JP6915270B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

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シースルー型の画像表示装置として、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タイプのものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この画像表示装置では、導光板を導光する光を、導光板表面に設けたハーフミラーアレイによって取り出して観察者の眼に導いている。

特開２０１６−４２１３６号公報

しかしながら、上記構成においては、ハーフミラーアレイのエッジ部分がシースルー光の視野範囲内に位置すると、シースルー像の邪魔になることでシースルー像に歪みが生じてしまうといった問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、歪みの少ないシースルー像を視認できる、画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、画像光を射出する画像表示デバイスと、第１面及び前記第１面と反対の第２面を有する導光体と、前記画像光を前記導光体の光入射部に投射する投射レンズと、前記導光体の前記第１面又は前記第２面に設けられ、前記導光体内を導光する前記画像光を前記導光体の前記第１面側に位置する射出瞳に向けて取り出す光取出しユニットと、を備え、前記光取出しユニットは、前記導光体の前記光入射部側の端部に位置する第１エッジと、前記光入射部側とは反対の端部に位置する第２エッジとを有するとともに、前記導光体を前記第２面側から前記第１面側へと透過して前記射出瞳に入射するシースルー光を透過可能であって、前記第１エッジ及び前記第２エッジの少なくとも一方は、前記シースルー光が通過するシースルー視野範囲の外側に位置している画像表示装置が提供される。

第１態様に係る画像表示装置によれば、第１エッジ及び第２エッジの少なくとも一方がシースルー視野範囲の外側に位置するので、歪みの無いシースルー光を視認することができる。

上記第１態様において、前記取出しユニットは、前記導光体の前記第１面に設けられているのが好ましい。
シースルー視野範囲の幅は、光入射側となる第２面の方が第１面よりも大きくなる。この構成を採用すれば、光取出しユニットを第１面に配置するので、第２面側に配置する場合に比べて光取出しユニットを小型化できる。

上記第１態様において、前記射出瞳の直径をＤ、前記射出瞳から前記光取出しユニットまでの距離をＥｒ、前記射出瞳の中心を通る光軸と前記シースルー視野範囲とのなす角を規定するシースルー視野半角をθｓ、前記光軸から前記第１エッジ又は前記第２エッジまでの距離をＬとしたとき、 Ｌ＞ Ｅｒ・ｔａｎ（θｓ）＋Ｄ／２ を満たすのが好ましい。
この構成によれば、第１エッジ及び第２エッジの少なくとも一方をシースルー視野範囲の外側に位置させることができる。

上記第１態様において、前記シースルー視野半角は３０度以上に設定されるのが好ましい。
この構成によれば、観察者の視野内において画像光による虚像とシースルー光（外界像）とのバランスが良くなるため、観察者は違和感の少ない画像を視認することができる。

上記第１態様において、前記光取出しユニットは複数のハーフミラーを含むハーフミラーアレイを備え、複数の前記ハーフミラーは前記導光体の前記第１面又は前記第２面に対して同一の傾斜角度をなすように配置されているのが好ましい。
この構成によれば、射出瞳に向けて画像光の画角を保ったまま取り出すことができる。

上記第１態様において、前記ハーフミラーアレイは、前記第１エッジ又は前記第２エッジと前記ハーフミラーアレイとの間に、前記ハーフミラーが設けられていないダミー領域を有しているのが好ましい。
この構成によれば、ダミー領域を設けることでハーフミラーの数を増やすことなくエッジの位置を調整できるので、光取出しユニットのコストを低減できる。

上記第１態様において、前記ハーフミラーアレイは、前記第１エッジ、前記第２エッジ、及び前記ハーフミラーが互いに平行となるように形成されているのが好ましい。
この構成によれば、光取出しユニットの製造が容易となる。

上記第１態様において、前記導光体の前記第１面又は前記第２面に対して、前記第１エッジは順テーパー状に設けられ、前記第２エッジは逆テーパー状に設けられるのが好ましい。
この構成によれば、光取出しユニットの製造が容易となる。

上記第１態様において、前記第２エッジと前記導光体の前記第１面又は前記第２面との間に樹脂が充填されているのが好ましい。
この構成によれば、鋭角なエッジが露出したことによる光散乱の発生を低減するとともに、鋭角なエッジによる安全上での問題（エッジによる手の怪我等）を低減した光取出しユニットを提供できる。

上記第１態様において、前記光取出しユニットは回折光学素子であるのが好ましい。
この構成によれば、光の回折を利用して画像光を効率良く取り出すことができる。

上記第１態様において、前記シースルー視野範囲は、観察者が視線移動を伴いつつ、少なくとも前記シースルー光を認識可能とする有効視野範囲であるのが好ましい。
この構成によれば、第１エッジ及び第２エッジの少なくとも一方を有効視野範囲の外側に位置させることができる。

上記第１態様において、前記射出瞳の中心を通る光軸と前記有効視野範囲とのなす角を規定する有効視野半角は、２０度以上に設定されるのが好ましい。
この構成によれば、観察者Ｍは視線の移動を伴いながら文字や画像などの所定情報を認識でき、かつ、自然に画像光Ｇによる虚像とシースルー光（外界像）と認識することができる。

上記第１態様において、前記画像光を前記射出瞳に導く画角範囲が前記有効視野範囲よりも広い場合において、前記第１エッジ及び前記第２エッジの少なくとも一方は、前記画角範囲の外側に位置しているのが好ましい。
この構成によれば、第１エッヂ又は第２エッジの少なくとも一方と画像光とが重ならないので、観察者は良質な画像を視認することができる。

本発明の第２態様に従えば、画像光を射出する画像表示デバイスと、第１面及び前記第１面と反対の第２面を有する導光体と、前記画像光を前記導光体の光入射部に投射する投射レンズと、前記導光体の内部に設けられ、前記導光体内を導光する前記画像光を前記導光体の一方の面側に位置する射出瞳に向けて取り出す光取出しユニットと、を備え、前記導光体は、前記光入射部側とは反対の端部に位置する端面を有し、前記光取り出しユニットは、前記導光体を前記第２面側から前記第１面側へと透過して前記射出瞳に入射するシースルー光を透過可能であり、前記導光体の前記端面は、前記シースルー光が通過するシースルー視野範囲の外側に位置している画像表示装置が提供される。

第２態様に係る画像表示装置によれば、導光板の端面がシースルー視野範囲の外側に位置するので、歪みの無いシースルー光を視認することができる。

観察者が第１実施形態の画像表示装置を装着した状態を示す図。 第１実施形態の画像表示装置の斜視図。 画像表示部の概略構成を示す水平断面図。 画像表示部を後側から視た正面図。 光取出しユニットの製造方法を示す図。 光取出しユニットの製造方法を示す図。 光取出しユニットの製造方法を示す図。 観察者の眼に入射するまでの画像光の光路を説明するための図。 第２実施形態の画像表示部の構成を示す断面図。 第３実施形態の画像表示部の有効視野範囲を概念的に示す図。 第３実施形態の画像表示部の構成を示す断面図。 第４実施形態の画像表示部の構成を示す断面図。 第５実施形態の画像表示部の構成を示す断面図。 第６実施形態の画像表示部の構成を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第１実施形態）
本実施形態の画像表示装置は、画像とともに外界も見ることができるシースルー型のヘッドマウントディスプレイである。すなわち、観察者に虚像としての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光として観察させる。

図１は、観察者が本実施形態の画像表示装置を装着した状態を示す図である。図２は、本実施形態の画像表示装置の斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の画像表示装置１００は、観察者Ｍが眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。
図２に示すように、画像表示装置１００は、眼鏡に類似した形状を有する表示部１１１と、観察者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置（コントローラー）１６０と、を備えている。表示部１１１と制御装置１６０とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態では、表示部１１１を構成する左眼用画像表示部１１１Ａおよび右眼用画像表示部１１１Ｂの各々と制御装置１６０とは、ケーブル１５０を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。

表示部１１１は、メインフレーム１２０と、左眼用画像表示部１１１Ａと、右眼用画像表示部１１１Ｂと、を備えている。制御装置１６０は、表示画面部１７０と、操作ボタン部１８０と、を備えている。

表示画面部１７０は、例えば観察者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム１２０は、観察者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを備えている。メインフレーム１２０は、左眼用画像表示部１１１Ａと、右眼用画像表示部１１１Ｂと、を支持する部材である。

右眼用画像表示部１１１Ｂと左眼用画像表示部１１１Ａとは、同様の構成を有しており、双方の表示部１１１内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、左眼用画像表示部１１１Ａを単に画像表示部１１２として詳細に説明し、右眼用画像表示部１１１Ｂの説明を省略する。

以下、図面においてＸＹＺ座標系を用いる。Ｘ方向は画像表示装置を装着する観察者の前後方向に相当し、Ｙ方向は観察者の左右方向に相当し、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向に直交する方向であり、観察者の上下方向に相当する。本実施形態において、−Ｙ方向を左方向（左側）、＋Ｙ方向を右方向（右側）、＋Ｘ方向を前方向（前方又は前側）、−Ｘ方向を後方向（後方又は後側）と称すこともある。

図３は画像表示部１１２の概略構成を示す水平断面図である。図３に示される断面は、ＸＹ平面と平行な面での断面である。図４は画像表示部１１２を後側から視た正面図である。
図３及び図４に示すように、画像表示部１１２は、画像形成部１０と、導光部２０と、を有する。画像形成部１０は、画像表示パネル１１と、投射レンズ１２とを備える。画像表示パネル１１は、液晶表示パネル、有機ＥＬパネルなどの画像表示デバイスからなる。投射レンズ１２は、画像表示パネル１１が表示する画像光Ｇを導光部２０の光入射部２２に投射する。投射レンズ１２は、ガラス又はプラスチックから形成され、１枚に限らず複数枚の構成とすることもできる。

導光部２０は、画像形成部１０で形成された画像光Ｇを虚像光として観察者Ｍの眼ＭＥに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光をシースルー光ＳＬとして透過させる。導光部２０は、導光体２１と、導光体２１内を導光する画像光Ｇを外部に取り出す光取出しユニット３１とを備える。

導光体２１は、画像光Ｇを内部に取り込む光入射部２２と、平行導光板２３とが高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品である。

光入射部２２は、三角プリズム状からなり、投射レンズ１２からの画像光Ｇを取り込む光入射面２２ａと、取り込んだ画像光Ｇを反射して平行導光板２３内に導く反射部２２ｂとを有する。反射部２２ｂは、プリズム形状の表面にアルミ蒸着膜を形成したものであり、入射した画像光Ｇを反射し、その光路を直交方向に近い方向に折り曲げる。これにより、画像光Ｇは、光入射部２２から平行導光板２３へと入射する。

ここで、射出瞳ＳＭの中心を通る軸として光軸ＡＸを設定する。射出瞳ＳＭは、光学設計上、画像表示装置１００を装着した際、観察者Ｍの眼ＭＥが置かれる位置である。

平行導光板２３は、観察者Ｍの左右方向（両眼が並ぶＹ方向）に延びる板状からなる。具体的に、平行導光板２３は、射出瞳ＳＭの中心を通る光軸ＡＸに対して僅かに傾けて配置されている。平行導光板２３は、観察者Ｍの左側（−Ｙ方向）に向かって後方（−Ｘ方向）、すなわち顔に近づくように傾斜している。

このような構成に基づき、平行導光板２３は観察者Ｍの顔の曲線に沿って配置されるので、導光体２１を含む画像表示部１１２自体も顔の曲線に沿った形状を採用可能となる。よって、この画像表示部１１２を備えた画像表示装置１００自体もデザイン性に優れたものとなる。

平行導光板２３は、互いに平行な一対の第１面２３ａ、第２面２３ｂを有する。第１面２３ａ及び第２面２３ｂは平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。

第１面２３ａ及び第２面２３ｂは、内部を伝播する画像光Ｇを全反射させる全反射面として機能し、画像光Ｇを少ない損失で光取出しユニット３１に導くようになっている。本実施形態において、第１面２３ａと上記光入射面２２ａとは連続した平面を形成している。

平行導光板２３に入射した画像光Ｇは、まず、第１面２３ａに入射して全反射される。そして、画像光Ｇは、第２面２３ｂに入射して全反射される。画像光Ｇは、第１面２３ａ及び第２面２３ｂ間で１回以上全反射されることで光入射部２２から離間する方向に伝播し、光取出しユニット３１に到達する。

光取出しユニット３１は、平行導光板２３の第１面２３ａに設けられ、平行導光板２３内を伝播する画像光Ｇを射出瞳ＳＭに向けて取り出す。射出瞳ＳＭは、平行導光板２３の第１面２３ａ側に位置する。なお、光取出しユニット３１は所定の条件を満たすように設計されている。光取出しユニット３１の設計条件については後述する。

光取出しユニット３１は、平行導光板２３の第１面２３ａに光学的に接着されている。光取出しユニット３１は、平行導光板２３の第１面２３ａに沿ってＹ方向に延びる板状の部材から構成される。

図３に示したように、光取出しユニット３１は、透明部材３１ａと、透明部材３１ａ内に埋め込まれた複数のハーフミラー３１ｂとを有する。透明部材３１ａの屈折率は平行導光板２３の屈折率と略等しい。これにより、光取出しユニット３１と平行導光板２３との界面における画像光Ｇの反射が低減される。

本実施形態において、光取出しユニット３１は、ハーフミラー３１ｂが形成されたハーフミラー形成領域ＫＭと、ハーフミラー３１ｂが形成されないダミー領域ＤＭとを含む。すなわち、ハーフミラー形成領域ＫＭは透明部材３１ａ及びハーフミラー３１ｂから構成された領域であり、ダミー領域ＤＭは透明部材３１ａのみから構成された領域である。なお、ダミー領域ＤＭの効果については後述する。

複数のハーフミラー３１ｂはＺ方向に長手を有する部材であり、透明部材３１ａ内に所定のピッチで配置されている。複数のハーフミラー３１ｂは平行導光板２３の第１面２３ａに対して、後側端部３１ｂ１よりも前側端部３１ｂ２を光入射部２２側（−Ｙ側）に近づけるように傾いた状態で配置される。複数のハーフミラー３１ｂは第１面２３ａに対して同一の傾斜角度をなすように配置されている。すなわち、複数のハーフミラー３１ｂは互いに平行に配置されている。

光取出しユニット３１において、その両端に形成される第１エッジ３３及び第２エッジ３４とハーフミラー３１ｂとが互いに平行となるように形成されている。この構成によれば、後述するように光取出しユニット３１の製造が容易となる。

本実施形態において、光取出しユニット３１は、左右方向における両側に位置する第１エッジ３３と第２エッジ３４とを有する。第１エッジ３３は光入射部２２側（−Ｙ側）の端部をなす部位であり、第２エッジ３４は光入射部２２側とは反対（＋Ｙ側）の端部をなす部位である。

第１エッジ３３は第１面２３ａに対して順テーパー状に設けられ、第２エッジ３４は第１面２３ａに対して逆テーパー状に設けられている。
ここで、順テーパー状とは第１面２３ａに対する傾斜角が鈍角となる状態であり、逆テーパー状とは第１面２３ａに対する傾斜角が鋭角となる状態である。

逆テーパー状の第２エッジ３４は鋭角なエッジが露出した状態となるが、本実施形態では第２エッジ３４を光学樹脂３５で埋めている。これにより、鋭角なエッジが露出したことによる光散乱の発生を低減するとともに、鋭角なエッジによる安全上での問題（エッジによる手の怪我等）を低減している。

なお、光学樹脂３５の屈折率としては、光取出しユニット３１のガラスの屈折率に近いものを用いるのが望ましい。あるいは、光を吸収して不要な散乱光を発生させない黒色の樹脂を用いても良い。

以上のように、光取出しユニット３１は上述のように透明部材３１ａとハーフミラー３１ｂとで構成される。そのため、光取出しユニット３１は、平行導光板２３の第２面２３ｂ側から第１面２３ａ側に入射した光をさらに透過して上記射出瞳ＳＭに入射させる。すなわち、観察者Ｍは、光取出しユニット３１及び導光部２０を介して外界像をシースルー光ＳＬとして観察することができる。

続いて、上記構成の光取出しユニット３１の製造方法の一例について説明する。
図５Ａ〜図５Ｃは光取出しユニット３１の製造方法を示す図である。

まず、図５Ａに示すように、表面に大判ハーフミラー１３１ａを製膜したガラス板１３２を積層し、両側をガラスブロック１３３で挟んだ積層体１４０を形成する。なお、積層体１４０は、それぞれのガラス板１３２とガラスブロック１３３とが光学的に接着されることで構成される。

続いて、積層体１４０を図５Ａの破線で示すように所定の厚みでスライス（切断）することで複数の光取出しユニット３１を切り出す。なお、ガラス板１３２及びガラスブロック１３３は切断されることで透明部材３１ａを構成し、複数の大判ハーフミラー１３１ａは切断されることで複数のハーフミラー３１ｂを構成する。

積層体１４０を切断して個片化する際、ハーフミラー３１ｂが平行導光板２３の第１面２３ａに対して所望の傾斜角となるようにするとともに、光取出しユニット３１が所望の厚さとなるようにスライス（切断）し、両平面を研磨する。

このようにして切り出された光取出しユニット３１は図５Ｂに示すような板状となるが、その両端に形成される第１エッジ３３及び第２エッジ３４はハーフミラー３１ｂと平行な面となる。

また、ガラスブロック１３３に相当する部位は、光取出しユニット３１のうちハーフミラー３１ｂが形成されないダミー領域ＤＭを構成する。すなわち、ガラスブロック１３３の厚みによってダミー領域ＤＭの大きさを適宜調整できる。

続いて、図５Ｃに示すように、光取出しユニット３１は平行導光板２３の第１面２３ａに光学的に接着される。続いて、第１面２３ａに対して逆テーパー状となる第２エッジ３４の鋭角なエッジを光学樹脂（充填樹脂）３５で埋める。

これにより、鋭角なエッジが露出したことによる光散乱の発生を低減するとともに、鋭角なエッジによる安全上での問題（エッジによる手の怪我等）を低減した光取出しユニット３１を製造できる。
以上のようにして、導光体２１と光取出しユニット３１とを有する導光部２０を形成することができる。

続いて、画像形成部１０で形成された画像光Ｇが観察者Ｍの眼ＭＥに入射するまでの光路について図６を参照しつつ説明する。

図６においては、画像表示パネル１１から射出される画像光Ｇのうち、破線で示す中央部分から射出される成分を画像光Ｇ_０とし、図３中一点鎖線で示す周辺のうち最も左側に位置する左端から射出される成分を画像光Ｇ_１とし、図中３二点鎖線で示す周辺のうち最も右側に位置する最右端から射出される成分を画像光Ｇ_２とする。なお、画像光Ｇ_０，Ｇ_１，Ｇ_２は、画像光Ｇの光線全体の一部を説明したものであるが、画像光Ｇを構成する他の光線成分についても画像光Ｇ_０等と同様に導かれ、光射出面３１Ａから射出される。そのため、これらについては図示及び説明を省略する。

投射レンズ１２を経た各画像光Ｇ_０，Ｇ_１，Ｇ_２は、導光部２０の光入射部２２（光入射面２２ａ）からそれぞれ入射した後、反射部２２ｂを経て平行導光板２３内を通過して光取出しユニット３１に至る。

ここで、画像光Ｇが光取出しユニット３１に入射する角度は、光入射部２２から離れるに従って大きくなっている。つまり、光取出しユニット３１の右側（光入射部２２から遠い側）には、光軸ＡＸに対して傾きの大きな画像光Ｇが入射して比較的小さな角度で折り曲げられ、光取出しユニット３１の左側（光入射部２２に近い側）には、光軸ＡＸに対して傾きの小さな画像光Ｇが入射して比較的大きな角度で折り曲げられる。

具体的に、画像光Ｇ_０は、平行導光板２３の第１面２３ａと光取出しユニット３１との界面で反射されることなく光取出しユニット３１の中央部分に入射する。画像光Ｇ_０は、ハーフミラー３１ｂによって所定の角度で反射され、光射出面３１Ａを含む平面に対して所定角度だけ傾く光軸ＡＸ方向に沿って、光射出面３１Ａから射出瞳ＳＭに向かう平行光束として射出される。

また、画像光Ｇ_１は、平行導光板２３の第１面２３ａと光取出しユニット３１との界面で反射されることなく光取出しユニット３１の右側（+Ｙ側）の部分に入射する。画像光Ｇ_１は、ハーフミラー３１ｂによって画像光Ｇ_０よりも小さい角度で反射され、光射出面３１Ａから射出瞳ＳＭに向かう平行光束として射出される。

同様に、画像光Ｇ_２は、平行導光板２３と光取出しユニット３１との界面で反射されることなく光取出しユニット３１の左側（−Ｙ側）の部分に入射する。画像光Ｇ_２は、ハーフミラー３１ｂによって画像光Ｇ_０よりも大きい角度で反射され、光射出面３１Ａから射出瞳ＳＭに向かう平行光束として射出される。

以上のように光取出しユニット３１に入射した画像光Ｇは設計された角度で折り曲げられることで射出瞳ＳＭに向けて取出し可能な状態となり、最終的に射出瞳ＳＭに位置する観察者Ｍの眼ＭＥに入射する。光取出しユニット３１から射出された画像光Ｇは、虚像光として観察者Ｍの眼ＭＥに入射し、虚像光が観察者Ｍの網膜において結像することで観察者Ｍは虚像による映像を認識することができる。

また、本実施形態の画像表示装置１００は、観察者Ｍに外界像をシースルー光ＳＬとして観察させることが可能である。以下、画像表示装置１００において、観察者Ｍの眼ＭＥ（射出瞳ＳＭ）にシースルー光ＳＬを入射させる範囲（外界像を視認できる範囲）をシースルー視野範囲と称す。

ところで、光取出しユニット３１は左右方向両端に第１エッジ３３及び第２エッジ３４を有している。第１エッジ３３或いは第２エッジ３４がシースルー視野範囲に存在すると、シースルー光ＳＬの像に歪みが生じ、シースルー光ＳＬ（外界像）を良好に視認することができなくなる。

そこで、本実施形態の画像表示装置１００では、シースルー視野範囲に光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）が位置しないようにすることで良好にシースルー光ＳＬを視認可能としている。以下、シースルー視野範囲と光取出しユニット３１のエッジとの位置関係について説明する。

図６において、射出瞳ＳＭの直径をＤ、光軸ＡＸに沿った射出瞳ＳＭと光取出しユニット３１の間隔（アイレリーフと称す）をＥｒ、シースルー視野半角（光軸ＡＸとシースルー視野範囲ＳＡとのなす角度）をθs、光軸ＡＸから光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）までの距離をＬ、画像光Ｇ（虚像）を表示するために必要な画角を規定する画像表示範囲をＬｆとした。

このとき、本実施形態の光取出しユニット３１において、距離Ｌがシースルー視野範囲ＳＡより大きくなる条件を規定した下式（１）を満たしている。

Ｌ ＞ ＳＡ ＝ Ｅｒ・ｔａｎ（θｓ）＋Ｄ／２ …式（１）

本実施形態の画像表示装置１００では、画像表示範囲Ｌｆの領域にハーフミラー形成領域ＫＭが対応している。そして、ハーフミラー形成領域ＫＭの外側にダミー領域ＤＭを設けることで、光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）を画像表示範囲Ｌｆ及びシースルー視野範囲ＳＡの外側に位置させる。

また、ダミー領域ＤＭを設けることでハーフミラー３１ｂの数を増やすことなく第１エッジ３３及び第２エッジ３４の位置を調整できるので、光取出しユニット３１のコストを低減できる。

本実施形態において、シースルー視野半角θsは、３０度以上に設定するのが望ましい。シースルー視野半角θｓを上記範囲に設定すると、観察者Ｍの視野内において画像光Ｇによる虚像とシースルー光（外界像）とのバランスが良くなるため、観察者Ｍは違和感の少ない画像を視認することができる。

具体的に、射出瞳ＳＭの直径Ｄを８ｍｍ、アイレリーフＥｒを２０ｍｍ、シースルー視野半角θsを４５度とすると、シースルー視野範囲ＳＡは２４ｍｍとなる。
したがって、本実施形態では、光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）を光軸ＡＸから２４ｍｍ以上離した位置に配置している。

ここで、画像光Ｇにより視認可能な虚像のサイズを決める画像半画角θｆを１０度とすると、画像表示範囲Ｌｆは約７．５ｍｍとなる。ハーフミラー形成領域ＫＭは、この７．５ｍｍより若干広くなっているが、一番外側に位置するハーフミラー３１ｂからシースルー視野範囲ＳＡ＝２４ｍｍの間はハーフミラー３１ｂが形成されないダミー領域ＤＭとなっている。

このように本実施形態の画像表示部１１２によれば、光取出しユニット３１の第１エッジ３３及び第２エッジ３４をシースルー視野範囲ＳＡの外側に位置させる。そのため、このような画像表示部１１２を有した本実施形態の画像表示装置１００によれば、歪みの無いシースルー光（外界像）を視認することができる。

なお、画像表示部１１２を構成する部品のレイアウトによっては、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の両方をシースルー視野範囲ＳＡの外側に配置できない場合もある。この場合、光取出しユニット３１は、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の少なくとも一方をシースルー視野範囲ＳＡの外側に位置することで歪みの少ないシースルー光を視認できる。

本実施形態の光取出しユニット３１によれば、ハーフミラー３１ｂを画像表示に必要な画像光Ｇを透過させる画像表示範囲Ｌｆに選択的に設けるので、ハーフミラー３１ｂを形成する工程を削減することで低コスト化を実現している。

また、本実施形態の画像表示部１１２では、光取出しユニット３１を平行導光板２３の第１面２３ａ側に配置している。ここで、光取出しユニット３１は上述のように第１エッジ３３及び第２エッジ３４をシースルー視野範囲ＳＡの外側に位置させる大きさに設定される。図６に示したように、シースルー視野範囲ＳＡの幅は、光入射側となる第２面２３ｂの方が第１面２３ａよりも大きくなる。
したがって、本実施形態によれば、光取出しユニット３１を第１面２３ａに配置するので、第２面２３ｂ側に配置する場合に比べて光取出しユニット３１を小型化することができる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係る画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

図７は第２実施形態の画像表示部２１２の構成を示す断面図である。本実施形態の画像表示部２１２は、第１実施形態とは異なる光取出しユニット１３１を有しており、それ以外の構成は共通である。そのため、以下では、光取出しユニット１３１の構成を中心に説明する。

図７に示すように、本実施形態の光取出しユニット１３１はダミー領域ＤＭ（図４参照）を有しない。すなわち、本実施形態の光取出しユニット１３１において、ハーフミラー３１ｂは画像表示に必要な画像光Ｇを透過させる画像表示範囲Ｌｆだけでなく、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の近傍まで形成されている。

第１実施形態の光取出しユニット３１においては、シースルー視野範囲ＳＡ内にハーフミラー３１ｂが形成された領域（ハーフミラー形成領域ＫＭ）と形成されていない領域（ダミー領域ＤＭ）との境界が存在しているため、シースルー光ＳＬの観察の邪魔になるおそれがあった。

これに対し、本実施形態によれば、画像表示には寄与しないものの光取出しユニット１３１の両側エッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）までハーフミラー３１ｂを形成することによって、シースルー視野範囲ＳＡ内にハーフミラー３１ｂが有る領域と無い領域との境界をなくすことができる。よって、シースルー光ＳＬの像の見易さをより向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、光取出しユニット３１としてハーフミラーアレイを用いる場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。光取出しユニットとしては、例えば、回折格子や体積ホログラム等の回折光学素子を用いても良い。

また、上記実施形態では、光取出しユニット３１を平行導光板２３の第１面２３ａ側（観察者Ｍ側）に配置する場合を例に挙げたが、平行導光板２３の第２面２３ｂ側に配置しても良い。この場合においても、光取出しユニット３１は、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の少なくとも一方をシースルー視野範囲ＳＡの外側に位置させていればよい。

また、上記実施形態では、シースルー視野範囲ＳＡが画像表示範囲Ｌｆよりも広い場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、画像表示装置の仕様に応じて、画角を大きく設定することもある。この場合において、画像表示範囲Ｌｆがシースルー視野範囲ＳＡよりも広くなることがある。

画像表示範囲Ｌｆがシースルー視野範囲ＳＡよりも広い場合において、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の少なくとも一方は画像表示範囲Ｌｆの外側に位置させるのが好ましい。

観察者の視線が動かないとすると、画像表示範囲Ｌｆのうちシースルー視野範囲ＳＡよりも外側に位置する外側領域は観察者の眼に入射しない。しかしながら、観察者が視線を動かすことにより、外側領域が観察者の眼に視認されるようになる。

これに対して、上述のように第１エッジ３３及び第２エッジ３４の少なくとも一方を画像表示範囲Ｌｆの外側に位置させることで、観察者が視線を動かした場合でも、虚像とエッジとが重なってしまうことが防止される。よって、観察者は多少視線を動かした場合でも虚像及びシースルー像を良好に視認することができる。

（第３実施形態）
続いて、第３実施形態に係る画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

本実施形態において、観察者Ｍの眼ＭＥ（射出瞳ＳＭ）にシースルー光ＳＬを入射させる範囲（外界像を視認できる範囲）を有効視野範囲と称す。有効視野範囲は、シースルー視野範囲をより具体的に規定した範囲である。

図８は有効視野範囲を概念的に示す図である。図８において、観察者Ｍが眼ＭＥの視線を固定した状態（視線移動なしの状態）で文字や画像などの所定情報を認識できる角度範囲を情報認識視野Ａ１とし、観察者Ｍが視線を自然に移動できる角度範囲を視線角度移動範囲Ａ２とする。

図８に示すように、有効視野範囲Ｓは、情報認識視野Ａ１及び視線角度移動範囲Ａ２で規定される角度範囲に相当する。つまり、有効視野範囲Ｓは、観察者Ｍが文字や画像などの所定情報を視線の移動を伴いながら自然に（違和感なく）認識可能な視野範囲に相当する。

一般に、情報認識視野Ａ１は概ね１０度から２０度であり、視線角度移動範囲Ａ２は概ね３０度である。したがって、有効視野範囲Ｓは概ね４０度から５０度となる。

本実施形態の画像表示装置では、有効視野範囲に光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）が位置しないようにすることで良好にシースルー光ＳＬを視認可能としている。以下、有効視野範囲と光取出しユニット３１のエッジとの位置関係について説明する。

図９は第３実施形態の画像表示部３１２の構成を示す断面図である。本実施形態の画像表示部３１２は、第１実施形態と同一の光取出しユニット３１を有している。

図９において、射出瞳ＳＭの直径をＤ、光軸ＡＸに沿った射出瞳ＳＭと光取出しユニット３１の間隔（アイレリーフ）をＥｒ、有効視野半角（有効視野範囲Ｓを規定する有効視野角θｓの半角）をθｅ、光軸ＡＸから光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）までの距離をＬ、有効視野範囲Ｓの半幅（光軸ＡＸから有効視野範囲Ｓまでの距離）をＷｅ、ハーフミラー形成領域ＫＭの半幅をＷｍ、画像光Ｇ（虚像）を表示するために必要な画角を規定する画像表示範囲をＬｆとした。

このとき、本実施形態の光取出しユニット３１において、距離Ｌが有効視野範囲Ｓより大きくなる条件を規定した下式（２）を満たしている。

Ｌ ＞ Ｗｅ ＝ Ｅｒ・ｔａｎ（θｅ） …式（２）

これにより、本実施形態の画像表示部３１２は、光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）を有効視野範囲Ｓの外側に位置させることが可能となっている。

本実施形態において、有効視野半角θｅは、２０度以上に設定するのが望ましい。すなわち、有効視野角θｓは４０度以上に設定するのが望ましい。有効視野角θｓを上記範囲に設定すると、観察者Ｍは視線の移動を伴いながら文字や画像などの所定情報を認識でき、かつ、自然に画像光Ｇによる虚像とシースルー光（外界像）と認識することができる。よって、観察者Ｍは違和感の少ない画像を視認することができる。

ここで、画像光Ｇにより視認可能な虚像のサイズを決める画像半画角θｆを１０度、すなわち、画角を２０度とする。画角２０度は、観察者Ｍの眼ＭＥの前２．５ｍに概ね対角サイズ４０インチの虚像を観察させることが可能である。

具体的に、アイレリーフＥｒを２０ｍｍとすると、ハーフミラー形成領域ＫＭの半幅Ｗｍは約３．５ｍｍとなる。なお、観察者Ｍの眼ＭＥに対して平行導光板２３が傾斜している場合、傾斜角θｗに応じて射影した距離を求める必要があるが、本実施形態では傾斜角θｗが非常に小さく、その影響を無視できる。

また、有効視野半角θｅを２０度、すなわち有効視野角θｓを４０度とすると、有効視野範囲Ｓの半幅Ｗｅは約７．３ｍｍとなる。
したがって、本実施形態では、光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）を光軸ＡＸから７．３ｍｍ以上離した位置に配置している。

このように本実施形態の画像表示部３１２によれば、光取出しユニット３１の第１エッジ３３及び第２エッジ３４を有効視野範囲Ｓの外側に位置している。そのため、このような画像表示部３１２を有した本実施形態の画像表示装置によれば、例えば文字や図形などの所定情報をシースルー光から読み取ろうとしている時にエッジが有効視野範囲Ｓにからならないため、有効視野範囲Ｓ内における情報視認が妨げられない。

なお、画像表示部３１２を構成する部品のレイアウトによっては、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の両方を有効視野範囲Ｓの外側に配置できない場合もある。この場合、光取出しユニット３１は、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の少なくとも一方を有効視野範囲Ｓの外側に位置することで歪みの少ないシースルー光を視認できる。

本実施形態では、有効視野範囲Ｓが画像表示範囲Ｌｆよりも広い場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、画像表示装置の仕様によっては、画角が４０度よりも大きくなることもある。ここで、画角４０度は、２．５ｍ先で約８０インチの虚像として画像光Ｇを観察者に視認させる。

画像表示範囲Ｌｆが有効視野範囲Ｓよりも広い場合において、観察者の視線が動かなければ、画像表示範囲Ｌｆのうち有効視野範囲Ｓの外側領域は観察者の眼に視認されないが、観察者が視線を動かすと視認されてしまう。これに対し、第１エッジ３３及び第２エッジ３４の少なくとも一方を画像表示範囲Ｌｆの外側に位置させるのが好ましい。
このようにすれば、観察者が視線を動かした場合でも、画角の大きな虚像上に光取出しユニット３１のエッジが重なってしまうことが防止される。

（第４実施形態）
続いて、第４実施形態に係る画像表示部について説明する。なお、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

本実施形態の画像表示部によれば、観察者Ｍの眼ＭＥが左右に多少移動した場合でも、画像を良好に視認させることが可能である。

図１０は第４実施形態の画像表示部４１２の構成を示す断面図である。本実施形態の画像表示部４１２は、第１実施形態と同一の光取出しユニット３１を有している。
本実施形態において、射出瞳ＳＭの直径Ｄの半分（Ｄ／２）だけ眼ＭＥが移動しても光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）が有効視野範囲Ｓに入らない条件を規定した下式（３）を満たしている。

Ｌ ＞ Ｗｅ ＝ Ｅｒ・ｔａｎ（θｅ）＋（Ｄ／２） …式（３）

本実施形態の画像表示部４１２によれば、観察者Ｍの眼ＭＥが左右に多少移動しても光取出しユニット３１のエッジ（第１エッジ３３及び第２エッジ３４）を有効視野範囲Ｓの外側に位置させることができる。

（第５実施形態）
図１１は第５実施形態に係る画像表示部５１２の概略構成を示す水平断面図である。図１１に示される断面は、ＸＹ平面と平行な面での断面である。なお、本実施形態において、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

図１１に示すように、画像表示部５１２は、画像形成部１０と、導光部２０Ａと、を有する。導光部２０Ａは、導光体２１Ａと、光入射部２１Ｂと、光取出しユニット２１Ｃとを備える。

導光体２１Ａは、観察者Ｍの左右方向（両眼が並ぶＹ方向）に延びる板状の平行導光板２４からなる。平行導光板２４は、互いに平行な一対の第１面２４ａ、第２面２４ｂを有する。第１面２４ａ及び第２面２４ｂは平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。第１面２４ａ及び第２面２４ｂは、内部を伝播する画像光Ｇを全反射させる全反射面として機能し、画像光Ｇを少ない損失で光取出しユニット２１Ｃに導くようになっている。

光入射部２１Ｂは画像光Ｇを導光体２１Ａの内部に取り込むためのものであり、光取出しユニット２１Ｃは導光体２１Ａ内を導光する画像光Ｇを外部に取り出すためのものである。光入射部２１Ｂ及び光取出しユニット２１Ｃは、平行導光板２４の第２面２４ｂ上に形成されている。光入射部２１Ｂ及び光取出しユニット２１Ｃは、平行導光板２４の第２面２４ｂに沿ってＹ方向に延びる板状の回折光学素子から構成される。例えば、表面レリーフ型の回折格子を用いると、広い入射角範囲に渡って高い回折効率を維持することができる。

このような構成に基づき、平行導光板２４の第１面２４ａ側から入射した画像光Ｇは、第２面２４ｂに設けられた光入射部２１Ｂにより反射される。そして、画像光Ｇは、第１面２４ａに入射して全反射される。画像光Ｇは、第１面２４ａ及び第２面２４ｂ間で１回以上全反射されることで光入射部２１Ｂから離間する方向に伝播し、光取出しユニット２１Ｃに到達する。

光取出しユニット２１Ｃは、平行導光板２４内を伝播する画像光Ｇを射出瞳ＳＭに向けて取り出す。光取出しユニット２１Ｃは、左右方向における両側に位置する第１エッジ３３Ａと第２エッジ３４Ａとを有する。第１エッジ３３Ａは−Ｙ側の端部をなす部位であり、第２エッジ３４Ａは＋Ｙ側の端部をなす部位である。

本実施形態の画像表示部５１２では、シースルー視野範囲或いは有効視野範囲に光取出しユニット２１Ｃのエッジ（第１エッジ３３Ａ及び第２エッジ３４Ａ）を位置させないように設計している。さらに、シースルー視野範囲ＳＡ或いは有効視野範囲Ｓに平行導光板２４の光入射部２１Ｂ側の端部（端面２４ｃ）と反対側の端部に相当する端面２４ｄを位置させないように設計している。このような画像表示部５１２を有した画像表示装置によれば、歪みの無いシースルー光ＳＬ（外界像）を視認することができる。

また、本実施形態によれば、光入射部２１Ｂ及び光取出しユニット２１Ｃを回折光学素子で構成するため、光の回折を利用して画像光Ｇを効率伝播させて取り出すことができる。

（第６実施形態）
図１２は第６実施形態に係る画像表示部６１２の概略構成を示す水平断面図である。図１２に示される断面は、ＸＹ平面と平行な面での断面である。なお、本実施形態において、第１実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。

図１２に示すように、画像表示部６１２は、画像形成部１０と、導光部２０Ｂと、を有する。導光部２０Ｂは、導光体２１と、光入射部２２と、導光体２１内を導光する画像光Ｇを外部に取り出す光取出しユニット３６とを備える。

本実施形態において、光取出しユニット３６は、導光体２１を構成する平行導光板２３の内部に設けられ、平行導光板２３内を伝播する画像光Ｇを射出瞳ＳＭに向けて取り出す。光取出しユニット３６は、平行導光板２３内に埋め込まれた複数のハーフミラー３６ａから構成される。

本実施形態の画像表示部６１２では、シースルー視野範囲ＳＡ或いは有効視野範囲Ｓに平行導光板２３の光入射部２２と反対側の端部に相当する端面２３ｅを位置させないように設計している。このような画像表示部６１２を有した画像表示装置によれば、歪みの無いシースルー光ＳＬ（外界像）を視認することができる。

１０…画像形成部、１１…画像表示パネル、１２…投射レンズ、２１…導光体、２２…光入射部、２３…平行導光板、２３ａ…第１面、２３ｂ…第２面、３１，１３１…光取出しユニット、３１ｂ…ハーフミラー、３３…第１エッジ、３４…第２エッジ、３５…光学樹脂、１００…画像表示装置、ＡＸ…光軸、Ｄ…直径、ＤＭ…ダミー領域、Ｅｒ…アイレリーフ、Ｇ…画像光、Ｇ_０…画像光、Ｇ_１…画像光、Ｇ_２…画像光、ＫＭ…ハーフミラー形成領域、Ｌｆ…画像表示範囲、Ｍ…観察者、ＭＥ…眼、ＳＡ…シースルー視野範囲、ＳＭ…射出瞳。

Claims (11)

1. 画像光を射出する画像表示デバイスと、
   第１面及び前記第１面と反対の第２面を有する導光体と、
   前記画像光を前記導光体の光入射部に投射する投射レンズと、
   前記導光体の前記第１面又は前記第２面に設けられ、前記導光体内を導光する前記画像
   光を前記導光体の前記第１面側に位置する射出瞳に向けて取り出す光取出しユニットと、
   を備え、
   前記光取出しユニットは、前記導光体の前記光入射部側の端部に位置する第１エッジと
   、前記光入射部側とは反対の端部に位置する第２エッジとを有するとともに、前記導光体
   を前記第２面側から前記第１面側へと透過して前記射出瞳に入射するシースルー光を透過
   可能であって、
   前記第１エッジ及び前記第２エッジの少なくとも一方は、前記シースルー光が通過する
   シースルー視野範囲の外側に位置しており、
   前記光取出しユニットは複数のハーフミラーを含むハーフミラーアレイと、前記第1エ
   ッジと前記ハーフミラーアレイとの間に第1ダミー領域と、前記第２エッジと前記ハーフ
   ミラーアレイとの間に第２ダミー領域と、を有し、
   前記光入射部に入射する前記画像光の光軸と前記光取出しユニットから出射される前記
   画像光の光軸とを含む仮想平面の法線と平行な方向から見て、前記光取出しユニットのう
   ち、前記第１ダミー領域と前記第2ダミー領域とを合わせた領域の大きさよりも、前記ハ
   ーフミラーアレイが設けられている領域は小さい
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記取出しユニットは、前記導光体の前記第１面に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記射出瞳の直径をＤ、前記射出瞳から前記光取出しユニットまでの距離をＥｒ、前記
   射出瞳の中心を通る光軸と前記シースルー視野範囲とのなす角を規定するシースルー視野
   半角をθｓ、前記光軸から前記第１エッジ又は前記第２エッジまでの距離をＬとしたとき
   、
   Ｌ＞ Ｅｒ・ｔａｎ（θｓ）＋Ｄ／２ を満たす
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記シースルー視野半角は３０度以上に設定される
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 複数の前記ハーフミラーは前記導光体の前記第１面又は前記第２面に対して同一の傾斜
   角度をなすように配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記ハーフミラーアレイは、前記第１エッジ、前記第２エッジ、及び前記ハーフミラー
   が互いに平行となるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記導光体の前記第１面又は前記第２面に対して、前記第１エッジは順テーパー状に設
   けられ、前記第２エッジは逆テーパー状に設けられる
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記第２エッジと前記導光体の前記第１面又は前記第２面との間に樹脂が充填されてい
   る
   ことを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記シースルー視野範囲は、観察者が視線移動を伴いつつ、少なくとも前記シースルー
   光を認識可能とする有効視野範囲である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
10. 前記射出瞳の中心を通る光軸と前記有効視野範囲とのなす角を規定する有効視野半角は
    、２０度以上に設定される
    ことを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記画像光を前記射出瞳に導く画角を規定する画像表示範囲が前記有効視野範囲よりも
    広い場合において、前記第１エッジ及び前記第２エッジの少なくとも一方は、前記画像表
    示範囲の外側に位置している
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の画像表示装置。

Images