以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
〔A.虚像表示装置の外観〕
図1に示す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であり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識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、観察者の眼前を覆う光学パネル110と、光学パネル110を支持するフレーム121と、フレーム121のヨロイからテンプルにかけての部分に付加された第1及び第2駆動部131,132とを備える。ここで、光学パネル110は、第1パネル部分111と第2パネル部分112とを有し、両パネル部分111,112は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第1パネル部分111と第1駆動部131とを組み合わせた第1表示装置100Aは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2パネル部分112と第2駆動部132とを組み合わせた第2表示装置100Bは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
〔B.表示装置の構造〕
図2(A)等に示すように、第1表示装置100Aは、画像形成装置10と、導光装置20とを備える。ここで、画像形成装置10は、図1における第1駆動部131に相当し、導光装置20は、図1における第1パネル部分111に相当する。なお、図1に示す第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第2表示装置100Bの詳細な説明は省略する。
画像形成装置10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、2次元的な照明光SL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、照明装置31及び液晶表示デバイス32の動作を制御する駆動制御部34とを有する。
照明装置31は、赤、緑、青の3色を含む光を発生する光源31aと、光源31aからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部31b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SL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。駆動制御部34は、光源駆動回路34aと、液晶駆動回路34bとを備える。光源駆動回路34aは、照明装置31の光源31aに電力を供給して安定した輝度の照明光SLを射出させる。液晶駆動回路34bは、液晶表示デバイス32に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路34bに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。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。
液晶表示デバイス32において、第1方向D1は、投射光学系12を通る第1光軸AX1と、後述する導光部材21の第3反射面21cに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第2方向D2は、上記第1光軸AX1と、上記第3反射面21cの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。つまり、液晶表示デバイス32の位置において、第1方向D1は、縦のY方向に相当し、第2方向D2は、横のX方向に相当する。
導光装置20は、導光部材21と光透過部材23とを接合したものであり、全体としてXY面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。
導光装置20のうち、導光部材21は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第4反射面21dとを有する。また、導光部材21は、第1、第2、第3、及び第4反射面21a,21b,21c,21dに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。ここで、第1及び第2反射面21a,21bは、XY面に沿って延び、導光部材21の厚みtだけ離間する。また、第3反射面21cは、XY面に対して45°以下の鋭角αで傾斜しており、第4反射面21dは、XY面に対して例えば45°以下の鋭角βで傾斜している。第3反射面21cを通る 第1光軸AX1と第4反射面21dを通る第2光軸AX2とは平行に配置され距離Dだけ離間している。なお、以下に詳述するが、第1反射面21aと第3反射面21cとの間には、稜を除去するように端面21hが設けられている。導光部材21は、この端面21hも含めると、7面の多面体状の外形を有するものとなっている。
導光部材21は、第1及び第2反射面21a,21bによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材21で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向は、第1及び第2反射面21a,21bに垂直(Z軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第2方向D2に相当するものとなり、導光に際して反射によって折り返されない縦方向すなわち自由伝搬方向は、第1及び第2反射面21a,21b及び第3反射面21cに平行(Y軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第1方向D1に相当する。
導光部材21は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材21は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。このように導光部材21は、一体形成品であるが、機能的に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができる。
光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための矩形の全反射ミラーである。
図3(A)は、第3反射面21cを説明する図であり、光入射部B1における表面部分P1の部分拡大断面図である。第3反射面21cは、ミラー層25を有し保護層26で被覆されている。このミラー層25は、全反射のコーティングであり、導光部材21の斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。
図2(A)等に戻って、導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。第1及び第2反射面21a,21bの間隔すなわち導光部材21の厚みtは、例えば9mm程度とされている。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。
図3(B)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。また、図3(C)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。第1及び第2反射面21a,21bは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層27で被覆されている。このハードコート層27は、導光部材21の平坦面FS上にUV硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21b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、導光装置20の奥側即ち光射出部B3を設けた−X側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
以上の第1及び第2反射面21a,21bでの全反射は、ハードコート層27の屈折率の設定によっており、ハードコート層27の表面SSの内側で生じさせることができるが、平坦面FSの内側で生じさせることもできる。
図2(A)等に戻って、光射出部B3は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光射出面OSと、光射出面OSに対向する第4反射面21dとを有する。光射出面OSは、画像光GLを観察者の眼EYに向けて射出するための表側の平面であり、光入射面ISと同様に第1反射面21aの一部となっており、第2光軸AX2に垂直に延びている。光射出部B3を通る第2光軸AX2と光入射部B1を通る第1光軸AX1との距離Dは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば50mmに設定されている。第4反射面21dは、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを反射して光射出部B3外に射出させるための矩形の平坦面である。第4反射面21dに付随するハーフミラー層28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、その表面は半透過反射面となっている。ハーフミラー層28は、導光部材21のうち第4反射面21dを構成する斜面RS上に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る。言い換えると、導光部材21は、斜面RS上においてハーフミラー層28を付随させることで、斜面RSを光透過性の反射面である第4反射面21dとして機能させている。ハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光GL'の観察を容易にする観点で、想定される画像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、画像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。
第4反射面21dは、第1反射面21aに垂直な第2光軸AX2又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、上記ハーフミラー層28により、導光部B2の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを部分的に反射して全体として−Z方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面OSを通過させる。なお、第4反射面21dを透過した画像光GLxは、光透過部材23に入射し、映像の形成には利用されない。
光透過部材23は、導光部材21の本体と同一の屈折率を有し、第1面23aと、第2面23bと、第3面23cとを有する。第1及び第2面23a,23bは、XY面に沿って延びる。また、第3面23cは、XY面に対して傾斜しており、導光部材21の第4反射面21dに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材23は、第2面23bと第3面23cとに挟まれた楔状の部材WPを有する部材となっている。光透過部材23は、導光部材21と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材23は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。
光透過部材23において、第1面23aは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に配置され、観察者の眼EYに近い裏側にあり、第2面23bは、導光部材21に設けた第2反射面21bの延長平面上に配置され、観察者の眼EYから遠い表側にある。第3面23cは、接着剤によって導光部材21の第4反射面21dに接合される矩形の光透過面である。以上の第1面23aと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第2反射面21bと第4反射面21dとのなす角度εと等しくなっており、第2面23bと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとのなす角度βと等しくなっている。
光透過部材23と導光部材21とは、両者の接合部分及びその近傍において、透視部B4を構成している。すなわち、第1及び第2面23a,23bには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材21の導光部B2と同様に外界光GL'を高い透過率で透過させる。第3面23cも、外界光GL'を高い透過率で透過可能であるが、導光部材21の第4反射面21dがハーフミラー層28を有していることから、第3面23cを通過する外界光GL'は、例えば20%減光される。つまり、観察者は、20%に減光された画像光GLと80%に減光された外界光GL'とを重畳させたものを観察することになる。
図3(D)は、第4反射面21d及びその周辺の構造すなわちハーフミラー層28の周辺の構造を説明する図である。ここで、導光部材21の第4反射面21dと光透過部材23の第3面23cとの間より正確には、ハーフミラー層28と第3面23cとの間には、導光部材21と光透過部材23とを接合するための接着剤によって接着層CCが形成される。この接着層CCは、光透過部材23等の屈折率に対して比較的低屈折率の接着剤に、比較的高屈折率の金属酸化物を含む微粒子を調整材料として混入させた材料で形成されている。接着剤としては、種々のものが適用可能であると考えられ、接着力等を考慮すると、例えば、フォトボンドPB029(登録商標)(屈折率:1.49)やアーデルEP433(屈折率:1.5)、ロックタイト3108(登録商標)(屈折率:1.494)等を適用することが考えられる。上記のように比較的低屈折率の接着剤に比較的高屈折率の調整部材を含ませることで、接着層CCの屈折率を、光透過部材23や導光部材21の屈折率と略同じなるものとなるように調整できる。これにより、導光部材21から光透過部材23にかけてこれらと接着層CCとの界面を通過する光が、当該界面において不要な反射をすることを抑制している。
以下、接着層CCの材料について詳細に説明する。まず、調整材料である金属酸化物を含む微粒子は、可視光波長以下のサイズを有する。これにより、接着層CCを通過する可視光の散乱を抑制している。また、当該金属酸化物として具体的には、安定性が高く、かつ、光の吸収が少ない物質である二酸化チタンや二酸化ジルコニウム等を用いている。当該微粒子の混入量を調整することで、接着層CCの屈折率と光透過部材23及び導光部材21の屈折率との差が0.001以内となるように調整されている。接着層CCに用いられる接着剤は、高い光透過性及び接着力を必要とするため、当該接着剤で形成される接着層CCの屈折率と光透過部材23の屈折率とについてまで正確に一致させることは難しい。例えば光透過部材23が屈折率n1=1.52程度であるのに対して、接着層CCが屈折率n2=1.48程度である(例えばフォトボンドPB029を用いた場合、屈折率は1.49である。)といったように、比較的屈折率の低い材料となってしまうことがある。ここでは、このような屈折率の差を調整すべく、比較的高い屈折率を有する上記のような金属酸化物を例えば5%〜15%の比率で混入させて所望の屈折率の接着層CCを形成している。
〔C.画像光の光路の概要〕
図4(A)は、液晶表示デバイス32の縦断面CS1に対応する第1方向D1の光路を説明する図である。第1方向D1に沿った縦断面すなわちYZ面(展開後のY'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bの上端側(+Y側)から射出される成分を画像光GLaとし、図中二点差線で示す表示領域32bの下端側(−Y側)から射出される成分を画像光GLbとする。
上側の画像光GLaは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ1の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光GLbは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ2(|φ2|=|φ1|)の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ1,φ2は、上下の半画角に相当し、例えば6.5°に設定される。
図4(B)は、液晶表示デバイス32の横断面CS2に対応する第2方向(閉じ込め方向又は合成方向)D2の光路を説明する図である。第2方向D2(閉じ込め方向又は合成方向)に沿った横断面CS2すなわちXZ面(展開後のX'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bに向かって右端側(+X側)の第1表示点P1から射出される成分を画像光GLcとし、図中二点差線で示す表示領域32bに向かって左端側(−X側)の第2表示点P2から射出される成分を画像光GLdとする。図4(B)中には、参考のため、右寄り内側のから射出される画像光GLeと、左寄り内側のから射出される画像光GLfとを追加している。
右側の第1表示点P1からの画像光GLcは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ1の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第2表示点P2からの画像光GLdは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ2(|θ2|=|θ1|)の左方向から傾いて入射する。以上の角度θ1,θ2は、左右の半画角に相当し、例えば10°に設定される。
なお、第2方向D2の横方向に関しては、導光部材21中で画像光GLc,GLdが反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光GLc,GLdが導光部材21中で不連続に表現されている。また、観察者の眼EYについては、図2(A)の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材21を高精度に加工することで、液晶表示デバイス32の右半分の画像と液晶表示デバイス32の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光GLc,GLdの導光部材21内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光GLcの射出角度θ1'と左側の画像光GLdの射出角度θ2'とは異なるものに設定されている。
以上により、観察者の眼EYに入射する画像光GLa,GLb,GLc,GLdは、無限遠からの虚像となっており、縦の第1方向D1に関しては液晶表示デバイス32に形成された映像が正立し、横の第2方向D2に関しては液晶表示デバイス32に形成された映像が反転する。
〔D.横方向に関する画像光の光路〕
図5は、第1表示装置100Aにおける具体的な光路を説明する断面図である。投射光学系12は、3つのレンズL1,L2,L3を有している。
液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL11,GL12は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第1反射角γ1で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL11,GL12は、第1反射角γ1を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、次いで再度第1反射面21aに入射して全反射される(第3回目の全反射)。結果的に、画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計3回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL11,GL12は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ1の傾きで平行光束として射出される。
液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL21,GL22は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第2反射角γ2(γ2<γ1)で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL21,GL22は、第2反射角γ2を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、再度第1反射面21aに入射して全反射され(第3回目の全反射)、再度第2反射面21bに入射して全反射され(第4回目の全反射)、再々度第1反射面21aに入射して全反射される(第5回目の全反射)。結果的に、画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計5回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL21,GL22は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ2の傾きで平行光束として射出される。
図5において、導光部材21を展開した場合に第1反射面21aに対応する仮想的な第1面121aと、導光部材21を展開した場合に第2反射面21bに対応する仮想的な第2面121bとを描いている。このように展開することにより、第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、光入射面ISに対応する入射等価面IS'を通過した後、第1面121aを2回通過し第2面121bを1回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かり、第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、光入射面ISに対応する入射等価面IS"を通過した後、第1面121aを3回通過し第2面121bを2回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かる。見方を変えると、観察者は、2つの位置の異なる入射等価面IS',IS"の近傍に存在する投射光学系12のレンズL3を重ねて観察していることになる。
図6(A)は、液晶表示デバイス32の表示面を概念的に説明する図であり、図6(B)は、観察者に見える液晶表示デバイス32の虚像を概念的に説明する図であり、図6(C)及び6(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図6(A)に示す液晶表示デバイス32に設けた矩形の画像形成領域ADは、図6(B)に示す虚像表示領域AIとして観察される。虚像表示領域AIの左側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から右側にかけての部分に相当する第1投射像IM1が形成され、この第1投射像IM1は、図6(C)に示すように右側が欠けた部分画像となっている。また、虚像表示領域AIの右側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から左側にかけての部分に相当する投射像IM2が虚像として形成され、この第2投射像IM2は、図6(D)に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
図6(A)に示す液晶表示デバイス32のうち第1投射像(虚像)IM1のみを形成する第1部分領域A10は、例えば液晶表示デバイス32の右端の第1表示点P1を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計3回全反射される画像光GL11,GL12を射出する。液晶表示デバイス32のうち第2投射像(虚像)IM2のみを形成する第2部分領域A20は、例えば液晶表示デバイス32の左端の第2表示点P2を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計5回全反射される画像光GL21,GL22を射出する。液晶表示デバイス32の画像形成領域ADの中央寄りにおいて第1及び第2部分領域A10,A20に挟まれて縦長に延びる帯域SAからの画像光は、図6(B)に示す重複画像SIを形成している。つまり、液晶表示デバイス32の帯域SAからの画像光は、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第1投射像IM1と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第2投射像IM2となって、虚像表示領域AI上で重畳していることになる。導光部材21の加工が精密で、投射光学系12によって正確にコリメートされた光束が形成されているならば、重複画像SIについて、2つの投射像IM1,IM2の重畳によるズレや滲みを防止することができる。
以上では、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出された画像光GL11,GL12の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計3回で、液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出された画像光GL21,GL22の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計5回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材21の外形(すなわち厚みt、距離D、鋭角α,β)の調整によって、画像光GL11,GL12の全反射回数を計5回とし、画像光GL21,GL22の全反射回数を計7回とすることもできる。また、以上では、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ISと光射出面OSとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材21を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が偶数となる。
図7(A)は、導光部材21の光射出部B3と光透過部材23との境界における画像光GLの反射の様子を模式的に示す図である。既述のように、導光部材21の第4反射面21dと光透過部材23の第3面23cとの間において、接着層CCが挟持された状態となっている。従って、画像光GLのうち第4反射面21dのハーフミラー層28を通過した成分である画像光GLxは接着層CCに入射し、さらに、第3面23cから光透過部材23に入射するものとなる。ここで、仮に接着層CCの屈折率と光透過部材23の屈折率とに大きな差があるとすると、接着層CCと光透過部材23の第3面23cとが接して形成される界面SPにおいて、画像光GLxのうち反射する反射光ILが存在することになる。このような意図しない成分である反射光ILは、接着層CCに厚みがあることすなわち第4反射面21dから第3面23cまでに多少の距離があることで、観察者の眼EYに届くべき画像光GLと光路長の差を生じる。このため、画像光GLと反射光ILとが干渉しあう。さらに、反射光ILと画像光GLとの光路差は、接着層CCへの入射位置によって、接着層CCへの入射角や接着層CCの厚み、その誤差等から異なる。つまり、上述の干渉の仕方が光の波長によって種々異なる状態となる。以上により、画像光GL全体として色斑等の画像劣化が発生した状態となり、この状態が観察者に認識されてしまうと考えられる。また、図7(B)に示すように、外界光GL' についても、仮に接着層CCと光透過部材23とに屈折率に大きな差があるとすると、界面SPで反射しやすくなり、ハーフミラー層28及び界面SPでの反射によって反射光IL'が発生しこの反射光IL'が外界光GL'と干渉する可能性がある。つまり、外界光GL'によっても、色斑が発生し、画像劣化が生じる可能性がある。上記のように、干渉による影響が小刻みに振動する反射率のリップルとして現れることがある。また、反射光IL,IL'がゴーストである滲みや2重像といったものとして現れる場合もある。
以上に対して、本実施形態では、接着層CCに用いる材料として、比較的低屈折率の接着剤に比較的高屈折率の金属酸化物を含む微粒子を調整材料として混入させ屈折率を光透過部材23の屈折率に合わせるように調整したものを用いている。特に、当該屈折率の差が0.001以内に抑えられるように接着剤に対して調整材料を混入する比率を調整して、光透過部材23と接着層CCとの界面SPでの実質的な反射が殆どない状態としている。このように、接着層CCが調整材料を含むことによって光透過部材23に対する接着層CCの屈折率の差を抑制しているので、画像光GLのうち光射出部B3を透過して光透過部材23側へ排出されるべき成分が接着層CCと光透過部材23との界面SPで反射され反射光ILとなって導光部材21側へ再入射することを防止できる。これにより、上記のような光の干渉の影響を低減している。
なお、例えばハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率が20%で透過率が80%に設定されている場合のように、画像光GLxの成分量が比較的大きい場合には、反射光ILが発生しやすいと考えられる。一方、外界光GL' に対する反射率が高く透過率が低い場合には反射光IL'が発生しやすいと考えられる。本実施形態では、界面SPでの実質的な反射が殆どない状態とすることで、ハーフミラー層28がどのような特性を有する場合であっても、反射光IL,IL'の発生を抑制している。
図8(A)は、上記接着剤によって形成された接着層CCを有する場合の導光部材21の光射出部B3と光透過部材23との境界での画像光GLの反射率の一例を示すグラフである。グラフの横軸は光の波長を示し、縦軸は光の反射率を示している。この場合、画像光GLのうち可視光波長の反射率は、略20%で変化がほとんどなく安定しているすなわち小刻みに振動するリップルのようなものが発生していない。これは、界面SPにおける反射光ILの発生が低減されることで、認識させるべき画像光GLに対して反射光ILの存在する割合が極めて少ないことによると考えられる。これに対して、比較例である図8(B)は、接着層CCに調整材料を用いていない場合の画像光GLの反射率の一例を示すグラフである。この場合、反射率が小刻みに変化するリップルが発生しており、このようなリップルは、透過光の波長分布(色特性)に影響を与えるが、その影響が画像光GLの入射位置によって異なるので、観察者に色斑等となって認識されると考えられる。
〔E.その他〕
図9(A)は、図2(A)等に示す導光部材21の変形例を説明する図である。以上の説明では、導光部材21を伝播する画像光が第1及び第2反射面21a,21bに対して2つの反射角γ1,γ2のみで全反射されるとしたが、図9(A)に示す変形例の導光部材21のように、3つの成分の画像光GL31,GL32,GL33が反射角γ1,γ2,γ3(γ1>γ2>γ3)でそれぞれ全反射されることを許容することもできる。この場合、液晶表示デバイス32から射出される画像光GLは、3つのモードで伝搬され、観察者の眼EYの位置において合成されて虚像として認識される。この場合、図9(B)に示すように、有効表示領域A0の左側に例えば計3回全反射の投射像IM21が形成され、有効表示領域A0の中央寄りに例えば計5回全反射の投射像IM22が形成され、有効表示領域A0の右側に例えば計7回全反射の投射像IM23が形成される。
以上説明した実施形態の虚像表示装置100では、光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLが導光部の第1及び第2反射面21a,21bで全反射されつつ伝搬され、光射出部B3の第4反射面21dで反射されて観察者の眼EYに入射する。この際、画像表示装置11の第1表示点P1から射出される第1画像光GL11,GL12の導光部における反射回数と、画像表示装置11の第2表示点P2から射出される第2画像光GL21,GL22の導光部B2における反射回数とが異なるので、光射出部B3から射出される画像光GLの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置11における異なる部分領域A10,A20からの画像光GLを比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部B3越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。このように、反射回数が異なる画像光GLを取り出す構造とすることにより、導光部B2をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部B3を大きくすることができるので、光射出部B3を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察も可能になる。
また、上記実施形態の虚像表示装置100では、画像光GL及び外界光GL'の観察を可能にする光射出部B3と光透過部材23との間に設けた接着層CCが、調整材料を含むことで光透過部材23に対する屈折率が調整されているので、接着層CCと光透過部材23との界面SPにおいて、認識されるべき画像光GLが意図しない反射作用を受けて、かかる反射光ILと画像光GLとが干渉しあって色斑等の画像劣化が発生するといったことを低減できる。これにより、良好なシースルー観察を可能にできる。つまり、虚像表示装置100によって表示される虚像を高品位のものにし、かつ、外界の観察を良好に保つことができる。
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。
上記実施形態では、導光部材21の第4反射面21dに設けたハーフミラー層28の反射率を20%としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層28の反射率を50%以上として画像光を優先することもできる。なお、ハーフミラー層28は、第4反射面21dの全面に形成されなくてもよく、一部の必要領域にのみ形成されるものとできる。ハーフミラー層28の反射率を上げるのに伴って外界光GL'の透過率が下がる場合、外界光GL'についてリップルが生じる可能性が高まるが、既述のように、接着層CCの屈折率を調整していることで、外界光GL'でのリップル発生も低減できる。
上記実施形態では、比較的低屈折率の接着剤に高屈折率の調整材料を混入するとしているが、逆に高屈折率の接着剤に低屈折率の調整材料を混入することも可能である。
また、図10に示すように、接着層CCと光透過部材23の第3面23cとの間に例えばARコートによる反射防止膜29を形成し、反射光IL等の発生を抑制するものとしてもよい。
また、接着層CCが厚い場合には、認識されるべき画像光GLと反射光ILとの位置がある程度離れることで上記のように画像光GLと反射光ILとの間での干渉が生じず、反射光ILが画像光GLに影響を及ぼすことで生じるリップルは回避されるとしても、反射光ILによって画像光GLに近接した薄いゴースト像のようなもの、つまり、滲みや2重像といったものが発生する可能性がある。本実施形態では、反射光ILの発生を抑えているので、このような事態も回避される。
また、光透過性の反射膜であるハーフミラー層28は、導光部材21の光射出部B3と光透過部材23との間のうち、光射出部B3側に配置されるものとしているが、これ以外の配置であってもよい。例えば、ハーフミラー層28が光透過部材23の第3面23c上に形成され、接着層CCがハーフミラー層28と導光部材21とを接合するものとしてもよい。この場合、接着層CCと導光部材21との界面での光の通過が問題となるが、接着層CCの屈折率が導光部材21の屈折率に合わせて調整されていることで、上述した場合と同様に、当該界面において反射光と画像光とが干渉しあって色斑等の画像劣化が発生するといったことを低減できる。
光透過部材23の形状は、導光部材21を横すなわちX方向に延長するものに限らず、導光部材21を上下から挟むように拡張した部分を含むものとできる。
上記実施形態では、照明装置31からの照明光SLに特に指向性を持たせていないが、照明光SLに液晶表示デバイス32の位置に応じた指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス32を効率的に照明することができ、画像光GLの位置による輝度ムラを低減できる。
上記実施形態では、液晶表示デバイス32の表示輝度を特に調整していないが、図6(B)等に示すような投射像IM1,IM2の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。
上記実施形態では、画像表示装置11として、透過型の液晶表示デバイス32等を用いているが、画像表示装置11としては、透過型の液晶表示デバイス32に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス32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、画像表示装置11として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
上記実施形態の虚像表示装置100では、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及び導光装置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と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
上記実施形態では、光入射面ISを通る第1光軸AX1と光入射面ISを通る第2光軸AX2とが平行であるとしたが、これらの光軸AX1,AX2を非平行とすることもできる。
上記の説明では、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、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反射面21a,21b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反射面21a,21b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、第1及び第2反射面21a,21b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第1及び第2反射面21a,21bの全体又は一部がコートされていてもよい。
上記の説明では、導光部材21が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、導光部材21は、縦方向に延びるものとできる。この場合、光学パネル110は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。