JP6614438B2 - 虚像光学系及び虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、虚像光学系および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。非透過型のＨＭＤに関しても、その没入感から、各社から種々の提案がなされている。

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。

ＨＭＤの外形や大きさに関しては、本体サイズの小型化、薄肉化を重視すると視野角が狭くなる傾向にあり、逆に、表示エリアを広視野角にすると本体サイズが大型化、厚肉化する傾向にある。

近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉、小型、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透過型の虚像表示装置として、例えば特許文献１乃至３が知られている。

特許文献１の虚像表示装置は、導光板の光線入射部と光線射出部とを同一面上に位置させ、コリメート光学系の投射レンズの主光線を導光板に対して垂直に入射するように配置し、光透過性基板に２つ以上の主要面及びエッジを設ける。この虚像表示装置では、全反射によって光透過性基板に光を結像させる手段及び光透過性基板に設けられる１つ以上の部分的反射面を備える。

特許文献２の虚像表示装置は、２つの面を備えた光導波路において、光ビームを光導波路内に入射させるための注入部分を有し、光導波路の２つの面による連続反射によって光導波路中を伝搬して光ビームを射出させる。この虚像表示装置では、光導波路の２つの面の内の一の面上の平らな表面に微細構造を有し、光導波路の２つの面を平行にすることによって、透過する像と虚像とを重ね合わせる。

特許文献３の虚像表示装置は、自由曲面を有する導光板を使用し、投射レンズを導光板に対して傾斜して配置し、投射レンズから射出される光線で導光板内に中間像を形成させ、導光板の画像取り出し部で導光板内に形成された中間像を拡大化して虚像を表示するものである。

本発明は、ライトガイドをコンパクトに実現できる虚像光学系を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る虚像光学系は、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虚像表示のために射出するライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、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が各々異なる面で形成された導光部材を有し、前記コリメート光学系の光軸は、前記ライトガイドの前記光線射出部に対して傾いて配置され、前記導光部材は、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前記光線入射部から離れるにつれて前記光線射出部に近づきながら繰り返し配置され、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る。

本発明によれば、ライトガイドのコンパクトに実現できる虚像光学系を提供することができる。

本発明を適用した虚像光学系の実施形態を概略的に示す平面図であり、画像表示素子、コリメート光学系、及びライトガイドの位置関係を示す。 図１の虚像光学系の斜視図である。 前記虚像光学系の光路図である。 ライトガイドの一の実施形態を示す平面図である。 ライトガイドの他の実施形態を示す平面図である。 図５のライトガイドによる虚像光学系の斜視図である。 種々のライトガイドを比較して示す平面図であり、（ａ）は図４のライトガイドを、（ｂ）は図５のライトガイドを、（ｃ）は参考例のライトガイドを、それぞれ示す。 ライトガイドの導光部材の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。 光学部材の一の構成例、及び、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。 図９の光学部材と導光部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。 図９の導光部材と他の構成例の光学部材とを接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。 虚像光学系で用いられるコリメート光学系の一例を示す光学配置図である。 虚像光学系の原理を説明する光路図である。 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１４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。 図１４の光学部材と導光部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。 図１４の導光部材と他の構成例の光学部材とを接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図である。 本実施形態の虚像光学系を備えた虚像表示装置を示す平面図である。 本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。

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を用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関するものであり、最初に、虚像表示装置用の虚像光学系の構成を説明する。

図１及び図２に示す本実施形態の虚像光学系は、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、ライトガイド５０と、を備える。ライトガイド５０は、コリメート光学系３００から拡大して射出される画像光を内部に導光し、虚像表示のために外部すなわち観察者の目に向けて射出する役割を担うものである。図３は、かかる虚像光学系の光路を矢印で示すとともに、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。

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ＬＥＤ（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。

コリメート光学系３００は、画像表示素子１０から出力される上述の画像光を拡大し平行光として射出する。図３に示すように、コリメート光学系３００は、その射出光の中心軸（光軸）が、ライトガイド５０の後述する光線射出部１０４に対して傾きを有するように配置される。コリメート光学系３００の構成例は後述する。

（ライトガイド）
ライトガイド５０は、コリメート光学系３００からの画像光を内部に入射して導光し、外部すなわち観察者の目に向けて射出することで、画像光を観察者に虚像として提供するものである。ライトガイド５０は、図４に示すように、画像光の入射、導光及び射出を行うための導光部材１００と、ライトガイド５０のシースルー性を確保するため導光部材１００と一体をなすように設けられる光学部材２００と、を備える。

（導光部材）
ライトガイド５０の導光部材１００は、本実施形態では、コリメート光学系３００からの画像光が入射される光線入射部１０１と、画像光を外部に射出する光線射出部１０４と、を有する。光線入射部１０１と光線射出部１０４とは、各々異なる面で形成されている。「異なる面」とは、同一面でも平行面でもなく、一方に対して他方が傾斜する面であることを意味する。この実施形態では、光線入射部１０１は、光線射出部１０４に対して鈍角で傾斜している。

本実施形態では、導光部材１００の光線入射部１０１と光線射出部１０４は、それぞれ平面となっている。光線入射部１０１及び光線射出部１０４を平面にすることで、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。

また、光線入射部１０１と光線射出部１０４とを異なる面にすることで、入射光線の角度をより適切な角度に設定することが可能になり、これによりライトガイドをコンパクトに、すなわち小型で薄肉にすることが可能になる。また、光線入射部１０１と光線射出部１０４とを異なる面とすることで、光線束を広く取ることができることから、視野角を広角とするのに有利になる。

なお、光線入射部１０１と光線射出部１０４を同一面とした場合には、加工面や管理面での容易性がある反面、光線入射部１０１と光線射出部１０４の自由度が減る。このため、視野角を広く取ろうとすると、ライトガイドが大型化、厚肉化する。このため、本実施形態では、光線入射部１０１と光線射出部１０４とを異なる面にしている。

他方、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４において上側）の前面１０５とが、互いに平行に形成されている。

また、図４に示す実施形態では、導光部材１００は、光線射出部１０４を含む後面の全体が平面に形成されている。これに対して、図５に示すように、導光部材１００の光線入射部１０１を光線射出部１０４の延長面から平面視において三角形状に突き出した形状とすることもできる。図５に示すライトガイドで虚像光学系を構成した場合の斜視図を図６に示す。図２と図６を比較して分かるように、図５に示す実施形態では、光線入射部１０１の面積が相対的に大きくなるため、入射される光線束を大きくとることができ、より広い視野角を確保することができる。また、図５に示すライトガイドは、コリメート光学系３００から入射される光線の角度を変えることで、より広い角度の画像光を入射させることができる。

導光部材１００は、光線入射部１０１から入射された画像光を光線射出部１０４に導光して取り出すための画像取り出し部１０３を備える。画像取り出し部１０３の具体的な構成は後述する。導光部材１００の材質としては、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。

図４に示すライトガイド、図５に示すライトガイド、及び参考例として光線入射部１０１と光線射出部１０４とを同一面としたライトガイドを、各々、図７の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）に比較して示す。図７に示すように、コリメート光学系３００から入射した光線は、ライトガイド内を前後斜め方向に交互に全反射しながら光線射出部１０４側に進行する。ここで、光線入射部１０１と光線射出部１０４とを異なる面とした図７（ａ）及び（ｂ）のライトガイドは、光線入射部１０１と光線射出部１０４とを同一面とした図７（ｃ）のものと比較して、長手方向の長さを短くしつつ反射回数を減らすことができる。このように、光線入射部１０１と光線射出部１０４とを異なる面とすることで、ライトガイドを小型にすることができる。

（光学部材）
図４に戻りライトガイド５０の光学部材２００の概要を説明する。光学部材５０は、平面テーパー状をなし、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、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に対して近接設置または接合される部位であり、かかる部位の詳細については後述する。

ライトガイド５０は、導光部材１００の前面１０５と光学部材２００の前面２１０とが同一平面になるように面位置を合わせて配置されており、これにより、ライトガイド全体として、前面と後面が平行を保つ形状をなしている。なお、ライトガイドの変形例として、光学部材２００の前面２１０が導光部材１００の前面１０５の位置から前方に出ている或いは後方に引っ込んでいる形状とすることもあり得る。すなわち、シースルー性を考慮すると、導光部材１００の前面と光学部材２００の前面２１０の面位置は、一致していることが望ましいが、携帯性や用途などを考慮して、かかる両面の面位置をずらす形態としてもよい。但し、導光部材１００の画像取り出し部１０３を外部に露出しないようにすることが望ましい。

ライトガイド５０は、導光部材１００の光線射出部１０４の平面と、光学部材２００の前面２１０とが平行とされる。かかる構成によって、光線射出部１０４を通じてのシースルー性が良好になる。導光部材１００の光線射出部１０４の面と、光学部材２００の前面２１０とが平行でない場合、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。

（導光部材の画像取り出し部）
次に、図８（ａ）及び（ｂ）の部分拡大平面図を参照して、導光部材１００の画像取り出し部１０３の構成を説明する。図８（ａ）は、導光部材１００の画像取り出し部１０３と光線射出部１０４の各一部を拡大して表し、図８（ｂ）は、画像取り出し部１０３の一部をさらに拡大して表している。また、図８（ｂ）中、光線射出部１０４と平行な仮想面を点線で表している。

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、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている（図８（ｂ）参照）。

ここで、第１面１０３ａは、入射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。第１面１０３ａが光線射出部１０４に対して傾斜するθaの角度は、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。

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。

ここで、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（図８の左右方向における幅）をｗとすると、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。

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、アイボックスは広いほうが望ましい。他方、アイボックスを広くすると、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、アイレリーフＬは１５mm以上とすることが好ましい。

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の幅が短くなり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなるため、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。これにより光量ムラを低減させることが可能となる。

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９乃至図１１に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図９（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。図１０及び図１１に示す他の例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に接着剤１５０を用いて接合されている。

まず、図９に示す形態から説明する。なお、図９（ｂ）中、前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。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（図９（ｂ）参照）。

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、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９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との間のずれを最小限にすることである。組立上、多少のずれが発生するが、目安としては、１０μｍ程度のずれの場合は、シースルー性は保持できる。かかるずれを最小限に留めるには、一例として、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によって、それをなすことが可能となる。

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。

次に、導光部材１００と光学部材２００が接着剤を介して固定される形態について説明する。図１０は、図９に示す導光部材１００及び光学部材２００を、接着剤１５０を介して固定した例を示す。導光部材１００及び光学部材２００の対向する各部位は、図９で説明した例と同様に、導光部材１００の各第１面１０３ａと、対向する各第３面２０３ａとの位置が一致するように配置されている。このような配置とすることで、導光部材１００の第２面１０３ｂでの全反射が保持され、かつ、ライトガイド５０のシースルー性を保持することが可能となる。

接着剤１５０の屈折率は、導光部材１００の材質の屈折率よりも低い、または同等であることが望ましい。導光部材１００の材質の屈折率と接着剤１５０の屈折率を同等とする場合は、接着界面にハーフミラー等のコートを施すことで、界面での画像光の反射を確保しつつ、ライトガイド５０のシースルー性を高めることが可能となる。なお、接着剤１５０の屈折率が導光部材１００の材質の屈折率よりも高い場合は、画像光が全反射せずに接着剤１５０の部位で屈折してしまうため、虚像を表示することが困難になる。

図１１は、図１０と同様に、導光部材１００と光学部材２００が接着剤１５０を介して固定されている形態を示しているが、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向する光学部材２００の傾斜部２０３が均一な面であることが図１０の例と異なる。図１１に示す例でも、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。

（コリメート光学系の構成）
次に、コリメート光学系３００の具体的構成及びこれを用いた虚像光学系の原理を説明する。

図１２に示すコリメート光学系３００は、射出側すなわちライトガイド５０側から順に、開口絞り、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３及び第４レンズＬ４が配置された、３群４枚のレンズ構成となっている。この例では、第１レンズＬ１はライトガイド側に対して凹面となる負メニスカスレンズであり、第２レンズＬ２及び第４レンズＬ４は両側が凸面の正レンズ、第３レンズＬ３は両側が凹面の負レンズである。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は接合されている。

なお、説明の便宜上、図１２では画像表示素子１０の表面すなわち画像表示面Ｓ９を第４レンズＬ４に近接させて表しているが、実際には画像表示素子１０は、第４レンズＬ４から所定の間隔で配置される（図３等参照）。

図１２及び図１３に示すように、画像表示素子１０から出力される画像光は、かかる画像光の位置情報がコリメート光学系３００により角度情報に変換されて、ライトガイド５０に向けて射出される。コリメート光学系３００から射出される画像光は、ライトガイド５０の光線入射部１０１に入射し、光線射出部１０４から外部に射出される。この射出角度は、コリメート光学系３００からの入射角度と同じ角度に保たれる。

なお、かかる入射角度及び射出角度の関係性が保たれない場合、表示素子１０で形成される画像光は、虚像としては望ましくない像となる。

より詳細には、図１２及び図１３に示すように、画像表示素子１０の中央部及び両端部からそれぞれ画像光Ａ、Ｂ、Ｃが出力されるものとする。これら画像光の位置情報は、コリメート光学系３００を通して角度情報θA、θB、θCに変換される。かかる画像光は、コリメート光学系３００から射出されてライトガイド５０の光線入射部１０１に入射する。この際に、画像光ＡはθAの角度で、画像光ＢはθBの角度で、画像光ＣはθCの角度で、それぞれ光線入射部１０１に入射する。理解を容易にするため、図１３では、コリメーター光学系３００から射出される画像光Ａ、Ｂ、Ｃにつき、各々、θＡは実線「―」で、θＢは一点鎖線「-・-」、θＣは点線「・・・」で示している。

かくして、光線入射部１０１に入射された画像光は、ライトガイド５０内部に導かれ、画像光Ａ、Ｂ、Ｃは、ライトガイド５０内部を移動する。そして、ライトガイド５０の光線射出部１０４から各々の画像光Ａ、Ｂ、Ｃが射出される際は、図１３に示すように、各々の画像光におけるθA、θB、θCの入射角度が保存された状態で射出される。

このように、本実施形態では、コリメート光学系３００から射出された画像光を構成する各光線の入射角度すなわち角度情報が保存された状態でライトガイド５０の光線射出部１０４から射出されるので、高品質な虚像を表示することができる。

（実施例）
上述の効果が得られるコリメート光学系の実施例について以下に説明する。図１２で上述した３群４枚のレンズ構成によるコリメート光学系３００に関し、
焦点距離：10.0ｍｍ
Ｆナンバー：1.56
全長 ：21.9ｍｍ
射出角 ：最大20度
とした。

また、
Ｒ：曲率半径
Ｄ：間隔・肉厚
Ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：アッベ数
として、コリメート光学系の実施例の数値データを表１に示す。

（表１）

表１において、面番号Ｓ１乃至Ｓ９は、図１２に対応させて射出側から付けており、Ｓ１は絞り、Ｓ９は表示素子１０の表面すなわち画像表示面を表す。また、表１において、面番号に付加したアスタリスク（＊）は、非球面を表している。すなわち、本実施例では、面番号Ｓ２〜Ｓ５に対応する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の両側の面は非球面、面番号Ｓ６，Ｓ７に対応する第３レンズＬ３は両側とも球面である。また、Ｓ７に対応する第４レンズＬ４の射出側は球面で、面番号Ｓ８に対応する第４レンズＬ４の入射側は非球面である。かかる非球面の数値データを表２に示す。

（表２）

表２において、上欄のＳ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ８は、上述した非球面の面番号である。また、Ｋは円錐係数であり、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０は、非球面係数である。

上記の円錐係数及び非球面係数を用いて非球面を表すと、周知の次式となる。
Ｘ＝(Ｈ^２／Ｒ)／[１＋{１−Ｋ(Ｈ／ｒ)^２}^１／２］
＋Ｃ４・Ｈ^４＋Ｃ６・Ｈ^６＋Ｃ８・Ｈ^８＋Ｃ１０・Ｈ^１０＋・・・

この式において、Ｘは「面頂点を基準としたときの光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位」であり、非球面係数はＣ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０・・・で表される。

上述の実施例ではコリメート光学系３００を３群４枚のレンズ構成とした場合について説明したが、これに制限されない。コリメート光学系３００は、他の構成、例えばレンズ２枚での構成や、レンズ枚数を５枚以上としてもよい。

また、実施例では、絞りの位置を、コリメート光学系の最も射出側に位置させている。ライトガイド５０との組み合わせを考慮すると、コリメート光学系の絞り位置は、最も射出側すなわちライトガイド５０側とすることが望ましい。また、表示素子１０からの画像情報はテレセントリックとなっている。

実施例ではＦナンバー１．５６としているが、Ｆナンバーを３．０近くまで暗くして使うことも可能である。コリメート光学系３００のＦナンバーは、
１．５＜Ｆナンバー＜３．０
の条件式を満たすことが望ましい。

Ｆナンバーが条件式の下限を超えると、コリメート光学系３００の径を大きくする必要がありライトガイド５０の大型化をも招くため、望ましくない。他方、Ｆナンバーが条件式の上限を超えると、小型化には有利になるが、虚像の明るさが低減するため、望ましくない。

（ライトガイドの実施例）
次に、ライトガイドの具体的な実施例の数値を述べる。

以下の実施例１及び実施例２では、ライトガイド５０すなわち導光部材１００及び光学部材２００を、屈折率（Ｎｄ）＝１．５４のプラスチック材料としている。また、導光部材１００の画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの角度θａ＝３０度とした。

実施例１：
導光部材１００の肉厚ｔ＝１mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０ｍｍとした。

実施例２：
導光部材１００の肉厚ｔ＝４mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０ｍｍとした。

実施例１は主に軽量化に主眼を置き、実施例２は主に光量を追及したものであり、いずれの実施例でも、水平視野角が４０度で、アイレリーフ１９mm、アイボックス５mmを達成できる。なお、上記の各角度は、絶対値表示である。

実施例２では、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗを実施例１よりも狭くしている。実施例２では、第２面１０３ｂの幅ｗを狭くした分、画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの面の幅を狭くすることができ、光線射出部１０４から射出される光線の密度を高くし、瞳位置における光量の低下を防止することが可能となる。

なお、変形例として、実施例１と実施例２を掛け合わせた形態としてもよい。具体的には、導光部材１００の肉厚ｔ＝１mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０ｍｍとする形態とすることができる。或いは、導光部材１００の肉厚ｔ＝４mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０ｍｍとすることができる。

上述した実施例によれば、画像表示素子１０から出力される画像光は、その位置情報がコリメート光学系３００において角度情報に変換されてライトガイド５０の光線入射部１０１に入射される。そして、かかる画像光が光線射出部１０４から外部に射出される際は、コリメート光学系３００からの入射角度が保存された状態で射出されるので、高品質な虚像を表示することができる。また、優れたシースルー性を備え、４０度以上の広い視野角を有する小型のライトガイド５０を実現することができる。

（導光部材の変形例）
導光部材１００の他の構成例について、図１４乃至図１６を参照して説明する。

図８等で説明した上述の実施形態では、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１４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。

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、詳述を省略する。

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９０°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１４の形態のさらなる変形例として、第１面１０３ａ及び傾斜面１０３ｃを図の上方向に拡げることで、画像取り出し部１０３を、平面１０３ｄを有しない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８等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１５乃至図１７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１５（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。図１６及び図１７に示す他の例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に接着剤１５０を用いて接合されている。

また、図１５及び図１６に示す例では、光学部材２００は、図９及び図１０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’の好適値については上述と同様であり、また、この例でも角度θa＝θa’、角度θb＝θb’となっている。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点も上述と同様である。

図１７に示す例は、図１１と同様に光学部材２００の傾斜部２０３を均一な面とした場合であり、この場合も、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８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り、コンパクトで４０度以上の広視野角を実現可能な虚像表示装置用のライトガイド及び虚像光学系が実現される。

（虚像表示装置）
上述したライトガイド５０及び虚像光学系を用いた虚像表示装置の構成を図１８に示す。図中、画像光の光線経路を矢印で示すとともに、観察者すなわちユーザの目を模式的に描いている。図１８に示す虚像表示装置は、図２に示す虚像光学系に対して画像表示素子１０を照明するための光源ＬＳを加えたものであり、同一部分についての説明を省略する。画像表示素子１０は、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどが用いられる。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。

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の第１面１０３ａ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、画像情報の虚像を視認することができる。

上述の図１から図１８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１９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に例示する。

図１９（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１９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１９（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１９（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１９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１９（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源Ｌ、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１９（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。他方、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、上述した実施形態及び実施例によれば、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が実現され、また、ライトガイドのコンパクト化を実現できる虚像光学系及び虚像表示装置を提供することができる。

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
１５０ 接着剤
２００ 光学部材
２１０ 前面（平行面）
２０３ 傾斜部

特許４５０８６５５号公報 特許５４２１２８５号公報 特開２０１４−１５３６４４号公報

Claims (12)

1. 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虚像表示のために射出するライトガイドと、を備える虚像光学系であって、
   前記ライトガイドは、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が各々異なる面で形成された導光部材を有し、
   前記コリメート光学系の光軸は、前記ライトガイドの前記光線射出部に対して傾いて配置され、
   前記導光部材は、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前記光線入射部から離れるにつれて前記光線射出部に近づきながら繰り返し配置され、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ること
   を特徴とする虚像光学系。
2. 前記ライトガイドは、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材を有し、
   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対向配置される傾斜部とを有する
   請求項１記載の虚像光学系。
3. 前記コリメート光学系は、Ｆナンバーが下記条件（１）を満足する
   請求項１又は２記載の虚像光学系。
   １．５ ＜ Ｆナンバー＜ ３．０ ・・・条件（１）
4. 前記ライトガイドの前記光線入射部と光線射出部は、それぞれ平面である請求項１乃至３のいずれかに記載の虚像光学系。
5. 前記ライトガイドの前記光線入射部は、前記光線射出部面から突き出している請求項１乃至４のいずれかに記載の虚像光学系。
6. 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、前記平行面と平行な第４面と、が交互に配置されてなる
   請求項２に記載の虚像光学系。
7. 前記光学部材の前記第３面が前記平行面に対して傾斜する角度は、前記導光部材の前記第１面が前記光線射出部に対して傾斜する角度と等しい
   請求項６に記載の虚像光学系。
8. 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（２）を満たす請求項１乃至７のいずれかに記載の虚像光学系。
   ０．５ [ｍｍ]＜ ｗ ＜ ３．０ [ｍｍ]・・・条件（２）
9. 前記ライトガイドは、前記導光部材と前記光学部材とがエアギャップを介して近接設置されている請求項２、６または７のいずれかに記載の虚像光学系。
10. 前記ライトガイドは、前記導光部材と前記光学部材とが接着剤で接合されている請求項６または７のいずれかに記載の虚像光学系。
11. 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２または６乃至１０のいずれかに記載の虚像光学系。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の虚像光学系と、
    前記虚像光学系の画像表示素子を照明する光源と、を備えた
    虚像表示装置。