JP5703880B2 - 導光板及びこれを備える虚像表示装置 - 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備える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画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、全反射を利用して画像光を導くとともに、導光板の出口側において導光板の主面に対して所定角度をなして平行に配置される多数の部分反射面にて画像光を反射させることにより、画像光を導光板から取り出して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）。

しかしながら、上記特許文献１の表示装置の場合、画像光の重複等による輝度斑を抑制するには、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の場合、反射により導光板から画像光を取り出す際に、光取り出し用の反射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。

以上の技術とは異なるものとして、反射により導光板から画像光を取り出す際に、反射部材を一回通過させる構造とすることも考えられる。この場合、反射率の調整が不要で光の利用効率も高くなるが、個々の反射部材が独立するため各反射部材からの光束が横方向互いに分断される傾向が生じ、映像に明暗の縦縞が形成される可能性がある。

特開２００４−１５７５２０号公報

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、画像光の取り出しに際して映像に縞状の斑が生じることを防止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、本発明に係る第１の導光板は、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）対向して平行に延びる第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）導光部を経て入射する画像光を光路の折り曲げによって外部へ取出す画像取出部を有する光射出部とを備え、（ｄ）画像取出部が、第１の全反射面に平行で導光部の導光方向に垂直な所定の軸方向に複数の部分に分割されるとともに当該分割された部分が導光方向に互いに位置ズレした状態となるように配列される複数の反射ユニットを有する。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や、半透過のアルミ膜によるハーフミラー膜等を施して反射する場合等も含まれるものとする。

上記導光板では、画像取出部が、上記所定の軸方向に分割された部分が導光方向に関して互いに位置ズレした状態となるように配置される複数の反射ユニットを有するので、複数の反射ユニットから分断されて取り出される光束の隙間によって映像中に縞状の輝度斑が観察される現象を抑制することができる。これにより、高品質な映像の形成や観察が可能になる。

本発明の具体的な側面では、上記第１の導光板において、反射ユニットを構成する分割された隣接する部分の位置ズレが、反射ユニットの導光方向に関する幅の半分以下である。この場合、分割された部分をその幅の半分以下にシフトさせつつ上記所定の軸方向に延長するように複数の反射ユニットを配列することができ、縞状の輝度斑の発生を確実に抑制できる。

本発明の別の側面では、画像取出部が、所定の軸方向に分割された複数の分割領域を有し、各分割領域が、所定の軸方向にそれぞれ延びるとともに導光方向に配列される一群の反射ユニット部分を含む。この場合、分割領域単位では、縞状の輝度斑が形成されても、各分割領域を合わせた全体では、上記所定の軸方向に延びる縞状の輝度斑が形成されることを防止できる。

本発明のさらに別の側面では、反射ユニットが、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の反射面とでそれぞれ構成され、導光部にて導かれた画像光を第１の反射面により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して光路の折り曲げを行う。この場合、第１の反射面と第２の反射面との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。これにより、画像取出部の各部において、一回入射させるだけで光路の折り曲げによって画像光を外部へ取り出すことが可能になる。

本発明のさらに別の側面では、第１の反射面と第２の反射面との少なくとも一方に、反射率を局所的に高めた領域が所定のパターンで形成されている。この場合、反射ユニットの分割された部分をさらに分割するような効果を持たせることができ、映像に縞状の輝度斑が観察されることをより確実に防止できる。

本発明に係る第２の導光板は、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）対向して平行に延びる第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）導光部を経て入射する画像光を光路の折り曲げによって外部へ取出す画像取出部を有する光射出部とを備え、（ｄ）画像取出部は、第１の全反射面に平行で導光部の導光方向に垂直な所定の軸方向にそれぞれ延びるとともに導光方向に配列される第１群の反射ユニット部分と、所定の軸方向にそれぞれ延びるとともに導光方向に配列される第２群の反射ユニット部分とを有し、（ｅ）第１群の反射ユニット部分と第２群の反射ユニット部分とが、導光方向に位置ズレした状態で配置されている。ここで、第１群の反射ユニット部分と第２群の反射ユニット部分とが導光方向に位置ズレした状態で配置されているとは、第１群の特定の反射ユニット部分とこれに最も近い第２群の反射ユニット部分とが上記所定の軸方向に沿った一直線上に並んで配置されていないことを意味する。

上記導光板では、上記所定の軸方向に延び導光方向に配列される第１群の反射ユニット部分と、上記所定の軸方向に延び導光方向に配列される第２群の反射ユニット部分とを導光方向に関して位置ズレした状態で配置しており、導光方向に配列された反射ユニット部分によって光束が分断され隙間が生じても、上記所定の軸方向の全体に亘って延びる縞状の輝度斑となることを防止でき、高品質な映像の形成や観察が可能になる。

本発明の具体的な側面では、上記第２の導光板において、第１群の反射ユニット部分と第２群の反射ユニット部分とが、導光方向に互いに位相ズレした状態で周期的に配列されている。この場合、第１群の反射ユニット部分と第２群の反射ユニット部分とを位相ズレさせつつ配置することができ、第１群の反射ユニット部分による光束の周期的分断と、第２群の反射ユニット部分による光束の周期的分断とが互いに位置ズレすることで上記所定の軸方向に長く延びることを回避でき、映像における縞状の輝度斑を確実に抑制することができる。

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、上記いずれかの導光板を用いることで、虚像表示装置は、縞状の斑の発生が抑制された良好な虚像光を射出させることができる。

（Ａ）は、第１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）は、導光板に設けた光射出部のうち画像取出部の構造を概念的に説明する正面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す画像取出部のＢＢ矢視断面図である。 画像取出部の外光側の外観を説明する斜視図である。 （Ａ）は、画像取出部の機能を説明する図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分における光路の折り曲げを説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分における光路の折り曲げ説明する断面図である。 画像取出部における画像光の有効光束幅を説明する図である。 画像取出部から取り出される画像光のパターンを概念的に説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態に係る導光板内の反射ユニット部分を説明する図である。 第３実施形態に係る導光板内の画像取出部を説明する図である。 （Ａ）は、第４実施形態に係る導光板内の画像取出部の画像取出部の奥側の部分の構造を説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。

〔第１実施形態〕
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これ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断面に対応する。

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、ここでは左眼用のみを示し、右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。

図１（Ａ）に示すように、画像形成装置１０は、液晶デバイス１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、液晶デバイス１１は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、これらの間に配置される射出角調整部材３３とを有する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１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。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２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コリメートレンズである。射出角調整部材３３は、照明光の射出角度分布を画面内の位置に応じて変化させており、液晶表示デバイス３２から射出される画像光が効率的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。

図１（Ｂ）及び１（Ｃ）に示すように、導光板２０は、光入射部Ｄ１と、導光部Ｄ２と、光射出部Ｄ３とを備える。光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳと入射光折曲面２１とを有し、画像形成装置１０からの画像光を光入射面ＩＳから取り込むとともに、取り込んだ画像光を導光部Ｄ２に向けて折り曲げる。導光部Ｄ２は、全反射面形成部２２を有し、取り込まれた画像光を光射出部Ｄ３に向けて伝播させる。なお、導光部Ｄ２が光束全体として導く方向であるＺ方向を導光板２０の導光方向とする。光射出部Ｄ３は、角度変換部である画像取出部２３と光射出面ＯＳとを有し、導光部Ｄ２で伝播された画像光の角度変換を行い光射出面ＯＳから画像光を射出する。

光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳを、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側又は観察者側の平面上に有している。また、光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、アルミ蒸着等の成膜によりミラー層２１ａが形成されている。つまり、ミラー層２１ａと斜面ＲＳとが協働することで入射光折曲面２１を形成している。入射光折曲面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−Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光部Ｄ２内に導く。

導光部Ｄ２は、入口側である光入射部Ｄ１側から奥側である光射出部Ｄ３側にかけて、内部に入射させた画像光を光射出部Ｄ３の画像取出部２３に導くための全反射面形成部２２を有している。

全反射面形成部２２は、導光部Ｄ２として機能するための平板状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、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に近い側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０から遠い側にあるものとする。この場合、第１の全反射面２２ａ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。従って、光入射面ＩＳや光射出面ＯＳの一部又は全体も画像光を導く導光部Ｄ２として機能する。光入射部Ｄ１の入射光折曲面２１で反射された画像光は、まず、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２の全反射面２２ｂ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の奥側すなわち画像取出部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。ここで、導光部Ｄ２等に用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、例えば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。

光射出部Ｄ３は、光射出面ＯＳに対向して微細構造である画像取出部２３を配置している。画像取出部２３は、全反射面形成部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第２の全反射面２２ｂの延長平面に略沿ってこの延長平面に近接して形成されており、全反射面形成部２２を経た画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。画像取出部２３は、縦のＹ方向に関して分割された横長の３つの分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を有する。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。

〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について説明する。図１（Ａ）に示すように、投射光学系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、液晶デバイス１１の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、入射光折曲面２１で反射された後、標準反射角α_０で全反射面形成部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、標準反射角α_０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ回（Ｎは自然数）全反射された後、画像取出部２３の中央部２３ｋで反射され、光射出面ＯＳからこの面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に射出される。また、液晶デバイス１１の射出面３２ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、最大反射角α_＋で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、画像取出部２３のうち反光入射面側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｍで反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に射出される。また、液晶デバイス１１の射出面３２ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、最小反射角α₋で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、画像取出部２３のうち最も光入射面側（−Ｚ側）の周辺部２３ｈで反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に射出される。

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、このような反射回数の差によって輝度低下が生じることは殆どない。また、図１（Ｂ）に示すように、縦方向すなわちＹ方向について見た画像光である画像光ＧＬｙは、光束全体として収束するように導光板２０内を通過する。

〔Ｃ．画像取出部の構造〕
図２（Ａ）及び図３に示すように、画像取出部２３は、所定の軸方向であるＹ方向に関して分割され、横長の３つの分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を有している。

第１分割領域Ａ１は、所定の軸方向であるＹ方向にそれぞれ延びるとともに導光方向であるＺ方向に周期的に配列される第１群の反射ユニット部分２３ｃ，２３ｃ，…を備える。すなわち、第１の分割領域Ａ１は、所定の軸方向すなわちＹ方向を長手方向とし長さｈ１の細長い形状を有する多数の反射ユニット部分２３ｃを有し、これら反射ユニット部分２３ｃをその横方向又は導光方向の幅に等しいピッチＰＴで全反射面形成部２２の延びる導光方向すなわちＺ方向に多数配列させることで構成されている。

第２分割領域Ａ２も、所定の軸方向であるＹ方向にそれぞれ延びるとともに導光方向であるＺ方向に周期的に配列される第２群の反射ユニット部分２３ｃ，２３ｃ，…を備える。すなわち、第２の分割領域Ａ２は、所定の軸方向すなわちＹ方向を長手方向とし長さｈ２の細長い形状を有する多数の反射ユニット部分２３ｃを有し、これら反射ユニット部分２３ｃをその横方向又は導光方向の幅に等しいピッチＰＴで全反射面形成部２２の延びる導光方向すなわちＺ方向に多数配列させることで構成されている。

第３分割領域Ａ３も、所定の軸方向であるＹ方向にそれぞれ延びるとともに導光方向であるＺ方向に周期的に配列される第３群の反射ユニット部分２３ｃ，２３ｃ，…を備える。すなわち、第３の分割領域Ａ３は、所定の軸方向すなわちＹ方向を長手方向とし長さｈ３の細長い形状を有する多数の反射ユニット部分２３ｃを有し、これら反射ユニット部分２３ｃをその横方向又は導光方向の幅に等しいピッチＰＴで全反射面形成部２２の延びる導光方向すなわちＺ方向に多数配列させることで構成されている。

ここで、第１の分割領域Ａ１を構成する第１群の反射ユニット部分２３ｃと、第１の分割領域Ａ１の下側（−Ｙ側）に隣接する第２の分割領域Ａ２を構成する第２群の反射ユニット部分２３ｃとは、導光方向すなわちＺ方向に関して互いに位相ズレした状態で周期的に配列されている。つまり、第２の分割領域Ａ２の反射ユニット部分２３ｃは、第１の分割領域Ａ１の反射ユニット部分２３ｃよりも＋Ｚ側にＰＴ／２だけ位置ズレした状態となっている。ここで、ピッチＰＴは、各反射ユニット部分２３ｃの導光方向の横幅に相当しており、第１の分割領域Ａ１を構成する第１群の反射ユニット部分２３ｃと、第２の分割領域Ａ２を構成する第２群の反射ユニット部分２３ｃとは、個々の横幅の半分だけ位置ズレした状態で配列されているともいえる。

同様に、第２の分割領域Ａ２を構成する第２群の反射ユニット部分２３ｃと、第２の分割領域Ａ２の下側（−Ｙ側）に隣接する第３の分割領域Ａ３を構成する第３群の反射ユニット部分２３ｃとは、導光方向すなわちＺ方向に関して互いに位相ズレした状態で周期的に配列されている。つまり、第３の分割領域Ａ３の反射ユニット部分２３ｃは、第２の分割領域Ａ２の反射ユニット部分２３ｃよりも−Ｚ側にＰＴ／２又は個々の横幅の半分だけ位置ズレした状態となっている。

結果的に、画像取出部２３を構成する反射ユニット部分２３ｃは、千鳥配置を繰り返したような配列パターンとなっている。

見方を変えると、画像取出部２３は、導光方向（Ｚ方向）に垂直なＹ方向に対して所定角だけ傾いた特定方向に延びる細長い反射ユニット２３ｕを全反射面形成部２２の延びるＺ方向すなわち導光方向に多数配列させることで構成されていると考えることができる。ここで、各反射ユニット２３ｕは、導光方向に垂直な所定の軸方向であるＹ方向に関して３つに分割されている。反射ユニット２３ｕを所定の軸方向であるＹ方向に分割した部分（分割された部分）は、上記分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を構成する個々の要素である反射ユニット部分２３ｃとなっている。この結果、反射ユニット２３ｕを３分割した部分である３つの反射ユニット部分（分割された部分）２３ｃは、−Ｙ方向側にあるものほど＋Ｚ側に位置ズレした状態となっている。より具体的には、反射ユニット２３ｕを構成する３つの反射ユニット部分２３ｃのうち、上側すなわち＋Ｙ側にある反射ユニット部分２３ｃは、中央のものに対して−Ｚ側に１／２ピッチ（ＰＴ／２）だけ位置ズレした状態となっている。また、反射ユニット２３ｕを構成する３つの反射ユニット部分２３ｃのうち、下側すなわち−Ｙ側にある反射ユニット部分２３ｃは、中央のものに対して＋Ｚ側に１／２ピッチ（ＰＴ／２）だけ位置ズレした状態となっている。

図２（Ｂ）に示すように、画像取出部２３を構成する各反射ユニット部分２３ｃは、導光板２０の奥側すなわち＋Ｚ側に配置される第１の反射面２３ａと、導光板２０の入口側すなわち＋Ｚ側に配置される第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な半透過型のミラー層２４ａを付随させたものであり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。なお、第１の反射面２３ａは、半透過型又は完全な反射型のミラー層２４ｂを付随させたものとなっている。

各反射ユニット部分２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂによってＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっており、画像取出部２３全体では、ＸＺ断面視においてＺ方向に延びる断面鋸歯状となっている。なお、第１の反射面２３ａは、Ｚ方向に対して垂直な面となっており、第２の反射面２３ｂは、Ｘ方向に対して垂直な第２の全反射面２２ｂに平行な基準面を、Ｙ方向に延びる所定の軸方向のまわりに反時計回りに回転させて傾斜させた斜面となっている。第１の反射面２３ａと第２の反射面２３ｂとの相対角度βは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。また、以上のような構成の画像取出部２３の作製については、まず、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂとなるべき上記所定角度の傾斜面が射出成形によって成形され、次に、当該斜面に反射面として機能させるためのミラー層２４ａ，２４ｂを成膜し、さらに、当該ミラー層２４ａ，２４ｂを樹脂材料で埋めるものとなっている。

〔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４（Ａ）〜４（Ｃ）等を参照して、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて説明する。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。また、各第１の反射面２３ａは、画像光の実際の入射面となっているが、本明細書では、画像光の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射角度を画像取出部２３に対する入射角度すなわち反射ユニット部分２３ｃへの入射角と呼ぶこととする。

まず、図４（Ａ）及び４（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい入射角α_＋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２３ｍに配置された反射ユニット部分２３ｃに入射する。なお、周辺部２３ｍは、図２（Ａ）の第１分割領域Ａ１における反射ユニット部分２３ｃと、第２分割領域Ａ２における反射ユニット部分２３ｃと、第３分割領域Ａ３における反射ユニット部分２３ｃとを含む。これらの反射ユニット部分２３ｃに入射した画像光ＧＬ２は、最初に第１の反射面２３ａで反射され、次に、第２の反射面２３ｂで反射され、他の反射ユニット部分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、入射角の大きな画像光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少ない損失で虚像光として観察者側に取り出される。

また、図４（Ａ）及び４（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい入射角α₋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２３ｈに配置された反射ユニット部分２３ｃに入射する。なお、周辺部２３ｈは、第１分割領域Ａ１における反射ユニット部分２３ｃと、第２分割領域Ａ２における反射ユニット部分２３ｃと、第３分割領域Ａ３における反射ユニット部分２３ｃとを含む。これらの反射ユニット部分２３ｃに入射した画像光ＧＬ３は、最初に第１の反射面２３ａで反射され、次に、第２の反射面２３ｂで反射され、他の反射ユニット部分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、入射角の小さな画像光ＧＬ３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少ない損失で虚像光として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４（Ｂ）及び４（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ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−β）（Ｒ：直角）であり、入射角α_０，α_＋，α₋等の値によらず一定である。これにより、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。

なお、画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３の角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。

〔Ｄ．画像取出部における有効光束幅の制限と対処〕
ここで、図５により、画像取出部２３における画像光の有効光束幅の制限について説明する。画像取出部２３すなわち反射ユニット部分２３ｃで取り出される画像光の有効光束幅は、反射ユニット部分２３ｃのサイズと、反射ユニット部分２３ｃに対して入射する画像光の入射角によって決まる。例えば、図示のように、周辺部２３ｍと周辺部２３ｈとを比較した場合、周辺部２３ｍにおける各反射ユニット部分２３ｃでの有効光束幅Ｗ２は、周辺部２３ｈにおける各反射ユニット部分２３ｃでの有効光束幅Ｗ３よりも小さくなっている。これら有効光束幅Ｗ２，Ｗ３によって例示する画像光の各光束の有効光束幅には、各画像光の入射角αや各反射ユニット部分２３ｃのピッチＰＴの大きさから制限がある。例えば、画像光ＧＬ２の場合、反射ユニット部分２３ｃに入射できる幅（ピッチＰＴの大きさに相当）の範囲内に限られるため、その有効光束幅Ｗ２は、
Ｗ２＝ｄ×ｓｉｎ（Ｒ−α_＋）（Ｒ：直角）
となる。このような制限が、いずれの光束の有効光束幅についてもあるため、画像光の各光束間には、光が届かない隙間ＢＤが存在する。この隙間ＢＤは、Ｚ方向に配列される反射ユニット部分２３ｃの境界の数だけ存在する。これらの隙間ＢＤは、画像取出部２３の置かれる観察者の眼の前数センチ程度のところにあるものとなるため直視されることはないが、観察者にとっては、映像中の縦縞状の斑として認識される。このため、本実施形態では、画像取出部２３をＹ方向に関して３つの分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に分割するとともに、第１分割領域Ａ１を構成する第１群の反射ユニット部分２３ｃと、第２分割領域Ａ２を構成する第２群の反射ユニット部分２３ｃとの間に横方向又は導光方向の幅の半分の位置ズレを形成し、第２分割領域Ａ２を構成する第２群の反射ユニット部分２３ｃと、第３分割領域Ａ３を構成する第３群の反射ユニット部分２３ｃとの間に横方向又は導光方向の幅の半分の位置ズレを形成している。

図６は、画像取出部２３から取り出される画像光又は映像光の画像取出部２３の位置におけるパターンを概念的に説明する図である。第１分割領域Ａ１からの画像光ＧＬ１は、図５で説明した周期的な隙間ＢＤによって、明部ＢＰ及び暗部ＤＰが周期的に交代するストライプパターンとなっており、第２分割領域Ａ２からの画像光ＧＬ２も、図５で説明した周期的な隙間ＢＤによって明暗のストライプパターンとなっているが、画像光ＧＬ１に対して位相が半分ずれたパターンとなっている。第３分割領域Ａ３からの画像光ＧＬ３も、図５で説明した周期的な隙間ＢＤによって明暗のストライプパターンとなっているが、画像光ＧＬ２に対して位相が半分ずれたパターンとなっている。結果的に、画像取出部２３から取り出される画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の全体パターンは、市松模様状となっている。これにより、観察者にとって映像中の縦縞状の斑が知覚されにくいものとなる。

なお、以上では説明を省略しているが、画像取出部２３を構成する分割領域Ａ１，…の数や、分割領域Ａ１，…を構成する反射ユニット部分２３ｃの数は、導光板２０の仕様等に応じて適宜変更することができる。また、第１の分割領域Ａ１を構成する第１群の反射ユニット部分２３ｃと、第２の分割領域Ａ２を構成する第２群の反射ユニット部分２３ｃとの位置ズレ量は、１／２ピッチ（ＰＴ／２）に限らず、例えばこれより小さな範囲で適宜設定することができる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の導光板２０では、画像取出部２３が、上記所定の軸方向（Ｙ方向）に分割された部分である反射ユニット部分２３ｃが導光方向（Ｚ方向）に関して互いに位置ズレした状態となるように配置される複数の反射ユニット２３ｕを有するので、複数の反射ユニット２３ｕから分断されて取り出される光束の隙間ＢＤによって映像中に縞状の輝度斑が観察される現象を抑制することができる。これにより、高品質な映像の形成や観察が可能になる。

〔第２実施形態〕
以下、図７（Ａ）等を参照して、第２実施形態に係る導光板について説明する。第２実施形態に係る導光板は、図１（Ａ）等に示す第１実施形態に係る導光板２０の要部を変形したものであり、共通する部分については説明を省略する。

図７（Ａ）に示すように、各分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を構成する反射ユニット部分２３ｃの第２の反射面２３ｂには、矩形のミラー層１２４ａが形成されている。このミラー層１２４ａは、完全な反射型又は半透過型の反射膜であり、反射率を局所的に高めた領域として機能する。Ｙ方向に隣接するミラー層（反射率を局所的に高めた領域）１２４ａとの間には、外光や画像光を透過させる開口ＡＰが形成されている。個々の第２の反射面２３ｂにおいて、ミラー層１２４ａの専有面積は、略一定に保たれており、開口ＡＰの面積も略一定に保たれている。なお、横の導光方向に隣接する一対の反射ユニット部分２３ｃは、互いに異なるパターンで配列された複数のミラー層１２４ａを有するものとなっている。

図７（Ｂ）に示す変形例のミラー層１２４ａの場合、円形の輪郭を有する完全な反射型又は半透過型の反射膜であり、第２の反射面２３ｂ上でランダムに配置されている。ここで、個々の第２の反射面２３ｂにおいて、ミラー層１２４ａの専有面積は、略一定に保たれており、開口ＡＰの面積も略一定に保たれている。
以上の第２実施形態によれば、反射ユニット２３ｕの分割された部分である反射ユニット部分２３ｃをさらに分割するような効果を持たせることができ、映像に縞状の輝度斑が観察されることをより確実に防止できる。

〔第３実施形態〕
以下、図８を参照して、第３実施形態に係る導光板について説明する。第３実施形態に係る導光板は、図１（Ａ）等に示す第１実施形態に係る導光板を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分についっては説明を省略する。

図８に示すように、画像取出部２３を構成する分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３は、正確な矩形ではなく、台形状の輪郭を有している。このように、分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の形状は、導光板２０の仕様等に応じて適宜変更することができる。

〔第４実施形態〕
以下、図９（Ａ）等を参照して、第４実施形態に係る導光板について説明する。第４実施形態に係る導光板は、図１（Ａ）等に示す第１実施形態に係る導光板２０の要部を変形したものであり、共通する部分についっては説明を省略する。

第４実施形態に係る導光板に組み込まれた画像取出部２２３は、図２（Ａ）等に示す反射ユニット部分２３ｃと同様に、第１〜第３の分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に区分されており、第１〜第３の分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３は、所定の軸方向であるＹ方向にそれぞれ延びるとともに導光方向であるＺ方向に周期的に配列される反射ユニット部分２２３ｃによって構成されている。さらに、第１〜第３の分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を構成する反射ユニット部分２２３ｃは、第１実施形態の反射ユニット部分２３ｃと異なる構造を有するが、分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３間で位置ズレするように配置されている。

図９（Ａ）及び９（Ｂ）に示すように、反射ユニット部分２２３ｃは、光路の折り曲げ用の画像光反射面２２３ａと、隣接する画像光反射面２２３ａ間を繋ぐための境界部２２３ｂとを有している。これらの反射ユニット部分２２３ｃに設けた画像光反射面２２３ａは、所定の軸方向であるＹ方向にそれぞれ延びている。これらの画像光反射面２２３ａは、互いに平行であり、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。

以下、画像光の各成分のうち、画像取出部２２３の両端側に入射する画像光ＧＬａ及び画像光ＧＬｂについて説明する。前提として、画像光ＧＬａ，ＧＬｂを含む画像光は、図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示す導光板２０に光入射面ＩＳから入射し、図９（Ａ）等に示すように全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返して導光されて、画像取出部２２３に到る。まず、図９（Ａ）に示すように、最小反射角α₋で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬａは、画像取出部２２３をＫ回（Ｋは１より大きい自然数）通過した後、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、眼ＥＹの中心軸である光軸ＡＸに対して角度θ２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。なお、ここでは、画像光ＧＬａの全反射角α₋を画像光反射面２２３ａに対する入射角とする。

一方、図９（Ｂ）に示すように、最大反射角α_＋で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬｂは、Ｋ回より少ない反射回数で全反射面形成部２２を通過して画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。なお、ここでは、画像光ＧＬｂの全反射角α_＋を画像光反射面２２３ａに対する入射角とする。

また、画像光ＧＬａの角度θ２と画像光ＧＬｂの角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。

以上の第４実施形態においても、第１実施形態等の場合と同様に、反射ユニット部分２２３ｃからの光束に分断の傾向が生じ、映像中に縞状の輝度斑が観察される可能性があるが、上記のように画像取出部２２３を第１〜第３の分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に区分し、第１〜第３の分割領域Ａ１，Ａ２，Ａ３を構成する反射ユニット部分２２３ｃを、領域間で位置ズレさせることにより、高品質な映像の形成や観察が可能になる。

〔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。

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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）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ーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。なお、液晶デバイス１１やその光源において、画像取出部２３の光取出特性を考慮して輝度パターンの調整を行うこともできる。

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を備えるとしているが、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、外界像を観察させる必要がない場合、第１〜第３実施形態において、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％に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こともできる。

上記の説明では、入射光折曲面２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等の光軸ＡＸに対する角度を用途や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、反射ユニット部分２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲを付けているものであってもよい。

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。

Ａ１，Ａ２，Ａ３…分割領域、 ＡＸ…光軸、 ＢＤ…隙間、 Ｄ１…光入射部、 Ｄ２…導光部、 Ｄ３…光射出部、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 ＩＳ…光入射面、 ＯＳ…光射出面、 １０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…投射光学系、 ２０…導光板、 ２１…入射光折曲面、 ２１ａ…ミラー層、 ２２…全反射面形成部、 ２２ａ…第１の全反射面、 ２２ｂ…第２の全反射面、 ２３…画像取出部、 ２３ａ…第１の反射面、 ２３ｂ…第２の反射面、 ２３ｃ…反射ユニット部分、 ２３ｕ…反射ユニット、 ２４ａ，２４ｂ…ミラー層、 ３１…照明装置、３２…液晶表示デバイス、 ３３…射出角調整部材、 １００…虚像表示装置、

Claims (8)

1. 画像光を内部に取り込む光入射部と、
   対向して平行に延びる第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、
   前記導光部を経て入射する前記画像光を光路の折り曲げによって外部へ取出す画像取出部を有する光射出部とを備え、
   前記画像取出部は、前記第１の全反射面に平行で前記導光部の導光方向に垂直な所定の軸方向に複数の部分に分割されるとともに当該分割された部分が前記導光方向に互いに位置ズレした状態となるように配列される複数の反射ユニットを有する、導光板。
2. 前記反射ユニットを構成する分割された隣接する部分の位置ズレは、前記反射ユニットの前記導光方向に関する幅の半分以下である、請求項１に記載の導光板。
3. 前記画像取出部は、前記所定の軸方向に分割された複数の分割領域を有し、
   各分割領域は、前記所定の軸方向にそれぞれ延びるとともに前記導光方向に配列される一群の反射ユニット部分を含む、請求項１及び２のいずれか一項に記載の導光板。
4. 前記反射ユニットは、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３までのいずれか一項に記載の導光板。
5. 前記第１の反射面と前記第２の反射面との少なくとも一方には、反射率を局所的に高めた領域が所定のパターンで形成されている、請求項４に記載の導光板。
6. 画像光を内部に取り込む光入射部と、
   対向して平行に延びる第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、
   前記導光部を経て入射する前記画像光を光路の折り曲げによって外部へ取出す画像取出部を有する光射出部とを備え、
   前記画像取出部は、前記第１の全反射面に平行で前記導光部の導光方向に垂直な所定の軸方向にそれぞれ延びるとともに前記導光方向に配列される第１群の反射ユニット部分と、前記所定の軸方向にそれぞれ延びるとともに前記導光方向に配列される第２群の反射ユニット部分とを有し、
   前記第１群の反射ユニット部分と前記第２群の反射ユニット部分とは、前記導光方向に位置ズレした状態で配置されている、導光板。
7. 前記第１群の反射ユニット部分と前記第２群の反射ユニット部分とは、前記導光方向に互いに位相ズレした状態で周期的に配列されている、請求項６に記載の導光板。
8. 請求項１から７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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