JP2020086346A - 導光装置及び虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光部材の一方から他方に透過した映像光によって意図しない方向の外部において映像が観察されることを防止する。【解決手段】導光装置２０は、一対の導光部２０ｃと、一対の導光部２０ｃに画像光をそれぞれ入射させる一対の光入射部２０ａと、一対の導光部２０ｃによって導かれた画像光を外部にそれぞれ射出させる一対の光射出部２０ｂとを有するものであって、一対の導光部２０ｃを含む一対の光学部材２１ａ，２１ｂは、中央部材５０により連結され、中央部材５０が、一端から他端への光の入射を吸収によって抑制する導光阻止構造７１を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、虚像を観察者に提示する導光装置及び虚像表示装置に関し、特にシースルー視を可能にする導光装置等に関する。

シースルー視を可能にする導光装置として、導光部と光入射部と光射出部とをそれぞれ有する一対の導光部材を備えるものが公知となっている（特許文献１）。特許文献１では、シースルー視を達成するために一対の導光部材に接合される光透過部材を左右で共有することが記載され、かかる共通の光透過部材が一対の導光部材に挟まれるように中央に配置されて両導光部材に接続され、光透過部材の中心部において上下に窪みが設けられた導光装置についての開示がある。

特開２０１７−１１１３６３号公報

特許文献１の導光装置では、導光部材の上下の中心位置と光透過部材の上下の中心位置が略一致する直線上にあるため、一方の導光部材を透過した映像光が光透過部の中心を伝搬し、他方の導光部材から外に向けて射出する可能があり、意図しない方向の外部において映像が観察されるおそれがある。

本発明の一側面における導光装置は、一対の導光部と、一対の導光部に画像光をそれぞれ入射させる一対の光入射部と、一対の導光部によって導かれた画像光を外部にそれぞれ射出させる一対の光射出部とを有する導光装置であって、一対の導光部を含む一対の光学部材は、中央部材により連結され、中央部材は、中央部材の一端から他端への光の入射を吸収、散乱、又は発散によって抑制する導光阻止構造を有する。

第１実施形態の導光装置を備える虚像表示装置を説明する斜視図である。 導光装置の外観を説明する斜視図である。 導光装置の正面図、側面図、及び平面図である。 片側の表示装置の構造や映像光の光路を説明する概念的な平面断面図である。 透視型導光ユニットの中央部材の構造を説明する部分的な正面図である。 透視型導光ユニットの中央部材の形状を説明する部分的な正面図である。 図５Ａに示す中央部材の形状の変形例について説明する図である。 図５Ａに示す中央部材の形状の別の変形例について説明する図である。 図５Ａに示す中央部材の形状のさらに別の変形例について説明する図である。 図５Ａに示す中央部材の形状のさらに別の変形例について説明する平面図である。 第２実施形態に係る導光装置を説明する部分的な正面図である。 第３実施形態に係る導光装置を説明する部分的な正面図である。 第３実施形態に係る導光装置を説明する側方断面図である。 第４実施形態に係る導光装置を説明する部分的な正面図である。 第５実施形態に係る導光装置を説明する部分的な正面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の導光装置を備える虚像表示装置について説明する。

図１に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）であり、この虚像表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光又は映像光を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置１００は、第１表示装置１００Ａと、第２表示装置１００Ｂとを備える。図１において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、±Ｘ方向は、虚像表示装置１００を装着した観察者の両眼の並ぶ横方向に対応し、Ｙ方向は、観察者にとっての両眼の並ぶ横方向に直交する下方向に相当し、Ｚ方向は、観察者にとっての前方向又は正面方向に相当する。

第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂは、右眼用の虚像と左眼用の虚像とをそれぞれ形成する部分である。右眼用の第１表示装置１００Ａは、観察者の眼前を透視可能に覆う第１虚像形成光学部１０１ａと、画像光を形成する第１像形成本体部１０５ａとを備える。左眼用の第２表示装置１００Ｂは、観察者の眼前を透視可能に覆う第２虚像形成光学部１０１ｂと、画像光を形成する第２像形成本体部１０５ｂとを備える。第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂについては、映像形成デバイス、投射レンズ等の光学要素（不図示）や、これらの光学要素を収納する部材等でそれぞれ構成されている。なお、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂ中の光学要素は、カバー状のケース部材１０５ｄにより覆われてケース部材１０５ｄ内に支持されている。第１及び第２虚像形成光学部１０１ａ，１０１ｂは、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂで形成された画像光をそれぞれ導光させるとともに外界光と画像光とを重複して視認させる。第１及び第２虚像形成光学部１０１ａ，１０１ｂは、別体ではなく中央で連結されて一体的な部材である透視型導光ユニット１００Ｃを形成している。透視型導光ユニット１００Ｃは、導光によって観察者に両眼用の映像を提供する複合型の導光装置２０であり、両端でカバー状のケース部材１０５ｄに支持されている。

第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂの後部には、後方に延びるつる部分であるテンプル１０４が、不図示のヒンジによって回動可能に取り付けられており、観察者の耳やこめかみ等に当接させて装着状態を確保する支持部として機能する。第１及び第２虚像形成光学部１０１ａ，１０１ｂの間、つまり透視型導光ユニット１００Ｃの±Ｘ方向の中央には、透視型導光ユニット１００Ｃの中央部を覆う中央カバー１００Ｄが固定されている。中央カバー１００Ｄは、一対のノーズパッド１０６を支持している。ノーズパッド１０６は、テンプル１０４とともに支持部を構成し、観察者の鼻に当接させることで観察者の眼に対する透視型導光ユニット１００Ｃ等の位置決めを可能にする。

図２及び図３を参照して、透視型導光ユニット１００Ｃすなわち導光装置２０の構造について説明する。図３中において、領域ＤＡａは、透視型導光ユニット１００Ｃの正面図であり、領域ＤＡｂは、透視型導光ユニット１００Ｃの側面図であり、領域ＤＡｃは、透視型導光ユニット１００Ｃの平面図である。

透視型導光ユニット１００Ｃは、一対の導光部材１０ａ，１０ｂと中央部材５０とを備える。一対の導光部材１０ａ，１０ｂは、画像光を内部に伝搬させつつ虚像形成に寄与する一対の光学部材２１ａ，２１ｂである。一対の導光部材１０ａ，１０ｂ、すなわち一対の光学部材２１ａ，２１ｂは、中央部材５０の両端にそれぞれ固定されている。透視型導光ユニット１００Ｃは、全体として直線状又は棒状である。透視型導光ユニット１００Ｃは、水平なＸＺ面内にあって中央部材５０の中央で僅かにベントして前方に突起するが、左右対称な形状を有する。導光部材１０ａ，１０ｂの中心軸ＣＸ１，ＣＸ２は、中央部材５０の中心軸ＣＸ３に対して角度θを成している。

一方の導光部材１０ａとしての光学部材２１ａは、＋Ｘ側の端部に光入射部２０ａが設けられ、−Ｘ側の端部に光射出部２０ｂが設けられて、光入射部２０ａと光射出部２０ｂとの間に導光部２０ｃが延びる構造を有し、全体としての導光方向は−Ｘ方向に近いものとなっている。一方の導光部材１０ａは、一体の部材であるが、光射出側の第１導光部分１１と光入射側の第２導光部分１２とに分けて捉えることができる。導光部材１０ａの第１導光部分１１には、観察者の眼に対向して平面の第１面Ｓ１１が形成され、中央部材５０との境界において第１面Ｓ１１に対して傾斜して曲面の第２面Ｓ１２が形成され、第１面Ｓ１１に対向して平行に延びる平面の第３面Ｓ１３が形成されている。導光部材１０ａの第２導光部分１２には、第３面Ｓ１３に対向して曲面の第４面Ｓ１４が形成され、第４面Ｓ１４に対して傾斜して曲面の第５面Ｓ１５が形成されている。第１導光部分１１において、中央部材５０に対向する第２面Ｓ１２の表面には、ハーフミラー１５が付随して設けられている。このハーフミラー１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）であり、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成され、画像光に対する反射率が適宜設定されている。導光部材１０ａの第１導光部分１１において、導光部材１０ａの下端である下面１０ｕと導光部材１０ａの上端である上面１０ｔとは互いに平行で水平なＸＺ面に沿って延びる平面である。下面１０ｕと上面１０ｔとは、ＸＺ面に対して厳密に平行である必要はなく、画像光等の光路の妨げにならない範囲内で若干の傾きや凹凸を有していてもよい。他方の導光部材１０ｂ又は光学部材２１ｂは、一方の導光部材１０ａ又は光学部材２１ａに対して左右を反転させたものとなっているが、一方の導光部材１０ａ又は光学部材２１ａと同様の構造及び形状を有するので、一方の導光部材１０ａ又は光学部材２１ａと同様の符号を付して重複説明を省略する。

光学部材２１ａ，２１ｂの外側端部に配置された光入射部２０ａ側の上面及び下面に設けられた一対の締結部１２ｆ，１２ｇは、光入射部２０ａに対して像形成本体部１０５ａ，１０５ｂをアライメントして固定するための部分となっている。

中央部材５０は、一対の光透過部５０ａ，５０ｂと連結部５０ｄとを有する。一方の光透過部５０ａには、観察者の眼に対向して平面の第１透過面Ｓ５１が形成され、第１透過面Ｓ５１に対向して平行に延びる平面の第３透過面Ｓ５３が形成されている。第２透過面Ｓ５２は、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に配置されている。第１透過面Ｓ５１は、一方の導光部材１０ａの第１面Ｓ１１を延長した面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、一方の導光部材１０ａの第２面Ｓ１２に対して接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、一方の導光部材１０ａの第３面Ｓ１３を延長した面上にある。言い換えると、第１面Ｓ１１と第１透過面Ｓ５１とが隣接し、同様に、第３面Ｓ１３と第３透過面Ｓ５３とが隣接しており、いずれも面一に位置合わせされた状態となって滑らかな面を形成している。光透過部５０ａにおいて、下面５０ｕと上面５０ｔとは互いに平行で水平なＸＺ面に沿って延びる平面である。光透過部５０ａの下面５０ｕは、導光部材１０ａの下面１０ｕと平行で略面一に配置されている。光透過部５０ａの上面５０ｔは、導光部材１０ａの上面１０ｔと平行で面一に配置されている。つまり、光透過部５０ａと導光部材１０ａの第１導光部分１１とを接続した部分及びその周辺は、中心軸ＣＸ１に沿った各位置で矩形の横断面を有する。下面５０ｕと上面５０ｔとは、ＸＺ面に対して厳密に平行である必要はなく、外光の光路の妨げにならない範囲内で若干の傾きや凹凸を有していてもよい。他方の光透過部５０ｂは、一方の光透過部５０ａに対して左右を反転させたものとなっているが、一方の光透過部５０ａと同様の構造を有するので、一方の光透過部５０ａと同様の符号を付して重複説明を省略する。連結部５０ｄは、ブリッジ状に湾曲した部分を有し、光透過部５０ａ，５０ｂに対して下面５０ｕよりも上側に窪んだ切欠き５７を有する。つまり、連結部５０ｄのうち両端を除いた部分の下面５０ｑすなわち下端は、光透過部５０ａの下面５０ｕ及び導光部材１０ａの下面１０ｕよりも上側すなわち−Ｙ側に配置されている。所定以上の深さの切欠き５７を設けることで鼻を配置する空間を確保できる。連結部５０ｄの上面５０ｐすなわち上端は、光透過部５０ａの上面５０ｔ及び導光部材１０ａの上面１０ｔと一致して平坦である。

図４は、第１表示装置１００Ａの一部を示す図であり、特に光学系の部分を抽出したものとなっている。虚像表示装置１００は、既述のように、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂ（図１参照）で構成されるが、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂとは、左右対称で同等の構造を有するため、第１表示装置１００Ａについてのみ説明し、第１表示装置１００Ａについては説明を省略する。なお、図４において、ｘ、ｙ、及びｚは、直交座標系であり、ｘ方向及びｙ方向は、第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３に平行であり、ｚ方向は、第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３に垂直である。

第１表示装置１００Ａは、第１像形成本体部１０５ａとして、画像光を形成する映像形成デバイス８０と、結像用の投射レンズ３０とを備える。

映像形成デバイス８０は、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）、無機ＥＬ、ＬＥＤアレイ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等に代表される自発光型の表示素子であり、２次元の表示領域８０ａにカラーの静止画又は動画を形成する。映像形成デバイス８０は、不図示の駆動制御回路に駆動されて表示動作を行う。映像形成デバイス８０として有機ＥＬのディスプレイを用いる場合、有機ＥＬ制御部を備える構成とする。映像形成デバイス８０として量子ドットディスプレイを用いる場合、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の光を量子ドットフィルムに通すことにより、緑や赤の色を出す構成とする。映像形成デバイス８０は、自発光型の表示素子に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。映像形成デバイス８０として、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, LCoS は登録商標）や、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。

投射レンズ３０は、映像形成デバイス８０で形成された画像光を第１虚像形成光学部１０１ａの導光部材１０ａに向けて投射し、光入射部２０ａに入射させる。投射レンズ３０は、構成要素として、入射側光軸ＡＸが延びる方向に沿って並ぶ１つ以上の光学要素又はレンズを備える投射光学系である。投射レンズ３０を構成する光学要素は、不図示の鏡筒に保持され、この鏡筒は、ケース部材１０５ｄ（図１参照）に収納及び支持されている。なお、投射レンズ３０を構成する光学要素は、例えば非軸対称な非球面と軸対称な非球面との双方を含む非球面レンズで構成することができる。この際、導光部材１０ａの光学面又は反射面と協働して導光部材１０ａの内部に表示領域８０ａ上の表示像に対応する中間像を形成するものとすることができる。

第１虚像形成光学部１０１ａのうち導光部材１０ａは、光透過部５０ａと接着層ＣＣを介して接合されており、接着層ＣＣと、これを挟む導光部材１０ａ及び光透過部５０ａの接合面及びその近傍とを接合部ＣＮと呼ぶ。導光部材１０ａと光透過部５０ａとは、本体部材１０ｓ，５０ｓの表面をハードコート層２７で被覆した構造を有する。

導光部材１０ａのうち本体部材１０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより成形する。なお、本体部材１０ｓの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。中央部材５０のうち光透過部５０ａ，５０ｂは、導光部材１０ａの本体部材１０ｓと同様に光透過性を示す材料により形成されるが、連結部５０ｄは、部分的に光吸収性を示す材料により形成される。中央部材５０の具体的な作製方法については後述する。ハードコート層２７は、これらの本体部材１０ｓ，５０ｓが接合された状態でコート液を塗布し、成膜することで外層表面として形成され、導光部材１０ａ及び光透過部５０ａにおいて、露出する表面部分の擦傷等を抑制する保護層として機能する。なお、導光部材１０ａの第５面Ｓ１５上には、ハードコート層２７の形成前に反射膜ＲＭが形成されている。導光部材１０ａの面Ｓ１１，Ｓ１３や光透過部５０ａの透過面Ｓ５１，Ｓ５３には、例えばハードコート層２７を下地として反射防止膜を形成することができる。

以下、画像光（ここでは画像光ＧＬとする。）の光路について概略説明する。導光部材１０ａは、投射レンズ３０から画像光ＧＬを入射させるとともに第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５での反射等により観察者の眼に向けて導光する。具体的には、投射レンズ３０からの画像光ＧＬは、まず光入射部２０ａに形成されている第４面Ｓ１４の部分に入射して第５面Ｓ１５で反射され、第４面Ｓ１４に内側から再度入射して全反射され、第３面Ｓ１３に入射して全反射され、第１面Ｓ１１に入射して全反射される。第１面Ｓ１１で全反射された画像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射し、第２面Ｓ１２に設けたハーフミラー１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて光射出部２０ｂに形成されている第１面Ｓ１１の部分に再度入射して通過する。第１面Ｓ１１を通過した画像光ＧＬは、観察者の眼が配置される射出瞳ＥＰに略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての画像光により画像を観察することになる。

第１虚像形成光学部１０１ａは、導光部材１０ａにより観察者に画像光を視認させるとともに、導光部材１０ａと中央部材５０との組み合わせた状態で、観察者に歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面（視度略０）となっていることで、外界光ＯＬについて、収差等をほとんど生じない。また、同様に、第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とが互いに略平行な平面となっている。さらに、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。以上により、観察者は、中央部材５０越しに歪みのない外界像を観察することになる。なお、導光部材１０ａにおける画像光ＧＬの光線束全体の導光方向ＤＤ１は、図示のように導光部材１０ａや光透過部５０ａが延びる方向となっており、通常は、後述する中心軸ＣＸ１と平行になっている。

図５Ａ等を参照して、連結部５０ｄの構造について説明する。連結部５０ｄは、光透過部５０ａ，５０ｂを介して光学部材２１ａ，２１ｂに連結される一対の端部５０ｙと、一対の端部５０ｙ間に延びるブリッジ部５０ｚとを有する。ブリッジ部５０ｚは、切欠き５７を設けた部分となっている。切欠き５７は、正面から見て導光部材１０ａの下端である下面１０ｕ又は下面５０ｕを基準として台形状に窪んだ部分である。

ブリッジ部５０ｚは、一対の端部５０ｙ間に挟まれた部分として、横の±ｘ方向の中間に横中間部５０ｊを有する。つまり、横中間部５０ｊは、連結部５０ｄ又はブリッジ部５０ｚの一部である。

連結部５０ｄにおいて、切欠き５７を形成したブリッジ部５０ｚの中央には、着色された樹脂で形成された着色部５４が形成されている。着色部５４は、ブリッジ部５０ｚを横断するように形成され、中央部材５０をＹＺ面に平行な面に関して横断するように形成されている。着色部５４は、中央部材５０内に埋め込むように形成されている導光阻止構造７１であり、可視域の光に対して光吸収性を有し、着色部５４に画像光が入射した場合、画像光は吸収されて減衰する。つまり、導光阻止構造７１としての着色部５４は、中央部材５０を介してその両端に設けた光学部材２１ａ，２１ｂの一方から他方に抜ける画像光を低減し阻止することができる。具体的には、着色部５４は、左側の光学部材２１ａから見た場合、中央部材５０の一端である光透過部５０ａ及び端部５０ｙから中央部材５０の他端である光透過部５０ｂ及び端部５０ｙへの光の入射を吸収によって抑制する。着色部５４は、右側の光学部材２１ｂから見た場合、中央部材５０の一端である光透過部５０ｂ及び端部５０ｙから中央部材５０の他端である光透過部５０ａ及び端部５０ｙへの光の入射を吸収によって抑制する。つまり、着色部５４は、第１の光学部材２１ａと第２の光学部材２１ｂとの間で光の通過を吸収によって抑制する。ここで、着色部５４は、連結部５０ｄを横断するように設けられており、光学部材２１ａ，２１ｂ間の直進光路を完全に遮断するものとなっている。中央部材５０に導光阻止構造７１としての着色部５４を設けることにより、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。着色部５４の光吸収率を高めることで、連結部５０ｄ又はブリッジ部５０ｚでの画像光の阻止効率を高めることができる。着色部５４は、連結部５０ｄを通過する可視光を完全に遮光するものである必要はない。着色部５４は、具体的実施例において黒色不透明に着色されているが、ＮＤフィルターのように、各波長域の光を均等に吸収するものであれば半透過性を有するものであってもよく、一部の波長の光を透過させやすい偏った特性を有するものであってもよい。

連結部５０ｄは、切欠き５７を形成したブリッジ部５０ｚにおいて上下の±Ｙ方向に関する厚みが減少しており、ブリッジ部５０ｚが光透過部５０ａ，５０ｂに比較して上側である−Ｙ側に相対的にシフトした形状を有する。つまり、連結部５０ｄの一部である横中間部５０ｊにおいて、光学部材２１ａ，２１ｂによる導光方向ＤＤ１に相当する±Ｘ方向（厳密には図４の±ｘ方向）に直交する上方向である−Ｙ方向に関する中央Ｃ３は、光学部材２１ａ，２１ｂの−Ｙ方向に関する中央Ｃ１，Ｃ２に対して上側にシフトした状態で配置されている。さらに、連結部５０ｄの光透過部５０ａ，５０ｂ側に設けた壁面５０ｗは、Ｒを設けた曲面からなる湾曲領域ＡＣで形成されている。壁面５０ｗは、複数の湾曲領域ＡＣからなり、全体的に湾曲している。これらの湾曲領域ＡＣに画像光が入射した場合、画像光は発散する作用を受けて拡散する。湾曲領域ＡＣは、第２透過面Ｓ５２に戻る画像光を拡散させて減光する。つまり、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。

図５Ｂを参照して、連結部５０ｄ又はブリッジ部５０ｚの形状について視点を変えて説明する。一点鎖線で示す連結部９５０ｄは、上下にバランスした形状を有する仮想的で標準的な比較例を示している。比較例の連結部９５０ｄの場合、上下にバランスした形状を有し、両端で中央に向けて上下方向又は±Ｙ方向に関する幅が徐々に減少し中央で上下方向の幅又は肉厚が一様となっている。ブリッジ部５０ｚの横中間部９５０ｊにおいて、第１方向としての−Ｙ方向に関する中央Ｃ０は、光学部材２１ａ，２１ｂの第１方向としての−Ｙ方向に関する中央Ｃ１，Ｃ２に対して、±Ｙ方向に関して同じ位置に配置されている。一方、実施形態の連結部５０ｄの場合、横中間部５０ｊの上下に関する中央Ｃ３は、光学部材２１ａ，２１ｂの上下に関する中央Ｃ１，Ｃ２と、上下にバランスした比較例の横中間部９５０ｊの上下に関する中央Ｃ０とに対して、上側である−Ｙ方向側に距離ＳＬだけシフトした状態で配置されている。実施形態の連結部５０ｄを構成するロッド状の本体部分５ａは、比較例の連結部９５０ｄを構成するロッド状の本体部分５ｘを上側である−Ｙ方向側にシフトさせたような形状及び配置となっている。以上のように本体部分５ｘを上側である−Ｙ方向側に適宜シフトさせることで、下側に切欠き５７が形成される。

切欠き５７は、図示のような台形状のものに限らず、例えば正面から見て三角形、四角形、半円形等の窪みとできる。切欠き５７の中央において、下面５０ｑは、ＸＺ面に平行である必要はなく、例えば内側又は−Ｚ側に傾斜した面とすることができる。

着色部５４を埋め込んだ連結部５０ｄを備える中央部材５０の作製方法について説明する。中央部材５０は、例えば２色成形と呼ばれる射出成形法を用いて形成される。具体的には、着色部５４に対応する型空間を有する成形型を準備し、この型空間に光吸収性を有する熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより、着色部５４が形成される。その後、光透過部５０ａ，５０ｂ等に対応する金型空間を拡張し、この拡張空間に光透過性を有する熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより、光透過部５０ａと遷移部５６ａとを有する部分と、光透過部５０ｂと遷移部５６ｂとを有する部分とが個別に形成される。この際、着色部５４に融着することで着色部５４に対して遷移部５６ａ，５６ｂが強固に接合され、中央部材５０が完成する。着色部５４の樹脂材料は、光透過部５０ａ，５０ｂの樹脂材料と同種類であるが、黒色の色素を添加したものとし、ガラス転移温度を上げるといった成形条件に差を設けたものとする。以上では、着色部５４を先に形成したが、光透過部５０ａと遷移部５６ａとを有する部分と、光透過部５０ｂと遷移部５６ｂとを有する部分とを先に成形してもよい。なお、着色部５４と遷移部５６ａ，５６ｂとの間に凹凸を組み合わせた嵌合部を設けて接合を強化することもできる。

中央部材５０については、着色部５４を射出成形等によって形成し、別途形成した光透過部５０ａと遷移部５６ａとを有する一方の部分と、別途形成した光透過部５０ｂと遷移部５６ｂとを有する他方の部分とを、接着剤等を利用して着色部５４に対して接着することによって形成することもできる。

図６は、図５Ａに示す透視型導光ユニット１００Ｃ又は中央部材５０の構造の変形例について説明する図である。この場合、中央部材５０のブリッジ部５０ｚは、光透過部５０ａ，５０ｂに対して上面５０ｔよりも上側の突出した突起部５８を有する。この場合も、ブリッジ部５０ｚの中央寄りには、着色された樹脂からなる着色部５４が形成されている。着色部５４は、導光阻止構造７１であり、可視域の光に対する光吸収性によって、光学部材２１ａ，２１ｂから入射した画像光を減衰させて通過を阻止する。

上記のように中央部材５０に突起部５８を設け、突起部５８の突起量を適宜設定することで、連結部５０ｄが薄くなって強度が低下することを防止できる。なお、連結部５０ｄの一部である横中間部５０ｊにおいて、光学部材２１ａ，２１ｂによる導光方向ＤＤ１に相当する±ｘ方向（図４参照）に直交する上方向すなわち−Ｙ方向に関する中央Ｃ３は、光学部材２１ａ，２１の−Ｙ方向に関する中央Ｃ１，Ｃ２に対して上側（−Ｙ方向）にシフトした状態で配置されている。

図７は、図５Ａに示す透視型導光ユニット１００Ｃ又は中央部材５０の構造の別の変形例について説明する図である。この場合、中央部材５０のブリッジ部５０ｚは、上下に切欠き５７，１５７を有している。この場合も、ブリッジ部５０ｚの中央には、着色された樹脂からなる着色部５４が形成されている。着色部５４は、導光阻止構造７１であり、可視域の光に対して光吸収性を有し、光学部材２１ａ，２１ｂから入射した画像光を減衰させて通過を阻止する。なお、連結部５０ｄの一部である横中間部５０ｊにおいて、光学部材２１ａ，２１ｂによる導光方向ＤＤ１に相当する±ｘ方向（図４参照）に直交する上方向すなわち−Ｙ方向に関する中央Ｃ３は、光学部材２１ａ，２１の−Ｙ方向に関する中央Ｃ１，Ｃ２と一致している。

図８は、図５Ａに示す透視型導光ユニット１００Ｃ又は中央部材５０の構造の別の変形例について説明する図である。この場合、中央部材５０のブリッジ部５０ｚにおいて、着色部１５４は、ブリッジ部５０ｚを部分的に横断するように形成されおり、図示の例では、連結部５０ｄの下面５０ｑから２／３程度の厚さまで形成されている。着色部１５４は、ブリッジ部５０ｚを完全に横断していないが、中央部材５０内に埋め込むように形成されている導光阻止構造７１である。着色部１５４は、中央部材５０を介して光学部材２１ａ，２１ｂの一方から他方に抜ける画像光を低減することができ、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。なお、着色部１５４は、連結部５０ｄの下面５０ｑ側に限らず連結部５０ｄの各部に形成することができ、例えば上面５０ｐ側に形成することもでき、下面５０ｑ及び上面５０ｐの双方に形成することもできる。着色部１５４の横方向の長さは本体部分５ｘの略全体に亘るようなものに限らず様々とできる。また、着色部１５４を分割して横方向の複数箇所に設けることもできる。

図９は、図５Ａに示す透視型導光ユニット１００Ｃ又は中央部材５０の構造の別の変形例について説明する図である。この場合、中央部材５０の連結部５０ｄが、光学部材２１ａ，２１ｂ及び光透過部５０ａ，５０ｂに比較して、前後方向である±Ｚ方向に厚くなっており、前面５５ａと裏面５５ｂとの間隔が広がっている。図中で一点鎖線は、第１実施形態での中央部材５０の厚みを示している。このように、連結部５０ｄの前後方向すなわち±Ｚ方向の厚みを増やすことで、連結部５０ｄの強度を高めることができ、中央部材５０を曲げ強度や撓み強度に関して補強することができる。

以上で説明した実施形態の導光装置２０すなわち透視型導光ユニット１００Ｃでは、中央部材５０が、一端である光透過部５０ｂ及び端部５０ｙから他端である光透過部５０ａ及び端部５０ｙへの光の入射を吸収によって抑制する導光阻止構造７１を有するので、一方の導光用の光学部材２１ａを透過した画像光が中央部材５０を伝搬して他方の導光用の光学部材２１ｂに抜けることを抑制することができ、中央部材５０の第１方向すなわち−Ｙ方向に関する厚みを薄くする必要性を低減して中央部材５０の強度を維持することが容易になる。

〔第２実施形態〕
以下、図１０を参照して、第２実施形態に係る導光装置及び虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の導光装置及び虚像表示装置は、第１実施形態の導光装置等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。

図示の導光装置２０において、中央部材５０の連結部５０ｄにおいてブリッジ部５０ｚの中央を横断するように、薄い着色層４５４が埋め込まれている。着色層４５４は、中央部材５０内に埋め込むように形成されている導光阻止構造７１である。着色層４５４は、例えば吸光性のフィルムであり、画像光が連結部５０ｄを通過する際に画像光を吸収して減光することができる。つまり、中央部材５０を介して光学部材２１ａ，２１ｂの一方から他方に抜ける画像光を低減することができ、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。着色層４５４は、画像光を減光するものに限らず、画像光を遮光するものであってもよい。

着色層４５４は、インサート成形の一種であるフィルムインサート成形等の技術を用いることでブリッジ部５０ｚ中に埋め込むことができる。具体的には、吸光性のフィルムを金型内に固定し、吸光性のフィルムで仕切られた金型空間の双方に光透過性を有する熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより、連結部５０ｄを含む中央部材５０が完成する。

着色層４５４は、図１０に示すようにブリッジ部５０ｚが上側にシフトした中央部材５０だけでなく、図７に示すようにブリッジ部５０ｚが上下にシフトしていない中央部材５０に対して埋め込むことができる。

着色層４５４は、ＮＤフィルターのように、各波長域の光を均等に吸収するものであれば半透過性を有するものであってもよく、一部の波長の光を透過させやすい偏った特性を有するものであってもよい。着色層４５４は、連結部５０ｄを完全に横断するものである必要はない。また、ブリッジ部５０ｚ内の複数箇所に着色層４５４を埋め込むこともできる。

〔第３実施形態〕
以下、図１１及び１２を参照して、第３実施形態に係る導光装置及び虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の導光装置及び虚像表示装置は、第１実施形態の導光装置等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。

図示の導光装置２０において、中央部材５０の連結部５０ｄの前面５５ａ、裏面５５ｂ、及び下面５０ｑ上には、導光阻止構造７１として光吸収体層６１が形成されている。光吸収体層６１は、中央部材５０の表面を局所的に覆うように形成され画像光を吸収する着色部分である。光吸収体層６１は、例えば吸光性の塗料を塗布、乾燥させることで形成される。中央部材５０の表面を部分的に覆うように光吸収体層６１を設けることで、画像光が連結部５０ｄを通過する際に画像光を吸収させて減光することができる。つまり、中央部材５０を介して光学部材２１ａ，２１ｂの一方から他方に抜ける画像光を低減することができ、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。特に、連結部５０ｄが段差状又はネック状に形成されたブリッジ部５０ｚを有する場合、画像光の通過阻止機能が高く、小面積の光吸収体層６１によって十分な遮光が可能になる。

光吸収体層６１は、連結部５０ｄの表面に遮光物質を塗布し或いは遮光フィルムを貼り付けることによって形成することもできる。インサート成形の一種であるフィルムインサート成形等の技術を用いることで、中央部材５０と一体化した光吸収体層６１を作製することもできる。また、光吸収体層６１は、連結部５０ｄの内部に埋め込むようなものであってもよく、例えば２色成形によって光吸収体を連結部５０ｄの内部に埋め込むことができる。

光吸収体層６１は、図１１に示すようにブリッジ部５０ｚが上側にシフトした中央部材５０だけでなく、図７に示すようにブリッジ部５０ｚが上下にシフトしていない中央部材５０に対して設けることができる。

〔第４実施形態〕
以下、図１３を参照して、第４実施形態に係る導光装置及び虚像表示装置について説明する。なお、第４実施形態の導光装置及び虚像表示装置は、第１実施形態の導光装置等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。

図示の導光装置２０において、中央部材５０の連結部５０ｄの前面５５ａ、下面５０ｑ等には、光散乱層６２が形成されている。光散乱層６２は、中央部材５０の表面を局所的に覆うように形成された導光阻止構造７１である。光散乱層６２は、画像光を散乱する微細な凹凸構造を有する拡散面であり、例えばシボ加工とすることができる。シボ加工は、成形時に金型によって転写することができる。中央部材５０の表面を部分的に覆うように光散乱層６２を設けることで、画像光が連結部５０ｄを通過する際に画像光を散乱させる。つまり、光散乱層６２に入射した画像光は、微小面積領域単位で不規則に射出方向が変化し、光散乱層６２によって意図しないゴースト光を減光することができる。中央部材５０を介して光学部材２１ａ，２１ｂの一方から他方に抜ける画像光を低減することができ、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。なお、図１３に示す光散乱層６２の配置やサイズは単なる例示であり、導光装置２０の仕様に応じて適宜変更することができる。特に、連結部５０ｄが段差状又はネック状に形成されたブリッジ部５０ｚを有する場合、画像光の通過阻止機能が高く、小面積の光散乱層６２によって十分な遮光が可能になる。

光散乱層６２は、図１３に示すようにブリッジ部５０ｚが上側にシフトした中央部材５０だけでなく、図７に示すようにブリッジ部５０ｚが上下にシフトしていない中央部材５０に対して設けることができる。

光散乱層６２は、ブリッジ部５０ｚの表面を覆うものに限らず、ブリッジ部５０ｚ内に埋め込むようなものとできる。また、ブリッジ部５０ｚ内の複数箇所に光散乱層６２を埋め込むこともできる。

〔第５実施形態〕
以下、図１４を参照して、第５実施形態に係る導光装置及び虚像表示装置について説明する。なお、第５実施形態の導光装置及び虚像表示装置は、第１実施形態の導光装置等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。

図示の導光装置２０において、中央部材５０の連結部５０ｄの光透過部５０ａ，５０ｂ側に設けた壁面５０ｗは、光透過部５０ａ，５０ｂから連結部５０ｄへの画像光の入射を阻止する役割を有する。壁面５０ｗは、Ｒを設けた曲面からなる湾曲領域ＡＣで形成されている。壁面５０ｗは、全体を湾曲させるため、凹凸が異なる複数の湾曲領域ＡＣからなる。湾曲領域ＡＣは、中央部材５０の表面を局所的に覆うように形成された導光阻止構造７１である。これらの湾曲領域ＡＣに画像光が入射した場合、画像光は発散する作用を受けて拡散する。つまり、壁面５０ｗに入射した画像光は、湾曲領域ＡＣで集光作用又は発散作用を受ける。一旦集光作用を受けた画像光も、最終的には発散した状態となる。湾曲領域ＡＣは、画像光が連結部５０ｄを通過する際に画像光を不規則に発散させて、意図しないゴースト光を減光する。つまり、中央部材５０を介して光学部材２１ａ，２１ｂの一方から他方に抜ける画像光を低減することができ、ゴースト形成に寄与する画像光を低減することができる。湾曲領域ＡＣは、壁面５０ｗの周辺に限らず、連結部５０ｄの各所に形成することができ、この場合、連結部５０ｄでの画像光の阻止効率をさらに高めることができる。湾曲領域ＡＣは、ＸＹ断面で湾曲するものに限らず、ＸＺ断面でも湾曲するようなものとできる。

湾曲領域ＡＣは、連結部５０ｄの遷移部５６ａ，５６ｂに形成される壁面５０ｗの全体に形成するものに限らず、壁面５０ｗの一部に形成してもよい。また、湾曲領域ＡＣは、連結部５０ｄの本体部分５ａの一部又は全体に形成するものであってもよい。湾曲領域ＡＣは、連結部５０ｄの強度を大きく低下させるものでなければ、連結部５０ｄの内側から見て凹面及び凸面のいずれであってもよい。湾曲領域ＡＣは、例えば屈折率差がある湾曲した界面を連結部５０ｄ内に形成することによって、連結部５０ｄに埋め込むこともできる。

〔変形例及びその他の事項〕
以上で説明した第１実施形態では、ブリッジ部５０ｚの中央に着色部５４を設けていたが、着色部５４を設ける箇所は、中央に限らず、形状も、四角柱状に限らず様々な形状とできる

上記実施形態では、中央部材５０の連結部５０ｄが光学部材２１ａ，２１ｂに対して上側にシフトしていたが、連結部５０ｄを光学部材２１ａ，２１ｂに対して前方斜め上側つまり−Ｙ＋Ｚ方向にシフトさせることもできる。

ハーフミラー１５については、体積ホログラムやその他のホログラム素子で構成することもでき、回折素子で構成することもできる。

上記実施形態の虚像表示装置１００では、映像形成デバイス８０として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示素子を用いているが、これに代えて、レーザー光源とポリゴンミラー等である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。

本発明の具体的な側面において、中央部材は、導光阻止構造として着色されている着色部を有する。画像光は着色部分で吸収されゴースト形成に寄与しなくなる。

本発明のさらに別の側面において、着色部は、２色成形によって形成される。この場合、中央部材の成形に際して着色部を形成できる。

本発明のさらに別の側面において、着色部は、インサート成形によって形成される。この場合、中央部材の成形に際して着色部を形成できる。

本発明のさらに別の側面において、着色部は、中央部材を横断するように形成されている。この場合、中央部材の一端から他端への画像光の通過が完全に遮断される。

本発明のさらに別の側面において、中央部材は、導光阻止構造として拡散面が形成されている部分を有する。画像光は拡散面で発散しゴースト形成に寄与しなくなる。

本発明のさらに別の側面において、中央部材は、導光阻止構造として曲面が形成されている部分を有する。画像光は曲面を経て発散しゴースト形成に寄与しなくなる。

本発明のさらに別の側面において、導光阻止構造は、中央部材内に埋め込むように形成されている。

本発明のさらに別の側面において、導光阻止構造は、中央部材の表面を局所的に覆うように形成されている。

本発明のさらに別の側面において、中央部材の一部の軸は、一対の光学部材の軸に対して所定方向にシフトした状態で配置されている。

本発明のさらに別の側面において、中央部材の一部において、射出瞳を想定した上下方向に関する中央は、一対の光学部材の上下方向に関する中央に対して上側にシフトした状態で配置されている。この場合、中央部材の一部が上側にシフトする結果として中央部材の下側に切欠きが形成され、この切欠きが鼻を挿入する空間となって、導光装置の小型化に寄与する。

本発明のさらに別の側面において、中央部材は、下側に一対の光学部材よりも窪んだ切欠きを有する。

本発明のさらに別の側面において、中央部材の一部は、一対の光学部材よりも前後方向に厚い。この場合、中央部材を曲げ強度や撓み強度に関して補強することができる。

本発明の一側面における導光装置は、第１の光学部材と、第２の光学部材と、光透過性を有する中央部材と、を有する導光装置であって、第１の光学部材は、第１の導光部と、第１の導光部に画像光を入射させる第１の光入射部と、第１の導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる第１の光射出部とを有し、第２の光学部材は、第２の導光部と、第２の導光部に画像光を入射させる第２の光入射部と、第２の導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる第２の光射出部とを有し、第１の光学部材と第２の光学部材は、中央部材により連結され、中央部材は、中央部材の一端から他端への光の入射を吸収、散乱、又は発散によって抑制する導光阻止構造を有する。

本発明の一側面における虚像表示装置は、上述した導光装置と、導光装置に導かれる画像光を形成する像形成本体部とを備え、一対の光学部材と中央部材との間に形成された一対のハーフミラーで反射した画像光を射出瞳に導く。

ＡＣ…湾曲領域、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…中央、ＣＮ…接合部、ＣＸ１，ＣＸ２…中心軸、ＤＤ１…導光方向、ＥＡ…有効領域、ＥＰ…射出瞳、ＧＬ…画像光、ＯＬ…外界光、Ｓ１１-Ｓ１５…面、Ｓ５１-Ｓ５３…透過面、１０ａ，１０ｂ…導光部材、１５…ハーフミラー、１５ａ…上端、２０…導光装置、２０ａ…光入射部、２０ｂ…光射出部、２０ｃ…導光部、２１ａ，２１ｂ…光学部材、３０…投射レンズ、５０…中央部材、５０ａ，５０ｂ…光透過部、５０ｄ…連結部、５０ｊ…横中間部、５０ｐ…上面、５０ｑ…下面、５０ｔ…上面、５０ｕ…下面、５０ｗ…壁面、５０ｚ…ブリッジ部、５４，１５４…着色部、５６ａ，５６ｂ…遷移部、５７…切欠き、５８…突起部、６１…光吸収体層、６２…光散乱層、７１…導光阻止構造、８０…映像形成デバイス、１００…虚像表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、１００Ｃ…透視型導光ユニット、１０１ａ，１０１ｂ…虚像形成光学部、１０５ａ，１０５ｂ…像形成本体部

Claims (15)

1. 一対の導光部と、前記一対の導光部に画像光をそれぞれ入射させる一対の光入射部と、前記一対の導光部によって導かれた画像光を外部にそれぞれ射出させる一対の光射出部とを有する導光装置であって、
   前記一対の導光部を含む一対の光学部材は、中央部材により連結され、
   前記中央部材は、前記中央部材の一端から他端への光の入射を吸収、散乱、又は発散によって抑制する導光阻止構造を有する、導光装置。
2. 前記中央部材は、前記導光阻止構造として着色されている着色部を有する、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記着色部は、２色成形によって形成される、請求項２に記載の導光装置。
4. 前記着色部は、インサート成形によって形成される、請求項２に記載の導光装置。
5. 前記着色部は、前記中央部材を横断するように形成されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載の導光装置。
6. 前記中央部材は、前記導光阻止構造として拡散面が形成されている部分を有する、請求項１に記載の導光装置。
7. 前記中央部材は、前記導光阻止構造として曲面が形成されている部分を有する、請求項１に記載の導光装置。
8. 前記導光阻止構造は、前記中央部材内に埋め込むように形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の導光装置。
9. 前記導光阻止構造は、前記中央部材の表面を局所的に覆うように形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の導光装置。
10. 前記中央部材の一部の軸は、前記一対の光学部材の軸に対して所定方向にシフトした状態で配置されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の導光装置。
11. 前記中央部材の一部において、射出瞳を想定した上下方向に関する中央は、前記一対の光学部材の前記上下方向に関する中央に対して上側にシフトした状態で配置されている、請求項１０に記載の導光装置。
12. 前記中央部材は、下側に前記一対の光学部材よりも窪んだ切欠きを有する、請求項１１に記載の導光装置。
13. 前記中央部材の前記一部は、前記一対の光学部材よりも前後方向に厚い、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の導光装置。
14. 第１の光学部材と、
    第２の光学部材と、
    光透過性を有する中央部材と、
    を有する導光装置であって、
    前記第１の光学部材は、第１の導光部と、前記第１の導光部に画像光を入射させる第１の光入射部と、前記第１の導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる第１の光射出部とを有し、
    前記第２の光学部材は、第２の導光部と、前記第２の導光部に画像光を入射させる第２の光入射部と、前記第２の導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる第２の光射出部とを有し、
    前記第１の光学部材と前記第２の光学部材は、前記中央部材により連結され、
    前記中央部材は、前記中央部材の一端から他端への光の入射を吸収、散乱、又は発散によって抑制する導光阻止構造を有する、導光装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の導光装置と、
    前記導光装置に導かれる前記画像光を形成する像形成本体部とを備え、
    前記一対の光学部材と前記中央部材との間に形成された一対のハーフミラーによって前記画像光を反射して射出瞳に導く、虚像表示装置。

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