JP5998738B2 - 導光装置及び虚像表示装置並びに導光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、映像光や外界光を導く導光装置等に関し、特に映像光を観察者に提示するために観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイに好適な導光装置及びこれを用いた虚像表示装置、並びに導光装置の製造方法に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ＨＭＤ等の虚像表示装置については、小型化及び軽量化を進展させることと、画質を低下させないで広画角化を達成することとが望まれている。また、観察者の視界を全て覆ってしまい、映像光のみが見える状態にしてしまうと、観察者に外界の状態が判らず、不安を与えてしまう。むしろ、外界と映像を重ねて見せることによって、仮想現実の様な新しい用途が生み出される。このため、外界の視界を妨げず、映像光を重ねて表示するディスプレイが望まれている。さらに、観察者の装着感を向上させ、見た目のフォルムを良くするためには、一般には眼鏡の形態に近づくことが望ましく、映像表示装置を眼の上方に置かないで顔の横側に離れて配置することが望ましくなる。

ところで、外界光と映像光とを重ねて表示させるシースルー機能を持った虚像表示装置に適用する導光装置の場合、例えば外界光と映像光とを重ね合せるためにブロック状の導光部材の一端に傾斜した半透過面を設けることが行われ、この場合、当該半透過面の傾斜を補って眼前を一様に覆うために、対となる他のブロック状の透光部材を接合させる必要がある。しかしながら、この接合に際して接合箇所に気泡が入り込んでしまうと、良好なシースルー性能が確保されないことになる。

また、シースルー機能を持たない場合であっても、例えば映像光を取り出すために傾斜させた反射面を設けることが行われ、この場合、外観や強度の問題から、反射面を設ける箇所に対となるブロック状の部材を接合させることがあり、この接合に際して接合箇所に気泡が入り込んでしまうと、反射面に歪みを生じさせる等の可能性がある。

特開２０１２−２７３５０号公報

本発明は、映像光を導いて表示させる導光装置であって、反射面を形成する接合部において気泡が入り込むことを抑制でき、例えば映像光に外界光を重ねて表示させるシースルー機能を持つ場合に良好なシースルー性能を確保できる導光装置及びこれを用いた虚像表示装置並びに導光装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る導光装置は、（ａ）内部を伝搬させた映像光の反射を行うミラー層を支持する接合面を有する導光プリズムと、（ｂ）導光プリズムのうち接合面に対向して配置される対向面を有し、ミラー層を接合面と対向面との間に配置して接合する対向プリズムと、（ｃ）導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面との接着領域に接着剤で形成され、導光プリズムと対向プリズムとを接合する接合部と、を備え、（ｄ）映像光を視認させる導光装置であって、（ｅ）導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、接合部を介し互いの距離の差分を所定の極小位置から遠ざかるにしたがって増大させる形状となっており、
導光プリズムは映像光を内面側で主導光方向への反射を行う全反射面を備え、前記全反射面は観察者に近い側に位置する全反射と外界側に位置する観察者に遠い側の全反射からなり、全反射面の間に接合面は配置され、
導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とは、接合部を介在させた互いの距離の差分に関して、接合面に沿って、映像光の反射を行う全反射面と接合面との交線方向に対して垂直を成す方向となる接合面に沿った主導光方向となる横方向への増大率に比べて、全反射面と接合面との交線方向となる接合面の縦方向への増大率のほうが高くなる形状となっている。

上記導光装置では、接合部において、導光プリズムの接合面に対する対向プリズムの対向面間の距離が、上記所定の極小位置から遠ざかるほど離れていく関係となっている。つまり、接着剤を充填させる接着領域の厚みが所定の極小位置から徐々に広がっていく形状となる。これにより、接合部の形成において、接着領域のうち例えば所定の極小位置に対応する位置に接合部となるべき接着剤を塗布し、塗布された接着剤を周囲に押し広げれば、接着剤が塗布された位置から外側へと徐々に一様に安定して広がるので、気泡の発生を抑制することができる。

本発明の具体的な側面では、導光プリズムにおいて、ミラー層が、映像光の部分的な反射及び外界光の部分的な透過を行うハーフミラー層である。この場合、気泡の発生を抑制することで、出来上がった接合部すなわち導光プリズムと対向プリズムとの間において、良好なシースルー性能を確保できる。

本発明の別の側面では、導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、上記所定の極小位置を接着領域のうちミラー層と重畳する範囲内に設ける形状となっている。この場合、映像光と外界光とを重畳させるミラー層に対応する領域において気泡の発生を特に抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、上記所定の極小位置を接合部の中央部に設ける形状となっている。この場合、接合部となるべき接着剤を必要な箇所全体に隈なく充填させることが容易になる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、上記所定の極小位置を接着領域の端部に設ける形状となっている。この場合、接着剤の塗布位置を接着領域のうちミラー層と重畳する範囲から外した周辺側とすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、それぞれ曲面形状である。この場合、例えば導光プリズムの接合面を映像光の反射面としてパワーを有するものにできる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムの接合面が、対向プリズムの対向面の曲率半径よりも小さい曲率半径の曲面形状である。この場合、曲面形状である接合面と対向面との間を、上記所定の極小位置から遠ざかるにしたがって単調に増大させる形状となるようにできる。なお、両面間の曲率半径の差を小さくすることによって接合部の厚みの差の偏りを抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、接合部を介在させた互いの距離の差分に関して、接合面に沿って、映像光の反射を行う全反射面と接合面との交線方向に対して垂直を成す方向への増大率に比べて、全反射面と接合面との交線方向への増大率のほうが高くなる形状となっている。この場合、導光プリズムと対向プリズムとの接合に際して、接合部を形成する接着剤を交線方向へより流動させやすくすることができるので、接合後において接着剤残りが目立たないようにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、接合部を介在させた互いの距離の差分に関して、接合部を形成する接着領域のうち観察者に近い側の端部の厚みが遠い側の端部の厚みよりも大きくなる形状となっている。この場合、接合部となるべき部分のうち観察者にとって接合部の幅を大きくしても比較的目立ちにくい側を大きくとって、接合工程において、接合部となるべき接着剤を均一に押し広げるのに十分な領域を確保できる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムと対向プリズムとが、樹脂材料でそれぞれ形成される。この場合、導光プリズム及び対向プリズムを射出成型等により所望の形状で成形できる。また、その反面、樹脂材料の表面粗さといった製造誤差を生じ、これが接合時に気泡を生じさせる可能性があるが、接合面と対向面との距離の差分を、所定の極小位置から遠ざかるにしたがって単調に増大させる形状とすることで、気泡の発生を抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、接着剤の屈折率と、樹脂材料の屈折率との差が、±０．０５以内である。この場合、導光プリズムや対向プリズムに対する接合部の屈折率差に起因する歪みを十分に抑制することができる。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムが、映像光を内部に導く導光面を３つ以上含み、導光プリズムを構成する複数の導光面のうち第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、第１面と第３面との間に配置される第２面上においてミラー層を形成し、第１面と第３面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、導光プリズムが、映像光を第３面で全反射し、第１面で全反射し、第２面で反射した後、第１面を透過させて、観察側に到達させる。この場合、プリズムを薄型にして光学系全体を小型で軽量なものにできるため、重心を観察者に近づけて装着感を向上させることができる。なお、第２面は、対向プリズムと接合される接合面ともなっている。

本発明のさらに別の側面では、導光プリズムと対向プリズムとは、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する。この場合、第２面越しに観察する外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。

本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）上記のいずれかに記載の導光装置と、（ｂ）映像光を生じさせる映像表示素子と、（ｃ）映像表示素子からの映像光を導光装置に向けて射出する投射レンズと、を備える。この場合、上記いずれかの導光装置を用いることで、良好なシースルー性能を確保できる。

本発明に係る導光装置の製造方法は、（ａ１）映像光の反射を行うミラー層を支持する接合面を有する導光プリズムと、（ａ２）導光プリズムのうち接合面として対向して配置される対向面を有する対向プリズムと、を備え、（ｂ）映像光を視認させる導光装置の製造方法であって、（ｃ）導光プリズムの接合面と対向プリズムの対向面とが、互いの距離の差分を、所定の極小位置から遠ざかるにしたがって増大させる形状となっており、接合面と対向面との間のうち上記所定の極小位置に対応する塗布位置に接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、（ｄ）接着剤塗布工程において塗布された接着剤を塗布位置から押し広げて、接着領域に充填させる接着剤充填工程と、（ｅ）接着剤充填工程において充填された接着剤を硬化させて、接着剤で接合部を形成する接合部形成工程と、を有する。

上記導光装置の製造方法では、接着剤塗布工程において上記所定の極小位置に対応する塗布位置に塗布された接着剤を、接着剤充填工程において塗布位置から外側へと徐々に広げて、接合部形成工程において、導光プリズムの接合面に対する対向プリズムの対向面の距離が、塗布位置から遠ざかるほど離れていく関係となるように両プリズムを接合することで、接着剤を一様に安定して広げられるので、作製工程において気泡が発生することを抑制できる。従って、出来上がった接合部すなわち導光プリズムと対向プリズムとの間において、良好なシースルー性能を確保できる。

第１実施形態の導光装置を含む虚像表示装置の外観を説明する斜視図である。 虚像表示装置の本体構造を説明する斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面視の断面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 （Ａ）は、導光装置の構造を示す水平方向についての一断面図であり、（Ｂ）は、導光装置の構造を示す正面図である。 （Ａ）は、導光装置の構造を示す垂直方向についての一断面図であり、（Ｂ）は、導光装置の構造を示す正面図である。 （Ａ）は、導光プリズムと対向プリズムとに対して接着剤を塗布する様子を示す図であり、（Ｂ）は、導光プリズムと対向プリズムとで接着剤を挟む様子を示す図であり、（Ｃ）は、挟まれた接着剤を押し広げる様子を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態の導光装置の作製工程を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図７（Ａ）〜図７（Ｄ）に対する比較例の作製工程を示す図である。 （Ａ）は、第２実施形態の導光装置及びこれを用いた虚像表示装置について説明するための平面視の断面図であり、（Ｂ）は、正面図である。 導光装置の他の一例の構造を示す断面図である。 （Ａ）は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の一例について説明する断面図であり、（Ｂ）は、正面図である。 （Ａ）は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の別の一例について説明する斜視図であり、（Ｂ）は、正面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の導光装置を含む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に示す本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視認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視認又は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透視部材１０１と、透視部材１０１を支持するフレーム１０２と、フレーム１０２の左右両端のカバー部から後方のつる部分（テンプル）にかけての部分に付加された第１及び第２内蔵装置部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、透視部材１０１は、観察者の眼前を覆う肉厚で湾曲した光学部材（透過アイカバー）であり、第１光学部分１０３ａと第２光学部分１０３ｂとに分かれている。図面上で左側の第１光学部分１０３ａと第１内蔵装置部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａ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。また、図面上で右側の第２光学部分１０３ｂと第２内蔵装置部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂ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。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２、図３（Ａ）、３（Ｂ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、投射透視装置７０と、画像表示装置８０とを備える。このうち、投射透視装置７０は、導光部材を含む導光装置２０と、結像用の投射レンズ３０とを備える。これらのうち、導光装置２０は、導光部材である導光プリズム１０と、対向プリズム５０とで構成される。言い換えると、導光プリズム１０と対向プリズム５０とは、接合部６０で接合されることで導光装置２０を構成している。また、導光プリズム１０の上面１０ｅとフレーム６１の下面６１ｅとが接するようにフレーム６１の下側にしっかりと固定されている。投射レンズ３０は、これを収納する鏡筒６２を介して導光プリズム１０の端部に固定されている。投射透視装置７０のうち導光プリズム１０及び対向プリズム５０すなわち導光装置２０は、図１における第１光学部分１０３ａに相当し、投射透視装置７０の投射レンズ３０と、画像表示装置８０とは、図１における第１内蔵装置部１０５ａ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。

投射透視装置７０のうち、導光装置２０の一部である導光プリズム１０は、下地の本体部分であるプリズム本体１０ｓと、光反射膜ＲＭとを有している。導光プリズム１０は、平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の部材であり、鼻に近い中央側の第１プリズム部分１１と、鼻から離れた周辺側の第２プリズム部分１２とに分けて考えることができる。第１プリズム部分１１は、光射出側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３とを有し、第２プリズム部分１２は、光入射側に配置され、光学的な機能を有する側面として、第４面Ｓ１４と、第５面Ｓ１５と、第６面Ｓ１６とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが隣接し、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置され、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５との間に第６面Ｓ１６が配置されている。また、導光プリズム１０は、第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６に隣接するとともに互いに対向する第１の側面１０ｅと第２の側面１０ｆとを有する。

導光プリズム１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯを中心軸とする自由曲面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１を中心軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、射出側光軸ＡＸＯを中心軸とする自由曲面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ３，ＡＸ４の２等分線を中心軸とする自由曲面であり、第５面Ｓ１５は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ４，ＡＸ５の２等分線を中心軸とする自由曲面であり、第６面Ｓ１６は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ４を中心軸とする自由曲面である。なお、以上の第１〜第６面Ｓ１１〜Ｓ１６は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ５等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して対称な形状を有している。

導光プリズム１０のうちプリズム本体１０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で一体的に形成されており、例えば型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより成形する。なお、プリズム本体１０ｓの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。

導光プリズム１０は、既述のように、第１プリズム部分１１と第２プリズム部分１２とに分けて考えることができるが、このうち、第１プリズム部分１１は、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。第２プリズム部分１２は、映像光ＧＬの入射及び導波を可能にする。

第１プリズム部分１１において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを第１プリズム部分１１外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第１面Ｓ１１は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、観察者に対し凹面形状を成している。

第２面Ｓ１２は、プリズム本体１０ｓの光学的側面であり、当該光学的側面にハーフミラー層１５が付随している。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわちハーフミラー膜あるいは半透過反射膜）である。ハーフミラー層１５は、第２面Ｓ１２の全体ではなく、その部分領域ＰＡ上に形成されている。つまり、ハーフミラー層１５は、第２面Ｓ１２が広がる全体領域ＱＡを主に鉛直方向に関して狭めた部分領域ＰＡ上に形成されている。より詳細には、この部分領域ＰＡは、鉛直のＹ軸方向に関する中央側に配置されており、水平の基準面ＳＲに沿った方向に関して略全体に配置されている。ハーフミラー層１５は、プリズム本体１０ｓの下地面（光学的側面）のうち部分領域ＰＡ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。ハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＨＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光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１５の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

また、第２面Ｓ１２は、詳しくは後述するように、接合部６０を介在して対向プリズム５０と接合される接合面ＪＳでもある。第２面Ｓ１２を接合面ＪＳとして見た場合、第２面Ｓ１２の全体領域ＱＡは、対向プリズム５０との接着領域ＪＤに相当する。つまり、接着領域ＪＤである全体領域ＱＡに接合部６０となるべき接着剤が充填されることで、導光プリズム１０と対向プリズム５０とが接合され、導光装置２０が形成される。

第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が略０になっている。

第２プリズム部分１２において、第４面Ｓ１４は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。

第２プリズム部分１２において、第５面Ｓ１５は、プリズム本体１０ｓの表面に無機材料で形成される光反射膜ＲＭを付随させることで形成され、反射面として機能する。

第６面Ｓ１６は、映像光ＧＬを第２プリズム部分１２内に入射させる屈折面として機能する。

対向プリズム５０は、導光プリズム１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっている。対向プリズム５０は、導光プリズム１０の透視機能を補助する光透過部材（補助プリズム）であり、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。第１透過面Ｓ５１は、導光プリズム１０の第１面Ｓ１１を延長した曲面上にある。第２透過面Ｓ５２は、当該第２面Ｓ１２に対して接着層である接合部６０によって接合され一体化されている曲面である。つまり、第２透過面Ｓ５２は、接合部６０を介在して接合面ＪＳである第２面Ｓ１２に対向して配置され、導光プリズム１０と接合される対向面ＰＳでもある。第３透過面Ｓ５３は、導光プリズム１０の第３面Ｓ１３を延長した曲面上にある。このうち第２透過面Ｓ５２と導光プリズム１０の第２面Ｓ１２とは、接合によって一体化するため、略同じ曲率であるが、第２面Ｓ１２の曲率よりも第２透過面Ｓ５２の曲率は若干緩い曲率の形状を有する（図４（Ａ）参照）。つまり、接着領域ＪＤのうち中心側から遠ざかるほど面Ｓ１２と面Ｓ５２とが互いに離れていくような形状となっている。これにより、両面Ｓ１２，Ｓ５２の接合時に接合部６０となるべき接着剤の充填を均一化させ、気泡の発生を抑制し、シースルーを良好な状態に保つことを可能にしている。

光透透過部材（補助プリズム）５０は、可視域で高い光透過性を示し、対向プリズム５０の本体部分は、導光プリズム１０のプリズム本体１０ｓと略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。

接合部６０は、導光プリズム１０と対向プリズム５０との間における接着領域ＪＤに充填された接着剤が硬化することで形成され、導光プリズム１０と対向プリズム５０とを接合させ、一体化された導光装置２０を形成させている部材である。なお、接合部６０は、略同一の屈折率を有する材料で形成されている。

投射レンズ３０は、鏡筒６２内に保持され、画像表示装置８０は、鏡筒６２の一端に固定されている。導光プリズム１０の第２プリズム部分１２は、投射レンズ３０を保持する鏡筒６２に連結され、投射レンズ３０及び画像表示装置８０を間接的に支持している。導光プリズム１０の光入射側は、投射レンズ３０等とともに、カバー部材６３に覆われ遮光されている。導光プリズム１０上端部又は下端部もカバー部材６３に覆われている。導光プリズム１０の周辺には、導光プリズム１０に外光が入射することを防止する追加の遮光部を設けることができる。遮光部は、例えば遮光性の塗装や光散乱層で構成することができる。

投射レンズ３０は、入射側光軸ＡＸＩに沿って例えば３つのレンズ３１，３２，３３を有している。各レンズ３１，３２，３３は、軸対称なレンズであり、少なくとも１つ以上が非球面を有するものとなっている。投射レンズ３０は、画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬを再結像させるために導光プリズム１０の第６面Ｓ１６を介して導光プリズム１０内に入射させる。つまり、投射レンズ３０は、映像表示素子８２の像面ＯＩ上の各点から射出された映像光又は画像光を導光プリズム１０内に再結像させるためのリレー光学系である。なお、導光プリズム１０の各面は、投射レンズ３０と協働することでリレー光学系の一部として機能する。

画像表示装置８０は、２次元的な照明光ＳＬを射出する照明装置８１と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子８２と、照明装置８１及び映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。

画像表示装置８０の照明装置８１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、光源８１ａ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８１ｂとを有する。映像表示素子８２は、例えば液晶表示デバイスで形成され、照明装置８１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８４は、光源駆動回路８４ａと、液晶駆動回路８４ｂとを備える。光源駆動回路８４ａは、照明装置８１の光源８１ａ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８４ｂは、映像表示素子８２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８４ｂ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。

なお、以上において、導光プリズム１０の接合面ＪＳである第２面Ｓ１２は、既述のように自由曲面である。この自由曲面の働きを特徴付けるのが、曲面の曲率であり、ここでは一例として、第２面Ｓ１２の原点近傍において定めた有効領域でフィッティングした場合の曲率をもって接合面ＪＳの曲率とする。この曲率は、曲面の原点を基準としてローカル座標で表現した面形状の表現式を直交座標に関して多項式展開したものとしたときの多項式の項の係数で定まる。同様に、第２透過面Ｓ５２の原点近傍の曲率をもって対向面ＰＳの曲率とする。例えば第２面Ｓ１２の原点ＯＸは、第２面Ｓ１２の面上にあり、ローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯと、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。また、詳しくは後述するが、図示の例では、原点ＯＸは、接合面ＪＳである第２面Ｓ１２と対向面ＰＳである第２透過面Ｓ５２との間を最小にする位置、言い換えると接合部６０の厚みを最小にする位置である極小位置ＭＮにあるものとする。言い換えると、極小位置ＭＮのうち第２面Ｓ１２上の点として原点ＯＸと一致しているものが存在している。

〔Ｃ．映像光等の光路〕
以下、図３（Ａ）等を虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等の光路について説明する。

映像表示素子８２から射出された映像光ＧＬは、投射レンズ３０によって収束されつつ、導光プリズム１０に設けた比較的強い正の屈折力を有する第６面Ｓ１６に入射する。

導光プリズム１０の第６面Ｓ１６を通過した映像光ＧＬは、収束しつつ進み、第２プリズム部分１２を通過する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第５面Ｓ１５で反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第４面Ｓ１４で反射される。

第２プリズム部分１２の第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第１プリズム部分１１において、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３に入射して全反射され、比較的弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１に入射して全反射される。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３を通過する前後において、導光プリズム１０中に中間像を形成する。この中間像の像面ＩＩは、映像表示素子８２の像面ＯＩに対応するものであるが、第３面Ｓ１３で折り返されたものとなっている。

第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して負の屈折力を有するものとして作用する。

第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより、映像表示素子８２上に形成された画像を観察することになる。

一方、外界光ＨＬのうち、導光プリズム１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するものは、第１プリズム部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、導光プリズム１０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、導光プリズム１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するもの、つまり、対向プリズム５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、対向プリズム５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、導光プリズム１０の第２面Ｓ１２に対応する対向プリズム５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、導光プリズム１０及び対向プリズム５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光プリズム１０の第２面Ｓ１２と対向プリズム５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接合部６０で充填されている。つまり、導光プリズム１０の第２面Ｓ１２や対向プリズム５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。

ただし、ハーフミラー層１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層１５の透過率に対応して弱められる。その一方で、ハーフミラー層１５に対応する方向からは、映像光ＧＬが入射するので、観察者は、ハーフミラー層１５の方向に映像表示素子８２上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。ハーフミラー層１５の周辺の構造について詳しくは後述するが、ハーフミラー層１５を挟持する導光プリズム１０の第２面Ｓ１２と対向プリズム５０の第２透過面Ｓ５２との間は、透明な接合部６０によって気泡を除くように充填された状態となっているので、ハーフミラー層１５の周辺においてもシースルーの状態が良好に保たれている。

なお、導光プリズム１０内で伝搬されて第２面Ｓ１２に入射した映像光ＧＬのうち、ハーフミラー層１５で反射されなかったものは、対向プリズム５０内に入射するが、対向プリズム５０に設けた不図示の反射防止部によって導光プリズム１０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ１２を通過した映像光ＧＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、対向プリズム５０側から入射してハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬは、対向プリズム５０に戻されるが、対向プリズム５０に設けた上述の不図示の反射防止部によって導光プリズム１０に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。

〔Ｄ．導光装置の接合部分の構造〕
以下、図４（Ａ）等を参照して、導光装置２０のうち、特に接合部６０による導光プリズム１０と対向プリズム５０との接合部分の構造について詳細に説明する。

導光装置２０において、導光プリズム１０の接合面ＪＳである第２面Ｓ１２は、対向プリズム５０の対向面ＰＳである第２透過面Ｓ５２よりも曲率が大きいすなわち曲率半径が小さいものとなっている。これにより、図示のように、第２面Ｓ１２と第２透過面Ｓ５２とは、第１面Ｓ１１や第３面Ｓ１３や側面１０ｅ，１０ｆに近い周辺側に近づくほど互いに遠ざかる（すなわち互いの距離が大きくなっていく）形状となっている。より具体的には、一部拡大して図示するように、接合部６０を介在させた状態での第２面Ｓ１２と第２透過面Ｓ５２との互いの距離の大きさである距離の差分を差分ｄとすると、この差分ｄが周辺側に向かって徐々に増大していくものとなっている。なお、この差分ｄは、接合部６０の各位置での厚さに相当する。ここでは、特に、第２面Ｓ１２の曲面形状の基準となる原点ＯＸが、差分ｄを最小にする極小位置ＭＮのうち第２面Ｓ１２上の点に一致するものとしている。つまり、原点ＯＸから遠ざかるにしたがって差分ｄが単調に増大する形状となっている。なお、導光プリズム１０と対向プリズム５０との接合に際して、接合部６０となるべき接着剤の塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）が原点ＯＸに対応する位置となる。また、塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）である原点ＯＸは、接着領域ＪＤである全体領域ＱＡのうちハーフミラー層１５と重畳する部分領域ＰＡの範囲内であり、より詳細には、全体領域ＱＡ或いは部分領域ＰＡの中央部である。

ここで、接合面ＪＳである第２面Ｓ１２と対向面ＰＳである第２透過面Ｓ５２との相対的な位置関係を以上のようにするために、各面Ｓ１２，Ｓ５２の形状の調整が必要となる。ただし、これらの面Ｓ１２，Ｓ５２のうち、第２面Ｓ１２は、映像光ＧＬの反射方向を適切な状態に確保する観点から、面形状に比較的制限が掛かる。これに対して、第２透過面Ｓ５２は、外界光の透過において視度を略０の状態に保つべく第２面Ｓ１２との間に気泡等を生じさせない状態が保たれればよい。さらに、本実施形態では、第２面Ｓ１２との間に介在させる接合部６０を略同一屈折率の接着剤によって形成させているため、第２面Ｓ１２との接合において当該接着剤を所望の状態に充填させるための隙間を形成させる形状を有するものであれば、光学的な面形状の精度は問われない。従って、映像光ＧＬの反射面として機能する曲率を有する第２面Ｓ１２に対して、第２透過面Ｓ５２の曲率を第２面Ｓ１２の曲率よりもやや大きくする調整を行うことで、接合部６０となるべき接着剤の流れを所望の状態に制御できるような接着領域ＪＤに形成させることが可能となる。

以下、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）や図５（Ａ）及び図５（Ｂ）により、接合部６０の形状を定める接合部６０の形成領域、言い換えると接合部６０となるべき接着剤の接着領域ＪＤ等に関してより詳細に説明する。なお、図４（Ａ）は、導光装置２０の構造を示す一断面図であり、図４（Ｂ）に示す正面図のうち、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲについてすなわち水平方向についての断面図である。また、図５（Ａ）は、導光装置２０の構造を示す別の方向からの断面図であり、図５（Ｂ）に示す正面図のうち、ＹＺ面に平行で原点ＯＸを含む面ＳＱについてすなわち垂直方向についての断面図である。

まず、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、接合部６０は、第２面Ｓ１２が広がる全体領域ＱＡに形成される。つまり、第２面Ｓ１２上における接合部６０が形成される接着領域ＪＤ（接着範囲）は、全体領域ＱＡに等しい。全体領域ＱＡは、第２面Ｓ１２の曲面に沿った横方向（水平方向）についての幅Ｌｘと、Ｙ方向である縦方向（垂直方向）についての幅Ｌｙとで画定される。言い換えると、幅Ｌｙは、接着領域ＪＤのうち、映像光の反射を行う全反射面である第３面Ｓ１３と接合面ＪＳである第２面Ｓ１２との交線方向（垂直方向）についての幅であり、幅Ｌｘは、これに対して垂直を成す方向（水平方向）についての幅である。なお、図示の場合、幅Ｌｙのほうが幅Ｌｘよりも大きいものとなっている。つまり、全体領域ＱＡにおいて、幅Ｌｙについての方向である縦方向が長手方向であり、幅Ｌｘについての方向である横方向が短手方向である。この場合、第２面Ｓ１２上での接着領域ＪＤ（接着範囲）である全体領域ＱＡに、接合部６０となるべき接着剤を充填させるにあたっては、接合後において接着剤残りが目立たないようにするため、観察者の視線が向くことの少ない上下方向である幅Ｌｙについての方向に接着剤が拡がりやすくなっていることが望ましい。このため、本実施形態では、接合面ＪＳである第２面Ｓ１２と対向面ＰＳである第２透過面Ｓ５２とについて、差分ｄに関して、幅Ｌｘについての方向への増大率よりも幅Ｌｙについての方向への増大率が高くなるような形状にしている。具体的には、図４（Ａ）に示すように幅Ｌｘが延びる方向についての差分ｄを差分ｄｘとし、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように幅Ｌｙが延びる方向についての差分ｄを差分ｄｙとした場合において、さらにそれぞれの方向についての差分の増大率を、Δｄｘ／ΔＬｘ、Δｄｙ／ΔＬｙとした場合に、
Δｄｙ／ΔＬｙ＞Δｄｘ／ΔＬｘ
となっているような形状とすることで、接着剤のはみだし量を水平方向よりも垂直方向について多くでき、接合後において接着剤残りが目立たないものとなる。なお、図示の場合、交線方向に対して垂直を成す方向（水平方向）が短手方向となり、交線方向（垂直方向）が長手方向となっており、短手方向への増大率よりも長手方向への増大率が大きくなるような形状となっている。このため、接着剤を押し広げて接着領域ＪＤに充填させる工程において、長手方向へより接着剤を多く押し広げて接着剤を接着領域ＪＤに隈なく充填させることができる。

なお、図示の場合、接合部６０のうち観察者の眼ＥＹに近い側の端部Ｔ１の幅Ｈ１が遠い側の端部Ｔ２の幅Ｈ２よりも大きくなっている。つまり、接合部６０の厚さである差分ｄに関して、端部Ｔ１側の厚みが端部Ｔ２側の厚みよりも大きくなっている。眼ＥＹに近い側は、観察者にとってぼけやすく、相対的に接合部６０の幅を大きくしても比較的目立ちにくいためである。この場合、端部Ｔ１側を大きくすることで、接合工程において、接合部６０となるべき接着剤を均一に押し広げるのに十分な領域を確保できる。

ここで、既述のように、シースルーを良好に保つために、導光プリズム１０と対向プリズム５０との接合時において気泡の発生を抑制することが非常に重要となるが、基材が樹脂材料であると、表面形状に製造誤差による表面粗さ等に起因して接着剤の充填のされ方に斑が生じ、気泡が発生しやすくなる。これに対して、本実施形態では、導光プリズム１０と対向プリズム５０とが上述した形状を有していることにより、接着剤ＣＣの充填の工程において気泡が生じることを抑制している。

〔Ｅ．導光装置の作製工程〕
以下、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）等を参照して、導光装置２０の作製工程のうち、接合部６０となるべき接着剤ＣＣの充填の工程を中心として各工程について説明する。なお、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）等の例では、接着剤ＣＣの接着面となる第２面Ｓ１２と第２透過面Ｓ５２とのうち第２面Ｓ１２を初期の塗布面としている、つまり、第２面Ｓ１２側が重力下側となるようにしている。図中においてもこれに合わせて紙面下側に第２面Ｓ１２を含む導光プリズム１０があり、紙面上側に第２透過面Ｓ５２を含む対向プリズム５０があるように描いている。

まず、図６（Ａ）に示すように、第２面Ｓ１２上において原点ＯＸを中心に含んだ近傍範囲を塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）として、接着剤ＣＣを塗布する（接着剤塗布工程）。つまり、接着剤ＣＣを塗布する塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）は、完成した状態において接合部６０のうち導光プリズム１０と対向プリズム５０との距離の差分ｄを最小にする極小位置ＭＮに対応する位置となっている。次に、図６（Ｂ）に示すように、塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）を中心としてすなわち原点ＯＸの位置を中心として、第２面Ｓ１２と対向プリズム５０の第２透過面Ｓ５２とで接着剤ＣＣを挟持した状態にして両面Ｓ１２，Ｓ５２から矢印ＡＡに示す方向押し付けることで、接着剤ＣＣを押し広げていき、図６（Ｃ）に示すように、接着領域ＪＤである第２面Ｓ１２の全体領域ＱＡについて、第２面Ｓ１２上に成膜されているハーフミラー層１５によって生じる段差部分を含めて隈なく埋め尽くすように充填させる（接着剤充填工程）。なお、以上において、接着剤塗布工程での接着剤ＣＣの塗布量は、接合部６０となるべき部分が占める体積を見越して予め定量となっており、例えば、製造誤差を考慮して若干多めに塗布することで、不足が生じることがないようにし、端部からはみ出した余剰分の接着剤ＣＣについては適宜除去する。余剰分の接着剤ＣＣが除去された状態で接着剤ＣＣを硬化させることで、接着剤ＣＣによって接合部６０が形成され（接合部形成工程）、導光装置２０作製される。なお、以上において、第２面Ｓ１２を初期の塗布面としているため、塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）が第２面Ｓ１２上にあるものとしているが、塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）は、極小位置ＭＮに対応する位置であればよく、例えば第２透過面Ｓ５２を初期の塗布面とし、塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）が第２透過面Ｓ５２上にあるものとしてもよい。

以下、図７（Ａ）〜７（Ｄ）を参照して、導光装置２０の作製工程における接着剤ＣＣの広がり方について説明する。なお、図示のように、接着剤ＣＣの占める範囲を領域ＱＱとする。図７（Ａ）に示すように、原点ＯＸを中心に含んだ塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）の範囲内に塗布された接着剤ＣＣは、図７（Ｂ）に示すように、接合面ＪＳである導光プリズム１０の第２面Ｓ１２と、対向面ＰＳである対向プリズム５０の第２透過面Ｓ５２とに挟持される。次に、図７（Ｃ）に示すように、導光プリズム１０と対向プリズム５０とを押し付けあうことで、接着剤ＣＣが押し広げられるが、この際、既述のように、第２面Ｓ１２と第２透過面Ｓ５２とは、両面間の差分を極小位置ＭＮである原点ＯＸから外側へと単調に増大させる形状を有しているので、接着剤ＣＣの広がり方を示す領域ＱＱは、原点ＯＸから外側へ徐々に均一的かつ一様に安定して広がる形状となる。さらに、このため、領域ＱＱの形状は、長手方向であるＹ方向について長い長円形状となっている。これにより、図７（Ｄ）に示すように、接着剤ＣＣの領域ＱＱは、隈なく全体領域ＱＡの全体に広がるようになっている。

これに対して、図８（Ａ）〜８（Ｄ）に示す比較例のように、極小位置ＭＮである原点ＯＸから遠ざかるにしたがって単調に増大させる形状となっていない場合には、図８（Ａ）に示すように中央部に接着剤ＣＣを塗布しても、一様な広がり方をせず、例えば図８（Ｂ）に示すように広がり方にばらつきがあり、図８（Ｃ）に示す気泡の元となる領域ＢＢａのように接着剤ＣＣの広がりが遅い部分に取り残された空気が、最終的に図８（Ｄ）に示すように、接着剤ＣＣに取り囲まれ逃げ場を失って気泡ＢＢとなってしまう。

以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００に適用する導光装置２０では、導光プリズム１０の接合面ＪＳである第２面Ｓ１２と対向プリズム５０の対向面ＰＳである第２透過面Ｓ５２とが、接合部６０を介在させた互いの距離の差分ｄを、極小位置ＭＮである原点ＯＸから遠ざかるにしたがって単調に増大させる形状となっている。これにより、接合部６０の形成において、接着領域ＪＤのうち極小位置ＭＮに対応する塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）に接合部６０となるべき接着剤ＣＣを塗布し、塗布された接着剤ＣＣを押し広げながら接合部６０となるべき部分を形成すれば、接着剤ＣＣが極小位置ＭＮに対応する塗布位置ＦＰ（初期塗布位置ＦＰ）から外側へと徐々に均一的に安定して広がるので、気泡の発生を抑制することができる。従って、出来上がった接合部６０すなわち導光プリズム１０と対向プリズム５０との間において、良好なシースルー性能を確保できる。

なお、以上では、導光プリズム１０や対向プリズム５０をハードコート層で被覆したものとしてもよく、さらに、例えば導光プリズム１０のうち光入射面である第６面Ｓ１６について、ハードコート層の上からさらに反射防止膜で被覆することもできる。

また、導光プリズム１０の第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔は５ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。また、第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角が２０°以上４０°以下となっている。

また、導光プリズム１０の第４面Ｓ１４又は第５面Ｓ１５ついては、光路の調整や収差のより精密な補正のために設けられたものであり、投射透視装置７０の仕様等を考慮して省略することができる。

また、上記では、第２面Ｓ１２においてハーフミラー層１５を有する構成としているが、このハーフミラー層１５に代えて、ホログラムを成膜することによって画像形成をするものとしてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る導光装置及びこれを用いた虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る導光装置及びこれを用いた虚像表示装置は、第１実施形態等に係る導光装置２０及びこれを用いた虚像表示装置１００の変形例であり、画像を形成するための光学系の構造が異なるが、接合部６０の構造については、第１実施形態等に示す導光装置２０及びこれを用いた虚像表示装置１００の場合と同様であるため、画像を形成するための光学系についてのみ説明し他の説明を省略する。

図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、本実施形態に係る虚像表示装置の平面図である。図示のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００の第１表示装置１００Ａは、投射透視装置７０と、画像表示装置８０とを備える。このうち、投射透視装置７０は、導光部材である導光プリズム１０と、対向プリズム５０と、投射レンズ３０とを備え、導光プリズム１０と対向プリズム５０とは、導光装置２０を構成する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置１００では、投射透視装置７０において映像光ＧＬが導光プリズム１０中に中間像を形成させず、投射レンズ３０において平行光束が射出され、これを導光装置２０において維持して射出する光学系となっている点において、上記他の実施形態とは異なっている。

導光装置２０は、導光プリズム１０と対向プリズム５０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、導光プリズム１０は、平面視において台形の部材であり、第１面ＳＳ１１、第４面ＳＳ１４及び第６面ＳＳ１６を共通化させた共通面２１ａと、第２面ＳＳ１２と、第３面ＳＳ１３と、第５面ＳＳ１５とを有する。第５面ＳＳ１５を通る光軸ＡＸＩと第２面ＳＳ１２を通る光軸ＡＸＯとは平行である。導光プリズム１０の各面が平面でパワーを有しないことで、投射レンズ３０から射出された平行光束の状態が維持される。

導光プリズム１０は、対向して延びる共通面２１ａと第３面ＳＳ１３とによる全反射を利用して導光を行う。

導光プリズム１０は、プリズム本体１０ｓを一体形成品とするが、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、共通面２１ａの一部であり光入射面である第６面ＳＳ１６と、第６面ＳＳ１６に対向する第５面ＳＳ１５とを有する。第５面ＳＳ１５は、投射レンズ３０の光軸ＡＸＩ又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、第６面ＳＳ１６から入射し全体として＋Ｚ方向に向かう映像光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、映像光ＧＬを導光部Ｂ２内に確実に結合させる。

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で折り曲げられた映像光ＧＬをそれぞれ全反射させる共通面２１ａと第３面ＳＳ１３とを有している。

光入射部Ｂ１の第５面ＳＳ１５で反射された映像光ＧＬは、まず、共通面２１ａの一部である第４面ＳＳ１４に入射し、全反射される。次に、当該映像光ＧＬは、第３面ＳＳ１３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、映像光ＧＬは、全体として導光装置２０の奥側の主導光方向すなわち光射出部Ｂ３を設けた＋Ｘ側に導かれる。

光射出部Ｂ３は、三角プリズム状の部分であり、共通面２１ａの一部であり光射出面としても機能する第１面ＳＳ１１と、第１面ＳＳ１１に対向する第２面ＳＳ１２とを有する。第１面ＳＳ１１は、映像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて射出するための裏側の平面であり、第６面ＳＳ１６と同様に共通面２１ａの一部となっており、光軸ＡＸＯに垂直に延びている。第２面ＳＳ１２は、矩形の平坦面であり、ハーフミラー層１５を有する。

第２面ＳＳ１２は、共通面２１ａに垂直な光軸ＡＸＯ又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜している。

対向プリズム５０は、光学的な機能を有する側面として、第１透過面ＳＳ５１と、第２透過面ＳＳ５２と、第３透過面ＳＳ５３とを有する。対向面ＰＳである第２透過面ＳＳ５２は、第１透過面ＳＳ５１と第３透過面ＳＳ５３との間に配置されている。

対向プリズム５０と導光プリズム１０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。

本実施形態の場合も、接合部６０を介在させた互いの距離の差分ｄを、極小位置である原点ＯＸから遠ざかるにしたがって単調に増大させる形状とすることにより、気泡の発生を抑制し、良好なシースルー性能を確保できる。なお、本実施形態の場合、一部拡大して示すように、接合面ＪＳである第２面ＳＳ１２を平坦面とする構造であるため、例えば、対向プリズム５０の第２透過面Ｓ５２の形状を第２面ＳＳ１２に対して若干湾曲した形状とすることで、差分ｄの変化を所望の状態とすることができる。

〔その他〕
以上各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、差分ｄを最小にする極小位置ＭＮが第２面Ｓ１２上において原点ＯＸに一致している点を有するものとしているが、図１０に示すように、第２面Ｓ１２上のうち原点ＯＸから外れた位置に極小位置ＭＮがあるものとすることも可能である。

また、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）に示すように、導光プリズム１０の接合面ＪＳである第２面Ｓ１２と対向プリズム５０の対向面ＰＳである第２透過面Ｓ５２とにおいて、極小位置ＭＮが接着領域ＪＤの端部ＴＰに設けられているものとすることも可能である。なお、図示の場合、極小位置ＭＮは、ハーフミラー層１５が形成される部分領域ＰＡの範囲外にあることになる。

また、上記の実施形態では、導光装置２０が装着者の眼ＥＹの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図１２（Ａ）及び１２（Ｂ）に示すように、ハーフミラー層１５を有する曲面形状である第２面Ｓ１２を含んだ導光装置２０が眼ＥＹの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。また、この場合、導光装置２０を十分小さくすることで、導光装置２０をシースルーとせず、ハーフミラー層１５に代えて全反射をするミラーを配置させた構成としても、装着者が導光装置２０の周囲から外界を観察できる。なお、図示の場合、第２面Ｓ１２の全体又は略全体にハーフミラー層１５が形成されているが、第２面Ｓ１２の一部にのみハーフミラー層１５が形成されていてもよい。また、図１２（Ｂ）の例では、眼ＥＹの略正面に導光装置２０のハーフミラー層１５が配置されるものとなっているが、導光装置２０のハーフミラー層１５を正面よりずらして配置し、視線を動かすことで映像を視認可能にするものとしてもよい。例えば、眼ＥＹの位置をやや下げる（導光装置２０の位置をやや上げる）ものとしてもよい。この場合、例えば眼ＥＹの下半分が導光装置２０の下から見える状態となる。

また、この他にも、例えば第１実施形態等に示す導光装置２０の前面にシェードを施すことにより、外界光の透過率を調整してシースルーの状態を変更でき、例えば完全に外界光を遮断することも可能である。

上記の説明では、ハーフミラー層（半透過反射膜）１５が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層１５の輪郭は用途その他の使用に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層１５の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。

上記の説明では、対向プリズム５０の本体部分と、導光プリズム１０のプリズム本体１０ｓとが略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成され、接合部６０も、これらと略同一の屈折率を有する材料で形成されるものとしているが、具体的な一例としては、接合部６０となるべき接着剤ＣＣの屈折率と、対向プリズム５０の本体部分や導光プリズム１０のプリズム本体１０ｓを形成する樹脂材料の屈折率との差が、±０．０５以内であるものとする。これにより、導光プリズム１０や対向プリズム５０に対する接合部６０の屈折率差に起因する歪みを十分に抑制することができる。

上記の説明では、映像表示素子８２における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。

上記の説明では、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２を用いているが、画像表示装置８０としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２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、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２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８０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。

上記の説明では、一対の表示装置１００Ａ，１００Ｂを備える虚像表示装置１００について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置７０及び画像表示装置８０を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置７０及び画像表示装置８０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、一対の表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔について説明していないが、両表示装置１００Ａ，１００Ｂの間隔は固定に限らず、機械機構等によって間隔の調整が可能である。つまり、両表示装置１００Ａ，１００ＢのＸ方向の間隔は、着用者の眼幅等に応じて調整することができる。

上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（例えば金属反射膜や誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。

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すなわち導光装置２０をヘッドマウントディスプレイに適用可能として具体的な説明を行ったが、光装置２０は、ヘッドアップディスプレイに適用することもできる。さらに、導光装置２０をファインダー光学系に応用することもできる。

上記の説明では、例えば第１実施形態において導光プリズム１０の第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３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映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置１００における全反射については、第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜であるハーフミラー層が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、映像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、上記第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの映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面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３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、導光プリズム１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光プリズム１０を縦方向に延びるように配置することもできる。

ＡＸ１−ＡＸ５…光軸、 ＡＸＩ…入射側光軸、 ＡＸＯ…射出側光軸、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＨＬ…外界光、 ＩＩ…中間像の像面、 ＰＡ…部分領域、 ＱＡ…全体領域、 ＪＤ…接着領域、 Ｓ１１…第１面、 Ｓ１２…第２面、 ＪＳ…接合面、 Ｓ１３−Ｓ１６…第３面−第６面、 Ｓ５１…第１透過面、 Ｓ５２…第２透過面、 ＰＳ…対向面、 Ｓ５３…第３透過面、 ＳＬ…照明光、 ＳＲ…基準面、 １０…プリズム、 １０ｓ…プリズム本体、 １１，１２…プリズム部分、 １５…ハーフミラー層（ミラー層）、 ２０…導光装置、 ３０…投射レンズ、 ３１，３２，３３…レンズ、 ５０…対向プリズム、 ６０…接合部、 ７０…投射透視装置、 ８０…画像表示装置、 ８１…照明装置、 ８２…映像表示素子、 ８４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １０３ａ，１０３ｂ…光学部分、 １０１…透視部材、 １０２…フレーム、 ＣＣ…接着剤、 ＭＮ…極小位置、 ＯＸ…原点、 ＦＰ…塗布位置（初期塗布位置）

Claims (14)

1. 内部を伝搬させた映像光の反射を行うミラー層を支持する接合面を有する導光プリズムと、
   前記導光プリズムのうち前記接合面に対向して配置される対向面を有し、前記ミラー層を前記接合面と前記対向面との間に配置し接合する対向プリズムと、
   前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面との接着領域に接着剤で形成され、前記導光プリズムと前記対向プリズムとを接合する接合部と、を備え、
   映像光を視認させる導光装置であって、
   前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記接合部を介し互いの距離の差分を所定の極小位置から遠ざかるにしたがって増大させる形状となっており、
   前記導光プリズムは前記映像光を内面側で主導光方向への反射を行う全反射面を備え、前記全反射面は観察者に近い側に位置する全反射と外界側に位置する観察者に遠い側の全反射からなり、前記全反射面の間に前記接合面は配置され、
   前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記接合部を介在させた互いの距離の差分に関して、前記接合面に沿って、映像光の反射を行う前記全反射面と前記接合面との交線方向に対して垂直を成す方向となる前記接合面に沿った主導光方向となる横方向への増大率に比べて、前記全反射面と前記接合面との交線方向となる前記接合面の縦方向への増大率のほうが高くなる形状となっている、
   導光装置。
2. 前記導光プリズムにおいて、前記ミラー層は、映像光の部分的な反射及び外界光の部分的な透過を行うハーフミラー層である、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記所定の極小位置を前記接着領域のうち前記ミラー層と重畳する範囲内に設ける形状となっている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の導光装置。
4. 前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記所定の極小位置を前記接合部の中央部に設ける形状となっている、請求項１から３までのいずれか一項に記載の導光装置。
5. 前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記所定の極小位置を前記接着領域の端部に設ける形状となっている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の導光装置。
6. 前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、それぞれ曲面形状である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の導光装置。
7. 前記導光プリズムの前記接合面は、前記対向プリズムの前記対向面の曲率半径よりも小さい曲率半径の曲面形状である、請求項６に記載の導光装置。
8. 前記導光プリズムの観察者に近い側に位置する全反射と前記接合面とが交差する端部と観察者に遠い側の全反射と前記接合面との交差する端部とを有し、
   前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記接合部を介在させた互いの距離の差分に関して、前記接合部を形成する接着領域のうち観察者に近い側の端部の厚みが遠い側の端部の厚みよりも大きくなる形状となっている、請求項１から７までのいずれか一項に記載の導光装置。
9. 前記導光プリズムと前記対向プリズムとは、樹脂材料でそれぞれ形成される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の導光装置。
10. 前記接着剤の屈折率と、前記樹脂材料の屈折率との差は、±０．０５以内である、請求項９に記載の導光装置。
11. 前記導光プリズムは、映像光を内部に導く導光面を３つ以上含み、
    前記導光プリズムを構成する複数の導光面のうち第１面と第３面とを通過させて外界を視認したときに、視度が略０になっており、
    前記第１面と前記第３面との間に配置される第２面上において前記ミラー層を形成し、
    前記第１面と前記第３面とは、観察側に対し凹面形状を成しており、
    前記導光プリズムは、映像光を前記第３面で全反射し、前記第１面で全反射し、前記第２面で反射した後、前記第１面を透過させて、観察側に到達させる、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の導光装置。
12. 前記導光プリズムと前記対向プリズムとは、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の導光装置。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の導光装置と、
    映像光を生じさせる映像表示素子と、
    前記映像表示素子からの映像光を前記導光装置に向けて射出する投射レンズと、
    を備える、虚像表示装置。
14. 映像光の反射を行うミラー層を支持する接合面を有する導光プリズムと、前記導光プリズムのうち前記接合面として対向して配置される対向面を有する対向プリズムと、
    前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面との接着領域に接着剤で形成され、前記導光プリズムと前記対向プリズムとを接合する接合部と、を備え、映像光を視認させる導光装置の製造方法であって、
    前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、互いの距離の差を、所定の極小位置から遠ざかるにしたがって増大させる形状となっており、
    前記導光プリズムは前記映像光を内面側で主導光方向への反射を行う全反射面を備え、前記全反射面は観察者に近い側に位置する全反射と外界側に位置する観察者に遠い側の全反射からなり、前記全反射面の間に前記接合面は配置され、
    前記導光プリズムの前記接合面と前記対向プリズムの前記対向面とは、前記接合部を介在させた互いの距離の差分に関して、前記接合面に沿って、映像光の反射を行う前記全反射面と前記接合面との交線方向に対して垂直を成す方向となる前記接合面に沿った主導光方向となる横方向への増大率に比べて、前記全反射面と前記接合面との交線方向となる前記接合面の縦方向への増大率のほうが高くなる形状となっており、
    前記接合面と前記対向面との間のうち前記所定の極小位置に対応する塗布位置に接着剤を塗布する接着剤塗布工程と、
    前記接着剤塗布工程において塗布された前記接着剤を前記塗布位置から押し広げて、接着領域に充填させる接着剤充填工程と、
    前記接着剤充填工程において充填された前記接着剤を硬化させて、前記接着剤で前記接合部を形成する接合部形成工程と、を有する導光装置の製造方法。

Images