JP2019197079A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示像において筋状のムラが観察されることを抑制すること。【解決手段】虚像表示装置１００は、表示素子１１と、表示素子１１から射出された画像光ＧＬを導光して射出する導光部材２０と、を備え、導光部材２０は、互いに平行に配列されて画像光ＧＬを反射して射出する複数の反射面３１を有するミラーアレイ部３０を備え、ミラーアレイ部３０は、ミラーアレイ部３０の厚みをＴとし、複数の反射面３１のピッチをＰとし、反射面３１がミラーアレイ部３０の射出面３０ｂの法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をｍとすると、関係式ｍＰ≒Ｔｔａｎθを満たす。【選択図】図２

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及びその他の虚像表示装置に関する。

近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。

例えば、特許文献１には、複数の反射面を有する導光板を備えた光学装置が開示されている。この光学装置では、複数の反射面がコーティング材料で被覆され、コーティング材料は、反射特性に関して、反射面に対する入射角が大きい場合に反射率が高くなる第１範囲と、反射面に対する入射角が小さい場合に反射角が低くなる第２範囲とを有し、望まない反射やゴーストの発生を抑制している。

しかしながら、透過性を有する多数の反射面を配列した場合、各反射面で反射され又は透過する画像光の輝度差により表示像において筋状のムラが観察される可能性がある。

特表２００７−５０５３５２号公報

本発明の一側面における虚像表示装置は、表示素子と、表示素子から射出された画像光を導光して射出する導光部材と、を備え、導光部材は、互いに平行に配列されて画像光を反射して射出する複数の反射面を有するミラーアレイ部を備え、ミラーアレイ部は、ミラーアレイ部の厚みをＴとし、複数の反射面のピッチをＰとし、反射面がミラーアレイ部の射出面の法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をｍとすると、下記関係式
ｍＰ≒Ｔｔａｎθ … （１）
を満たす。

上記虚像表示装置によれば、上記関係式（１）が満たされており、反射面が局所的に重畳過剰となることを抑制でき、着目する反射面からの光に対して当該反射面の反光源側又は反入射側に隣接する１以上の反射面を経た光が局所的に混ざることを抑制でき、画像輝度の分布範囲が広がることを防止できる。また、上記関係式（１）が満たされることで、反射面が局所的に重畳不足となることを抑制でき、着目する反射面からの光と当該反射面の反光源側に隣接する１以上の反射面を経た光との間に局所的欠落が生ることを抑制でき、同様に画像輝度の分布範囲が広がることを防止できる。

第１実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。 ミラーアレイ部における反射面の配置及び光路の状態を説明する部分拡大図である。 関係式（２）をグラフ化した図である。 左側に偏った画角方向に対応する反射面の配列について説明する図である。 右側に偏った画角方向に対応する反射面の配列について説明する図である。 ミラーの配置等に関する第１構造例について説明する図である。 ミラーの配置等に関する比較例を説明する図である。 ミラーの配置等に関する第２構造例について説明する図である。 ミラーの配置等に関する第３構造例について説明する図である。 ミラーの配置等に関する第４構造例について説明する図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置の要部を説明する図である。 第４実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。 第４実施形態におけるミラーの配置等を説明する部分拡大図である。 第４実施形態におけるミラーの配置等を説明する部分拡大図である。 第５実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について説明する。

図１に示す虚像表示装置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、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。虚像表示装置１００は、画像形成装置１０と、導光部材２０とを一組として備える。なお、図面では、左眼用の虚像表示装置１００のみを示しているが、左右反転させた同様の構造を有する右眼用の虚像表示装置を組み合わせることができ、この場合、全体として例えば眼鏡のような外観を有する虚像表示装置（不図示）とできる。

画像形成装置１０は、表示素子又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（表示素子）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画像光ＧＬを形成する。

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画像光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断面に関して導光部材２０の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。ここで、ｘｙｚは直交座標系である。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。投射レンズ１２は、プリズムに置き換えることができ、この場合、プリズムに屈折力を持たせた投射プリズムとできるが、プリズムに屈折力を持たせないで、後述する入射部２１等に屈折力を持たせることもできる。

導光部材２０は、平板状の部分を有し、画像形成装置１０で形成された画像光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。導光部材２０は、画像光を取り込む入射部２１と、本体である導光用の平行導光体２２と、画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。

入射部２１は、画像形成装置１０からの画像光ＧＬを取り込む光入射面ＩＳと、取り込んだ画像光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、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内面側で全反射する機能も有する。反射面ＲＳは、アルミ蒸着等により形成され、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを反射し光路を所定方向に折り曲げる。反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬは、光入射面ＩＳの内側で全反射され、平行導光体２２内に結合される。なお、光入射面ＩＳや反射面ＲＳ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。さらに、光入射面ＩＳや反射面ＲＳは、縦のｙ方向に偏って屈折力を有するものであってもよい。

平行導光体２２は、ｘｙ面に平行に延びる平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体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側の一方の平面２２ａは、入射部２１からの画像光を全反射させる全反射面として機能し、画像光を少ない損失で射出部２３に導く役割を有する。−ｚ側の他方の平面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画像光ＧＬは、光入射面ＩＳに内側から入射し、ここで全反射され、導光部材２０の奥側すなわち射出部２３を設けた＋ｘ側に導かれる。

射出部２３は、平行導光体２２の奥側である＋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２２ａにおいて所定面領域ＦＲで全反射された画像光ＧＬを通過させる際に、入射した画像光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画像光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、これは画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等を配列してなるミラーアレイ部３０を有し、ミラーアレイ部３０は、平行導光体２２の外界側の裏側の平面２２ｂに接合されて固定され、平面２２ａに沿って延びている。ミラーアレイ部３０の詳しい構造については、図２等を参照して後に詳述する。

導光部材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から導光部材２０に入射した画像光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側の平面２２ａの所定面領域ＦＲで反射された画像光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ｘ方向の横幅は、射出部２３のｘ方向の横幅よりも狭くなっている。より具体的には、画像光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。結果的に、画像光ＧＬの光線束が射出部２３に入射する入射幅は、画像光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、画像光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や光射出面ＯＳを導光に利用しないで、所定面領域ＦＲからの画像光ＧＬを射出部２３又はミラーアレイ部３０に直接的に入射させることが容易になる。また、画像光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。射出部２３に入射した画像光ＧＬは、射出部２３又はミラーアレイ部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から射出された画像光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、観察者は虚像としての画像光ＧＬを認識することができる。ここで、像形成に用いられる画像光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の奥側又は反光源側には、外界側の平面２２ａに垂直なｚ方向又は光軸ＡＸに対して傾きの大きな画像光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の前側又は光源側には、ｚ方向又は光軸ＡＸに対して傾きの小さな画像光ＧＬが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。

以下、画像光の光路について説明する。液晶デバイス１１の射出面１１ａにおいて、ｘ方向又はｚ方向に関して異なる位置から射出した画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、投射レンズ１２を経て導光部材２０の入射部２１に入射し、平行導光体２２内を通過して射出部２３に至る。

投射レンズ１２を経た各画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光部材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。射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ０は、平行導光体２２内で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、射出部２３の中央の部分２３ｋに直接的に入射する。画像光ＧＬ０は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。射出面１１ａの一端側又は−ｘ側から射出された画像光ＧＬ１は、平行導光体２２内で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、射出部２３のうち奥側又は＋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γ１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の他端側又は＋ｘ側から射出された画像光ＧＬ２は、平行導光体２２内で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、射出部２３のうち入口側又は−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γ２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。結果的に、様々な画角の画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、観察者の眼ＥＹを想定した瞳位置ＥＰａに集まる。瞳位置ＥＰａは、導光部材２０に設定された射出瞳の位置を意味する。

中央向けの画像光ＧＬ０は、仰角δ０で射出部２３の部分２３ｋに入射し、一方の周辺向け画像光ＧＬ１は、仰角δ１で射出部２３の部分２３ｈに入射し、他方の周辺向け画像光ＧＬ２は、仰角δ２で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角δ０，δ１，δ２間には、δ２＞δ０＞δ１の関係が成り立っている。つまり、ミラーアレイ部３０の反射面３１への画像光ＧＬの入射角は、仰角δ２に対応する部分２３ｍ、仰角δ０に対応する部分２３ｋ、仰角δ１に対応する部分２３ｈの順で徐々に小さくなる。換言すれば、反射面３１への入射角又はかかる反射面３１での画像光ＧＬの反射角は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。

図２を参照して、射出部２３の構造について説明する。射出部２３は、画像光ＧＬをそれぞれ部分的に反射する複数の反射面３１を配列してなるミラーアレイ部３０を有する。ミラーアレイ部３０は、ｘｙ面に沿って延びる矩形板状の部材であり、縦のｙ方向に延びる細長い反射面３１を平行導光体２２の延びる横のｘ方向に多数配列させることで構成されている。ミラーアレイ部３０は、導光部材２０の本体よりも薄く層状に延びる。反射面３１は、金属反射膜や誘電体多層膜で形成され半透過性を有する。反射面３１は、平行導光体２２の観察者側から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、反射面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、各反射面３１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、全反射面３１は、精密に互いに平行に配置され、射出面３０ｂ又は光射出面ＯＳを基準とする傾斜角θは全て等しくなっている。

ミラーアレイ部３０は、多数のプリズム状のブロック部材３２を接合した構造を有し、多数のブロック部材３２は、多数の反射面３１を交互に挟んだ状態で配列されている。ミラーアレイ部３０は、多数のブロック部材３２が配列される方向に層状に延びている。反射面３１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。反射面３１は、光透過性を有する。反射面３１の画像光ＧＬに対する反射率は、画像光ＧＬの輝度確保や、シースルーによる外界光ＯＬの観察を容易にする観点で、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。ミラーアレイ部３０の厚みＴＩは、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。なお、ミラーアレイ部３０を支持する平行導光体２２の厚みは、例えば数ｍｍ〜１０ｍｍ程度となっており、ミラーアレイ部３０の方が本体である平行導光体２２よりも薄い。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。

ミラーアレイ部３０は、ミラーアレイ部３０の厚みをＴとし、複数の反射面３１のピッチをＰとし、反射面３１がミラーアレイ部３０の光射出面ＯＳの法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をｍとすると、下記関係式
ｍＰ≒Ｔｔａｎθ … （１）
を満たす。ここで、画像光ＧＬ０は、ミラーアレイ部３０の光射出面ＯＳに法線方向から入射し瞳位置ＥＰａに至る光線であり、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上から射出される画像光のうち、図１中において破線で示す射出面１１ａの中央から射出される成分である。この関係式（１）を満たす場合、反射面３１の境界面ＩＦ側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部３０を横切るように通過する際に、ブロック部材３２を実質的にｍ回横切る。図２の場合、反射面３１のｘ方向の横幅が、平行導光体２２の横幅に相当するピッチＰの２倍となっており、ｍ＝２となっている。Ｔｔａｎθは、正確にｍＰである必要はなく、±１０％程度の微差は許容される。関係式（１）については、仮にｍＰ＜Ｔｔａｎθとすると、ピッチＰに対応する幅を有する多数の窓ＷＩのうち１つの窓ＷＩａを考えた場合に、入射部２１から離れた反光源側又は反入射側であって図面右隣の１以上の光路的に関連する反射面３１のうち最も離れた右側の反射面３１Ａからの反射光が局所的に混じって、着目する１つの窓ＷＩａを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。ここで、反光源側又は反入射側とは、ミラーアレイ部３０において、入射部２１から離れる方向を意味し、具体的には＋ｘ方向を意味する。逆に、仮にｍＰ＞Ｔｔａｎθとすると、着目する１つの窓ＷＩａと上記のような最も離れた右側の反射面３１Ａ又は３１Ａ’との関係で隙間に相当する局所的な光路の欠落が生じて、着目する１つの窓ＷＩａを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。

ミラーアレイ部３０は、自然数をｎとして、下記関係式
Ｔｔａｎ２θ≒Ｔｔａｎθ＋ｎＰ … （２）
を満たすことが望ましい。反射面３１の光射出面ＯＳ側のエッジを通って光軸ＡＸに平行な補助線ＡＬ１と、反射面３１の光射出面ＯＳ側のエッジを通って画像光ＧＬ０に平行な補助線ＡＬ２とを考える。この関係式（２）を満たす場合、反射面３１の境界面ＩＦ側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部３０を斜めに通過する際に、ブロック部材３２を実質的にｎ回横切る。図２の場合、画像光ＧＬ０が約４つの窓ＷＩに相当するブロック部材３２を横切るので、ｎ≒４となっている。このように、Ｔｔａｎ２θは、正確にＴｔａｎθ＋ｎＰである必要はなく、±１０％程度の微差は許容される。関係式（２）については、仮にＴｔａｎ２θ＞Ｔｔａｎθ＋ｎＰとすると、１つの窓ＷＩｂを考えた場合に、入射部２１に近い画像光ＧＬ０の入射側であって図面左隣の１以上の光路的に関連する反射面３１のうち最も離れた左側の反射面３１Ｂからの透過光が局所的に混じって、着目する１つの窓ＷＩｂを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。逆に、仮にＴｔａｎ２θ＜Ｔｔａｎθ＋ｎＰとすると、着目する１つの窓ＷＩｂと上記のような最も離れた左側の反射面３１Ｂ又は３１Ｂ’との関係で局所的な光路の欠落が生じて、着目する１つの窓ＷＩｂを射出する光の最大最小比率を悪化させる傾向が生じる。

関係式（２）において、Ｐ＝ρＴｔａｎθとする。ここで、係数ρは、関係式（１）の自然数ｍの逆数に対応する。この場合、関係式（２）は、
Ｔ×{２ｔａｎθ／（１−ｔａｎ^２θ）}≒（１＋ｎρ）Ｔｔａｎθ
と変形され、さらに変形することで、
ｔａｎ^２θ≒（ｎρ−１）／（ｎρ＋１） … （２１）
となる。関係式（２１）は、自然数ｎと自然数ｍの逆数ρとの組み合わせにより、反射面３１の成す角度θの適切な値を設定できることを意味する。

図３は、関係式（２）又は（２１）をグラフ化したものであり、ρを１又は０．５とした場合の、自然数ｎと反射面３１の傾斜角θとの関係を示す。

図４を参照して、−ｘ側つまり左側に偏った画角φ０方向からの画像光ＧＬの生成について説明する。この場合、画像光ＧＬは、図１の例えば画像光ＧＬ２のように比較的大きな仰角δ２でミラーアレイ部３０又は射出部２３に入射して射出角γ２で光射出面ＯＳから射出される。ここでは、図２に比較して例えば複数の反射面３１のピッチＰを減少させる調整を行うことで、画像光ＧＬの各窓での最大最小比率を改善している。具体的には、ミラーアレイ部３０の光射出面ＯＳへ入射する光線の光射出面ＯＳの法線に対する傾斜角をφｉとして、ミラーアレイ部３０は、下記関係式
ｍＰ≒Ｔｔａｎθ−Ｔｔａｎφｉ … （３）
を満たす。関係式（３）は、係式（１）を画角φ０の場合に適合させたものである。この関係式（３）を満たす場合、反射面３１の境界面ＩＦ側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部３０を横切るように通過する際に、ブロック部材３２を実質的にｍ回横切る。Ｔｔａｎθは、正確にｍＰである必要はなく、±１０％程度の微差は許容される。図４の場合、ｍ＝２となっている。関係式（３）を満たすことで、入射部２１から離れた反光源側で光路的に関連する最も離れた右側の反射面３１からの反射光が局所的に混じって画像光ＧＬの最大最小比率を悪化させる傾向が生じることや、画像光ＧＬの反光源側で光路的に関連する最も離れた右側の反射面３１との間に局所的な光路の欠落が生じて、同様に画像光ＧＬの最大最小比率を悪化させることを防止できる。

ミラーアレイ部３０は、図２の場合と同様に、自然数をｎとして、下記関係式
Ｔｔａｎ（２θ−φｉ）≒Ｔｔａｎθ＋ｎＰ … （４）
を満たすことが望ましい。この関係式（４）を満たす場合、反射面３１の境界面ＩＦ側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部３０を斜めに通過する際に、ブロック部材３２を実質的にｎ回横切る。Ｔｔａｎ（２θ−φｉ）は、正確にＴｔａｎθ＋ｎＰである必要はなく、±１０％程度の微差は許容される。関係式（４）を満たすことで、入射部２１に近い入射側で光路的に関連する最も離れた左側の反射面３１からの透過光が局所的に混じって画像光ＧＬの最大最小比率を悪化させる傾向が生じることや、画像光ＧＬの入射側で光路的に関連する最も離れた左側の反射面３１との間に局所的な光路の欠落が生じて、同様に画像光ＧＬの最大最小比率を悪化させることを防止できる。

図５を参照して、＋ｘ側つまり右側に偏った画角φ０方向からの画像光ＧＬの生成について説明する。この場合、画像光ＧＬは、図１の例えば画像光ＧＬ１のように比較的小さな仰角δ１でミラーアレイ部３０又は射出部２３に入射して射出角γ１又はφ０で光射出面ＯＳから射出される。射出角φ０と傾斜角φｉとの間にはスネルの法則が成り立っている。ここでは、図２に比較して例えば複数の反射面３１のピッチＰを増加させる調整を行うことで、画像光ＧＬの各窓での最大最小比率を改善している。具体的には、図２の場合と同様に、ミラーアレイ部３０は、上記関係式（３）を満たす。ただし、傾斜角φｉの符号は、図２の場合と異なり、負となっている。この関係式（３）を満たす場合、反射面３１の境界面ＩＦ側のエッジで反射された光線は、ミラーアレイ部３０を横切るように通過する際に、ブロック部材３２を実質的にｍ回横切る。図５の場合、ｍ＝２となっている。関係式（３）を満たすことで、画像光ＧＬの最大最小比率を悪化させることを防止できる。

ミラーアレイ部３０は、図２又は４の場合と同様に、上記関係式（４）を満たすことが望ましい。ただし、傾斜角φｉの符号は、図４の場合と異なり、負となっている。この関係式（４）を満たす場合、反射面３１の境界面ＩＦ側のエッジを透過した光線は、ミラーアレイ部３０を斜めに通過する際に、ブロック部材３２を実質的にｎ回横切る。関係式（４）を満たすことで、画像光ＧＬの最大最小比率を悪化させることを防止できる。

図４及び５を参照して説明したように、関係式（３）及び（４）が様々な傾斜角φｉで近似的に満たされていることが望ましいが、これが容易でない場合、視野の中心付近の画質を維持する観点で、傾斜角φｉの絶対値が５°以下の場合に、関係式（３）及び（４）が同時に満たされるようにする。具体的な例で説明すると、ｍ＝２、ｎ＝３、θ＝２４．１°、Ｔ＝３ｍｍであるとき、傾斜角Φｉが−５°〜５°の範囲でピッチＰを０．５２〜０．８５ｍｍとすると、±５％の誤差の範囲で上記関係式（３）及び（４）を満足するものとなる。また、ｍ＝１、ｎ＝２、θ＝３０°、Ｔ＝２ｍｍであるときも、傾斜角Φｉが±５°の範囲でピッチＰを０．９２〜１．４５ｍｍとすると、±８％の誤差の範囲で上記関係式（３）及び（４）を満足するものとなる。

以下、図６を参照して、具体的な第１構造例について説明する。この場合、Ｐ＝０．５Ｔｔａｎθであり、ρ＝０．５でありｍ＝２である。条件式（２）に関しては、ｎが自然数となっていない。ここで、反射面３１の透過率を０．８とし、反射面３１の反射率を０．２とする。特定の窓ＷＩにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ，ＲＥが形成される。領域ＲＡには、２度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１７となっている。ここで、効率は、元の映像輝度に対するミラーアレイ部３０の通過による減衰を考慮した映像輝度の比を意味する。領域ＲＢには、３度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１６となっている。領域ＲＣには、３度の透過及び反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１５となっている。領域ＲＤには、４度の透過及び反射の過程を経た光と、３度の反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１５となっている。領域ＲＥには、４度の透過及び反射の過程を経た光と、２度の反射、透過、及び反射の過程を経た光と、透過及び３度の反射の過程を経た光と、２度の透過、反射、及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１４となっている。第１構造例の平均的な効率は、０．１６であり、最大最小比率は、０．８２であり、ムラを抑えたと言える基準値０．７を十分超えている。

以下、図７を参照して、比較例について説明する。この場合、Ｐ＝０．７５Ｔｔａｎθであり、ρ＝０．７５である。条件式（１）及び（２）に関しては、ｍ及びｎが自然数となっていない。特定の窓ＷＩにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤが形成される。領域ＲＡには、反射の過程を経た光が入射し、効率は０．１５となっている。領域ＲＢには、透過及び反射の過程を経た光が入射し、効率は０．１３となっている。領域ＲＣには、２度の透過及び反射の過程を経た光が入射し、効率は０．１１となっている。領域ＲＤには、２度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．２４となっている。比較例の平均的な効率は０．１６であり、最大最小比率は、０．４６であり、ムラが生じている。

以下、図８を参照して、第２構造例について説明する。この場合、Ｐ＝０．５Ｔｔａｎθであり、ρ＝０．５でありｍ＝２である。また、ｎ＝４である。特定の窓ＷＩにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域ＲＡ，ＲＢが形成される。領域ＲＡには、２度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１７となっている。領域ＲＢには、３度の透過及び反射の過程を経た光と、３度の反射の過程を経た光と、透過、反射、及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１５となっている。第２構造例の平均的な効率は、０．１６であり、最大最小比率は、０．９１であり、ムラを抑えたと言える基準値０．７を十分超えている。

以下、図９を参照して、第３構造例について説明する。この場合、Ｐ＝Ｔｔａｎθであり、ρ＝１でありｍ＝１である。また、ｎ＝２である。特定の窓ＷＩにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域ＲＡ，ＲＢが形成される。領域ＲＡには、反射の過程を経た光が入射し、効率は０．２０となっている。領域ＲＢには、透過及び反射の過程を経た光が入射し、効率は０．１６となっている。第１構造例の平均的な効率は、０．１８であり、最大最小比率は、０．８０であり、ムラを抑えたと言える基準値０．７を十分超えている。

以下、図１０を参照して、第４構造例について説明する。この場合、Ｐ＝０．５Ｔｔａｎθであり、ρ＝０．５でありｍ＝２である。また、ｎ＝５である。特定の窓ＷＩにおいて、透過と反射とのパターンが異なる領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ，ＲＥが形成される。領域ＲＡには、２度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１７となっている。領域ＲＢには、３度の透過及び反射の過程を経た光と、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１６となっている。領域ＲＣには、３度の透過及び反射の過程を経た光と、３度の反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１５となっている。領域ＲＤには、４度の透過及び反射の過程を経た光と、３度の反射の過程を経た光と、透過、反射及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１５となっている。領域ＲＥには、４度の透過及び反射の過程を経た光と、透過及び３度の反射の過程を経た光と、透過、反射、及び透過の過程を経た光とが入射し、効率は０．１５となっている。第４構造例の平均的な効率は、０．１６であり、最大最小比率は、０．８６であり、ムラを抑えたと言える基準値０．７を十分超えている。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示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に示すように、導光部材２０の平行導光体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に平行な方向に対して角度σだけ傾ける場合、ミラーアレイ部３０から射出させる光軸ＡＸ上及びその近傍の画像光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。ミラーアレイ部３０の構造としては、光射出面ＯＳに対して時計回りに傾いた方向に射出される画像光ＧＬ０が基準となる。つまり、本実施形態のミラーアレイ部３０において、光軸ＡＸ近傍に配置される反射面３１の傾斜や配置は、図５に類するものとなり、第１実施形態において＋ｘ側に偏った画角方向からの画像光ＧＬに近いものとなる。また、本実施形態のミラーアレイ部３０において、光軸ＡＸを基準として−ｘ側に偏った画角方向からの画像光ＧＬに対応する反射面３１の傾斜や配置は、図２に類するものとなり、第１実施形態において光軸ＡＸ方向からの画像光ＧＬに近いものとなる。なお、本実施形態のミラーアレイ部３０において、光軸ＡＸを基準として＋ｘ側に偏った画角方向からの画像光ＧＬに対応する反射面３１のピッチは、図５に示すピッチよりもさらに広がる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示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１２に示すように、導光部材２０において、ミラーアレイ部３０は、傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、ミラーアレイ部３０は、入射部２１から遠い反光源側又は奥側の部分２３ｈが入射部２１に近い入光源側又は前側の部分２３ｍよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、ミラーアレイ部３０の入射面３０ａ及び射出面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ηで傾斜したものとなっている。ここで、射出部２３は、ミラーアレイ部３０を挟んで平行導光体２２の反対側に、ミラーアレイ部３０の射出面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２２ｂとが平行になって、外界光ＯＬの自然な観察が可能になる。ミラーアレイ部３０が傾斜した状態で配置されていても、ミラーアレイ部３０の射出面３０ｂ等を基準とする反射面３１の傾斜角θやピッチが、図２、３、４等を参照して説明した関係式（１）〜（４）を満たせばよい。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第４実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示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１３に示すように、画像形成装置１０の導光部材２０において、ミラーアレイ部３０は、本体である平行導光体２２の外界側の平面２２ａに貼り付けるように固定され、平面２２ａに沿って延びている。

本実施形態においても、図１４Ａに示すように、ミラーアレイ部３０は、ミラーアレイ部３０の厚みをＴとし、複数の反射面３１のピッチをＰとし、反射面３１がミラーアレイ部３０の光射出面ＯＳの法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をｍとすると、下記関係式
ｍＰ≒Ｔｔａｎθ … （１）
を満たす。また、図１４Ｂに示すように、ミラーアレイ部３０は、ミラーアレイ部３０の射出面３０ｂから射出する画像光ＧＬの光線の射出面３０ｂの法線に対する傾斜角をφｉとして、ミラーアレイ部３０は、下記関係式
ｍＰ≒Ｔｔａｎθ−Ｔｔａｎφｉ … （３）
を満たす。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第５実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示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、第５実施形態の場合、導光部材２０の平行導光体２２全体がミラーアレイ部３０となっている。この導光部材２０では、画像光ＧＬは、平行導光体２２又はミラーアレイ部３０の平面２２ａ，２２ｂ間を全反射によって伝搬する。

図１５に示す場合も、上記した関係式（１）及び（２）が満たされることが望ましく、上記した関係式（３）及び（４）がさらに満たされることが望ましい。

〔変形例その他〕
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に設けた導光部材２０は、平行導光体２２において、平面２２ａで画像光ＧＬを一回のみ全反射させてミラーアレイ部３０に導く構成としたが、対向する平面２２ａ，２２ｂで画像光ＧＬを複数回全反射させてミラーアレイ部３０に導く構成とすることもできる。さらに、画像光ＧＬが射出部２３に達するまでの全反射回数については、これらを全ての画像光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画像光ＧＬを合成して画像を表示するものとできる。

ミラーアレイ部３０に設けた多数の反射面３１の反射率は、原則として一致させるが、これら反射面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光源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、量子ドット発光型無機ＥＬ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。

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において、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、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、画像光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、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。

１０…画像形成装置、１１…液晶デバイス、１１ａ…射出面、１２…投射レンズ、１４…光源、２０…導光部材、２１…入射部、２２…平行導光体、２２ａ，２２ｂ…平面、２３…射出部、２３ｈ，２３ｋ，２３ｍ…部分、３０…ミラーアレイ部、３０ａ…入射面、３０ｂ…射出面、３１…反射面、３２…ブロック部材、ＡＸ…光軸、ＥＰａ…瞳位置、ＥＹ…眼、ＦＲ…所定面領域、ＧＬ，ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２…各画像光、ＩＦ…境界面、ＩＳ…光入射面、ＯＬ…外界光、ＯＳ…光射出面、Ｐ１，Ｐ２…直進光路、ＲＡ，ＲＢ，ＲＣ，ＲＤ，ＲＥ…領域、ＲＳ…反射面

Claims (8)

1. 表示素子と、
   前記表示素子から射出された画像光を導光して射出する導光部材と、を備え、
   前記導光部材は、互いに平行に配列されて前記画像光を反射して射出する複数の反射面を有するミラーアレイ部を備え、
   前記ミラーアレイ部は、前記ミラーアレイ部の厚みをＴとし、前記複数の反射面のピッチをＰとし、前記反射面が前記ミラーアレイ部の射出面の法線に対して成す角度をθとし、任意の自然数をｍとすると、下記関係式
   ｍＰ≒Ｔｔａｎθ … （１）
   を満たす、虚像表示装置。
2. 自然数をｎとして、下記関係式
   Ｔｔａｎ２θ≒Ｔｔａｎθ＋ｎＰ … （２）
   を満たす、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記ピッチが前記複数の反射面の配列方向の位置に応じて変化し、
   前記ミラーアレイ部の前記射出面へ入射する光線の前記射出面の法線に対する傾斜角をφｉとして、下記関係式
   ｍＰ≒Ｔｔａｎθ−Ｔｔａｎφｉ … （３）
   を満たす、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 傾斜角φｉの絶対値が５°以下の場合に、自然数をｎとして、下記関係式
   Ｔｔａｎ（２θ−φｉ）≒Ｔｔａｎθ＋ｎＰ … （４）
   を満たす、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記複数の反射面は、半透過性を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記ミラーアレイ部は、前記複数の反射面を交互に挟んだ状態で配列される複数のブロック部材を有するとともに、前記複数のブロック部材が配列される方向に層状に延びる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記ミラーアレイ部は、前記導光部材の本体よりも薄い、請求項６に記載の虚像表示装置。
8. 前記ミラーアレイ部は、前記導光部材の本体の外界側又は裏側の平面に沿って延びる、請求項７に記載の虚像表示装置。

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