JP6657943B2 - 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及び２の虚像表示装置が知られている。

特許文献１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２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に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、広い視野角を達成しようとすると、ライトガイドの主面に平行な面で反射した画像光が画像を取り出すための斜面部で反射し、迷光が発生しやすいという課題がある。

本発明は、迷光の発生を抑制できる虚像表示装置用のライトガイドを実現することを主たる目的とする。

本発明に係るライトガイドは、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導光部材を有する虚像表示装置用のライトガイドであって、前記導光部材は、前記画像光が入射される光線入射部と、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、前記画像光を外部に射出するための光線射出部と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と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と、を備え、前記画像取り出し部は、前記第１面と前記第２面との間に設けられ前記第２面に向かって傾斜する第３面及び、前記第１面と前記第３面との間に設けられ前記光線射出部１０４に平行な第４面をさらに有し、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。






但し、Laは第１面の幅、θaは第１面と光線射出部とのなす角、Lcは第３面の幅、θcは第３面と光線射出部とのなす角、Ldは第４面の幅、θ₂は第２面で反射する画像光の反射角度、である。

本発明によれば、迷光の発生を抑制できる虚像表示装置用のライトガイドを実現することができる。

本発明を適用したライトガイドの第１の実施形態を示す平面図である。 図１の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。 図１のライトガイドにおける画像取り出し部と光線射出部を説明するための部分拡大平面図である。 画像取り出し部を構成する各４面を説明するための部分拡大平面図である。 ライトガイドの光線射出部から射出される光線における正規光及び迷光を説明するための光路図である。 画像光がライトガイドの第２面を反射した際に画像取り出し部由来の迷光が発生しない状態を説明するための光路図である。 画像光がライトガイドの第２面を反射した際に画像取り出し部由来の迷光が発生し得る場合を示す光路図である。 画像光がライトガイドの第１面で反射される際に画像取り出し部由来の迷光が発生しない状態を説明するための光路図である。 画像光がライトガイドの第１面で反射される際に画像取り出し部由来の迷光が発生し得る場合を示す光路図である。 ライトガイドの第２の実施形態を示す斜視図である。 ライトガイドの第３の実施形態を示す平面図である。 ライトガイドの第４の実施形態を示す斜視図である。 導光部材と光学部材の境界面を示す部分拡大平面図である。 第１の実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置を示す平面図である。 第３の実施形態のライトガイドを用いた虚像表示装置を示す平面図である。 第３の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及びかかる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、図１乃至図９を参照してライトガイドの第１の実施形態を説明する。

（ライトガイドの第１の実施形態）
図１に示すように、虚像表示装置用の第１実施形態のライトガイド５０は、画像表示素子及び光学レンズを含む光学系から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導光部材１００から構成される。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１乃至図９において下側）の面を「後面」とし、奥側（同図において上側）の面を「前面」として説明する。

導光部材１００は、虚像光学系からの画像光を内部に入射する光線入射部１０１と、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。

ライトガイド５０の導光部材１００は、平面視でテーパー状の外形を有している。導光部材１００において、光線入射部１０１及び光線射出部１０４が設けられた後面と、後面の反対側にある前面１０５は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４及び後面に対して傾斜して設けられ、後面と平行な前面１０５に連続する。反射部１０２は、光線入射部１０１及び後面に対して傾斜して設けられ、前面１０５に連続して導光部材１００の前面側に設けられる。

光線入射部１０１及び光線射出部１０４は、いずれも導光部材１００の後面に設けられた平面である。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。

本実施形態では、光線入射部１０１及び反射部１０２は、後述するコリメート光学系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導光部材１００の内部に導光させるために、図２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、導光部材１００の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３５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。導光部材１００の内部に画像光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３及び図４に示すように、第１面１０３ａ，第２面１０３ｂ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄの４つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。以下、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂ以外の部位、すなわち第１面１０３ａ，第３面１０３ｃ及び第４面１０３ｄで囲まれた部位を総称して「突起形状部」と呼ぶ。図３及び図４中、光線射出部１０４と平行な基準面を点線で表している。また、図３中、第２面１０３ｂの配置方向における幅をＬbで表し、図４中、第１面１０３ａ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄの配置方向の幅を、それぞれＬa，Ｌc，及びＬdで表している。

画像取り出し部１０３は、図３，図４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、θbの角度を有する第２面１０３ｂと、θcの角度を有する第３面１０３ｃと、θdの角度を有する第４面１０３ｄが、この順で配された形状を有する。画像取り出し部１０３において、第１面１０３ａと第３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。

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、図４において時計方向であり、光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜の向き（図３参照）とは逆である。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３５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反射させて導光部材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３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、さらには迷光の発生を抑制する役割を担っている。

光線射出部１０４に対する第３面１０３ｃの傾斜角度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、第３面１０３ｃは、第２面１０３ｂと同一面すなわち第２面１０３ｂの一部になり４面構造が保持できなくなる。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、画像表示素子１０からの画像光が第３面１０３ｃに当たると乱反射等の現象が生じるため、第３面１０３ｃの傾斜角度θcは、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。

第４面１０３ｄは、上述した第２面１０３ｂと同様に、入射された画像光を反射させて導光部材１００の内部に導光させる反射面としての役割、及びシースルー性を確保するための透過面としての役割を担う。このため、第４面１０３ｄは、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。

また、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄは、反射特性を有するコートを施すようにすることもでき、この場合には反射面としての機能を高めることができる。

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による反射角と、光線射出部１０４によ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。このことは、第４面１０３ｄを光線射出部１０４に対して傾斜させる、すなわち角度θd≠０°に設定する場合にも同様である。したがって、本実施形態では、角度θb＝０°及びθd＝０°とし、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄを光線射出部１０４に対して平行に形成している。

図４は、画像取り出し部１０３における突起形状部を拡大して表している。この実施形態では、第３面１０３ｃと第４面１０３ｄとは、連続した異なる平面で構成されており、第３面１０３ｃと第４面１０３ｄとのなす角度が１８０°−θcとなっている。この変形例として、第３面１０３ｃと第４面１０３ｄは、これら両面の接続される部位が連続面である曲面とすることもできる。

図５は、ライトガイド５０の光線射出部１０４から画像光が射出される場合に、正規の画像光（以下「正規光」と称する）のみならず迷光が射出される例を示す光路図であり、正規光を実線で、迷光を点線で示している。光線射出部１０４から射出される画像光は、画像表示素子の画素情報を持って眼に入射する。このとき、図５中に点線で示すように、画像表示素子の同じ画素位置からの光線が正規光とは異なる角度を持って眼に入射すると、その光線は迷光となり、コントラスト低下の原因になる。したがって、このような迷光の発生を可能な限り抑止することが重要な課題となる。

図６は、画像光がライトガイド５０の第２面１０３ｂを反射した際に画像取り出し部１０３において迷光が発生しない場合の突起形状部の拡大図である。図６中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面、及び画像光が第２面１０３ｂで反射する場合の第２面１０３ｂの法線を、それぞれ点線で表している。

図６に示す例では、ライトガイド５０内に導光され画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂで反射角θ₂にて反射された画像光は、第１面１０３ａに当たることなくライトガイド５０内を導光されている。このような画像光の反射条件を得るためには、以下の条件式（１）を満足することが必要となる。

条件式（１）において、
La：第１面１０３ａの幅
θa：第１面１０３ａと光線射出部１０４とのなす角
Lc：第３面１０３ｃの幅
θc：第３面１０３ｃと光線射出部１０４とのなす角
Ld：第４面１０３ｄの幅
θ₂：第２面で反射する画像光の反射角度
である。

本実施形態では、第２面１０３ｂはライトガイド５０の後面と平行な面であり、ライトガイド５０内に導光された画像光はライトガイド５０内を等しい角度で全反射する。したがって、条件式（１）の反射角度θ₂は、ライトガイド５０内部を導光する光線の反射角度（全反射角）と言い換えることができる。

条件式（１）は、光線射出部１０４からの迷光の発生を抑制するための突起形状部の条件を示している。より具体的には、条件式（１）は、ライトガイド５０内部を導光する画像光が第２面１０３ｂで反射した後、第１面１０３ａにて反射せずにライトガイド５０内部を導光し、光線射出部１０４にて全反射した後、第１面１０３ａにて反射し、光線射出部１０４から射出されるための突起形状部の条件を示している。

本実施形態のライトガイド５０では、光線入射部１０１にθinの入射角で入射した光線は、光線入射部１０１に対して角度θ₀で傾斜する反射部１０２にて反射した後、全反射角θ₂でライトガイド５０内部を導光する。ここで、全反射角θ₂が９０−θaより大きく、かつ第２面１０３ｂの最先端（図６では右端）から第１面１０３ａまでの距離が不十分な場合、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第２面１０３ｂで反射した後に一定量が第１面１０３ａで反射し、迷光となり得る。

他方、全反射角θ₂が９０−θaより大きい場合でも、第２面１０３ｂの最先端から第１面１０３ａまでの距離が十分である場合、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第２面１０３ｂで反射した後、第１面１０３ａに当たることはない。したがって、このような場合に迷光の発生を抑制することができる。

図７は、画像光がライトガイド５０の第２面１０３ｂを反射した際に画像取り出し部１０３由来の迷光が発生し得る場合の突起形状部の拡大図である。図７中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面を点線で表している。図７に示す突起形状部は、上述した条件式（１）を満たさない形状の一例であり、図６の例と比較して、第４面１０３ｄの幅Ldが相対的に短くなっている。突起形状部の形状が条件式（１）を満たさない場合、図７に示すように、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第２面１０３ｂで反射した後、その一部分ないし大部分の光線が第１面１０３ａにて反射し、光線射出部１０４から迷光として射出される。

図８は、画像光が画像取り出し部１０３で反射した際に迷光が発生せずに光線射出部１０４から射出される場合の突起形状部の拡大図である。図８中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面を点線で表している。

図８に示す例では、ライトガイド５０内に導光され画像取り出し部１０３で反射する際に、第４面１０３ｄに当たることなく第１面１０３ａにて反射されている。このような画像光の反射条件を得るためには、以下の条件式（２）を満足することが必要となる。

Ｌ_ｄｔａｎθ_０−Ｌ_ｃｓｉｎθ_ｃ＜０ ・・・条件式（２）

条件式（２）において、
Ld：第４面１０３ｄの幅
θ₀：光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角度
Lc：第３面１０３ｃの幅
θc：第３面１０３ｃと光線射出部１０４とのなす角
である。

本実施形態のライトガイド５０では、光線入射部１０１に任意の角度θinで入射した光線は、光線入射部１０１に対して角θ0で傾斜する反射部１０２にて反射した後、全反射角θ₂でライトガイド５０内部を導光する。条件式（２）を満足する場合、ライトガイド５０内部を導光する光線は、図８に示すように、第４面１０３ｄで反射されることなく、第１面１０３ａにて反射し、光線射出部１０４から正規光として射出される。したがって、このような場合に迷光の発生を抑制することができる。

図９は、画像光が画像取り出し部１０３で反射した際に画像取り出し部１０３由来の迷光が発生し得る場合の突起形状部の拡大図である。図９中、ライトガイド５０の後面に平行な基準面を点線で表している。図９に示す突起形状部は、上述した条件式（２）を満たさない形状の一例であり、図８の例と比較して、第３面１０３ｃの幅Lcが相対的に短く、第４面１０３ｄの幅Ldが相対的に長くなっている。

突起形状部の形状が条件式（２）を満たさない場合、図９に示すように、ライトガイド５０内部を導光する画像光は、第４面１０３ｄにて反射した後に更に第１面１０３ａで反射する。この場合、第１面１０３ａで反射された画像光の反射角度が入射角と変化してしまうため、光線射出部１０４から迷光として射出され得る。詳細には、第４面１０３ｄにて全反射する光線は、その全反射角が９０−θaよりも大きい場合に、条件式（２）を満たさなければ迷光となり得る。

図７と図９の反射状態を比較した場合、図７の方が画像光の反射角度の変動の度合いが大きいことが分かる。このため、図７及び図９に示す画像光がそれぞれ迷光として光線射出部１０４から射出された場合、ユーザが視認する虚像の品質劣化の度合いとしては、図７の方が劣化が大きく、図９の方が相対的に軽微な劣化となる。したがって、上述した条件式（１）と条件式（２）とでは、条件式（１）の方がより重要であり、図７に示すような反射の発生を防止するために、必要条件として、条件式（１）を満足するようにライトガイド５０を構成することが求められる。その上で、視認される虚像の品質をより一層高めるために、条件式（２）を満足するようにライトガイド５０を構成することが望ましい。

図３及び図４等で上述した実施形態では、画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの幅La、第３面１０３ｃの幅Lc、第４面１０３ｄの幅Ldを、各々の突起形状部で同一に設定することを前提としており、第２面１０３ｂの幅Lbについても同様である。この変形例として、第１面１０３ａの幅、または第３面１０３ｃの幅Lc、第４面１０３ｄの幅Ldを各々の突起形状部で異なる値に設定する、或いは第２面１０３ｂの幅Lbを各々の第２面で異なる値に設定することもできる。但し、このような場合であっても、上述した条件式（１）を満足するように各面の幅の値を設定することが求められ、より好ましくは、条件式（２）をも満足するように各面の幅の値が設定される。

次に、図１０乃至図１３を参照して、ライトガイドの他の実施形態について説明する。以下は、第１実施形態と同様の部位に同一の符号を付し、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。

（ライトガイドの第２の実施形態）
上述した第１実施形態のライトガイド５０は、後面および前面が矩形形状を呈する導光部材１００からなる。これに対して、図１０で斜視的に示すように、第２実施形態のライトガイド５０Ａは、後面及び前面がそれぞれ非対称な台形の形状を呈する導光部材１００Ａからなる。このような形状の場合であっても、上述した条件式（１）、条件式（２）を満たすことにより、迷光の発生を抑制することができる。

（ライトガイドの第３の実施形態）
上述した第１及び第２の実施形態のライトガイド５０及び５０Ａは、導光部材のみで構成されている。これに対して、図１１に示すように、第３実施形態のライトガイド５０Ｂは、第１の実施形態で上述した導光部材１００に対して、光学部材２００が導光部材１００と一体をなすように設けられる。

第３実施形態のライトガイド５０Ｂ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。

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図１３で後述する。

（ライトガイドの第４の実施形態）
図１２で斜視的に示すように、第４実施形態のライトガイド５０Ｃは、第２実施形態の導光部材１００Ａに対して光学部材２００Ａが一体に設けられた構成である。すなわち、ライトガイド５０Ｃの導光部材１００Ａは、後面及び前面がそれぞれ非対称な台形の形状を呈する。また、ライトガイド５０Ｃの光学部材２００Ａは、導光部材１００Ａのかかる形状に対応する形状として、傾斜部２０３及び前面２１０がそれぞれ非対称な台形の形状を呈する。

第３及び第４の実施形態のように、導光部材に対して光学部材が一体に設けられた構成の場合も、上述した条件式（１）、条件式（２）を満たすことにより、迷光の発生を抑制することができる。

（光学部材の構造及び導光部材に対する接合）
図１３に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図１３中、光学部材２００の前面２１０と平行な基準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に近接配置されている。かかる傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状に対応した形状を有しており、図１３に示すように、第５面２０３ａ乃至第８面２０３ｄの４面構造となっている。

より詳細には、傾斜部２０３は、前面２１０に対してθa’の角度を有する第５面２０３ａと、θb’の角度を有する第６面２０３ｂと、θc’の角度を有する第７面２０３ｃと、θd’の角度を有する第８面２０３ｄが、この順で配された形状となっている。傾斜部２０３において、第５面２０３ａ，第６面２０３ｂ，第７面２０３ｃ，及び第８面２０３ｄは、それぞれ、導光部材１００の第１面１０３ａ，第２面１０３ｂ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄに対向する位置に配置される。

光学部材２００の前面２１０は、導光部材１００の光線射出部１０４と平行な面である。また、傾斜部２０３の第６面２０３ｂ及び第８面２０３ｄは、それぞれ前面２１０と平行であり、角度θb’＝０°かつθd’＝０°である。したがって、第６面２０３ｂ及び第８面２０３ｄは、それぞれ導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄに対しても平行であり、θb＝θb’＝θd＝θd’＝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６面２０３ｂまたは第８面２０３ｄが上述した各面に対して平行でない場合は、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５面２０３ａの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部１０４に対する第１面１０３ａ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５面２０３ａ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。

加えて、前面２１０に対する第７面２０３ｃの角度θc’を、上述した角度θcすなわち光線射出部１０４に対する第３面１０３ｃの角度と等しい角度に設定するとより良い。この場合、光学部材２００の第７面２０３ｃは導光部材１００の第３面１０３ｃと平行となり、ライトガイド５０のシースルー性をより一層高めることが可能になる。

図１３に示す例では、導光部材１００と光学部材２００とが同じ材料で構成されている。また、図１３では、光学部材２００の傾斜部２０３が導光部材１００の画像取り出し部１０３に対して接着剤１５０を介して固定された例を示す。ここで、接着剤１５０は、導光部材１００の材質にもよるが、その屈折率が１．４〜１．９の範囲のものを使用するとよい。

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。

上述のように、図１３の例では、傾斜部２０３の第５面２０３ａ，第６面２０３ｂ，第７面２０３ｃ，及び第８面２０３ｄは、それぞれ、導光部材１００の第１面１０３ａ，第２面１０３ｂ，第３面１０３ｃ，及び第４面１０３ｄに対向する位置に配置される。また、傾斜部２０３において、第６面２０３ｂ及び第８面２０３ｄは、それぞれ導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂ及び第４面１０３ｄに対して平行である。さらに、光学部材２００の第５面２０３ａを導光部材１００の第１面１０３ａと平行に設定することが好ましく、第７面２０３ｃを導光部材１００の第３面１０３ｃと平行に設定することがより好ましい。このように、光学部材２００と導光部材１００の画像取り出し部１０３との各面同士の位置や角度の正確性を担保して、位置ずれ等を無くすために、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。

図１３では、図１１の第３実施形態のライトガイド５０Ｂの接合例について説明したが、図１２の第４実施形態のライトガイド５０Ｃの接合例も同様であり、説明を省略する。

（虚像表示装置の構成）
次に、図１４乃至図１６を参照して、虚像表示装置の構成を説明する。図１４に、上述した第１実施形態のライトガイド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示す。また、図１５に、上述した第３実施形態のライトガイド５０Ｂ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示す。

図１４及び図１５では、虚像表示光学系の光路すなわち入射された画像光における直線光の光線経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。図１４に示す虚像表示装置と図１５に示す虚像表示装置とでは、ライトガイド５０及び５０Ｂの構成が異なり、他の構成は同一であるため、以下は、図１４に示す虚像表示装置の構成のみを説明する。

虚像表示装置は、図１４に示すように、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。

図示の例では、画像表示素子１０として、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどを用いた場合を示しており、照明光を射出して画像表示素子１０の画像表示面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、光線入射部１０１に対して角度θ0で傾斜する反射部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、光線射出部１０４に対して傾斜し反射部１０２の傾斜角度θ0に対向する傾斜角度θaの第１面１０３ａを備えた画像取り出し部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。

上述の図１から図１５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。

図１６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、第３の実施形態のライトガイド５０Ｂを眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を例示する。

図１６（ａ）に示す例は、一つのライトガイド５０Ｂ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１６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１６（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つのライトガイド５０Ｂを小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合である。図１６（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１６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１６（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源ＬＳ、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。

図１６に示す例では、第３の実施形態のライトガイド５０Ｂを眼鏡型のＨＭＤに適用した場合について説明した。第１実施形態のライトガイド５０、第２実施形態のライトガイド５０Ａ、第４実施形態のライトガイド５０Ｃも、同様にして眼鏡型のＨＭＤに適用することができる。また、上述した各実施形態のライトガイドは、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。各実施形態のライトガイドは、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。

（実施例）
上述した第１の実施形態のライトガイド５０を用いた虚像表示装置の実施例を、比較例と対比しながら説明する。なお、各角度は絶対値表示である。

以下の各例では、共通条件として、以下の設定値によるライトガイドを使用した。
光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角θ₀＝３０度
光線射出部１０４に対する第１面１０３ａの傾斜角θa＝３０度
光線射出部１０４に対する第２面１０３ｂの傾斜角θb＝０度
光線射出部１０４に対する第３面１０３ｃの傾斜角θc＝９０度
光線射出部１０４に対する第４面１０３ｃの傾斜角θd＝０度
ライトガイドの屈折率（Ｎｄ）＝１．５４（プラスチック）
ライトガイドの水平視野角：４５度以上

実施例１：
実施例１では、ライトガイドの条件として、第１面１０３ａの幅La＝０．３mm、第３面１０３ｃの幅Lc＝０．０５５mm、第４面１０３ｄの幅Ld＝０．１mmとした。この条件は、上述した条件式（１）及び条件式（２）を満足しており、図７や図９に示すような迷光の原因となる画像光の反射状態が回避された。光線射出部１０４から射出された画像光は、迷光の発生が効果的に防止された。

比較例：
ライトガイドの条件として、第１面１０３ａの幅La＝０．４mm、第３面１０３ｃの幅Lc＝０．０５５mm、第４面１０３ｄの幅Ld＝０．１mmとし、実施例１と比較して第１面１０３ａの幅Laを広くした。この場合、条件式（２）を満足するため、図９に示すような画像光の反射状態は回避され、かかる反射に基づく迷光の発生を防止することが可能となった。他方、この場合、条件式（１）を満足しないことから、図７に示すような画像光の反射状態が発生し、かかる反射に基づく迷光が光線射出部１０４から射出された。

実施例２：
ライトガイドの条件として、第１面１０３ａの幅La＝０．３mm、第３面１０３ｃの幅Lc＝０．０４mm、第４面１０３ｄの幅Ld＝０．１mmとし、実施例１と比較して第３面１０３ｃの幅Lcを狭くした。
この場合、条件式（２）を満足しないため、図９に示すような画像光の反射状態が発生し、かかる反射に基づく迷光が光線射出部１０４から射出された。他方、この場合、条件式（１）を満足するため、図７に示すような画像光の反射状態は回避され、かかる反射に基づく迷光の発生は防止される。

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し、迷光の発生が抑制される透過型のライトガイドが実現され、また、迷光の発生が抑制され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
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ ライトガイド
１００，１００Ａ 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 第３面（傾斜面）
１０３ｄ 第４面（平面）
１０４ 光線射出部
１５０ 接着剤
２００，２００Ａ 光学部材
２１０ 前面（平行面）
２０３ 傾斜部
２０３ａ 第５面
２０３ｂ 第６面
２０３ｃ 第７面
２０３ｄ 第８面

特許５４２１２８５号 特許５７０３８７５号

Claims (12)

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導光部材を有する虚像表示装置用のライトガイドであって、
   前記導光部材は、前記画像光が入射される光線入射部と、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、前記画像光を外部に射出するための光線射出部と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と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と、を備え、
   前記画像取り出し部は、前記第１面と前記第２面との間に設けられ前記第２面に向かって傾斜する第３面及び、前記第１面と前記第３面との間に設けられ前記光線射出部に平行な第４面をさらに有し、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とするライトガイド。
   
   （Ｌ_ａｃｏｓθ_ａ＋Ｌ_ｃｃｏｓθ_ｃ＋Ｌ_ｄ）ｔａｎ（９０−θ_２）
   −（Ｌ_ａｓｉｎθ_ａ−Ｌ_ｃｓｉｎθ_ｃ）＞０ ・・・条件式（１）
   
   但し、Ｌ_ａは第１面の幅、θ_ａは第１面と光線射出部とのなす角、Ｌ_ｃは第３面の幅、θ_ｃは第３面と光線射出部とのなす角、Ｌ_ｄは第４面の幅、θ_２は第２面で全反射する画像光の反射角度である。
2. 前記導光部材の前記画像取り出し部は、以下の条件式（２）を満たす請求項１記載のライトガイド。
   
   Ｌ_ｄｔａｎθ_０−Ｌ_ｃｓｉｎθ_ｃ ＜０ ・・・条件式（２）
   
   但し、Ｌ_ｄは第４面の幅、θ_０は光線入射部に対する反射部の傾斜角度、Ｌ_ｃは第３面の幅、θ_ｃは第３面と光線射出部とのなす角、である。
3. 前記画像取り出し部は、前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜角度θ₀と前記第１面と前記光線射出部とのなす角θaが等しい角度である請求項１又は２に記載のライトガイド。
4. 前記画像取り出し部の前記第１面の幅は、各々の第１面で異なる請求項１乃至３のいずれかに記載のライトガイド。
5. 前記画像取り出し部の前記第２面の幅は、各々の第２面で異なる請求項１乃至４のいずれかに記載のライトガイド。
6. 前記画像取り出し部は、前記第３面と前記光線射出部とのなす角θc=９０°である請求項１乃至５のいずれかに記載のライトガイド。
7. 前記導光部材における前記第４面の幅Ｌ_ｄは、各々の第４面でＬ_ｄ＞0ｍｍである請求項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乃至７のいずれかに記載のライトガイド。
9. 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５面と前記平行面に平行な第６面とが交互に配置され、かつ、前記第５面と前記第６面との間に設けられ前記第６面に向かって傾斜する第７面、前記第５面と前記第７面との間に設けられ前記平行面に平行な第８面を有する
   請求項８に記載のライトガイド。
10. 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８又は９に記載のライトガイド。
11. 前記導光部材と前記光学部材とが接着剤で接合されており、前記接着剤の屈折率が１．４〜１．９の範囲である請求項８乃至１０のいずれかに記載のライトガイド。
12. 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１１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。