JP6569858B2 - ライトガイド及び虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ライトガイド及びこのライトガイドを用いた虚像表示装置に関する。

２次元の画像を虚像光学系により拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する装置として、ライトガイドを用いた虚像表示装置が知られている。かかる虚像表示装置で用いられるライトガイドの一形態として、近年、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下「ＨＭＤ」と称する。）が普及し始めている。ＨＭＤは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のＨＭＤは、例えばＧｏｏｇｌｅ ＬＴＤ．（米国）のＧｏｏｇｌｅｇｌａｓｓ（商標登録）がある。

透過型のＨＭＤは、情報端末と組み合わせて使用したりＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）等の提供用として使用するため、小型で携帯性が良いものが望まれている。非透過型のＨＭＤは、映画鑑賞やゲームやＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）等の提供用として使用するため、没入感が得られる広視野角であることが望まれている。

近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉化、小型化、かつ、広視野角であることが要請されるようになり、かかる要請を考慮したものとして、例えば特許文献１乃至３が知られている。

特許文献１の装置は、ある特定の反射率のコートを施した幾つものライトガイドを重ね合わせ、光線の入射角度によって、光線の反射と透過を振り分けて、画像を取り出す方式としている。

特許文献２の装置は、全反射を利用して、ライトガイドを通じて画像光を導くと共に、ライトガイドの画像取り出し側において、ライトガイドの主面に平行な外光透過面を設けることで、画像光に外光と重ね合わせて観察可能にする透過機能を持たせている。

特許文献３の装置は、対向して延びる全反射部と、傾斜するように延びる複数の第一要素面と、その第一要素面に対して、鈍角をなして延びる複数の第二要素面とを交互して配置してなる導光板を組み合わせた方式としている。

これらの方式では、透過性と広い視野角を達成しようとすると数多くのライトガイドが必要であり、シースルー性を保つために平面の導光板部分が必要であり、視野角を広くするためにライトガイドの長さを長くする必要性がある。

本発明は、虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトに実現することを主たる目的とする。

本発明は、画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と、該第１面に続き前記光線射出部に平行な第２面と、該第２面に続き前記光線射出部に対して前記第１面の前記光線射出部に対する傾斜の向きとは異なる向きに傾斜する第５面と、該第５面に続く第６面と、からなる鋸歯形状が繰り返し前記光線射出部に平行な第２面とが交互に配置され前記画像光を前記第１面から前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、前記光学部材は、前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し前記画像取り出し部に近接配置される傾斜部とを有する。

本発明によれば、虚像表示装置用のライトガイドをコンパクトにすることができる。

本発明に係るライトガイドの実施形態を示す平面図である。 図１のライトガイドの斜視図である。 ライトガイドを用いた虚像表示装置の平面図である。 ライトガイドの導光部材における光線入射部と反射部を説明するための部分拡大平面図である。 ライトガイドの導光部材における画像取り出し部を説明するための部分拡大平面図である。 導光部材の画像取り出し部と光学部材の傾斜部の境界面の配置状態を説明するための平面図及び部分拡大平面図である。 導光部材の他の実施形態を説明する部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。 図７の導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。 実施形態のライトガイドを眼鏡型のＨＭＤに適用した例を表す模式図であり、（ａ）はライトガイドを両眼一体型とした場合、（ｂ）及び（ｃ）は、ライトガイドを単眼型とし、左右の目に各々適用した場合及び片方の目に適用した場合を示す。 実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置の実施例１を説明するための平面図である。 実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置の実施例２を説明するための平面図である。

以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。以下の実施形態は、透過型のライトガイド及びこれを用いた虚像表示装置に関する。

図１及び図２に、本実施形態のライトガイド５０を示し、かかるライトガイド５０を虚像表示光学系の光路上に配置した虚像表示装置の構成を図３に示す。図３では、虚像表示装置における虚像表示光学系の光路を矢印で示すとともに、装置のユーザすなわち虚像観察者の目を模式的に描いている。以下、ライトガイド５０の面に関し、観察者から見て手前側（図３において下側）の面を「後面」とし、奥側（図３において上側）の面を「前面」として説明する。

ライトガイド５０は、画像表示素子からの画像光を内部に入射及び導光して虚像表示のために射出する素子であり、本実施形態では、導光部材１００と光学部材２００とが一体的に設けられることで、全体が略角柱状、平面視で非対称な台形の外形を呈する。

ライトガイド５０の導光部材１００は、画像表示素子からの画像光を内部に取り込んで導光し、虚像表示のために外部に射出する役割を有する。このため、導光部材１００は、画像光を内部に入射する光線入射部１０１、入射した画像光を反射して内部に導光させるための反射部１０２、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための画像取り出し部１０３及び光線射出部１０４を備える。

シースルー性を良好にするために、導光部材１００は、光線射出部１０４が設けられた後面と、奥側（図１において上側）の前面１０５は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。

光線入射部１０１及び光線射出部１０４は、いずれも導光部材１００の後面に設けられている。したがって、光線入射部１０１と光線射出部１０４とは、同一面上に配置されている。このように光線入射部１０１及び光線射出部１０４を同一面上に配置することで、導光部材１００さらにはライトガイド５０の生産性を向上させ、また、導光部材１００及びライトガイド５０全体をシンプルな構成にすることができる。

導光部材１００の画像取り出し部１０３は、内部に導光される画像光を光線射出部１０４に向けて反射させる役割を有し、光線射出部１０４は、画像取り出し部１０３から導かれた画像光を虚像観察者の目に向けて外部に射出させる役割を有する。

他方、光学部材２００は、平面視でテーパー状の外形を有し、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向して設けられることで、主に光線射出部１０４及び画像取り出し部１０３の光線透過性すなわちシースルー性を確保する役割を有する。

光学部材２００は、導光部材１００の光線射出部１０４に平行な平行面としての前面２１０と、かかる前面２１０に対して傾斜し、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向配置される傾斜部２０３を有する。光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対して近接設置される部位であり、かかる部位の詳細については後述する。

以下、ライトガイド５０を用いた虚像表示装置について説明する。図３に示す本実施形態の虚像表示装置は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子１０と、画像表示素子１０からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系３００と、上述したライトガイド５０とを虚像表示光学系として備える。

画像表示素子１０は、ライトガイド５０を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子１０は、有機ＥＬＤ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子１０として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）が適用可能である。また、画像表示素子１０として、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）が適用可能である。さらに、画像表示素子１０として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が適用可能である。

図３では、画像表示素子１０として、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどを用いた例を示しており、画像表示素子１０を照明するための光源ＬＳを加えている。光源ＬＳは、種々のものが適用でき、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、放電ランプなどを用いることができる。

コリメート光学系３００は、複数の光学レンズや絞りなどから構成され、画像表示素子１０から出力される画像光を拡大し平行光として射出する。

かかる虚像表示装置によれば、光源ＬＳで照明された画像表示素子１０の画像光は、コリメート光学系３００で拡大されてライトガイド５０に入射する。すなわち、コリメート光学系３００で拡大された画像光は、ライトガイド５０における導光部材１００の光線入射部１０１から入射し、反射部１０２で反射されて導光部材１００の内部に導光される。導光された画像光は、画像取り出し部１０３で反射され、光線射出部１０４からユーザの両目に向けて画像情報として射出される。ユーザは、導光部材１００の光線射出部１０４及び光学部材２００を通して前方を覗くことで、画像光の虚像を視認することができる。

次に、図４以下を参照して、ライトガイド５０の構成を更に詳細に説明する。

導光部材１００の材質は、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質が好ましく、さらに、後述する画像取り出し部１０３の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。

導光部材１００の光線入射部１０１及び反射部１０２は、コリメート光学系３００で拡大された画像光を光線束として入射及び反射する。したがって、光線入射部１０１及び反射部１０２は、かかる光線束の大きさ以上のサイズで形成される。

反射部１０２は、光線入射部１０１で入射した画像光を反射してライトガイド５０の内部に導光させるために、図４に示すように、光線入射部１０１に対して角度θ0で傾斜している。かかる傾斜角θ0は、光線入射部１０１から入射された画像光を全反射する角度であり、ライトガイド内部に画像光を良好に導光するために、１５度から７５度までの角度とすることが望ましい。さらに、後述する画像取り出し部１０３の第１面１０３ａと光線射出部１０４とのなす角度θaの好適範囲を考慮すると、傾斜角θ0は、２０度から３０度までの範囲に設定することがより好ましい。

また、反射部１０２には任意のコートを施すことができる。ライトガイド５０の内部に画像情報を導光させるためには、反射部１０２は、アルミニウムや銀、誘電コートなどの反射率が高いミラーコートを施すことが望ましい。

画像取り出し部１０３は、図５に示すように、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂとが、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている。図５中、光線射出部１０４と平行な基準面を点線で表し、第２面１０３ｂの幅をｗで表している。

画像取り出し部１０３の第１面１０３ａは、導光部材１００の内部に入射及び導光された画像光を光線射出部１０４に導いて光線射出部１０４から射出させる役割を担う面であり、光線射出部１０４に対して傾斜する平面となっている。ここで、光線射出部１０４に対する第１面１０３ａの傾斜の向きは、光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜の向きと逆である。第１面１０３ａが光線射出部１０４に対して傾斜する角度θaの値は、導光部材１００の材質の屈折率にもよるが、２０度から３０度までの範囲に設定することが好ましい。また、角度θaの値は、上述した光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角θ0の値と同一に設定することがより好ましく、かかる設定とすることで、コリメート光学系３００の配置の調整等が容易になる。

他方、第２面１０３ｂは、入射された画像光を導光部材１００の内部に導光させる反射面としての役割を担う面であり、光線射出部１０４と平行な平面となっている。したがって、角度θb＝０°である。さらに、第２面１０３ｂは、シースルー性を確保するため、ライトガイド５０の前面及び後面からの外部の光を入射させる透過面としての役割も担っている。

第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して傾斜させる、すなわち角度θb≠０°に設定すると、導光部材１００内で導光される画像光が、第２面１０３ｂで反射される反射角と、光線射出部１０４で反射される反射角とで一致せずに変化することになる。この場合、光線入射部１０１から入射される光線と光線入射部１０１の法線とのなす角で定義される入射角θinと、光線射出部１０４から射出される光線と光線射出部１０４の法線とのなす角で定義される射出角θoutとが同角度とならない。さらに、画像光が第１面１０３ａ及び光線射出部１０４を通じてライトガイド５０の外部に射出される際に、異なった方向に射出されてしまい、虚像としては思わしくないものとなってしまう。したがって、本実施形態では、角度θb＝０°とし、第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して平行に形成している。

導光部材１００における画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗの値は、
０．５[ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０[ｍｍ]
の条件を満たすように設定される。ここで、幅ｗは、導光部材１００の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第２面１０３ｂの長さである。

以下、第２面１０３ｂの幅ｗの設定条件について詳細に説明する。

虚像として確認できる視野の幅を「アイボックス」と称し、虚像が確認できる光線射出部１０４から眼球までの距離を「アイレリーフ」と称する。そして、アイボックスの径をφ、アイレリーフをＬ、ライトガイドの厚み（肉厚）をｔ_ｌ、画像取り出し部１０３が有する光線射出部１０４と平行な面すなわち第２面１０３ｂの数をｎとすると、第２面１０３ｂの幅ｗは、次式で表される。

ここで、アイボックスの幅が広いほど見える範囲も広くなるため、通常、アイボックス径φは大きいほうが望ましい。他方、アイボックス径φを大きくすると、ライトガイドの厚みが厚くなり、ライトガイドの設計難易度が高くなりがちとなる。

一般的には、目の瞳の直径は５mm程度であるが、個人差に応じてライトガイド５０の適切な位置設定が必要となるため、アイボックス径φを大きく設定する方が良い。また、後述のようにライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置に適用することを考慮すると、一般にアイレリーフＬは１５mm以上必要である。

したがって、例えばアイレリーフを２０mmに設定し、アイボックスを５mm以上１０mm以下に設定すると、第２面１０３ｂの幅ｗは、上記の
０．５[ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０[ｍｍ]
の条件を満たす必要がある。

画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗが０．５ｍｍに満たない場合、第１面１０３ａの幅が短くする必要があり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなり、また製造が難しくなるため、望ましくない。さらに、第１面１０３ａの幅を短くすることなしに、アイレリーフ２０mmの位置においてアイボックス５mm以上１０mm以下を確保するためには、ライトガイドの厚みを増す必要があり、重量も大きくなるため望ましくない。

一方、第２面１０３ｂの幅ｗが３．０ｍｍを超える場合、入射された画像光につき、第１面１０３ａを反射して光線射出部１０４から射出される光線の密度が低下し、目の位置における光量が低下するため、望ましくない。したがって、画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗは、０．５[ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０[ｍｍ]の条件を満たすことが望ましい。

第２面１０３ｂの幅ｗは、各々の第２面１０３ｂで異なる値としてもよい。具体的には、通常、反射部１０２からの距離が長くなるほど画像光の光線密度が低下することから、反射部１０２からの距離が長くなるほど第２面１０３ｂの幅ｗを小さくする設定にするとよい。かかる設定とすることで、反射部１０２から遠くなるほど第１面１０３ａの単位長さあたりの配置数が増えるので、光量ムラを低減させることができる。

同様に、光量ムラを低減させるために、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａの幅を各々の第１面１０３ａで異なる幅としてもよい。ここで、第１面１０３ａの幅は、導光部材１００の長手方向に沿った方向すなわち入射された画像光の進行方向に沿った方向における第１面１０３ａの長さである。具体的には、反射部１０２からの距離が長くなるほど第１面１０３ａの幅を大きくする設定にするとよい。かかる設定とすることにより、反射部１０２から遠くなるほど第１面１０３ａの面積が大きくなるので、光量ムラを低減させることができる。

ライトガイド５０の厚みは、１ｍｍから８ｍｍの範囲とすることが望ましい。ライトガイド５０の厚みが１ｍｍに満たないと、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状を形成することが困難となる。他方、ライトガイド５０の厚みが８ｍｍを超えると、広視野角を得るには有利であるが、部材の重量が大きくなることから、好ましくない。

（光学部材）
次に、光学部材２００の構成及び導光部材１００に対する光学部材２００の配置について説明する。図６の下段に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。なお、図６中、光学部材２００の前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。

図６に示すように、光学部材２００は、傾斜部２０３が、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気層すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。本実施形態では、導光部材１００の画像取り出し部１０３の端縁と光学部材２００の傾斜部２０３の端縁とを、マイクロボール型の接着剤を用いて接着している。このようにすることで、取り出し部１０３と傾斜部２０３のエアギャップ１４０を等間隔とすることが可能となり、シースルー性をより高めることができる。

光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向した部位に、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが、交互に配置されている。

前面２１０は、導光部材１００の光線射出部１０４と平行な面である。また、第４面２０３ｂは、前面２１０と平行であり、角度θb’＝０°である。したがって、第４面２０３ｂは導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂとも平行であり、θb＝θb’＝０°である。このような設定とすることで、ライトガイド５０のシースルー性を高めることができる。なお、第４面２０３ｂが前面２１０、導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂに対して平行な面でない場合は、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。

さらに、前面２１０に対する第３面２０３ａの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部１０４に対する画像取り出し部１０３の角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材２００の第３面２０３は導光部材１００の第１面１０３ａと平行となり、ライトガイド５０のシースルー性をより高めることが可能になる。

ライトガイド５０のシースルー性について最大の効果を得るためには、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向（図６における上方向）に平行移動させたときに、対向する第３面２０３ａとの間のずれを可能な限り無くせばよい。かかるずれを無くすために、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔すなわちエアギャップ１４０を調整する調整機構を取り付けることができる。

ライトガイド５０のシースルー性を確保するために、導光部材１００と光学部材２００は、相互に同一の材料で作られていることが望ましい。

また、取り出し部１０３と傾斜部２０３との間のエアギャップ１４０は、種々の気体や液体を介在させることができるが、シースルー性確保の観点からは大気であることが望ましい。

（導光部材の変形例）
導光部材１００の他の構成例について、図７及び図８を参照して説明する。

上述した図６に示す実施形態では、画像取り出し部１０３は、第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂの２つの平面で構成されている。すなわち、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂとが交互配置された、略階段状の形状をなすものである。

これに対し、図７に示す変形例では、画像取り出し部１０３は、４つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。具体的には、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθａの角度を有する第１面１０３ａと、θｂの角度を有する第２面１０３ｂと、θｃの角度を有する傾斜面１０３ｃと、θｄの角度を有する平面１０３ｄが、この順で配された形状となっている。画像取り出し部１０３において、第１面１０３ａと傾斜面１０３ｃとは、いずれも光線射出部１０４に平行な基準面から立ち上がって傾斜しているが、立ち上がりの向きが互いに異なっている。

上記の４つの面の内、第１面１０３ａと第２面１０３ｂの機能や最適範囲等は、上述した実施形態と同様であり、説明を省略する。

傾斜面１０３ｃは、第１面１０３ａの面積を広く確保する役割、及び導光部材１００の曲げ強度を向上させる役割を有する。

光線射出部１０４に対する傾斜面１０３ｃの角度θｃは、０°よりも大きく且つ９０°以下の範囲とされる。角度θｃが０°になると、傾斜面１０３ｃは、第２面１０２ｂと同一面すなわち第２面１０２ｂの一部になるため、上述した実施形態と同じ構成になる。また、角度θｃは、生産性を考慮すると４５°から９０°の範囲とすることが望ましい。さらには、傾斜面１０３ｃは、画像表示素子１０からの画像光が当たると乱反射等の現象が生じるため、出来るだけ画像表示素子１０からの画像光が当たらないような角度範囲とすることが好ましい。

平面１０３ｄは、主にシースルー性を保持するための部位であり、光線射出部１０４に対する角度θｄ＝０°とする、すなわち光線射出部１０４と平行とすることが望ましい。角度θｄ＝０°とする場合には、第２面１０２ｂと同様に、画像表示素子１０からの画像光を平面１０３ｄで反射させる構成とすることもできる。

さらに、図７に示す形態のさらなる変形例として、第１面１０３ａ及び傾斜面１０３ｃを図の上方向に伸ばすことで、画像取り出し部１０３を、第１面１０３ａと傾斜面１０３ｃとが接している３平面構成としてもよい。この場合、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂと、光線射出部１０４に対してθｃの角度を有する傾斜面１０３ｃとがこの順で連続して配置される。

このように、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とすることで、図６に示す実施形態と比較して複雑な形状となるが、かかる形状とすることで、第１面１０３ａの面積を相対的に広く取ることができる。したがって、光線射出部１０４から射出される画像光の光量を相対的に多く確保することが可能となる。また、かかる形状とすることで、曲げ強度の向上を図ることができ、特に導光部材１００が樹脂製の場合に有利になる。すなわち、導光部材１００を樹脂で形成する場合、導光部材１００の厚みが薄くなる先端側で曲げ強度が弱くなるが、傾斜面１０３ｃを追加することによって、曲げ強度を向上させることができる。

図８に、画像取り出し部１０３を４平面構成とした場合の導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図８（ａ），（ｂ）に示す例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。

また、図８に示す例では、光学部材２００は、図６で説明した形状の傾斜部２０３を有する。すなわち、光学部材２００の傾斜部２０３は、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが交互に配置された２面構成となっている。角度θa’及びθb’については図６の説明で述べた通りであり、角度θa＝θa’、角度θb＝θb’となっている。この例でも、接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。

傾斜面１０３ｃや平面１０３ｄを追加して画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とする変形例は、画像取り出し部１０３の全体に施す構成に限られず、画像取り出し部１０３の一部に施してもよい。すなわち、第１面１０３ａと第２面１０３ｂとが交互に配置される図６に示す画像取り出し部１０３の構成を基本としつつ、光量を確保したい部位や曲げ強度を確保したい部位に傾斜面１０３ｃさらには平面１０３ｄを個別に追加することができる。

さらに、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成の形状とした場合、対向配置される光学部材２００の傾斜部２０３をかかる３平面や４平面の変形形状に対応した形状とすることもできる。この場合、上述したように、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向に平行移動させたときに、対向する光学部材２００の第３面２０３ａとの間のずれが生じない形状とすることにより、ライトガイド５０のシースルー性が良好となる。かかるずれを無くすために、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔を調整する調整機構を取り付けることができる。

このように、上述した種々の実施形態によれば、コンパクトで４０度以上の広視野角のライトガイドが実現される。

上述の図１から図８に示す実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材１００の光線入射部１０１を配置して、画像光を虚像観察者の左側から入射する例について説明した。かかる配置を左右逆にする場合、すなわち虚像観察者の右側に導光部材１００の光線入射部１０１を配置して、画像光を虚像観察者の右側から入射する場合も、上述と同一の効果が得られる。

上述したライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に例示する。

図９（ａ）に示す例は、一つのライトガイド５０を両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、導光部材１００の光線入射部１０１を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。ライトガイド５０は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部４００に固定される。図９ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部４００は、ライトガイド５０の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。

他方、図９（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つのライトガイド５０を小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合である。図９（ｂ）に示す例は、二つのライトガイド５０，５０をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各ライトガイドの光線入射部１０１は、左右外側に配置される。

なお、図９では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部４００に取り付けることができる。すなわち、図９（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源ＳＬ、画像表示素子１０及びコリメート光学系３００を右目側のフレーム部に、図９（ｂ）に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。

上述した実施形態では、ライトガイド５０を眼鏡型のＨＭＤに適用した場合について説明した。上述したライトガイド５０は、他の種類のＨＭＤにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）にも適用できる。ライトガイド５０は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。

以上のように、上述した実施形態によれば、小型で４０度以上の広い視野角を有する透過型のライトガイド、及び、ライトガイドをコンパクトに実現できる虚像表示装置を提供することができる。

（虚像表示装置の実施例）
図１乃至図６で上述したライトガイド５０を用いて製作した虚像表示装置の具体的な実施例を、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０及び図１１は、それぞれ実施例１及び２のライトガイドでの画像光の射出状態を表し、アイレリーフの位置を直線ＥＲで表すとともに、寸法等に関する符号を加えており、他方、画像表示素子１０やコリメート光学系３００などの図示を省略している。また、以下に示す各角度は絶対値表示である。

（実施例１）
図１０に示す実施例１では、ライトガイドの厚み（肉厚）ｔ_ｌ＝１mm、長手方向の長さＬ_ｌ＝５０mm、幅＝４０mm、角度θ0＝３０度、ライトガイドの屈折率（Ｎｄ）＝１．５４（プラスチック）とした。また、ライトガイドの水平視野角＝４５度以上とし、アイレリーフ１９mmにおいてアイボックス５mm以上を達成する第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０mmとした。

実施例１では、ライトガイドの厚みを１mmとすることができ、軽量化が実現された。したがって、実施例１のライトガイドは、例えば図９（ｂ）及び（ｃ）に示す片目毎の虚像表示装置への適用に好適である。

（実施例２）
図１１に示す実施例２では、長さＬ_ｌ、幅、角度θ0、及びライトガイドの屈折率（Ｎｄ）については実施例１と同一とし、ライトガイドの厚み（肉厚）ｔ_ｌ＝４mmとした。また、実施例２では、ライトガイドの水平視野角＝４５度以上とし、アイレリーフ１９mmにおいてアイボックス５mm以上を達成する第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０mmとした。

実施例２では、実施例１に比べて第２面１０３ｂの幅を狭くすることができ、これにより、図１０に示す実施例１と比較して分かるように、瞳位置における光量密度を上げることができた。

１０ 画像表示素子
３００ コリメート光学系
ＬＳ 光源
５０ ライトガイド
１００ 導光部材
１０１ 光線入射部
１０３ 画像取り出し部
１０３ａ 第１面
１０３ｂ 第２面
１０３ｃ 傾斜面
１０３ｄ 平面
１０４ 光線射出部
１４０ エアギャップ
２００ 光学部材
２１０ 前面（平行面）
２０３ 傾斜部

特許４５０８６５５号 特許４５２１２８５号 特許第５７０３８７５号

Claims (10)

1. 画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドであって、
   前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、
   前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、
   前記光線射出部に対して傾斜する第１面と、該第１面に続き前記光線射出部に平行な第２面と、該第２面に続き前記光線射出部に対して前記第１面の前記光線射出部に対する傾斜の向きとは異なる向きに傾斜する第５面と、該第５面に続く第６面と、からなる鋸歯形状が繰り返し配置され前記画像光を前記第１面から前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、
   前記光学部材は、前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し前記画像取り出し部に近接配置される傾斜部とを有すること
   を特徴とするライトガイド。
2. 前記光線射出部に対する前記第１面の傾斜の向きは前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜の向きと逆であり、
   前記光線射出部に対する前記第１面の傾斜角度と、前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜角度とが等しい
   請求項１記載のライトガイド。
3. 前記光学部材の前記傾斜部は、
   前記平行面に対して傾斜する第３面と前記平行面に平行な第４面とが交互に配置されている
   請求項１又は２に記載のライトガイド。
4. 前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第２面の幅：ｗ[ｍｍ]は、下記条件を満たす請求項１乃至３のいずれかに記載のライトガイド。
   ０．５ [ｍｍ] ＜ ｗ ＜ ３．０ [ｍｍ]
5. 前記導光部材の前記光線射出部に対する前記第１面の傾斜角度と、前記光学部材の前記平行面に対する第３面の傾斜角度とが等しい請求項３記載のライトガイド。
6. 前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第２面の幅は、各々の第２面で異なる請求項１乃至５のいずれかに記載のライトガイド。
7. 前記導光部材の前記画像取り出し部における前記第１面の幅は、各々の第１面で異なる請求項１乃至６のいずれかに記載のライトガイド。
8. 前記光学部材は、前記導光部材と同一の材料で形成されている請求項１乃至７のいずれかに記載のライトガイド。
9. 前記導光部材と前記光学部材とは、エアギャップを介して配置されている請求項１乃至８のいずれかに記載のライトガイド。
10. 照明光を射出する光源と、
    前記光源からの照明光を受けて虚像表示のための表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、
    前記画像表示素子からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系と、
    前記コリメート光学系からの画像光を導光して射出する請求項１乃至９のいずれかに記載のライトガイドと、
    を虚像表示光学系として備える虚像表示装置。