JP2019204123A - 導光部材、ライトガイド及び虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトに実現する。【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と、導光部材に一体的に設けられる光学部材２００と、を有する。導光部材は、光線入射部１０１に対して傾斜し光線入射部１０１で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部１０２と、光線射出部１０４に対して傾斜する第１面１０３ａと光線射出部１０４に平行な第２面とが交互に配置され画像光を第１面１０３ａから光線射出部１０４に導光して取り出す画像取り出し部１０３を備える。光学部材は、光線射出部１０４に平行な平行面２１０と、平行面２１０に対して傾斜し画像取り出し部１０３に接合される傾斜部２０３を有する。【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、薄肉化、小型化、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ライトガイドを重ね合わせ、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、画像を取り出す方式としている。

特許文献２の装置は、全反射を利用して、ライトガイドを通じて画像光を導くと共に、ライトガイドの画像取り出し側において、ライトガイドの主面に平行な外光透過面を設けることで、画像光に外光と重ね合わせて観察可能にする透過機能を持たせている。

特許文献３の装置は、対向して延びる全反射部と、傾斜するように延びる複数の第一要素面と、その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して配置してなる導光板を組み合わせた方式としている。

これらの方式では、透過性と広い視野角を達成しようとすると数多くのライトガイドが必要であり、シースルー性を保つために平面の導光板部分が必要であり、視野角を広くするためにライトガイドの長さを長くする必要性がある。

本発明は、虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトに実現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と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と、該第１面に続き前記光線射出部に平行な第２面と、該第２面に続き前記光線射出部に対して前記第１面の前記光線射出部に対する傾斜の向きとは異なる向きに傾斜する第３面と、該第３面に続く第４面と、からなる鋸歯形状が繰り返し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画像取り出し部を備え、前記光学部材は、前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し前記画像取り出し部に接合される傾斜部とを有する。

本発明によれば、虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトにすることができる。

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のライトガイドの斜視図である。 ライトガイドを用いた虚像表示装置の平面図である。 ライトガイドの導光部材における光線入射部と反射部を説明するための部分拡大平面図である。 ライトガイドの導光部材における画像取り出し部を説明するための部分拡大平面図である。 ライトガイドから画像光を射出する際の光線のむらを表した図である。 導光部材と光学部材を接着剤で接合した状態を示すライトガイドの部分拡大平面図である。 光学部材の有無による効果の違いを説明する図であり、（ａ）は光学部材を設けないライトガイドにおける光の進行を、（ｂ）は光学部材を設けたライトガイドにおける光の進行を、それぞれ示す。 導光部材の他の実施形態を説明する部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。 光学部材の他の構成例を説明するためのライトガイドの部分拡大平面図であり、導光部材と光学部材の接合箇所を拡大して示す図である。 実施形態のライトガイドを眼鏡型のＨＭＤに適用した例を表す模式図であり、（ａ）はライトガイドを両眼一体型とした場合、（ｂ）及び（ｃ）は、ライトガイドを単眼型とし、左右の目に各々適用した場合及び片方の目に適用した場合を示す。 実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置の実施例を説明するための図である。

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及び図２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３に示す。図３では、虚像表示装置における虚像表示光学系の光路を矢印で示すとともに、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３において下側）の面を「後面」とし、奥側（図３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反射部１０２、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための画像取り出し部１０３及び光線射出部１０４を備える。

シースルー性を良好にするために、導光部材１００は、光線射出部１０４が設けられた後面と、奥側（図１において上側）の前面１０５は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。

光線入射部１０１及び光線射出部１０４は、いずれも導光部材１００の後面に設けられている。したがって、光線入射部１０１と光線射出部１０４とは、同一面上に配置されている。このように光線入射部１０１及び光線射出部１０４を同一面上に配置することで、導光部材１００さらにはライトガイド５０の生産性を向上させ、また、導光部材１００及びライトガイド５０全体をシンプルな構成にすることができる。

導光部材１００の画像取り出し部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。

他方、光学部材２００は、平面視でテーパー状の外形を有し、導光部材１００の画像取り出し部１０３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に平行な平行面としての前面２１０と、かかる前面２１０に対して傾斜し、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向配置される傾斜部２０３を有する。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に対して近接設置される部位であり、かかる部位の詳細については後述する。

以下、ライトガイド５０を用いた虚像表示装置について説明する。図３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。

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３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で拡大されてライトガイド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、反射部１０２で反射されて導光部材１００の内部に導光される。導光された画像光は、画像取り出し部１０３で反射され、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、図４以下を参照して、ライトガイド５０の構成を更に詳細に説明する。

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、後述する画像取り出し部１０３の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。

導光部材１００の光線入射部１０１及び反射部１０２は、コリメート光学系３００で拡大された画像光を光線束として入射及び反射する。したがって、光線入射部１０１及び反射部１０２は、かかる光線束の大きさ以上のサイズで形成される。

反射部１０２は、光線入射部１０１で入射した画像光を反射してライトガイド５０の内部に導光させるために、図４に示すように、光線入射部１０１に対して角度θ0で傾斜している。かかる傾斜角θ0は、光線入射部１０１から入射された画像光を全反射する角度であり、ライトガイド内部に画像光を良好に導光するために、１５度から７５度までの角度とすることが望ましい。さらに、後述する画像取り出し部１０３の第１面１０３ａと光線射出部１０４とのなす角度θaの好適範囲を考慮すると、傾斜角θ0は、２０度から３５度までの範囲に設定することがより好ましい。

また、反射部１０２には任意のコート材によるコーティングを施すことができる。ライトガイド５０の内部に画像情報を導光させるためには、反射部１０２は、アルミニウムや銀、誘電コートなどの反射率が高いミラーコートを施すことが望ましい。

画像取り出し部１０３は、図５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。図５中、光線射出部１０４と平行な仮想面を点線で表し、第２面１０３ｂの幅をｗで表している。

画像取り出し部１０３の第１面１０３ａは、導光部材１００の内部に入射及び導光され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。ここで、光線射出部１０４に対する第１面１０３ａの傾斜の向きは、光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜の向きと逆である。

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３５度までの範囲に設定することが好ましい。また、角度θaの値は、上述した光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角θ0の値と同一に設定することがより好ましく、かかる設定とすることで、コリメート光学系３００の配置の調整等が容易になる。

他方、第２面１０３ｂは、入射された画像光を導光部材１００の内部に導光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。

画像取り出し部１０３すなわち第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂには、任意のコーティングを施すことができる。ここで、ライトガイド５０にシースルー性を持たせることを考慮すると、画像取り出し部１０３には、ある程度透過率を確保したハーフミラーなどのコーティングを施すことが望ましい。

図６に示すように、光線射出部１０４から射出される画像光は、反射部１０２からの距離が長くなるほど、すなわち図６における右方向に進むほど、光線の間隔がまばらになる。この現象は、観察位置すなわち光線射出部１０４に対する観察者の目の位置によって画像光の輝度が変わることを意味し、輝度むらの原因となる。

かかる輝度むらの発生という課題に対処するため、画像取り出し部１０３を以下のような構成とすることが好ましい。

第１の構成として、画像取り出し部１０３は、反射部１０２からの距離が長くなるに従って、画像取り出し部１０３内の第１面１０３ａの幅を大きくする設定とする。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。かかる設定とすることにより、反射部１０２から遠くなるに従って、第１面１０３ａの面積が大きくなり、反射される画像光の光量がより多くなるので、上述した観察位置による輝度むらを低減させることができる。

第２の構成として、画像取り出し部１０３は、反射部１０２からの距離が長くなるに従って、第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂの反射率を順次高くする設定とする。かかる設定とすることにより、反射部１０２から遠くなるに従って、反射される画像光の光量がより多くなるので、上述した輝度むらを低減させることができる。第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂの反射率を順次高くするために、例えば、反射率の異なる種々のコート材を用い、反射部１０２からの距離が長くなるに従って反射率が高くなるようにコート材を選択して画像取り出し部１０３をコーティングすればよい。

図７は、導光部材１００と光学部材２００との結合状態を示す。光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対して接着剤１５０で接着されており、かかる接着状態において、前面２１０が導光部材１００の光線射出部１０４と平行に保持されている。

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とは、同一或いは出来るだけ近い屈折率の材質を使用することが好ましい。同様の観点から、接着剤１５０は、導光部材１００及び光学部材２００の材質と同一或いは出来るだけ近い屈折率のものを使用することが望ましい。導光部材１００及び光学部材２００を樹脂で成形することを前提とすると、屈折率１．４〜１．９の接着剤１５０を使用することが望ましい。

本実施形態では、導光部材１００と光学部材２００は、接着剤１５０によって、接合部位に空気層が出来ないように接合される。この場合、画像取り出し部１０３内の第２面１０３ｂでは全反射しなくなるため、反射特性を有するコートを画像取り出し部１０３に施すようにする。かかる構成とすることで、画像光を画像取り出し部１０３で反射させて導光部材１００内を導光させることができる。

図８は、ライトガイド５０で光学部材２００を設けない参考例を（а）に、光学部材２００を導光部材１００に接合した本実施形態を（ｂ）にそれぞれ示し、観察者が外界方向を観察した場合の光線の屈折の様子を比較して示している。

図８（ａ）に示すように、光学部材２００を設けないで導光部材１００のみとした場合には、光線射出部１０４を通しての観察者の観察方向の光線が、画像取り出し部１０３の部位で屈折する。この場合、観察者が見ている方向と外界の実像の方向が一致しないため、シースルー性が悪くなる。これに対して、本実施形態のライトガイド５０は、導光部材１００に光学部材２００を接合する構成としたので、図８（ｂ）に示すように、光線射出部１０４を通しての観察者の観察方向の光線が屈折しない。したがって、本実施形態のライトガイド５０では、観察者が見ている方向と外界の実像の方向が一致し、シースルー性が良好となる。

また、図７に示した導光部材１００の光線射出部１０４と光学部材２００の前面２１０が平行な面でない場合、光線射出部１０４を通しての観察者の観察方向の光線が前面２１０で屈折し、シースルー性が悪くなる。これに対して、本実施形態のライトガイド５０は、光線射出部１０４と光学部材２００の前面２１０とが互いに平行な平面となるように導光部材１００と光学部材２００とを接合する構成としたので、シースルー性を高めることが可能になる。

上述のように、光線射出部１０４の位置による射出光の輝度むらを低減するために、反射部１０２からの距離が長くなるに従って、画像取り出し部１０３内の第１面１０３ａの幅を大きくする或いは画像取り出し部１０３の反射率を高くすることができる。このような構成とする場合、導光部材１００の反射部１０２からの距離が長くなるに従って、光学部材２００の前面２１０の透過率が順次高くなるように設定することが、より好ましい。かかる設定とすることにより、観察者が導光部材１００の光線射出部１０４を通して外界の景色を眺めた場合に、かかる外界の景色の輝度むらも低減させることができる。光学部材２００の前面２１０の透過率を順次高くするため、例えば、透過率の異なる種々のコート材を用い、反射部１０２からの距離が長くなるに従って透過率が高くなるようにコート材を選択して画像取り出し部１０３をコーティングすればよい。

（導光部材の変形例）
導光部材１００の他の構成例について、図９及び図１０を参照して説明する。

上述した図５に示す実施形態では、画像取り出し部１０３は、第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂの２つの平面で構成されている。すなわち、画像取り出し部１０３は、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た、略階段状の形状をなすものである。

これに対し、図９に示す変形例では、画像取り出し部１０３は、４つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。具体的には、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθａの角度を有する第１面１０３ａと、θｂの角度を有する第２面１０３ｂと、θｃの角度を有する傾斜面１０３ｃと、θｄの角度を有する平面１０３ｄが、この順で配された形状となっている。画像取り出し部１０３において、第１面１０３ａと傾斜面１０３ｃとは、いずれも光線射出部１０４に平行な基準面から立ち上がって傾斜しているが、傾斜の方向すなわち立ち上がりの向きが互いに異なっている。

上記の４つの面の内、第１面１０３ａと第２面１０３ｂの機能等は、上述した実施形態と同様であり、詳述を省略する。

傾斜面１０３ｃは、第１面１０３ａの面積を広く確保する役割、及び導光部材１００の曲げ強度を向上させる役割を有する。

光線射出部１０４に対する傾斜面１０３ｃの角度θｃは、０°よりも大きく９０°以下の範囲とされる。角度θｃが０°になると、傾斜面１０３ｃは、第２面１０３ｂと同一面すなわち第２面１０３ｂの一部になるため、上述した実施形態と同じ構成になる。また、角度θｃは、生産性を考慮すると４５°から９０°の範囲とすることが望ましい。さらには、傾斜面１０３ｃは、画像表示素子１０からの画像光が当たると乱反射等の現象が生じるため、出来るだけ画像表示素子１０からの画像光が当たらないような角度範囲とすることが好ましい。

平面１０３ｄは、主にシースルー性を保持するための部位であり、光線射出部１０４に対する角度θｄ＝０°とする、すなわち光線射出部１０４と平行とすることが望ましい。角度θｄ＝０°とする場合には、第２面１０３ｂと同様に、画像表示素子１０からの画像光を平面１０３ｄで反射させる構成とすることもできる。

さらに、図９に示す形態のさらなる変形例として、第１面１０３ａ及び傾斜面１０３ｃを図の上方向に伸ばすことで、画像取り出し部１０３を、第１面１０３ａと傾斜面１０３ｃとが接している３平面構成としてもよい。この場合、画像取り出し部１０３は、第１面１０３ａと、第２面１０３ｂと、傾斜面１０３ｃと、がこの順で連続して配置される。

このように、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とすることで、図５に示す実施形態と比較して複雑な形状となるが、第１面１０３ａの面積を相対的に広く取ることができる。したがって、光線射出部１０４から射出される画像光の光量を相対的に多く確保することが可能となる。また、かかる形状とすることで、曲げ強度の向上を図ることができ、特に導光部材１００が樹脂製の場合に有利になる。すなわち、導光部材１００を樹脂で形成する場合、導光部材１００の厚みが薄くなる先端側で曲げ強度が弱くなるが、傾斜面１０３ｃを追加することによって、曲げ強度を向上させることができる。

図１０に、画像取り出し部１０３を４平面構成とした場合の導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。この例でも、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に接着剤１５０を介して接合することができる。

傾斜面１０３ｃや平面１０３ｄを追加して画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とする変形例は、画像取り出し部１０３の全体に施す構成に限られず、画像取り出し部１０３の一部に施してもよい。すなわち、第１面１０３ａと第２面１０３ｂとが交互に配置される図５に示す画像取り出し部１０３の構成を基本としつつ、光量を確保したい部位や曲げ強度を確保したい部位に傾斜面１０３ｃさらには平面１０３ｄを個別に追加することができる。

このように、上述した種々の実施形態によれば、光量むらがなく、コンパクトで４０度以上の広視野角のライトガイドを得ることができる。

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。

上述したライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を図１１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に例示する。

図１１（ａ）に示す例は、一つのライトガイド５０を両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、導光部材１００の光線入射部１０１を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。ライトガイド５０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４００に固定される。図１１ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部４００は、ライトガイド５０の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。

他方、図１１（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つのライトガイド５０を小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合である。図１１（ｂ）に示す例は、二つのライトガイド５０，５０をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各ライトガイドの光線入射部１０１は、左右外側に配置される。

なお、図１１では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部４００に取り付けることができる。すなわち、図１１（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源ＳＬ、画像表示素子１０及びコリメート光学系３００を右目側のフレーム部に、図１１（ｂ）に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。

上述した実施形態では、ライトガイド５０を眼鏡型のＨＭＤに適用している。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。

（虚像表示装置の実施例）
図１乃至図８で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の具体的な実施例を、図１２を参照して説明する。図１２では、実施例の虚像表示装置でのライトガイド５０の画像光の光路の状態及び観察者の目を模式的に表しており、光源ＬＳの図示は省略している。また、以下に示す各角度は絶対値表示である。

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。図１２に示す実施例では、ライトガイドの厚み（肉厚）ｔ_ｌ＝４mm、長手方向の長さＬ_ｌ＝５０mm、幅＝３０mm、角度θ0＝３０度、ライトガイドの屈折率（Ｎｄ）＝１．５３（材質：プラスチック）とした。また、ライトガイドの水平視野角＝４５度、アイボックス５mm以上、アイレリーフ１５mm以上に設定し、片目用の虚像表示装置を製作した。

かかる実施例では、光線射出部１０４から射出される画像光の輝度が全体的に均一になり、虚像が良好に確認できた。

以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、小型で４０度以上の広い視野角を有する透過型のライトガイド及びかかるライトガイドを用いた輝度むらの少ない虚像表示装置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 ライトガイド
１００ 導光部材
１０１ 光線入射部
１０３ 画像取り出し部
１０３ａ 第１面
１０３ｂ 第２面
１０３ｃ 傾斜面
１０３ｄ 平面
１０４ 光線射出部
１５０ 接着剤
２００ 光学部材
２１０ 前面（平行面）
２０３ 傾斜部

特許４５０８６５５号 特許５４２１２８５号 特許５７０３８７５号

本発明は、導光部材、ライトガイド、及び虚像表示装置に関する。

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に用いられる導光部材であって、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光線射出部と、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と、該第１面に続き前記光線射出部に平行な第２面と、該第２面に続き前記光線射出部に対して前記第１面の前記光線射出部に対する傾斜の向きとは異なる向きに傾斜する第３面と、該第３面に続く第４面と、からなる鋸歯形状が繰り返し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画像取り出し部と、を備える。

Claims (9)

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と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、
   前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、
   前記光線射出部に対して傾斜する第１面と、該第１面に続き前記光線射出部に平行な第２面と、該第２面に続き前記光線射出部に対して前記第１面の前記光線射出部に対する傾斜の向きとは異なる向きに傾斜する第３面と、該第３面に続く第４面と、からなる鋸歯形状が繰り返し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画像取り出し部を備え、
   前記光学部材は、前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し前記画像取り出し部に接合される傾斜部とを有すること
   を特徴とするライトガイド。
2. 前記光学部材は、前記導光部材と同一の材料で形成されている請求項１記載のライトガイド。
3. 前記光学部材の前記傾斜部は、前記導光部材の画像取り出し部に屈折率１．４〜１．９の接着剤で接合されている請求項１又は２に記載のライトガイド。
4. 前記導光部材の前記画像取り出し部は、前記反射部からの距離が長くなるほど前記第１面の幅が大きい請求項１乃至３のいずれかに記載のライトガイド。
5. 前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第１面には、前記画像光を反射するコートを有する請求項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における前記第１面には、前記反射部からの距離が長くなるほど反射率が高くなるコートを有する請求項５記載のライトガイド。
7. 前記光学部材の前記平行面は、前記反射部からの距離が長くなるほど透過率が高くなるコートを有する請求項１乃至６のいずれかに記載のライトガイド。
8. 前記光線射出部に対する前記第１面の傾斜の向きは前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜の向きと逆であり、
   前記光線射出部に対する前記第１面の傾斜角度と、前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜角度とが等しい請求項１乃至７のいずれかに記載のライトガイド。
9. 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８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。

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