JP6287131B2

JP6287131B2 - 虚像表示装置

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Publication number: JP6287131B2
Application number: JP2013248928A
Authority: JP
Inventors: 米窪　政敏; 政敏米窪
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: JP2015106105A; US9618744B2; US20150153569A1

Description

本発明は、観察系の射出瞳を拡大する光学デバイス、および当該光学デバイスを備える虚像表示装置に関する。

従来から、虚像を大きく表示する虚像ディスプレイの検討が進められている。しかしながら、液晶パネル等の映像デバイス単体の射出瞳径は小さいため、簡単な構成で効率が良い瞳拡大技術が求められている。また、表示される画角の拡大も求められている。

例えば、コンバイナーと呼ばれる光学デバイスから光を取り出すために、回折格子を用いる装置が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の回折格子としては、斜めの反射面を多数並べたものが用いられている。

米国特許第４７１１５１２号

しかしながら、特許文献１の構造は複雑で、特に大型の虚像表示装置を特許文献１の構成で製作することは困難であった。また、特許文献１の構成では、回折格子に起因する縞が見えてしまい、虚像の画質を損ねていた。

そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、簡単な構成で、不要な縞を生じさせることなく観察系の射出瞳を拡大することのできる光学デバイスおよび虚像表示装置を提供することを解決課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光学デバイスの一態様は、第１基板と、前記第１基板の一方の面に配置された第１反射面と、透光性の材料からなる第２基板と、前記第２基板の一方の面に配置された部分透過反射面とを有し、前記第１反射面は、前記部分透過反射面と平行になるように前記部分透過反射面と離間して配置され、前記第２基板の屈折率は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の屈折率よりも高く、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分に入射した光は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間で反射を繰り返し、かつ、少なくとも一部が前記部分透過反射面を透過して前記第２基板に入射し、前記第２基板の前記部分透過反射面が設けられた面とは異なる面から出射光として出射されることを特徴とする

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様によれば、第１反射面と部分透過反射面との間の離間した部分に入射した光は、第１反射面と部分透過反射面とにより反射されながら導光される。導光される光の一部は、部分透過反射面、または部分透過反射面を透過した後に第２基板から取り出される。第１反射面と部分透過反射面との間の離間した部分の屈折率は、第２基板の屈折率よりも低いので、部分透過反射膜に入射した光の一部は、全反射することなく第２基板を透過する。あるいは、第２基板に入射した光は、全反射することなく部分透過反射膜に入射し、一部が部分透過反射膜により取り出される。したがって、回折格子を用いることなく入射光を導光しながら取り出すことができるので、不要な縞を生じさせずに観察系の射出瞳を拡大することができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に前記導光体よりも屈折率の小さい気体が封入してもよい。この場合には、簡単な構成で上述のような第１反射面と部分透過反射面との間の離間した部分を実現できる。なお、気体には、空気、あるいは窒素ガス等が含まれる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の間隔を保つスペーサを設けることが好ましい。この場合には、スペーサにより、反射面と部分透過反射面の平行と間隔が保たれるので、入射光を良好に導光することができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に光を入射させる入射部を有し、前記入射部は、前記第１基板または前記第２基板の端部を延在させた延在部に、入射した光を前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に向けて反射する第２反射面が設けられた部分であることが好ましい。この場合には、延在部に入射された光を確実に高反射率反射鏡により反射させ、第１反射面と部分透過反射面との間の離間した部分に入射させることができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記部分透過反射面の透過率は、前記入射部側に位置する部分の透過率よりも前記入射部と反対側に位置する部分の透過率の方が高いことが好ましい。この場合には、光の減衰を抑えることができるので、眼の位置による明るさの変化を防止することができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記第２基板から出射される出射光に重なる外光を遮光する遮光部を有するようにしてもよい。この場合には、外光の多い場所で使用したとしても、光学デバイスの反射面による写り込みを防ぐことができる。

上述した本発明に係る光学デバイスの一態様において、前記部分透過反射面に対して前記第１反射面と反対側の位置に、偏光板と４分の１波長板とを設けてもよい。この場合には、この場合には、外光は偏光板により直線偏光となり、さらに４分の１波長板により円偏光となる。反射面により反射された外光は、入射時とは逆回りの円偏光となり、４分の１波長板により入射時とは異なる偏光方向の直線偏光となる。したがって偏光板により吸収される。このように、外光の多い場所で使用したとしても、光学デバイスの反射面による写り込みを防ぐことができる。

上記課題を解決するために、本発明に係る虚像表示装置の一態様は、上述した光学デバイスと、画像光を発する画像形成部とを備え、前記画像形成部は、前記画像形成部から出射される光が、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分に入射するように配置されていることを特徴とする。

上述した虚像表示装置の一態様によれば、画像形成部から発せられる光は、第１反射面と部分透過反射面との離間した部分に入射されるので、十分な幅の光を入射させることができる。

上述した本発明に係る虚像表示装置の一態様において、上述した光学デバイスを、第１光学デバイスおよび第２光学デバイスとして備え、前記第１光学デバイスは、前記画像形成部から出射された光を第１方向に沿って拡大して出射し、前記第２光学デバイスは、前記第１光学デバイスから出射された光を前記第１方向と交差した第２方向にそって拡大して出射するようにしてもよい。この場合には、簡単な構成で観察系の射出瞳を拡大することができる。また、虚像表示装置の小型化を図ることができる。

上述した本発明に係る虚像表示装置の一態様において、上述した光学デバイスである第１光学デバイスと、回折格子を有する光学デバイスである第２光学デバイスとを備え、前記第１光学デバイスは、前記画像形成部から出射された光を第１方向に沿って拡大して出射し、前記第２光学デバイスは、前記第１光学デバイスから出射された光を前記第１方向と交差した第２方向にそって拡大して出射するようにしてもよい。この場合には、従来の光学デバイスである第２光学デバイスと、本発明の光学デバイスである第１光学デバイスとを組み合わせることにより、簡単な構成で観察系の射出瞳を拡大することができる。

上述した本発明に係る虚像表示装置の一態様において、回折格子を有する光学デバイスである第１光学デバイスと、上述した光学デバイスである第２光学デバイスとを備え、前記第１光学デバイスは、前記画像形成部から出射された光を第１方向に沿って拡大して出射し、前記第２光学デバイスは、前記第１光学デバイスから出射された光を前記第１方向と交差した第２方向にそって拡大して出射するようにしてもよい。この場合には、簡単な構成で観察系の射出瞳を拡大することができる。

上述した本発明に係る虚像表示装置の一態様において、前記入射部として、少なくとも第１の入射部と第２の入射部を設け、前記画像形成部は、前記第１の入射部と第２の入射部に、それぞれ異なる映像信号により変調された光を入射させるようにしてもよい。この場合には、広角な虚像を表示することができる。

なお、本発明に係る虚像表示装置は、液晶ディスプレイ等の画像形成部やコリメート光学系を備えてもよく、ヘッドマウントディスプレイ等のように観察者の頭部に装着する形態に適合させることができる。また、ヘッド・マウント・ディスプレイだけでなく、擬似窓、虚像ディスプレイ、ヘッド・アップ・ディスプレイ等の様々な虚像表示装置に適用することができる。

また、上記本発明に係る虚像表示装置において「画像形成部」とは、例えば画像を表示する液晶ディスプレイやレーザー光を走査することにより観察者に画像として認識させるレーザー走査式ディスプレイなどの装置、及び画像表示から出射された画像光を集光及び変換する光学系を含む。

第１実施形態に係る光学デバイスを示す断面図である。（Ａ）は光学デバイスの平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。（Ａ）は部分透過反射膜と高反射率反射鏡の間隔が適正な場合の光の出射状態を示す断面図、（Ｂ）は部分透過反射膜と高反射率反射鏡の間隔が広い場合の光の出射状態を示す断面図である。光学デバイスにおける光の入射位置を説明するための断面図である。光学デバイスにおける突出部がないと仮定した場合の光の出射状態を説明するための断面図である。第２実施形態に係る光学デバイスを示す断面図である。（Ａ）は第３実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）の虚像表示装置の断面図である。第４実施形態に係る虚像表示装置を示す斜視図である。第５実施形態に係る虚像表示装置を示す斜視図である。第５実施形態の虚像表示装置に用いられる光学デバイスを示す断面図である。第６実施形態に係る光学デバイスを示す断面図である。第７実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。第８実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。（Ａ）は外光が偏光板により偏光される状態を示す模式図、（Ｂ）は直線偏光が１／４偏光板により円偏光となる状態を示す模式図、（Ｃ）は円偏光が１／４偏光板により直線偏光となる状態を示す模式図である。第９実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。応用例の虚像表示装置を示す斜視図である。変形例に係る光学デバイスを示す断面図である。変形例に係る光学デバイスを示す断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、以下に説明する実施形態では、本発明の光学デバイスを、ヘッド・アップ・ディスプレイ等に適用した場合を例に説明するが、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１ないし図５を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態の光学デバイス１は、ガラスあるいは透明樹脂で作成した第１透明基板２０と、当該第１透明基板２０に対して平行に配置され、ガラスあるいは透明樹脂で作成した第２透明基板１０とを備えている。第２透明基板１０の第１透明基板２０との対向面には、部分透過反射膜１１が製膜されている。部分透過反射膜１１は、薄い金属膜、誘電体多層膜等で実現できる。第１透明基板２０の第２透明基板１０との対向面には、アルミニウム、銀、誘電体多層膜等により製作した高反射率反射鏡２１が設けられている。

第１透明基板２０は、本実施形態では、一例として１〜１０ｍｍの厚さであり、平坦性が確保できる強度を有している。高反射率反射鏡２１は、本実施形態では、一例として数百オングストロームから数十ミクロンンの厚さであり、反射率が確保できる薄膜として形成されている。第２透明基板１０は、本実施形態では、一例として１〜１０ｍｍの厚さであり、平坦性が確保できる強度を有している。部分透過反射膜１１は、本実施形態では、一例として百オングストロームから数十ミクロンンの厚さであり、反射透過特性が確保できる薄膜として形成されている。

第２透明基板１０と第１透明基板２０は、図１に示すｙ方向の幅は同じ長さに形成されているが、ｘ方向の長さは、第１透明基板２０の方が第２透明基板１０よりも長さＬだけ長く形成されている。第２透明基板１０と第１透明基板２０は、第１透明基板２０の長さＬの突出部２２が光の入射側に形成されるように位置決めされる。

図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、第２透明基板１０と第１透明基板２０の間には、突出部２２が形成された入射側以外の３辺に揃うコの字型のスペーサ３０が設けられており、第２透明基板１０と第１透明基板２０の平行、つまり、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１の平行が保たれている。なお、図２（Ａ）は光学デバイスの平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。

スペーサ３０は均一な厚さｄを有しているため、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１の間隔ｄは、一例として、１ｍｍ〜１０ｍｍの長さに保たれている。部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔ｄが狭すぎると、入射光の反射回数が多くなり、鏡のごみや傷の影響が大きくなったり、鏡類の損失による光の減衰が多くなってしまう。一方、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔ｄが広すぎると、光が出てこない場所の割合が大きくなってしまう。図３（Ａ）は部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔ｄが適切な場合の出射光の状態を示し、図３（Ｂ）は部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔ｄが適切な場合の出射光の状態を示している。図３（Ｂ）から明らかなように、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔ｄが広すぎると、光が出てこない場所の割合が大きくなる。また、間隔ｄが広すぎると、光学デバイスの大型化を招いてしまう。そこで、本実施形態では、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔ｄを、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは３〜６ｍｍ程度の長さに設定している。

部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１の間には、低屈折率層として、屈折率が第２透明基板１０と第１透明基板２０の屈折率よりも低い空気が充填されている。

光学デバイス１は、図１に示すように、観察者の眼５０に対して４５度傾けて設置する。但し、角度は４５度である必要はない。光学デバイス１の傾きを少なくし、第２透明基板１０の面が観察者の眼５０と正対するように光学デバイス１を立てて行くことも可能ではあるが、この場合には突出部２２における高反射率反射鏡２１の面に対する光の入射角度を０度に近づける必要がある。しかし、入射角度が０度になると、無限回反射になってしまうため、限界がある。

光は、突出部２２の高反射率反射鏡２１が形成された面側から、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間に入射させる。光の幅は、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１の間隔を満たすのに十分な幅で入射させる。また、虚像の大きさに応じて、図１に示す破線矢印のように角度を振って光を入射させる。

光を入射させる中心の位置は、図４に示すように、部分透過反射膜１１の入射端から高反射率反射鏡２１に下した垂線が高反射率反射鏡２１に交わったところの境界位置Ｐの近傍がよい。このようにすれば、十分な幅の光を入射させることができる。

高反射率反射鏡２１が形成された突出部２２の長さは、図１に示すように高反射率反射鏡２１の面に対する入射角が最も大きい光６０によって決められる。つまり、この光６０の幅が十分な幅となるように、高反射率反射鏡２１が形成された突出部２２の長さが決められる。仮に、高反射率反射鏡２１が形成された突出部２２が設けられていない場合を考えると、図５に示すように、斜線で示した幅の光しか入射させることができず、光が出ない部分が多くなり、不都合が生じてしまう。しかしながら、本実施形態では、入射角が最も大きい光６０に対しても、十分な幅の光を入射させることができるように、高反射率反射鏡２１が形成された突出部２２の長さが設定されている。

以上のように、本実施形態の光学デバイス１は、高反射率反射鏡２１が形成された突出部２２から光を入射し、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隙部分に充填された空気により導光を行う。部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間に入射した光は、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１により繰り返し反射されて奥に進む。そして、部分透過反射膜１１に入射した光の一部は、部分透過反射膜１１を透過して第２透明基板１０を透過して観測者側の表面から出射される。導光を行う空気は、第２透明基板１０よりも屈折率が低いので、部分透過反射膜１１に入射した光の一部は、全反射することなく第２透明基板１０を透過する。第２透明基板１０は、観測者側の表面と、部分透過反射膜１１が形成された裏面が平行に形成されているので、第２透明基板１０に対する光の入射角と出射角は同じ角度である。

本発明の光学デバイス１によれば、導光部に縞の発生の原因となる回折格子等を設けることなく、所定の幅の入射光を、部分透過反射膜１１の大きさまで広げることができる。したがって、ＭＥＭＳミラースキャナーや液晶ライトバルブのような小さな射出瞳のデバイスを用いた場合でも、縞を発生させることなく、観察系の瞳を拡大することができる。また、ガラスやプラスチック等の内部全反射により導光を行う場合には、透明基板の屈折率により決まる臨界角で画角が制限されるが、本発明の光学デバイス１は、透明基板によりも屈折率の低い空気により導光を行うので、このような制限がない。しかも、構造がシンプルなので、製造が容易であるという利点を有している。

＜第２実施形態＞
次いで、本発明の第２実施形態について図６を参照して説明する。第１実施形態では、部分透過反射膜１１を、第２透明基板１０の高反射率反射鏡２１と対向する面側に設けたが、本実施形態では、部分透過反射膜１１を第２透明基板１０の観察者側の表面に設けた例である。

図６に示すように、部分透過反射膜１１は第２透明基板１０の観察者側の表面に設けられている。また、第２透明基板１０は、第１実施形態における第２透明基板１０よりも薄い基板が用いられている。具体的には、第２透明基板１０は、導光を行う空気層に対して１０％程度の厚さとなっている。例えば、第２透明基板１０は、１０μｍのＰＥＴフィルムで形成される。

第２透明基板１０が厚くなってしまうと、導光部分の間隔を第１実施形態のように設定した場合、第２透明基板１０の観察者側の表面に設けられた部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１との間隔が広くなってしまい、図３に示したように光が出てこない場所の割合が大きくなって不都合が生じる。しかし、本実施形態のように、第２透明基板１０を、導光を行う空気層に対して１０％程度の厚さに形成できる場合には、部分透過反射膜１１を第２透明基板１０の観察者側の表面に設けても、このような不都合は生じない。

本実施形態のような構成でも、縞を発生させることなく、観察系の瞳を拡大することができる。また、透明基板によりも屈折率の低い空気により導光を行うので、画角が透明基板の屈折率により制限されることがない。しかも、構造がシンプルなので、製造が容易であるという利点を有している。

＜第３実施形態＞
次いで、本発明の第３実施形態について図７を参照して説明する。第１実施形態では、瞳を拡大する本発明の光学デバイスの例について説明したが、本実施形態では、従来の光学デバイスと本発明の光学デバイスとを組み合わせて瞳を拡大する虚像表示装置の例について説明する。

図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施形態では、従来のハーフミラーアレイやホログラム等の回折格子を用いた光学デバイス７０と、本発明の光学デバイス１とを組み合わせる。光学デバイス７０としては、一例として、ハーフミラーアレイ７１を備えた光学デバイスを用いた。

光学デバイス７０により入射光をｙ方向に広げて本発明の光学デバイス１に入射させ、本発明の光学デバイス１により入射光をｘ方向に広げる。このように構成すれば、入射光をｙ方向に広げる１段目は、光学デバイス自体の大きさは小さく、出射面の面積も小さく済むので、構造が複雑な従来のハーフミラーアレイ７１を備えた光学デバイス７０でも容易に製造することができる。そして、入射光をｘ方向に広げ２段目は、出射面の面積を大きくする必要があるが、シンプルな構造の本発明の光学デバイス１を用いることにより、容易に製造することができる。

１段目と２段目の両方にハーフミラーアレイを備えた光学デバイスでは、ハーフミラーアレイに起因する縞がｙ方向とｘ方向の両方向に発生していた。しかし、本実施形態の構成によれば、ハーフミラーアレイに起因する縞の発生を、ｙ方向のみにすることができる。

＜第４実施形態＞
次いで、本発明の第４実施形態について図８を参照して説明する。第３実施形態では、本発明の光学デバイス１とハーフミラーアレイを備えた光学デバイスとを組み合わせた虚像表示装置の例について説明したが、本実施形態では、本発明の光学デバイス１と、ホログラムを備えた従来の光学デバイスとを組み合わせて瞳を拡大する虚像表示装置の例について説明する。

図８に示すように、従来の光学デバイス８０は、導光板８１と、入射側ホログラム８２と、出射側ホログラム８３とを備えている。本実施形態では、本発明の光学デバイス１を、光学デバイス８０の入射側ホログラム８２の前方に載置し、入射側ホログラム８２に所定の角度で光が入射するように光学デバイス１を傾ける。本実施形態では、光学デバイス１における第１透明基板２０の突出部２２が下側になるように光学デバイス１を載置し、下側の突出部２２から光を入射させる。なお、図８においては、部分透過反射膜１１と高反射率反射鏡２１の図示を省略している。

本実施形態によれば、液晶パネル等を用いた超小型プロジェクタやＭＥＭＳミラースキャナー等から出射された光を本発明の光学デバイス１に入射させ、入射光をｘ方向に広げる。そして、ｘ方向に広げた入射光を、光学デバイス８０の入射側ホログラム８２に入射させ、導光板８１によりｙ方向に導光させる。そして、出射側ホログラム８３により光が取り出される。このような構成によれば、ヘッド・マウント・ディスプレイ等のウェアラブルな虚像表示装置等に本発明の光学デバイスを利用することができる。

＜第５実施形態＞
次いで、本発明の第５実施形態について図９および図１０を参照して説明する。第３実施形態および第４実施形態では、本発明の光学デバイス１と従来の光学デバイスとを組み合わせた虚像表示装置の例について説明したが、本実施形態では、本発明の光学デバイス１を１段目と２段目に用いて瞳を拡大する虚像表示装置の例について説明する。

図９に示すように、本実施形態においては、１段目の光学デバイスに本発明の光学デバイス１Ａを用い、２段目の光学デバイスに本発明の光学デバイス１Ｂを用いる。光学デバイス１Ａは、第１実施形態で説明した光学デバイス１と同様の構成である。光学デバイス１Ｂは、図１０に示すように、第２透明基板１０と第１透明基板２０はｘ方向の長さが同じであり、第１透明基板２０には突出部２２が設けられていない。但し、部分透過反射膜１１は、第２透明基板１０の高反射率反射鏡２１との対向面の全面に亘って設けられているのではなく、第２透明基板１０の上端部は、幅Ｗに亘って部分透過反射膜１１が設けられていない。つまり、この上端部は、透過率が高くなっており、光を第２透明基板１０の観察者側の表面から入射させることが可能になっている。このような構成にすることにより、光学デバイス１Ｂの４辺を封止することができ、平行度および平坦度を向上させることができると共に、ごみの侵入等による汚れの発生を防ぐことができる。

本実施形態では、１段目の光学デバイス１Ａと２段目の光学デバイス１Ｂは、中心光線に入射角度だけ傾けて設置する。例えば、図９のｙ方向からの入射光の中心光線に対して、１段目の光学デバイス１Ａを４５度傾けて設置し、入射光の中心光線の入射角度を４５度とする。２段目の光学デバイス１Ｂは、観察者に対して４５度傾けて設置し、１段目の光学デバイス１Ａから出射される光を、４５度の入射角度で２段目の光学デバイス１Ｂに入射させる。このように構成することで、中心光線が観察者に対して正面の方向に出射されることになる。但し、入射角度は４５度である必要はなく、例えば３０度としてもよい。このようにすれば、光学デバイス１Ａと光学デバイス１Ｂを傾ける角度も浅くすることができる。

本実施形態によれば、１段目の光学デバイスおよび２段目の光学デバイスのいずれにも、回折格子を用いていないので、回折格子に起因する縞の発生を抑えつつ、観察系の瞳を拡大することができる。

＜第６実施形態＞
次いで、本発明の第６実施形態について図１１を参照して説明する。上述した各実施形態において、本発明の光学デバイス１に対して１方向から光を入射させる例について説明したが、本実施形態では、本発明の光学デバイス１に対して２方向から光を入射させる例について説明する。

本実施形態においては、図１１に示すように、第２透明基板１０のｘ方向の長さが、第１透明基板２０のｘ方向の長さよりも長くなっており、第２透明基板１０の高反射率反射鏡２１との対向面には、高反射率反射鏡２１と対向するように部分透過反射膜１１が設けられている。さらに、部分透過反射膜１１の上側と下側には、高反射率反射鏡１２が設けられている。

光は、第１透明基板２０側から、つまり裏面側から入射させる。入射させる方向は、高反射率反射鏡１２が設けられた上側と下側の２方向になっている。入射光として、それぞれ異なる角度の情報による映像信号によって変調した光を用い、それぞれ高反射率反射鏡１２が設けられた上側と下側の２方向から入射させることにより、広角な虚像を表示することができる。

本実施形態では、高反射率反射鏡１２に対する光の入射方向と、第２透明基板１０からの光の出射方向とを異ならせた構成となっている。このような構成とすることにより、設計の自由度が向上し、デザイン、あるいは使い勝手を向上させることができる。

＜第７実施形態＞
次いで、本発明の第７実施形態について図１２を参照して説明する。本実施形態では、本発明の光学デバイス１を覆う遮光板を設ける例について説明する。図１２に示すように、本実施形態では、光学デバイス１の出射光とほぼ平行に遮光板２を配置し、少なくとも光学デバイス１の出射側表面を覆うように構成する。

光学デバイス１は、高反射率反射鏡２１を備えているため、外光が多い場所では、その光源が高反射率反射鏡２１に写りこんで観察者側に反射してしまう。しかしながら、遮光板２を設けることにより、このような外光の写りこみを防止することができる。図１２では、第１実施形態で説明した光学デバイス１に対して遮光板２を設ける例について示しているが、他の実施形態で説明した光学デバイス１に対して遮光板２を設けてもよい。

＜第８実施形態＞
次いで、本発明の第８実施形態について図１３および図１４を参照して説明する。本実施形態では、本発明の光学デバイス１と偏光板および１／４波長板とを組み合わせる例について説明する。図１３に示すように、本実施形態では、光学デバイス１の出射側表面の上部に、偏光板３と１／４波長板４とを所定の間隔で配置する。

図１４（Ａ）に示すように、外光が偏光板３に入射すると、外光は偏光板３によって、例えば４５度の方位角の直線偏光となる。このように直線偏光となった外光が図１４（Ｂ）に示すように１／４波長板４に入射すると、直線偏光は１／４波長板４によって円偏光となる。円偏光となった外光が高反射率反射鏡２１により反射されると、外光は図１４（Ｃ）に示すように逆回りの円偏光となり、再び１／４波長板４に入射する。逆回りの円偏光となった外光は、１／４波長板４によって直線偏光となるが、偏光方向は入射時に比べて９０度回転している。したがって、このような直線偏光となった外光が再び偏光板３に入射すると、偏光方向が入射時に比べて９０度回転しているため、偏光板３によって吸収されることになる。

一方、高反射率反射鏡２１が設けられた突出部２２から入射した光については、偏光板３に入射する際にはランダム偏光となる。また、突出部２２から入射した光が、入射時に直線偏光となっている場合には、１／４波長板４に入射することにより１／４波長板４によって円偏光となり、円偏光の状態で偏光板３に入射する。したがって、偏光板３によって吸収される成分も存在するが、偏光板３を透過する光も存在するため、虚像として表示されることになる。

以上のように、本実施形態によれば、偏光板３と１／４波長板４とを光学デバイス１上に設けることにより、外光が多い場所で光学デバイス１を使用した場合でも、外光の写りこみを防止することができる。

＜第９実施形態＞
次いで、本発明の第９実施形態について図１５を参照して説明する。本実施形態では、本発明の光学デバイス１の出射側表面に対向するようにウェッジ型基板を設ける例について説明する。図１５に示すように、本実施形態では、光学デバイス１の出射光側表面に対向する位置に、透明材料で作成したウェッジ型基板５が配置されている。

ウェッジ型基板５は、光学デバイス１の光入射部としての高反射率反射鏡２１が設けられた突出部２２に近い側に厚さの厚い部分が設けられる向きに配置する。ウェッジ型基板５を屈折率１．５の材料で作成し、中心光線の入射角度が４５度の場合には、屈折角は約２８度となる。ウェッジ型基板５の頂角を２８度程度とすれば、光学デバイス１の法線に対する出射角は約２８度となる。つまり、ウェッジ型基板５を用いない場合に比べて、出射角を約１７度減少させることができる。

本実施形態のウェッジ型基板５を備えた光学デバイス１を、第５実施形態で説明した１断面の光学デバイス１Ａとして用いた場合には、２段目の光学デバイス１Ｂに対する傾き角度を小さくすることができ、装置全体を小型化することができる。

また、ウェッジ型基板５の入射面の角度、頂角、出射面の角度を調整することにより、光学デバイス１の法線に対して０度で出射させることも可能である。また、ウェッジ型基板５を複数個並べてフレネルプリズムシートを用いることも可能である。

＜応用例＞
図１６は、本発明の応用例に係る虚像表示装置の一例としてのヘッドマウントディスプレイ１００の全体像の一例を示す斜視図である。図１６に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ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、このヘッドマウントディスプレイ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。

具体的にヘッドマウントディスプレイ１００は、導光板２００と、導光板２００を支持する左右一対のテンプル１３１，１３２と、テンプル１３１，１３２に付加された一対の画像形成装置１１１，１１２とを備える。ここで、図面上において、導光板２００の左側と画像形成装置１１１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、単独でも画像表示装置として機能する。また、図面上において、導光板２００で右側と画像形成装置１１２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、単独でも画像表示装置として機能する。

導光板２００は、例えば、第４実施形態で説明した光学デバイス８０と光学デバイス１との組み合わせを、左眼用と右眼用に配置することにより構成することができる。第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとしては、例えば、液晶パネルと、投射光学系とにより構成することができる。液晶パネルのような小さな射出瞳のデバイスを用いた場合でも、導光板２００として第４実施形態で説明した光学デバイス８０と光学デバイス１との組み合わせを用いることにより、観察系の射出瞳を拡大することができる。

＜変形例＞
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に述べる各種の変形が可能である。また、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせてもよいことは勿論である。

（１）第１実施形態においては、表面と裏面が平行な第２透明基板１０を用いた例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、図１７に示すように、ウェッジ型の断面形状の第２透明基板１０Ａを用いてもよい。ウェッジ型の断面形状の第２透明基板１０Ａを用いた場合でも、出射側の表面が平面なので、どの位置でも出射角度は同じとなる。したがって、射出瞳が拡大された虚像を良好に表示させることができる。また、ウェッジ型の断面形状の第２透明基板１０Ａの入射面の角度、出射面の角度を調整することにより、光学デバイス１の法線に対する出射角度を調整することも可能である。

（２）上述した各実施形態においては、部分透過反射膜１１の透過率が均一な場合について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、部分透過反射膜１１の透過率は、入射側から見て、導光方向の奥側が高くなるように構成すれば、眼の位置による明るさの変化を抑えることができる。

（３）第２実施形態においては、第２透明基板１０の出射側表面に部分透過反射膜１１を設けた例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、高反射率反射鏡２１を、第１透明基板２０の第２透明基板１０との対向面と反対側の裏面に設置することも可能である。

（４）第６実施形態においては、光学デバイス１の上方向と下方向の２方向から光を入射させる例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、３方向または４方向から光を入射させることも可能である。

（５）上述した各実施形態または各変形例においては、第１透明基板２０には高反射率反射鏡２１のみを設けた例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、図１８に示すように、第１透明基板２０の突出部２２のみに高反射率反射鏡２１を設け、第１透明基板２０の第２透明基板１０との対向面、および、当該対向面と反対側の裏面の両方の面に、部分透過反射膜２３，２４を設けるように構成してもよい。このようにすれば、第２透明基板１０側の観察者の眼５０だけでなく、第１透明基板２０側の観察者の眼５１にも虚像を到達させることができる。

（６）上述した各実施形態または各変形例においては、第２透明基板１０と第１透明基板２０の間の空気層により導光を行う例について説明したが、本発明はこのような例に限定されるものではない。例えば、空気の代わりに、窒素等の気体を第２透明基板１０と第１透明基板２０の間に充填するようにしてもよい。

（７）本発明は、上述したヘッド・マウント・ディスプレイだけでなく、擬似窓、虚像ディスプレイ、ヘッド・アップ・ディスプレイ等の様々な虚像表示装置に適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…光学デバイス、２…遮光版、３…偏光板、４…１／４波長板、５…ウェッジ型基板、１０，１０Ａ…第２透明基板、１１…部分透明反射膜、１２…高反射率反射鏡、２０…第１透明基板、２０…高反射率反射鏡、２２…突出部、２３，２４…部分透明反射膜、３０…スペーサ、５０，５１…観察者の眼、７０…光学デバイス、７１…ハーフミラーアレイ、８０…光学デバイス、８１…導光板、８２…入射側ホログラム、８３…出射側ホログラム、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ…画像表示装置、１００Ｂ…画像表示装置、１１１，１１２…画像形成装置、１３１，１３２…テンプル、２００…導光板。

Claims

第１光学デバイスおよび第２光学デバイスと、画像光を発する画像形成部とを備えた虚像表示装置であって、
前記第１光学デバイスは、前記画像形成部から出射された光を第１方向に沿って拡大して出射し、
前記第２光学デバイスは、前記第１光学デバイスから出射された光を前記第１方向と交差した第２方向にそって拡大して出射し、
前記第１光学デバイスおよび前記第２光学デバイスは、
第１基板と、
前記第１基板の一方の面に配置された第１反射面と、
透光性の材料からなる第２基板と、
前記第２基板の一方の面に配置された部分透過反射面と、を有し、
前記第１反射面は、前記部分透過反射面と平行になるように前記部分透過反射面と離間して配置され、
前記第２基板の屈折率は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の屈折率よりも高く、
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の入射部に入射した光は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間で反射を繰り返し、かつ、少なくとも一部が前記部分透過反射面を透過して前記第２基板に入射し、前記第２基板の前記部分透過反射面が設けられた面とは異なる面から出射光として出射されることを特徴とする虚像表示装置。
第１光学デバイスおよび第２光学デバイスと、画像光を発する画像形成部とを備えた虚像表示装置であって、
前記第１光学デバイスは、前記画像形成部から出射された光を第１方向に沿って拡大して出射し、
前記第２光学デバイスは、前記第１光学デバイスから出射された光を前記第１方向と交差した第２方向にそって拡大して出射し、
前記第２光学デバイスは回折格子を有する光学デバイスであり、
前記第１光学デバイスは、
第１基板と、
前記第１基板の一方の面に配置された第１反射面と、
透光性の材料からなる第２基板と、
前記第２基板の一方の面に配置された部分透過反射面と、を有し、
前記第１反射面は、前記部分透過反射面と平行になるように前記部分透過反射面と離間して配置され、
前記第２基板の屈折率は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の屈折率よりも高く、
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の入射部に入射した光は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間で反射を繰り返し、かつ、少なくとも一部が前記部分透過反射面を透過して前記第２基板に入射し、前記第２基板の前記部分透過反射面が設けられた面とは異なる面から出射光として出射されることを特徴とする虚像表示装置。
第１光学デバイスおよび第２光学デバイスと、画像光を発する画像形成部とを備えた虚像表示装置であって、
前記第１光学デバイスは、前記画像形成部から出射された光を第１方向に沿って拡大して出射し、
前記第２光学デバイスは、前記第１光学デバイスから出射された光を前記第１方向と交差した第２方向にそって拡大して出射し、
前記第１光学デバイスは回折格子を有する光学デバイスであり、
前記第２光学デバイスは、
第１基板と、
前記第１基板の一方の面に配置された第１反射面と、
透光性の材料からなる第２基板と、
前記第２基板の一方の面に配置された部分透過反射面と、を有し、
前記第１反射面は、前記部分透過反射面と平行になるように前記部分透過反射面と離間して配置され、
前記第２基板の屈折率は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の屈折率よりも高く、
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の入射部に入射した光は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間で反射を繰り返し、かつ、少なくとも一部が前記部分透過反射面を透過して前記第２基板に入射し、前記第２基板の前記部分透過反射面が設けられた面とは異なる面から出射光として出射されることを特徴とする虚像表示装置。
光学デバイスと、画像光を発する画像形成部とを備えた虚像表示装置であって、
前記光学デバイスは、
第１基板と、
前記第１基板の一方の面に配置された第１反射面と、
透光性の材料からなる第２基板と、
前記第２基板の一方の面に配置された部分透過反射面と、
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に光を入射させる入射部である第１の入射部と第２の入射部を有し、
前記第１反射面は、前記部分透過反射面と平行になるように前記部分透過反射面と離間して配置され、
前記第２基板の屈折率は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分の屈折率よりも高く、
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の離間した部分における第１の入射部または第２の入射部に入射した光は、前記第１反射面と前記部分透過反射面との間で反射を繰り返し、かつ、少なくとも一部が前記部分透過反射面を透過して前記第２基板に入射し、前記第２基板の前記部分透過反射面が設けられた面とは異なる面から出射光として出射され
前記画像形成部は、前記第１の入射部と第２の入射部に、それぞれ異なる映像信号により変調された光を入射させることを特徴とする虚像表示装置。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の虚像表示装置において、
前記入射部として、少なくとも第１の入射部と第２の入射部を設け、
前記画像形成部は、前記第１の入射部と第２の入射部に、それぞれ異なる映像信号により変調された光を入射させることを特徴とする虚像表示装置。
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に前記第２基板よりも屈折率の小さい気体が封入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に前記第１反射面と前記部分透過反射面との間の間隔を保つスペーサが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記入射部は、前記第１基板または前記第２基板の端部を延在させた延在部に、入射した光を前記第１反射面と前記部分透過反射面との間に向けて反射する第２反射面が設けられた部分であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記部分透過反射面の透過率は、前記入射部側に位置する部分の透過率よりも前記入射部と反対側に位置する部分の透過率の方が高いことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記第２基板から出射される出射光に重なる外光を遮光する遮光部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
前記部分透過反射面に対して前記第１反射面と反対側の位置に、偏光板と４分の１波長板とが設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。