JP5408048B2 - 虚像表示装置用の導光板及び虚像表示装置 - Google Patents

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等に用いられる導光板及びこれを組み込んだ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映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。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１参照）。このような導光板において、映像光の一部は、複数の部分反射面を複数回通過した後に眼の方向に取り出される。このため、部分反射面の通過回数の違いにより映像光に輝度ムラ・映像ムラが発生しやすく、これを抑制するために、複数の部分反射面間での反射率や相対的距離を相対的に調整する工夫もなされている（同上）。また、同様の技術として、映像光を取り出すために、のこぎり歯状の部分に反射層を形成するものも知られている（特許文献２参照）。

特表２００３−５３６１０２号公報 特開２００４−１５７５２０号公報

しかしながら、例えば上記特許文献１，２の表示装置の場合、映像光等である画像光の輝度ムラ・映像ムラを抑制するには、部分反射面間での反射率や相対的距離の精密な調整が必要となる。さらに、上記特許文献１、２の場合、反射により導光板から画像光を取り出す際に、当該反射を行う部材において光を複数回通過させる構造であるため、光の利用効率については比較的低いものとならざるを得ない。

そこで、本発明は、輝度ムラ・映像ムラを抑制し、かつ、光の利用効率が比較的高い状態の画像光を虚像光として射出できる虚像表示装置用の導光板及びこれを組み込んだ虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る導光板は、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｃ）第１の反射面と第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とをそれぞれ有するとともに所定方向に配列される複数の反射ユニットを備え、複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットにおいて、第１の反射面により導光部を経て入射する画像光を反射するとともに第２の反射面により第１の反射面で反射された画像光をさらに反射する光路の折り曲げによって、画像光を外部へ取出し可能にする画像取出部と、（ｄ）画像取出部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を備える。ここで、全反射とは、全ての光が内面で反射されて伝達される場合のみでなく、全反射条件が満たされる面上にミラーコート等を施して反射する場合等も含まれるものとする。

上記導光板において、画像取出部の複数の反射ユニットは、導光部によりに導かれた画像光を各反射ユニットの第１の反射面と第２の反射面とによって２段階で反射する構造を有する。これにより、画像光のうち導光部での全反射角度の小さな光束を、一群の反射ユニットのうち光入射部に近い入口側に直接入射させることができるだけでなく、全反射角度の大きな光束を、一群の反射ユニットのうち光入射部から遠い奥側に直接入射させて外部へ取出し可能にすることができる。つまり、全ての画像光について反射ユニットの通過回数を抑えつつ光路を折り曲げて観察者側に取り出すことが可能になる。結果的に、各反射ユニットにそれぞれ入射した画像光を、輝度ムラ・映像ムラを抑制し、かつ、光の利用効率の高い状態で、観察者にとって有効な虚像光として射出させることができる。

本発明の具体的な側面では、各反射ユニットにおいて、第１の反射面と第２の反射面とが、隣接して配置される。この場合、各第１の反射面とこれに隣接する各第２の反射面とが１つの対となって入射した画像光を無駄なく確実に特定の方向に反射させる。

本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットを構成する複数の第１の反射面が、所定間隔で平行に配列される。この場合、反射ユニットの特性を一様にすることができるので、虚像光として取り出される画像光の画像品位の低下を抑えることができる。なお、複数の第１の反射面の配列について、所定間隔とは、各第１の反射面間の間隔が全て同一となっている場合に限らず、間隔にある程度の差異がある場合も含むものとする。

本発明のさらに別の側面では、各反射ユニットに入射した画像光が、画像取出部を１回だけ通過して光路を折り曲げられることによって、虚像光として光射出部から射出される。この場合、画像光の画像取出部において、画像光のうち観察者にとって有効な成分である虚像光を他の反射ユニットの透過によって損失させることなく取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面では、画像取出部が、導光部の第１の全反射面を含む平面に沿って形成され、光射出部が、導光部の第２の全反射面を含む平面上にある。この場合、画像取出部と光射出部とを導光部の両側面に沿って対向して配置させることができ、観察者側に効率的に画像光を取り出すことができる。

本発明のさらに別の側面では、第１の全反射面から第２の全反射面までの距離は、１．５ｍｍ以上である。この場合、虚像光の画角を十分大きなものにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、第１の反射面の光反射率が、第２の反射面の光反射率よりも高い。この場合、第２の反射面での透過を確保することによって外界像の観察を可能にしつつも、反射ユニット全体としての画像光の反射効率を比較的高いものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、第２の反射面の光反射率が、５０％以上である。この場合、各反射ユニットでの光量損失を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットが、０．２ｍｍ以上のピッチで配列されている。この場合、取り出されるべき画像光が画像取出部において回折による影響を受けることを防止できる。なお、０．７ｍｍ以下のピッチとすることで、各反射ユニットによる格子縞が観察者にとって目立たないようにできる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２の反射面が、第１の全反射面に平行に延びるとともに複数の反射ユニットの配列される所定方向に対して垂直に延びる長手方向を軸として、第１の全反射面に対してそれぞれ異なる角度で傾斜している。この場合、画像光を所望の角度方向に確実に折り曲げることができる。

本発明のさらに別の側面では、第１の反射面が、導光部の第１の全反射面に対して８０°から１００°までの傾斜角度をなし、第２の反射面が、導光部の第１の全反射面に対して３０°から４０°までの傾斜角度をなす。

本発明のさらに別の側面では、少なくとも導光部において外形を画定する外周部が、黒色塗料塗布面及びサンドブラスト加工面のいずれかを含む。この場合、黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面によりゴーストの原因となる外光を遮断し又は内面反射を抑制することができる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２の反射面が、第１の全反射面に平行に延びるとともに複数の反射ユニットの配列される所定方向に対して垂直に延びる方向を長手方向とし、当該長手方向に関しての導光部の幅が、２０ｍｍ以上である。この場合、画像光の光束の一部が、導光板内において予定しない方向に反射されてゴーストの原因となることを抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、導光部が、屈折率１．５以上の屈折率材料により構成される。この場合、導光板内部で画像光を導光させやすくなり、導光板内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）上記いずれかに記載の導光板と、（ｂ）導光板に導かれる画像光を形成する画像形成装置と、を備える。この場合、上記いずれかに記載の導光板を用いることで、虚像表示装置は、輝度ムラ・映像ムラを抑制され、かつ、光の利用効率の高い状態の虚像光を射出させることができる。

（Ａ）は、実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、実施形態に係る導光板の正面図及び平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、画像取出部の構造及び画像取出部における画像光の光路について説明するための模式的な図である。 光入射部からの光によるゴーストの抑制について説明する図である。 反射ユニットのピッチと画像光の波長分散との関係を示すグラフである。 導光部の屈折率と画角との関係を示すグラフである。 （Ａ）〜（Ｆ）は、再生像の輝度状態の確認位置を示す図、並びに、当該位置での輝度状態と第１及び第２の反射部のなす角度との関係を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）は、導光板の変形例についての一例をそれぞれ示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置用の導光板及び導光板を組み込んだ虚像表示装置について説明する。

〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置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、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面と対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光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ものである。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。

画像形成装置１０は、画像表示素子である液晶デバイス１１と、光束形成用のコリメートレンズ１２とを備える。液晶デバイス１１は、光源（不図示）からの照明光を空間的に変調して、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。コリメートレンズ１２は、液晶デバイス１１上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にする。なお、コリメートレンズ１２のレンズ材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。

図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。

導光板２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端に導光板本体部２０ａに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される画像取出部２３を有し、長手方向の他端に導光板本体部２０ａの一部を切欠いて形成された入射光折曲部２１を有する構造となっている。

導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、光入射面ＩＳの裏側において平行平板状の一部を切欠くように形成された矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜する入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である画像取出部２３が形成されている。

導光板本体部２０ａの光入射面ＩＳに対向して配置される入射光折曲部２１は、導光板本体部２０ａの上記斜面ＲＳ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として−Ｘ方向に向かう画像光を、全体として＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。

また、導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の画像取出部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を画像取出部２３に導くための導光部２２を有している。

導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板２０の奥側即ち画像取出部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。

導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される画像取出部２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。画像取出部２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、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、画像取出部２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。画像取出部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。

なお、導光板本体部２０ａは、導光板２０の外形のうち＋Ｚ側の端面を画成する側面として終端面ＥＳを有する。また、導光板本体部２０ａは、±Ｙ側の端面を画成する上面及び底面として上端面ＴＰと下端面ＢＰとをそれぞれ有している。

また、導光板本体部２０ａに用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。

導光板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から導光板２０に入射した画像光は、入射光折曲部２１で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＯＡに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、画像取出部２３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、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。

〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。図１（Ａ）に示すように、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（＋Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。

コリメートレンズ１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角θ_０で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角θ_０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、画像取出部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＹＺ面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。射出面１１ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角θ_＋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、画像取出部２３のうち最も奥側（＋Ｚ側）の周辺部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。この際の射出角は、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。射出面１１ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角θ₋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ＋Ｍ回全反射され、画像取出部２３ののうち最も入口側（−Ｚ側）の周辺部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。この際の射出角は、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どなく、視認上画像ムラ等の影響を感じることはない。また、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光ＧＬ１等と同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。なお、画像光ＧＬ２，ＧＬ３は、光射出面ＯＳを通過する際に、多少屈折作用を受ける。

ここで、入射光折曲部２１及び導光部２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．５とすると、その臨界角θ_ｃの値はθ_ｃ≒４１．８°となり、ｎ＝１．６とすると、その臨界角θ_ｃの値はθ_ｃ≒３８．７°となる。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角θ_０，θ_＋，θ₋のうち最小である反射角θ₋を臨界角θ_ｃよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部２２内における全反射条件を満たすものにできる。

〔Ｃ．画像取出部の構造及び画像取出部による光路の折曲げ〕
以下、図２（Ａ）等により、画像取出部２３の構造及び画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。

まず、画像取出部２３の構造について説明する。画像取出部２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、画像取出部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部２２の延びる方向即ちＺ方向に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２３ｃは、奥側即ち光路下流側に配置される第１の反射面２３ａと、入口側即ち光路上流側に配置される第２の反射面２３ｂとを有する。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。より具体的には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、図１（Ａ）等に示す第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２３ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２３ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２（Ａ）等に示す具体例において、各第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びているものとしている。また、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。

図２（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２３ｂの方向は、導光板２０の仕様に応じて第１の全反射面２２ａの傾斜状態を基準として適宜調整されるものであり、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２３ｂは、第１の全反射面２２ａに対して４０°から７０°程度の相対角度を有するものとなる。

以下、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、画像取出部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。

まず、図２（Ａ）及びその拡大図である図２（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角θ_＋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射する。図２（Ｂ）に示すように、当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。

また、図２（Ａ）及びその拡大図である図２（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角θ₋で導かれた画像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射する。図２（Ｃ）に示すように、当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ３は、図２（Ｂ）の画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。

ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角βは、いずれもβ＝２（Ｒ−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角βは、画像取出部２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角θ_０，θ_＋，θ₋等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を画像取出部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を画像取出部２３のうち−Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取出す構成であるため、導光板２０は、画像光を画像取出部２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。

なお、導光部２２の形状や屈折率、画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ１即ち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。つまり、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度γ_２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度γ_３とは、大きさが略等しく逆向きとなっている。なお、画像光ＧＬ２，ＧＬ３の角度γ_２，γ_３は、光射出面ＯＳ又は第２の全反射面２２ｂに対して比較的垂直に近いものとなっており、光射出面ＯＳを十分な透過率で通過する。また、角度γ_２と角度γ_３とは、画像形成装置１０から射出される画像光の画角に相当する。光軸ＡＸに対する角度γ_２と角度γ_３とが等しい場合、観察者の眼ＥＹから画像取出部２３までの距離を距離Ｈとし、画像取出部２３のＺ方向についての長さを幅ＳＷとすると、
ＳＷ＝２Ｈ・ｔａｎγ_２＝２Ｈ・ｔａｎγ_３
という関係が成立している。

ここで、第１の反射面２３ａの光反射率は、第２の反射面２３ｂの光反射率よりも高いものとなっている。より具体的には、第２の反射面２３ｂの光反射率は、５０％以上であるものとし、第１の反射面２３ａの光反射率は、略１００％であるものとする。これにより、上述した第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの画像光の反射効率を比較的高いものとすることができる。既述のように、虚像表示装置１００は、観察者に外界像を観察させるシースルータイプのものであり、この場合、外界像の観察を確保する等の要請から、一般には各反射面の光反射率に上限がある。つまり、例えば上記において第２の反射面２３ｂの光反射率を５０％以上としているが、この光反射率には例えば７０％といった仕様上の上限が設けられる。これに対して、第１の反射面２３ａは、図２（Ａ）等に示すように第１の全反射面２２ａに対して垂直或いは略垂直である場合、外界像の観察には影響しない。従って、光反射率を略１００％とすることができる。従って、この場合、第１の反射面２３ａでの光反射率を略１００％に高めることで、第２の反射面２３ｂでの透過を確保することによって外界像の観察を可能にしつつも、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂを合わせた反射ユニット２３ｃ全体としての反射効率を高いものとすることができる。

また、既に説明したように、一群の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ又は第２の反射面２３ｂは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼ＥＹに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。

〔Ｄ．導光板の具体的な構成〕
以下、図１（Ａ）を用いて、上記導光板２０を用いた虚像表示装置１００について具体的に構成するための条件等について説明する。

まず画像光が画像取出部２３を２回以上通過しないための条件について説明する。このため、画像光等に関する種々の値について次のように規定する。まず、図１（Ａ）において、画像取出部２３のうち、最も入口側（−Ｚ側）である周辺部２３ｍの位置を位置ＥＧ１とする。また、位置ＥＧ１から画像取出部２３上＋Ｚ方向に任意に定めた距離Ｄ_１の位置Ｐ１に入射する画像光について、その全反射角度を角度θ_Ｄ１とする。この場合、当該画像光が画像取出部２３を２回以上通過しないためには、これらの値と導光板２０の厚さｔとについて、
２・ｔ・ｔａｎθ_Ｄ１＞Ｄ_１…（１）
の関係が満たされている必要がある。上記不等式の左辺は、画像光がＸ方向について１往復する間にＺ方向について進む距離を示している。この値が、右辺の距離Ｄ_１より大きければ、位置Ｐ１に入射する画像光について、その直前での第１の全反射面２２ａにおける全反射の位置即ち位置Ｐ１に入射する２回前の全反射の位置が、画像取出部２３よりも入口側（−Ｚ側）であることになる。つまり、この場合、当該画像光について、位置Ｐ１が最初の入射位置であり、画像取出部２３を２回以上通過させない構成となる。従って、画像取出部２３上に入射するすべての画像光が、上式（１）の条件を満たすものであれば、画像取出部２３を２回以上通過させない構成とできる。例えば、画像光が図１（Ａ）に示すような光路を辿る場合、画像光のうち画像取出部２３上において位置のうち光入射面ＩＳから最も遠い側即ち＋Ｚ側の周辺部２３ｈに入射する光である画像光ＧＬ２が、上記不等式（１）の関係を満たせば、残りの画像光についても条件を満たすものとなる。つまり、導光板２０を最大反射角θ_＋で伝播する画像光ＧＬ２については、画像取出部２３のＺ方向についての幅ＳＷと、導光板２０の厚さｔとについて、
２・ｔ・ｔａｎθ_＋＞ＳＷ…（１）'
の関係が満たされていればよい。

図３に示すように、導光板２０の構成についての別の観点として、反射ユニット２３ｃの長手方向即ちＹ方向に関する導光部２２の幅である縦幅Ｗは、２０ｍｍ以上となっている。これにより、光入射面ＩＳから入射した画像光の光束の一部が、導光板２０の上端面ＴＰや下端面ＢＰにおいて予定しない方向に反射してゴーストの原因となることを抑制できる。具体的に説明すると、まず、図３のＺ方向について、導光板２０のうち光入射面ＩＳから画像取出部２３の中央位置ＣＰまでの距離を導光板実効長さＬとする。また、図３のＹ方向について、光入射面ＩＳより入射する光の縦方向即ちＹ方向の大きさを光源縦幅Ｓとする。また、導光板２０においてＹ方向について最も大きな光束角度を最大光束角θｍａｘとする。この場合、上記ゴーストを発生させないためには、光入射面ＩＳから射出される光束のうち最大光束角θｍａｘで上端面ＴＰや下端面ＢＰに向かう成分が導光板実効長さＬの区間において反射（又は全反射）により折り返されて、本来の光とは上下反対の方向に成分を持った光となっても、これが画像取出部２３に取り込まれなければよい。このためには、縦幅Ｗが十分大きなものとなっていればよいが、具体的には、例えば
Ｗ≧２・Ｌ・ｔａｎ（θｍａｘ）＋Ｓ／２…（２）
の条件を満たしていればよい。つまり、上記不等式（２）を満たすことで、導光板２０の上端面ＴＰ又は下端面ＢＰにおいて反射（又は全反射）された光が画像取出部２３側において画像光として取り込まれないようにできる。なお、上記不等式（２）は、上端面ＴＰ又は下端面ＢＰでの折り返しに加え、光源縦幅Ｓの幅分のマージンを考慮したものである。ここでは、一般的な値として、例えば導光板実効長さＬを４０ｍｍ、光源縦幅Ｓを２０ｍｍとする。また、最大光束角θｍａｘは、図１の液晶デバイス１１等光源側の特性に応じて定まるものであり、一般的な値を適宜考慮する。これらから、例えば導光板２０の縦幅Ｗを２０ｍｍ以上とすれば、光入射面ＩＳから最大光束角θｍａｘで射出される画像光ＧＬａ，ＧＬｂが上端面ＴＰや下端面ＢＰにおいて反射（又は全反射）されても、このような画像光ＧＬａ，ＧＬｂが光射出面ＯＳからゴースト光として射出されないようにできる。

また、導光板２０の構成についての別の観点として、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃの間隔であるピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ〜０．７ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、画像取出部２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。

以下、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴの下限を０．２ｍｍとする理由ついて、より具体的に説明する。ここで、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴは、回折格子周期に相当する。従って、この場合、グレーティング方程式
ｓｉｎδ１＋ｓｉｎδ２＝ｍλ／ＰＴ
（ただし、δ１は入射角、δ２は出射角、ｍは回折次数、λは波長である）
を用いて回折現象の発生状況を推定することができる。ここで、入射光を０°、回折次数を１とすると、上記方程式は、
ｓｉｎδ２＝λ／ＰＴ
と変形される。さらに、導光板２０に導かれる光線の波長が５５０ｎｍ±１５０ｎｍであり、ピッチＰＴの単位をｍｍとすると、出射角δ２即ち回折角は、
ｓｉｎδ２＝５５０±１５０×１０^−６／ＰＴ
となる。つまり、画像取出部２３による波長分散角Δδは、
Δδ＝ｓｉｎ^−１（７００×^−６／ＰＴ）
−ｓｉｎ^−１（５５０×^−６／ＰＴ）…（３）
で与えられる。
一方、画像光の水平画角をωとし、水平画素数をｎとすると、画素間の画角φは、近似的に
φ＝ω／ｎ
と表される。よって、画素間の画角φが波長分散Δδよりも小さくなるようにピッチＰＴを設定する必要があり、結果的に、
φ＞Δδ
ω／ｎ＞ｓｉｎ^−１（０．７×^−３／ＰＴ）
−ｓｉｎ^−１（０．５５×^−３／ＰＴ）…（４）
の関係が満たされる必要がある。

図４を用いてピッチＰＴの設定について具体的に説明する。図示のグラフにおいて、横軸はピッチＰＴ（スリットピッチ）の値を示し、縦軸は、画像光の波長分散角Δδの値を示している。グラフからも明らかなように、波長分散角Δδは、ピッチＰＴの増加に伴って減少するが、減少の傾きは徐々に緩くなる。例えば画像光がＳＶＧＡタイプの場合、近似的な画素間の画角φ＝ω／ｎは０．０３６°であり、波長分散角Δδは０．０３６°未満に設定する必要がある。従って、実用的な導光板２０では、画像取出部２３における反射ユニット２３ｃのピッチＰＴを０．２ｍｍ以上とすることで、回折による解像度の低下を抑えることができる。なお、図示のように、画像光がＸＧＡやＨＤタイプである場合、これらの画素間の画角φはＳＶＧＡタイプの場合よりもさらに小さいものとなるため、ピッチＰＴを０．４ｍｍ以上、或いは０．５ｍｍ以上とする必要がある。一方、ピッチＰＴの上限については、記述のように０．７ｍｍ程度以下としている。これにより、ストライプ状に配列された反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立ちにくいものになる。

また、導光板２０の構成についての別の観点として、導光板２０の厚さｔ即ち第１の全反射面２２ａから第２の全反射面２２ｂまでの距離は、１．５ｍｍ以上、より好ましくは１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが望ましい。図５は、導光板２０に用いる透明樹脂の屈折率ｎをｎ＝１．５としたときの導光板２０の厚さｔと、これによって達成可能な画角ωとの関係を示すグラフであり、厚さｔを横軸とし、虚像光の画角ωを縦軸としている。この場合、厚さｔを１．５ｍｍ以上とすることで、画像光即ち虚像光について十分な画角をとることができ、例えば、２ｍ先に４０インチ以上の映像を映し出す状態に相当する虚像光を出力することができる。なお、導光板２０の厚さｔを５ｍｍ以下とすることで、導光板２０を比較的軽量なものとできる。

既述のように、図２（Ａ）等に示す反射ユニット２３ｃの第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂのなす所定角度（相対角度）αは、具体例においてα＝５４．７°となっている。図６（Ａ）〜６（Ｆ）は、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂのなす相対角度と画像光の輝度分布との関係を示している。ここで、図６（Ｂ）〜６（Ｆ）は、図６（Ａ）に示す再生像中のＢ−Ｂ'断面（輝度断面）について、相対角度αの値を５３°〜５７°の範囲で適宜変更した場合の輝度の状態を示すグラフである。図６（Ｂ）〜６（Ｆ）から分かるように、図６（Ｄ）に示す相対角度αの値がα＝５４．７°となるときに、図６（Ａ）におけるＢ−Ｂ'断面での輝度ムラが最も少ない最適な状態となっており、また、他の図６（Ｂ）等から、α＝５４．７°に近いほど輝度ムラが小さいことが分かる。さらに、この角度は、反射ユニット２３ｃを形成するための型となる単結晶シリコンの異方性エッチングにより得られる角度と一致している。このため、比較的簡易に精度の高い状態で転写用の型等を形成することができ、かつ、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂとして平坦性の高い状態の面を形成することができる。

以上のように、本実施形態の導光板２０等において画像取出部２３に入射した画像光は、いずれも第１の反射面２３ａと、第２の反射面２３ｂとによって２段階で反射されている。この場合、画像光のうち全反射角度の小さな光束を各反射ユニット２３ｃのうち光入射部としての光入射面ＩＳに近い入口側に直接入射させることができるだけでなく、全反射角度の大きな光束を各反射ユニット２３ｃのうち光入射面ＩＳから遠い奥側に直接入射させて外部へ取出し可能にすることができる。これにより、画像光は、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの反射回数をそれぞれ１回だけにすることができる。つまり、画像光は、画像取出部２３を１回だけ通過して光路を折り曲げられた後、光射出面ＯＳから射出される。従って、画像光は、複数回に亘って画像取出部２３を通過する必要が無いので、輝度ムラ・映像ムラを抑制し、かつ、光の利用効率の高い状態を保って、観察者にとって有効な虚像光として射出される。

〔Ｅ．第２実施形態〕
以下、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）により、第１実施形態を変形した第２実施形態について説明する。なお、図７（Ａ）、７（Ｂ）に示す第２実施形態において、図１（Ｂ）等の導光板２０と同符号のものについては、特に説明をしない限り、第１実施形態で説明したものと同等のものを示す。

図７（Ａ）に示す第２実施形態の導光板１２０は、上端面ＴＰ、下端面ＢＰ及び終端面ＥＳにおいて、黒色塗料が施されている。つまり、上端面ＴＰ、下端面ＢＰ及び終端面ＥＳは、黒色塗料塗布面となっており、例えば外光のうち画像光中に入り込んでゴーストとなりうる成分を遮断している。また、図７（Ｂ）に示す導光板２２０では、上端面ＴＰ、下端面ＢＰ及び終端面ＥＳは、サンドブラスト加工面となっており、こちらも、上記のような外光等を遮断している。

以上のように、第２実施形態では、導光部２２の外形を画定する外周部の一部である上端面ＴＰや下端面ＢＰ、終端面ＥＳが外光に対する遮光性を有することで、外光の一部が導光部２２中に入り込み光射出面ＯＳからゴースト光として射出されることを抑制できる。

〔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。

まず、画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。

また、上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、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ＯＬＥＤ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とを組みあわせたレーザスキャナを用いた構成も可能である。

上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置１０及び導光板２０設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置１０と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、画像取出部２３は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％することが可能である。

上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。

上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等を光軸ＯＡに対して例えば４５°傾斜させて直交方向に折り曲げるものに限らない。つまり、ミラー層２１ａの傾斜角度は、用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。

上記の説明では、導光部２２において外形を画定する外周部のうち上端面ＴＰや下端面ＢＰ等を黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面としているが、これに限らず、上端面ＴＰや下端面ＢＰ以外の箇所に黒色塗装やサンドブラスト加工を施してもよい。また、逆に、上端面ＴＰや下端面ＢＰ等の一部にのみ黒色塗装やサンドブラスト加工を施すものとしてもよい。

上記の説明では、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に改変することもできる。

上記の説明では、第１及び第２の全反射面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、第１及び第２の全反射面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てなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は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。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。

１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 ２０，１２０，２２０…導光板、 ２０ａ…導光板本体部、 ２１…入射光折曲部、 ２２…導光部、 ２２ａ，２２ｂ…全反射面、 ２３…画像取出部、 ２３ａ，２３ｂ…反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 １００…虚像表示装置、 １２０…導光板、 ＩＳ…光入射面、 ＯＳ…光射出面、 ＥＹ…眼、 ＰＴ…ピッチ、 ＲＳ…斜面、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光

Claims (15)

1. 画像光を内部に取り込む光入射部と、
   対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、
   第１の反射面と前記第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とをそれぞれ有するとともに所定方向に配列される複数の反射ユニットを備え、前記複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットにおいて、前記第１の反射面により前記導光部を経て入射する前記画像光を反射するとともに前記第２の反射面により前記第１の反射面で反射された前記画像光をさらに反射する光路の折り曲げによって、前記画像光を外部へ取出し可能にする画像取出部と、
   前記画像取出部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、
   を備える導光板。
2. 前記各反射ユニットにおいて、前記第１の反射面と前記第２の反射面とは、隣接して配置される、請求項１に記載の導光板。
3. 前記複数の反射ユニットを構成する複数の前記第１の反射面は、所定間隔で平行に配列される、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の導光板。
4. 前記各反射ユニットに入射した前記画像光は、前記画像取出部を１回だけ通過して光路を折り曲げられることによって、虚像光として前記光射出部から射出される、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の導光板。
5. 前記画像取出部は、前記導光部の前記第１の全反射面を含む平面に沿って形成され、前記光射出部は、前記導光部の前記第２の全反射面を含む平面上にある、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の導光板。
6. 前記第１の全反射面から前記第２の全反射面までの距離は、１．５ｍｍ以上である、請求項５に記載の導光板。
7. 前記第１の反射面の光反射率は、前記第２の反射面の光反射率よりも高い、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の導光板。
8. 前記第２の反射面の光反射率は、５０％以上である、請求項６に記載の導光板。
9. 前記複数の反射ユニットは、０．２ｍｍ以上のピッチで配列されている、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の導光板。
10. 前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に平行に延びるとともに前記複数の反射ユニットの配列される前記所定方向に対して垂直に延びる長手方向を軸として、前記第１の全反射面に対してそれぞれ異なる角度で傾斜している、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の導光板。
11. 前記第１の反射面は、前記導光部の前記第１の全反射面に対して８０°から１００°までの傾斜角度をなし、
    前記第２の反射面は、前記導光部の前記第１の全反射面に対して３０°から４０°までの傾斜角度をなす、請求項１０に記載の導光板。
12. 少なくとも前記導光部において外形を画定する外周部は、黒色塗料塗布面及びサンドブラスト加工面のいずれかを含む、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の導光板。
13. 前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に平行に延びるとともに前記複数の反射ユニットの配列される前記所定方向に対して垂直に延びる方向を長手方向とし、
    前記長手方向に関しての前記導光部の幅は、２０ｍｍ以上である、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の導光板。
14. 前記導光部は、屈折率１．５以上の屈折率材料により構成される、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の導光板。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の導光板と、
    前記導光板に導かれる前記画像光を形成する画像形成装置と、
    を備える虚像表示装置。

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