JPWO2019155567A1 - ライトガイド及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

画像光はコリメート光学系を通してライトガイドに導入され、基板（１００）内部の入射側反射面（１０１）で反射され、第一面、第二面（１００ａ、１００ｂ）の間で繰り返し反射されてビームスプリッタである複数の射出側反射面（１０２ａ〜１０２ｃ）に達する。表示素子の表示面上の同じ位置から放出された同じ画像情報を有する光束（Ｌ1、Ｌ2）は反射回数が相違するために、互いに異なる二方向から射出側反射面（１０２ａ）に入射する。射出側反射面（１０２ａ〜１０２ｃ）の反射率はこの二方向からの光に対して同一に調整されている。そのため、射出側反射面（１０２ａ）を透過した光束（Ｌ1’、Ｌ2’）の光量はほぼ同じになり、該光束（Ｌ1’、Ｌ2’）が次の射出側反射面（１０２ａ）で反射して観察者の眼（Ｅ）に達するときの光量もほぼ同じになる。これにより、観察者の眼前に形成される虚像の輝度むらを軽減することができる。

Description

本発明は、画像情報を虚像として使用者の眼前に表示する画像表示装置、及び、該画像表示装置に用いられる、光束（射出瞳）を拡大するためのライトガイドに関する。本発明に係る画像表示装置は、ヘルメットマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、眼鏡型ディスプレイ（いわゆるスマートグラス）などの画像表示装置に好適である。

自動車や電車では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示素子に表示された画像をフロントガラスやコンバイナに投影して運転者側に反射させることにより、運転者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘッドアップディスプレイが使用されている。また、航空機では、同様の仕組みにより、操縦者が頭部に着用するヘルメットに設けられたコンバイナに画像を投影し、操縦者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘルメットマウントディスプレイが使用されている。また最近では、スマートグラス等と呼ばれる眼鏡型、或いは頭部装着型のヘッドマウントディスプレイも普及し始めている。

こうした画像表示装置には観察者の眼前に虚像を表示する光学系として様々な方式のものが知られているが、その一つとして、ライトガイド（導光板）を用いた方式がある。
図４は特許文献１、２等に開示されている、ライトガイドを用いた従来の画像表示装置の一例における光路構成を示す概略図である。説明の便宜上、図中に示すように互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸を定めている。

画像表示装置２は、光源部２１、表示素子２２、コリメート光学系２３、及びライトガイド２０を備える。ここでは表示素子２２は透過型液晶表示素子であり、光源部２１はいわゆる透過型液晶表示素子に対するバックライト光源である。光源部２１から出射した光は表示素子２２を背面側から照明し、表示素子２２の表示面上に形成された画像を情報として含む光（以下「画像光」という）が該表示素子２２から射出される。コリメート光学系２３は、表示素子２２の表示面の各点（画素）から射出された画像光をそれぞれ略平行な光束としてライトガイド２０に導入する。したがって、コリメート光学系２３からライトガイド２０に導入される光は、それぞれが表示素子２２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド２０に入射する平行光束の集合である。

ライトガイド２０は、共にｙ−ｚ平面に平行で対向している第一面２００ａ及び第二面２００ｂと、共にｘ−ｙ平面に平行である図示しない第三面及び第四面と、を有する偏平立方体形状である透明な基板２００を備える。基板２００の内部に一つの入射側反射面２０１と複数（この例では３枚）の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃとが形成されている。入射側反射面２０１は第三面及び第四面に垂直であり、第一面２００ａ及び第二面２００ｂに対して傾斜している。複数の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃは同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面２００ａ及び第二面２００ｂに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。ここでは、入射側反射面２０１はミラー等による反射面であり、射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃは部分反射面、つまりは照射された光の一部を反射させ、残りを透過させるビームスプリッタ又はハーフミラーである。

上述したように表示素子２２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含む画像光は平行光束として異なる角度でライトガイド２０に入射し、入射側反射面２０１で反射される。この光束が第一面２００ａと第二面２００ｂとで繰り返し反射されつつ基板２００の内部を透過し射出側反射面２０２ａに達する。射出側反射面２０２ａは到達した画像光の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した画像光は次の射出側反射面２０２ｂに到達し、その光の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面２０２ｃも同様である。したがって、ライトガイド２０の基板２００の内部を透過してきた画像光の一部は複数の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃでそれぞれ反射され、基板２００の第一面２００ａを透過して外部に射出する。そして、各射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃで反射された画像光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Ｅに入射する。

このようにしてこの画像表示装置２では、表示素子２２の表示面に形成された画像が虚像として観察者の眼前に表示される。また、ライトガイド２０の基板２００は透明であり、射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃは部分反射面であるため、観察者はライトガイド２０を通して前方の風景を視認することもできる。即ち、この画像表示装置２はシースルー型の画像表示装置であり、風景に任意の虚像を重畳して表示することができる。

特許文献１、２等に開示されている画像表示装置では、不所望の反射やゴースト像の発生を軽減すること等を目的として、射出側反射面へ入射する方向が相違する光についての反射率を変えている。しかしながら、異なる方向から射出側反射面へ入射する二つの光についての反射率が異なると、当然、その透過率も異なるため、該射出側反射面に入射する光の強度が同一であっても該射出側反射面を透過したあとの光の強度に差が生じる。表示素子の表示面上の同じ位置から異なる方向に放出された画像光はコリメート光学系により平行光化されてライトガイドに導入され、光束が拡大されて平行光としてライトガイドから射出される。平行光としてライトガイドに導入された画像光は基板を通過する間に、一つの射出側反射面に対し異なる角度で入射するため、拡大前の平行光束の輝度が揃っていても拡大後の平行光束には輝度むらが生じてしまう。このため、観察者の眼前に表示される虚像に輝度むらが発生することになる。

特許第４５０８６５５号公報 特許第５６９８２９７号公報 特許第５２９９３９１号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、使用者の眼前に表示される虚像の輝度むらを軽減することができる画像表示装置、及びそのためのライトガイドを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るライトガイドは、
a)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、
b)前記基板に対し所定方向から照射される光を前記第一面及び第二面で反射されるように該基板の内部に案内する入射部と、
c)前記入射部により前記基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で反射されつつ該基板内を透過して来た光の一部を反射させて該基板の外部に射出させる、該基板の内部に形成された複数の部分反射面と、
を有し、前記複数の部分反射面はそれぞれ所定の二以上の方向から入射する光に対する反射率が同一であることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された本発明に係る画像表示装置は、虚像を表示する画像表示装置であって、
a)二次元的な画像情報を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を形成して後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像出射部から到来する画像光を前記第一面及び第二面で反射されるように該基板の内部に案内する入射部と、該入射部により該基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で反射されつつ該基板内を透過して来た画像光の一部を反射させて該基板の外部に射出させる、該基板の内部に形成された複数の部分反射面と、を有するライトガイドと、
を備え、前記ライトガイドにおける前記複数の部分反射面はそれぞれ所定の二以上の方向から入射する光に対する反射率が同一であることを特徴としている。

なお、本発明に係る画像表示装置では、ライトガイドの前方（観察者からライトガイドを見たときの該ライトガイドの向こう側）を遮蔽すれば、前方の風景が重畳されない虚像のみを観察者の眼前に表示することができる。一方、ライトガイドの前方を遮蔽しなければ、前方の風景に虚像を重畳して表示することができる。

本発明に係るライトガイド及び本発明に係る画像表示装置に使用されるライトガイドにおいて、入射部としては、基板の内部又は表面に設けられたミラー等である反射面、又は体積ホログラフィック回折格子等のホログラフィック素子などを用いることができる。一方、複数の部分反射面はビームスプリッタやハーフミラーなどである。

本発明では、ライトガイドにおいて複数の部分反射面の反射率は所定の二以上の方向から入射する光に対して同一である。即ち、所定の二以上の入射角度に対する反射率（及び透過率）が同一である。ただし、ここでいう「同一」とは完全に同じであることを意味するのではなく、一般的に形成される反射膜層などの製造工程において生じ得るばらつきや誤差などを許容するものである。

また本発明に係る画像表示装置において、前記所定の二以上の方向から部分反射面に入射する光は、前記入射光学系から前記ライトガイドに入射される平行光束が該ライトガイドの基板を通過する間に第一面又は第二面で異なる回数反射することにより形成されたものとすることができる。

本発明に係る画像表示装置では、画像出射部における画像上の同じ部位から異なる方向に向かって放出された画像光は互いに略平行な光束としてライトガイドに導入される。この平行光束は入射部により基板内に案内されたあと、第一面と第二面とで反射されつつ該基板内部を進行するが、ライトガイドへの入射位置に応じて第一面と第二面とでの反射回数が異なる状態で一番目の（つまりは最も入射部に近い位置にある）部分反射面に到達する。このように第一面又は第二面での反射回数が相違する二つの光束は異なる入射角度で以て部分反射面に入射する。そのため、ライトガイドに入射した同じ画像情報を有する平行光束は少なくとも二つの異なる入射角度で以て部分反射面に入射する。

ライトガイドの部分反射面はこの二つ（又はそれ以上の複数の）入射角度で入射する光束に対して同一の反射率を有する。そのため、その二つ以上の入射角度で入射する光束に対する透過率も同一であり、入射時のその二つ以上の光束の単位断面積当たりの光量がほぼ同じであれば、透過した二つの光束の単位断面積当たりの光量もほぼ同じになる。したがって、同じ回数だけ部分反射面を透過したあと他の部分反射面で反射されて観察者の眼に到達する二つ以上の光束の光量はその反射位置に依らずほぼ同じになり、こうした光束によって観察者の眼前に形成される虚像の輝度むらは軽減される。

本発明によれば、使用者の眼前に表示される虚像の輝度むらを軽減することができ、視認性の高い画像を表示することができる。

本発明の一実施例である画像表示装置における光学系の概略構成図。 本実施例の画像表示装置に用いられているライトガイドをｙ軸方向に見たときの平面図。 本実施例の画像表示装置に用いられているライトガイドの射出側反射面の光の入射角度と透過率との関係の一例を示す概略図。 従来の画像表示装置の一例における光学系の概略構成図。

本発明の一実施例である画像表示装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例の画像表示装置における光学系の概略構成図、図２はライトガイドをｙ軸方向に見たときの平面図である。

本実施例の画像表示装置１は、図４に示した従来の画像表示装置２と同じく、光源部１１、表示素子１２、コリメート光学系１３、及びライトガイド１０を備える。光源部１１、表示素子１２及びコリメート光学系１３は本発明における画像出射部に相当し、従来の画像表示装置２における光源部２１、表示素子２２、コリメート光学系２３と同じものを用いることができるが、これに限るものではない。例えば表示素子１２としては、透過型液晶表示素子に代えて、反射型液晶表示素子や有機ＥＬディスプレイ、或いは、ＤＭＤ（デジタルマクロミラーデバイス）、ＭＥＭＳミラー、プロジェクタなどを用いることもできる。

表示素子１２として反射型液晶表示素子やＤＭＤが使用される場合には、光源部１１は該液晶表示素子やＤＭＤを前面側から照明するものを用いる。また表示素子１２として有機ＥＬディスプレイなどの自己発光型の表示素子が使用される場合には、該表示素子１２に光源部１１が内蔵されているとみなすことができる。また表示素子１２として角度が走査されるＭＥＭＳミラーが使用される場合には、光源部１１として該ＭＥＭＳミラーに向けて細いレーザ光を照射するレーザ光源を用い、コリメート光学系１３は省略するか、或いは平行光を微調整する目的でコリメート光学系１３を用いればよい。また、画像形成のためにプロジェクタを用いる場合には、光源部１１がプロジェクタ、表示素子１２がプロジェクタスクリーンとみなすことができる。

ライトガイド１０は、共にｙ−ｚ平面に平行であって対向する第一面１００ａ及び第二面１００ｂと、共にｘ−ｙ平面に平行であって対向する第三面１００ｃ及び第四面１００ｄとを有する偏平立方体形状である基板１００を備える。基板１００は例えばポリカーボネート樹脂や石英ガラスなどの透明体である。この基板１００の内部に一つの入射側反射面１０１と複数（本例では３枚）の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｃとが形成されている。

入射側反射面１０１は第三面１００ｃ及び第四面１００ｄに垂直であり、第一面１００ａに対し所定角度で傾斜している。また、複数の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｃも同様に、それぞれ第三面１００ｃ及び第四面１００ｄに垂直であり、第一面１００ａに対して所定角度で傾斜している。入射側反射面１０１はミラー等による反射面であり、射出側反射面１０２ａ〜１０２ｃは所定の反射率特性（透過率特性）を有する部分反射面である。この反射率特性については後述する。

本実施例の画像表示装置１において、光源部１１からの照明光を受けて表示素子１２で画像光が形成される。詳しくは、表示素子１２では、照明光側の偏光板（図示せず）で照明光を任意の偏光とし、それを液晶層（図示せず）を透過させることで、所定の偏光の画像光と、該画像光に対し光軸上に９０°回転した偏光のネガ画像光とを取り出し、さらにコリメート光学系側の偏光板（図示せず）で所定の偏光のみを透過させて画像光を得る。こうして表示素子１２の表示画面から発せられた所定の偏光光である画像光は、コリメート光学系１３によって略平行光化され第一面１００ａを通過してライトガイド１０の基板１００の内部に導入される。コリメート光学系１３からライトガイド１０に導入される画像光は、それぞれが表示素子１２の表示面上に形成される二次元的な画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド１０に入射する平行光束の集合である。

この画像光は入射側反射面１０１で反射されたあと第一面１００ａと第二面１００ｂとで一又は複数回反射されながら基板１００の内部を透過し、入射側反射面１０１に最も近い位置にある射出側反射面１０２ａに達する。射出側反射面１０２ａは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は次の射出側反射面１０２ｂに到達し、その光束の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面１０２ｃも同様である。したがって、ライトガイド１０の基板１００の内部を透過してきた光束は複数の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｃでそれぞれ反射され、基板１００の第二面１００ｂを透過して外部に射出される。これにより、ライトガイド１０の基板１００に導入された光束は拡大されて該基板１００から射出され、観察者の眼Ｅの前には表示素子１２の表示面上に形成された画像が虚像として表示される。

図１には、表示素子１２の表示面上の一点から出射し、コリメート光学系１３で平行光化された同じ画像情報を有する二つの光束Ｌ1、Ｌ2の光路を代表的に示している。これら二つの光束Ｌ1、Ｌ2は異なる位置においてライトガイド１０の基板１００に導入され、入射側反射面１０１で反射される。図１において、光束Ｌ1の基板１００内での光路は一点鎖線で、光束Ｌ2の基板１００内での光路は点線で示されている。

これら二つの光束Ｌ1、Ｌ2はいずれも第一面１００ａと第二面１００ｂとで反射されつつ射出側反射面１０２ａに到達するが、入射側反射面１０１での反射位置が異なるために反射回数が相違する。即ち、光束Ｌ1は、第一面１００ａで合計２回、第二面１００ｂで合計２回反射して射出側反射面１０２ａに到達する。一方、光束Ｌ2は、第一面１００ａで合計２回、第二面１００ｂでは１回のみ反射して射出側反射面１０２ａに到達する。そのため、それら二つの光束Ｌ1、Ｌ2は異なる方向から、つまりは互いに異なる入射角度で以て射出側反射面１０２ａに入射する。具体的には、光束Ｌ1は第二面１００ｂ側から入射角度θ1で以て、光束Ｌ2は第一面１００ａ側から入射角度θ2で射出側反射面１０２ａに入射する。

角度θ1とθ2とは大きな差があるが、射出側反射面１０２ａの反射率はこの二つの入射角度θ1、θ2に対してほぼ同じになるように、その反射面の所定の偏光における反射率特性が調整されている。他の射出側反射面１０２ｂ、１０２ｃも同様である。図３は本実施例の画像表示装置におけるライトガイド１０の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｃの反射率特性の一例である。図３（ａ）、（ｂ）は入射角度θ1、θ2を含む所定の入射角度範囲で反射率（透過率）がほぼ一定である場合の例である。また、図３（ｃ）は入射角度θ1、θ2付近においてのみ反射率（透過率）がほぼ同じである場合の例である。一般的に、部分反射面は誘電体多層膜により具現化されるが、多層膜の材料、厚さ、膜層数などを調整することで入射角度に対する反射率（透過率）を調整することができる。

入射角度θ1、θ2に対する反射率がほぼ同じであるため、光束Ｌ1が射出側反射面１０２ａを透過した透過光Ｌ1’と光束Ｌ2が射出側反射面１０２ａを透過した透過光Ｌ2’とはほぼ同じだけ減衰する。そのため、光束Ｌ1と光束Ｌ2との単位断面積当たりの光量がほぼ等しければ、光束Ｌ1’と光束Ｌ2’との単位断面積当たりの光量もほぼ等しくなる。これら透過光による光束Ｌ1’、Ｌ2’は二番目の射出側反射面１０２ｂに達し、ほぼ同じ反射率で以て反射されるが、それら二つの反射光の光束の単位断面積当たりの光量もほぼ等しくなる。即ち、同じ画像情報を有する光束で、同じ射出側反射面１０２ａ〜１００ｃにより反射されて観察者の眼Ｅに到達する光束の単位断面積当たりの光量はほぼ等しくなる。

上述したように図１では二つの光束Ｌ1、Ｌ2のみの光路を示しているが、同じ画像情報を有し光束Ｌ1、Ｌ2に平行で他の位置においてライトガイド１０の基板１００に入射する他の光束も、射出側反射面１０２ａへの入射角度はθ1又はθ2のいずれかである。何故なら、その入射角度は第一面１００ａ及び第二面１００ｂでのそれぞれの反射回数によって決まるからである。したがって、同じ画像情報を有し光束Ｌ1、Ｌ2に平行で他の位置においてライトガイド１０の基板１００に入射する他の光束についても、同じ射出側反射面１０２ａ〜１００ｃにより反射されて観察者の眼Ｅに到達する光束の単位断面積当たりの光量はほぼ等しくなる。これにより、観察者の眼Ｅの前に形成される虚像の輝度むらは抑えられ、視認性の高い画像を観察者に提供することができる。

なお、上記実施例の画像表示装置では射出側反射面は３枚であるが、この枚数は複数であれば任意に定めることができる。

またライトガイド１０の基板１００の内部に画像光を案内する入射部として、基板１００の内部に形成した反射面に代えて、特許文献３に記載されているような反射型体積ホログラムグレーティング等のホログラム面を用いてもよい。また、ライトガイド１０の基板１００の第一面１００ａの一部を第二面１００ｂに対し非平行とすることで、その非平行である面（基板１００と外界との界面）で画像光を反射させる反射面としてもよい。

また、上記実施例の画像表示装置では、基板１００の第三面１００ｃと第四面１００ｄとが互いに平行となっているが、第三面１００ｃ及び第四面１００ｄはｘ−ｙ平面に平行である必要はない。即ち、第一面１００ａ、第二面１００ｂ、入射側反射面１０１、及び、射出側反射面１０２ａ〜１０２ｃと第三面１００ｃ及び第四面１００ｄとは垂直である必要はなく、それらの間の角度や第三面１００ｃ及び第四面１００ｄの面の形状は任意に定めることができる。

また上記実施例の画像表示装置では、画像光を所定の偏光としたが、非液晶方式の表示素子（例えば有機ＥＬディスプレイ等）を用いる場合のように画像光は無偏光であってもよい。その場合、画像光が無偏光であることを考慮して射出側反射面１０２の反射率特性を設計するのは当然である。

また上記実施例の画像表示装置では、画像光の所定の偏光とライトガイド１０の射出側反射面１０２に到達する画像光の偏光とが同一であるものとしていたが、その光路の途中で位相差板やミラー等を用い偏光方向や偏光状態を変更してもよい。その場合、射出側反射面１０２に到達する画像光の偏光方向や偏光状態に合わせて、その射出側反射面１０２の反射率特性を設計するのは当然である。

また、上記実施例はあくまでも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１…画像表示装置
１０…ライトガイド
１００…基板
１００ａ…第一面
１００ｂ…第二面
１００ｃ…第三面
１００ｄ…第四面
１０１…入射側反射面
１０２ａ〜１０２ｃ…射出側反射面
１１…光源部
１２…表示素子
１３…コリメート光学系

Claims (3)

1. a)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、
   b)前記基板に対し所定方向から照射される光を前記第一面及び第二面で反射されるように該基板の内部に案内する入射部と、
   c)前記入射部により前記基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で反射されつつ該基板内を透過して来た光の一部を反射させて該基板の外部に射出させる、該基板の内部に形成された複数の部分反射面と、
   を有し、前記複数の部分反射面は所定の二以上の方向から入射する光に対する反射率が同一であることを特徴とするライトガイド。
2. 虚像を表示する画像表示装置であって、
   a)二次元的な画像情報を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を形成して後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
   b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像出射部から到来する画像光を前記第一面及び第二面で反射されるように該基板の内部に案内する入射部と、該入射部により該基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で反射されつつ該基板内を透過して来た画像光の一部を反射させて該基板の外部に射出させる、該基板の内部に形成された複数の部分反射面と、を有するライトガイドと、
   を備え、前記ライトガイドにおける前記複数の部分反射面は所定の二以上の方向から入射する光に対する反射率が同一であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２に記載の画像表示装置であって、
   前記所定の二以上の方向から部分反射面に入射する光は、前記入射光学系から前記ライトガイドに入射される平行光束が該ライトガイドの基板を通過する間に第一面又は第二面で異なる回数反射することにより形成されたものであることを特徴とする画像表示装置。

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