図である。図3を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置1のコリメート光学系300の動作について説明する。なお、図3においては、コリメート光学系300の動作を簡潔に説明するため、コリメート光学系300を模式的に図示している。
図3に示すように、画像表示素子400における各素子からは、少なくとも所定の角度範囲のあらゆる方向に向かって、すなわち、拡散して画像光が出射する。例えば、画像表示素子400の中央付近の素子から出射した画像光は、図3に示すように、紙面視の下から上に向かって拡散しながらコリメート光学系300に入射する。コリメート光学系300に入射した画像光は、コリメート光学系300によって角度変換され、かつ、平行化されて、紙面視の上方向に向かう平行光として出射する。
また、画像表示素子400のうち、図3の紙面視左側半分の部分における特定の素子から出射した画像光は、図3に示すように、拡散しながらコリメート光学系300に入射する。コリメート光学系300に入射した画像光は、コリメート光学系300によって角度変換され、かつ、平行化されて、紙面視の右上方向に向かう平行光として出射する。
また、画像表示素子400のうち、図3の紙面視右側半分の部分における特定の素子から出射した画像光は、図3に示すように、拡散しながらコリメート光学系300に入射する。コリメート光学系300に入射した画像光は、コリメート光学系300によって角度変換され、かつ、平行化されて、紙面視の左上方向に向かう平行光として出射する。
以上のように、画像表示素子400のそれぞれの素子から出射した画像光は、コリメート光学系300によって、その素子の位置に応じた方向に角度変換され、かつ、平行化されて、光線入射部101に入射する。
<入射角および射出角>
図4は、第1の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材における光線の入射角および射出角を説明する図である。図4を参照しながら、本実施の形態の導光部材100の画像光の光線の入射角および射出角について説明する。
図4に示すように、導光部材100において、画像光の光線611は、入射角θinで光線入射部101に入射して、反射部102で反射され、導光部103で導光される。ここで、図4に示す例では、入射角θinは、正の角度とする。そして、導光部103で導光された画像光の光線612は、取り出し部104の第1面107aにおける反射により取り出されて、光線613として光線射出部105から射出角θoutで外部に射出される。ここで、第1面107aの光線射出部105に対する傾斜は、反射部102の光線入射部101に対する傾斜とは逆なので、射出角θoutは、負の角度であり、かつ、絶対値が入射角θinと同一の角度となる。したがって、本実施の形態に係る虚像表示装置1の場合、ユーザが虚像を正常に視認するためには、画像表示素子400は、ユーザが視認すべき虚像とは左右が反転した画像を出射する必要がある。なお、画像表示素子400の取り付け方の態様によってはこの限りではない。
<HMDへの適用>
図5は、第1の実施の形態に係る虚像表示装置をHMDに適用した例を示す図である。図5を参照しながら、本実施の形態に係る虚像光学系2をHMDに適用した例について説明する。
図5(a)に示す例は、1つの虚像光学系2を両眼用のHMDに適用した場合であり、光線入射部101をユーザの右眼側に配置している。虚像光学系2は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部700に固定される。なお、図5では、フレーム部700を簡略化して示しているが、フレーム部700は、虚像光学系2の両端側のみならず、上側縁および下側縁を覆う形状とするものとしてもよい。
図5(b)に示す例は、虚像光学系2を小型化して両眼用のHMDに適用した場合であり、2つの虚像光学系2をユーザの左右各々の眼の位置に対応させて配置している。図5(c)に示す例は、虚像光学系2を小型化して単眼用のHMDに適用した場合であり、1つの虚像光学系2をユーザの右眼の位置に対応させて配置している。なお、1つの虚像光学系2をユーザの左眼の位置に対応させて配置してもよいのは、言うまでもない。
なお、図5ではコリメート光学系300および画像表示素子400の図示を省略しているが、これらは、例えば、フレーム部700に取り付けるものとすればよい。すなわち、図5(a)および図5(c)に示す例では、コリメート光学系300および画像表示素子400を、右眼側のフレーム部700に取り付け、図5(b)に示す例では、これらを、左右両方のフレーム部700に取り付けるものとすればよい。
また、図5に示す例では、虚像光学系2を眼鏡型のHMDに適用した場合を示しているが、他の種類のHMDにも適用可能であり、さらには、HUD(Head−Up Display)にも適用できる。
また、図5に示す例では、虚像光学系2をHMDに適用した場合を示しているが、後述の本実施の形態の変形例、第2の実施の形態およびその変形例、ならびに、第3の実施の形態およびその変形例それぞれに係る虚像光学系をHMDに適用できるのは言うまでもない。
<光線入射部に入射する光束および画像光の光路について>
次に、図1を参照しながら、本実施の形態の導光部材100に入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
図1では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、導光部材100内で導光される状態を示している。図1に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー201を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系200がない場合と同等の光路を示している。例えば、図1に示す実線の光線のうち、光線601は、反射ミラー201を透過して、光線入射部101から入射して、反射部102により反射されて、光線602となる。光線602は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部104に達し、取り出し部104の第1面107a(図2参照)による反射により取り出されて光線603となる。光線603は、光線射出部105から導光部材100の外部の眼500の方向に射出される。
また、図1に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射された画像光の光線である。例えば、図1に示す破線の光線のうち、光線606は、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射されて、光線入射部101から入射し、反射部102により反射されて光線607となる。光線607は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部104に達し、取り出し部104の第1面107a(図2参照)による反射により取り出されて光線608となる。光線608は、光線射出部105から導光部材100の外部の眼500の方向に射出される。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104に当たる画像光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104に当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部104の第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104の第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
一方、コリメート光学系300に平行化された画像光の光束の幅を太くする別の方法として、コリメート光学系300の絞り径を大きくする、すなわち、コリメート光学系300のF値を小さくすることが考えられる。しかし、F値を小さくすると、コリメート光学系300の収差の補正が困難となり、コリメート光学系300のレンズ枚数の増加、ならびに、サイズおよびコストの増大の要因となる。これに対して、本実施の形態では、コリメート光学系300のF値を変えなくても、平行化された画像光の光束の幅を太くでき、低コストで良好な虚像を形成することができる。
また、図1において、2枚の反射ミラー201、202の距離をDとし、導光部材100の最薄部の厚みをtとしたとき、D<tの関係となるように構成することが望ましい。これによって、反射光学系200により光束の幅が太くされた画像光が、導光部材100内に効率よく入射することが可能となる。
<第1の実施の形態の変形例1>
図6は、第1の実施の形態の変形例1に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図6を参照しながら、本実施の形態の変形例1に係る虚像表示装置1aについて説明する。
図6に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1aは、虚像光学系2aと、画像表示素子400と、を有する。本変形例に係る虚像光学系2aは、第1の実施の形態に係る虚像光学系2の構成のうち、反射光学系200を反射光学系200aで置換した構成を有する。反射光学系200aは、図6に示すように、2つのプリズム211、212と、プリズム211とプリズム212との間に挟持された光学部材213と、によって構成されている。
プリズム211の反射面211a(第1反射面の一例)は、画像光の一部を透過させ、残りを反射させる半透過膜が形成されている。反射面211aを透過した画像光の一部の光束は、図6に示すように、プリズム211の内部を透過して、導光部材100の光線入射部101に入射する。
プリズム212の反射面212a(第2反射面の一例)は、反射面211aに平行であり、反射面211aにより反射された画像光(分岐された画像光)を略100%反射させる反射膜が形成されている。すなわち、反射面212aの反射率は、反射面211aの反射率よりも高いことになる。反射面212aにより反射された画像光の光束は、図6に示すように、導光部材100の光線入射部101に入射する。
光学部材213は、上述のようにプリズム211とプリズム212との間に挟持され、図6の紙面視方向から見た場合、平行四辺形の形状を有する部材である。光学部材213の屈折率は、プリズム211、212のうち少なくともプリズム211の屈折率と同一である。これによって、コリメート光学系300から出射した画像光が、反射面211aを透過する際、反射面211aを透過した光線が、光学部材213内を透過している光線に対して屈折することを防ぐことができる。
以上のように、反射光学系200aのプリズム211、212における透過および反射動作によって、コリメート光学系300から出射して、光線入射部101に入射する画像光が、複数の光束に分岐されるので、光線入射部101に入射する画像光の光束の幅を太くすることができる。これによって、画像光は、取り出し部104の第1面107aに当たりやすくなるため、虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
また、図1で示される第1の実施の形態の虚像光学系2の場合、2つの反射ミラー201、202をそれぞれ保持する必要があるが、本変形例に係る虚像光学系2aの場合、プリズム211、212および光学部材213で構成される直方体形状の反射光学系200aの保持のみでよく、保持機構を簡略化させることができる。
なお、反射光学系200aの2つの反射面(反射面211a、212a)は、それぞれプリズム211、212で構成されるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図1に示す第1の実施の形態の反射光学系200の反射ミラーと、本変形例のプリズムとを組み合わせて、2つの反射面を構成するものとしてもよい。また、プリズム212を使用しないで、光学部材213の反射面212aに対向する面に反射面を構成してもよい。
<第1の実施の形態の変形例2>
図7は、第1の実施の形態の変形例2に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図7を参照しながら、本実施の形態の変形例2に係る虚像表示装置1bについて説明する。
図7に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1bは、虚像光学系2bと、画像表示素子400と、を有する。本変形例に係る虚像光学系2bは、第1の実施の形態の変形例1に係る虚像光学系2aの構成において、反射光学系200aを、導光部材100の光線入射部101に接合した構成を有する。
以上のように、反射光学系200aを、光線入射部101に接合する構成とすることによって、コリメート光学系300から出射した画像光が反射光学系200aによって複数の光束に分岐され、反射光学系200aの界面を通り抜ける際の反射ロス、および、その後、光線入射部101に入射する際の反射ロスを低減することができる。
<第1の実施の形態の変形例3>
図8は、第1の実施の形態の変形例3に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図8を参照しながら、本実施の形態の変形例3に係る虚像表示装置1cについて説明する。
図8に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1cは、虚像光学系2cと、画像表示素子400と、を有する。虚像光学系2cは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100cと、を有する。本変形例では、画像表示素子400、コリメート光学系300および反射光学系200が、第1の実施の形態の導光部材100の光線入射部101に相当する面101c(後述)側ではなく、導光部材100の反射部102に相当する光線入射部102c(後述)側に配置されている。
導光部材100cは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼500に射出させるライトガイドである。導光部材100cは、面101cと、光線入射部102cと、導光部103と、取り出し部104と、光線射出部105と、を有する。なお、導光部103、取り出し部104および光線射出部105の構成および機能は、上述の第1の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
面101cは、第1の実施の形態の導光部材100の光線入射部101とは異なり、コリメート光学系300からの画像光が入射されず、後述するように、光線入射部102cから入射した画像光を全反射させる面である。
光線入射部102cは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅が太くされた画像光が入射する部位(面)である。光線入射部102cは、図8に示すように、面101cに対して、角度2θの面となるように形成されている。ここで、角度θは、第1の実施の形態で上述したように、取り出し部104における第1面107aの光線射出部105に対する傾斜角である。第1の実施の形態の図1では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、光線入射部101に対して垂直に入射し、光線射出部105から垂直に射出している状態を示した。一方、本変形例では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、光線入射部102cに対して垂直に入射し、光線射出部105から垂直に射出するためには、光線入射部102cと面101cとのなす角が角度2θとなるようにする必要がある。
次に、図8を参照しながら、本変形例の導光部材100cに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
図8では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、導光部材100c内で導光される状態を示している。図8に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー201を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系200がない場合と同等の光路を示している。例えば、図8に示す実線の光線のうち、光線621は、反射ミラー201を透過して、光線入射部102cから入射する。導光部材100c内に入射した光線621は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部104に達し、取り出し部104の第1面107a(図2参照)による反射により取り出されて光線622となる。光線622は、光線射出部105から導光部材100cの外部の眼500の方向に射出される。
また、図8に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射された画像光の光線である。例えば、図8に示す破線の光線のうち、光線626は、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射されて、光線入射部102cから入射する。導光部材100c内に入射した光線626は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部104に達し、取り出し部104の第1面107a(図2参照)による反射により取り出されて光線627となる。光線627は、光線射出部105から導光部材100cの外部の眼500の方向に射出される。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104に当たる画像光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104に当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部104の第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104の第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
なお、反射光学系200、コリメート光学系300および画像表示素子400を、本変形例のように、光線入射部102c側に設けるか、または、第1の実施の形態のように導光部材100の光線入射部101側に設けるかによって、虚像表示装置としての性能の差異は特になく、虚像表示装置の構成の違いに伴い、いずれかを選択するものとすればよい。
<第1の実施の形態の変形例4>
図9は、第1の実施の形態の変形例4に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図9を参照しながら、本実施の形態の変形例4に係る虚像表示装置1dについて説明する。
図9に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1dは、虚像光学系2dと、画像表示素子400と、を有する。本変形例に係る虚像光学系2dは、第1の実施の形態に係る虚像光学系2の構成のうち、導光部材100の取り出し部104を、取り出し部104dで置換して導光部材100dとした構成を有する。すなわち、虚像光学系2dは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100dと、を有する。
導光部材100dは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼500に射出させるライトガイドである。導光部材100dは、光線入射部101と、反射部102と、導光部103と、取り出し部104dと、光線射出部105と、を有する。なお、光線入射部101、反射部102、導光部103、および光線射出部105の構成および機能は、上述の第1の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
取り出し部104dは、導光部103により導光された光線を、導光部材100dの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。取り出し部104dの詳細は、図10で後述する。
図10は、第1の実施の形態の変形例4に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図10を参照しながら、導光部材100dの取り出し部104dおよび光線射出部105について説明する。
図10に示すように、導光部材100dの取り出し部104dは、光線射出部105の面(後面)に対して所定の角度(例えば、角度θ)だけ反射部102とは逆に傾斜した第1面107aと、第1面107aに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に対して垂直に光線射出部105から離れる方向に形成された第3面107cと、第3面107cに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に平行な第2面107bと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第1面107aおよび第3面107cは、第2面107bに対して凹陥するように形成されている。また、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されている。また、第1面107a、第2面107bおよび第3面107cは、取り出し部104dにおいて、それぞれ少なくとも1以上が形成されている。
なお、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されているものとしたが、必ずしもすべての第2面107bが同一平面上に形成される必要はない。
また、第3面107cは、光線射出部105の面に対して垂直に形成されるものとしているが、必ずしも垂直である必要はなく、第1面107aから、光線射出部105と離れる方向に向かって形成されているものとすればよい。
次に、図9を参照しながら、本実施の形態の導光部材100dに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
図9では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、導光部材100d内で導光される状態を示している。図9に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー201を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系200がない場合と同等の光路を示している。例えば、図9に示す実線の光線のうち、光線631は、反射ミラー201を透過して、光線入射部101から入射して、反射部102により反射されて、光線632となる。光線632は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部104dに達し、取り出し部104の第1面107a(図10参照)による反射により取り出されて光線633となる。光線633は、光線射出部105から導光部材100dの外部の眼500の方向に射出される。
また、図9に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射された画像光の光線である。例えば、図9に示す破線の光線のうち、光線636は、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射されて、光線入射部101から入射し、反射部102により反射されて光線637となる。光線637は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部104dに達し、取り出し部104dの第1面107a(図10参照)による反射により取り出されて光線638となる。光線638は、光線射出部105から導光部材100dの外部の眼500の方向に射出される。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104dに当たる画像光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104dに当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部104dの第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104dの第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
<第1の実施の形態の変形例5>
図11は、第1の実施の形態の変形例5に係る虚像光学系の反射光学系の構成、ならびに、反射および透過動作を説明する図である。図11を参照しながら、本実施の形態の変形例5に係る虚像表示装置について説明する。
本変形例に係る虚像表示装置の虚像光学系は、第1の実施の形態に係る虚像光学系2の構成のうち、反射光学系200を反射光学系200eで置換した構成を有する。反射光学系200eは、図11に示すように、3枚の反射ミラー201e〜203eを含んで構成されている。
反射ミラー201e(第1反射面の一例)は、コリメート光学系300から出射した画像光が最初に当たるミラーであり、画像光の一部を透過させ、残りを反射させる機能を有するミラーである。反射ミラー201eを透過した画像光の一部の光束は、導光部材100の光線入射部101(図1参照)に入射する。
反射ミラー202e(第1反射面の一例)は、反射ミラー201eにより反射された画像光(分岐された画像光)が当たるミラーであり、この画像光の一部を透過させ、残りを反射させる機能を有するミラーである。反射ミラー202eにより反射された画像光の一部の光束は、導光部材100の光線入射部101(図1参照)に入射する。
反射ミラー203e(第2反射面の一例)は、反射ミラー202eを透過した画像光(分岐された画像光)を略100%反射させるミラーである。反射ミラー203eにより反射された画像光の光束は、導光部材100の光線入射部101(図1参照)に入射する。
以上のように、反射光学系200の反射ミラー201e〜203eの透過および反射動作によって、コリメート光学系300から出射して、光線入射部101に入射する画像光が、複数の光束に分岐されるので、光線入射部101に入射する画像光の光束の幅を、第1の実施の形態よりもさらに太くすることができる。
なお、反射ミラー201e、202eにおいて、画像光の光量のうちどれだけの光量を透過させるかについては、取り出し部104の第1面107aの配置および間隔等に基づいて、光量ムラが発生しにくいように適宜設計するものとすればよい。
また、反射光学系200eは、3枚の反射ミラー201e〜203eによって構成されているものとしたが、これに限定されるものではなく、4枚以上の反射ミラーによって構成されるものとしてもよい。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る虚像表示装置について、第1の実施の形態に係る虚像表示装置1と相違する点を中心に説明する。第1の実施の形態では、複数の第2面107bが同一平面上にあり、導光部103から導光方向に向かうにしたがって肉厚とならない構成について説明した。本実施の形態では、導光部103から導光方向に向かうにしたがって厚さが薄くなる構成について説明する。
<虚像表示装置の全体構成>
図12は、第2の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図12を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置1fの全体構成について説明する。
図12に示すように、本実施の形態に係る虚像表示装置1fは、虚像光学系2fと、画像表示素子400と、を有する。
虚像光学系2fは、画像表示素子400から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系300を介して、導光部材100fに導光させ、光線射出部105から人間の眼500に向けて出射させる光学系である。虚像光学系2fは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100fと、を有する。
導光部材100fは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼500に射出させるライトガイドである。導光部材100fは、光線入射部101と、反射部102と、導光部103と、取り出し部104fと、光線射出部105と、を有する。なお、光線入射部101、反射部102、導光部103、および光線射出部105の構成および機能は、上述の第1の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
取り出し部104fは、導光部103により導光された光線を、導光部材100fの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。また、取り出し部104fと光線射出部105との間の部材は、導光部103から導光方向に向かうにしたがって厚さが薄くなる。取り出し部104fの詳細は、図13で後述する。
<取り出し部および光線射出部について>
図13は、第2の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図13を参照しながら、導光部材100fの取り出し部104fおよび光線射出部105について説明する。
図13に示すように、導光部材100fの取り出し部104fは、光線射出部105の面(後面)に対して所定の角度θだけ反射部102とは逆に傾斜した第1面107aと、第1面107aに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に平行な第2面107bとが、交互に並んで形成されている。したがって、図13に示すように、導光部材100fの取り出し部104fおよび光線射出部105に対応する部分は、導光部103で導光される画像光の導光方向に向かうにしたがって、薄くなる構造となっている。
第1面107aは、導光部材100fの内部に入射して導光された画像光を、光線射出部105に向かう方向に反射することによって、光線射出部105から射出させる機能を担う平面である。第1面107aの光線射出部105に対する傾斜角は、上述した光線入射部101と反射部102とがなす角度θと同一であり、例えば、20度〜35度の範囲に設定することが好ましい。このように、第1面107aの傾斜角を、光線入射部101と反射部102とがなす角度θと同一とすることによって、コリメート光学系300の配置の調整等が容易となる。ただし、第1面107aは、光線射出部105に対して、反射部102の光線入射部101に対する傾斜とは逆に傾斜している。また、第1面107aには、第1の実施の形態と同様の反射コートが施されている。
第2面107bは、導光部材100fの内部に入射して、導光部103を導光された画像光を、さらに、取り出し部104fと光線射出部105とに挟まれる部位内を導光させるための反射面としての機能を担う面である。また、第2面107bは、光線射出部105の面(後面)と平行な平面となっている。これによって、導光部材100fの前面および後面からの外部の光を透過させる透過面として機能するので、シースルー性が確保される。
また、取り出し部104fに形成された複数の第1面107aの間隔は、導光部103で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成されることが望ましい。これによって、画像光がバランスよく第1面107aによって反射され、光線射出部105から射出されるので、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
なお、上述のように、第1面107aの間隔を、導光部103で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成するものとしたが、これに限定されるものではなく、複数の第1面107aの間隔のうち、少なくとも1つの間隔が異なる長さであるものとしてもよい。すなわち、導光部103で導光される画像光の性質によって、第1面107aのそれぞれの間隔を設定することによって、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
<光線入射部に入射する光束および画像光の光路について>
次に、図12を参照しながら、本実施の形態の導光部材100fに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
図12では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、導光部材100f内で導光される状態を示している。図12に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー201を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系200がない場合と同等の光路を示している。また、図12に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射された画像光の光線である。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104fに当たる画像光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104fに当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部104fの第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104fの第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
また、上述のように、導光部材100fの取り出し部104fおよび光線射出部105に対応する部分は、導光部103で導光される画像光の導光方向に向かうにしたがって、薄くなる構造となっている。このようにすることで、導光部材100fの中を全反射する画像光の反射の間隔は導光部材100f内を伝播するにつれて徐々に狭くなる。そのため、画像光が取り出し部104fにあたる頻度が高くなり、光線射出部105からより多くの光を射出させることができる。特に、広角の虚像を形成しようとした場合は、導光部材100f内での全反射の間隔が長くなるため、取り出し部104fと光線射出部105の間隔が画像光の導光方向に狭くなっていない場合は、取り出し部104fに当たる頻度が低くなり、光線射出部105から射出される画像光が少なくなるため、虚像を観察したときの虚像の隙間になりやすい。しかし、上述の構造とすることで、虚像を観察したときの隙間をより低減することができる。
<第2の実施の形態の変形例>
図14〜図16を参照しながら、本実施の形態の変形例に係る虚像表示装置1gについて説明する。
<<虚像表示装置の全体構成>>
図14は、第2の実施の形態の変形例に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図14を参照しながら、本変形例に係る虚像表示装置1gの全体構成について説明する。
図14に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1gは、虚像光学系2gと、画像表示素子400と、を有する。
虚像光学系2gは、画像表示素子400から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系300を介して、導光部材100fに導光させ、光線射出部105から人間の眼500に向けて出射させる光学系である。虚像光学系2gは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100fと、光学部材108と、を有する。すなわち、虚像光学系2gは、第2の実施の形態に係る虚像光学系2fに対して、光学部材108を追加した構成と同一である。
光学部材108は、導光部材100fの光線射出部105と平行な前面109と、導光部材100fの取り出し部104fの面に対向配置される傾斜部と、を有する部材である。
<<取り出し部および光線射出部について>>
図15は、第2の実施の形態の変形例に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図16は、第2の実施の形態の変形例に係る虚像光学系のシースルー性を説明する図である。図15および図16を参照しながら、導光部材100fの取り出し部104f、光線射出部105、および取り出し部104fに対向配置される光学部材108について説明する。
図15に示すように、光学部材108は、傾斜部が、導光部材100fの取り出し部104fに空気層、すなわち、エアギャップ3を介して近接配置されている。本変形例では、導光部材100fの取り出し部104fの端縁と、光学部材108の傾斜部の端縁とを、マイクロボール型の接着剤等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104fと、光学部材108の傾斜部とのエアギャップ3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108の傾斜部は、導光部材100fの取り出し部104fに対向した部位に、前面109に対して角度θ’を有する第4面110aと、前面109に平行な第5面110bと、が交互に配置されている。
前面109は、導光部材100fの光線射出部105と平行な面である。また、第5面110bは、前面109と平行である。したがって、第5面110bは、導光部材100fの光線射出部105、および取り出し部104fの第2面107bそれぞれと平行である。このような設定とすることで、虚像光学系2gのシースルー性を高めることができる。
また、前面109に対する第4面110aの角度θ’を、上述した角度θ、すなわち、光線射出部105に対する第1面107a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108の第4面110aが導光部材100fの第1面107aと平行となり、虚像光学系2gのシースルー性をより高めることが可能になる。また、虚像光学系2gのシースルー性を確保するために、導光部材100fと光学部材108とを、同一の材料(すなわち、同じ屈折率)で作られていることが望ましい。
ここで、図16を参照しながら、前面109に対する第4面110aの角度θ’を、上述した角度θとし、かつ、導光部材100fと光学部材108とが、同一の材料(すなわち、同じ屈折率)で作られている場合において、虚像光学系2gの外部から光学部材108に入射した光線の挙動について説明する。なお、図16では、説明を簡便にするため、光学部材108の前面109に対して垂直な光線641が光学部材108に入射した場合の挙動について説明する。
図16に示すように、虚像光学系2gの外部から、前面109に対して垂直な光線641が、前面109から光学部材108内に入射し、光学部材108の第4面110aに達したものとする。ここで、光学ガラス等で形成された光学部材108の屈折率と、エアギャップ3、すなわち、空気の屈折率とは異なるので、光線641は、第4面110aにおいてスネルの法則に基づき屈折されて、光線642となる。光線642は、エアギャップ3を進行して、導光部材100fの第1面107aに達する。ここで、エアギャップ3、すなわち、空気の屈折率と、導光部材100fの屈折率(=光学部材108の屈折率)とは異なるので、光線642は、第1面107aにおいてスネルの法則に基づき屈折されて、光線643となる。光線643は、導光部材100f内を進行して、光線射出部105から射出され、眼500に入る。この場合、上述のように、光学部材108の屈折率と、導光部材100fの屈折率とは同一なので、光線641と光線643とは平行な光線となる。これによって、虚像光学系2gのシースルー性が確保される。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る虚像表示装置について、第1の実施の形態に係る虚像表示装置1と相違する点を中心に説明する。第1の実施の形態では、導光部103により導光された画像光を、直接、取り出し部104で取り出して、光線射出部105から射出させる構成について説明した。本実施の形態では、導光部103により導光された画像光を再帰反射部により反射させ、再帰光を取り出し部104によって取り出して、光線射出部105から射出させる構成について説明する。
<虚像表示装置の全体構成>
図17は、第3の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図17を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置1hの全体構成について説明する。
図17に示すように、本実施の形態に係る虚像表示装置1hは、虚像光学系2hと、画像表示素子400と、を有する。
虚像光学系2hは、画像表示素子400から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系300を介して、導光部材100hに導光させ、光線射出部105から人間の眼500に向けて出射させる光学系である。虚像光学系2hは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100hと、を有する。
導光部材100hは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼500に射出させるライトガイドである。導光部材100hは、光線入射部101と、反射部102と、導光部103と、取り出し部104hと、光線射出部105と、再帰反射部106と、を有する。なお、光線入射部101、反射部102、導光部103、および光線射出部105の構成および機能は、上述の第1の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
取り出し部104hは、導光部103により導光された光線を、導光部材100hの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。取り出し部104hの詳細は、図18で後述する。
再帰反射部106は、図17に示すように、導光部103とは反対側の取り出し部104hの端部に形成され、導光部103により導光された光線を反射して進行方向を反転させる部位である。以下、再帰反射部106により反射された光を「再帰光」と称する場合がある。再帰反射部106の詳細は、図19〜図21で後述する。
<取り出し部および光線射出部について>
図18は、第3の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図18を参照しながら、導光部材100hの取り出し部104hおよび光線射出部105について説明する。
図18に示すように、導光部材100hの取り出し部104hは、光線射出部105の面(後面)に対して所定の角度(例えば、角度θ)に傾斜した第1面107aと、第1面107aに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に対して垂直に光線射出部105に向かって形成された第3面107cと、第3面107cに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に平行な第2面107bと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第1面107aおよび第3面107cは、第2面107bに対して突起するように形成されている。また、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されている。また、第1面107a、第2面107bおよび第3面107cは、取り出し部104hにおいて、それぞれ少なくとも1以上が形成されている。
第1面107aは、導光部材100hの内部に入射して導光され、再帰反射部106により反射された再帰光を、光線射出部105に向かう方向に反射することによって、光線射出部105から射出させる機能を担う平面である。第1面107aの光線射出部105に対する傾斜角は、上述した光線入射部101と反射部102とがなす角度θと同一であり、例えば、20度〜35度の範囲に設定することが好ましい。このように、第1面107aの傾斜角を、光線入射部101と反射部102とがなす角度θと同一とすることによって、コリメート光学系300の配置の調整等が容易となる。また、第1面107aには、第1の実施の形態と同様の反射コートが施されている。
第2面107bは、導光部材100hの内部に入射して、導光部103を導光された画像光を、さらに再帰反射部106へ向かう方向に導光させるための反射面としての機能を担う面である。また、第2面107bは、光線射出部105の面(後面)と平行な平面となっている。これによって、導光部材100hの前面および後面からの外部の光を透過させる透過面として機能するので、シースルー性が確保される。
また、取り出し部104hに形成された複数の第1面107aの間隔は、導光部103から再帰反射部106へ向かう方向に密から粗となるように形成されることが望ましい。第1面107aによる反射対象となる光線は、上述のように再帰反射部106で反射された再帰光であるので、再帰反射部106で反射されたばかりの再帰光は、まだ、第1面107aにより反射されておらず、再帰反射部106近傍の再帰光の光量は大きい。したがって、再帰反射部106近傍の第1面107aでは、再帰光の光線が反射される確率が高い。一方、再帰反射部106から離れた、すなわち、導光部103に近い第1面107aでは、再帰反射部106に反射された再帰光のうち多くは、再帰反射部106近傍の第1面107aによって反射され光線射出部105から射出されているので、再帰反射部106から離れた場所の再帰光の光量は小さい。したがって、再帰反射部106から離れた第1面107aでは、再帰光の光線が反射される確率が、再帰反射部106近傍の第1面107aよりも低い。よって、上述のように、第1面107aの間隔を、導光部103から再帰反射部106へ向かう方向に密から粗となるように形成することによって、再帰光がバランスよく第1面107aによって反射され、光線射出部105から射出されるので、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
なお、上述のように、第1面107aの間隔を、導光部103から再帰反射部106へ向かう方向に密から粗となるように形成するものとしたが、これに限定されるものではなく、複数の第1面107aの間隔のうち、少なくとも1つの間隔が異なる長さであるものとしてもよい。すなわち、導光部103で導光される画像光の性質によって、第1面107aのそれぞれの間隔を設定することによって、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
<再帰反射部について>
図19は、再帰反射部が設けられていない導光部材における光線の発散動作を説明する図である。図20は、第3の実施の形態に係る虚像表示装置の導光部材の再帰光の収束動作を説明する図である。図21は、再帰反射部での光線の反射動作を説明する図である。図19〜図21を参照しながら、導光部材100hの再帰反射部106について説明する。
図20に示すように、再帰反射部106は、導光部103とは反対側の取り出し部104hの端部に形成された部位であり、導光部材100hの一の側面に対して角度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た部位である。すなわち、再帰反射部106は、導光部103とは反対側の取り出し部104hの端部に、複数の屋根形の形状物(全反射面)が連続して形成された部位である。第1傾斜面106aおよび第2傾斜面106bは、互いに略等しい形状および面積を有する平面である。
また、導光部材100hの側面と第1傾斜面106aとのなす角度θsは、135度であり、第1傾斜面106aと第2傾斜面106bとのなす角度θpは、90度となるように形成されている。したがって、再帰反射部106は、頂角が90度である屋根形の複数の形状物(全反射面)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に、第1傾斜面106aおよび第2傾斜面106bには、反射率の高い反射コートを施すことが好ましい。また、この反射コートの反射率は、70%以上であることが望ましい。
次に、導光部材内で導光される画像光の進行状態の詳細について、図19〜図21を参照しながら説明する。図19では、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は、再帰反射部106を有しない点、および、取り出し部104hの第1面107a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、本実施の形態の導光部材100hの構成とは異なっている。
画像表示素子400から出射された画像光は、コリメート光学系300を通過することにより平行光とされた状態で、図19に示すように、導光部材の光線入射部101から入射して、導光部材内を進行する。光線入射部101から入射した画像光は、導光部材内を全反射することにより、図19に示すように、発散光となって導光部材内を進行する。この画像光の発散の度合いは、導光部材内を進行した光になるほど顕著になる。したがって、導光部材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。
図19に示す導光部材では、取り出し部104hの第1面107a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105から射出されユーザ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等の画像光がユーザの眼に入らず、観察される虚像が欠けることになる。
次に、本実施の形態の導光部材100h内で画像光が導光される状態を図20および図21に示す。ここで、図20は、導光部材100hの前面側(正面)から表した図であり、図21は、再帰反射部106における画像光の反射動作を説明するために再帰反射部106を拡大して示した図である。また、図20および図21では、説明を簡潔にするため、画像表示素子400から出射された1本の光線660のみを抽出して示している。
画像表示素子400から出射された画像光は、コリメート光学系300を通過して平行光とされた状態で、図20に示すように、導光部材100hの光線入射部101から入射して導光部材100h内を進行する。導光部材100hの光線入射部101から入射した画像光(光線660)は、導光部材100h内を全反射することにより、発散光となって導光部材100h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19で上述した例と同様に、発散光として導光部材100h内を進行する。
そして、導光部材100h内を進行する画像光は、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(光線660)は、図21に示すように、再帰反射部106を構成する第1傾斜面106aおよび第2傾斜面106bの両面で反射して、前面側から見た入射光と反射光(再帰光)とが平行になると共に、収束光となって導光部材100h内を、反射前とは逆方向に進行する。さらに、再帰光は、取り出し部104hの第1面107aで反射して、収束光として光線射出部105から射出され、ユーザの眼500の方向に導かれる。このように、本実施の形態の導光部材100hによれば、画像光が収束光として射出され、ユーザの眼500に導かれるので、広角でも虚像が欠けずに良好に観察することができる。
<光線入射部に入射する光束および画像光の光路について>
次に、図17を参照しながら、本実施の形態の導光部材100hに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
図17では、画像表示素子400の中心から出射した画像光が、導光部材100h内で導光される状態を示している。図17に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー201を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系200がない場合と同等の光路を示している。例えば、図17に示す実線の光線のうち、光線651は、反射ミラー201を透過して、光線入射部101から入射して、反射部102により反射されて、光線652となる。光線652は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、再帰反射部106に達し、再帰反射部106により進行方向が反転されて、再帰光である光線653となる。そして、光線653は、取り出し部104hに達し、取り出し部104hの第1面107a(図18参照)による反射により取り出されて光線654となる。光線654は、光線射出部105から導光部材100hの外部の眼500の方向に射出される。
また、図17に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射された画像光の光線である。例えば、図17に示す破線の光線のうち、光線656は、反射ミラー201により反射され、その後、反射ミラー202により反射されて、光線入射部101から入射し、反射部102により反射されて光線657となる。光線657は、導光部103内で全反射を繰り返しながら導光され、再帰反射部106に達し、再帰反射部106により進行方向が反転されて、再帰光である光線658となる。そして、光線658は、取り出し部104hに達し、取り出し部104hの第1面107a(図18参照)による反射により取り出されて光線659となる。光線659は、光線射出部105から導光部材100hの外部の眼500の方向に射出される。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104hに当たる再帰光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104hに当たる再帰光の光束が多くなる。すなわち、取り出し部104hの第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光(再帰光)の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104hの第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
<第3の実施の形態の変形例1>
図22および図23を参照しながら、本実施の形態の変形例1に係る虚像表示装置1iについて説明する。
<<虚像表示装置の全体構成>>
図22は、第3の実施の形態の変形例1に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図22を参照しながら、本変形例に係る虚像表示装置1iの全体構成について説明する。
図22に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1iは、虚像光学系2iと、画像表示素子400と、を有する。
虚像光学系2iは、画像表示素子400から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系300を介して、導光部材100iに導光させ、光線射出部105から人間の眼500に向けて出射させる光学系である。虚像光学系2iは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100iと、を有する。
導光部材100iは、光線入射部101と、反射部102と、導光部103と、取り出し部104iと、光線射出部105と、再帰反射部106と、を有する。なお、光線入射部101、反射部102、導光部103、光線射出部105、および再帰反射部106の構成および機能は、上述の第3の実施の形態の図17で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
取り出し部104iは、導光部103により導光された光線を、導光部材100iの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。取り出し部104iの詳細は、図23で後述する。
<<取り出し部および光線射出部について>>
図23は、第3の実施の形態の変形例1に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図23を参照しながら、導光部材100iの取り出し部104iおよび光線射出部105について説明する。
図23に示すように、導光部材100iの取り出し部104iは、光線射出部105の面(後面)に対して所定の角度(例えば、角度θ)に傾斜した第1面107aと、第1面107aに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に平行な第2面107bと、第2面107bに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部105の面に対して垂直に光線射出部105に向かって形成された第3面107cと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第1面107aおよび第3面107cは、第2面107bに対して凹陥するように形成されている。また、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されている。また、第1面107a、第2面107bおよび第3面107cは、取り出し部104iにおいて、それぞれ少なくとも1以上が形成されている。このような取り出し部104iの構成によって、第3の実施の形態の取り出し部104hと同様に、第1面107aにおける反射によって再帰光を取り出し、光線射出部105から射出させることができる。
なお、複数の第2面107bは、同一平面上に形成されているものとしたが、必ずしもすべての第2面107bが同一平面上に形成される必要はない。
また、第3面107cは、光線射出部105の面に対して垂直に形成されるものとしているが、必ずしも垂直である必要はなく、第1面107aから、光線射出部105と離れる方向に向かって形成されているものとすればよい。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104iに当たる再帰光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104iに当たる再帰光の光束が多くなる。すなわち、取り出し部104iの第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光(再帰光)の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104iの第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
<第3の実施の形態の変形例2>
図24は、第3の実施の形態の変形例2に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図24を参照しながら、本実施の形態の変形例2に係る虚像表示装置1jについて説明する。
図24に示すように、本変形例に係る虚像表示装置1jは、虚像光学系2jと、画像表示素子400と、を有する。虚像光学系2jは、コリメート光学系300と、反射光学系200と、導光部材100jと、を有する。本変形例では、画像表示素子400、コリメート光学系300および反射光学系200が、第3の実施の形態の変形例1の導光部材100iの光線入射部101に相当する面101j(後述)側ではなく、導光部材100iの反射部102に相当する光線入射部102j(後述)側に配置されている。
導光部材100jは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼500に射出させるライトガイドである。導光部材100jは、面101jと、光線入射部102jと、導光部103と、取り出し部104jと、光線射出部105と、再帰反射部106と、を有する。なお、導光部103、取り出し部104j、光線射出部105および再帰反射部106の構成および機能は、上述の第3の実施の形態の変形例1で説明した導光部103、取り出し部104i、光線射出部105および再帰反射部106の構成および機能とそれぞれ同様である。
面101jは、第3の実施の形態の変形例1の導光部材100iの光線入射部101とは異なり、コリメート光学系300からの画像光が入射されず、後述するように、光線入射部102jから入射した画像光を全反射させる面である。
光線入射部102jは、コリメート光学系300により平行化され、反射光学系200により光束の幅が太くされた画像光が入射する部位(面)である。光線入射部102jは、図24に示すように、面101jに対して、角度2θの面となるように形成されている。このように角度2θで形成されている点は、上述の第1の実施の形態の変形例3で説明した内容と同様である。
このように、反射光学系200がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系200により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部104jに当たる再帰光の光束が多くなり、眼500に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子400の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系200により分岐されるため、取り出し部104jに当たる再帰光の光束が多くなる。すなわち、取り出し部104jの第1面107aの位置によっては当たりにくかった画像光(再帰光)の光線が、反射光学系200によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部104jの第1面107aに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第1面107aに当たらずに眼500に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
なお、反射光学系200、コリメート光学系300および画像表示素子400を、本変形例のように、光線入射部102j側に設けるか、または、第3の実施の形態の変形例1のように導光部材100の光線入射部101側に設けるかによって、虚像表示装置としての性能の差異は特になく、虚像表示装置の構成の違いに伴い、いずれかを選択するものとすればよい。
図25は、第3の実施の形態の変形例2に係る虚像表示装置の構成のうち反射光学系がない場合の網膜上の照度分布を示す図である。図26は、第3の実施の形態の変形例2に係る虚像表示装置における網膜上の照度分布を示す図である。すなわち、図25(a)および図25(b)は、図24に示す虚像表示装置1jの構成のうち、画像表示素子400から出射される画像光を、反射光学系200を介さないで、導光部材100jの光線入射部102jに入射させた場合の網膜上での照度分布のシミュレーション結果を示す。また、図26(a)および図26(b)は、図24に示す虚像表示装置1jの構成において、画像表示素子400から出射される画像光を、反射光学系200を介して、導光部材100jの光線入射部102jに入射させた場合の網膜上での照度分布のシミュレーション結果を示す。本実施例には、第3の実施の形態の変形例2に係る虚像光学系2jについての寸法、角度および屈折率等を、以下の数値に設定した。
・画像表示素子400
・表示領域:5.1mm×2.9mm
・コリメート光学系300
・水平視野角:40度
・垂直視野角:23度
・コリメートレンズ焦点距離:7.5mm
・FNO:3.7
・反射光学系200
・ミラー間距離:2.4mm
・導光部材100j
・屈折率(Nd):1.53(材質:プラスチック)
・肉厚:4mm
・長さ:50mm
・幅:33mm
・取り出し部104j
・斜面部(第1面107a):0.1mm
・寸法(第2面107b):1.1mm
・間隔:1.3mm
・角度:31.5度
ユーザは、網膜上の照度分布に対応した虚像を観察することになる。図25および図26を比較すると明らかなように、反射光学系200を介さない図25では、明らかに虚像の隙間が認められるが、反射光学系200を介した図26では、隙間が低減されていることが分かる。