JP5459172B2 - 導光板及びこれを備える虚像表示装置 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照しつつ、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。
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断面に対応する。
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のうち液晶表示デバイス32の射出面32a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32a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32a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GL2とし、図中二点鎖線で示す射出面32a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GL3とする。
以下、図2(A)〜2(C)等を参照して、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。なお、図2(A)〜2(C)は、図1(A)に示す画像取出部23の中央部23kと、周辺部23m,23hとをそれぞれ拡大した模式的な図である。
以下、図4(A)等により、画像取出部23即ち反射ユニット23cで取り出される画像光の有効光束幅を確保して画像光の解像度の局所的低下の抑制する原理について説明する。図4(A)は、比較的入射角度の大きな画像光GLを反射する反射ユニット23cを例示するものであり、画像取出部23の奥側即ち+Z側である周辺部23m側に位置するものの拡大図である。画像取出部23での画像光の取り出しにおける解像度の低下は、第1及び第2の反射面23a,23b上のキズ等による欠陥といった鏡面精度に起因する。このため、各反射ユニット23cで最終的に取り出される画像光の有効光束幅Wがある程度の大きさ以上に保たれていれば、解像度低下が抑制される。しかしながら、特に、図4(A)に示すような周辺部23m側にある反射ユニット23cでは、画像光GLを入射させる際の入射光束幅Xが制限されて小さくなりやすく、有効光束幅Wの値を確保することは、必ずしも容易でない。つまり、画像光GLの入射光束幅Xを確保することが解像度の局所的低下の抑制のために重要な問題となる。なお、図示のように、入射光束幅Xで反射ユニット23cに入射した画像光GLは、第1及び第2の反射面23a,23bでその幅を保って有効光束幅Wとして射出される。
X=d×sin(R−α)… (1)
となる。つまり、周辺部23m側の反射ユニット23cのように入射角度αが大きくなる場合、入射光束幅Xの値をある程度大きいものとして確保するには、上式(1)に応じて横幅dを大きくする必要がある。本実施形態では、図3等に示すように、入射する画像光の入射角度即ち全反射角度に応じて、各反射ユニット23cのサイズ又はピッチを変化させており、特に、画像光の入射角度が大きいものほどサイズ又はピッチを大きくすることで、いずれの反射ユニット23cに入射する画像光についても、その入射光束幅を十分大きなものとすることができる。
sin(α+−ψ)×nd=sinω
と表される。つまり、入射角度α+は、
α+=ψ+sin−1(sinω/nd)
=2×(R−β)+sin−1(sinω/nd)… (2)
と表される。従って、一例として、nd=1.5、ω=15°とし、β=54.7°とすると、反射角度は、α+≒80°となる。この値に応じて、(1)式から画像光GL2の入射光束幅X即ち有効光束幅Wを一定値以上に確保するような横幅d+の値を算出することができる。つまり、以上の関係に基づいて横幅d+を適宜設定することで、画像光GL2について十分な光束幅を得ることができる。例えば図2(B)及び2(C)に示すように、各反射ユニット23cのサイズの単調増加を基調としつつ、周辺光である画像光GL2の有効光束幅W2と画像光GL3の有効光束幅W3とが略同じ程度となるように対応する各反射ユニット23cのサイズを調整することで、全ての画像光の有効光束幅を一定の値以上にすることが考えられる。また、この際、例えば、反射ユニット23cの横幅dの具体的な数値範囲を、0.2mm以上、より好ましい一例としては、0.5mm〜1.3mmの範囲で変化させる。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光の有効光束幅を確保できるとともに、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、図6(A)等により、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。本実施形態に係る導光板120は、画像取出部の構造を除いて図1(A)等に示す導光板20と同様の構造を有するため、図6(A)及び6(B)においては、図2(B)及び2(C)に示す画像取出部23に対応する画像取出部123の一部及びその周辺について拡大した模式的な図のみを示し、導光板及び虚像表示装置全体の構造については図示及び説明を省略する。
以下、図7(A)等により、第1実施形態等を変形した第3実施形態について説明する。本実施形態に係る導光板220は、画像取出部の構造を除いて図1(A)等に示す導光板20と同様の構造を有するため、図7(A)及び7(B)においては、図2(B)及び2(C)に示す画像取出部23に対応する画像取出部223の一部及びその周辺について拡大した模式的な図のみを示し、導光板及び虚像表示装置全体の構造については図示及び説明を省略する。
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。
Claims (11)
- 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、
所定の配列方向に配列される複数の反射ユニットを有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射ユニットでの光路の折り曲げによって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、
を備える導光板であって、
前記複数の反射ユニットの反射面形状が、当該複数の反射ユニットで折り曲げられる前記画像光の前記導光部における全反射角度の大きさに応じて、前記画像光の解像度低下を抑制するように前記画像取出部内で前記所定の配列方向に沿って変化している、導光板。 - 前記画像取出部は、全反射角度が相対的に大きい前記画像光に対して光路の折り曲げを行う第1の反射ユニットと、全反射角度が相対的に小さい前記画像光に対して光路の折り曲げを行う第2の反射ユニットとを有し、前記第1の反射ユニットの反射面は、前記第2の反射ユニットの反射面よりも大きい、請求項1に記載の導光板。
- 前記画像取出部にそれぞれ異なる角度で前記複数の反射ユニットのいずれかに入射する前記画像光の光束の入射角度をそれぞれα1、α2とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニットのピッチをそれぞれd1、d2とすると、α1<α2である場合に、d1≦d2となっている、請求項2に記載の導光板。
- 前記複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットは、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の反射面とでそれぞれ構成され、前記導光部にて導かれた前記画像光を前記第1の反射面により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して光路の折り曲げを行う、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。
- 前記複数の反射ユニットのうち前記光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのサイズは、前記光入射部側に位置する反射ユニットのサイズよりも大きい、請求項4に記載の導光板。
- 前記複数の反射ユニットのうち前記光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのピッチは、前記光入射部側に位置する反射ユニットのピッチよりも大きい、請求項4及び請求項5のいずれか一項に記載の導光板。
- 前記光射出部の光射出面から前記画像取出部の各反射ユニットのうち折り曲げられた前記画像光の射出方向についての先端である射出側端までの距離は、一定である、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。
- 前記複数の反射ユニットのうち、サイズの大きい反射ユニットほど、当該反射ユニットのうち折り曲げられた前記画像光の射出方向についての先端である射出側端が、前記光射出部に近くなり、前記複数の反射ユニットは、前記所定の配列方向について各反射ユニットのサイズに応じて前記光射出部側にせり出している、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の導光板。
- 前記複数の反射ユニットのサイズは、各反射ユニットにそれぞれ入射する前記画像光の有効光束幅を所定値以上に保つように変化している、請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の導光板。
- 前記複数の反射ユニットのピッチは、0.5mm〜1.3mmの間で変化する、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。
- 請求項1から請求項10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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