JP6565496B2 - 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とともに導光板越しに外界像の観察を可能にするものが種々提案されている。

例えば、出力用の回折格子を有する第１の板状導波路と、入出力用の一対の回折格子を有する第２の板状導波路と、第１の板状導波路の一端に像光を供給する像供給光源装置とを備える投影表示装置が公知となっている（特許文献１参照）。この投影表示装置では、像供給光源装置からコリメートされた像光が第１の板状導波路内に入射して導波路内で水平方向の射出瞳が拡大され、第１の板状導波路からの出力が第２の板状導波路に入射して導波路内で垂直方向の射出瞳が拡大される。また、この投影表示装置では、第１の板状導波路や第２の板状導波路に３色用の３層のチャンネルを設けることで、カラー表示も可能になっている。

上記特許文献１に記載の手法により、導光板を薄くできる利点はあるが、回折格子すなわち回折素子を用いているので、像光の画角に依存して波長選択性（波長に対する回折効率）のピークがシフトして、画面内の位置に依存する色斑が発生してしまう。

米国特許第８，９６５，１５２号明細書

本発明は、色斑の発生を抑えた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、映像光を入射させる入射部と、入射部を介して映像光を導く導光部と、導光部からの映像光を眼の位置（具体的には、眼の配置が予定されている位置）に射出する射出部とを備え、眼前を覆う所定平面に沿った第１方向に関して瞳サイズを拡大し、所定平面に沿って第１方向と交差する第２方向に関して回折光学素子によって瞳サイズを拡大する。なお、第１方向に関しては、具体的には、例えば光線の分割を伴う非連続型の光線処理によって瞳サイズを拡大する。

上記導光装置によれば、第１方向に関して瞳サイズを拡大するとともに第２方向に関して回折光学素子によって瞳サイズを拡大するので、回折光学素子のみで瞳サイズを拡大する場合よりも色斑を低減でき、比較的高輝度での表示が可能になる。なお、第２方向に関しては、回折光学素子によって光学系の厚み等のサイズを小さく抑えることができるので、導光装置を薄型化又は小型化することができる。また、第１方向に関しては、回折光学素子を用いないので第２方向の程度には及ばないとしても、瞳サイズの拡大によって光学系を厚み等のサイズを小さくすることができる。

本発明の具体的な側面では、上記導光装置において、入射部、導光部、及び射出部は、実効的なパワーがゼロの光学要素で構成される。この場合、映像光源側で虚像が形成されることを前提として、導光装置では、映像光を導波させつつも映像光の相対的な角度関係が保持され虚像が維持される。

本発明の別の側面では、入射部には、コリメートされた映像光を入射させる。つまり、映像光は、無限遠の虚像に相当するものとなっている。

本発明のさらに別の側面では、導光部は、入射部側の第１部分と、射出部側の第２部分とを有し、入射部及び第１部分によって、第１方向に関して幾何光学的に瞳サイズを拡大し、第２部分及び射出部によって、第２方向に関して回折を利用して瞳サイズを拡大する。この場合、射出側で回折を利用した瞳サイズの拡大を行うので、眼前に配置される射出部や第２部分といった導光装置の射出側の部品をより薄型化でき、スマートな外観を達成しやすくなる。

本発明のさらに別の側面では、第１部分は、第１方向に延びる導波路状の部材であり、互いに平行で映像光を第２部分に向けるように傾斜している複数のミラーを有する。この場合、第１部分で映像光を導波させつつミラーで映像光を分割することができ、第１方向に関して映像光の射出幅を広げて第２部分に入射させることができる。

本発明のさらに別の側面では、第２部分及び射出部は、回折光学素子を複数組み込んだ導光部材である。複数の回折光学素子を利用して導光部材への映像光の取り込みと導光部材からの映像光の取り出しとを行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、導光部材は、導光板と、導光板の入射側に設けられて映像光を射出側に送り込む回折光学素子に相当する第１ホログラム素子と、導光板の射出側に設けられて映像光を眼側に送り出す回折光学素子に相当する第２ホログラム素子とを有する。この場合、映像光を導光板に取り込んだり取り出したりするためにホログラム素子を用いており、高輝度かつ高精度のカラー画像の形成が容易になる。

本発明のさらに別の側面では、第２部分は、眼を覆うように配置され、第１部分は、第２部に対して眼のある側に配置される。この場合、入射側の第１部分を射出側の第２部分の背後に目立たないように配置することが容易になる。

本発明のさらに別の側面では、第２部分は、眼を覆うように配置され、第１部分は、第２部分を挟んで眼の反対側に配置される。この場合、入射側の第１部分が顔面と干渉することが無くなるので、光学的な設計が容易になる。

本発明のさらに別の側面では、第１部分は、眼の上方に配置され、第２部分は、眼の正面に配置される。この場合、入射側の第１部分が上方に配置されるので、入射部に映像光を供給する映像素子等を目尻上方のゆとりが確保された空間に配置できる。さらに外観的には、導光部の第１部分がフレーム的に作用し、導光部の第２部分がめがねレンズ的に作用し、導光装置として眼鏡状の外観を達成しやすくなる。

本発明のさらに別の側面では、虚像の画面の第１方向に関するサイズは、第２方向に関するサイズよりも大きい。このように、回折光学素子によらないで瞳サイズを拡大する第１方向に関する虚像の画面サイズを相対的に大きくすることにより、サイズが大きな第１方向に関して色斑を低減でき、画面全体として色斑が目立たないようにできる。

本発明のさらに別の側面では、第１方向は、装着時の水平方向に対応する。装着時の水平方向は、眼の並ぶ横方向に相当するものであり、比較的視野が広く、画面上で色斑が目立たないことが好ましい。

本発明のさらに別の側面では、射出部の光学系は、射出側の光軸に対して略直交するように配置される。この場合、導光部や射出部の光学設計が容易になる。

本発明のさらに別の側面では、射出部の光学系は、射出側の光軸に対して傾けて配置される。この場合、導光部や射出部の配置を顔面に沿って配置することができ、スマートな外観を達成しやすくなる。

本発明のさらに別の側面では、導光部は、入射部側の第１部分と、射出部側の第２部分とを有し、入射部及び第１部分によって、第１方向に関して回折を利用して瞳サイズを拡大し、第２部分及び射出部によって、第２方向に関して幾何光学的に瞳サイズを拡大する。

本発明のさらに別の側面では、回折光学素子は、反射型のホログラム素子又は透過型のホログラム素子である。反射型のホログラム素子は、映像光を導光部に導入する際に、映像光の入射方向に対し反射方向に回折し導光部に導入する場合に用いられ、透過型のホログラム素子は、映像光を導光部に導入する際に、映像光の入射方向に対し透過方向に回折し導光部に導く場合に用いられる。

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、映像光をコリメートする投射レンズと、上述した導光装置とを備える。

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、観察される映像の色斑を防止し、映像を比較的高輝度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背面図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置の片側を概念的に説明する断面図であり、（Ｃ）は、虚像表示装置の片側を概念的に説明する側面図である。 （Ａ）は、虚像の画面の一例を説明する図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、液晶デバイスの表示エリアの一例を説明する図である。 第１導光部材又は第１部分を経ての結像を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２導光部材を経ての結像を説明する図であり、特に（Ａ）は、第１ホログラム素子周辺の部分拡大図であり、（Ｂ）は、第１ホログラム素子や第２ホログラム素子の機能を説明する図である。 虚像表示装置の動作を概念的に説明する斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第１導光部材等による瞳サイズの拡大を概念的に説明する図である。 第２導光部材等による瞳サイズの拡大を概念的に説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、色斑の発生及び抑制を説明する図である。 第２実施形態に係る導光装置を説明する側面図である。 第３実施形態に係る導光装置を説明する側面図である。 第４実施形態に係る導光装置を説明する平面断面図である。 第５実施形態に係る導光装置を説明する平面断面図である。 第６実施形態に係る導光装置を説明する斜視図である。

〔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。

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（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す虚像表示装置１００のＡ−Ａ断面に対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像としてのカラー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、ここでは右眼用のみを示し、左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おり、画像形成装置１０や導光装置２０を支持するリム部分３８やテンプル部分３９を備えている。

画像形成装置１０は、映像素子である液晶デバイス１１と、結像用の投射レンズ１２とを備える。液晶デバイス（映像素子）１１は、不図示の光源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。投射レンズ１２は、液晶デバイス１１上の各点から射出された映像光ＧＬを平行光線とするコリメートレンズである。なお、投射レンズ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。投射レンズ１２は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等とすることができる。

導光装置２０は、画像形成装置１０で形成された虚像に対応する映像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光ＯＬを実質的にそのまま透過させる。導光装置２０は、構造的には、第１方向である装着時の水平方向又は眼ＥＹの並ぶ横方向に関して瞳サイズを拡大する光学部材である第１導光部材３１と、第１方向と直交するように交差する第２方向である縦方向に関して瞳サイズを拡大する光学部材である第２導光部材３２とで構成される。本実施形態の場合、第１導光部材（第１光学部材）３１は、観察者の眼ＥＹの上方位置であって眉の正面方向に配置され、第２導光部材（第２光学部材）３２は、眼ＥＹの正面方向に眼ＥＹを覆うように配置されている。ここで、第１導光部材３１は、内側にあって、第２導光部材３２に対して眼ＥＹのある側に配置される。第１導光部材３１と第２導光部材３２とは、互いに固定され或いはリム部分３８等を介して間接的に固定されている。

導光装置２０は、機能的には、映像光を取り込む入射部２１と、導光及び瞳拡大のための導光部２２と、映像光を取り出すための射出部２３とを備える。入射部２１、導光部２２、及び射出部２３は、それぞれがパワーを有しない光学要素のみで構成されている。入射部２１は、第１導光部材３１において、観察者の眉尻の正面方向に設けられ、射出部２３は、第２導光部材３２において、眼ＥＹの正面方向に眼ＥＹを覆うように配置されている。

なお、第１導光部材３１は、入射部２１と第１部分３１ａとからなり、入射部２１と第１部分３１ａとは、部分的に共通している。また、第２導光部材３２は、第２部分３２ａと射出部２３とからなり、第２部分３２ａと射出部２３とは、部分的に共通している。第１導光部材３１の第１部分３１ａと、第２導光部材３２の第２部分３２ａとによって、入射部２１と射出部２３との間に延在する導光部２２が構成される。ここで、第１部分３１ａは、眼ＥＹの上方に配置され、第２部分３２ａは、眼ＥＹを覆うように眼ＥＹの正面に配置される。また、第１部分３１ａは、第２部分３２ａに対して眼ＥＹのある側に配置されている。つまり、入射側の第１部分３１ａは、射出側の第２部分３２ａの背後に目立たないように配置されている。

以上の導光装置２０の場合、第１導光部材３１によって、つまり入射部２１及び第１部分３１ａによって、横の第１方向に関して虚像を伝達しつつ幾何光学的に瞳サイズの拡大を行い、第２導光部材３２によって、つまり第２部分３２ａ及び射出部２３によって、縦の第２方向に関して虚像を伝達しつつ回折を利用した瞳サイズの拡大を行う。
ここで、図２（Ａ）に示すように、観察者に観察される虚像の画面ＰＷ（つまり投影範囲ＰＲ）の第１方向（具体的にはｘ方向）に関するサイズは、画面ＰＷの第２方向（具体的にはｙ方向）に関するサイズよりも大きい。これにより、理由は後述するが、サイズが大きな第１方向に関して画面ＰＷの色斑を低減でき、画面ＰＷ全体として色斑が目立たないようにすることができる。なお、投射レンズ１２によって形成される虚像は、眼ＥＹの並ぶ横の第１方向と、眼ＥＹの並びに直交する縦の第２方向とで、結像倍率が異なっていてもよい。つまり、図２（Ｂ）に示すように、液晶デバイス１１の表示エリアＩＡは、図２（Ａ）に示す虚像の画面ＰＷの縦横のアスペクト比と一致させることもできるが、図２（Ｃ）に示すように、液晶デバイス１１の表示エリアＩＡは、図２（Ａ）に示す虚像の画面ＰＷの縦横のアスペクト比と相違させること（例えば相対的に横長とすること）もできる。

図１（Ｂ）等に戻って、第１導光部材３１は、入射部２１としてのプリズム部と、第１部分３１ａとしての角柱状の導光ロッドとを備える。第１導光部材３１の前後方向（具体的には±ｚ方向）の厚みは、第１部分３１ａの箇所において例えば５ｍｍ程度にできる。
入射部２１は、パワー又は屈折力を有しない光学素子であり、平坦な平面である入射面ＩＳと、同様に平坦な平面である反射面ＲＳとを備える。入射面ＩＳは、後述する第１面Ｓ１を延長した面となっている。反射面ＲＳは、表面に金属膜等を形成した非透過性のミラーである。入射部２１は、画像形成装置１０から入射面ＩＳを介して第１導光部材３１に入射した映像光ＧＬを、第１部分３１ａ内に結合する役割を有する。
第１部分３１ａは、パワー又は屈折力を有しない平坦な平面である第１面Ｓ１と、第１面Ｓ１と平行に延びる平坦な平面である第２面Ｓ２とを有するとともに、映像光ＧＬの伝搬角度を変更する角度変換部３１ｄを有する。第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２は、平面の表面を露出させた光学素子部分であり、所定以上の入射角を有する映像光ＧＬを反射する全反射面である。つまり、第１部分３１ａにおいて、第１及び第２面Ｓ１，Ｓ２を含む四角角柱は、第１方向（具体的には−ｘ方向）に延びる導波路状の部材であり、ｘｚ断面に関して映像光ＧＬを全反射によって多重反射させつつ第１方向に映像光ＧＬを伝搬させる。この際、映像光ＧＬは、互いに平行な第１及び第２面Ｓ１，Ｓ２間で全反射されつつ伝搬されるので、角度情報が維持され、平行光線が平行光線のまま伝搬される。角度変換部３１ｄは、半透過性を有する多数のミラー３１ｆを互いに平行に配置した構造を有し、光線の向きを変更しつつ光線を分割する役割を有する。角度変換部３１ｄを構成する多数のミラー３１ｆは、映像光ＧＬを第２部分３２ａに向けるようにそれぞれ傾斜している。つまり、各ミラー３１ｆの法線は、ｙ軸に対して直交し、ｘ軸及びｚ軸に対して３０°〜６０°程度の所定の傾きを有する。角度変換部３１ｄも、パワー又は屈折力を有しない光学素子となっている。角度変換部３１ｄは、回折を実質的に生じさせないようになっている。なお、第２面Ｓ２の一部は、第１導光部材３１又は第１部分３１ａを経た映像光ＧＬ、つまり角度変換部３１ｄで進行方向が変更された映像光ＧＬを、第２導光部材３２又は第２部分３２ａ側に射出する第１結合部Ｃ１となっている。
以上から明らかなように、第１導光部材３１は、パワー又は屈折力を有しない光学素子のみで構成される。
なお、第１導光部材３１を構成する角度変換部３１ｄは、その他の入射部２１等とは別に作製され、これらを接合によって一体化することができる。角度変換部３１ｄは、例えば特開２０１３−２１０６３３号公報等に開示の方法によって作製される。第１導光部材３１を構成する第１及び第２面Ｓ１，Ｓ２は、樹脂やガラスからなる本体を露出させたものに限らず、本体をハードコート層で被覆したものとできる。

図３は、第１導光部材３１から射出される映像光ＧＬについて説明する図である。なお、この図では、説明の便宜上第２導光部材３２の作用を除外しており、映像光ＧＬは、第１導光部材３１を射出して本来の眼の反対側に直進している。
第１導光部材３１の第１結合部Ｃ１を通過して第２導光部材３２に入射する映像光ＧＬのうち、図１（Ｂ）に示す画像形成装置１０の液晶デバイス１１の表示エリアＩＡ（図２（Ａ）参照）の各点から射出された映像光ＧＬは、平行光線の状態で第１導光部材３１から射出される。この際、眼ＥＹの並ぶ横方向又は装着時の水平方向に対応するｘｚ面内において、第１結合部Ｃ１から射出される映像光ＧＬの第１結合部Ｃ１又は第２面Ｓ２に対する角度θは、表示エリアＩＡ上の横方向Ｄ１（図１（Ａ）参照）を反映したものとなっている。つまり、表示エリアＩＡ上の横方向Ｄ１の位置が眼ＥＹの等価位置（つまり観察用の瞳（又はアイリング）ＨＩ）に入射する映像光ＧＬの光軸ＡＸに対するｘｚ面内での入射角度φに対応したものとなっており、横方向に関して虚像に対応する映像光ＧＬが射出される。具体的には、図１（Ｂ）に示す液晶デバイス１１の中央からの映像光ＧＬ０は、第１導光部材３１（最終的には第２導光部材３２）から、角度θ０＝０で光軸ＡＸに平行な状態で射出される。また、液晶デバイス１１の図面右寄り（＋ｘ寄り）の位置からの映像光ＧＬ１は、第１導光部材３１から、光軸ＡＸに対して角度θ１をなす状態で射出される。液晶デバイス１１の図面左寄り（−ｘ寄り）の位置からの映像光ＧＬ２は、第１導光部材３１から、光軸ＡＸに対して角度θ２をなす状態で射出される。この際、多数の半透過性のミラー３１ｆによって角度関係が保持されたままで、第１方向（具体的には±ｘ方向）の光線幅が広がる。つまり、第１導光部材３１を経て実効的な射出瞳の幅（瞳サイズ）が広がり、第１方向である眼ＥＹの並ぶ横方向に関して虚像が観察される。この際、第１結合部Ｃ１から瞳ＨＩまでの距離ＬＥは、映像光ＧＬの第２導光部材３２での標準的な導光距離又は光路長を考慮したものとなっている。つまり、横方向に関して十分な瞳サイズが確保されて映像光ＧＬが効率良く眼ＥＹ又は観察用の瞳ＨＩに取り込まれる。

図１（Ａ）〜１（Ｃ）に戻って、第２導光部材３２は、射出側の光軸ＡＸ又はｘ軸に対して直交するように配置されて、ｘｙ面に平行に延びる。ここで、射出側の光軸ＡＸは、虚像表示装置１００又は導光装置２０を装着した際の観察者の顔の正面方向に対応し、リム部分３８の中央を通る対称軸に平行になっている。第２導光部材３２は、全体の外観を形成する導光板４１と、導光板４１の入射側に設けられて映像光ＧＬを射出側に送り込む回折光学素子に相当する第１ホログラム素子４２と、導光板４１の射出側に設けられて映像光ＧＬを眼ＥＹ側に送り出す回折光学素子に相当する第２ホログラム素子４３とを有する。第２導光部材３２は、２ｍｍ程度の厚みに形成できる。

導光板４１は、パワー又は屈折力を有しない光学素子であり、眼ＥＹを覆うように眼ＥＹの正面に配置される。導光板４１は、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された平行平板である。導光板４１は、第１ホログラム素子４２と協働して導光装置２０の第２部分３２ａを構成する。導光板４１は、眼ＥＹのある内側に設けられた第１面Ｓ２１と、眼ＥＹの反対である外側に設けられた第２面Ｓ２２とを有し、第１及び第２面Ｓ２１，Ｓ２２は、互いに平行である。第１及び第２面Ｓ２１，Ｓ２２は、平面である表面を露出させたものであり、所定以上の入射角を有する映像光ＧＬを反射する全反射面であり、結像には特に寄与しない。第１導光部材３１から導光板４１に入射した映像光ＧＬは、後述する第１ホログラム素子４２を経て下方すなわち全体として−ｙ方向に伝搬される。この際、映像光ＧＬは、互いに平行な第１及び第２面Ｓ２１，Ｓ２２間で全反射されつつ伝搬されるので、角度情報が維持され、平行光線が平行光線のまま伝搬される。
なお、導光板４１の第１面Ｓ２１のうち上側の一部は、第１導光部材３１の第１結合部Ｃ１から射出された映像光ＧＬを第２導光部材３２側に入射させる第２結合部Ｃ２となっている（図４（Ａ）参照）。第１結合部Ｃ１と第２結合部Ｃ２とは完全に接しておらず、近接している。第１結合部Ｃ１の第２面Ｓ２と、第２結合部Ｃ２の第１面Ｓ２１との間の隙間ＧＡは、干渉縞を生じさせない程度、つまり１μｍ又は数μｍ程度以上確保することが望ましい。

第１ホログラム素子４２は、パワー又は屈折力を有しない光学素子である。第１ホログラム素子４２は、薄膜状又は薄板状の部材であり、導光板４１の第２面Ｓ２２に貼り合わせるように固定されている。第１ホログラム素子４２は、立体的な干渉パターンが形成された反射型の体積ホログラムであり、光学素子として機能させることができる。第１ホログラム素子４２は、例えば特開２０１１−２４８３１８号公報等に記載の方法によって製造することができる。なお、第１ホログラム素子４２と導光板４１とは、互いに隙間無く密着され或いは互いに接着されている。

第２ホログラム素子４３は、パワー又は屈折力を有しない光学素子である。第２ホログラム素子４３は、薄膜状又は薄板状の部材であり、導光板４１の第２面Ｓ２２に貼り合わせるように固定されている。第２ホログラム素子４３は、第１ホログラム素子４２と同様に立体的な干渉パターンが形成された反射型の体積ホログラムであり、光学素子として機能させることができる。なお、第２ホログラム素子４３と導光板４１とは、互いに隙間無く密着され或いは互いに接着されている。

図４（Ａ）は、第１ホログラム素子４２の周辺の部分拡大図であり、図４（Ｂ）は、第１ホログラム素子４２や第２ホログラム素子４３の機能を説明する図である。

第１ホログラム素子４２は、縦方向に対応するｙｚ面内において、傾斜ミラー１４２のように機能する。第１導光部材３１から導光板４１を経て第１ホログラム素子４２に入射した映像光ＧＬは、傾斜ミラー１４２の機能によって導光板４１内での導光に適する角度に射出角εが設定された状態で反射されて導光板４１内に戻される。この際、第１導光部材３１から射出される映像光ＧＬの第２結合部Ｃ２又は第１面Ｓ２１に対する角度η（η０，η３，η４）は、液晶デバイス１１に設けられた表示エリアＩＡ上の縦方向Ｄ２（図１（Ｃ）参照）を反映したものとなっており、第１ホログラム素子４２を経てもこれらの相対的な角度関係が維持される。
なお、以上において、説明を簡単にするため、第１面Ｓ２１又は第２結合部Ｃ２での光線の屈折を無視している。ただし、光線の屈折を考慮しても映像光ＧＬの相対的な角度関係が維持される点については影響がない。

導光板４１は、映像光ＧＬの進行方向の角度を維持しつつ、第２ホログラム素子４３と協働して第２方向つまり眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する縦方向に関して光線束の幅つまり実効的な射出瞳の幅（瞳サイズ）を広げる役割を有する。

第２ホログラム素子４３は、縦方向に対応するｙｚ面内において、傾斜ミラー１４３のように機能する。第１ホログラム素子４２から導光板４１を経て第２ホログラム素子４３に入射した映像光ＧＬは、第２ホログラム素子４３の傾斜ミラー１４３の機能によって導光板４１からの射出に適する角度となるように反射されて導光板４１外に取り出される。この際、第２ホログラム素子４３は、映像光ＧＬを構成する光線の相対的な角度関係を維持するものとなっており、第２導光部材３２から射出される映像光ＧＬの第１面Ｓ２１に対する角度η（η０，η１，η２）は、図１（Ｃ）に示す液晶デバイス１１に設けられた表示エリアＩＡ上の縦方向Ｄ２（図１（Ｃ）参照）を反映したものとなっている。つまり、表示エリアＩＡ上の縦方向Ｄ２の位置が瞳ＨＩに入射する映像光ＧＬの光軸ＡＸに対するｙ方向での入射角度ζに対応したものとなって縦方向に関して虚像が形成される。具体的には、図１（Ｃ）に示す液晶デバイス１１の中央からの映像光ＧＬ０は、第２導光部材３２から、角度η０＝０で光軸ＡＸに平行な状態で射出される。また、液晶デバイス１１の上下（＋ｙ側又は−ｙ側）の位置からの映像光ＧＬ３，ＧＬ４は、第２導光部材３２から光軸ＡＸに対して角度η３，η４をなす状態で射出される。つまり、第２導光部材３２により、第２方向である眼ＥＹの並びに直交する縦方向に関して虚像が形成される。
なお、第２ホログラム素子４３は、第１ホログラム素子４２と対称性を持たせたものとなっており、映像光ＧＬが取り出される角度の波長依存性（色分散）を相殺する関係となっている。

図５は、虚像表示装置１００の動作を概念的に説明する図である。画像形成装置１０で形成された映像光ＧＬは、コリメートされた状態で入射部２１に入射し、第１及び第２面Ｓ１，Ｓ２、角度変換部３１ｄ等を有する第１導光部材３１の第１部分３１ａに導かれ、眼ＥＹの並びに対応する第１方向である横方向に関して瞳サイズが拡大される（光Ｌ１参照）。この映像光ＧＬは、直交する前方の−ｚ方向に向きを変更されて第２導光部材３２に入射する（光Ｌ２参照）。ホログラム素子４２，４３を有する第２導光部材３２に入射した映像光ＧＬは、眼ＥＹの並びに直交する第２方向である縦方向（具体的には−ｙ方向）に伝搬するとともに縦方向に関して瞳サイズが拡大される（光Ｌ３参照）。第２導光部材３２の射出部２３に達した映像光ＧＬは、眼ＥＹのあるｚ側に射出される（光Ｌ４参照）。この際、光Ｌ４で示される映像光ＧＬは、横方向及び縦方向に関して十分な視野角を有する虚像となっており、観察者に液晶デバイス１１に形成された画像の観察が可能になる。

なお、射出部２３は、第２ホログラム素子４３の存在する部分であり、第２ホログラム素子４３の回折効率にもよるが、外界光ＯＬの透過が可能である。また、第２ホログラム素子４３を支持する導光板４１も、外界光ＯＬの透過が可能であり、結果的に観察者は、第２導光部材３２越しに外界の観察が可能になっている。

図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、第１導光部材３１による瞳サイズの拡大を説明する図である。
図６（Ａ）は、画像形成装置１０のみによる虚像の形成を説明する図であり、テレセントリックな構成とした場合、投射レンズ１２の後側焦点位置に射出瞳ＥＰが存在する。この射出瞳ＥＰのサイズは、投射レンズ１２の直径程度以下であり、本来の射出瞳ＥＰの後方に離れて眼ＥＹを配置する場合、画面のケラレが多くなって画面の中心部しか観察されなくなる。なお、本来の射出瞳ＥＰの位置に眼ＥＹを配置すれば、上記のような問題は生じないが、投射レンズ１２を眼ＥＹに近づける配置となって、外界光ＯＬの透視を可能にするめがね状の虚像表示装置１００を構成することが困難になる。
図６（Ｂ）は、第１導光部材３１の作用を概念的に説明する図であり、矢印ＢＢで示す横の第１方向（具体的には±ｘ方向）に画像形成装置１０を多数配列したような効果を生じさせる。つまり、本来の射出瞳ＥＰに対応する位置ＰＯにおける、光線束の幅が広がって、横の第１方向ＢＢに関して合成した瞳（又はアイリング）ＨＩのサイズ、すなわち実効的な射出瞳の幅（瞳サイズ）を広げることができる。この結果、本来の射出瞳ＥＰの後方に離れて眼ＥＹを配置する場合であっても、複数の画像形成装置１０によって形成される虚像を繋ぎ合わせ或いは重畳さることができ、ケラレのない画面の観察が可能になる。なお、図６（Ｂ）では、３つの画像形成装置１０を図示しているが、実際は多数の画像形成装置１０が第１方向に重畳しつつ配列されるのと等価な光学系が実現される。
以上では、第１導光部材３１による瞳サイズの実効的な拡大を説明したが、第２導光部材３２によって、光学的原理が異なるものの、縦の第２方向（具体的には±ｙ方向）に関しても瞳サイズの実効的な拡大が行われる。
図７は、第２導光部材３２による瞳サイズの拡大を概念的に説明する図である。第２導光部材３２では、第２ホログラム素子４３の各所で画像光の一部を眼ＥＹ側に射出させつつ残りを導光板４１で導光させる作用が生じ、縦方向の瞳サイズの拡大が達成される。具体的には、例えば導光板４１で導光されて第２ホログラム素子４３によって最初に回折された画像光ＧＬａは、眼ＥＹの位置よりも高い位置に設定された射出観察用の瞳（又はアイリング）ＨＩａに入射する。また、導光板４１で導光されて第２ホログラム素子４３に当たって最初は回折されず導光板４１の第１面Ｓ２１で全反射されて再度第２ホログラム素子４３に１度入射して回折された画像光ＧＬａは、略眼ＥＹの位置に設定された射出観察用の瞳（又はアイリング）ＨＩｂに入射する。また、導光板４１で導光されて第２ホログラム素子４３に２度入射するが回折されず導光板４１の第１面Ｓ２１で全反射されて再度第２ホログラム素子４３に入射して回折された画像光ＧＬｃは、眼ＥＹの位置よりも低い位置に設定された射出観察用の瞳（又はアイリング）ＨＩｃに入射する。つまり、縦方の第２方向ＣＣに関して、瞳ＨＩａ〜ＨＩｃを合わせることによって実効的な瞳サイズの拡大が達成される。

以上で説明した実施形態の導光装置２０によれば、横の第１方向に関して瞳サイズを拡大し縦の第２方向に関して第１及び第２ホログラム素子（回折光学素子）４２，４３によって瞳サイズを拡大するので、ホログラム素子のような回折光学素子のみで瞳サイズを拡大する場合よりも色斑を低減でき、比較的高輝度での表示が可能になる。なお、実施形態の導光装置２０において、縦の第２方向に関しては、第１及び第２ホログラム素子４２，４３によって光学系の厚み等のサイズを小さく抑えることができるので、導光装置２０を薄型化又は小型化することができる。また、横の第１方向に関しても、第１及び第２ホログラム素子４２，４３を用いないので縦の第２方向の程度には及ばないとしても、瞳サイズの拡大によって光学系の厚み等のサイズを小さくすることができる。

以下、第１導光部材３１によって、第１方向である横方向に関して幾何光学的に瞳サイズを拡大し、第２導光部材３２によって、第２方向である縦方向に関して回折又は干渉を利用して瞳サイズを拡大する理由について説明する。
図８（Ａ）は、具体的な実施例について、第２導光部材３２による縦方向の像形成に関して、緑色周辺での波長と回折効率との関係を示す。また、図８（Ｂ）は、比較例の像形成に関して、緑色周辺での波長と回折効率との関係を示す。各チャートにおいて、横軸は波長を示し、縦軸は回折効率を示す。ここで、導光装置２０による投影画面は、縦：横＝９：１６であるとし、横が縦の１．８倍の長さを有するものとする。図８（Ａ）の実施例の場合、第２導光部材３２によって、比較的短い縦方向についてホログラム素子を用いて瞳サイズを拡大しつつ像を形成する場合を示し、図８（Ｂ）の比較例の場合、第２導光部材３２と同様の部材によって、比較的長い横方向に対応するサイズで瞳サイズを拡大しつつ像を形成する場合を示している。各チャートにおいて、複数の特性曲線は、画面上の縦方向の複数点（両端を含む）における特性を示しており、特性曲線のピーク波長のバラツキ範囲が大きいほど、第２導光部材３２による縦方向の像形成に関して、色表示が偏りやすいことを意味する。
図８（Ａ）に示す像形成範囲が狭い実施例の場合、全体としてのピーク波長のバラツキ範囲が８ｎｍ程度と比較的小さくなっている。一方、図８（Ｂ）に示す像形成範囲が広い比較例の場合、全体としてのピーク波長のバラツキ範囲が２０ｎｍを超えて比較的大きくなっている。つまり、投影画面が横長である場合、第２導光部材３２によって、第２方向である縦方向（画面が相対的に狭い方向）に関して回折を利用した虚像を形成する方が、第１方向である横方向に関して回折を利用した虚像を形成するよりも、色斑抑制の観点で好ましいことが分かる。
なお、図８（Ｃ）は、色度図である。図８（Ｃ）中に丸印で示した点は、図８（Ａ）に示す実施例の場合に相当し、瞳サイズ拡大の方向に相対的に小サイズのホログラム素子による緑色のバラツキを示し、図８（Ｃ）中に四角印で示した点は、図８（Ｂ）に示す比較例の場合に相当し、瞳サイズ拡大の方向に相対的に大サイズのホログラム素子による緑色のバラツキを示す。図からも明らかなように、実施例の緑色のバラツキは、比較例の緑色のバラツキよりも大幅に少なくなっており、三角形によって示される色域の変化が少ないことが分かる。つまり、実施例の場合、投影画面における色斑防止のために色バランスを大きく調整する必要がなく、色の再現範囲も広く確保することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２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。なお、第２実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態の導光装置２０は、第１ホログラム素子４２や第２ホログラム素子４３として、反射型ではなく、透過型の体積ホログラムを用いている。この場合、第１ホログラム素子４２は、第１導光部材３１と導光板４１との間に配置される。第１ホログラム素子４２は、これを通過する映像光ＧＬの進行方向を導光板４１内で全反射しつつ伝搬されるような角度の進行方向を切り換える。第２ホログラム素子４３は、導光板４１の眼ＥＹ側の第１面Ｓ２１上に貼り付けられる。第２ホログラム素子４３は、導光板４１内を全反射によって伝搬された映像光ＧＬを導光板４１外に通過させて眼ＥＹの方向に送り出す。
なお、以上では、第１ホログラム素子４２と第２ホログラム素子４３とがともに透過型であるとしたが、第１及び第２ホログラム素子４２，４３の一方のみを透過型としてもよい。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３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。なお、第３実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態の導光装置２０では、第１導光部材３１は、外側にあって、第２導光部材３２を挟んで眼ＥＹの反対側に配置される。このような配置とすることにより、入射側の第１導光部材３１や画像形成装置１０が顔面と干渉することが無くなるので、光学的な設計が容易になる。
本実施形態の場合、第１ホログラム素子４２が反射型で導光板４１の眼ＥＹ側に配置され、第２ホログラム素子４３が反射型で導光板４１の眼ＥＹの反対側に配置される。
なお、以上では、第１ホログラム素子４２と第２ホログラム素子４３とがともに反射型であるとしたが、第１及び第２ホログラム素子４２，４３のいずれか一方又は双方を透過型としてもよい。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４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。なお、第４実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図１１に示すように、本実施形態の導光装置２０の場合、第１導光部材３１や第２導光部材３２が射出側の光軸ＡＸ又はｘ軸に対して垂直ではなく傾けて配置されている。この場合、第１及び第２導光部材３１，３２を顔の曲線に沿って配置できるが、第２導光部材３２の法線が光軸ＡＸに対して傾きを有するものとなるので、詳細は省略するが、第１導光部材３１の入射部２１を構成する光学面やホログラム素子の特性に修正が加えられる。

〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５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。なお、第５実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図１２に示す導光装置２０は、第１導光部材３１の角度変換部１３１ｄとして、フレネルミラーを用いている。角度変換部（フレネルミラー）１３１ｄは、微小ミラー１３１ｆを±ｘ方向に多数配列したものであり、各微小ミラー１３１ｆは、第１実施形態の角度変換部３１ｄにおけるミラー３１ｆと同様に傾斜している。これらの微小ミラー１３１ｆは、映像光ＧＬを第２導光部材３２又は第２部分３２ａに向けるようにそれぞれ傾斜している。つまり、角度変換部（フレネルミラー）１３１ｄは、屈折力を有していない。結果的に、多数の微小ミラー１３１ｆによって映像光ＧＬの角度関係が保持されたままで、第１方向（具体的には±ｘ方向）に関して映像光ＧＬの光線幅が広がる。ここで、微小ミラー１３１ｆは、回折を生じさせないように、１００μｍ以上のパターンとする。
本実施形態の場合、画像形成装置１０が非テレセントリックな構成となっており、第１導光部材３１内の領域ＡＲで一旦光線束が絞られたものとなっており、角度変換部１３１ｄ付近で光線束が広がっている。これにより、画像形成装置１０から角度変換部１３１ｄを離しつつ、角度変換部１３１ｄに至るまでの各光線の面Ｓ１，Ｓ２での反射回数を一致させることができ、画面の輝度の制御が容易になっている。
なお、微小ミラー１３１ｆは、表面に金属膜等を形成した非透過性のミラーであるが、半透過性のミラーとすることもできる。

なお、第１導光部材３１の入射部２１において、第１実施形態の反射面ＲＳに代えてフレネルミラーからなる角度変換部を用いることができる。

〔第６実施形態〕
以下、本発明の第６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。なお、第６実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図１３に示すように、本実施形態の導光装置２０は、第１導光部材１３１と第２導光部材１３２とを備え、第１導光部材１３１（入射部２１及び第１部分３１ａを含む）によって、横の第１方向に関して回折（具体的にはホログラフィー）を利用した瞳サイズの拡大を行う。また、第２導光部材１３２（第１部分３２ａ及び射出部２３を含む）によって、縦の第２方向に関して幾何光学的に瞳サイズの拡大を行う。

具体的には、画像形成装置１０で形成された映像光ＧＬは、まず入射部２１に入射し、横方向に関して回折作用を有するホログラム素子（不図示）を組み込んだ第１導光部材１３１の第１部分３１ａに導かれ、第１方向である眼ＥＹの並ぶ横方向（ｘｚ面内）に関して虚像が維持されつつ瞳サイズが拡大される（光Ｌ１参照）。この映像光ＧＬは、直交する前方の−ｚ方向に向きを変更されて第２導光部材１３２に入射する（光Ｌ２参照）。縦方向に関して光分割用の多数の透過型のミラー又はフレネルミラー等の幾何光学的素子を組み込んだ第２導光部材１３２に入射した映像光ＧＬは、第２方向である眼ＥＹの並びに直交する縦方向（具体的には−ｙ方向）に伝搬されるとともに縦方向に関して虚像が維持されつつ瞳サイズが拡大される（光Ｌ３参照）。第２導光部材１３２の射出部２３に達した映像光ＧＬは、眼ＥＹのあるｚ側に射出される（光Ｌ４参照）。この際、光Ｌ４で示される映像光ＧＬは、横方向及び縦方向に関して実効的に瞳サイズが広がった虚像となっており、観察者に液晶デバイス１１に形成された画像の観察が可能になる。
なお、本実施形態の導光装置２０では、射出部２３が±ｙ方向である縦方向に長い縦長となっており、投影画面もｙ方向に縦長である。このため、ホログラム素子を組み込んだ第１導光部材１３１によって短辺側で虚像を形成することになるので、色斑の発生を抑えることができる。

〔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。

回折型光学素子としては、ホログラム素子に限らず、回折素子を用いることができ、カラー画像を形成する場合、米国特許第８，９６５，１５２号に記載のように、導波路内に各色用のチャンネルを設けることができる。

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、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、画像形成装置１０を眼の横方向外側に位置するように形成しているが、図１（Ａ）に示す画像形成装置１０及び導光装置２０の配置を眼ＥＹの軸（つまりｚ方向に延びる光軸ＡＸ）の周りに９０°回転させることができる。つまり、画像形成装置１０を眼の上方向に配置し、導光装置２０を縦長にして眼ＥＹの正面に配置することができる。

以上では触れていないが、第１導光部材３１の外形を画定する外周部のうち上端面や下端面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、上端面や下端面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。

１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…投射レンズ、 ２０…導光装置、 ２１…入射部、 ２２…導光部、 ２３…射出部、 ３１，３２，１３１，１３２…導光部材、 ３１ａ…第１部分、 ３２ａ…第２部分、 ４１…導光板、 ４２，４３…ホログラム素子、 １００…虚像表示装置、 ＡＸ…光軸、 Ｃ１…第１結合部、 Ｃ２…第２結合部、 Ｄ１…横方向、 Ｄ２…縦方向、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２…映像光、 ＧＬ３，ＧＬ４…映像光、 ＨＩ…瞳、 ＩＡ…表示エリア、 ＩＳ…入射面、 ＯＬ…外界光、 ＰＲ…投影範囲、 ＰＷ…画面、 Ｓ１，Ｓ２，Ｓ２１，Ｓ２２…面

Claims (14)

1. 映像光を入射させる入射部と、
   前記入射部を介して映像光を導く導光部と、
   前記導光部からの映像光を眼の位置に射出する射出部とを備え、
   前記導光部は、前記入射部側の第１部分と、前記射出部側の第２部分とを有し、
   前記入射部及び前記第１部分によって、眼前を覆う所定面に沿った第１方向に関して瞳サイズを拡大し、前記第２部分及び前記射出部によって、前記所定面に沿って前記第１方向と交差する第２方向に関して回折光学素子によって瞳サイズを拡大し、
   前記第１方向は、装着時の水平方向に対応し、前記第１部分は、眼の上方に配置され、前記第２部分は、眼の正面に配置される、導光装置。
2. 前記入射部、前記導光部、及び前記射出部は、実効的なパワーがゼロの光学要素で構成される、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記入射部には、コリメートされた映像光を入射させる、請求項２に記載の導光装置。
4. 前記入射部及び前記第１部分によって、前記第１方向に関して幾何光学的に瞳サイズを拡大し、前記第２部分及び前記射出部によって、前記第２方向に関して回折を利用して瞳サイズを拡大する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の導光装置。
5. 前記第１部分は、前記第１方向に延びる導波路状の部材であり、互いに平行で映像光を前記第２部分に向くように傾斜している複数のミラーを有する、請求項４に記載の導光装置。
6. 前記第２部分及び前記射出部は、前記回折光学素子を複数組み込んだ導光部材である、請求項４または５に記載の導光装置。
7. 前記導光部材は、導光板と、前記導光板の入射側に設けられて映像光を射出側に送り込む前記回折光学素子に相当する第１ホログラム素子と、前記導光板の射出側に設けられて映像光を眼側に送り出す前記回折光学素子に相当する第２ホログラム素子とを有する、請求項６に記載の導光装置。
8. 前記第１部分は、前記第２部分に対して眼のある側に配置される、請求項２〜７のいずれか一項に記載の導光装置。
9. 前記第１部分は、前記第２部分を挟んで眼の反対側に配置される、請求項２〜７のいずれか一項に記載の導光装置。
10. 虚像の画面の前記第１方向に関するサイズは、前記第２方向に関するサイズよりも大きい、請求項１〜９のいずれか一項に記載の導光装置。
11. 前記射出部の光学系は、射出側の光軸に対して略直交するように配置される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の導光装置。
12. 前記射出部の光学系は、射出側の光軸に対して傾けて配置される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の導光装置。
13. 前記回折光学素子は、反射型のホログラム素子又は透過型のホログラム素子である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の導光装置。
14. 映像光を生じさせる映像素子と、映像光をコリメートする投射レンズと、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の導光装置とを備える虚像表示装置。

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