JP6409401B2 - 導光装置及び虚像表示装置 - 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装置及びこれを組み込んだ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映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。

例えば、視準像等を観察者の視野に導入する装置として、平行平面状の導光板の中に多数のハーフミラー（以下、「ＨＭ」とも呼ぶ）を配列し、このＨＭで映像光を反射して、観察者に提示するものが公知となっている（特許文献１〜４参照）。
特許文献１の装置では、導光板の一端側から導入された映像光が、導光板を斜めに横切る複数のＨＭを次々と透過しつつ反射されて観察者に届く。特許文献２の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、外側の表面で反射された後に、導光板を斜めに横切る複数のＨＭで反射されて観察者に向かう。特許文献３の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、観察者側の表面で反射された後に、導光板を斜めに横切る複数のＨＭで反射されて観察者に向かう。この際、効率を上げるため、ＨＭに入射する光のうち、大きな入射角度（５０度〜７０度）の光線については反射率をほぼゼロにし、小さな角度（４０度以下）の光線については、所定の反射率となる様に設定される。特許文献４の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、観察者側の表面で反射された後に、複数のＨＭで反射されて観察者に向かう。ここで、ＨＭを設けた領域又は層の厚さは、導光板より薄く設定されており、ＨＭを透過させることなく映像光を観察することができる。

上記特許文献１から３に記載の装置では、映像光がＨＭを透過する度に輝度が減るため、視野の中でムラが生じ、これを解消又は抑制することは容易でない。このような輝度ムラを解消するために、例えば奥側又は反光源側のＨＭの反射率を順次上げると、これに対応してＨＭの透過率が下がり外光（シースルー光）にムラが生じてしまう。
上記特許文献４に記載の装置では、ＨＭを配列して成る反射ユニットの厚みが、導光体よりも薄いので、奥側のＨＭにも他のＨＭを透過せずに光が到達する為、光量ムラが生じない。しかし、反射ユニットの中で、２つの小面を一組とするＨＭ部が配置されており、映像光はＨＭで２回反射されるため、反射効率が下がる傾向がある。

特開平３‐１５８１５号公報 特開２０１３‐２１０６３３号公報 特開２０１０‐１６４９８８号公報 特開２０１２‐８８５８８号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、映像光及び外光にムラが生じにくく、ゴーストが形成されにくい導光装置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。

上記目的を達成するため、本発明に係る導光装置は、観察者側及び外界側に対応して一対の対向する平面を有する平行導光体と、平行導光体の一端側に設けられた入射部と、平行導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、射出部は、映像光を反射する複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、反射ユニットにおいて、複数のミラーは、平行導光体の観察者側よりも外界側で入射部に近づくように傾斜し、当該複数のミラーの角度により、平行導光体の外界側の平面で反射された映像光を複数のミラーで反射させて観察者側に向かわせる。ここで、平行導光体とは、一対の平面に挟まれた導光領域を有する部材を意味する。なお、平行導光体については、入射部及び射出部の一方又は双方と一体的に形成される場合があり、この場合、入射部や射出部において、一対の平面を延長した部分を設けてもよい。

上記導光装置によれば、平行導光体の外界側の平面で反射された映像光が複数のミラーで反射されて観察者側に向うように設定しているので、反射ユニットのうち入射部から離れた奥側において、観察されるべき映像光の傾き角（観察されるべき映像光が導光用の平面で反射される際の入射角に相当するもの）を相対的に大きくすることができる。これにより、観察されるべき映像光がミラーを通過する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、ゴースト光の発生を抑えることにもなる。

本発明の具体的な側面では、上記導光装置において、反射ユニットの厚さは、平行導光体の厚さよりも薄い。この場合、平行導光体の外界側の面で反射されて反射ユニットに入射する映像光についてミラーの通過回数を減らすことができ、映像光を少ない損失で観察者側に取り出すことができる。

本発明の別の側面では、複数のミラーは、平行に配置されている。この場合、反射ユニットにおける入射位置によらず角度情報が保持され、映像光の形成が容易になり、高精度の画像を表示することができる。

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、可変ピッチで配置されている。この場合、回折ムラやモアレの発生を抑制することができる。

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、ランダムピッチで配置されている。この場合、回折ムラやモアレの発生を確実に抑制することができる。

本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍのピッチで配置されている。複数のミラーを上記のようなピッチで配置することにより、ミラーのピッチを比較的狭くした際の映像光の干渉の仕方の違いによる色ずれや、ミラーの幅を比較的広くした際の光の透過量の違いによる黒スジの発生を抑える効果がある。

本発明のさらに別の側面では、映像光のうち像形成に用いられる光が反射ユニットのミラーに入射する角度は、入射部から離れるに従って小さくなる。つまり、映像光源に近い入口側で、観察される映像光がミラーに入射する角度が大きくなり、映像光源から離れた奥側で、観察される映像光がミラーに入射する角度が小さくなる。

本発明の別の側面では、複数のミラーは、ハーフミラーで構成されている。この場合、外界光の透過性を高めてシースルー視を容易にすることができる。また、複数のミラーの間隔を狭めることが容易になり、映像光の利用効率を高めることができる。

本発明の別の側面では、反射ユニットは、平行導光体の観察者側の平面を延長した平面に沿うように配置されている。この場合、平行導光体の外界側の平面で反射された映像光を複数のミラーで反射させることが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、反射ユニットは、入射部に近い部分が遠い部分よりも外界寄りとなるように傾斜して配置されている。この場合、平行導光体の外界側の平面で反射された映像光を複数のミラーで観察者側に反射させることできる。

本発明のさらに別の側面では、平行導光体は、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、入射部から取り込まれた映像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く。

上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、映像素子からの映像光を略平行光束にして、上述した導光装置に入射させる、投射光学系とを備える。

上記虚像表示装置によれば、上述した導光装置を用いることにより、観察される映像の輝度ムラや減光を防止し、なおかつゴースト光の発生を抑えることができ、高品位の画像を観察可能にすることができる。

（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）は、導光装置の裏面図である。 導光装置等における映像光の光路について説明するための拡大図である。 反射ユニットでの光路の変化を説明する部分拡大図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、反射ユニットの作製例を説明する図である。 映像光の光路の導入に関する変形例を説明する断面図である。 映像光の光路の射出側における変形例を説明する断面図である。 （Ａ）は、反射ユニットの配置的な変形例を示し、（Ｂ）は、反射ユニットの構造的な変形例を示す。 第２実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。 反射ユニットでの光路の変化を説明する部分拡大図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、導光装置の入射部に関する変形例を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。

〔Ａ．導光装置及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す虚像表示装置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、導光装置２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光装置２０のＡ−Ａ断面と対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像としての映像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。虚像表示装置１００において、画像形成装置１０と導光装置２０とは、通常観察者の右眼及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。

画像形成装置１０は、映像素子である液晶デバイス１１と、光結合用のコリメートレンズ１２とを備える。液晶デバイス（映像素子）１１は、光源１４からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき映像光ＧＬを形成する。コリメートレンズ１２は、液晶デバイス１１上の各点から射出された映像光ＧＬを平行光線にする。なお、コリメートレンズ１２は、ガラス又はプラスチックで形成され、１枚に限らず複数枚の構成とすることができる。

導光装置２０は、図中ＸＹ面に平行に延びる平板であり、画像形成装置１０で形成された映像光ＧＬを虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光ＥＬを実質的にそのまま透過させる。導光装置２０は、映像光を取り込む入射部２１と、導光用の平行導光体２２と、映像光を取り出すための射出部２３とを備える。なお、平行導光体２２と入射部２１の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品である。

入射部２１は、画像形成装置１０からの映像光ＧＬを取り込む光入射面ＩＳと、取り込んだ映像光ＧＬを反射して平行導光体２２内に導く反射面ＲＳとを有する。反射面ＲＳは、斜面２１ａ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射した映像光ＧＬを反射し光路を直交方向に近い所定方向に折り曲げる。つまり、反射面ＲＳは、光入射面ＩＳ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−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、映像光ＧＬを平行導光体２２内に確実に結合させる。なお、入射部２１は、反射面ＲＳのサイズを確保するため、Ｚ方向に突起した三角プリズム状となっている。反射面ＲＳのＺ方向の幅は、平行導光体２２＋Ｚ方向の幅又は厚みよりも大きくなっており、映像光ＧＬを平行導光体２２にロス無く結合することができる。

平行導光体２２は、図中ＸＹ面に平行に延びる平板である。平行導光体２２は、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＸＹ面に平行な一対の平面２２ａ，２２ｂを有する。両平面２２ａ，２２ｂは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、両平面２２ａ，２２ｂは、入射部２１の反射面ＲＳで折り曲げられた映像光を全反射させる全反射面として機能し、映像光を少ない損失で射出部２３に導く役割を有する。ここで、＋Ｚ側の平面２２ａは、平行導光体２２の外界側に配置されて第１の全反射面として機能し、本明細書中では外界側面とも呼ぶ。また、−Ｚ側の平面２２ｂは、平行導光体２２の観察者側に配置されて第２の全反射面として機能し、本明細書中では観察者側面とも呼ぶ。裏側の平面（観察者側面）２２ｂのうち画像形成装置１０に近い一部は、光入射面ＩＳと共通するものとなっている。つまり、観察者側面２２ｂの一部が光入射面ＩＳとしても機能している。また、裏側の平面（外界側面）２２ｂを観察者の眼ＥＹに近い位置まで延長した平面２０ｂは、射出部２３の光射出面ＯＳを一部に含むものとなっている。
平行導光体２２において、入射部２１の反射面ＲＳで反射された映像光ＧＬは、まず、第２の全反射面である平面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該映像光ＧＬは、第１の全反射面である平面２２ａに入射し、全反射される。以上のような一対の全反射は、１回又は複数回繰り返され、映像光ＧＬは、導光装置２０の奥側即ち射出部２３を設けた−Ｚ側に導かれる。
なお、平行導光体２２は、導光装置２０の外形のうち−Ｘ側の端面を画成する側面として終端面ＥＳを有する。また、平行導光体２２は、±Ｙ側の端面を画成する上面及び底面として上端面ＴＰと下端面ＢＰとをそれぞれ有している。

射出部２３は、平行導光体２２の奥側（−Ｚ側）において、裏側の平面（第２の全反射面）２２ｂに沿って層状に形成されている。射出部２３は、平行導光体２２の一対の平面２２ａ，２２ｂのうち特に外界側の平面（第１の全反射面）２２ａで全反射されつつ伝搬されてきた映像光ＧＬを通過させる際に、入射した映像光ＧＬを所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。ここでは、射出部２３に最初に入射する映像光ＧＬが虚像光としての取出し対象であるものとする。射出部２３は、透過性を有する複数のミラー（すなわち複数のハーフミラー）を配列してなる反射ユニット３０を有するが、その詳しい構造については、図３等を参照して後に詳述する。なお、射出部２３又は反射ユニット３０は、平行導光体２２の観察者側の平面２２ａを延長した平面２０ｂに隣接して沿うように配置されている。つまり、射出部２３又は反射ユニット３０は、入射部２１に近い部分だけでなく入射部２１から離れた部分も、平行導光体２２の観察者側に配置されている。

導光装置２０が以上のような構造を有することから、画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光装置２０に入射した映像光ＧＬは、入射部２１で一様に反射されて折り曲げられ、平行導光体２２の一対の平面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＯＡに略沿って進む。＋Ｚ側の平面２２ａで反射された映像光ＧＬのうち特定のものは、射出部２３に入射する。射出部２３に入射した映像光ＧＬは、射出部２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから射出される。光射出面ＯＳから射出された映像光ＧＬは、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光ＧＬを認識することができる。
ここで、像形成に用いられる映像光ＧＬが射出部２３に入射する角度は、光源側の入射部２１から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部２３の奥側には、Ｚ方向に対して傾きの大きな映像光ＧＬが入射して比較的小さな角度で折り曲げられ、射出部２３の前側には、Ｚ方向に対して傾きの小さな映像光ＧＬが入射して比較的大きな角度で折り曲げられる。

〔Ｂ．映像光の光路〕
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図２に示すように、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を映像光ＧＬ０とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（＋Ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ１とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（＋Ｚ側）から射出される成分を映像光ＧＬ２とする。

コリメートレンズ１２を経た各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面に対応する平面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、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された映像光ＧＬ０は、平行光束として入射部２１で反射された後、標準反射角θ_０で平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに入射し、全反射される。その後、映像光ＧＬ０は、標準反射角θ_０を保った状態で、一対の平面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。映像光ＧＬ０は、平面２２ａ，２２ｂにおいて偶数回全反射され、射出部２３の中央の部分２３ｋに入射する。映像光ＧＬ１は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＸＹ面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。
また、射出面１１ａの一端側（＋Ｘ側）から射出された映像光ＧＬ１は、平行光束として入射部２１で反射された後、最大反射角θ_１で平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに入射し、全反射される。映像光ＧＬ１は、平面２２ａ，２２ｂにおいて複数回全反射され、射出部２３のうち奥側（−Ｘ側）の部分２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ_１は、入射部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｘ軸に対して鋭角となる。
一方、射出面１１ａの他端側（−Ｘ側）から射出された映像光ＧＬ２は、平行光束として入射部２１で反射された後、最小反射角θ_２で平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに入射し、全反射される。映像光ＧＬ２は、平面２２ａ，２２ｂにおいて複数回全反射され、射出部２３のうち入口側（＋Ｘ側）の部分２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角γ_２は、入射部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｘ軸に対して鈍角となる。
なお、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２が射出部２３に達するまでの全反射回数は、必ずしも一致していない。ただし、平面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、上記のように映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どない。また、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、映像光ＧＬの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光ＧＬを構成する光線成分についても映像光ＧＬ０等と同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。

ここで、入射部２１及び平行導光体２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．４とすると、その臨界角θｃの値はθｃ≒４５．６°となる。各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の反射角θ_０，θ_１，θ_２のうち最小である反射角θ_２を臨界角θｃよりも大きな値とすることで、必要な映像光について平行導光体２２内における全反射条件を満たすものにできる。
なお、中央向けの映像光ＧＬ０は、仰角φ_０（＝９０°−θ_０）で射出部２３の部分２３ｋに入射し、周辺向け映像光ＧＬ１は、仰角φ_１（＝９０°−θ_１）で射出部２３の部分２３ｈに入射し、周辺向け映像光ＧＬ２は、仰角φ_２（＝９０°−θ_２）で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角φ_０，φ_１，φ_２間には、反射角θ_０，θ_１，θ_２の大小関係を反映してφ_２＞φ_０＞φ_１の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット３０のハーフミラー３１への入射角ι（図３参照）は、仰角φ_２に対応する部分２３ｍ、仰角φ_０に対応する部分２３ｋ、仰角φ_１に対応する部分２３ｎの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ハーフミラー３１への入射角ι又はハーフミラー３１での反射角は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。

〔Ｃ．射出部の構造及び射出部による光路の折曲げ〕
以下、図２、３等を参照して、射出部２３の構造及び射出部２３による映像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。

まず、射出部２３の構造について説明する。射出部２３は、映像光ＧＬをそれぞれ反射する複数のハーフミラー３１を配列してなる反射ユニット３０を有する。反射ユニット３０は、矩形板状の部材であり、細い帯状のハーフミラー３１をストライプパターンとなるように多数埋め込んだ構造を有する。つまり、反射ユニット３０は、Ｙ方向に延びる細長いハーフミラー３１を所定のピッチＰＴで平行導光体２２の延びる方向即ちＸ方向に多数配列させることで構成されている。より具体的には、ハーフミラー３１は、図２等に示す平行導光体２２の平面２２ａ，２２ｂに平行でハーフミラー３１の配列されるＸ方向に対して垂直に延びる方向のうち、上下のＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、ハーフミラー３１は、平行導光体２２の観察者側よりも外界側で入射部２１に近づくように傾斜している。より具体的には、ハーフミラー３１は、その長手方向（Ｙ軸方向）を軸として、平面２２ａ，２２ｂに直交するＹＺ面を基準として上端（＋Ｚ側）が反時計方向に回転するように傾斜している。つまり、各ハーフミラー３１は、ＸＺ断面で見てＸ方向及びＺ方向の間の方向に延びている。さらに、全ハーフミラー３１は、精密に互いに平行に配置されている。

反射ユニット３０は、多数のブロック部材３２を接合した構造を有し、ハーフミラー３１は、隣接する一対のブロック部材３２間に挟まれた薄膜状のものとなっている。ここで、ブロック部材３２の屈折率は、平行導光体２２の屈折率と略等しくなっているが、両者の屈折率を相違させることもできる。両者の屈折率を相違させる場合、ハーフミラー３１を傾斜させる角度δを調整又は修正する必要がある。ハーフミラー３１の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＥＬ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３１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。

反射ユニット３０の製造方法の一例について説明する。予め、光透過性を有する平行平板の一面に金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより多数の要素板を準備する。その後、形成された多数の要素板を接着剤で接合しつつ積層し、全体を斜めにカットする。これにより、平行平板の分割した細長いブロック部材３２の間に金属反射膜や誘電体多層膜からなるハーフミラー３１を挟んだ構造の反射ユニット３０を得ることができる。この反射ユニット３０を、平行導光体２２の観察者側の適所に形成された凹所に埋め込むように嵌合させ、隙間に充填した接着剤を硬化させることによって固定する。

反射ユニット３０については、平行導光体２２と別体で作製するものに限らず、平行導光体２２と一体的に形成することもできる。
例えば図４（Ａ）に示すように、平行導光体２２となるべき母材２２ｉを準備し、反射ユニット３０が形成されるべき位置に多数の断面三角形の部分２２ｊが並んだ断面鋸歯状の立体構造部分２２ｋを形成する。この構造部分２２ｋの斜面２２ｍにハーフミラー３１となるべき反射層２２ｎを形成し、構造部分２２ｋの溝に液体樹脂を流し込む。これにより、図４（Ｂ）に示すように、構造部分２２ｋを構成する各溝に液体樹脂を充填した多数の断面三角形の部分２２ｐが形成され、層状の射出部２３すなわち反射ユニット３０が完成する。
なお、図４（Ａ）等では、平行導光体２２となる母材２２ｉに反射ユニット３０を形成したが、平行導光体２２とは別に形成した母材に図４（Ａ）等に示す手法で反射ユニット３０を形成し、こうして形成した反射ユニット３０を平行導光体２２に接合することもできる。

なお、反射ユニット３０におけるハーフミラー３１のピッチＰＴは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度に設定される。複数のハーフミラー３１を上記のようなピッチで配置することにより、ハーフミラー３１のピッチを狭くした際の映像光の干渉の仕方の違いによる色ずれ抑える効果や、ハーフミラー３１のピッチを広くした際の光の透過量の違いによる黒スジの発生を抑える効果がある。

ハーフミラー３１のピッチＰＴは、厳密には等間隔でなく、可変ピッチで配置されている。より具体的には、反射ユニット３０におけるハーフミラー３１のピッチＰＴは、基準間隔を中心としてランダムに増減するランダムピッチとなっている。このように、反射ユニット３０におけるハーフミラー３１をランダムピッチで配置することにより、回折ムラやモアレの発生を確実に抑制することができる。なお、ランダムピッチに限らず、例えば複数段階で増減するピッチを含む所定のピッチパターンを繰り返すものであってもよい。

ここで、反射ユニット３０の厚み、即ちハーフミラー３１のＺ軸方向の厚みＴＩは、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。なお、反射ユニット３０を支持する平行導光体２２の厚みは、例えば、数ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍ程度となっている。平行導光体２２の厚みが反射ユニット３０の厚みに比較して十分大きいと、反射ユニット３０又は平面２０ｂへの映像光ＧＬの入射角を小さくしやすく、映像光ＧＬが眼ＥＹに取り込まれない位置にあるハーフミラー３１での反射を抑えやすい。一方、平行導光体２２の厚みを比較的薄くすると、平行導光体２２や導光装置２０の軽量化を図りやすくなる。

図２、３等に示す具体例において、すべてのハーフミラー３１は、平行導光体２２の観察者側面２２ｂを基準として、時計回りで例えば４８°〜６５°程度の傾斜角度δをなすものとでき、具体的には例えば５４°の傾斜角度δをなしている。ここで、映像光ＧＬ０の仰角φ_０が例えば１８°に設定され、映像光ＧＬ１の仰角φ_１が例えば１１°に設定され、映像光ＧＬ２の仰角φ_２が例えば２５°に設定されているものとする。この場合、反射ユニット３０の中央に入射した映像光ＧＬ０は、平面２２ｂに垂直な−Ｚ方向に射出され観察者の眼ＥＹに入射する。また、反射ユニット３０の入射部２１から離れた奥側の部分２３ｈに入射した映像光ＧＬ１は、映像光ＧＬ０に対して角度γ_１＝１０．５°をなして観察者の眼ＥＹに入射する。また、反射ユニット３０の入射部２１に近い前側の部分２３ｍに入射した映像光ＧＬ１は、映像光ＧＬ０に対して角度γ_２＝１０．５°をなして観察者の眼ＥＹに入射する。

これにより、上記映像光ＧＬのうち全反射角度の比較的大きい成分（映像光ＧＬ１）を反射ユニット３０のうち−Ｘ側の部分２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分（映像光ＧＬ２）を射出部２３のうち＋Ｘ側の部分２３ｍ側に入射させた場合において、映像光ＧＬ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。このような角度関係で映像光ＧＬを取り出す構成であるため、導光装置２０は、映像光ＧＬを反射ユニット３０において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、映像光ＧＬを少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。

なお、反射ユニット３０の中央側や奥側の部分２３ｋ，２３ｈ等において、映像光ＧＬは、ハーフミラー３１を複数回通過している。この場合、ハーフミラー３１の通過回数が複数になるが、複数のハーフミラー３１からの反射光が、映像光ＧＬとして観察者の眼ＥＹにそれぞれ入射するので、光量の損失はあまり大きくはならない。
また、反射ユニット３０の中央側や奥側の部分２３ｋ，２３ｈ等において、映像光ＧＬのうち平行導光体２２の裏側又は観察者側の平面２２ｂ側で反射される成分も発生する可能性がある。しかしながら、このような映像光ＧＬは、非利用光ＧＸ（図３参照）として光路外に導かれるようになっており、観察者の眼ＥＹに入射することが回避される。

〔Ｄ．第１実施形態のまとめ〕
以上で説明した第１実施形態の導光装置２０によれば、反射ユニット３０を構成するハーフミラー３１が平行導光体２２の観察者側よりも外界側で入射部２１に近づくように傾斜するとともに、反射ユニット３０のうち少なくとも入射部２１に近い部分が平行導光体２２の観察者側に配置され、平行導光体２２の外界側の平面（第１の全反射面）２２ａで反射された映像光ＧＬが複数のハーフミラー３１で反射されて観察者側に向うように設定しているので、反射ユニット３０のうち入射部２１から離れた奥側において、観察されるべき映像光ＧＬの傾き角θ_１を相対的に大きくすることができる。これにより、観察されるべき映像光ＧＬがハーフミラー３１を通過する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、ゴースト光の発生を抑えることにもなる。

平行導光体２２における映像光ＧＬの全反射の回数は、図２に例示のものに限定されない。つまり、平行導光体２２のＺ方向の厚みやＸ方向の長さに応じて、入射部２１から射出部２３に至るまでにおける映像光ＧＬの全反射の回数を適宜変更することができる。
図５は、導光装置２０の入射部２１の配置等を変更した例を説明する図であり、図２に対応する。この場合、平行導光体２２の長さ等の変更によって、映像光ＧＬは、図２に例示するものとは異なる全反射回数で射出部２３に到達している。この結果、射出部２３から取り出される画像は、基本的に全反射回数が同じ映像光ＧＬから得たものとなる。

図６は、導光装置２０の射出部２３の構造等を変更した例を説明する図である。この場合、反射ユニット３０の厚みが、入射部２１に近い側で厚く入射部２１から遠い側で薄くなっている。入射部２１から遠い側では、映像光ＧＬ２の仰角φ_２が小さくなっており、反射ユニット３０を薄くすることで、ハーフミラー３１を通過する回数が増加することを抑制できる。

図７（Ａ）は、射出部２３の配置を変更した例を説明する図であり、図２に示す導光装置２０の一部を拡大した断面図である。この場合、平行導光体２２と反射ユニット３０とが別体となっており、平行導光体２２の裏側に設けた観察者側面２２ｂに反射ユニット３０を貼り付けた構造となっている。

図７（Ｂ）は、射出部２３又は反射ユニット３０の構造を変更した例を説明する図であり、図３に対応している。この場合、ハーフミラー３１のピッチが若干広く、外界光ＥＬの一部を直接的に通過させることができる。つまり、平行導光体２２の正面から見て一対の隣接するハーフミラー３１間に外界光ＥＬを通過させる隙間が存在し、外界光ＥＬの一部は、多数のハーフミラー３１間に形成された多数の隙間を通過して比較的少ない損失で観察者の眼ＥＹに入射する。なお、このようにハーフミラー３１のピッチが広い場合、ハーフミラー３１に代えて光透過性を有しない単なるミラーを用いても、反射ユニット３０越しに外界光ＥＬを透視することができる。

〔第２実施形態〕
以下、図８、９を参照して、第２実施形態に係る導光装置及び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虚像表示装置は、図１（Ａ）等に示す第１実施形態の変形例であり、共通する事項については説明を省略する。

図８、９に示すように、本実施形態に係る導光装置２０においては、射出部２３に設けた反射ユニット３０が傾斜した状態で組み込まれている。つまり、反射ユニット３０は、入射部２１から遠い奥側の部分２３ｈが入射部２１に近い前側の部分２３ｍよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、反射ユニット３０の入射面３０ａ及び出射面３０ｂは、平行導光体２２の平面２２ｂを基準として、反時計回りに９０°未満で適宜傾斜したものとなっている。

図９に示すように、反射ユニット３０が傾斜した状態で配置されていても、第１実施形態の角度条件と同じであるので（図３参照）、平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射された映像光ＧＬを複数のハーフミラー３１で反射させて、観察側の平面２２ｂを通過させることできる。射出部２３から射出される映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、図２の場合と同様に虚像を形成する。

なお、上記第１実施形態において、反射ユニット３０の入射部２１から遠い奥側の端部２３ｐは、外界側の平面２２ａと繋がっている必要はなく、端部２３ｐが平面２２ａから離れた構成とすることもできる。また、反射ユニット３０は、直線上に延びる必要はなく、図８の断面で見て例えば＋Ｚ側に凹形状とでき、さらに、複数の線分からなるような形状とすることもできるが、連続した形状である必要はある。

〔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。

反射ユニット３０に設けた多数のハーフミラー３１の反射率は、原則として一致させるが、これらハーフミラー３１の反射率を入射部２１から射出部２３にかけて徐々にさせることもできる。

以上の説明では、入射部２１で映像光ＧＬを反射させて平行導光体２２の一方の平面２２ｂに入射させているが、入射部２１の形状（反射面ＲＳや光入射面ＩＳの傾き、間隔等）を変更することによって、映像光ＧＬを平行導光体２２の他方の平面２２ａに入射させることもできる。

また、入射部２１の光入射面ＩＳは、平行導光体２２を構成する一対の平面２２ａ，２２ｂのいずれかと共通の面とする必要はなく、これらと別のものとできる。
例えば図１０（Ａ）に示すように、平行導光体２２の光入射側に設けられる入射部１２１を裏側の平面２２ｂから突起させる形状とすることもでき、この場合、光入射面ＩＳを観察者側面２２ｂとは別に設けることになるが、平行導光体２２に対して画像光ＧＬを斜めに入射させることが容易になる。
さらに、図１０（Ｂ）に示すように、観察者側面２２ｂで突起する入射部１２１を設けた場合、一度斜面２１ｆで反射させる構造とすることもでき、この場合、画像形成装置１０の配置等に関して設計の自由度を高めることができる。

以上の説明では、映像素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、映像素子としては、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、有機ＥＬ、ＬＥＤアレイや有機ＬＥＤ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とを組みあわせたレーザスキャナを用いた構成も可能である。

以上の説明では、虚像表示装置１００として、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。

以上の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、射出部２３は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、平面２２ａ等の光反射率を略１００％することが可能である。

以上の説明では、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、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。

以上の説明では、平行導光体２２の平面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映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、平面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、映像光ＧＬの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面２２ａ，２２ｂの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。

以上の説明では、平行導光体２２をＸ方向に横長とし、光入射面ＩＳをＸＹ面に平行な平面上で目の左右外側に位置するように形成しているが、映像光ＧＬを導光装置２０内に適切に導くことができれば、光入射面ＩＳの位置はこれに限らず、例えば導光装置２０の上下にある上端面ＴＰや下端面ＢＰの一部等に設けることも可能である。

以上では触れていないが、平行導光体２２において外形を画定する外周部のうち上端面ＴＰや下端面ＢＰ等を黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面とすることができる。さらに、上端面ＴＰや下端面ＢＰ以外の箇所に黒色塗装塗布やサンドブラスト加工を施してもよい。上端面ＴＰや下端面ＢＰ等の一部にのみ黒色塗装やサンドブラスト加工を施すものとしてもよい。

１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １１ａ…射出面、 １２…コリメートレンズ、 １４…光源、 ２０…導光装置、 ２１…入射部、 ２２…平行導光体、 ２２ａ，２２ｂ…平面（全反射面）、 ２３…射出部、 ２３ｈ，２３ｋ，２３ｍ…部分、 ３０…反射ユニット、 ３１…ハーフミラー、 ３２…ブロック部材、 １００…虚像表示装置、 ＡＸ…光軸、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２…映像光、 ＧＸ…非利用光、 ＩＳ…光入射面、 ＯＳ…光射出面、 ＲＳ…反射面

Claims (10)

1. 観察者側及び外界側に対応して一対の対向する平面を有する平行導光体と、
   前記平行導光体の一端側に設けられた入射部と、
   前記平行導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、
   前記射出部は、映像光を反射する複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、
   前記反射ユニットにおいて、前記複数のミラーは、前記平行導光体の観察者側よりも外界側で前記入射部に近づくように傾斜し、前記複数のミラーの角度により、前記平行導光体の外界側の平面で反射された映像光を前記複数のミラーで反射させて観察者側に向かわせ、
   前記反射ユニットは、前記入射部から遠い部分が近い部分よりも外界寄りとなるように傾斜して配置されている、導光装置。
2. 前記反射ユニットの厚さは、前記平行導光体の厚さよりも薄い、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記複数のミラーは、平行に配置されている、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の導光装置。
4. 前記複数のミラーは、可変ピッチで配置されている、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装置。
5. 前記複数のミラーは、ランダムピッチで配置されている、請求項４に記載の導光装置。
6. 前記複数のミラーは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍのピッチで配置されている、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の導光装置。
7. 映像光のうち像形成に用いられる光が前記反射ユニットの前記ミラーに入射する角度は、前記入射部から離れるに従って小さくなる、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装置。
8. 前記複数のミラーは、ハーフミラーで構成されている、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装置。
9. 前記平行導光体は、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、前記入射部から取り込まれた映像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く、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装置。
10. 映像光を生じさせる映像素子と、
    前記映像光を略平行光束にして、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装置に入射させる投射光学系とを備える虚像表示装置。

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