JP6510160B2 - 光学デバイス及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像光を導光する光学デバイス及び画像表示装置並びに光学デバイスの製造方法に関する。

従来より、ヘッドアップディスプレイ、ビデオカメラ等の撮影装置のビューファインダーなど、頭部に装着して使用する表示装置として、導光体によって表示素子からの映像光を観察者の眼球に導くタイプのものが種々提案されている。この表示装置の一つとして、眼鏡のような外観を有するタイプがあり、例えば、特許文献１に開示されたタイプでは、液晶ディスプレイ上の画像を、内部反射及び複数の部分反射面によって観察者の眼に向かって反射させて、画像情報を観察させることができる。

このタイプの表示装置の具体的な構成としては、例えば、観察者の眼前に位置される基板を、装着者の耳に掛けられるテンプルで支持する眼鏡のような外観を有し、テンプルに内蔵された液晶ディスプレイ等の表示素子から出射された画像光が、テンプル内の光学系によって、表示素子上の各々の位置からの拡散光を、平行な光束に各々変換した後に基板内に入射され、基板内のプリズム反射面で全反射された後、基板内を内部反射しつつ進み、複数の部分反射面により観察者の眼球へと導かれる。

特表２００３−５３６１０２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された表示装置では、光源及びテンプル内の光学系等の設置位置や、プリズム反射面及び部分反射面の基板内での設置角度によっては、表示素子の中心位置から発する光は基板内を平行な光束として導光されるのに対し、表示素子の中心から外れた位置より発する光は、プリズム反射面や部分反射面によって光束の一部が平行ではない別の角度を持った光となる。基板内で導光している光の角度は、観察者が視認する画像光内における光点の位置に対応するため、別の角度となった光は観察者にはいわゆるゴーストと呼ばれる不適正な光点として映し出されるという問題がある。

本発明の効果の一つは、上記のような問題を解決するものであり、導光体によって表示素子からの映像光を観察者の眼球に導く際に、観察者の眼球内網膜上にいわゆるゴーストと呼ばれる不適正な光点が発生するのを低減できる光学デバイス及び画像表示装置を提供できることにある。

本発明の光学デバイスの一態様は、画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で、前記画像光を導光する導光体と、前記導光体の内部に設置され、前記出射部の表面に対して傾斜し、導光する前記画像光に光学的作用をする第１光学層と、を有し、前記第１光学層は、導光する前記画像光の一部を吸収する第１光吸収層と、前記第１光吸収層で吸収されない前記画像光のうち少なくとも一部を前記出射部へ向けて反射し、少なくとも他の一部を透過する第１半反射層と、を積層した積層膜であることを特徴とする。

上述した光学デバイスの一態様によれば、入射部に入射される画像光のうち不適正な角度成分については、第１半反射層で反射又は透過する際に、第１光吸収層で吸収され消失される。詳述すると、導光体へ適正に入射された角度成分は、第１半反射層に対して深い角度で進入するため、第１光吸収層内を透過する距離が短く吸収される光量が少ない一方、導光体へ不適正に入射された角度成分は、第１半反射層に対して浅い角度で進入するため、第１光吸収層内を透過する距離が長く吸収される光量が多くなる。この結果、不適正に入射された角度成分のみを吸収させて、消失させることができ、ゴーストの発生を低減することができる。

本発明の光学デバイスの一態様は、画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で、前記画像光を導光する導光体と、前記導光体の表面に設けられた第２光吸収層と、を有し、前記導光体は、前記入射部の表面に対して傾斜した面である反射面を備え、前記第２光吸収層は、前記反射面上に設けられていることを特徴とする。

上述した光学デバイスの一態様によれば、入射部に入射する画像光は反射面に設けられた第２光吸収層おいて、不適正な角度成分が吸収され消失される。詳述すると、導光体へ適正に入射された角度成分は、反射面に対して深い角度で進入するため、第２光吸収層内を透過する距離が短く吸収される光量が少ない一方、反射面へ不適正に入射された角度成分は、反射面に対して浅い角度で進入するため、第２光吸収層内を透過する距離が長く吸収される光量が多くなる。この結果、入射された画像光の不適正な角度成分を、光入射部側で消失させることができる。

上述した光学デバイスの一態様において、前記第１光吸収層は、前記第１半反射層よりも前記出射部側に位置していることが好ましい。この場合には、導光体内を導かれ出射部から観察者側に出射させる画像光のうち、不適正な角度成分を、外部に出射させる前に吸収させることができる。

上述した光学デバイスの一態様において、さらに前記第１半反射層を透過した前記画像光に対して、光学的作用をする第２光学層と、を有し、前記第２光学層は、前記第１半反射層を透過した前記画像光の一部を吸収する第３光吸収層と、前記第３光吸収層で吸収されない、前記第１半反射層を透過した前記画像光のうち、少なくとも一部を前記出射部へ向けて反射し、少なくとも他の一部を透過する第２半反射層と、を積層した積層膜であることが好ましい。この一態様によれば、第３光吸収層によって、第２半反射層に入射する角度の浅い画像光を吸収できるので、ゴーストを抑制することが可能となる。

上述した光学デバイスの一態様において、前記第１光学層及び前記第２光学層は、前記出射部の表面に対して２９〜３１度の角度に傾斜した方向に延在していることが好ましい。この場合には、伝達する画像に発生する黒い縦筋を減少することができる。
上述した光学デバイスの一態様において、前記第１半反射層及び前記第２半反射層は、誘電体多層膜を含むことが好ましい。この場合には、透光性と反射性をより適正に維持することができる。

上述した光学デバイスの一態様において、さらに前記第２光吸収層の外側面に、反射膜を有することが好ましい。この場合には、光吸収を適正に保ちつつ、適正な角度成分の反射率を確保することができ、より確実に不適正な角度成分のみを消失させることができる。

また、本発明に係る光学デバイスの製造方法の一態様は、画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で、前記画像光を導光する光学デバイスを製造する方法であって、第１の透光性基体と第２の透光性基体との間に、入射した光の一部を吸収する第１光吸収層と、前記第１光吸収層で吸収されない前記光のうち少なくとも一部を反射し、少なくとも他の一部を透過する第１半反射層と、を設置した積層体を形成し、前記積層体を、前記第１半反射層及び前記第１光吸収層の延在方向に対して傾斜した方向に切り出すことを特徴とする。この一態様によれば、第１半反射層を容易に平行に維持できるため、精度よく導光体を製造することができる。

また、本発明に係る画像表示装置の一態様は、上述した光学デバイスを備えたことを特徴とする。このような画像表示装置の一態様としては、ヘッドマウントディスプレイが含まれ、液晶ディスプレイ等の画像形成部で表示された映像光を、導光体によって観察者の眼球に導く際に、導光体内を導かれる画像光のうち不適正な角度成分のみを吸収層により吸収し、消失させることができ、観察者の眼球内網膜上にいわゆるゴーストと呼ばれる不適正な光点が発生するのを低減することができる。

（ａ）は、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの全体像を示す斜視図であり、（ｂ）は、その平面図である。 第１実施例に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び光路を示す要部断面図である。 （ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおける適正な光路を示す要部断面図であり、（ｂ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおけるゴーストが発生した際の光路を示す要部断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおけるゴーストが発生した際の、各角度成分毎の光路を示す要部断面図である。 第１実施形態に係る吸収層においてゴーストが消失する様子を示す拡大図である。 第１実施形態に係る導光体の製造方法の手順を示す説明図である。 第１実施形態に係る導光体の他の製造方法の手順を示す説明図である。 （ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおけるゴーストが発生した際の光路を示す要部断面図であり、（ｂ）は、第２実施形態に係る吸収層においてゴーストが消失する様子を示す拡大図である。 （ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおいて発生したゴーストを示す説明図であり、（ｂ）は、第１実施形態においてゴーストが消失する様子を示す説明図である。 （ａ）は、第２実施形態においてゴーストが消失する様子を示し、（ｂ）は、第３実施形態においてゴーストが消失する様子を示す説明図である。

［第１実施形態］
以下に添付図面を参照して、本発明に係るヘッドマウントディスプレイの実施形態を詳細に説明する。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、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。

（ヘッドマウントディスプレイの全体構成）
図１（ａ）は、本実施形態に係る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り、（ｂ）はその平面図の一例である。図１（ａ）及び（ｂ）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、導光体１０３と、導光体１０３を支持する左右一対のテンプル１０１，１０２と、テンプル１０１，１０２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、導光体１０３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、単独でも表示装置として機能する。また、図面上において、導光体１０３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、単独でも表示装置として機能する。

このようなヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造及び光路について説明する。図２は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造の一例及び光路の一例を模式的に示す要部断面図である。図２に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成部１０と、導光体１０３とを備える。

画像形成部１０は、表示素子１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、表示素子１１は、液晶ディスプレイや有機ＥＬ表示装置等を用いることができる。例えば、液晶ディスプレイの場合、光源から赤、緑、青の３色を含む光を発生させ、光源からの光を液晶ディスプレイによって矩形断面の拡散する光束にし、投射光学系１２に向けて出射する。一方、投射光学系１２は、表示素子１１上の各点から射出された拡散する画像光を各々が平行な光束に変換して、導光体１０３に入射させるコリメートレンズである。各々の平行な光束は表示素子１１上の各々の位置に応じた角度を持って投射光学系１２から出射される。すなわち、投射光学系１２は、表示素子１１の平面上の画像位置情報を角度情報に変換するトランスデューサ―である。

導光体１０３の全体的な外観の一例としては、図中ＹＺ面に平行に延びる平板状の部材によって形成されている。また、導光体１０３は、長手方向の一端において導光体１０３内に埋め込まれた半透過性の複数の半反射層１２３ｂによって構成される角度変換部１２３を有し、長手方向の他端において導光体１０３を拡張するように形成されたプリズム部１１３を有する構造となっている。

導光体１０３は、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成部１０に対向する平面上に、画像形成部１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面１０３ａと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光出射面１０３ｂとを有している。さらに導光体１０３は、取り込んだ画像光を反射するプリズム反射面ＲＳを有する。また、導光体１０３において、光射出面（光射出部）１０３ｂとこれに対向する表側又は外界側の平面との間に、半反射層の多層構造から成る角度変換部１２３が形成されている。

導光体１０３の光入射面１０３ａに対し、傾斜して対向配置されるプリズム部１１３は、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、プリズム部１１３は、光入射部である光入射面１０３ａ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、画像光を導光体１０３内に結合させる。また、導光体１０３の上記プリズム反射面ＲＳ（プリズム面）上にアルミ蒸着等の成膜を施してもよい。

また、導光体１０３は、入口側のプリズム部１１３から奥側の角度変換部１２３にかけて、プリズム部１１３を介して内部に入射させた画像光を角度変換部１２３に導くための導光部２２を有している。この導光部２２は、平板状の導光体１０３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、プリズム部１１３で折り曲げられた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が画像形成部１０から遠い外界側に位置し、第２の全反射面２２ｂが画像形成部１０に近い観察側に位置するものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面１０３ａ及び光出射面１０３ｂと共通の面部分となっている。プリズム部１１３で反射された画像光は、先ず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａ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、導光体１０３の奥側すなわち角度変換部１２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂには、反射コートが施されておらず、両全反射面２２ａ，２２ｂに外界側から入射する外界光は、高い透過率で導光部２２を通過する。つまり、導光部２２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。

角度変換部１２３は、複数の光学層Ｘ（第１光学層、第２光学層）を備える。図５に示すように、光学層は、半反射層１２３ｂ（第１反射層、第２反射層）と光吸収層１２３ａ（第１光吸収層、第３光吸収層）を積層した積層膜で形成される。なお、図５に示す符号においてカッコで示した「（１）」、「（２）」は、光学層Ｘ、半反射層１２３ｂ、光吸収層１２３ａを区別して説明する場合に用いる。
角度変換部１２３では、複数の半反射層１２３ｂが所定角度で平行に配列されて形成されており、複数の半反射層１２３ｂは多層ミラーとして機能する。本実施形態では、図５に示すように、半反射層１２３ｂは、それぞれ光出射面１０３ｂに対してα＝３０度の角度となっている。この角度は、プリズム反射面ＲＳの第２の全反射面２２ｂに対する角度(３０度)と同じに設定している。表示素子１１の中心部から出射した光が光入射面１０３ａに垂直に入射するようにした場合、表示素子１１から出射した光は、半反射層１２３ｂとプリズム反射面ＲＳとを同じ角度に設定することによって導光体２２内を適正に全反射し、角度変換部１２３の多層ミラーに到達する。導光する光の第１の全反射面２２ａ及び第２の全反射面２２ｂに対する角度は３０度であり、多層ミラーの角度と同じため、第２の全反射面２２ｂ側から第１の全反射面２２ａ側に向かう光は多層ミラーに当たらない。一方、表示素子１１の中心から外れた位置より出射した光は投射光学系にて第２の全反射面２２ｂに対して垂直ではない角度で入射する。

すると、プリズム反射面ＲＳの近傍を第２の全反射面２２ｂから第１の全反射面２２ａへ向けて通過する光や、角度変換部１２３の多層ミラー近傍を第１の全反射面２２ａから第２の全反射面２２ｂへ向けて通過する光の中の、プリズム反射面ＲＳまたは多層ミラーに対して平行でない光の一部が浅い角度でプリズム反射面ＲＳや多層ミラー表面で反射する。この反射により、光の向きが本来とは異なる向きで光出射面１０３ｂから出射されることになり、本来とは異なる位置に視認されてしまうゴーストとなる。プリズム反射面ＲＳ表面または多層ミラー表面に光吸収層１２３ａを設けることによりゴーストの発生を低減することが可能となる。
そして、角度変換部１２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部１２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光出射面１０３ｂ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部１２３は、画像光の角度を変換している。また、本実施形態において、角度変換部１２３は、半透過性の複数の半反射層１２３ｂで形成されていることから、多少の減光があるが外界像の透視が可能になっている。

このような構成の導光体１０３によれば、画像形成部１０から射出され光入射面１０３ａから導光体１０３に入射した画像光は、プリズム部１１３で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸に略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部１２３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（光射出部）１０３ｂから外部に射出される。光出射面１０３ｂから外部に射出された画像光は、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等の画像光を認識することができる。

（半反射層の構成）
そして、本実施形態では、半反射層１２３ｂに浅い角度で入射する光を除去する構成として、半反射層１２３ｂの表面に光吸収層１２３ａが配置されている。

詳述すると、本実施形態に係る表示素子１１では、表示面から出射された画像光のうち、図３（ａ）に示す表示面の中心から出射された放射光については、光学系１２で光入射面１０３ａに垂直、かつ、平行な光束に変換されて導光部２２に入射され、導光部２２内を適正に反射しつつ観察者の眼球へと導かれる。ところが、同図（ｂ）に示すように、表示素子１１の表示面の中心から外れた位置から出射された放射光は、光入射面１０３ａに対して垂直ではない角度の平行な光束に変換される。
この光束のうち、正常な光路４０は、光入射面１０３ａに垂直に入射した場合の同図（ａ）と同様の適正な反射で進行するのに対し、ゴーストとなる光路４１は、プリズム反射面ＲＳに二度反射しており、プリズム反射面に対して浅い角度で入射している二度目の反射によって、正常な光路４０とは異なる角度の光路となっている。このゴーストとなる光路４１は、図４（ａ）で示されるように、半反射層１２３ｂに対しても浅い角度で入射して反射した後、もう一度別の半反射層１２３ｂで反射されてから光出射面１０３ｂから出射される。これに対し適正な反射で導光する、表示素子１１の表示面の中心から出射された放射光は、図４（ｂ）に示すように導光部２２内で浅い角度では反射されずに光出射面１０３ｂから出射されている。
これらの結果、図９（ａ）に示すように、眼球側において、本来の結像位置とは異なる位置に到達して不適正な光点、いわゆるゴーストとして観察されることとなる。

そこで、本実施形態では、図５に示すように、半反射層１２３ｂの眼球側の面（光出射面１０３ｂ）に光吸収層１２３ａを配置している。詳述すると、本実施形態では、導光部２２の基材として、ＰＭＭＡ（PolyMethyl MethAcrylate）、ＣＯＣ（CyclicOlefin Copolymer）、ＣＯＰ（CyclicOlefin Polymer）など透明度の高い材料を用い、この表面に半反射層１２３ｂや光吸収層１２３ａを積層させる。この半反射層１２３ｂとしては、金属や誘電体多層膜とを積層させた半反射フィルムを、基材に挟み込んで形成したものを用いることができ、光吸収層１２３ａの材質としては、カーボン、チタンブラックや黒染料などがあり、ＰＭＭＡ、ＣＯＣ、ＣＯＰなどの透明部材に適量混ぜてフィルムとして用いることができる。なお、本実施形態では、半反射層１２３ｂの眼球側の面のみに光吸収層１２３ａを配置したが、例えば、半反射層１２３ｂの表裏両面に光吸収層１２３ａを配置してもよく、また、半反射層１２３ｂの眼球側と反対側の面にのみ光吸収層を配置してもよい。
このように本実施形態では、図５に示すように、光出射面１０３ｂの表面に対して傾斜し、導光する画像光に光学的作用をする第１光学層Ｘ１を有し、第１光学層Ｘ１は、導光する画像光の一部を吸収する第１光吸収層１２３ａ(1)と、第１光吸収層１２３ａ(1)で吸収されない画像光のうち少なくとも一部を光出射面１０３ｂへ向けて反射し、少なくとも他の一部を透過する第１半反射層１２３ｂ(1)と、を積層した積層膜である。また、さらに第１半反射層１２３ｂ(1)を透過した画像光に対して、光学的作用をする第２光学層Ｘ２と、を有し、第２光学層Ｘ２は、第１半反射層１２３ｂ(1)を透過した画像光の一部を吸収する第３光吸収層１２３ａ(2)と、第３光吸収層１２３ａ(2)で吸収されない、第１半反射層１２３ｂ(1)を透過した画像光のうち、少なくとも一部を光出射面１０３ｂへ向けて反射し、少なくとも他の一部を透過する第２半反射層１２３ｂ(2)と、を積層した積層膜である。

（導光体の製造方法）
以上説明した半反射層１２３ｂを有する導光体１０３は、以下の手順により製造することができる。図６は、本実施形態に係る導光体１０３の製造方法の一例を示す説明図である。

すなわち、導光体１０３は、積層された複数の透光性基体（第１の透光性基体と第２の透光性基体）の間の各々に、半反射層１２３ｂと光吸収層１２３ａとを介在させた状態で接合して積層体を形成するとともに、この積層体を、厚み方向に対して斜めに切り出して成形される。この透光性基体としては、透明な部材を基板とするほか、透明なフィルムなどが含まれる。

詳述すると、同図（ａ）に示すように、光吸収性を有する光吸収フィルム３３ａ（厚み５０〜３００μｍ程度）が形成された透光性基体３４上に、半反射膜として銀合金などの薄膜３３ｂ（２〜２０ｎｍ）をスパッタ法や蒸着法などで形成し、半反射フィルム３３を構成する。光吸収フィルム３３ａは、カーボン、チタンブラックや黒染料などを、透光性基体３４に適量混ぜて成膜される。

次いで、透光性基体３４上の光吸収フィルム３３ａ上に、半反射フィルム３３を接着（接着剤、又は熱圧着など）し、さらに特定の厚み（２〜１０ｍｍ程度）の透光性基体３５を接着し、上記と同様に形成した半反射フィルム３３（半反射層の厚みは最終的な表示状態が均一な明るさを持つように最適化する）を接着する。そして、このように貼り付けられた半反射フィルム３３上に、さらに透光性基体３５を接着する。これらの工程を繰り返し、必要な半反射層数を有する積層部材３６を形成する。なお、ここでは繰り返し積層することにより積層部材３６を形成したが、透光性基体と、半反射フィルムを一度に積層して、一度に接着（接着剤、又は熱圧着など）してもよい。また、半反射層としては、金属のほか、誘電体多層膜で製膜してもよい。

その後、このように形成された積層部材３６を、図６（ｂ）に示すように、前記半反射フィルムが光出射面１０３ｂに対する角度が２９〜３１度になるように、同図中破線に沿って切断して、導光体１０３を切り出す。このようにして切り出された導光体を、表面を研磨したり、透明な部材でコーティングしたりすることによって平滑化して鏡面とする。また、端部については、斜面を切り出して、プリズム面を形成する。

この半反射膜の積層体を作成する方法としては、上記方法のほか、例えば、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、透明部材上に光吸収材を混ぜた上記樹脂をホットメルトさせて塗布し、半反射膜をコーティング、これに透明部材を張り合わせ、前述した光吸収層をホットメルト製膜、これを繰り返して作成してもよい。さらに、他の製造方法でも、上記構造を実現できれば同様に用いることができる。

（本実施形態による作用・効果）
以上の説明した本実施形態によれば、図５に示すように、画像形成部１０から出射された画像光のうち不適正な角度成分については、導光体１０３の半反射層１２３ｂで反射される際に、光吸収層１２３ａで吸収され消失される。特に、本実施形態では、観察者の眼前に配置される半反射層１２３ｂの表面に光吸収層１２３ａを配置したことから、導光体１０３内を導かれ観察者側に出射させる画像光のうち、不適正な角度成分を、光路の最終段階で吸収させることができ、より確実に消失させることができる。

詳述すると、導光部２２へ適正に入射された角度成分は、半反射層１２３ｂに対して深い角度（反射層の法線方向に対して３０°程度）で進入するため、より短い距離を透過することとなり、吸収される光量が少ない。一方、表示装置の中心から外れた位置からの光の一部は、半反射層１２３ｂに対して浅い角度（反射層の法線方向に対して８０°~９０°程度）で進入するため、半反射層１２３ｂ内を透過する距離が長く吸収される光量が多い。すなわち、厚みがｄとなる半反射層１２３ｂに対して角度θで入射する光は、光吸収層１２３ａ内を、距離ｄ／ｓｉｎθを通過することになる。このため、例えばθ＝５度であればｄの１１．５倍の距離を通過することになる。従ってｄの厚みで８０％の透過率であれば０．８の１１．５乗の透過率となり、実質ほとんどが吸収されることになる。

具体的には、図５に示すように、導光部２２上側から出た画像光については、導光部２２の半反射層１２３ｂで反射せず、半反射層１２３ａ吸収されている。なお、導光部２２下側から出た画像光については、導光部２２の半反射層１２３ｂで反射されたとしても、光吸収層１２３ａで十分に吸収され微弱化されていることから、導光部２２の光出射面１０３ｂの界面において消光している。この結果、本実施形態によれば、不適正に入射された角度成分のみを吸収させて、消失させることができ、図９（ｂ）に示すように、ゴーストの発生を低減することができる。

また、本実施形態では、導光部２２の光出射面１０３ｂと半反射層１２３ｂとの成す角を３０度としたが、２９度〜３１度としてもよい。この範囲の角度は、半反射ミラー同士の影が表示に影響することが少なく、他の角度に比べて黒筋が比較的少ない、良好な表示を得ることができる。

［第２実施形態］
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、光吸収層を、半反射層１２３ｂの表面に配置したが、本実施形態では、上記光吸収層をプリズム反射面ＲＳに配置したことを要旨とする。なお、本実施形態において、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その機能等は特に言及しない限り同一であり、その説明は省略する。

本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、上述した光吸収層をプリズム部１１３のプリズム反射面ＲＳに形成している。具体的には、このプリズム反射面ＲＳには、光吸収フィルム１１３ａを圧着し、その表面にアルミニウムなどで反射膜を形成する。なお、このプリズム反射面ＲＳに光吸収層１２３ａ（第２吸収層）を有する導光部２２の製造は、プリズム部１１３に反射膜つきの光吸収フィルムを接着してもよく、あるいは光吸収フィルムを貼り付けた後に反射膜を製膜してもよい。

このような本実施形態に係る表示装置によれば、導光部２２端部で反射させるプリズム反射面ＲＳ面において、表示素子１１から出射された画像光のうちゴーストになる成分が直ちに消失される。すなわち、図８（ａ）に示すように、プリズム部１１３に浅い角度で入射した角度成分（図中一点鎖線）は、プリズム反射面ＲＳで反射し、メインとなる適正な角度成分（図中点線）とずれた不適正な角度成分となり、これがゴーストの原因となる。本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、光吸収フィルム１１３ａをプリズム部１１３のプリズム反射面ＲＳに形成していることから、適正に入射された角度成分は、プリズム部１１３に対して深い角度（反射層の法線方向に対して３０°程度）で進入するため、より短い距離を透過することとなり、吸収される光量が少ない。一方、プリズム部１１３に対して浅い角度（反射層の法線方向に対して８０°~９０°程度）で進入した角度成分は、プリズム部１１３内を透過する距離が長く吸収される光量が多い。この結果、本実施形態によれば、導光部２２に対して不適正に入射された角度成分のみを光吸収フィルム１１３ａに吸収させて、直ちに消失させることができ、この結果、図１０（ａ）に示すように、ゴーストの発生を低減することができる。

［第３実施形態］
さらに、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、上述した第１実施形態及び第２実施形態で説明した、光吸収層を、半反射層の表面と、上記光吸収層をプリズム面との両方に配置したことを要旨とする。なお、本実施形態において、上述した第１及び第２実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その機能等は特に言及しない限り同一であり、その説明は省略する。

具体的に本実施形態では、半反射層１２３ｂの眼球側の面に光吸収層を配置するとともに、プリズム面には、上記光吸収フィルムを圧着し、その表面にアルミニウムなどで反射膜を形成している。上述した第１実施形態と同様に、導光体の基材としては、ＰＭＭＡ、ＣＯＣ、ＣＯＰなど透明度の高い部材を用い、これに反射層や光吸収層を積層させる。光吸収材としては、カーボン、チタンブラックや黒染料などがあり、これらを前記透明部材に適量混ぜてフィルムとして用いることができ、半反射層１２３ｂとしては、金属や誘電体多層膜とを積層させた半反射フィルムを、透明部材に挟み込んで形成したものを用いることができる。

このような本実施形態に係る表示装置によれば、画像形成部１０から出射された画像光のうち不適正な角度成分については、導光部２２端部のプリズム反射面ＲＳにおいて、直ちに消失されるとともに、導光部２２内を導かれた後、観察者の眼前に配置される半反射層１２３ｂの光吸収層１２３ａにおいて、光路の最終段階で吸収させることができ、より確実に消失させることができる。

詳述すると、先ず、導光部２２端部で反射させるプリズム反射面ＲＳにおいて、表示素子１１から出射された画像光のうち不適正な角度成分が直ちに消失される。すなわち、図８（ｂ）に示すように、光吸収フィルム１１３ａをプリズム部１１３のプリズム反射面ＲＳに形成していることから、適正に入射された角度成分は、プリズム部１１３に対して深い角度（反射層の法線方向に対して３０°程度）で進入するため、より短い距離を透過することとなり、吸収される光量が少ない。一方、プリズム部１１３に対して浅い角度（反射層の法線方向に対して８０°~９０°程度）で進入した角度成分は、プリズム部１１３内を透過する距離が長く吸収される光量が多い。この結果、本実施形態によれば、導光部２２に対して不適正に入射された角度成分のみを光吸収フィルム１１３ａに吸収させて、直ちに消失させることができる。

一方、プリズム反射面ＲＳにおいて消失しきれなかった不適正な角度成分については、半反射層１２３ｂに対して浅い角度（反射層の法線方向に対して８０°~９０°程度）で進入するため、半反射層１２３ｂ内を透過する距離が長く吸収される光量が多く、実質的にほとんどが吸収されることになる。このとき、プリズム反射面ＲＳに適正に進入した角度成分については、半反射層１２３ｂに対して深い角度（反射層の法線方向に対して３０°程度）で進入するため、より短い距離を透過することとなり、吸収される光量が少ない。この結果、図１０（ｂ）に示すように、ゴーストの発生をほぼ完全に抑制することができる。

ＥＹ…眼、ＲＳ…プリズム反射面、１０…画像形成部、１１…表示素子、１２…投射光学系、２２…導光部、３３…半反射フィルム、３３ａ…光吸収フィルム、３３ｂ…薄膜、３４…透明部材、３５…透明部材、３６…積層部材、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１０１，１０２…テンプル、１０３…導光体、１０３ａ…光入射面、１０３ｂ…光出射面、１１１，１１２…画像形成装置、１１３…プリズム部、１１３ａ…光吸収フィルム、１２３…角度変換部、１２３ｂ…半反射層、１２３ａ…光吸収層。

Claims (6)

1. 表示素子により形成され、投射光学系により平行な光束に変換されて射出された画像光を内部に取り込む入射部と、互いに対向して平行に延びる第１及び第２全反射面により前記画像光を導光する導光部と、導光された前記画像光を外部に射出する射出部と、を有する導光体を備え、
   前記入射部は、前記第１及び第２全反射面のうち観察側に位置する面に対して傾斜した反射面を有し、
   前記射出部は、前記射出部の光射出面に対して傾斜した第１光学層と、少なくとも１つの第２光学層を有し、
   前記第１光学層は、
   前記画像光の一部を前記光射出面に向けて反射し、他の一部を透過する第１半反射層と、
   前記導光体内を導光されて前記第１半反射層に対して所定の角度よりも浅い角度で入射して平行に進まない不適正な角度成分を含む光の吸収量が、前記導光体内を導光されて前記第１半反射層に対して前記所定の角度で入射して平行に進む適正な角度成分を含む画像光の吸収量よりも大きい第１光吸収層と、を積層した積層膜であり、
   前記第２光学層は、
   前記第１半反射層と平行に配置され、前記第１半反射層を透過した前記画像光に対して、光学的作用をするものであり、
   入射した画像光の一部を前記光射出面に向けて反射し、他の一部を透過する第２半反射層と、
   前記第２半反射層に対して前記所定の角度よりも浅い角度で入射して平行に進まない不適正な角度成分を含む光の吸収量が、前記第２半反射層に対して前記所定の角度で入射して平行に進む適正な角度成分を含む画像光の吸収量よりも大きい第３光吸収層と、を積層した積層膜であることを特徴とする光学デバイス。
2. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
   前記第１光吸収層は、前記第１半反射層に対して入射した角度に応じて前記画像光が前記第１光吸収層を透過する距離が異なることにより、前記第１半反射層に対して浅い角度で入射して平行に進まない不適正な角度成分を含む光の吸収量が、前記第１半反射層に対して前記所定の角度で入射して平行に進む適正な角度成分を含む画像光の吸収量よりも大きくなることを特徴とする光学デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の光学デバイスにおいて、
   前記第１光吸収層は、前記第１半反射層よりも前記射出部側に位置していることを特徴とする光学デバイス。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
   前記反射面は、
   前記画像光を反射する反射層と、
   前記反射面と前記反射層との間に設けられ、前記反射層に対して前記所定の角度よりも浅い角度で入射して前記導光部において平行に進まない不適正な角度成分を含む光の吸収量が、前記反射層に対して前記所定の角度で入射して前記導光部において平行に進む適正な角度成分を含む画像光の吸収量よりも大きい第２光吸収層と、を有することを特徴とする光学デバイス。
5. 請求項４に記載の光学デバイスにおいて、
   前記第１半反射層及び前記第２半反射層は、誘電体多層膜を含むことを特徴とする光学デバイス。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光学デバイスと、
   前記画像光を形成する表示素子と、
   前記画像光を平行光として前記光学デバイスに射出する投射光学系と、を備えたことを特徴とする画像表示装置。