WO2015076335A1 - ライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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WO2015076335A1
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light
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plane
angle
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増田　岳志
敦幸 田中
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Sharp Corp
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Definitions

  • the second light guide and the second light guide are denoted by the same reference numeral 30A. Refer to FIGS. 2A to 2C for the first emission surface 29A and the second light receiving surface 31A, and to FIG. 1B for the second emission surface 39A.
  • the brightness of the virtual image obtained by using the light guide 100a does not depend on the position in the cross section of the first light guide unit 20A and the second light guide unit 30A, and thus the above-described uneven brightness of the virtual image can be suppressed. it can.
  • the display light emitted from the display panel 50 is collimated by the collimating optical system 60, and the collimated light beam enters the first light receiving surface 12A of the first light guide 1A.
  • the collimating optical system 60 collimates display light from each pixel of the display panel 50 and emits a light beam having a predetermined diameter in a direction corresponding to the position of each pixel.
  • the display light emitted from the pixels at the ends (upper end, lower end, left end and right end) of the display area is collimated.
  • the direction to be formed forms a predetermined angle with the central direction.
  • the diameter of the light beam emitted from the collimating optical system 60 is adjusted by the collimating optical system 60. As will be described later, the diameter of the light beam can be increased by adjusting the size of the coupling portion 10A.
  • the display panel 50 and the collimating optical system 60 can be widely used.
  • a transmissive liquid crystal display panel or an organic EL display panel can be used as the display panel 50, and a lens system described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-157520 can be used as the collimating optical system 60.
  • a reflective liquid crystal display panel (LCOS) can be used as the display panel 50, and a concave mirror or a lens group described in JP 2010-282231 A can be used as the collimating optical system 60, for example.
  • LCOS reflective liquid crystal display panel
  • JP 2010-282231 A can be used as the collimating optical system 60, for example.
  • the size of the display panel 50 is, for example, about 0.2 inches to about 0.5 inches diagonal.
  • the field angle (screen size) of the virtual image is determined by the angle difference of the light beam, and the angle difference of the light beam is determined based on the critical angle of the first light guide unit 20A.
  • the angle of view (screen size) of the virtual image can be increased in the Y direction without increasing the cross-sectional area of the image.
  • the traveling direction of the light beam obtained by collimating the light emitted from the rightmost pixel of the display area is the center direction (the traveling direction of the light beam in FIG. 3A) and ⁇ x. Make an angle.
  • the traveling direction of the light beam obtained by collimating the light emitted from the leftmost pixel of the display area forms an angle of + ⁇ x with the center direction.
  • the light beam emitted from the first emission surface 29A of the first light guide 20A is incident on the second light receiving surface 31A of the second light guide (second light guide) 30A.
  • the light beam incident on the second light guide 30A is reflected in the Z direction by the plurality of second inclined surfaces 34a arranged in the X direction in the prism region 32A in the process of propagating inside the second light guide 30A.
  • the second light guide 30A is emitted from the second emission surface 39A opposite to the surface (prism surface) on which the second inclined surface 34a is formed. At this time, the light beam is expanded in the X direction. Note that the angle difference ( ⁇ ⁇ y and ⁇ ⁇ x) between the light beam from each pixel and the light beam from the central pixel is maintained.
  • An optional reflection layer 36a is formed on the prism surface.
  • the reflective layer 36a is formed of a metal such as aluminum, for example. By providing the reflective layer 36a, it is possible to reflect a light beam incident on the prism surface at an angle smaller than the critical angle, so that the light utilization efficiency can be improved.
  • an optional transparent resin layer 38 is formed on the reflective layer 36a. When the reflective layer 36a has an opening, by providing the transparent resin layer 38 having the same or sufficiently close refractive index as that of the second conductor portion 30A, the image formed by the light transmitted through the opening can appear double. Can be suppressed.
  • the second light exit surface 39A of the second light guide 30A is in contact with air (or a low refractive index medium: a medium having a lower refractive index than the second light guide 30A) and propagates through the second light guide 30A.
  • the light beam is totally reflected when it enters the inner surface of the second emission surface 39A at a critical angle or more.
  • the angular difference (angle of view of the virtual image) of the light beam in the left-right direction (X direction) of the displayed image is limited only by the critical angle of the second light guide unit 30A.
  • FIG. 4A is a schematic diagram showing the structure and the optical path of the light beam when the first light guide 1A is viewed from the direction perpendicular to the XY plane
  • FIG. It is a schematic diagram showing an optical path of a light beam in the prism region 22A of the light guide unit 20A
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing the structure when the light guide 100a is viewed from a direction perpendicular to the XY plane and the incident angle of the light beam
  • FIG. 5B is a second light guide.
  • FIG. 5C is a schematic diagram illustrating an optical path of a light beam in the prism region 32A of the section 30A
  • FIG. 5C is a schematic diagram illustrating an optical path of the light beam in the first light guide section 20A and the second light guide section 30A. is there.
  • the prism has an inclined surface that forms a pair with the first inclined surface 24 (an inclined surface that forms an angle of ⁇ 1 with respect to the YZ plane).
  • ⁇ 1 is set so as to satisfy the relationship ⁇ 1 > 2 ⁇ ⁇ 1 - ⁇ y.
  • the arrangement pitch p 1 of the prisms (first slopes 24) is set so as to decrease with increasing distance from the first light receiving surface 12A so that the light beam from each pixel reaches the first slope 24 with uniform intensity.
  • the thickness of the first light guide 20A may be set so as to decrease as the distance from the first light receiving surface 12A increases.
  • Various configurations of the light guide are known, and known configurations can be widely used. From the viewpoint of display quality, it is preferable to use the first light guide portion 20A having the first inclined surface 24 described above. .
  • the first light receiving surface 12A of the coupling unit 10A is arranged so as to form an angle of 2 ⁇ ⁇ 1 with respect to the YZ plane in the XY plane.
  • positions so that the center direction of the light beam collimated with the collimating optical system 60 may become substantially perpendicular
  • the light beam emitted from each pixel incident on the first light receiving surface 12A is normal to the prism surface (parallel to the YZ plane) (X axis) of the first light guide unit 20A on the XY plane.
  • an angle of 2 ⁇ ⁇ 1 ⁇ ⁇ y is formed, and the light propagates through the inside of the first light guide portion 20A while repeating total internal reflection (see FIG. 4B).
  • a part of the light beam propagating through the first light guide 20A is incident on the first inclined surface 24, reflected in the X direction, and emitted from the emission surface of the first light guide 20A (the surface facing the prism surface). .
  • the angular difference between the traveling direction of the light beam emitted from each pixel and the central direction is maintained.
  • the spread (diameter) of each light beam is expanded in the Y direction.
  • 1st light guides are produced by injection molding, for example using transparent resin.
  • ⁇ y sin ⁇ 1 (sin ( ⁇ 0 (y)) / n) ⁇ 5.89 degrees
  • the reflective layer 26 may be formed on the prism surface of the first light guide 20A.
  • the reflective layer 26 is formed by evaporating aluminum, for example.
  • the thickness of the reflective layer 26 is, for example, several tens to several hundreds nm.
  • first light guide 20A and the coupling 10A of the first light guide 1A may be formed integrally, or may be formed separately and bonded using an adhesive. At this time, it is preferable that the refractive indexes of the first light guide portion 20A, the coupling portion 10A, and the adhesive are matched as much as possible.
  • the second light guide 30A has a rectangular (a 2 ⁇ b 2 ) cross section extending in the X-axis direction, and the length in the X direction is c on a surface (prism surface) parallel to the XY plane.
  • Two prisms are arranged in the X direction.
  • Each prism has a second inclined surface 34a that reflects the light beam in the Z direction.
  • the second inclined surface 34a is inclined in the X direction and forms an angle ⁇ 2 (over 0 ° and not more than 45 °) with respect to the XY plane.
  • a second slope having an angle of ⁇ 2 that is paired with this is formed.
  • Arrangement pitch p 2 of the prism (second inclined surface 34a), as the light beam from each pixel reaches the second inclined surface 34a at an intensity of uniform, is set to more smaller distance from the second light receiving surface 31A
  • the thickness of the second light guide portion 30A may be set so as to decrease as the distance from the second light receiving surface 31A increases.
  • Various configurations of the light guide are known, and the known configurations can be widely used. From the viewpoint of display quality, it is preferable to use the second light guide portion 30A having the above-described second inclined surface 34a. .
  • the first light receiving surface 12A of the coupling portion 10A has a Y'Z plane rotated by (90-2 ⁇ ⁇ 1 ) about the YZ plane with respect to the XY plane. It is disposed at an angle of 2 ⁇ alpha 2 Te.
  • the light beam collimated by the collimating optical system 60 is arranged so that the central direction of the light beam is incident on the first light receiving surface 12A substantially perpendicularly. With this arrangement, the light beam emitted from each pixel incident on the first light receiving surface 12A is reflected in the X direction by the first inclined surface 24 in the process of propagating through the first light guide 20A.
  • the angle difference between the traveling direction of the light beam emitted from each pixel and the central direction is maintained, and when viewed in the XZ plane, the normal line (Z axis) of the XY plane of the first light guide unit 20A. And 2 ⁇ ⁇ 2 ⁇ ⁇ x (see FIG. 5C).
  • the light beam from each pixel incident on the second light guide 30A is 2 ⁇ ⁇ 2 ⁇ with respect to the normal line (Z axis) of the XY plane of the second light guide 30A.
  • the angle is ⁇ x, and the light propagates through the second light guide 30A while repeating total internal reflection.
  • a transparent resin layer 38 having a flattened surface is formed on the reflective layer 36a by applying, for example, an ultraviolet curable resin and irradiating it with ultraviolet rays. .
  • an ultraviolet curable resin By providing the transparent resin layer 38 having the same or sufficiently close refractive index as that of the second conductor portion 30A, it is possible to suppress the double appearance of the image formed by the light transmitted through the opening.
  • the material for forming the transparent resin layer 38 is not limited to the ultraviolet curable resin, and a thermosetting resin or a thermoplastic resin can also be used.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating an optical path of a light beam (center direction) propagating through the first light guide 20A when the coupling unit 10A is not provided
  • FIG. 7B is a diagram illustrating the coupling unit 10A
  • FIG. 7C is a diagram illustrating the shape of the coupling portion 10A.
  • the first light receiving surface 12A not only has a predetermined inclination but also has a sufficient size.
  • the size of the first light receiving surface 12A is insufficient, there is a region where the light beam cannot exist when the light beam propagates inside the first light guide 20A and / or the second light guide 30A.
  • a region where the emitted light cannot exist is generated (a virtual image is missing).
  • a region indicated by a dark shadow represents a region where a light beam cannot exist.
  • the position where the missing virtual image occurs depends on the position of the eye.
  • the size of the first light receiving surface 12A is set so that it can exist uniformly within the light guide 30A.
  • the size of the first light receiving surface 12A can be obtained by drawing.
  • the trapezoidal d 4 ⁇ 3.9 mm.
  • a 1 of the first light guide portion 20A and d 1 and d 3 are set to be at least twice as large as a 1 and approximately three times as large as the cross-sectional size a 2 of the second light guide portion 30A.
  • d 2 and d 4 are set to be at least twice as large as a 2 and approximately 4 times.
  • d 1 and d 3 are set to be twice or more of a 1 and d 2 and d 4 are set to be twice or more of a 2 , the occurrence of the above-described problem is suppressed, and a defect-free virtual image is formed. be able to.
  • HMD 100B The structure and function of the HMD 100B according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Components having substantially the same functions as those of the previous HMD 100A are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted.
  • FIG. 8A is a schematic perspective view of an HMD 100B according to another embodiment of the present invention, and FIG. 8B shows the second light guide (second light guide) 30B of the light guide 100b. It is a typical enlarged view of the prism area
  • the light guide 100b includes a first light receiving surface 12B that receives the collimated light beam, a first light guide unit 20B that propagates the light beam incident from the first light receiving surface 12B in the first direction (X direction), A first light guide 1B having a first light exit surface 29B that emits a light beam propagating in the light guide 20B in a second direction (Y direction) intersecting the first direction; A second light receiving surface 31B that receives the light beam emitted from the emission surface 29B, a second light guide unit 30B that propagates the light beam incident from the second light receiving surface 31B in the second direction (Y direction), and a second A second light guide 30B having a second light exit surface 39B that emits a light beam propagating in the light guide 30B in a third direction (Z direction) intersecting the first and second directions.
  • the light guide 100b having the first light guide 1B and the second light guide 30B can suppress uneven brightness of the observed virtual image.
  • the light beams incident on the first light guide unit 20B and the second light guide unit 30B enter the respective light exit surfaces at an angle equal to or greater than the critical angle, and repeat total reflection while repeating the first light guide unit 20B and the second light guide unit 30B. 2 Propagates the light guide 30B. Therefore, the diameter of the light beam propagating through the first light guide 20B and the second light guide 30B does not depend on the cross-sectional areas of the first light guide 20B and the second light guide 30B. That is, the brightness of the virtual image obtained by using the light guide 100b does not depend on the position of the first light guide unit 20B and the second light guide unit 30B in the cross section, thereby suppressing the above-described uneven brightness of the virtual image. it can.
  • the first light guide 20B has a bar-like portion that is long in the first direction (X direction), and the second light guide 30B is parallel to a plane P 12 (XY plane) including the first and second directions.
  • a flat plate portion is a flat plate portion.
  • the first light guide 1B has a coupling portion 10B having a first light receiving surface 12B, and the first light receiving surface 12B is inclined at a predetermined angle with respect to the first, second, and third directions. ing. That is, the normal line of the first light receiving surface 12B is not parallel to any of the first, second, and third directions.
  • the coupling part 10B and the first light guide part 20B may be formed integrally, or after the coupling part 10B and the first light guide part 20B are produced separately, the coupling part 10B and the first light guide part 20B are formed.
  • the optical part 20B may be bonded to each other. As described above, the use efficiency of light can be increased by providing the coupling portion 10B.
  • the coupling unit 10B may be omitted.
  • the first direction is the X direction
  • the second direction is the Y direction
  • the third direction is the Z direction
  • the first direction may be the -X direction
  • the coupling part 10B may be provided on the left side in FIG.
  • the second direction may be the ⁇ Y direction. That is, the coupling part 10B may be provided on the lower side in FIG.
  • the HMD 100B is configured such that the first light guide 1B propagates the light beam in the X direction (or -X direction) and the second light guide 30B propagates the light beam in the Y direction (or -Y direction).
  • the first light guide 1A propagates the light beam in the Y direction (or -Y direction)
  • the second light guide 30A propagates the light beam in the X direction (or -X direction). It is different from the point where it is constituted so that.
  • HMD100B The operation of HMD100B will be described.
  • the display light emitted from the display panel 50 is collimated by the collimating optical system 60, and the collimated light beam enters the first light receiving surface 12B of the first light guide 1B.
  • the collimating optical system 60 collimates display light from each pixel of the display panel 50 and emits a light beam having a predetermined diameter in a direction corresponding to the position of each pixel.
  • the display light emitted from the pixels at the ends (upper end, lower end, left end and right end) of the display area is collimated.
  • the direction to be formed forms a predetermined angle with the central direction.
  • the diameter of the light beam emitted from the collimating optical system 60 is adjusted by the collimating optical system 60.
  • the diameter of the light beam can be increased by adjusting the size of the coupling portion 10A.
  • the display panel 50 and the collimating optical system 60 as described above for the HMD 100A, a wide variety of known ones can be used.
  • the first light guide 20B of the first light guide 1B has, for example, a prism region 22B, and a plurality of first slopes inclined in the first direction (X direction) are formed in the prism region 22B.
  • the prism region 22B is a region where a so-called prism surface is formed.
  • the direction in which the slope is inclined means the direction in which the normal to the slope is inclined.
  • the first slope reflects the light beam propagating through the first light guide 20B in the second direction (Y direction) and expands the light beam in the first direction (X direction).
  • the arrow which goes to the 2nd light guide part 30B from 32 A of prism areas in Fig.8 (a) has shown typically the light (3 types) radiate
  • the second light guide (second light guide) 30B has, for example, a prism region 32B, and a plurality of second inclined surfaces inclined in the second direction (Y direction) are formed in the prism region 32B.
  • the prism area 32 ⁇ / b> A of the second light guide unit 30 ⁇ / b> B has a second inclined surface 34 a in a plane (in the XY plane) including the first direction and the second direction.
  • a reflective layer 36a that is arranged in a matrix and has openings in a checkered pattern is formed.
  • the second slope reflects the light beam propagating in the second light guide 30B in the third direction (Z direction) and expands the light beam in the second direction (Y direction).
  • An observer (eye) is in the Z direction of the second light guide 30B and can see a virtual image of the image displayed on the display panel 50 formed by the light beam emitted from the second light guide 30B.
  • the diameter of the light beam entering the eyes of the observer is expanded in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction) by the first light guide 20B and the second light guide 30B. Therefore, the range in which a virtual image can be observed is wide.
  • FIGS. 9A to 9C are schematic views showing the structure of the light guide 100b when viewed from the direction perpendicular to the XY plane and the optical path of the light beam.
  • FIG. The optical path of the light beam (dashed line) emitted from the center pixel of the display area of the panel 50 is shown
  • FIG. 9B shows the optical path of the light beam (dashed line) emitted from the rightmost pixel of the display area.
  • FIG. 9C shows an optical path of a light beam (solid line) emitted from the leftmost pixel of the display area.
  • the light beam is a light beam collimated by the collimating optical system 60.
  • the first light guide 20B can be configured so that the light beams emitted from the respective pixels uniformly reach the first inclined surface 24.
  • the first emission of the first light guide 20B is increased.
  • the intensity distribution of the light beam emitted from the surface 29B can be made uniform, and the diameter of each light beam can be uniformly expanded in the X direction.
  • the diameter of the light beam emitted from the first light guide unit 20B does not depend on the cross-sectional area of the first light guide unit 20B.
  • One light guide 20B can be used. That is, the first light guide 1B can be downsized.
  • the angle of view (screen size) of the virtual image is determined by the angle difference of the light beam, and the angle difference of the light beam is determined based on the critical angle of the first light guide unit 20B, the first light guide unit 20B.
  • the angle of view (screen size) of the virtual image can be increased in the X direction without increasing the cross-sectional area of the image.
  • FIG. 10A is a schematic diagram showing the structure of the coupling unit 10B viewed from the direction perpendicular to the XZ plane and the optical path of the light beam.
  • FIG. 10B shows the light guide 100a.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a structure and a light path of a light beam when viewed from a direction perpendicular to the YZ plane, and shows a light path (broken line) of a light beam emitted from a central pixel in a display area of the display panel 50.
  • FIG. 11A is a schematic diagram showing the structure of the coupling unit 10B viewed from the direction perpendicular to the XZ plane and the optical path of the light beam.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a structure when viewed from a direction perpendicular to the YZ plane and an optical path of a light beam, and shows an optical path (dashed line) of a light beam emitted from a pixel at the lower end of the display area of the display panel 50; Show.
  • FIG. 12A is a schematic diagram showing the structure of the coupling portion 10B when viewed from the direction perpendicular to the XZ plane and the optical path of the light beam.
  • FIG. 12B shows the light guide 100b.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a structure and a light path of a light beam when viewed from a direction perpendicular to the YZ plane, and shows a light path (solid line) of a light beam emitted from a pixel at the upper end of the display area of the display panel 50. .
  • the traveling direction of the light beam obtained by collimating the light emitted from the pixel at the lower end of the display area is the center direction (light in FIGS. 10A and 10B).
  • the traveling direction of the light beam collimated with the light emitted from the pixel at the upper end of the display area forms an angle of + ⁇ y with the central direction.
  • the light beam incident on the first light guide 20B is reflected in the Y direction by the plurality of first inclined surfaces 24 arranged in the X direction in the prism region 22B in the process of propagating through the first light guide 20B.
  • the first light guide 20B is emitted from the first emission surface 29B opposite to the surface (prism surface) on which the first inclined surface 24 is formed.
  • the diameter of the light beam is expanded in the X direction.
  • the angle difference ( ⁇ ⁇ y) between the light beam from each pixel and the light beam from the central pixel is maintained.
  • the light beam emitted from the first emission surface 29B of the first light guide 20B is incident on the second light receiving surface 31B of the second light guide (second light guide) 30B.
  • the light beam incident on the second light guide 30B is reflected in the Z direction by a plurality of second inclined surfaces 34a arranged in the Y direction in the prism region 32B in the process of propagating through the second light guide 30B.
  • the second light guide 30B exits from the second exit surface 39B that faces the surface (prism surface) on which the second slope 34a is formed. At this time, the light beam is expanded in the Y direction. Note that the angular difference ( ⁇ ⁇ x and ⁇ ⁇ y) between the light beam from each pixel and the light beam from the central pixel is maintained.
  • the second light exit surface 39B of the second light guide 30B is in contact with air (or a low refractive index medium: a medium having a lower refractive index than the second light guide 30B) and propagates through the second light guide 30B.
  • the light beam is totally reflected when it enters the inner surface of the second exit surface 39B at a critical angle or more.
  • the angle difference (view angle of the virtual image) of the light beam in the vertical direction (Y direction) of the displayed image is limited only by the critical angle of the second light guide unit 30B.
  • FIG. 13A is a schematic diagram showing a structure when the first light guide 1B is viewed from the direction perpendicular to the XY plane, and the optical path of the light beam.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the optical path of the light beam in the prism area
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the structure of the light guide 100b when viewed from the direction perpendicular to the XY plane and the optical path of the light beam.
  • FIG. 15A is a schematic diagram showing a structure when the light guide 100b is viewed from a direction perpendicular to the YZ plane
  • FIG. 15B is a diagram illustrating the first light guide unit 20B and the second light guide. It is a schematic diagram which shows the optical path of the light beam in the part 30B.
  • the first light guide 20B has a rod-like portion whose cross section extending in the X direction is rectangular (a 21 ⁇ b 21 ), and the length in the X direction is c on a surface (prism surface) parallel to the XZ plane.
  • 21 prisms are arranged in the X direction.
  • Each prism has a first slope 24 that reflects the light beam in the Y direction.
  • the first inclined surface 24 is inclined in the X direction and forms an angle ⁇ 21 (over 0 ° and not more than 45 °) with respect to the XZ plane.
  • the prism has an inclined surface that forms a pair with the first inclined surface 24 (an inclined surface that forms an angle of ⁇ 21 with respect to the XZ plane).
  • ⁇ 21 is set so as to satisfy the relationship ⁇ 21 > 2 ⁇ ⁇ 21 - ⁇ x.
  • the arrangement pitch p 21 of the prism (the first inclined surface 24), as the light beam from each pixel to reach the first inclined surface 24 with a uniform intensity, is set to become smaller as the distance from the first light receiving surface 12B
  • the thickness of the first light guide 20B may be set so as to decrease as the distance from the first light receiving surface 12B increases.
  • Various configurations of the light guide are known, and known configurations can be widely used. However, from the viewpoint of display quality, it is preferable to use the first light guide portion 20B having the first inclined surface 24 described above. .
  • an angle of 2 ⁇ ⁇ 21 ⁇ ⁇ x is formed, and the light propagates through the inside of the first light guide 20B while repeating total internal reflection (see FIG. 13B).
  • a part of the light beam propagating through the first light guide 20B is incident on the first inclined surface 24, is reflected in the X direction, and is emitted from the emission surface (the surface facing the prism surface) of the first light guide 20B. .
  • the angular difference between the traveling direction of the light beam emitted from each pixel and the central direction is maintained.
  • the spread (diameter) of each light beam is expanded in the X direction.
  • the 1st light guide 1B is produced by injection molding, for example using transparent resin.
  • ⁇ x sin ⁇ 1 (sin ( ⁇ 0 (x)) / n) ⁇ 10.38 degrees
  • the reflective layer 26 may be formed on the prism surface of the first light guide 20B.
  • the reflective layer 26 is formed by evaporating aluminum, for example.
  • the thickness of the reflective layer 26 is, for example, several tens to several hundreds nm.
  • the 1st light guide part 20B and the coupling part 10B of the 1st light guide 1B may be formed integrally, may be formed separately, and may be bonded together using an adhesive agent. At this time, it is preferable that the refractive indexes of the first light guide unit 20B, the coupling unit 10B, and the adhesive are matched as much as possible.
  • the second light guide 30A has a rectangular (a 2 ⁇ b 2 ) cross section extending in the X-axis direction, and the length in the X direction is c on a surface (prism surface) parallel to the XY plane.
  • Two prisms are arranged in the X direction.
  • Each prism has a second inclined surface 34a that reflects the light beam in the Z direction.
  • the second inclined surface 34a is inclined in the X direction and forms an angle ⁇ 22 (over 0 ° and 45 ° or less) with respect to the XY plane.
  • a second slope having an angle of ⁇ 22 is formed.
  • the prism has an inclined surface (an inclined surface having an angle of ⁇ 22 with respect to the XY plane) that is paired with the second inclined surface 34a.
  • ⁇ 22 is set so as to satisfy the relationship of ⁇ 22 > 2 ⁇ ⁇ 22 - ⁇ x.
  • Arrangement pitch p 2 of the prism (second inclined surface 34a), as the light beam from each pixel reaches the second inclined surface 34a at an intensity of uniform, is set to more smaller distance from the second light receiving surface 31B
  • the thickness of the second light guide portion 30A may be set so as to decrease as the distance from the second light receiving surface 31B increases.
  • Various configurations of the light guide are known, and the known configurations can be widely used. From the viewpoint of display quality, it is preferable to use the second light guide portion 30A having the above-described second inclined surface 34a. .
  • the first light receiving surface 12B of the coupling unit 10B is 2 ⁇ 2 with respect to the XY plane in the X′Z plane obtained by rotating the XZ plane by (90 ⁇ 2 ⁇ ⁇ 22 ) about the Z axis. It arrange
  • the angle difference between the traveling direction of the light beam emitted from each pixel and the central direction is maintained, and when viewed in the YZ plane, it is relative to the normal line (Z axis) of the XY plane of the first light guide unit 20B. And 2 ⁇ ⁇ 22 ⁇ ⁇ y (see FIG. 15B).
  • the light beam from each pixel incident on the second light guide 30B is 2 ⁇ ⁇ 22 ⁇ with respect to the normal line (Z axis) of the XY plane of the second light guide 30B when viewed in the YZ plane.
  • the angle is ⁇ y, and the light propagates through the second light guide 30B while repeating total internal reflection.
  • Reflective layer 36a Al (aluminum) layer, thickness several tens to several hundreds nm
  • Transparent resin layer 38 UV curable resin, thickness of several tens to several hundreds ⁇ m
  • FIG. 16A is a diagram illustrating an optical path of a light beam (center direction and left-right direction) incident on the coupling unit 10B
  • FIG. 16B is a diagram illustrating a light beam incident on the coupling unit 10A (center direction). It is a figure which shows the optical path of (and up-down direction).
  • the first light receiving surface 12B not only has a predetermined inclination but also has a sufficient size. As described with reference to FIG. 7A, when the size of the first light receiving surface 12B is insufficient, the light beam propagates inside the first light guide 20B and / or the second light guide 30B. This is because there is a region where the light beam cannot exist, and as a result, a region where the emitted light cannot exist is generated (a virtual image is missing).
  • the size of the first light receiving surface 12B is set so that it can exist uniformly within the two light guide portions 30B.
  • the size of the first light receiving surface 12B can be obtained by drawing.

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Abstract

　ライトガイド（１００ａ）は、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面（１２Ａ）と、第１受光面（１２Ａ）から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部（２０Ａ）と、第１導光部（２０Ａ）内を伝搬する光ビームを第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面（２９Ａ）とを有する第１導光体（１Ａ）と、第１出射面（２９Ａ）から出射された光ビームを受ける第２受光面（３１Ａ）と、第２受光面（３１Ａ）から入射した光ビームを第２の方向に伝搬させる第２導光部（３０Ａ）と、第２導光部（３０Ａ）内を伝搬する光ビームを第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面（３９Ａ）とを有する第２導光体（３０Ａ）とを備える。

Description

ライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイ
　本発明は、ライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイに関する。本発明によるライトガイドは、ヘッドマウントディスプレイに好適に用いられる。
　特許文献１には、ヘッドマウントディスプレイに適した光ビーム拡大器が開示されている。特許文献１の図１６に記載の光ビーム拡大器は、コリメートされた表示光ビームを受ける、導光板（光を透過する基板）を有している。導光板には、反射面と、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面とが設けられている。
　導光板に入射した光ビームは、反射面によって、第１の方向に反射され、導光板内を第１の方向に伝搬する。第１の方向に沿って複数の第１部分反射面が互いに平行に配列されており、第１の方向に伝搬する光ビームの一部は、複数の第１部分反射面で、第１の方向に直交する第２の方向に向けて反射される。このとき、光ビームは、第１の方向に拡大される。第２の方向に沿って複数の第２部分反射面が互いに平行に配列されており、第２の方向に伝搬する光ビームの一部は、複数の第２部分反射面で、第１および第２の方向に直交する第３の方向に向けて反射される。このとき、光ビームは、第２の方向に拡大される。複数の第２部分反射面で反射された光ビームは、導光板から出射される。導光板から出射された光ビームは、第１および第２の方向に拡大されているので、虚像を観察できる眼の位置の範囲が広い。
特表２００３－５３６１０２号公報（米国特許明細書６８２９０９５号）
　しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献１に記載の光ビーム拡大器を用いると、観察される虚像の明るさが、周辺部において中央部よりも低いという問題がある。
　特許文献１に記載の光ビーム拡大器を用いて観察される虚像の大きさ（視野角）は、コリメートされた表示光ビームが光ビーム拡大器を経て観察者の目に入射する際の角度範囲によって決まる。例えば、表示パネルから出射された表示光ビームは、光ビームが出射された位置（画素の位置）に応じて異なる方向にコリメートされる。すなわち、表示パネルの周辺の画素から出射された光ビームがコリメートされる方向は、表示パネルの中央の画素から出射された光ビームがコリメートされる方向と所定の角度をなす。この角度差が、視野角（虚像の画角）を決めることになる。
　ここで、表示パネルの中央の画素から出射された光ビームは、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面の中央に入射するが、表示パネルの周辺の画素から出射された光ビームは、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面の中央に入射するのに対し、表示パネルの周辺の画素から出射された光ビームの一部は、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面の周辺部に入射するものの、一部は、複数の第１部分反射面または複数の第２部分反射面に入射することができない。したがって、観察される虚像の明るさが、周辺部において中央部よりも低いという問題が生じる。
　これを抑制する方法として、コリメートされた表示光ビームの直径を小さくする、あるいは逆に、第１および第２部分反射面を大きくすることが考えられる。しかしながら、表示光ビームの直径を小さくすると光の利用効率が低下するという欠点があり、また、第１および第２部分反射面を大きくすると、光ビーム拡大器が大きくなるという欠点がある。コリメートされた表示光ビームの方向の角度差を小さくすることも考えられるが、そうすると、視野角（虚像の画角）が小さくなるという欠点がある。
　本発明は、上記の欠点の発生を抑制しつつ、観察される虚像の明るさのむらを抑制することが可能なライトガイドを提供することを主な目的とする。また、本発明の他の目的は、そのようなライトガイドを備えるヘッドマウントディスプレイを提供することにある。
　本発明の実施形態によるライトガイドは、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面と、前記第１受光面から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部と、前記第１導光部内を伝搬する光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面とを有する第１導光体と、前記第１出射面から出射された光ビームを受ける第２受光面と、前記第２受光面から入射した光ビームを前記第２の方向に伝搬させる第２導光部と、前記第２導光部内を伝搬する光ビームを前記第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面とを有する第２導光体とを備える。
　ある実施形態において、前記第１導光体は、前記第１受光面を有するカップリング部を有し、前記第１受光面は、前記第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している。
　ある実施形態において、前記第１導光体は、前記第１の方向に傾斜した複数の第１斜面を有し、前記複数の第１斜面は、前記第１導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第２の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第１の方向に拡大する。
　ある実施形態において、前記第２導光体は、前記第２の方向に傾斜した複数の第２斜面を有し、前記複数の第２斜面は、前記第２導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第３の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第２の方向に拡大する。
　ある実施形態において、前記複数の第１斜面は、前記第１および第３の方向を含む平面Ｐ13に対して、角α1をなし、前記複数の第２斜面は、前記第１および第２の方向を含む平面Ｐ12に対して、角α2をなし、前記角α1および角α2は、それぞれ独立に４５°以下である。
　ある実施形態において、前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ23に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ23を前記第３の方向を中心に（９０－２・α1）度だけ回転した平面Ｐ’23において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす。例えば、α1は１以上３０以下が好ましい。
　ある実施形態において、前記第１受光面は、前記第１導光部の平面Ｐ23に平行な断面の前記第２の方向の長さの２倍以上の長さの辺と、前記第１導光部の平面Ｐ13に平行な断面の前記第３の方向の長さの２倍以上の長さの辺とを有する。
　ある実施形態において、前記第１導光部は、前記第１の方向に長い棒状部分を有し、前記第２導光部は、前記第１および第２の方向を含む平面に平行な平板状部分を有する。
　ある実施形態において、唯一の前記第１導光体に対して、前記第１の方向に並列に配列された２つの前記第２導光体を有する。
　本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイは、表示パネルと、前記表示パネルから出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系と、上記のいずれかに記載のライトガイドとを有し、前記ライトガイドは、前記第１受光面が前記コリメート光学系でコリメートされた前記光ビームを受光するように配置されている。
　本発明の実施形態によると、観察される虚像の明るさのむらを抑制することが可能なライトガイドが提供される。また、本発明の他の実施形態によると、そのようなライトガイドを備えるヘッドマウントディスプレイが提供される。
（ａ）は、本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａの第２導光体（第２導光部）３０Ａが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図である。 （ａ）～（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、（ｂ）は、表示領域の下端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、（ｃ）は、表示領域の上端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。 （ａ）～（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示し、（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示し、（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示している。 （ａ）は、第１導光体１ＡをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ａのプリズム領域２２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。 （ａ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの入射角を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、（ｃ）は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａにおける光ビームの光路を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、第２導光体３０Ａ、開口部を有する反射層３６ａおよび透明樹脂層３８の製造方法の例を説明するための模式図である。 （ａ）は、カップリング部１０Ａがない場合の第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビーム（中心方向）の光路を示す図であり、（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図であり、（ｃ）は、カップリング部１０Ａの形状を説明する図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂの第２導光体（第２導光部）３０Ｂが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図である。 （ａ）～（ｃ）は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。 （ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示す。 （ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の下端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示す。 （ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の上端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示す。 （ａ）は、第１導光体１ＢをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ｂのプリズム領域２２Ｂにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。 ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。 （ａ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂにおける光ビームの光路を示す模式図である。 （ａ）は、カップリング部１０Ｂに入射した光ビーム（中心方向および左右方向）の光路を示す図であり、（ｂ）は、カップリング部１０Ｂの形状を説明する図である。 （ａ）および（ｂ）は、コリメート光学系６０による収差を説明するための図であり、（ａ）は左右方向の収差を、（ｂ）は上下方向の収差をそれぞれ示し、（ｃ）は、虚像５０’におけるボケの様子を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、表示パネル５０およびコリメート光学系６０と、第１受光面１２Ａまたは１２Ｂとの配置関係を示す図である。 本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｃの模式的な斜視図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」という。）を説明する。ここでは、ＨＭＤ用のライトガイドを説明するが、本発明の実施形態によるライトガイドは、これに限られず、ヘッドアップディスプレイ（「ＨＵＤ」ということがある。）や他の虚像ディスプレイ等に用いることができる。
　図１～図７を参照して、本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの構造と機能を説明する。
　図１（ａ）に本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの模式的な斜視図を示す。ＨＭＤ１００Ａは、本発明の実施形態によるライトガイド１００ａを備える。図１（ｂ）にライトガイド１００ａの第２導光体（第２導光部）３０Ａが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図を示す。
　図１（ａ）に示すように、ＨＭＤ１００Ａは、ライトガイド１００ａと、表示パネル５０と、表示パネル５０から出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系６０とを有し、ライトガイド１００ａは、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームを所定の面で受光するように配置されている。
　ライトガイド１００ａは、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面１２Ａと、第１受光面１２Ａから入射した光ビームを第１の方向（Ｙ方向）に伝搬させる第１導光部２０Ａと、第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビームを第１の方向と交差する第２の方向（Ｘ方向）に向けて出射させる第１出射面２９Ａとを有する第１導光体１Ａと、第１出射面２９Ａから出射された光ビームを受ける第２受光面３１Ａと、第２受光面３１Ａから入射した光ビームを第２の方向（Ｘ方向）に伝搬させる第２導光部３０Ａと、第２導光部３０Ａ内を伝搬する光ビームを第１および第２の方向と交差する第３の方向（Ｚ方向）に向けて出射する第２出射面３９Ａとを有する第２導光体３０Ａとを備える。なお、第２導光部と第２導光体とには、同じ参照符号３０Ａを付す。第１出射面２９Ａ、第２受光面３１Ａについては、図２（ａ）～（ｃ）を、第２出射面３９Ａについては、図１（ｂ）を参照されたい。
　第１導光体１Ａおよび第２導光体３０Ａを有するライトガイド１００ａは、観察される虚像の明るさのむらを抑制することができる。第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａに入射した光ビームは、それぞれの出射面に対して臨界角以上の角度で入射し、全反射を繰り返しながら、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａ内を伝搬する。したがって、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａ内を伝搬する光ビームの直径は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａの断面積に依存しない。すなわち、ライトガイド１００ａを用いて得られる虚像の明るさは、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａの断面における位置に依存しないので、上述の虚像の明るさのむらを抑制することができる。
　第１導光部２０Ａは、第１の方向（Ｙ方向）に長い棒状部分を有し、第２導光部３０Ａは、第１および第２の方向を含む平面Ｐ12（ＸＹ平面）に平行な平板状部分を有する。
　第１導光体１Ａは、第１受光面１２Ａを有するカップリング部１０Ａを有し、第１受光面１２Ａは、第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している。すなわち、第１受光面１２Ａの法線は、第１、第２および第３の方向のいずれの方向とも平行でない。カップリング部１０Ａと第１導光部２０Ａとは、一体に形成されてもよいし、カップリング部１０Ａと第１導光部２０Ａとを別々に作製した後、カップリング部１０Ａと第１導光部２０Ａとを互いに接着してもよい。後に詳述するように、カップリング部１０Ａを設けることによって、光の利用効率を高めることができる。なお、カップリング部１０Ａは、省略してもよい。
　ここでは、第１の方向をＹ方向、第２の方向をＸ方向、第３の方向をＺ方向とした例を示しているが、第２の方向を－Ｘ方向としてもよい。すなわち、カップリング部１０Ａを図１中の左側に設けてもよい。また、第１の方向を－Ｙ方向としてしてもよい。すなわち、カップリング部１０Ａを図１中の下側に設けてもよい。
　ＨＭＤ１００Ａの動作を説明する。
　表示パネル５０から出射された表示光は、コリメート光学系６０によってコリメートされ、コリメートされた光ビームは、第１導光体１Ａの第１受光面１２Ａに入射する。コリメート光学系６０は、表示パネル５０の各画素からの表示光をコリメートし、各画素の位置に応じた方向に、所定の直径を有する光ビームを出射する。表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射される表示光がコリメートされる方向を中心方向とすると、表示領域の端（上端、下端、左端および右端）の画素から出射される表示光がコリメートされる方向は中心方向と所定の角度をなす。コリメート光学系６０から出射される光ビームの直径は、コリメート光学系６０によって調整される。後述するように、カップリング部１０Ａのサイズを調整することによって、光ビームの直径を大きくすることができる。
　表示パネル５０とコリメート光学系６０は、公知のものを広く用いることができる。例えば、表示パネル５０として、透過型液晶表示パネルまたは有機ＥＬ表示パネルを用い、コリメート光学系６０として、例えば、特開２００４－１５７５２０号公報に記載のレンズ系を用いることができる。また、表示パネル５０として、反射型液晶表示パネル（ＬＣＯＳ）を用い、コリメート光学系６０として、例えば、特開２０１０－２８２２３１号公報に記載の凹面鏡やレンズ群を用いることができる。参考のために特開２００４－１５７５２０号公報および特開２０１０－２８２２３１号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。表示パネル５０の大きさは、例えば、対角約０．２インチ～約０．５インチである。
　第１導光体１Ａの第１導光部２０Ａは、例えば、プリズム領域２２Ａを有しており、プリズム領域２２Ａには、第１の方向（Ｙ方向）に傾斜した複数の第１斜面が形成されている。プリズム領域２２Ａは、いわゆる、プリズム面が形成されている領域である。なお、斜面が傾斜する方向とは、斜面に対する法線が傾いている方向を意味する。第１斜面は、第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビームを第２の方向（Ｘ方向）に反射するとともに、光ビームを第１の方向（Ｙ方向）に拡大する。なお、図１（ａ）中のプリズム領域２２Ａから第２導光部３０Ａに向く矢印は、表示パネル５０の異なる位置から出射された光（３種類）を模式的に示している。
　第２導光体（第２導光部）３０Ａは、例えば、プリズム領域３２Ａを有し、プリズム領域３２Ａには、第２の方向（Ｘ方向）に傾斜した複数の第２斜面が形成されている。第２導光部３０Ａが有するプリズム領域３２Ａは、例えば、図１（ｂ）に示すように、第２斜面３４ａが、第１の方向および第２の方向を含む面内（ＸＹ平面内）にマトリクス状に配列されており、市松模様状に開口部を有する反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａの開口部には、第２導光部３０Ａのプリズム面が露出されており、観察者は、第２導光部３０Ａを透過する光を見ることもできる（シースルータイプ）。開口部を有しない半反射層を形成してもよい。もちろん、シースルータイプでない場合には、開口部のない反射層を設けてもよい。
　第２斜面は、第２導光部３０Ａ内を伝搬する光ビームを第３の方向（Ｚ方向）に反射するとともに、光ビームを第２の方向（Ｘ方向）に拡大する。観察者（眼）は、第２導光体３０ＡのＺ方向にあり、第２導光体３０Ａから出射された光ビームによって形成される、表示パネル５０に表示された画像の虚像を見られる。このとき、観察者の眼に入る光ビームの直径は、第１導光部２０Ａと第２導光部３０Ａによって、第１の方向（Ｙ方向）および第２の方向（Ｘ方向）に拡大されているので、虚像を観察できる範囲が広い。
　次に、ライトガイド１００ａの個々の構成要素の構造と作用を詳細に説明する。
　図２（ａ）～（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。図２（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、図２（ｂ）は、表示領域の下端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、図２（ｃ）は、表示領域の上端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。光ビームは、コリメート光学系６０によってコリメートされた光ビームである。
　図２（ｂ）に示すように、表示領域の下端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中央の画素から出射された光がコリメートされた光の進行方向（以下、「中心方向」ということがある。図２（ａ）の光ビームの進行方向）と＋θｙの角度をなす。また、図２（ｃ）に示すように、表示領域の上端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と－θｙの角度をなす。
　第１導光部２０Ａに入射した光ビームは、第１導光部２０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＡにＹ方向に配列された複数の第１斜面２４でＸ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ａから第１導光部２０Ａを出射する。このとき、光ビームはＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層２６が形成されている。反射層２６は、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層２６を設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。
　なお、第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａと第２導光部３０Ａの第２受光面３１Ａとの間には空気（または、低屈折率媒体：第１導光部２０Ａよりも屈折率が低い媒体）が存在しており、第１導光部２０Ａを伝搬する光ビームは、第１出射面２９Ａの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の上下方向（Ｙ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第１導光部２０Ａの臨界角によってのみ制限される。
　また、各画素から出射された光ビームが一様に第１斜面２４に到達するように、第１導光部２０Ａを構成することができる。例えば、図２（ａ）～（ｃ）に模式的に示したように、第１斜面２４の密度を第１受光面１２Ａから遠ざかるほど大きくすることによって、第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームの直径をＹ方向に一様に拡大することができる。
　すなわち、上述の構造を有する第１導光体１Ａを用いることによって、下記の利点がさらに得られる。
　（１）第１導光体１Ａを大きくすることなく、コリメート光学系６０でコリメートする光ビームの直径を大きくできるので、光の利用効率を向上させることができる。
　（２）第１導光部２０Ａを出射する光ビームの直径は、第１導光部２０Ａの断面積に依存しないので、特許文献１の構成を採用する場合に比べて、断面積の小さい第１導光部２０Ａを用いることができる。すなわち、第１導光体１Ａを小型化することができる。
　（３）虚像の画角（画面サイズ）は、光ビームの角度差で決まり、光ビームの角度差は、第１導光部２０Ａの臨界角に基づいて決められるので、第１導光部２０Ａの断面積を大きくすることなく、虚像の画角（画面サイズ）をＹ方向に大きくすることができる。
　なお、Ｙ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(Y)とすると、第１導光部２０Ａの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
　　θ0(Y)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０－θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
　次に、図３（ａ）～（ｃ）を参照する。図３（ａ）～（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。図３（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示し、図３（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示し、図３（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示している。光ビームは、コリメート光学系６０によってコリメートされた光ビームである。
　図３（ｂ）に示すように、表示領域の右端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向（図３（ａ）の光ビームの進行方向）と－θｘの角度をなす。また、図３（ｃ）に示すように、表示領域の左端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と＋θｘの角度をなす。
　第１導光部２０Ａに入射した光ビームは、第１導光部２０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＡにＹ方向に配列された複数の第１斜面２４でＸ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ａから第１導光部２０Ａを出射する。このとき、光ビームの径はＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘ）は保持される。
　第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａから出射された光ビームは、第２導光体（第２導光部）３０Ａの第２受光面３１Ａに入射する。第２導光部３０Ａに入射した光ビームは、第２導光部３０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域３２ＡにＸ方向に配列された複数の第２斜面３４ａでＺ方向に反射されて、第２斜面３４ａが形成されている面（プリズム面）に対向する第２出射面３９Ａから第２導光部３０Ａを出射する。このとき、光ビームはＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙおよび上記±θｘ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａは、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層３６ａを設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。さらに、反射層３６ａ上にオプショナルな透明樹脂層３８が形成されている。反射層３６ａが開口部を有する場合、第２導体部３０Ａと屈折率が同じまたは十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。
　第２導光部３０Ａの第２出射面３９Ａは空気（または、低屈折率媒体：第２導光部３０Ａよりも屈折率が低い媒体）に接しており、第２導光部３０Ａを伝搬する光ビームは、第２出射面３９Ａの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の左右方向（Ｘ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第２導光部３０Ａの臨界角によってのみ制限される。
　また、各画素から出射された光ビームが一様に第２斜面３４ａに到達するように、第２導光部３０Ａを構成することができる。例えば、図３（ａ）～（ｃ）に模式的に示したように、第２斜面３４ａの密度を第２受光面３１Ａから遠ざかるほど大きくすることによって、第２導光部３０Ａの第２出射面３９Ａから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームをＸ方向に一様に拡大することできる。
　すなわち、上述の構造を有する第２導光体３０Ａを用いることによって、第１導光体１Ａを用いることによって得られる上記の利点（１）～（３）と同様の利点が得られる。但し、上記（３）における虚像の画角は、Ｘ方向に拡大される。
　なお、Ｘ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(X)とすると、第２導光部３０Ａの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
　　θ0(X)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０－θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
　次に、図４（ａ）および（ｂ）および図５（ａ）～（ｃ）を参照して、ライトガイド１００ａの構造の例を詳細に説明する。図４（ａ）は、第１導光体１ＡをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図４（ｂ）は、第１導光部２０Ａのプリズム領域２２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。図５（ａ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの入射角を示す模式的な図であり、図５（ｂ）は、第２導光部３０Ａのプリズム領域３２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図であり、図５（ｃ）は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａにおける光ビームの光路を示す模式図である。
　まず、図４（ａ）および（ｂ）を参照する。第１導光部２０Ａは、Ｙ方向に延びた断面が長方形（ａ1×ｂ1）の棒状部分を有し、ＹＺ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｙ方向の長さがｃ1のプリズムがＹ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＸ方向に反射する第１斜面２４を有している。第１斜面２４は、Ｙ方向に傾斜しており、ＹＺ平面に対してα1（０°超４５°以下）の角度をなす。
　プリズムは、第１斜面２４と対をなす斜面（ＹＺ平面に対してβ1の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光を生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β1＞２・α1－θｙの関係を満足するように、β1を設定する。
　プリズム（第１斜面２４）の配列ピッチｐ1は、各画素からの光ビームが一様な強度で第１斜面２４に到達するように、第１受光面１２Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第１導光部２０Ａの厚さを、第１受光面１２Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第１斜面２４を有する第１導光部２０Ａを用いることが好ましい。
　図４（ａ）に示すように、カップリング部１０Ａの第１受光面１２Ａは、ＸＹ平面において、ＹＺ平面に対して２・α1の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ａに略垂直になるように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ａに入射する各画素から出射された光ビームは、ＸＹ平面において、第１導光部２０Ａのプリズム面（ＹＺ平面に平行）の法線（Ｘ軸）に対して、２・α1±θｙの角度をなし、第１導光部２０Ａの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する（図４（ｂ）参照）。第１導光部２０Ａを伝搬する光ビームの一部は第１斜面２４に入射し、Ｘ方向に反射されて第１導光部２０Ａの出射面（プリズム面に対向する面）から出射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｙ方向に拡大される。
　第１導光体１Ａは、例えば、透明樹脂を用いて、射出成型によって作製される。具体的な構成の例を以下に示す。
　画面上下方向（Ｙ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0（ｙ）＝±９度
　材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
　　　　　　θｙ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｙ））／ｎ）≒５．８９度
　　　　　　θｙは、第１受光面１２Ａに入射角θ0（ｙ）で入射した光ビームの屈折角
　　　　　　α1＝２６度
　　　　　　β1＝７５度
　第１導光部２０Ａの断面形状：ａ1（Ｘ方向）×ｂ1（Ｚ方向）＝２．０ｍｍ×１．０ｍｍ
　プリズムの幅：ｃ1＝０．１ｍｍ
　プリズムのピッチ：ｐ1＝０．８ｍｍ～０．１５ｍｍ
　必要に応じて、第１導光部２０Ａのプリズム面上に反射層２６を形成すればよい。反射層２６は、例えば、アルミニウムを蒸着することによって形成される。反射層２６の厚さは、例えば、数十～数百ｎｍである。
　なお、第１導光体１Ａの第１導光部２０Ａとカップリング部１０Ａとは一体に形成してもよいし、別々に形成し、接着剤を用いて貼り合わせてもよい。このとき、第１導光部２０Ａ、カップリング部１０Ａおよび接着剤の屈折率はできるだけ一致させることが好ましい。
　次に、図５（ａ）～（ｃ）を参照する。第２導光体３０Ａは、Ｘ軸方向に延びた断面が長方形（ａ2×ｂ2）の形状を有し、ＸＹ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｘ方向の長さがｃ2のプリズムがＸ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＺ方向に反射する第２斜面３４ａを有している。第２斜面３４ａは、Ｘ方向に傾斜しており、ＸＹ平面に対してα2（０°超４５°以下）の角度をなす。これと対になるβ2の角度をなす第２斜面を有する。
　プリズムは、第２斜面３４ａと対をなす斜面（ＸＹ平面に対してβ2の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光が生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β2＞２・α2－θｘの関係を満足するように、β2を設定する。迷光を生じると、観察者（眼）が見る虚像に悪影響を与える。
　プリズム（第２斜面３４ａ）の配列ピッチｐ2は、各画素からの光ビームが一様の強度で第２斜面３４ａに到達するように、第２受光面３１Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第２導光部３０Ａの厚さを、第２受光面３１Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第２斜面３４ａを有する第２導光部３０Ａを用いることが好ましい。
　図５（ａ）に示すように、カップリング部１０Ａの第１受光面１２Ａは、ＹＺ平面をＺ軸中心に（９０－２・α1）だけ回転したＹ’Ｚ平面において、ＸＹ平面に対して２・α2の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ａに略垂直で入射するように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ａに入射する各画素から出射された光ビームは、第１導光部２０Ａを伝搬する過程で第１斜面２４でＸ方向に反射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は維持され、ＸＺ平面で見ると、第１導光部２０ＡのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α2±θｘの角度をなす（図５（ｃ）参照）。同様に、第２導光体３０Ａに入射した各画素からの光ビームは、ＸＺ平面で見ると、第２導光部３０ＡのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α2±θｘの角度をなし、第２導光部３０Ａの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する。この過程でプリズムミラーの第２斜面３４ａに到達し、Ｚ方向に反射されて第２導光体３０Ａを第２出射面３９Ａから出射する。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｘ方向に拡大される。
　次に、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、第２導光体３０Ａ、開口部を有する反射層３６ａおよび透明樹脂層３８の製造方法の例を説明する。
　図６（ａ）に示すように、用意した第２導光体３０Ａに、例えば、市松模様状に配列された開口部７２ａを有するマスク７０を介して、Ａｌ（アルミニウム）を堆積する。このようにして、図１（ｂ）を参照して説明した、市松模様状に開口部を有する反射層３６ａが形成される。反射層３６ａの開口部には、第２斜面３４ａが露出されている。開口部を有する反射層３６ａを用いると、実像（外界）に重ねて虚像を観察することができるシースルータイプのＨＭＤを構成することができる。なお、第２導光体３０Ａは、第１導光体１Ａと同様に、例えば、透明樹脂を用いて、射出成型によって作製される。
　次に、図６（ｂ）に示すように、反射層３６ａ上に、例えば、紫外線硬化性樹脂を付与し、これに紫外線を照射することによって、表面が平坦化な透明樹脂層３８を形成する。第２導体部３０Ａと屈折率が同じ、または十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。透明樹脂層３８を形成する材料は、紫外線硬化性樹脂に限られず、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることもできる。
　第２導光体３０Ａの具体的な構成の例を以下に示す。
　画面左右方向（Ｘ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0ｘ＝±１６度
　材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
　　　　θｘ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｘ））／ｎ）≒１０．３８度
　　　　　θｘは、第１受光面１２Ａに入射角θ0（ｘ）で入射した光ビームの屈折角
　　　　　α2＝３４度
　　　　　β2＝４５度
　第２導光部３０Ａの断面形状：ａ2（Ｚ方向）×ｂ2（Ｙ方向）＝１．０ｍｍ×４０ｍｍ
　プリズムの幅：ｃ2＝０．１ｍｍ
　プリズムのピッチ：ｐ2＝０．８ｍｍ～０．３ｍｍ
　反射層３６ａ：Ａｌ（アルミニウム）層、厚さ数十～数百ｎｍ
　透明樹脂層３８：紫外線硬化性樹脂、厚さ数十～数百μｍ
　次に、図７（ａ）～（ｃ）を参照して、カップリング部１０Ａの具体的な構成の例を以下に説明する。図７（ａ）は、カップリング部１０Ａがない場合の第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビーム（中心方向）の光路を示す図であり、図７（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図であり、図７（ｃ）は、カップリング部１０Ａの形状を説明する図である。
　第１受光面１２Ａは所定の傾きを有するだけでなく、十分なサイズを有することが好ましい。第１受光面１２Ａのサイズが不十分な場合、第１導光部２０Ａおよび／または第２導光体３０Ａの内部を光ビームが伝搬する際、光ビームが存在しえない領域が存在し、結果的に、出射光が存在しえない領域が発生する（虚像が欠ける）ためである。図７（ａ）において、濃い影で示される領域が光ビームが存在しえない領域を表す。虚像の欠けが発生する位置は、眼の位置に依存する。
　第１受光面１２Ａに入射するコリメートされた光ビームの画面の上下方向の差±θｙ、および画面の左右方向の差±θｘを考慮し、これらの光ビームが第１導光部２０Ａ、および第２導光部３０Ａの内部で一様に存在し得るように、第１受光面１２Ａのサイズを設定する。第１受光面１２Ａのサイズは、作図によって求めることができる。
　上述した第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａのサイズの場合、図７（ｃ）に示すように、ｄ1≒６．４ｍｍ、ｄ2≒３．９ｍｍ、ｄ3≒５．７ｍｍ、ｄ4≒３．９ｍｍの台形とする。これは、第１導光部２０Ａの断面サイズａ1に対応して、ｄ1およびｄ3をａ1の２倍以上、概ね３倍とし、第２導光部３０Ａの断面サイズａ2に対応して、ｄ2およびｄ4をａ2の２倍以上、概ね４倍とした例である。このように、ｄ1およびｄ3をａ1の２倍以上とし、ｄ2およびｄ4をａ2の２倍以上とすれば、上述の問題の発生を抑制し、欠けのない虚像を形成することができる。
　図８～図１６を参照して、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの構造と機能を説明する。先のＨＭＤ１００Ａの構成要素と実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、説明を省略することがある。
　図８（ａ）は、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの模式的な斜視図であり、図８（ｂ）は、ライトガイド１００ｂの第２導光体（第２導光部）３０Ｂが有するプリズム領域３２Ｂの模式的な拡大図である。
　図８（ａ）に示すように、ＨＭＤ１００Ｂは、ライトガイド１００ｂと、表示パネル５０と、表示パネル５０から出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系６０とを有し、ライトガイド１００ｂは、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームを所定の面で受光するように配置されている。
　ライトガイド１００ｂは、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面１２Ｂと、第１受光面１２Ｂから入射した光ビームを第１の方向（Ｘ方向）に伝搬させる第１導光部２０Ｂと、第１導光部２０Ｂ内を伝搬する光ビームを第１の方向と交差する第２の方向（Ｙ方向）に向けて出射させる第１出射面２９Ｂとを有する第１導光体１Ｂと、第１出射面２９Ｂから出射された光ビームを受ける第２受光面３１Ｂと、第２受光面３１Ｂから入射した光ビームを第２の方向（Ｙ方向）に伝搬させる第２導光部３０Ｂと、第２導光部３０Ｂ内を伝搬する光ビームを第１および第２の方向と交差する第３の方向（Ｚ方向）に向けて出射する第２出射面３９Ｂとを有する第２導光体３０Ｂとを備える。なお、第２導光部と第２導光体とには、同じ参照符号３０Ｂを付す。第１出射面２９Ｂ、第２受光面３１Ｂについては、図９（ａ）～（ｃ）を、第２出射面３９Ｂについては、図８（ｂ）を参照されたい。
　第１導光体１Ｂおよび第２導光体３０Ｂを有するライトガイド１００ｂは、観察される虚像の明るさのむらを抑制することができる。第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂに入射した光ビームは、それぞれの出射面に対して臨界角以上の角度で入射し、全反射を繰り返しながら、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂ内を伝搬する。したがって、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂ内を伝搬する光ビームの直径は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂの断面積に依存しない。すなわち、ライトガイド１００ｂを用いて得られる虚像の明るさは、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂの断面における位置に依存しないので、上述の虚像の明るさのむらを抑制することができる。
　第１導光部２０Ｂは、第１の方向（Ｘ方向）に長い棒状部分を有し、第２導光部３０Ｂは、第１および第２の方向を含む平面Ｐ12（ＸＹ平面）に平行な平板状部分を有する。
　第１導光体１Ｂは、第１受光面１２Ｂを有するカップリング部１０Ｂを有し、第１受光面１２Ｂは、第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している。すなわち、第１受光面１２Ｂの法線は、第１、第２および第３の方向のいずれの方向とも平行でない。カップリング部１０Ｂと第１導光部２０Ｂとは、一体に形成されてもよいし、カップリング部１０Ｂと第１導光部２０Ｂとを別々に作製した後、カップリング部１０Ｂと第１導光部２０Ｂとを互いに接着してもよい。上述したように、カップリング部１０Ｂを設けることによって、光の利用効率を高めることができる。なお、カップリング部１０Ｂは、省略してもよい。
　ここでは、第１の方向をＸ方向、第２の方向をＹ方向、第３の方向をＺ方向とした例を示しているが、第１の方向を－Ｘ方向としてもよい。すなわち、カップリング部１０Ｂを図８（ａ）中の左側に設けてもよい。また、第２の方向を－Ｙ方向としてもよい。すなわち、カップリング部１０Ｂを図１（ａ）中の下側に設けてもよい。
　ＨＭＤ１００Ｂは、第１導光体１ＢがＸ方向（または－Ｘ方向）に光ビームを伝搬させ、第２導光体３０ＢがＹ方向（または－Ｙ方向）に光ビームを伝搬させるように構成されており、上述のＨＭＤ１００Ａが、第１導光体１ＡがＹ方向（または－Ｙ方向）に光ビームを伝搬させ、第２導光体３０ＡがＸ方向（または－Ｘ方向）に光ビームを伝搬させるように構成されている点と異なる。
　ＨＭＤ１００Ｂの動作を説明する。
　表示パネル５０から出射された表示光は、コリメート光学系６０によってコリメートされ、コリメートされた光ビームは、第１導光体１Ｂの第１受光面１２Ｂに入射する。コリメート光学系６０は、表示パネル５０の各画素からの表示光をコリメートし、各画素の位置に応じた方向に、所定の直径を有する光ビームを出射する。表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射される表示光がコリメートされる方向を中心方向とすると、表示領域の端（上端、下端、左端および右端）の画素から出射される表示光がコリメートされる方向は中心方向と所定の角度をなす。コリメート光学系６０から出射される光ビームの直径は、コリメート光学系６０によって調整される。カップリング部１０Ａのサイズを調整することによって、光ビームの直径を大きくすることができる。
　表示パネル５０とコリメート光学系６０は、ＨＭＤ１００Ａについて上述したように、公知のものを広く用いることができる。
　第１導光体１Ｂの第１導光部２０Ｂは、例えば、プリズム領域２２Ｂを有しており、プリズム領域２２Ｂには、第１の方向（Ｘ方向）に傾斜した複数の第１斜面が形成されている。プリズム領域２２Ｂは、いわゆる、プリズム面が形成されている領域である。なお、斜面が傾斜する方向とは、斜面に対する法線が傾いている方向を意味する。第１斜面は、第１導光部２０Ｂ内を伝搬する光ビームを第２の方向（Ｙ方向）に反射するとともに、光ビームを第１の方向（Ｘ方向）に拡大する。なお、図８（ａ）中のプリズム領域３２Ａから第２導光部３０Ｂに向く矢印は、表示パネル５０の異なる位置から出射された光（３種類）を模式的に示している。
　第２導光体（第２導光部）３０Ｂは、例えば、プリズム領域３２Ｂを有し、プリズム領域３２Ｂには、第２の方向（Ｙ方向）に傾斜した複数の第２斜面が形成されている。第２導光部３０Ｂが有するプリズム領域３２Ａは、例えば、図８（ｂ）に示すように、第２斜面３４ａが、第１の方向および第２の方向を含む面内（ＸＹ平面内）にマトリクス状に配列されており、市松模様状に開口部を有する反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａの開口部には、第２導光部３０Ｂのプリズム面が露出されており、観察者は、第２導光部３０Ｂを透過する光を見ることもできる（シースルータイプ）。開口部を有しない半反射層を形成してもよい。もちろん、シースルータイプでない場合には、開口部のない反射層を設けてもよい。
　第２斜面は、第２導光部３０Ｂ内を伝搬する光ビームを第３の方向（Ｚ方向）に反射するとともに、光ビームを第２の方向（Ｙ方向）に拡大する。観察者（眼）は、第２導光体３０ＢのＺ方向にあり、第２導光体３０Ｂから出射された光ビームによって形成される、表示パネル５０に表示された画像の虚像を見られる。このとき、観察者の眼に入る光ビームの直径は、第１導光部２０Ｂと第２導光部３０Ｂによって、第１の方向（Ｘ方向）および第２の方向（Ｙ方向）に拡大されているので、虚像を観察できる範囲が広い。
　次に、ライトガイド１００ｂの個々の構成要素の構造と作用を詳細に説明する。
　図９（ａ）～（ｃ）は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図９（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、図９（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、図９（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。光ビームは、コリメート光学系６０によってコリメートされた光ビームである。
　図９（ｂ）に示すように、表示領域の右端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中央の画素から出射された光がコリメートされた光の進行方向（中心方向、図９（ａ）の光ビームの進行方向）と－θｘの角度をなす。また、図９（ｃ）に示すように、表示領域の右端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と－θｘの角度をなす。
　第１導光部２０Ｂに入射した光ビームは、第１導光部２０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＢにＸ方向に配列された複数の第１斜面２４でＸ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ｂから第１導光部２０Ｂを出射する。このとき、光ビームはＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層２６が形成されている。反射層２６は、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層２６を設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。
　なお、第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂと第２導光部３０Ｂの第２受光面３１Ａとの間には空気（または、低屈折率媒体：第１導光部２０Ｂよりも屈折率が低い媒体）が存在しており、第１導光部２０Ｂを伝搬する光ビームは、第１出射面２９Ｂの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の左右方向（Ｘ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第１導光部２０Ｂの臨界角によってのみ制限される。
　また、各画素から出射された光ビームが一様に第１斜面２４に到達するように、第１導光部２０Ｂを構成することができる。例えば、図９（ａ）～（ｃ）に模式的に示したように、第１斜面２４の密度を第１受光面１２Ｂから遠ざかるほど大きくすることによって、第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームの直径をＸ方向に一様に拡大することできる。
　すなわち、上述の構造を有する第１導光体１Ｂを用いることによって、下記の利点が得られる。
　（１）第１導光体１Ｂを大きくすることなく、コリメート光学系６０でコリメートする光ビームの直径を大きくできるので、光の利用効率を向上させることができる。
　（２）第１導光部２０Ｂを出射する光ビームの直径は、第１導光部２０Ｂの断面積に依存しないので、特許文献１の構成を採用する場合に比べて、断面積の小さい第１導光部２０Ｂを用いることできる。すなわち、第１導光体１Ｂを小型化することができる。
　（３）虚像の画角（画面サイズ）は、光ビームの角度差で決まり、光ビームの角度差は、第１導光部２０Ｂの臨界角に基づいて決められるので、第１導光部２０Ｂの断面積を大きくすることなく、虚像の画角（画面サイズ）をＸ方向に大きくすることができる。
　なお、Ｘ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(X)とすると、第１導光部２０Ｂの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
　　θ0(X)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０－θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
　次に、図１０～図１２を参照する。図１０（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１０（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示す。図１１（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１１（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の下端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示す。図１２（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１２（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の上端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示す。
　図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、表示領域の下端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向（図１０（ａ）、（ｂ）の光ビームの進行方向）と－θｙの角度をなす。また、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、表示領域の上端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と＋θｙの角度をなす。
　第１導光部２０Ｂに入射した光ビームは、第１導光部２０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＢにＸ方向に配列された複数の第１斜面２４でＹ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ｂから第１導光部２０Ｂを出射する。このとき、光ビームの径はＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙ）は保持される。
　第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂから出射された光ビームは、第２導光体（第２導光部）３０Ｂの第２受光面３１Ｂに入射する。第２導光部３０Ｂに入射した光ビームは、第２導光部３０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域３２ＢにＹ方向に配列された複数の第２斜面３４ａでＺ方向に反射されて、第２斜面３４ａが形成されている面（プリズム面）に対向する第２出射面３９Ｂから第２導光部３０Ｂを出射する。このとき、光ビームはＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘおよび上記±θｙ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａは、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層３６ａを設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。さらに、反射層３６ａ上にオプショナルな透明樹脂層３８が形成されている。反射層３６ａが開口部を有する場合、第２導体部３０Ａと屈折率が同じまたは十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。
　第２導光部３０Ｂの第２出射面３９Ｂは空気（または、低屈折率媒体：第２導光部３０Ｂよりも屈折率が低い媒体）に接しており、第２導光部３０Ｂを伝搬する光ビームは、第２出射面３９Ｂの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の上下方向（Ｙ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第２導光部３０Ｂの臨界角によってのみ制限される。
　また、各画素から出射された光ビームが一様に第２斜面３４ａに到達するように、第２導光部３０Ｂを構成することができる。例えば、図１０～図１２に模式的に示したように、第２斜面３４ａの密度を第２受光面３１Ｂから遠ざかるほど大きくすることによって、第２導光部３０Ｂの第２出射面３９Ｂから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームをＹ方向に一様に拡大することができる。
　すなわち、上述の構造を有する第２導光体３０Ｂを用いることによって、第１導光体１Ｂを用いることによって得られる上記の利点（１）～（３）と同様の利点が得られる。但し、上記（３）における虚像の画角は、Ｙ方向に拡大される。
　なお、Ｙ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(Y)とすると、第２導光部３０Ｂの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
　　θ0(Y)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０－θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
　次に、図１３～図１５を参照して、ライトガイド１００ａの構造の例を詳細に説明する。図１３（ａ）は、第１導光体１ＢをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１３（ｂ）は、第１導光部２０Ｂのプリズム領域２２Ｂにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。図１４は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。図１５（ａ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、図１５（ｂ）は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂにおける光ビームの光路を示す模式図である。
　まず、図１３（ａ）および（ｂ）を参照する。第１導光部２０Ｂは、Ｘ方向に延びた断面が長方形（ａ21×ｂ21）の棒状部分を有し、ＸＺ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｘ方向の長さがｃ21のプリズムがＸ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＹ方向に反射する第１斜面２４を有している。第１斜面２４は、Ｘ方向に傾斜しており、ＸＺ平面に対してα21（０°超４５°以下）の角度をなす。
　プリズムは、第１斜面２４と対をなす斜面（ＸＺ平面に対してβ21の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光を生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β21＞２・α21－θｘの関係を満足するように、β21を設定する。
　プリズム（第１斜面２４）の配列ピッチｐ21は、各画素からの光ビームが一様な強度で第１斜面２４に到達するように、第１受光面１２Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第１導光部２０Ｂの厚さを、第１受光面１２Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第１斜面２４を有する第１導光部２０Ｂを用いることが好ましい。
　図１３（ａ）に示すように、カップリング部１０Ｂの第１受光面１２Ｂは、ＸＹ平面において、ＸＺ平面に対して２・α21の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ｂに略垂直になるように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ｂに入射する各画素から出射された光ビームは、ＸＹ平面において、第１導光部２０Ｂのプリズム面（ＸＺ平面に平行）の法線（Ｙ軸）に対して、２・α21±θｘの角度をなし、第１導光部２０Ｂの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する（図１３（ｂ）参照）。第１導光部２０Ｂを伝搬する光ビームの一部は第１斜面２４に入射し、Ｘ方向に反射されて第１導光部２０Ｂの出射面（プリズム面に対向する面）から出射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｘ方向に拡大される。
　第１導光体１Ｂは、例えば、透明樹脂を用いて、射出成型によって作製される。具体的な構成の例を以下に示す。
　画面左右方向（Ｘ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0（ｘ）＝±１６度
　材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
　　　　　　θｘ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｘ））／ｎ）≒１０．３８度
　　　　　　θｘは、第１受光面１２Ｂに入射角θ0（ｘ）で入射した光ビームの屈折角
　　　　　　α21＝２８度
　　　　　　β21＝７５度
　第１導光部２０Ｂの断面形状：ａ21（Ｙ方向）×ｂ21（Ｚ方向）＝２．０ｍｍ×１．０ｍｍ
　プリズムの幅：ｃ21＝０．１ｍｍ
　プリズムのピッチ：ｐ21＝０．８ｍｍ～０．１５ｍｍ
　必要に応じて、第１導光部２０Ｂのプリズム面上に反射層２６を形成すればよい。反射層２６は、例えば、アルミニウムを蒸着することによって形成される。反射層２６の厚さは、例えば、数十～数百ｎｍである。
　なお、第１導光体１Ｂの第１導光部２０Ｂとカップリング部１０Ｂとは一体に形成してもよいし、別々に形成し、接着剤を用いて貼り合わせてもよい。このとき、第１導光部２０Ｂ、カップリング部１０Ｂおよび接着剤の屈折率はできるだけ一致させることが好ましい。
　次に、図１４および図１５（ａ）、（ｂ）を参照する。
　第２導光体３０Ａは、Ｘ軸方向に延びた断面が長方形（ａ2×ｂ2）の形状を有し、ＸＹ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｘ方向の長さがｃ2のプリズムがＸ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＺ方向に反射する第２斜面３４ａを有している。第２斜面３４ａは、Ｘ方向に傾斜しており、ＸＹ平面に対してα22（０°超４５°以下）の角度をなす。これと対になるβ22の角度をなす第２斜面を有する。
　プリズムは、第２斜面３４ａと対をなす斜面（ＸＹ平面に対してβ22の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光が生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β22＞２・α22－θｘの関係を満足するように、β22を設定する。迷光を生じると、観察者（眼）が見る虚像に悪影響を与える。
　プリズム（第２斜面３４ａ）の配列ピッチｐ2は、各画素からの光ビームが一様の強度で第２斜面３４ａに到達するように、第２受光面３１Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第２導光部３０Ａの厚さを、第２受光面３１Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第２斜面３４ａを有する第２導光部３０Ａを用いることが好ましい。
　図１４に示すように、カップリング部１０Ｂの第１受光面１２Ｂは、ＸＺ平面をＺ軸中心に（９０－２・α22）だけ回転したＸ’Ｚ平面において、ＸＹ平面に対して２・α22の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ｂに略垂直で入射するように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ｂに入射する各画素から出射された光ビームは、第１導光部２０Ｂを伝搬する過程で第１斜面２４でＹ方向に反射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は維持され、ＹＺ平面で見ると、第１導光部２０ＢのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α22±θｙの角度をなす（図１５（ｂ）参照）。同様に、第２導光体３０Ｂに入射した各画素からの光ビームは、ＹＺ平面で見ると、第２導光部３０ＢのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α22±θｙの角度をなし、第２導光部３０Ｂの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する。この過程でプリズムミラーの第２斜面３４ａに到達し、Ｚ方向に反射されて第２導光体３０Ｂを第２出射面３９Ｂから出射する。このと、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｙ方向に拡大される。
　第２導光体３０Ｂの具体的な構成の例を以下に示す。
　画面上下方向（Ｙ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0（ｙ）＝±９度
　材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
　　　　θｙ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｙ））／ｎ）≒５．８９度
　　　　　θｙは、第１受光面１２Ｂに入射角θ0（ｙ）で入射した光ビームの屈折角
　　　　　α22＝３３度
　　　　　β22＝４５度
　第２導光部３０Ａの断面形状：ａ2s（Ｚ方向）×ｂ22（Ｘ方向）＝１．０ｍｍ×５０ｍｍ
　プリズムの幅：ｃ22＝０．１ｍｍ
　プリズムのピッチ：ｐ22＝０．８ｍｍ～０．３ｍｍ
　反射層３６ａ：Ａｌ（アルミニウム）層、厚さ数十～数百ｎｍ
　透明樹脂層３８：紫外線硬化性樹脂、厚さ数十～数百μｍ
　次に、図１６（ａ）および（ｂ）を参照して、カップリング部１０Ｂの具体的な構成の例を以下に説明する。図１６（ａ）は、カップリング部１０Ｂに入射した光ビーム（中心方向および左右方向）の光路を示す図であり、図１６（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図である。
　第１受光面１２Ｂは所定の傾きを有するだけでなく、十分なサイズを有することが好ましい。図７（ａ）を参照して説明したように、第１受光面１２Ｂのサイズが不十分な場合、第１導光部２０Ｂおよび／または第２導光体３０Ｂの内部を光ビームが伝搬する際、光ビームが存在しえない領域が存在し、結果的に、出射光が存在しえない領域が発生する（虚像が欠ける）ためである。
　第１受光面１２Ｂに入射するコリメートされた光ビームの画面の上下方向の差±θｙ、および画面の左右方向の差±θｘを考慮し、これらの光ビームが第１導光部２０Ｂ、および第２導光部３０Ｂの内部で一様に存在し得るように、第１受光面１２Ｂのサイズを設定する。第１受光面１２Ｂのサイズは、作図によって求めることができる。
　上述した第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂのサイズの場合、図１６（ｂ）に示すように、ｄ21≒５．６ｍｍ、ｄ22≒３．４ｍｍ、ｄ23≒４．４ｍｍ、ｄ24≒３．４ｍｍの台形とする。これは、第１導光部２０Ｂの断面サイズａ21に対応して、ｄ21およびｄ23をａ21の２倍以上、概ね３倍とし、第２導光部３０Ｂの断面サイズａ22に対応して、ｄ22およびｄ24をａ22の２倍以上、概ね４倍とした例である。このように、ｄ21およびｄ23をａ21の２倍以上とし、ｄ22およびｄ24をａ22の２倍以上とすれば、上述の問題の発生を抑制し、欠けのない虚像を形成することができる。
　次に、図１７（ａ）～（ｃ）を参照する。図１７（ａ）および（ｂ）は、コリメート光学系６０による収差を説明するための図であり、図１７（ａ）は左右方向の収差を、図１７（ｂ）は上下方向の収差をそれぞれ示し、図１７（ｃ）は、虚像５０’におけるボケの様子を示す図である。
　一般に、コリメート光学系６０には収差があり、コリメート光学系６０の光軸上に配置された表示パネル５０の画面中央から出射された表示光は、コリメートされ、比較的精度のよい（平行度が高い）光ビームとなるが、画面中央から離れるにつれて、光ビームの平行度が低下する。言い換えると、コリメートされた光ビームのなかに、所定の画素に隣接する画素から出射された表示光が混入する。したがって、光ビームの平行度低下は、最終的に観察される虚像のぼけとなる（図１７（ｃ）の虚像５０’中のボケを参照）。
　また、表示パネル５０は横長（アスペクト比４：３または１６：９など）であることが多いため、表示領域の中央の上下端、中央左右端の順に平行度が低下し、表示領域の４隅で最も平行度が低い。
　図１７（ａ）～（ｃ）にコリメート光学系６０の一般的な収差の様子の一例を図示する。この例は、光軸上の画面中央から離れるにしたがって、所定の画素からの平行光に、同心円方向に隣接する画素の表示光が多く混入し、同心円に垂直方向に隣接する画素の表示光の混入が比較的少ない場合である。ここで、所定の画素からの平行光に混入する隣接画素からの表示光はコリメート光学系６０の外周部を通過する。
　したがって、コリメート光学系６０にこのような収差がある場合、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光が虚像の画面隅、および左右端で大きなぼけを引き起こす。逆に、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光を第１導光部２０Ａに入射させなければ虚像のぼけを低減できる。
　図１８（ａ）および（ｂ）を参照して、表示パネル５０およびコリメート光学系６０と、第１受光面１２Ａまたは１２Ｂとの配置関係を説明する。
　ＨＭＤ１００Ａにおいては、図１８（ａ）に示すように、カップリング部１０Ａの第１受光面１２Ａは、表示パネル５０の左右方向に短く、上下方向に長い。したがって、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光を受けて、虚像の画面隅および左右端で大きなぼけが発生しやすい。
　これに対し、ＨＭＤ１００Ｂにおいては、図１８（ｂ）に示すように、カップリング部１０Ｂの第１受光面１２Ｂは、表示パネル５０の左右方向に長く、上下方向に短い。したがって、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光を受けず、虚像の画面隅、および左右端でぼけを抑制することができる。
　したがって、図１７に例示したような収差を持つコリメート光学系６０では、ＨＭＤ１００Ｂのように、第１受光面１２Ｂを配置することが好ましい。
　なお、コリメート光学系６０の収差は様々な特性を持ちえるので、その特性に応じて、ＨＭＤ１００ＡまたはＨＭＤ１００Ｂの構成を適宜選択すればよい。
　図１９に、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｃの模式的な斜視図を示す。上述のＨＭＤ１００Ａおよび１００Ｂは、単眼（片目）で虚像を見られる構成であるのに対し、ＨＭＤ１００Ｃは、両眼で虚像をみることができる構成を有している。
　ＨＭＤ１００Ｃは、唯一の第１導光体１Ｃに対して、第１の方向（Ｘ方向）に並列に配列された２つの第２導光体３０Ｂを有している。第１導光体１Ｃは、第１導光体１Ｂと類似の構成を有しており、２つの第１導光部２０Ｂを連結する連結導光部２０ｃを有している点で、第１導光体１Ｂと異なる。２つの第１導光部２０Ｂの間の距離（連結導光部２０ｃの長さ）は、両眼の間隔に合わせて調整され得る。このような構成を作用すると、片目ずつＨＭＤ１００ＡまたはＨＭＤ１００Ｂを用意するよりも、部品点数を削減できる。もちろん、第１導光体１Ｃは、２つの第１導光部２０Ｂと連結導光部２０ｃとを一体に形成したものを用いることもできる。
　本明細書は、以下の項目に記載のライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイを開示している。
［項目１］
　コリメートされた光ビームを受ける第１受光面と、前記第１受光面から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部と、前記第１導光部内を伝搬する光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面とを有する第１導光体と、
　前記第１出射面から出射された光ビームを受ける第２受光面と、前記第２受光面から入射した光ビームを前記第２の方向に伝搬させる第２導光部と、前記第２導光部内を伝搬する光ビームを前記第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面とを有する第２導光体と
を備える、ライトガイド。
　項目１のライトガイドは、観察される虚像の明るさのむらを抑制することができる。
［項目２］
　前記第１導光体は、前記第１受光面を有するカップリング部を有し、
　前記第１受光面は、前記第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している、項目１に記載のライトガイド。
　項目２のライトガイドは、光の利用効率を効果的に高めることができる。
［項目３］
　前記第１導光体は、前記第１の方向に傾斜した複数の第１斜面を有し、
　前記複数の第１斜面は、前記第１導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第２の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第１の方向に拡大する、項目１または２に記載のライトガイド。
　項目３のライトガイドを用いると、虚像を観察できる範囲（視野角）が第１の方向に拡大される。
［項目４］
　前記第２導光体は、前記第２の方向に傾斜した複数の第２斜面を有し、
　前記複数の第２斜面は、前記第２導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第３の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第２の方向に拡大する、項目３に記載のライトガイド。
　項目４のライトガイドを用いると、虚像を観察できる範囲（視野角）が第２の方向にも拡大される。
［項目５］
　前記複数の第１斜面は、前記第１および第３の方向を含む平面Ｐ13に対して、角α1をなし、前記複数の第２斜面は、前記第１および第２の方向を含む平面Ｐ12に対して、角α2をなし、前記角α1および角α2は、それぞれ独立に４５°以下である、項目４に記載のライトガイド。
　項目５のライトガイドを用いると、表示品位の高い虚像を得ることができる。
［項目６］
　前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ23に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ23を前記第３の方向を中心に（９０－２・α1）度だけ回転した平面Ｐ’23において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす、項目５に記載のライトガイド。
　項目６のライトガイドを用いると、効率よく光ビームを第１導光部に導くことができる。
［項目７］
　前記第１受光面は、前記第１導光部の平面Ｐ23に平行な断面の前記第２の方向の長さの２倍以上の長さの辺と、前記第１導光部の平面Ｐ13に平行な断面の前記第３の方向の長さの２倍以上の長さの辺とを有する、項目５または６に記載のライトガイド。
　項目７のライトガイドを用いると、欠けのない虚像を形成することができる。
［項目８］
　前記第１導光部は、前記第１の方向に長い棒状部分を有し、前記第２導光部は、前記第１および第２の方向を含む平面に平行な平板状部分を有する、項目１から７のいずれかに記載のライトガイド。
　項目８のライトガイドは、ＨＭＤに好適に用いられる形状を備えている。
［項目９］
　唯一の前記第１導光体に対して、前記第１の方向に並列に配列された２つの前記第２導光体を有する、項目１から８のいずれかに記載のライトガイド。
　項目９のライトガイドは、両眼で虚像をみることができるＨＭＤに用いられる。
［項目１０］
　表示パネルと、
　前記表示パネルから出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系と、
　項目１から９のいずれかに記載のライトガイドと
を有し、
　前記ライトガイドは、前記第１受光面が前記コリメート光学系でコリメートされた前記光ビームを受光するように配置されている、ヘッドマウントディスプレイ。
　項目１０のＨＭＤは、明るさのむらが抑制された虚像を観察することができる。
　本発明によるライトガイドは、ＨＭＤ、ＨＵＤや他の虚像ディスプレイ等に用いることができる。
　１Ａ　　　第１導光体
　１２Ａ　　第１受光面
　２０Ａ　　第１導光部
　２９Ａ　　第１出射面
　３０Ａ　　第２導光部（第２導光体）
　３１Ａ　　第２受光面
　３９Ａ　　第２出射面
　１００ａ　ライトガイド
　１００Ａ　ＨＭＤ

Claims (10)

  1. 　コリメートされた光ビームを受ける第１受光面と、前記第１受光面から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部と、前記第１導光部内を伝搬する光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面とを有する第１導光体と、
    　前記第１出射面から出射された光ビームを受ける第２受光面と、前記第２受光面から入射した光ビームを前記第２の方向に伝搬させる第２導光部と、前記第２導光部内を伝搬する光ビームを前記第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面とを有する第２導光体と
    を備える、ライトガイド。
  2. 　前記第１導光体は、前記第１受光面を有するカップリング部を有し、
    　前記第１受光面は、前記第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している、請求項１に記載のライトガイド。
  3. 　前記第１導光体は、前記第１の方向に傾斜した複数の第１斜面を有し、
    　前記複数の第１斜面は、前記第１導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第２の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第１の方向に拡大する、請求項１または２に記載のライトガイド。
  4. 　前記第２導光体は、前記第２の方向に傾斜した複数の第２斜面を有し、
    　前記複数の第２斜面は、前記第２導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第３の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第２の方向に拡大する、請求項３に記載のライトガイド。
  5. 　前記複数の第１斜面は、前記第１および第３の方向を含む平面Ｐ13に対して、角α1をなし、前記複数の第２斜面は、前記第１および第２の方向を含む平面Ｐ12に対して、角α2をなし、前記角α1および角α2は、それぞれ独立に４５°以下である、請求項４に記載のライトガイド。
  6. 　前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ23に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ23を前記第３の方向を中心に（９０－２・α1）度だけ回転した平面Ｐ’23において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす、請求項５に記載のライトガイド。
  7. 　前記第１受光面は、前記第１導光部の平面Ｐ23に平行な断面の前記第２の方向の長さの２倍以上の長さの辺と、前記第１導光部の平面Ｐ13に平行な断面の前記第３の方向の長さの２倍以上の長さの辺とを有する、請求項５または６に記載のライトガイド。
  8. 　前記第１導光部は、前記第１の方向に長い棒状部分を有し、前記第２導光部は、前記第１および第２の方向を含む平面に平行な平板状部分を有する、請求項１から７のいずれかに記載のライトガイド。
  9. 　唯一の前記第１導光体に対して、前記第１の方向に並列に配列された２つの前記第２導光体を有する、請求項１から８のいずれかに記載のライトガイド。
  10. 　表示パネルと、
    　前記表示パネルから出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系と、
    　請求項１から９のいずれかに記載のライトガイドと
    を有し、
    　前記ライトガイドは、前記第１受光面が前記コリメート光学系でコリメートされた前記光ビームを受光するように配置されている、ヘッドマウントディスプレイ。
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