WO2006061927A1 - 画像表示光学系、画像表示装置、照明光学系、及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

　本発明は、省スペースを図りつつ画角を縦横双方に亘り拡大することのできる画像表示光学系を提供する。そのために、本発明の画像表示光学系は、観察眼に投光すべき表示光束に対し透明な角柱状の基体（１）と、外部からの前記表示光束が基体（１）の少なくとも１つの側面を含む少なくとも３つの面で内面反射可能となる方向に前記伝播する伝播路へと導光する導入手段（１Ａ）と、前記基体内を伝播する前記表示光束を、基体（１）から観察眼へと導光する導出手段（１Ｂ）とを備えたことを特徴とする。このように、角柱状の基体の全ての側面、つまり３以上の側面において表示光束を内面反射させれば、その伝播路は小さく折り畳まれるので、基体（１）のサイズを大きくしなくとも、表示光束に含まれる光線の開き角度を縦横双方に亘って拡大することが可能になる。                                                                             

Description

明 細 書

画像表示光学系、画像表示装置、照明光学系、及び液晶表示装置 技術分野

[0001] 本発明は、アイグラスディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、カメラ、携帯電話、 双眼鏡、顕微鏡、望遠鏡などにおいて LCDなどの小型画像表示素子の虚像を観察 眼の前方に形成するための画像表示光学系に関する。

また、本発明は、その画像表示光学系を搭載した画像表示装置に関する。

また、本発明は、液晶表示装置などに搭載される照明光学系に関する。

[0002] また、本発明は、その照明光学系を搭載した液晶表示装置に関する。

背景技術

[0003] 近年、この種の画像表示光学系として、射出瞳と画角とが広く確保されたものが提 案されてレ、る (特許文献 1など)。

例えば、特許文献 1の図 2に記載された画像表示光学系は、互いに平行な複数の 部分反射面を透明な基板内に設けてなる。

液晶表示素子などの画像表示素子から射出した表示光束は、平行光束化された 状態で基板内部に導入される。

[0004] 基板内部に導入された表示光束は、反射面（特許文献 1の図 2の符号 16)にて偏 向された後、基板を内面反射しながら伝播する。

基板を伝播する表示光束は、複数の部分反射面（特許文献 1の図 2の符号 22)に 対し順に入射する。

各部分反射面に対し互いに等角度で入射した各表示光束は、それぞれ等角度ず つ偏向されて基板外に射出する。

[0005] その結果、基板外に、画像表示素子の各位置から射出した各画角の表示光束が 重畳して入射する比較的広レ、領域が形成される。

その領域内の何れかに観察者の眼の瞳が配置されれば、観察者は画像表示素子 の虚像を観察することができる。つまり、この領域は、射出瞳と等価な働きをする。以 下、この領域を「射出瞳」という。 [0006] この射出瞳は、部分反射面の配置数を増やすことによって容易に拡大可能である

。射出瞳が広いと観察眼の瞳の位置の自由度が高まるので、観察者がよりリラックス した状態で観察をすることができる。

また、特許文献 1の図 2では、表示光束が 1本の折れ線で描かれている力 実際の 表示光束には、各画角の表示光束が含まれている。

[0007] 各画角の表示光束は、それぞれ異なる角度で基板内部に導入され、それぞれ異な る角度で基板を内面反射しながら伝播する。したがって、基板を伝播する表示光束 の光線の開き角度によって、この画像表示光学系の画角が決まる。

しかも、この画像表示光学系においては、表示光束の伝播路が基板内で折り畳ま れるので、基板を伝播可能な光線の開き角度は、折り畳まれなかったときよりも大きく なる。

[0008] したがって、この画像表示光学系においては、画角を広く採ることが可能である。

特許文献 1 :特表 2003— 536102号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] し力、しながら、この画像表示光学系の画角は、横方向（特許文献 1の図 2の紙面横 方向）に拡大されるものの、縦方向（特許文献 1の図 2の紙面手前奥方向）には拡大 されない。

このため、特許文献 1の図 15には、縦横双方に亘り画角の拡大を図る技術が記載 されている。しかし、この技術では、 45° の反射面を複数配置する必要があるために 、配置スペースの増大（つまり基板サイズの増大）を招く。

[0010] そこで本発明は、省スペースを図りつつ画角を縦横双方に亘り拡大することのでき る画像表示光学系を提供することを目的とする。

また、本発明は、小型でありながらも高性能な画像表示装置を提供することを目的 とする。

また、本発明は、省スペースを図りつつ照明角度範囲を縦横双方に亘り拡大するこ とのできる照明光学系を提供することを目的とする。

[0011] また、本発明は、薄型でありながらも高性能な液晶表示装置を提供することを目的 とする。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明の画像表示光学系は、観察眼に投光すべき表示光束に対し透明な角柱状 の基体と、外部からの前記表示光束が前記基体の少なくとも 1つの側面を含む少なく とも 3つの面で内面反射可能となる方向に前記表示光束を導光する導入手段と、前 記基体内を伝播する前記表示光束を、前記基体から前記観察眼へと導光する導出 手段とを備えたことを特徴とする。

[0013] なお、前記導入手段は、前記表示光束が反射される全ての側面に対し非平行な反 射面によって構成されてもよい。

また、前記導出手段は、前記基体内部に設けられた互いに平行な複数の部分反 射面によって構成されてもよい。

また、前記導出手段は、前記表示光束が到達する前記基体の面の少なくとも 1部に 設けられ、かつ前記表示光束の一部を外部へ射出させる光学膜と、前記光学膜の反 基体側に設けられた互いに平行な複数の反射面とによって構成されてもよい。

[0014] また、前記複数の反射面の何れか 1つは、ホログラフィック光学膜によって構成され てもよい。

また、前記導出手段は、前記基体の何れかの側面に設けられたホログラフィック光 学膜によって構成されてもよい。

また、本発明の画像表示装置は、観察眼に投光すべき表示光束を射出する画像 表示素子と、前記表示光束を前記観察眼へと導光する本発明の何れかの画像表示 光学系とを備えたことを特徴とする。

[0015] また、本発明の何れかの画像表示装置には、前記画像表示装置を観察者の頭部 に装着する装着手段が備えられてもよレ、。

また、本発明の照明光学系は、被照明領域を照明するための照明光束に対し透明 な角柱状の基体と、外部からの前記照明光束が前記基体の少なくとも 1つの側面を 含む少なくとも 3つの面で内面反射可能となる方向に前記照明光束を導光する導入 手段と、前記基体内を伝播する前記照明光束を、前記基体から前記被照明領域へと 導光する導出手段とを備えたことを特徴とする。 [0016] なお、前記導入手段は、前記照明光束が反射される全ての側面に対し非平行な反 射面によって構成されてもよい。

また、前記導出手段は、前記基体内部に設けられた互いに平行な複数の部分反 射面によって構成されてもよい。

また、前記導出手段は、前記照明光束が到達する前記基体の面の少なくとも 1部に 設けられ、かつ前記照明光束の一部を外部へ射出させる光学膜と、前記光学膜の反 基体側に設けられた互いに平行な複数の反射面とによって構成されてもよい。

[0017] また、前記複数の反射面の何れか 1つは、ホログラフィック光学膜によって構成され てもよい。

また、前記導出手段は、前記基体の何れかの側面に設けられたホログラフィック光 学膜によって構成されてもよい。

また、本発明の液晶表示装置は、液晶パネルを照明するための照明光束を射出す る光源と、前記照明光束を前記液晶パネルへと導光する本発明の何れかの照明光 学系とを備えたことを特徴とする。

発明の効果

[0018] 本発明によれば、省スペースを図りつつ画角を縦横双方に亘り拡大することのでき る画像表示光学系が実現する。

また、本発明によれば、小型でありながらも高性能な画像表示装置が実現する。 また、本発明によれば、省スペースを図りつつ照明角度範囲を縦横双方に亘り拡 大することのできる照明光学系が実現する。

[0019] また、本発明によれば、薄型でありながらも高性能な液晶表示装置が実現する。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。

[図 2]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの光学系部分を説明する図である。

[図 3]第 1実施形態のアイグラスディスプレイの画角を説明する図である。

[図 4]従来のアイグラスディスプレイの光学系部分を説明する図である。

[図 5]第 1実施形態の表示光束 L1の各成分を説明する図である。

[図 6]複数の偏向ミラー 1Bの変形例を説明する図である。 園 7]方向ベクトルと方向余弦を説明する図である。

園 8]導入ミラー 1A,偏向ミラー 1Bの配置姿勢の選定方法を説明する図である。 園 9]第 1実施例の多層膜の反射率の波長特性を示す図である。

園 10]第 1実施例の多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示 す図である。

園 11]第 2実施例の多層膜の反射率の波長特性を示す図である。

園 12]第 2実施例の多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示 す図である。

園 13]第 3実施例の多層膜の反射率の波長特性を示す図である。

園 14]第 3実施例の多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示 す図である。

園 15]第 4実施例の多層膜の反射率の波長特性を示す図である。

園 16]第 4実施例の多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示 す図である。

園 17]画像表示素子 2aの光源の発光スペクトルを示す図である。

園 18]第 5実施例の多層膜の反射率の波長特性を示す図である。

園 19]基体 1の変形例を示す図である。

園 20]露光光学系の構成図である。

園 21]ホログラフィック光学膜 54が適用された基体 1の機能を説明する図である。

[図 22]第 2実施形態の立体虚像ディスプレイの外観図である。

園 23]第 2実施形態の光学系 60の配置角度を説明する図である。

[図 24]第 3実施形態の 360° 立体虚像ディスプレイ用の信号の取得方法を説明する 図である。

[図 25]第 3実施形態の 360° 立体虚像ディスプレイの外観図である。

園 26]第 4実施形態の液晶ディスプレイの外観図である。

[図 27]第 4実施形態の基体 1を説明する図である。

園 28]基体 1に入射する表示光束 L1のパラメータを示す表である。

園 29]導入ミラー 1Aにて反射した直後の表示光束 L1のパラメータを示す表である。 [[図図 3300]]導導入入ミミララーー 11AAのの配配置置姿姿勢勢ののパパララメメーータタをを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3311]]基基体体 11かからら射射出出すするる表表示示光光束束 LL11ののパパララメメーータタをを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3322]]表表示示光光束束 LL11のの成成分分 LLIIをを基基体体 11外外へへ射射出出ささせせるるたためめのの偏偏向向ミミララーー 11BBのの配配置置姿姿 勢勢ののパパララメメーータタをを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3333]]表表示示光光束束 LL11のの成成分分 LLIIIIをを基基体体 11外外へへ射射出出ささせせるるたためめのの偏偏向向ミミララーー 11BBのの配配置置姿姿 勢勢ののパパララメメーータタをを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3344]]表表示示光光束束 LL11のの成成分分 をを基基体体 11外外へへ射射出出ささせせるるたためめのの偏偏向向ミミララーー 11BBのの配配置置姿姿 勢勢ののパパララメメーータタをを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3355]]表表示示光光束束 LL11のの成成分分 LLIIVVをを基基体体 11外外へへ射射出出ささせせるるたためめのの偏偏向向ミミララーー 11BBのの配配置置 姿姿勢勢ののパパララメメーータタをを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3366]]多多層層膜膜 ((第第 11実実施施例例））のの構構成成をを示示すす表表ででああるる ((表表 99でではは、、「「基基体体」」をを「「基基板板」」とと表表現現 ししたた。。他他のの表表もも同同様様。。））。。

[[図図 3377]]多多層層膜膜 ((第第 22実実施施例例））のの構構成成をを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3388]]多多層層膜膜 ((第第 33実実施施例例））のの構構成成をを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 3399]]多多層層膜膜 ((第第 44実実施施例例））のの構構成成をを示示すす表表ででああるる。。

[[図図 4400]]多多層層膜膜 ((第第 55実実施施例例））のの構構成成をを示示すす表表ででああるる。。

発発明明をを実実施施すするるたためめのの最最良良のの形形態態

[[00002211]] [[第第 11実実施施形形態態]]

以以下下、、図図 11、、図図 22、、図図 33、、図図 44、、図図 55、、図図 66、、図図 77、、図図 88、、図図 99、、図図 1100、、図図 1111、、図図 1122、、図図 1133 、、図図 1144、、図図 1155、、図図 1166、、図図 1177、、図図 1188、、図図 1199、、図図 2200、、図図 2211 ,,図図 2288，，図図 2299,,図図 3300,,図図 3311 ,,図図 3322,,図図 3333，，図図 3344,,図図 3355,,図図 3366，，図図 3377，，図図 3388,,図図 3399,,図図 4400にに基基づづきき本本発発明明のの第第 11実実施施形形態態をを説説明明すするる。。

[[00002222]] 本本実実施施形形態態はは、、アアイイググララススデディィススププレレイイのの実実施施形形態態ででああるる。。

図図 11はは、、本本アアイイググララススデディィススププレレイイのの外外観観図図ででああるる。。

図図 11にに示示すすよよううにに、、本本アアイイググララススデディィススププレレイイはは、、基基体体 11、、画画像像導導入入ユユニニッットト 22、、ケケーーププ ルル 44、、眼眼鏡鏡フフレレーームム 33 ((請請求求項項のの装装着着手手段段にに対対応応））ななどどかかららななるる。。ここここでではは、、右右眼眼用用のの

[[00002233]] 基基体体 11はは、、可可視視光光にに対対しし透透明明なな長長方方形形のの平平行行平平面面板板かかららななるる。。正正面面かからら見見たた基基体体 11 の形状は、眼鏡レンズに近い長方形に整えられている。この基体 1は、眼鏡フレーム 3の右のフロントに装着されている。

画像導入ユニット 2は、光学系を搭載したユニットである。この画像導入ユニット 2は 、基体 1の近傍（眼鏡フレーム 3の右のテンプル）に固定され、ケーブル 4を介して外 部機器と接続されている。このケーブル 4を介して、外部機器力 画像導入ユニット 2 へと画像表示用の信号及び電源が供給される。

[0024] このようなアイグラスディスプレイは、眼鏡フレーム 3によって観察者の頭部に装着さ れる。アイグラスディスプレイを装着した観察者の右眼に、基体 1の表裏面が相対す る。

図 1中の XYZ座標系は、アイグラスディスプレイを装着した観察者の左方向を X方 向、上方向を Y方向、前方向を Z方向とした右手系の XYZ直交座標系である。以下、 この XYZ座標系、又は観察者から見た各方向（左右、上下、縦横）の表現によって、

[0025] アイグラスディスプレイが観察者に装着された状態で、画像導入ユニット 2から基体 1の右下の領域へと表示光束が導入される。

図 2は、本アイグラスディスプレイの光学系部分を説明する図である。図 2 (a)は、光 学系部分の斜視図、図 2 (b)は、光学系部分を XZ平面と平行な平面で切断してでき る概略断面図、図 2 (c)は、光学系部分を XY平面と平行な平面で切断してできる概 略断面図である。

[0026] 図 2 (a)に示すとおり、基体 1の上下の側面 la' , lb'は、基体 1の表裏面 la, lbと 同等の精度でそれぞれ平面加工されている。なお、基体 1の左右の側面は、本アイ グラスディスプレイの光学的性能に関係しないので、平面加工されていなくてもよい。 また、画像導入ユニット 2には、 LCD (液晶表示素子）などの画像表示素子 2a、対 物レンズ 2b、及び不図示の回路などが搭載されている。

[0027] 画像表示素子 2aの各位置から射出した可視光からなる表示光束 L1は、対物レン ズ 2bにおいて平行光束化される。なお、図では、表示光束の全体のうち、画像表示 素子 2aの中心から射出した主光線のみを示した。

対物レンズ 2bの近傍には、図 2 (c)に示すとおり、画像表示素子 2aの各位置から射 出した各表示光束 LIが重畳して入射する入射瞳 Pinが形成される。なお、入射瞳 Pi nの径は、基体 1の上下の側面 la' , lb'よりも若干小さい程度である。

[0028] 入射瞳 Pinから射出した表示光束 L1は、基体 1の内部に導入される。

基体 1において表示光束 L1が最初に入射する領域には、反射膜からなる導入ミラ 一 1A (請求項の導入手段に対応）が配置されている。導入ミラー 1Aの配置姿勢は、 表示光束 L1の伝播路が基体 1内に形成されるように最適化されている（詳細は後述 表示光束 L1は、導入ミラー 1Aに入射すると、図 2 (b)に示すとおり、基体 1の表裏 面 la， lbで交互に内面反射すると共に、図 2 (c)に示すとおり、基体 1の上下の側面 la' , lb'で交互に内面反射して、基体 1の + X方向へと伝播する。

[0029] したがって、表示光束 L1の各軸上光線の光路は、それぞれ、図 2 (a)中に点線で 示したように、 XY平面上に立てられた屏風状の面内に存在する、折れ線状の光路と なる。

基体 1の内部において観察者の右眼に相対する領域には、部分反射膜力 なり、 かつ互いに平行な複数の偏向ミラー 1B (請求項の導出手段に対応）が、観察者から 見て隙間が無いよう密に並べて設けられている。

[0030] 個々の偏向ミラー 1Bの配置姿勢は、表示光束 Lの光路が基体 1と観察者の右眼と の間に形成されるよう最適化されている（詳細は後述)。また、個々の偏向ミラー 1Bは 、表示光束 L1を所定の反射率で反射する。

基体 1を伝播した表示光束 L1は、個々の偏向ミラー 1Bに入射し、それぞれ観察者 の右眼の方向に偏向され、基体 1の外部に射出する。個々の偏向ミラー 1Bによって 偏向された個々の表示光束 L1は、観察者の右眼の近傍の互いにずれた領域に入 射する。

[0031] 観察者の右眼の近傍には、図 2 (b)，（c)に示すとおり、画像表示素子 2aの各位置 力 射出した各表示光束 L1が重畳して入射する広い射出瞳 Poutが形成される。 この射出瞳 Pout内の何れかの箇所に観察者の右眼の瞳が位置していれば、観察 者は画像表示素子 2aの虚像を観察することができる。

また、外界 (観察者から見て遠方)から観察者の右眼に向力 外界光束は、基体 1を 透過する。また、その外界光束は、基体 1内に設けられた偏向ミラー 1Bを、透過する

[0032] よって、観察者は、画像表示素子 2aの虚像と共に外界像をを観察することができる なお、観察者の右眼力 見た射出瞳 Poutの形状は、観察者の右眼から見た複数 の偏向ミラー 1Bの全体の形状と概ね一致する。

因みに、図 2に示した複数の偏向ミラー 1Bの全体の形状は平行四辺形なので、射 出瞳 Poutの形状も平行四辺形となる。必要に応じて、複数の偏向ミラー 1Bの全体形 状を変更し、射出瞳 Poutの形状を変更してもよい。

[0033] 次に、本アイグラスディスプレイの画角を説明する。

本アイグラスディスプレイの画角は、 2方向の画角、すなわち、図 2 (b)中に示す第 1 の画角 aと、図 2 (c)中に示す第 2の画角 bとによって決まる。

第 1の画角 aは、基体 1を伝播する表示光束 L1のうち、画像表示素子 2aの最外周 の画素から射出した 2つの主光線を XZ平面と平行な面へ射影したときの開き角度と 比例関係にある。第 2の画角 bは、基体 1を伝播する表示光束 L1のうち、画像表示素 子 2aの最外周の画素から射出した 2つの主光線を YX平面と平行な面へ射影したと きの開き角度と比例関係にある。

[0034] これら第 1の画角 a,第 2の画角 bを観察者の側から見ると、図 3に示すように、斜め 方向の画角に相当する力 両者それぞれが拡大されれば、本アイグラスディスプレイ の縦横の画角が拡大されることになる。

なお、第 1の画角 a，第 2の画角 bの方向を観察者から見て縦横方向に一致させる 必要がある場合には、光学系部分の全体の姿勢を、図 1 ,図 2,図 3に示した姿勢か ら傾斜させればよい。

[0035] 次に、本アイグラスディスプレイの効果を説明する。

説明をわ力 やすくするため、本アイグラスディスプレイを従来のアイグラスディスプ レイと比較する。

従来のアイグラスディスプレイは、特許文献 1に記載の技術が適用されたアイグラス ディスプレイである。 [0036] 図 4に、従来のアイグラスディスプレイの光学系部分を示した。図 4 (a) , (b) , (c)の 記載方法 (符号も含む）は、図 2 (a) , (b) , (c)のそれに対応させてある（但し、図 4で は画像導入ユニット 2は省略。）。

従来のアイグラスディスプレイの表示光束 L1の伝播路は、図 4 (a) , (b)に示すよう に、表裏面 la, lbの間で折り畳まれている。よって、従来のアイグラスディスプレイの 第 1の画角 a (この場合は、 X方向における画角）は、基体 1の臨界角度 Θ cによって 決まる。

[0037] 例えば、基体 1の屈折率を 1. 56、媒質を空気とすると、臨界角度 Θ cは概ね 40° となり、このとき基体 1を伝播可能な表示光束 L1の光線の開き角度は、最大で 50° となるので、従来のアイグラスディスプレイの第 1の画角 aは、 50° にまで拡大可能で ある。

しかし、従来のアイグラスディスプレイの表示光束 L1の伝播路は、図 4 (a) , (c)に 示すように、上下の側面 la' , lb 'の間で折り畳まれていない。よって、従来のアイグ ラスディスプレイの第 2の画角 b (この場合は、 Y方向における画角）は、図 4 (c)に示 すように、基体 1のサイズによって決まる。具体的には、次式（1)で表される。

[0038] b = 2tan^_1 { (Ds - d ) /2L } …（1)

0 0

但し、式（1)において「Ds」は基体 1の縦寸法、「d」は入射瞳 Pinの径、「L」は基

0 0 体 1の実効的な横寸法である。

ί列免ば、、 Ds = 30mm、 d = 20mm、 L = 50mmとすると、第 2の画角 bは、 11. 4°

0 0

となる。つまり、従来のアイグラスディスプレイの第 2の画角 bは、第 1の画角 aには到 底及ばない。

[0039] 一方、本アイグラスディスプレイの表示光束 L1の伝播路は、図 2 (a) , (b)に示すよ うに、表裏面 la, lbの間で折り畳まれている。よって、本アイグラスディスプレイの第 1 の画角 aは、基体 1の臨界角度 Θ cによって決まる。

例えば、従来のアイグラスディスプレイと同じ条件下では、本アイグラスディスプレイ の第 1の画角 aは、 50° にまで拡大可能である。

[0040] また、本アイグラスディスプレイの表示光束 L1の伝播路は、図 2 (a)， (c)に示すよう に、上下の側面 la'， lb 'の間で折り畳まれている。よって、本アイグラスディスプレイ の第 2の画角 bは、第 1の画角 aと同じだけ拡大可能である。

すなわち、本アイグラスディスプレイでは、表示光束 L1の伝播路が表裏面 la, lb の間で折り畳まれているだけでなく上下の側面 la' , lb 'の間でも折り畳まれている ので、基体 1のサイズ拡大を伴わずに、第 2の画角 bを第 1の画角 aと同じだけ拡大す ること、つまり画角を縦横双方に亘り拡大することが可能である。

[0041] よって、本アイグラスディスプレイは、従来のアイグラスディスプレイと同等のサイズ であったとしても、画像表示素子 2aの虚像を縦横双方に亘つて広い画角で表示する なお、本アイグラスディスプレイでは、内面反射に寄与する面（すなわち表裏面 la, lbと上下の側面 l a' , lb ' )の表面が平面加工されるのみである力 それらの面にさ らに光学膜を設けたり、それらの面を回折光学面にしたりすれば、基体 1の臨界角度 Θ cよりも小さい入射角度で入射する光線を基体 1で内面反射させることができる。こ のようにして基体 1を伝播する表示光束 L1の光線の開き角度を拡大すれば、本アイ グラスディスプレイの画角をさらに拡大することができる。

[0042] また、本アイグラスディスプレイの画角は、内面反射に寄与する面の幅（つまり、面 1 aと面 lbとの間隔、面 la'と面 lb 'との間隔）が入射瞳 Pinの径よりも大きい限り、基体 1のサイズや形状の制約を受けなレ、。よって、本アイグラスディスプレイの基体 1のサ ィズゃ形状の自由度は高い。

例えば、本アイグラスディスプレイの基体 1の縦寸法（面 la'と面 lb 'との間隔）は、 基体 1の厚さ（面 laと面 lbとの間隔）よりも大きいが、仮に、前者が後者と同じ程度に 抑えられたとしても、本アイグラスディスプレイの画角は何ら損なわれない。よって、例 えば、基体 1の形状を、棒状にすることもできる。

[0043] 棒状とは、すなわち、 YZ平面と平行な面によって切断してできる断面力 S、正多角形

(ここでは正方形）となった基体 1である。

つまり、基体 1の形状は、アイグラスディスプレイの美観や、基体 1が装着されるべき 眼鏡フレーム 3の構造などに応じて自由に選定可能である。

また、本アイグラスディスプレイには、基体 1及び画像導入ユニット 2を観察者の頭 部に装着する装着手段として、一般的な眼鏡フレーム 3が用レ、られたが、その装着手 段は、基体 1のサイズや形状と共に最適なものに変更することができる。

[0044] 次に、本アイグラスディスプレイの偏向ミラー 1Bの特性を詳しく説明する。

図 2に示したとおり、複数の偏向ミラー 1Bは、基体 1へ入射した表示光束 L1をそれ ぞれ反射して、基体 1の外部に射出瞳 Poutを形成する。

但し、基体 1を伝播する表示光束 L1の軸上光線は、図 5に示すように、どの位置で も 4成分 LI, LII, LIII, LIVのうち何れかの方向をとる。このうち、成分 LIが、導入ミラー 1Aで反射した直後の成分である。なお、図 5では、表示光束 L1の或る軸上光線の 4 成分を示した。

[0045] このうち、基体 1の外部に向けて偏向されるのは、特定の 1成分のみに限定される 必要がある。

なぜなら、特定の 1成分以外の成分が偏向されると、虚像のゴーストが形成される虞 があるからである。

このため、個々の偏向ミラー 1Bには、何れか 1成分を反射し、かつ他の 3成分を透 過するような特性、つまり特定の入射角度範囲で入射する可視光のみを反射するよう な特性が付与される。

[0046] また、個々の偏向ミラー 1Bには、上述したとおり、観察者による外界像の観察を妨 げないよう、外界光束を透過するような特性が付与される。

ところで、本アイグラスディスプレイの複数の偏向ミラー 1Bは、図 2に示したように、 基体 1の内部に設けられている力 複数の偏向ミラー 1Bは、図 6に示すように、基体 1 の外部に設けられていてもよい。なお、図 6 (a)， （b)の記載方法 (符号も含む）は、図

2 (a) , (b)のそれに対応させてある（但し、図 6では画像導入ユニット 2は省略。）。

[0047] 図 6に示した基体 1には、面 laに基体 1と同様に可視光に対し透明な基板 1 'が設 けられている。その基板 1 '中に、複数の偏向ミラー 1Bが設けられる。

基体 1と基板 1 'との界面には、光学膜 1Dが形成されており、この光学膜 1Dは、基 体 1を内面反射する表示光束 L1の一部を基板 1 'に入射させる役割、つまり、複数の 偏向ミラー 1Bに入射させる役割を果たす。

[0048] このような光学膜 1Dには、比較的大きな入射角度（臨界角度 Θ cよりも大きい入射 角度）で入射する可視光を部分反射し、かつそれ以外の可視光を全透過する性質が 付与される。

因みに、光学膜 IDは、高屈折率の誘電体と低屈折率の誘電体を交互に積層して なる多層膜、或いは、ホログラフィック光学膜によって構成される。

[0049] なお、図 6に示す基板 1'内には、複数の偏向ミラー 1Bに加えて、複数の偏向ミラー

1B'が設けられ、かつ基体 1内には、折り返しミラー 1Cが設けられている。

折り返しミラー 1Cは、基体 1を伝播した表示光束 L1を光軸方向に折り返すものであ る。複数の偏向ミラー 1B'は、折り返された後の表示光束 L1をそれぞれ反射して射 出瞳 Poutの方向に射出させるものである。偏向ミラー IB, 1B'のそれぞれの法線は

、表示光束 L1の入射面上に存在する。

[0050] この折り返しミラー 1C,偏向ミラー 1B'によれば、射出瞳 Pout上の位置による表示 光束 L1の光量ムラ、つまり、射出瞳 Pout上の位置による虚像の明るさのムラを抑え ること力 Sできる。

また、図 6のアイグラスディスプレイでは、偏向ミラー 1B (及び偏向ミラー 1B')を設 けた基板 1'の配置箇所が、基体 1の面 laの側（外界側）であるが、面 lbの側 (観察 者側）であってもよい。その場合も、偏向ミラー 1B (及び偏向ミラー 1B' )の姿勢を最 適化することで、観察者の側に表示光束 L1を導光し、同様の射出瞳 Poutを形成す ること力 Sできる。

[0051] 次に、本アイグラスディスプレイにおける導入ミラー 1A,偏向ミラー 1Bの配置姿勢 の選定方法を詳しく説明する。ここでは、偏向ミラー 1Bが基体 1の内部に設けられる 場合 (図 2)を説明する。

説明に当たり、方向を示すパラメータとして方向余弦を用いる。先ず、この方向余弦 を説明しておく。

[0052] 図 7に示すように、或る方向ベクトル Sが X軸、 Y軸、 Z軸と成す角度をそれぞれ θ X , Θ γ, θ ζとおくと、その方向余弦 Α= (ひ， β , γ )は、

ひ =COS θ X,

/3 =cos Θ y,

y =cos Θ z

で表される。 [0053] 以上の方向余弦のパラメータを用レ、、各方向を次の通り定義する。なお、各方向は 、方向余弦のパラメータのみによって規定できる力 各方向を直感的に認識するため に、角度のパラメータも補足しておく。

<方向余弦のパラメータ >

ΑΙ= (α , β , y ) :

AIは、導入ミラー 1Aにて反射した直後の表示光束 LIの軸上光線の成分 LIの方向 余弦であり、成分 LIの方向のパラメータである（図 8参照）。

[0054] AII= (ひ ， — β , y ) :

ΑΠは、表示光束 L1の軸上光線の成分 LIIの方向余弦であり、成分 LIIの方向のパ ラメータである。

ΑΙΙΙ= (α , β， - γ )：

ΑΠΙは、表示光束 L1の軸上光線の成分 LIIIの方向余弦であり、成分 LIIIの方向の ノヽ。ラメータである。

[0055] AIV= (α , — β ' - γ ) :

AIVは、表示光束 L1の軸上光線の成分 LIVの方向余弦であり、成分 LIVの方向の ノヽ。ラメータである。

因みに、パラメータお, All, AIII, AIVの関係は、表示光束 L1の軸上光線が面 la' , lb'の何れかで反射すると、その方向余弦の成分 の符号が反転し、また、軸上光 線が面 la, lbの何れかで反射すると、その方向余弦の成分 γの符号が反転すること に起因する。

[0056] A =

i , β , y )：

i i i

A_;は、基体 1に入射する表示光束 LIの光軸の方向余弦であり、基体 1に入射する 表示光束 L1のパラメータである（図 8参照）。

Α = (α , β , y ) :

0 0 0 0

Aは、導入ミラー 1Aの法線の方向余弦であり、導入ミラー 1Aのパラメータである（

0

図 8参照）。

[0057] Α=ΑΙ, ΑΠ, ΑΠΙ, AIVの何れか：

Aは、基体 1を伝播する表示光束 L1の軸上光線の方向余弦であり、基体 1を伝播 する表示光束 LIの軸上光線のパラメータである（図 8参照）。

A = ( _α , β , γ ) :

m m m m

A_mは、偏向ミラー IBの法線の方向余弦であり、偏向ミラー 1Bのパラメータである（ 図 8参照）。

[0058] Α' = ( α ' , β ' , γ ' ) :

A'は、基体 1から観察者の眼へ射出する表示光束 LIの軸上光線の方向余弦であ り、基体 1から射出する表示光束 L1のパラメータである（図 8参照）。

<角度のパラメータ >

Θ は、基体 1を伝播する表示光束 L1の軸上光線の XY平面への射影が X軸と

XY-X

成す角度であり、基体 1を伝播する表示光束 L1のパラメータである。因みに、導入ミ ラー 1Aにて反射した直後の表示光束 L1 (つまり成分 LI)のパラメータ Θ は、 Θ

XY-X XY-

= tan— ¹ ( /ひ）で表される。

X

[0059] Θ は、基体 1を伝播する表示光束 L1の軸上光線が Z軸と成す角度であり、基体 1

Z

を伝播する表示光束 L1のパラメータである。

Θ は、導入ミラー 1Aに対する表示光束 L1の軸上光線の入射角度であり、基体 1

0

に入射する表示光束 L1のパラメータである（図 8参照）。

Θ は、導入ミラー 1 Aと XY平面との交線力 軸と成す角度であり、導入ミラー 1

0XY-X

Aの配置姿勢のパラメータである。

[0060] Θ は、導入ミラー 1 Aが XY平面と成す角度であり、導入ミラー 1 Aの配置姿勢のパ

0Z

ラメータである（図 8参照）。

Θ は、偏向ミラー 1Bに入射する表示光束 L1の軸上光線の入射角度であり、偏向ミ a

ラー IBに入射する表示光束 L1のパラメータである（図 8参照）。

Θ は、偏向ミラー 1Bと XY平面との交線力 ¾軸と成す角度であり、偏向ミラー 1B mXY-X

の配置姿勢のパラメータである（図 8参照）。

[0061] Θ は、偏向ミラー 1Bが XY平面と成す角度であり、偏向ミラー 1Bの配置姿勢のパ mZ

ラメータである（図 8参照）。

さて、導入ミラー 1 Aの配置姿勢のパラメータ Aの選定は、基体 1に入射する表示光

0

束 L1のパラメータ Aと、導入ミラー 1 Aにて反射した直後の表示光束 L1のパラメータ A (つまり AI)と、式（2),式（3)とに基づいて行われる。

[0062] A = (-A+A)/(2cos θ ) · · · (2)

0 i 0

cos2 θ =Α·Α · · · (3)

0 ί

なお、式（3)は、式（3' )のとおり変形できる。

cos 0 y +l)/2] · · · (3')

また、偏向ミラー IBの配置姿勢のパラメータ A_mの選定も、同様に考えて、偏向ミラ 一 1Bに入射する表示光束 L1のパラメータ A (つまり ΑΙ、 ΑΠ， AIII, AIVの何れ力 と、 基体 1から射出する表示光束 L1のパラメータ A'と、次式 (4), (5)とに基づいて行わ れる。

[0063] A = (-A+A')/(2cos θ ) . · · (4)

m a

cos2 θ =Α·Α' · · · (5)

a

ところで、上述したとおり、表示光束 LIの軸上光線はどの位置でも 4成分 (LI〜LIV )のうち何れかからなり、偏向ミラー 1Bには、そのうち何れ力 1成分のみを所定の反射 率で反射し、他の 3成分を全て透過するような特性が付与される。

[0064] 但し、偏向ミラー 1Bによって所定の反射率で反射すべき光の入射角度と、偏向ミラ 一 1Bによって透過すべき光の入射角度とが完全に分離されているときにしカ その 多層膜を設計することはできない。

このため、本実施形態では、上述した偏向ミラー 1Bなどの配置姿勢の選定を、表 示光束 L1の 4成分 LI, LII, LIII, LIVについてそれぞれ行った上で、それらを比較し 、最適なものに絞り込んだ。次に、選定方法の具体例を説明する。

[0065] 先ず、基体 1に入射する表示光束 L1のパラメータ Aが（1, 1, 0)、基体 1から射出 する表示光束 L1のパラメータ A'が（0， 0，—1)、基体 1を伝播する表示光束 L1の成 分 LIのパラメータ（Θ

XY-X， Θ )が（45° , 135° )に選定されたとする。なお、これら Z

のノ メータは、基体 1と画像ユニット 2との位置関係、基体 1と観察者の右眼との位 置関係などを勘案して選定されたものである。

[0066] このとき、導入ミラー 1Aのパラメータ（θ , Θ )は、（45° , 22. 5° )に一義的

OXY-X 0Z

に選定される。

一方、偏向ミラー 1Bのパラメータ（θ , Θ )は、以下の 4通りの何れかに選定 可能である。

(— 135。 ， 67. 5。 ），

(— 135。 ， 22. 5。 ），

(135。 ， 67. 5。 ），

(135。 ， 22. 5。 ）。

[0067] 以上のとおり選定された各パラメータを表にすると、図 28〜図 35のとおりである。な お、各表では、成分 LI, LII, LIII, LIVを、それぞれ「光線 I」， 「光線 II」， 「光線 III」， 「 光線 IV」と表記した。

図 28は、基体 1に入射する表示光束 L1のパラメータを示す表である。点線枠内が パラメータ Α (表示光束 L1の光軸の方向余弦)である。

[0068] 図 29は、導入ミラー 1Aにて反射した直後の表示光束 L1のパラメータを示す表であ る。点線枠内がパラメータ AI (表示光束 L1の方向余弦)である。

図 30は、導入ミラー 1Aの配置姿勢のパラメータを示す表である。点線枠内がパラメ ータ A (導入ミラー 1Aの法線の方向余弦）である。

0

図 31は、基体 1から射出する表示光束 L1のパラメータを示す表である。点線枠内 力 Sパラメータ A' (表示光束 L1の方向余弦)である。

[0069] 図 32は、表示光束 L1の成分 LIを基体 1外へ射出させるための偏向ミラー 1Bの配 置姿勢のパラメータを示す表である。点線枠内がパラメータ A (偏向ミラー _{1 B}の法線 の方向余弦）である。

図 33は、表示光束 L1の成分 LIIを基体 1外へ射出させるための偏向ミラー 1Bの配 置姿勢のパラメータを示す表である。点線枠内がパラメータ A (偏向ミラー _{1 B}の法線 の方向余弦）である。

[0070] 図 34は、表示光束 L1の成分 LIIIを基体 1外へ射出させるための偏向ミラー 1Bの配 置姿勢のパラメータを示す表である。点線枠内がパラメータ A (偏向ミラー： LBの法線 m

の方向余弦）である。

図 35は、表示光束 L1の成分 LIVを基体 1外へ射出させるための偏向ミラー 1Bの配 置姿勢のパラメータを示す表である。点線枠内がパラメータ A (偏向ミラー： LBの法線 m

の方向余弦）である。 [0071] 次に、図 32,図 33,図 34,図 35の各パラメータを比較し、最適なものに絞り込む。 最適なものとは、所定の反射率で反射すべき光の入射角度と、透過すべき光の入射 角度とが、完全に分離されているものである。

ここで、図 32，図 33,図 34，図 35の各パラメータを比較する。

先ず、図 32の右下欄に示すとおり、図 32のパラメータによると、偏向ミラー 1Bに対 する 4成分 LI， LII, LIU, LIVの入射角度は、以下の 4角度になる。

[0072] 成分 LI:67.5° (基体 1外へ射出させる成分），

成分 LII:22.5° ,

成分 LIII :74.3° ，

成分 LIV:74.3°

また、図 33の右下欄に示すとおり、図 33のパラメータによると、偏向ミラー 1Bに対 する 4成分 LI， LII, LIII, LIVの入射角度は、以下の 4角度になる。

[0073] 成分 LI:67.5。 ,

成分 LII:22.5° (基体 1外へ射出させる成分），

成分 LIII :49.21° ,

成分 LIV:49.21°

また、図 34の右下欄に示すとおり、図 34のパラメータによると、偏向ミラー 1Bに対 する 4成分 LI, LII, LIII, LIVの入射角度は、以下の 4角度になる。

[0074] 成分 LI:74.3° ,

成分 LII :74.3。 ,

成分 LIII:67.5° (基体 1外へ射出させる成分），

成分 LIV:22.5°

また、図 35の右下欄に示すとおり、図 35のパラメータによると、偏向ミラー 1Bに対 する 4成分 LI， LII, LIII, LIVの入射角度は、以下の 4角度になる。

[0075] 成分 LI:49.21° ，

成分 LII:49.21° ,

成分 LIII :67.5° ，

成分 LIV:22.5° (基体 1外へ射出させる成分） 以上の比較の結果、反射角度領域と透過角度領域とを 1つの閾値で分離できるケ ースは、図 33又は図 35で示したケースであることがわかる。よって、偏向ミラー 1Bを 多層膜で比較的に容易に製造できるケースである図 33又は図 35のパラメータに絞り 込まれる。

[0076] (多層膜の第 1実施例 1)

次に、偏向ミラー 1Bを実現する多層膜の実施例を説明する。ここでは、図 33のパラ メータが選定された場合を説明する。

この多層膜に付与すべき特性は、入射角度 22. 5° で入射する可視光を所定の反 射率で反射し、かつ入射角度 49. 21° 及び 57. 5° で入射する可視光を透過する ものである。

[0077] なお、図 33に示したパラメータは、表示光束 L1の軸上光線についてのデータであ るが、実際の表示光束 L1には、画角に対応した開き角度の各光線が含まれているの で、多層膜の設計時には、それが考慮される。

このため、多層膜に付与すべき特性は、入射角度 22. 5° の前後で入射する可視 光の光束（画角に対応した開き角度の光束）に対し十分な反射率を有し、かつ入射 角度 49° , 67. 5° の前後で入射する可視光の光束 (画角に対応した開き角度の光 束）に対し十分な透過率を有したものとなる（以下、画角を 10° とする。）。

[0078] また、画像表示素子 2aが LCDであるときには、表示光束 L1は直線偏光しているの で、表示光束 L1に偏光板を挿入することによって、表示光束 L1を p偏光のみに制限 したり、表示光束 L1を s偏光のみに制限したりすることができる。

そこで、この多層膜には、表示光束 L1を p偏光に制限した場合に最適な特性が付 与される。

[0079] なお、上述したように、偏向ミラー 1Bは、基体 1中に複数個設けられ、かつ表示光 束 L1に対し並列に配置されている。よって、個々の偏向ミラー 1Bの反射率は、個々 の偏向ミラー 1Bにて反射される個々の表示光束 L1の光量が均一化されるように個 別の値に設定されてもよい。ここでは、このうち 1つの偏向ミラー 1Bに用いられる多層 膜を説明する。

[0080] この多層膜の仕様を、以下のとおり定める。 画角： 10° ,

波長帯域：可視広域（400nm〜700nm) ,

入射角度 22· 5 ± 5° の p偏光に対する反射率 Rp : 40%,

入射角度 45. 21 ± 5° 〜67. 5 ± 5° の p偏光に対する透過率 Tp： 100%。

[0081] この多層膜には、偏光ビームスプリッタと同じ構成が適用できる。

偏光ビームスプリッタの代表的な構成は、以下の 3通りである。

基体/ (0.25H0.25L)^P0.25H/基体，

基体/ (0.125H0.25L0.125H)7基体，

基体/ (0.125L0.25H0.125D7基体

なお、

「H」：高屈折率層（H層），

「L」：低屈折率層 (L層），

「p」：括弧で括られた層群の積層回数

各層の左側の数値:各層の膜厚 (但し、単位は設計中心波長 λ c)

である。

[0082] 本実施例では、上述した 3つの構成のうち、第 2の構成を用いると共に、反射帯域 を拡大するために、膜厚の異なる 4つの層群を用いた。

なお、

基体 1の屈折率： 1. 56,

H層の屈折率 1. 67,

L層の屈折率： 1. 46,

設計中心波長 λ c： 450nm

とした。

[0083] 本実施例の多層膜の構成は、次のとおりである。

基体/ (0.125H0.25L0.125H)⁷(0.15H0.3L0.15H)⁷

(0.175H0.35L0.175H)⁷(0.205H0.41L0.205H)ソ基体

図 36に、この多層膜の構成を示す（図 36では、「基体」を「基板」と表現した。他の 表も同様。）。 [0084] 図 9に、この多層膜の反射率の波長特性を示す。図 9には、入射角度 22. 5° の p 偏光に対する特性、入射角度 49. 2° の p偏光に対する特性、入射角度 67. 5° の p 偏光に対する特性を示す。

図 10に、この多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示す。 (多層膜の第 2実施例）

本実施例では、第 1実施例の多層膜を基礎として計算機で各層の膜厚を最適化し て改良 (反射率の平坦化）を施した。

[0085] 図 37に、この多層膜の構成を示す。

図 11に、この多層膜の反射率の波長特性を示す。図 11には、入射角度 22. 5° の P偏光に対する特性、入射角度 49. 2° の p偏光に対する特性、入射角度 67. 5° の P偏光に対する特性を示す。

図 12に、この多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示す。

[0086] (多層膜の第 3実施例）

本実施例では、第 2実施例の多層膜にさらなる改良を施して、層数の低減を試みた 。層数の低減のために、 H層に屈折率の高い材料を用いた。

図 38に、この多層膜の構成を示す。

図 13に、この多層膜の反射率の波長特性を示す。図 13には、入射角度 22. 5° の P偏光に対する特性、入射角度 49. 2° の p偏光に対する特性、入射角度 67. 5° の P偏光に対する特性を示す。

[0087] 図 14に、この多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示す。

(多層膜の第 4実施例）

本実施例では、上述した実施例とは仕様の異なる多層膜を設計した。この多層膜 に設定した反射率 Rpは、 70%である。

なお、

基体 1の屈折率： 1. 56,

H層の屈折率： 2. 30,

L層の屈折率： 1. 46，

設計中心波長 λ c： 450nm とした。

[0088] 図 39に、この多層膜の構成を示す。

図 15に、この多層膜の反射率の波長特性を示す。図 15には、入射角度 22. 5° の P偏光に対する特性、入射角度 49. 2° の p偏光に対する特性、入射角度 67. 5° の P偏光に対する特性を示す。

図 16に、この多層膜の波長 550nmの p偏光に対する反射率の角度特性を示す。

[0089] 以上のとおり、計算機による最適化を施すと、種々の仕様に対応した多層膜を設計 すること力 Sできる。これらの多層膜を偏向ミラー 1Bに適用すれば、上述した特性を確 実に偏向ミラー 1Bに付与することができる。

(多層膜の第 5実施例）

本実施例では、表示光束 L1に含まれる波長成分が、特定の波長成分のみに限定 されてレ、る場合に最適な多層膜を設計した。

[0090] 一般に、画像表示素子 2aの光源に LEDが用いられたときには、その発光スぺタト ノレは、図 17に示すように、 R色， G色， B色それぞれに対応する 3つのピークを有して いる。このとき、表示光束 L1に含まれるのは、それらピークに対応した 3つの波長成 分のみと見なせる。

このときには、本実施例の多層膜が反射すべき波長成分を、その 3つの波長成分 のみに限定したとしても、虚像を形成するための表示光束 L1の光量は、殆ど損なわ れない。

[0091] そこで、本実施例では、反射すべき波長成分が 3つの波長成分のみに限定された 多層膜を設計した。

なお、

反射率 Rp : 70%,

基体 1の屈折率： 1. 56,

H層の屈折率： 2. 30,

L層の屈折率： 1. 46，

設計中心波長 λ c： 450nm

とした。 [0092] 図 40に、この多層膜の構成を示す。

図 18に、この多層膜の反射率の波長特性を示す。図 18には、入射角度 22. 5° の P偏光に対する特性、入射角度 49. 2° の p偏光に対する特性、入射角度 67. 5° の P偏光に対する特性を示す。

(その他）

なお、本アイグラスディスプレイの基体 1の断面 (YZ平面と平行な面によって切断し てできる断面）は、長方形 (正方形)である。

[0093] しかし、基体 1の断面は、図 19 (a)に示すように三角形であってもよレ、。その場合、 表示光束 L1は、例えば、図 19 (a)に矢印で示すように、 3つの面にて内面反射しな 力 Sら基体 1を伝播する。このとき、表示光束 L1の成分は、 3成分 LI， LII, LIIIとなる。 また、基体 1の断面は、図 19 (b)に示すように、別の四角形であってもよい。その場 合、表示光束 L1は、例えば、図 19 (b)に示すように、 4つの面にて内面反射しながら 基体 1を伝播する。このとき、表示光束 L1の成分は、 4成分 LI, LII, LIII, LIVとなる。

[0094] また、基体 1の断面は、図 19 (c)に示すように、 5角形であってもよい。その場合、表 示光束 L1は、例えば、図 19 (c)に示すように、 5つの面にて内面反射しながら基体 1 を伝播する。このとき、表示光束 L1の成分は、 5成分 LI, LII, LIII, LIV, LVとなる。 なお、図 19 (a)〜（c)に示した基体 1を伝播する表示光束 L1がこれらの面の何れ 力 1つの面から射出される様に、図示されない偏向ミラーが基体 1に設けられている。

[0095] 何れにせよ、基体 1の表示光束 L1が基体 1から射出する面と図 19に示した射出す る面と垂直な断面に対して、略垂直な関係を有する複数の他の面の全てにおいて表 示光束 L1が内面反射するよう基体 1内に導入ミラー 1Aを配置し、かつ、表示光束 L 1が基体 1外に射出するよう基体 1内又は基体 1の表面に偏向ミラー 1Bを配置すれ ば、本アイグラスディスプレイと同じ機能のアイグラスディスプレイが実現する。

[0096] 但し、本アイグラスディスプレイの基体 1 (図 2参照）や、図 19 (b)に示す基体 1など は、基体 1の何れか 2つの側面が平行なので、観察者の眼 (観察眼）と外界との間に 存在する界面（基体 1の側面）を平行にして、外界の視認性を高くすることができる。

(導入ミラー 1A,偏向ミラー 1Bの変形例）

なお、図 2に示した導入ミラー 1Aには、多層膜ではなくホログラフィック光学膜を用 レ、ることちでさる。

[0097] また、図 2に示した偏向ミラー 1Bには、多層膜ではなくホログラフィック光学膜を用 レ、ることちでさる。

また、図 6に示した複数の偏向ミラー 1B及び光学膜 1Dの代わりに、それらと同じ役 割を果たすホログラフィック光学膜を用いることもできる。その場合、基板 1 'は不要で ある。

[0098] また、図 6に示した複数の偏向ミラー 1B及び複数の偏向ミラー 1B'及び光学膜 1D の代わりに、それらと同じ役割を果たすホログラフィック光学膜を用いることもできる。 その場合、基板 1 'は不要である。

ここで、図 6の複数の偏向ミラー 1B及び光学膜 1Dの代わりに適用可能なホロダラ フィック光学膜を説明する。

[0099] このホログラフィック光学膜の製造には、例えば、図 20に示すような露光光学系が 用いられる。

図 20において、符号 51で示すのが、レーザ光源、符号 BSで示すのがビームスプリ ッタ、符号 Mで示すのがミラー、符号 53で示すのがビームエキスパンダ、符号 54で 示すのが、感光材料である。

[0100] 図 20に示すように、所定の方向から 2光束を入射させ、その 2光束が形成する干渉 縞のパターンを感光材料 54に転写し、それを現像すれば、ホログラフィック光学膜が 完成する。

図 21は、このホログラフィック光学膜 54が形成された基体 1と、その基体 1を伝播す る表示光束の様子とを示す概念図である。

[0101] ホログラフィック光学膜 54は、基体 1の面 laに設けられる。このホログラフィック光学 膜 54は、基体 1を内面反射して伝播する表示光束 (Lin)を回折し、基体 1の外部へ と射出する光束 (Lout)に変換する。このように、ホログラフィック光学膜 54は、表示 光束の射出方向を制御できる。

なお、ホログラフィック光学膜 54の製造には、図 20に示す露光光学系による露光 以外に、精密金型を用いた射出成形や、マイクロリソグラフィーなどを適用することが できる。 [0102] [第 2実施形態]

以下、図 22、図 23に基づき本発明の第 2実施形態を説明する。

本実施形態は、大型立体虚像ディスプレイの実施形態である。

図 22は、本立体虚像ディスプレイの外観図である。

図 22に示すように、本立体虚像ディスプレイには、第 1実施形態のアイグラスデイス プレイの何れかの基体 1と画像導入ユニット 2とからなる画像表示光学系 60が複数個 備えられる。基体 1には、例えば、導入ミラー 1A及び複数の偏向ミラー 1Bが所定の 関係で設けられている。

[0103] 但し、本実施形態の個々の画像表示光学系 60の基体 1は、観察者から見て左右 に細ぐかつ上下に長い棒状をしている。画像導入ユニット 2は、基体 1の一端に連 結される。複数の画像表示光学系 60は、観察者の前に左右に並べて配置される。個 々の画像表示光学系 60の射出瞳は、観察者の側に左右方向に並んで形成される。 観察者の左右の眼は、射出瞳の形成される領域の何れかに配置される。

[0104] 個々の画像表示光学系 60には、画像供給装置 61が接続されている。画像供給装 置 61は、観察者の左眼に表示すべき L Ch画像の信号と、観察者の右眼に表示す べき R— Ch画像の信号とを出力する。 L Ch画像と R— Ch画像とは、ステレオ画像 (立体画像）である。

L Ch画像の信号は、 1つおきに配置された画像表示光学系 60にそれぞれ入力 される。これらの各画像表示光学系 60は、 L Ch画像の虚像を、それぞれ画像表示 光学系 60の背後の所定距離の位置に形成する。

[0105] R— Ch画像の信号は、残りの画像表示光学系 60にそれぞれ入力される。これらの 各画像表示光学系 60は、 R— Ch画像の虚像を、それぞれ画像表示光学系 60の背 後の所定距離の位置に形成する。

したがって、観察者が、左右の眼の瞳を射出瞳の何れかの位置に配置すると、 L-

Ch画像、 R_Ch画像の虚像を観察することができる。

[0106] 個々の画像表示光学系 60は、第 1実施形態で述べた基体 1と画像導入ユニット 2と からなるので、基体 1が細長い棒状であるにも拘わらず、観察者は、縦横双方に亘り 広レヽ画角で虚像を観察することができる。 ここで、図 23に示すように、 L Ch画像を表示する画像表示光学系 60と、 R-Ch 画像を表示する画像表示光学系 60とは、互いに Θ cだけ異なる角度で配置される。

[0107] この角度 Θ cは、観察者が前記所定距離に存在する物体を両眼で目視するときの 輻輳角度に一致させてある。

したがって、観察者は、左眼で L一 Ch画像、右眼で R— Ch画像を個別に観察する こと力 Sできる。よって、鮮明な立体虚像を観察できる。

また、画像表示光学系 60を広い範囲に亘つて配置すれば、観察者が立体虚像を 観察するための眼の配置範囲を広げることができる。また、複数人の観察者が同時 に同じ立体画像を観察することもできる。

[0108] [第 3実施形態]

以下、図 24、図 25に基づき本発明の第 3実施形態を説明する。

本実施形態は、 360° 立体虚像ディスプレイの実施形態である。

先ず、本立体虚像ディスプレイに供給すべき信号の取得方法を説明する。 信号を取得するには、図 24に示すように、或る物体から等距離の n種類の各位置 において物体を撮影する。 n種類の各位置は、物体の周囲 360° を n個に等分割し てなる各位置である。

[0109] これによつて、 n個の画像の信号（1 Ch画像の信号， 2— Ch画像の信号， · ' ·η—

Ch画像の信号）が記録される。なお、分割数 nは、後述する 360° 立体虚像が連続 的に観察できるよう、十分に大きな値に設定される。

次に、本立体虚像ディスプレイの構成を説明する。

図 25は、本立体虚像ディスプレイの外観図である。

[0110] 図 25に示すように、本立体虚像ディスプレイには、第 1実施形態のアイグラスデイス プレイの何れかの基体 1と画像導入ユニット 2とからなる画像表示光学系 60が n個備 えられる。基体 1には、例えば、導入ミラー 1A及び複数の偏向ミラー 1Bが所定の関 係で設けられている。

個々の画像表示光学系 60の基体 1は、観察者から見て左右に細ぐかつ上下に長 い棒状をしている。画像導入ユニット 2は、基体 1の一端に連結される。 n個の画像表 示光学系 60は、観察者の前に円筒状に並べて配置される。個々の画像表示光学系 60の射出瞳は、円筒の外側に並んで形成される。観察者の左右の眼は、射出瞳の 何れかに配置される。

[0111] 個々の画像表示光学系 60には、コントローラ 62が接続されている。コントローラ 62 は、予め記録された n個の信号（l _Ch画像の信号， 2_Ch画像の信号， · · ·， n_ Ch画像の信号）を出力する。

n個の信号は、 n個の画像表示光学系 60に個別に入力される。これらの各画像表 示光学系 60は、 1一 Ch画像， 2— Ch画像， · · ·， n_Ch画像の虚像を、円筒の中心 位置にそれぞれ形成する。

[0112] したがって、観察者が、眼の瞳を円筒状の射出瞳の何れかの位置に配置すると、そ の位置に対応する画像の虚像 (その位置から見た物体の虚像)を観察することができ る。しかも、眼の配置位置をその円筒の周方向にずらすと、そのずれた位置から見た 物体の虚像を観察することができる。つまり、観察者は、物体の 360° 立体虚像を観 察すること力 Sできる。

[0113] 個々の画像表示光学系 60は、第 1実施形態で述べた基体 1と画像導入ユニット 2と からなるので、基体 1が細長い棒状であるにも拘わらず、観察者は、どの位置からも、 縦横双方に亘り広い画角で虚像を観察することができる。

なお、本立体虚像ディスプレイでは、静止画像の信号を用いれば、静止画像の 36 0° 立体虚像を、動画像の信号を用いれば、動画像の 360° 立体虚像を観察するこ とができる。

[0114] また、本立体虚像ディスプレイでは、物体を撮影することによって取得した画像の信 号を用いたが、計算機で合成された画像の信号を用いてもょレ、。

[第 4実施形態]

以下、図 26、図 27に基づき本発明の第 4実施形態を説明する。

本実施形態は、液晶ディスプレイの実施形態である。

[0115] 図 26は、本液晶ディスプレイの外観図である。

本液晶ディスプレイには、液晶パネル 80と、それを背面から照明する照明光学系 7 0と力備えられる。

照明光学系 70は、第 1実施形態のアイグラスディスプレイの何れかの基体 1と、照 明ユニット 2'とからなる。基体 1には、例えば、導入ミラー 1A及び複数の偏向ミラー 1

Bが所定の関係で設けられている。

[0116] 但し、本実施形態の基体 1は、観察者から見て縦横方向に大きぐかつ奥行き方向 に薄い板状をしている。

基体 1を正面から見ると、図 27に示すように、 4隅の 1つに導入ミラー 1Aが配置され

、また、略全面に亘つて複数の偏向ミラー 1Bが並べて配置されている。

照明ユニット 2'は、液晶パネル 80の各位置を照明するための照明光束を、導入ミ ラー 1Aに向けて射出する。

[0117] 照明光束は、第 1実施形態の表示光束 L1と同様、基体 1を内面反射しながら伝播 し、複数の偏向ミラー 1Bにて基体 1の外部へ向けて偏向され、液晶パネル 80の略全 面の各位置を照明する。

液晶パネル 80を照明するこの照明光束の開き角度は、第 1実施形態の表示光束 L

1のそれと同様に、縦横双方に亘つて広く確保される。

[0118] したがって、液晶パネル 80の各位置は、縦横双方に亘り広い角度範囲の照明光束 で照明される。

よって、本液晶ディスプレイは、薄型でありながらも、縦横双方に亘り広い角度範囲 力 観察者が画像を視認することのできる、高性能な液晶ディスプレイである。

なお、本液晶ディスプレイの用途は、テレビ、携帯電話、パーソナルコンピュータの ディスプレイなど、様々である。

Claims

請求の範囲

[1] 観察眼に投光すべき表示光束に対し透明な角柱状の基体と、

外部からの前記表示光束が前記基体の少なくとも 1つの側面を含む少なくとも 3つ の面で内面反射可能となる方向に前記表示光束を導光する導入手段と、

前記基体内を伝播する前記表示光束を、前記基体から前記観察眼へと導光する 導出手段と

を備えたことを特徴とする画像表示光学系。

[2] 請求項 1に記載の画像表示光学系において、

前記導入手段は、

前記表示光束が反射される全ての側面に対し非平行な反射面からなる ことを特徴とする画像表示光学系。

[3] 請求項 1又は請求項 2に記載の画像表示光学系において、

前記導出手段は、

前記基体内部に設けられた互いに平行な複数の部分反射面からなる ことを特徴とする画像表示光学系。

[4] 請求項 1又は請求項 2に記載の画像表示光学系において、

前記導出手段は、

前記表示光束が到達する前記基体の面の少なくとも 1部に設けられ、かつ前記表 示光束の一部を外部へ射出させる光学膜と、

前記光学膜の反基体側に設けられた互いに平行な複数の反射面とからなる ことを特徴とする画像表示光学系。

[5] 請求項 3又は請求項 4に記載の画像表示光学系におレ、て、

前記複数の反射面の何れか 1つは、

ホログラフィック光学膜からなる

ことを特徴とする画像表示光学系。

[6] 請求項 1又は請求項 2に記載の画像表示光学系において、

前記導出手段は、

前記基体の何れかの側面に設けられたホログラフィック光学膜からなる ことを特徴とする画像表示光学系。

[7] 観察眼に投光すべき表示光束を射出する画像表示素子と、

前記表示光束を前記観察眼へと導光する請求項 1〜請求項 6の何れか一項に記 載の画像表示光学系と

を備えたことを特徴とする画像表示装置。

[8] 請求項 7に記載の画像表示装置と、

前記画像表示装置を観察者の頭部に装着する装着手段と

を備えたことを特徴とする画像表示装置。

[9] 被照明領域を照明するための照明光束に対し透明な角柱状の基体と、

外部からの前記照明光束が前記基体の少なくとも 1つの側面を含む少なくとも 3つ の面で内面反射可能となる方向に前記照明光束を導光する導入手段と、

前記基体内を伝播する前記照明光束を、前記基体から前記被照明領域へと導光 する導出手段と

を備えたことを特徴とする照明光学系。

[10] 請求項 9に記載の照明光学系において、

前記導入手段は、

前記照明光束が反射される全ての側面に対し非平行な反射面からなる ことを特徴とする照明光学系。

[11] 請求項 9又は請求項 10に記載の照明光学系において、

前記導出手段は、

前記基体内部に設けられた互いに平行な複数の部分反射面からなる ことを特徴とする照明光学系。

[12] 請求項 9又は請求項 10に記載の照明光学系において、

前記導出手段は、

前記照明光束が到達する前記基体の面の少なくとも 1部に設けられ、かつ前記照 明光束の一部を外部へ射出させる光学膜と、

前記光学膜の反基体側に設けられた互いに平行な複数の反射面とからなる ことを特徴とする照明光学系。

[13] 請求項 11又は請求項 12に記載の照明光学系において、

前記複数の反射面の何れか 1つは、

ホログラフィック光学膜からなる

ことを特徴とする照明光学系。

[14] 請求項 9又は請求項 10に記載の照明光学系において、

前記導出手段は、

前記基体の何れかの側面に設けられたホログラフィック光学膜からなる ことを特徴とする照明光学系。

[15] 液晶パネルを照明するための照明光束を射出する光源と、

前記照明光束を前記液晶パネルへと導光する請求項 9〜請求項 14の何れか一項 に記載の照明光学系と

を備えたことを特徴とする液晶表示装置。