JP2021128344A - 導光板、画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】鉛フリーガラスを使用しつつも、画像の色再現性、鮮明度に優れ、軽量で、かつ広い視野角を得ることが可能な画像表示装置用の導光板を提供すること。
【解決手段】画像表示素子から入射した画像光を導光して使用者の瞳に向かって出射する画像表示装置用の導光板が、画像光の波長に対して屈折率１．８以上の鉛フリーガラスからなり、板厚１０ｍｍにおける波長４００ｎｍの内部透過率が、０．６以上である導光部と、導光部によって導光された画像光を回折して使用者の瞳に向けて出射する第１光学素子と、画像表示素子から入射する画像光を回折して導光部に入射させる第２光学素子と、を備え、第１光学素子及び第２光学素子が、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、又はＴａ２Ｏ５の少なくともいずれか１つを含む材料から形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に用いられる導光板と、これを用いた画像表示装置に関する。
近年、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、ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display）が実用に供されている。
ヘッドマウントディスプレイは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のヘッドマウントディスプレイは、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。また、非透過型のヘッドマウントディスプレイは、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。
このようなヘッドマウントディスプレイは、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１のヘッドマウントディスプレイは、画像を表示する表示装置と、表示素子に表示された画像が入射される導光部材と、入射された画像を導光部材内部で全反射させて使用者の瞳に向かって伝搬する伝搬手段とを備えている。そして、所定の視野角が得られるように、屈折率約１．７の硝材によって導光部材を形成している。
特開２０１０−２４３７８７号公報
特許文献１に記載されている、ヘッドマウントディスプレイの導光部材によれば、視野角１０．０ｄｅｇ程度の画像を得ることが可能となるが、ＶＲの用途においては、さらに広い視野角で、かつ色再現性の優れたものが求められている。また、ＡＲの用途においては、さらに小型、軽量のものが求められており、導光部材については、薄型化を図ることが求められている。
また、近年、環境保護、資源の有効活用の観点から、導光部材については、無鉛化の要請もある。
また、ヘッドマウントディスプレイにおいては、鮮明度の高い画像が求められており、それを可能にする導光部材が求められている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鉛フリーガラスを使用しつつも、画像の色再現性、鮮明度に優れ、軽量で、かつ広い視野角を得ることが可能な画像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ等）用の導光板と、この導光板を使用した画像表示装置を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の導光板は、画像表示素子から入射した画像光を導光して使用者の瞳に向かって出射する画像表示装置用の導光板であって、画像光の波長に対して屈折率１．８以上の鉛フリーガラスからなり、板厚１０ｍｍにおける波長４００ｎｍの内部透過率が、０．６以上である導光部と、導光部によって導光された画像光を回折して使用者の瞳に向けて出射する第１光学素子と、画像表示素子から入射する画像光を回折して導光部に入射させる第２光学素子と、を備え、第１光学素子及び第２光学素子が、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、又はＴａ２Ｏ５の少なくともいずれか１つを含む材料から形成されていることを特徴とする。
このような構成の導光板によれば、色再現性に優れ、薄型軽量で、かつ広い視野角の画像表示装置を構成することが可能となる。また、第１光学素子及び第２光学素子が屈折率の高い材料から形成されているため、回折効率が高く、鮮明度の高い画像が得られる。
また、第１光学素子及び第２光学素子を形成する材料が、鉛フリーガラスの屈折率よりも高い屈折率を有していることが望ましい。
また、導光部は、互いに対向する第１面と第２面とを有し、第１面と第２面の平行度が２０ arc seconds 以下となるように構成することが望ましい。また、この場合、第１面から第２面までの距離の最大値と最小値の差が、５μｍ以下となるように構成することが望ましい。
また、導光部は、板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光をｘｙ色度図で表現したときに、ｘの色度が０．３１〜０．３４であり、ｙの色度が０．３３〜０．３６であることが望ましい。
また、導光部の板厚が、０．５〜１．０ｍｍであることが望ましい。
また、別の観点からは、本発明の画像表示装置は、照明光を出射する光源と、光源からの照明光を受けて画像光を出力する画像表示素子と、画像表示素子から入射した画像光を導光して使用者の瞳に向かって出射する上記いずれかの導光板と、を備えることを特徴とする。
以上のように、本発明によれば、鉛フリーガラスを使用しつつも、画像の色再現性、鮮明度に優れ、軽量で、かつ広い視野角を得ることが可能な画像表示装置用の導光板を実現することができる。また、この導光板を使用した画像表示装置を実現することができる。
本発明の実施形態に係る導光板を用いたヘッドマウントディスプレイの構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る導光板を用いたヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す側面図である。 本発明の実施例１に係る導光板の特性を示すグラフである。 本発明の実施例１に係る導光板を用いたヘッドマウントディスプレイのシミュレーションモデルを示す図である。 本発明の実施例２に係る導光板の特性を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰り返さない。
図１は、本発明の実施形態に係る導光板１０を用いた、ヘッドマウントディスプレイ１（以下、「ＨＭＤ１」と略記する。）の構成を示す図であり、図１（ａ）は、正面側斜視図であり、図１（ｂ）は、背面側斜視図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、使用者の頭部に装着される眼鏡型フレーム２の正面部には、眼鏡レンズ３が取り付けられる。眼鏡型フレーム２の取付部２ａには、画像を照明するためのバックライト４が取り付けられる。眼鏡型フレーム２のツル部分には、画像を映し出すための信号処理機器５、及び音声を再生するスピーカー６が設けられている。導光板１０は、矩形薄板状の光学部品であり、信号処理機器５の回路から引き出された配線を構成するＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）７が、眼鏡型フレーム２に沿って配線されている。表示素子ユニット（例えば液晶表示素子）２０は、ＦＰＣ７によって使用者の両眼中央位置まで配線され、かつバックライト４の光軸線上に表示素子ユニット２０の略中心部が配置するように保持される。表示素子ユニット２０は、導光板１０の略中央部に位置するように、導光板１０に対して相対的に固定される。また、使用者の眼前に位置する箇所にはＨＯＥ（Holographic Optical Element）３２Ｒ、３２Ｌ（第１光学素子）が、それぞれ接着等により導光板１０の第１面１０ａ上に密着固定されている。導光板１０を挟んで表示素子ユニット２０と対向する位置には、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌが導光板１０の第２面１０ｂ上に積層されている。
図２は、本実施形態のＨＭＤ１の構成を模式的に示す側面図である。なお、図２においては、図面を明瞭化するため、発明の主要部のみを示しており、眼鏡型フレーム２等は図示省略している。図２に示すように、ＨＭＤ１は、画像表示素子２４と導光板１０の中心を結ぶ中心線Ｘを挟み左右対称の構造を有している。また、画像表示素子２４から導光板１０に入射された各波長の光は、後述するように二分割されて使用者の右眼、左眼のそれぞれに導光される。各眼に導光される各波長の光の光路も中心線Ｘを挟み略左右対称である。
図２に示すように、バックライト４は、レーザ光源２１、拡散光学系２２、およびマイクロレンズアレイ２３を有する。表示素子ユニット２０は、画像表示素子２４を有する画像生成ユニットであり、例えばフィールドシーケンシャル（Field Sequential）方式で駆動する。レーザ光源２１は、Ｒ（波長４３６ｎｍ）、Ｇ（波長５４６ｎｍ）、Ｂ（波長６３３ｎｍ）の各波長に対応したレーザ光源を有し、各波長の光を高速で順次照射する。各波長の光は、拡散光学系２２、マイクロレンズアレイ２３に入射され、光量ムラのない均一な高指向性の平行光束に変換されて、画像表示素子２４の表示パネル面に垂直に入射される。
画像表示素子２４は、例えばフィールドシーケンシャル方式で駆動する透過型液晶（LCD T-LCOS）パネルである。画像表示素子２４は、各波長の光に、信号処理機器５の画像エンジン（不図示）が生成する画像信号に応じた変調をかける。画像表示素子２４の有効領域の画素で変調された各波長の光は、所定の光束断面（該有効領域と略同じ形状）をもって導光板１０に入射される。なお、画像表示素子２４は、例えばＤＭＤ（Digital Mirror Device）や反射型液晶（LCOS）パネル、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）、無機ＥＬ等の他の形態の表示素子に置換することも可能である。
なお、表示素子ユニット２０は、フィールドシーケンシャル方式の表示素子に限らず、同時式の表示素子（射出面前面に所定の配列のＲＧＢカラーフィルタを有する表示素子）の画像生成ユニットとしてもよい。この場合、光源には、例えば白色光源が使用される。
図２に示すように、画像表示素子２４により変調された各波長の光は、第１面１０ａから導光板１０内部に順次入射される。導光板１０の第２面１０ｂ上には、ＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌ（第２光学素子）が積層されている。ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、例えば矩形状を有する反射型の体積位相型ＨＯＥであって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーを三枚積層した構成を有する。すなわち、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光を回折しそれ以外の波長の光を透過する波長選択機能を有するように構成されている。
また、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーとしてもよい。
また、二層のフォトポリマーによりＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌを構成し、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する波長選択機能を付与することも可能である。例えば、Ｒ、Ｇの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーと、Ｂの波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーの計二層によりＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌを構成することが考えられる。なお、ＨＯＥ３２Ｒおよび３２Ｌも反射型の体積位相型ＨＯＥであり、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌと同一の層構造を有する。ＨＯＥ３２Ｒおよび３２Ｌと５２Ｒおよび５２Ｌは、例えば干渉縞パターンのピッチが略同一であってもよい。
ＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌは、互いの中心が一致し、かつ干渉縞パターンが１８０（ｄｅｇ）反転された状態で積層されている。そして、積層された状態でその中心が中心線Ｘと一致するように導光板１０の第２面１０ｂ上に接着等により密着固定されている。ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌには、画像表示素子２４により変調された各波長の光が導光板１０を介して順次入射される。
ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌはそれぞれ、順次入射される各波長の光を右眼、左眼に導くため所定の角度を付与して回折する。ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌにより回折された各波長の光はそれぞれ、導光板１０と空気との界面で全反射を繰り返して導光板１０内部を伝搬しＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌに入射される。ここで、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、各波長の光に同一の回折角を付与する。そのため、導光板１０に対する入射位置が略同一の（あるいは別の表現によれば、画像表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された）全ての波長の光は、導光板１０内部の略同一の光路を伝搬して、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上の略同位置に入射する。別の観点によれば、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、画像表示素子２４の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係がＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上で忠実に再現されるようにＲＧＢの各波長の光を回折する。
このように本実施形態においては、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、それぞれ、画像表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された全ての波長の光をＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上の略同位置に入射させるように回折する。一方、別の実施形態においては、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、画像表示素子２４の有効領域内で相対的にずらされた本来同一画素をなす全ての波長の光をＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上の略同位置に入射させるように回折するように構成されてもよい。
ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上に入射された各波長の光は、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌにより回折されて導光板１０の第２面１０ｂから外部に略垂直に順次射出される。このように略平行光として射出された各波長の光はそれぞれ、画像表示素子２４により生成された画像の虚像Ｉとして使用者の右眼網膜、左眼網膜に結像する。また、使用者が拡大画像の虚像Ｉを観察できるように、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌにコンデンサ作用を付与してもよい。すなわち、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌの周辺領域に入射された光ほど瞳の中心に寄るように角度をもって射出され使用者の網膜に結像するようにしてもよい。あるいは、使用者に拡大画像の虚像Ｉを観察させるために、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ上での画素位置関係が画像表示素子２４の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係に対して拡大された相似形状をなすようにＲＧＢの各波長の光を回折するようにしてもよい。
なお、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌを形成する材料としては、空気の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を使用することが好ましい。ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌにこのような材料を使用することで、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌの回折効率を効果的に向上させることができる。また、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌを形成する材料の屈折率は、導光板１０を形成する材料の屈折率よりも高いことがより好ましい。ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌにこのような材料を使用することにより、回折効率を高めるとともに、画像の鮮明度を効果的に向上させることができる。ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌを形成する材料としては、例えば、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ５、Ｔａ２Ｏ5のうち1つ以上を含む材料を用いることができる。
このように、ＲＧＢの各波長の光は使用者の網膜上に高速で順次結像されるため、使用者は、画像表示素子２４による生成画像をカラー画像として認識することとなる。なお、使用者の眼と画像表示素子２４との実際の距離は数十ｍｍ程度に過ぎない。しかし、各波長の光は略平行光として眼球に入射されるため、使用者は、無限遠視したときに画像表示素子２４による生成画像を明瞭に視認することができる。また、体積位相型の反射型ＨＯＥであるＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは回折効率の半値幅が狭く外界像の光の透過率が高い。そのため、使用者は、外界像を画像表示素子２４の表示画像と共に明瞭に観察することができる。
なお、本実施形態においては、右眼用、左眼用の表示素子を別個に備えること無く単板の画像表示素子２４を備える構成が採用されている。このため、製造コストダウン等の効果が得られる。また、共通の物点からの光（すなわち単板の画像表示素子２４の画像）を左右で同じ光路長を経て使用者の各眼に導光している。このため、使用者の各眼に対して同期した画像を入射させることができる。
上述のような本実施形態の構成においては、導光板１０内を進む光の空気換算光路長が、屈折率が高いほど短くなるため、屈折率が高いほど画像表示素子２４の幅に対する見かけの視野角が大きくなる。そこで、本実施形態においては、視野角を大きくするため（つまり、画像表示素子２４の虚像Ｉに対する視野角θｖが、例えば１３．５ｄｅｇ以上となるように）、導光板１０には、ＲＧＢの各波長において屈折率が１．８以上の、板厚０．５〜１．０ｍｍの高屈折率鉛フリーガラスが用いられている。なお、導光板１０の屈折率は高ければ高いほど望ましく、１．９５以上であることが好ましい。
導光板１０に、このような高屈折率鉛フリーガラスを用いる場合、ガラスを構成する各成分の望ましい組成範囲は、以下の通りである。
ＳｉＯ２：０〜３５％
Ｂ２Ｏ３：０〜５５％
ＺｎＯ：０〜３５％
Ｙ２Ｏ３：０〜４０％
ＺｒＯ２：０〜３０％
ＴｉＯ２：０〜２０％
なお、各成分の含有率は、全て酸化物換算組成のガラス全質量に対する質量％で示すものである。ここで、酸化物換算組成とは、本発明のガラス構成成分の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が熔融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総質量を１００質量％として、ガラス中に含有される各成分を表記した組成である。
ＳｉＯ２は、ガラスの基本構造を構成する成分であり、０％以上含有することで、ガラスの安定性を向上させ、かつ、熔融ガラスの成形に適した粘度を維持しやすくなる。３５％より多いと屈折率が低下したり、液相温度やガラス転移温度が上昇するため、０〜３５％が好適である。また、ＳｉＯ２の含有率は、１〜２５％がより好ましく、１〜１５％がさらに好ましい。
Ｂ２Ｏ３は、ガラスに低分散特性を付与する網目形成酸化物である。０％以上含有することで、ガラスの安定性と、化学的耐久性を向上させることができる。５５％より多いと屈折率が低下するため、０〜５５％が好適である。また、Ｂ２Ｏ３の含有率は、１〜４５％がより好ましく、１〜４０％がさらに好ましい。
ＺｎＯは、高屈折率を維持しつつ、低分散特性を付与する成分である。０％以上含有することで、ガラスの溶融温度、液相温度及び転移温度を効果的に低下させることができる。３５％より多いと失透し易く、化学的耐久性が低下するため、０〜３５％が好適である。また、ＺｎＯの含有率は、０．５〜２５％がより好ましく、１〜２０％がさらに好ましい。
Ｙ２Ｏ３は、高屈折率を維持しつつ、低分散特性を付与する成分である。０％以上含有することで、ガラスの安定性と、化学的耐久性を向上させることができる。４０％より多いと失透し易くなり、また、ガラス転移温度や屈伏点温度が上昇するため、０〜４０％が好適である。また、Ｙ２Ｏ３の含有率は、０〜２０％がより好ましく、０．１〜８％がさらに好ましい。
ＺｒＯ２は、光学恒数を調整すると共に、ガラスの安定性及び耐候性を向上させる成分である。０％以上含有することで、ガラスの安定性を向上させることができる。３０％より多いとガラスの安定性が低下し、分散の増加を招くため、０〜３０％が好適である。また、ＺｒＯ２の含有率は、０．５〜１５％がより好ましく、１〜１０％がさらに好ましい。
ＴｉＯ２は、ガラス構造の修飾剤としての役目を果たす成分である。０％以上含有することで、ガラスの屈折率を高めると共に、ガラスの安定性を向上させることができる。２０％より多いと分散の増加、熱安定性の低下、液相温度の上昇、着色度の悪化を招くため、０〜２０％が好適である。また、ＴｉＯ２の含有率は、１〜１８％がより好ましく、１〜１５％がさらに好ましい。
また、本実施形態の導光板１０は、ＲＧＢの各波長の光を、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌに確実に導光するため、第１面１０ａと第２面１０ｂの平行度が高いものほど好ましい。そこで、本実施形態の導光板１０は、第１面１０ａと第２面１０ｂの平行度が２０ arc seconds 以下となるように加工されている。なお、第１面１０ａと第２面１０ｂの平行度は、１０ arc seconds 以下であることが好ましく、５ arc seconds 以下であることがより好ましい。なお、第１面１０ａと第２面１０ｂの平行度が２０ arc seconds よりも大きくなると、ＲＧＢの各波長の光を、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌに正確に導光できなくなる。
このように、本実施形態の導光板１０は、ＲＧＢの各波長において屈折率が１．８以上の高屈折率鉛フリーガラスが用いられているため、薄型軽量で、かつ広い視野角θｖ（例えば：１３．５ｄｅｇ以上）のＨＭＤ１を構成することが可能となっている。
また、本実施形態の導光板１０は、ＲＧＢの各波長の光を正確に導光するため（つまり、正確に色を再現するため）、ＲＧＢの各波長の透過率が高いものほど好ましい。特に、Ｂの波長は、４００〜５００ｎｍの波長域に属し、Ｂの成分が減少すると、表示画像（虚像Ｉ）全体が黄ばんだものとなるため、Ｂの成分が減少しないように構成することが望ましい。そこで、本実施形態の導光板１０には、板厚１０ｍｍにおける波長４００ｎｍの内部透過率が０．６以上の硝材を用いている。なお、内部透過率は高ければ高いほど望ましく、０．６５以上であることが好ましく、０．７０以上であることがより好ましい。
また、本実施形態の導光板１０には、画像表示素子２４によるカラー画像を忠実に再現するために、ＲＧＢの各波長の光を正確に（バランスよく）導光することが求められる。一般に、標準光源Ｄ６５の１０度視野におけるｘｙ色度座標は、ｘ：０．３１３８、ｙ：０．３３１０であるが、導光板１０に吸収がある場合には、この座標からズレが生じるため、使用者の色感も異なることとなる。そこで、本実施形態の導光板１０には、板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光をｘｙ色度図（座標）で表現したときに、ｘ：０．３１〜０．３４、ｙ：０．３３〜０．３６となる硝材を用いている。なお、ｘは、０．３１〜０．３３であることが好ましく、０．３１〜０．３２であることがより好ましい。また、ｙは、０．３３〜０．３５であることが好ましく、０．３３〜０．３４であることがより好ましい。なお、ｘ：０．３１〜０．３４の範囲を超えた場合、あるいはｙ：０．３３〜０．３６の範囲を超えた場合は、表示画像（虚像Ｉ）の着色が大きくなり、使用者は、色感が大きく異なる表示画像（虚像Ｉ）を観察することとなる。
また、本実施形態の導光板１０は、ＲＧＢの各波長の光を正確に導光し、にじみの少ない画像を得るため、平坦度が高いものほど好ましい。そこで、本実施形態の導光板１０は、導光板１０の厚み（つまり、第１面１０ａと第２面１０ｂの距離）の最大値と最小値の差（つまり、ＴＴＶ（Total Thickness Variation））が、５μｍ以下となるように研磨加工されている。なお、平坦度（つまり、ＴＴＶ）は、２μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることがより好ましい。なお、ＴＴＶが、５μｍを超えると、使用者が観察する表示画像（虚像Ｉ）は、にじみが多いものとなる。
次に、導光板１０の具体的な実施例を示す。なお、本発明の導光板１０は、本実施例に限定されるものではない。
硝材として、ＨＯＹＡ株式会社製の「ＴＡＦＤ５５」を用いて、それを長さ５０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍに加工して、導光板１０を得た。主な特性は、以下の通りである。
屈折率（＠４３６ｎｍ）：２．０４６００
屈折率（＠５４６ｎｍ）：２．００９１２
屈折率（＠６３３ｎｍ）：１．９９４０６
第１面１０ａと第２面１０ｂの平行度：１５ arc seconds
平坦度（ＴＴＶ）：５μｍ
板厚１０ｍｍにおける波長４００ｎｍの内部透過率：０．７４９
板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光の色度：ｘ＝０．３１８７、ｙ＝０．３３８５
なお、「ＴＡＦＤ５５」の組成は、以下の通りである。
ＳｉＯ２：１〜１０％
Ｂ２Ｏ３：１〜１０％
ＺｎＯ：０〜１０％
Ｙ２Ｏ３：０〜１％
ＺｒＯ２：１〜１０％
また、図３は、本実施例の特性を示すグラフであり、図３（ａ）は、板厚１０ｍｍにおける分光特性であり、図３（ｂ）は、板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光の色度図である。
このようにして得られた導光板１０を、ＨＭＤ１に組み込み、アイポイントの位置で画像を評価したところ、広い視野角で、高輝度かつ高コントラストな画像を観察することができた。
表１は、本実施例の導光板１０をＨＭＤ１に組み込んだときの、視野角をシミュレーションしたときの、各パラメータとその結果（つまり、視野角θｖ）を示す表である。また、図４は、シミュレーションモデルを示す図であり、図４に示す各パラメータは、表１のパラメータに対応している。
Figure 2021128344
図４に示すように、本シミュレーションモデルにおいては、ＲＧＢの各波長の光（図４中の破線）がＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌに入射し、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌの内部で、回折角θ'Ｄ（８５．０°）で回折され、光線角度θ'ｉ（６１．２°）で導光板１０に入射するものとしている（図４（ａ））。そして、導光板１０に入射したＲＧＢの各波長の光は、導光板１０（厚さ：ｔ＝１．０ｍｍ、屈折率：２．０４６００）内で所定回数（１５回）反射され、使用者の瞳に向けて出射されるものとしている（図４（ｂ））。そして、この場合の視野角θｖは、瞳位置ＰとＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌとの位置関係によって定まり、図４（ｃ）に示すように、瞳位置Ｐから空気換算光路長＋付加光路長（ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌから瞳までの距離）だけ離れた位置に配置されたＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌの両端と、瞳位置Ｐとのなす角度として表すことができる。そして、表１の各パラメータを用いて計算すると、本実施例の導光板１０を組み込んだＨＭＤ１の視野角θｖは、１４．７ｄｅｇとなった（表１参照）。このように、本実施例の導光板１０によれば、従来構成のＨＭＤと比較して、広い視野角が得られているのがわかる。
硝材として、ＨＯＹＡ株式会社製の「ＴＡＦＤ６５」を用いて、それを長さ５０ｍｍ×幅２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍに加工して、導光板１０を得た。主な特性は、以下の通りである。
屈折率（＠４３６ｎｍ）：２．１０２２６
屈折率（＠５４６ｎｍ）：２．０６０１１
屈折率（＠６３３ｎｍ）：２．０４３０５
第１面１０ａと第２面１０ｂの平行度：１５ arc seconds
平坦度（ＴＴＶ）：５μｍ
板厚１０ｍｍにおける波長４００ｎｍの内部透過率：０．６０９
板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光の色度：ｘ＝０．３２２７、ｙ＝０．３４４０
なお、「ＴＡＦＤ６５」の組成は、以下の通りである。
ＳｉＯ２：１〜１０％
Ｂ２Ｏ３：１〜１０％
ＺｎＯ：０〜１％
Ｙ２Ｏ３：０〜１％
ＺｒＯ２：１〜１０％
ＴｉＯ２：１０〜２０％
また、図５は、本実施例の特性を示すグラフであり、図５（ａ）は、板厚１０ｍｍにおける分光特性であり、図５（ｂ）は、板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光の色度図である。
このようにして得られた導光板１０を、ＨＭＤ１に組み込み、アイポイントの位置で画像を評価したところ、広い視野角で、高輝度かつ高コントラストな画像を観察することができた。
表２は、本実施例の導光板１０をＨＭＤ１に組み込んだときの、視野角をシミュレーションしたときの、各パラメータとその結果（つまり、視野角θｖ）を示す表である。なお、シミュレーションモデルは、図４を示すものと同一である。
Figure 2021128344
表１のシミュレーションと同様、表２の各パラメータを用いてシミュレーションを行うと、本実施例の導光板１０を組み込んだＨＭＤ１の視野角θｖは、１５．９ｄｅｇとなった。このように、本実施例の導光板１０によれば、従来構成のＨＭＤと比較して、広い視野角が得られているのがわかる。
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、各実施形態の構成および具体的数値構成等に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。
ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌは、例えば透過型ＨＯＥであってもよい。かかる場合、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは、例えば表示素子ユニット２０に対向する導光板１０の第１面１０ａ上に積層された状態で密着固定され、表示素子ユニット２０からの各波長の光を導光板１０内部で全反射させてＨＯＥ３２Ｒ又は３２Ｌに伝搬されるように回折する。ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは、例えば使用者の瞳に対向する導光板１０の第２面１０ｂ上に密着固定され、導光板１０内部を伝搬された各波長の光を使用者の瞳に向かって回折する。
また、本実施形態のＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌは、フォトポリマーによって形成されるものとして説明したが、このような構成に限定されるものではなく、例えば、導光板１０の表面上に光学薄膜を蒸着することによって形成することもできる。
また、表示素子ユニット２０が有するレーザ光源２１は、例えばＲ、Ｇ、Ｂの各波長の光を高速で順次照射するＬＥＤ又はＬＤ（半導体レーザ）バックライトとしてもよい。
また、本実施形態においては、表示素子ユニット２０が導光板１０の第１面１０ａ側に配置され、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌが導光板１０の第２面１０ｂ側に配置されるものとして説明したが、このような構成に限定されるものではなく、例えば、表示素子ユニット２０を導光板１０の第２面１０ｂ側に配置し、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌを導光板１０の第１面１０ａ側に配置することもできる。
１ ＨＭＤ
２ 眼鏡型フレーム
２ａ 取付部
３ 眼鏡レンズ
４ バックライト
５ 信号処理機器
６ スピーカー
７ ＦＰＣ
１０ 導光板
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
２０ 表示素子ユニット
２１ レーザ光源
２２ 拡散光学系
２３ マイクロレンズアレイ
２４ 画像表示素子
３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌ ＨＯＥ

Claims (7)

  1. 画像表示素子から入射した画像光を導光して使用者の瞳に向かって出射する画像表示装置用の導光板であって、
    前記画像光の波長に対して屈折率１．８以上の鉛フリーガラスからなり、板厚１０ｍｍにおける波長４００ｎｍの内部透過率が、０．６以上である導光部と、
    前記導光部によって導光された前記画像光を回折して、前記使用者の瞳に向けて出射する第１光学素子と、
    前記画像表示素子から入射する前記画像光を回折して、前記導光部に入射させる第２光学素子と、
    を備え、
    前記第１光学素子及び前記第２光学素子が、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、又はＴａ２Ｏ５の少なくともいずれか１つを含む材料から形成されている
    ことを特徴とする導光板。
  2. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子を形成する材料が、前記鉛フリーガラスの屈折率よりも高い屈折率を有していることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
  3. 前記導光部は、互いに対向する第１面と第２面とを有し、前記第１面と前記第２面の平行度が２０ arc seconds 以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導光板。
  4. 前記第１面から前記第２面までの距離の最大値と最小値の差が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の導光板。
  5. 前記導光部は、板厚１０ｍｍにおける標準光源Ｄ６５の透過光をｘｙ色度図で表現したときに、ｘの色度が０．３１〜０．３４であり、ｙの色度が０．３３〜０．３６であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の導光板。
  6. 前記導光部の板厚が、０．５〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の導光板。
  7. 照明光を出射する光源と、
    前記光源からの照明光を受けて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入射した画像光を導光して使用者の瞳に向かって出射する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の導光板と、
    を備えることを特徴とする画像表示装置。
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