WO2015111420A1 - 表示装置 - Google Patents

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WO2015111420A1
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light
optical system
image
plane
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智史 渡部
稔明 鈴木
敢人 宮崎
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a display device that projects an image by enlarging an exit pupil.
  • Various display devices are known as projection-type displays for displaying projected images.
  • a display device has been proposed in which two optical elements that enlarge a pupil in any one direction are arranged so as to be orthogonal to each other, and the pupil is enlarged two-dimensionally (see Patent Document 1).
  • an object of the present invention which has been made in view of the above problems, is to provide a display device that can reduce the influence of changes in brightness of an image, luminance unevenness and color unevenness in the image.
  • a display device includes: A video projection optical system that projects image light corresponding to an arbitrary image to infinity; An x direction perpendicular to the direction of the optical axis of the video projection optical system, which is a plate having two opposing surfaces and repeats reflection inside the two surfaces of the image light projected from the video projection optical system A first propagation optical system for propagating a part of the image light in a direction substantially perpendicular to one of the two surfaces;
  • the image is provided with a second input deflection unit that deflects the image light deflected by the first propagation optical system, has a plate-like shape having two opposed surfaces, and is deflected by the second input deflection unit.
  • the light is propagated in the y direction perpendicular to both the direction of the optical axis of the image projection optical system and the x direction while repeating reflection inside the two surfaces, and a part of the image light is transmitted to the two surfaces.
  • a second propagation optical system that deflects in a direction substantially perpendicular to one of the surfaces,
  • the beam width in the y direction of the image light emitted from the video projection optical system and the length in the y direction of the first propagation optical system are based on the length in the y direction of the second input deflection unit. It is characterized by being large.
  • the display device configured as described above, it is possible to reduce the influence of changes in brightness of an image, luminance unevenness and color unevenness in the image.
  • FIG. 1 is a perspective view of a display device according to a first embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows schematically the structure of the image
  • FIG. 1 is a perspective view of a display device according to a first embodiment of the present invention.
  • the display device 10 includes a video projection optical system 11 and a pupil enlarging optical system 12.
  • the direction along the optical axis of the image projection optical system 11 is the z direction, and the two directions perpendicular to the z direction and perpendicular to each other are the x direction (first direction) and the y direction (second direction).
  • the upward direction is the x direction.
  • the diagonally lower right is the y direction and the diagonally lower left is the z direction.
  • the video projection optical system 11 projects image light corresponding to an arbitrary image at infinity.
  • the pupil enlarging optical system 12 receives the image light projected by the video projection optical system 11 and enlarges and exits the exit pupil. The observer can observe the image by looking at the eyes in the projected area PA of the enlarged exit pupil.
  • the video projection optical system 11 includes a light source 13, an illumination optical system 14, a transmission chart 15, and a projection optical system 16.
  • the light source 13 is driven by a light source driver (not shown), and emits a laser as illumination light using electric power supplied from a battery (not shown).
  • the wavelength of the laser is, for example, 532 nm.
  • the illumination optical system 14 includes a collimating lens 17, a first lenticular lens 18, a second lenticular lens 19, a first lens 20, a diffusion plate 21, and a first Two lenses 22 are included.
  • the collimating lens 17, the first lenticular lens 18, the second lenticular lens 19, the first lens 20, the diffusion plate 21, and the second lens 22 are optically coupled.
  • the collimating lens 17 converts the illumination light emitted from the light source 13 into parallel light.
  • the first lenticular lens 18 has a plurality of lens elements with a lens pitch shorter than the width of the luminous flux of the illumination light emitted from the collimating lens 17, for example, 0.1 to 0.5 mm, and the incident parallel luminous flux is a plurality of lenses. Configured to illuminate across elements.
  • the first lenticular lens 18 has refractive power in the x direction, and divides the illumination light converted into a parallel light beam along the x direction.
  • the second lenticular lens 19 has a shorter focal length than the first lenticular lens 18.
  • the focal lengths of the first lenticular lens 18 and the second lenticular lens 19 are 1.6 mm and 0.8 mm.
  • the second lenticular lens 19 is disposed so that the rear focal positions of the first lenticular lens 18 and the second lenticular lens 19 substantially coincide.
  • the second lenticular lens 19 has a plurality of lens elements with a lens pitch shorter than the width of the luminous flux of the illumination light emitted from the collimating lens 17, for example, 0.1 to 0.5 mm, and a plurality of incident parallel luminous fluxes. It is comprised so that it may irradiate across the lens element.
  • the second lenticular lens 19 has a refractive power in the y direction and diverges the illumination light diverged in the x direction along the y direction.
  • a lenticular lens whose divergence angle in the y direction is larger than the divergence angle in the x direction of the first lenticular lens 18 is used as the second lenticular lens 19.
  • the first lens 20 is arranged so that the front focal position of the first lens 20 substantially matches the rear focal position of the first lenticular lens 18 and the second lenticular lens 19.
  • the focal length of the first lens 20 is 50 mm, for example. Therefore, the first lens 20 converts the illumination light components emitted from the plurality of lens elements of the second lenticular lens 19 into parallel luminous fluxes having different emission angles and emits them.
  • the diffusion plate 21 is disposed so as to substantially coincide with the rear focal position of the first lens 20. Accordingly, the plurality of parallel light beams emitted from the first lens 20 are irradiated in a manner that is folded on the diffusion plate 21. As a result, a rectangular illumination light having a substantially uniform intensity distribution and a light flux width in the y direction that is longer than the x direction is irradiated on the diffusion plate 21.
  • the diffusing plate 21 is driven by a diffusing plate driving mechanism (not shown) and vibrates along a plane perpendicular to the optical axis OX, thereby reducing speckle visibility.
  • the diffusion plate 21 is a holographic diffuser designed to have a rectangular diffusion angle, for example, and irradiates illumination light emitted from the diffusion plate 21 to the entire area of the rectangular transmission chart 15 described later without uniform intensity and excess or deficiency. To do.
  • the second lens 22 is disposed so that the front focal position of the second lens 22 substantially coincides with the position of the diffusion plate 21.
  • the focal length of the second lens 22 is 26 mm, for example.
  • the second lens 22 condenses illumination light incident at various angles for each angle.
  • the transmission chart 15 is arranged at the rear focal position of the second lens 22.
  • the transmission chart 15 is, for example, a rectangle having a length of 5.6 mm in the x direction and 4.5 mm in the y direction.
  • the transmissive chart 15 is driven by a chart driving unit (not shown) and forms an arbitrary image to be displayed on the display device 10.
  • a chart driving unit not shown
  • Each of the pixels constituting the image of the transmission chart 15 is irradiated with each parallel light beam condensed at each angle. Therefore, the light transmitted through each pixel constitutes image light.
  • the projection optical system 16 is arranged so that the exit pupil of the projection optical system 16 and the diffusion plate 21 are optically conjugate. Therefore, the shape of the exit pupil is a rectangle longer in the y direction than in the x direction.
  • the projection optical system 16 has a focal length of 28 mm, for example, and projects the image light projected on the transmission chart 15 to infinity. Note that the projection optical system 16 generates a group of parallel light fluxes having angular components in the x and y directions according to the positions of the pixels in the transmission chart 15 in the x and y directions, that is, the object height from the optical axis OX. Output as image light.
  • the light is emitted in an angular range of ⁇ 4.6 ° in the x direction and ⁇ 5.7 ° in the y direction, for example.
  • Image light projected by the projection optical system 16 enters the pupil enlarging optical system 12.
  • the pupil enlarging optical system 12 includes a polarizer 23, a first propagation optical system 24, a half-wave plate 25, and a second propagation optical system 26.
  • the polarizer 23, the first propagation optical system 24, the half-wave plate 25, and the second propagation optical system 26 are displayed in a largely separated state. As shown in FIG.
  • the polarizer 23 is disposed between the exit pupil of the projection optical system 16 and the projection optical system 16, receives image light emitted from the projection optical system 16, and emits S-polarized light.
  • the first propagation optical system 24 includes an incident region (not shown in FIG. 3) on a second plane (not shown in FIG. 3) of a first light guide (not shown in FIG. 3) described later.
  • the projection optical system 16 is arranged so that the exit pupils are aligned, and the exit pupil projected as S-polarized light by the polarizer 23 is enlarged in the x direction and emitted (see reference numeral “Ex”).
  • the half-wave plate 25 rotates the polarization plane of the image light expanded in the x direction by 90 °.
  • the second propagation optical system 26 expands the image light whose polarization plane is rotated by the half-wave plate 25 in the y direction and emits the light (see reference sign “Ey”).
  • the first propagation optical system 24 includes a first light guide unit 27, a first polarization beam split film 28, a first input deflection unit 29, and a first output deflection unit 30. Consists of including. As will be described later, the first polarization beam splitting film 28 is deposited on the first light guide portion 27 and cannot be separated from each other. However, in FIG.
  • the first light guide unit 27 is a flat plate having a first plane S1 and a second plane S2 that are parallel to and opposed to each other and have transparency.
  • the first input deflection unit 29 is a prism, and has a planar input-side joint surface S3 and an inclined surface S4 that is inclined with respect to the input-side joint surface S3.
  • the first output deflection unit 30 is a plate-like member having transparency with the output side joint surface S5 and the triangular prism array surface S6 formed with the triangular prism array on the back side as plate surfaces.
  • the first polarization beam splitting film 28 having substantially the same size as the output-side joint surface S5 of the first output deflection unit 30 is provided. Is formed by vapor deposition.
  • the first output deflection unit 30 is bonded to the region where the first polarization beam split film 28 is formed on the first plane S1 by the transparent adhesive at the output side bonding surface S5.
  • the first input deflection unit 29 is bonded to the input side bonding surface S3 by a transparent adhesive in a region other than the region where the first polarization beam split film 28 is formed on the first plane S1.
  • the first propagation optical system 24 is integrated by joining the first light guide unit 27, the first output deflection unit 30, and the first input deflection unit 29.
  • the region where the first input deflection unit 29 is provided is the incident region, and the region where the first output deflection unit 30 is provided. This is called an emission region (see FIG. 5).
  • the first polarization beam splitting film 28 is preferably formed so as to slightly protrude toward the incident region side.
  • the integrated first propagation optical system 24 has a flat plate shape, and the length direction (“x direction” in FIG. 4) and width direction (FIG. 4) of the first propagation optical system 24 and the first light guide unit 27.
  • the lengths Wx1 and Wy1 of “y direction” in FIG. 4 are, for example, 60 mm and 20 mm.
  • the length Wx1e in the longitudinal direction of the first polarization beam splitting film 28 is, for example, 50 mm.
  • the length Wx1i in the longitudinal direction of the first input deflection unit 29 is, for example, 7 mm.
  • the first input deflection unit 29 may include a portion having a surface other than the inclined surface S4 as a surface facing the input-side bonding surface S3.
  • the length Wx1i in the longitudinal direction is a length along the longitudinal direction of the inclined surface S4.
  • the first polarization beam splitting film 28 is a multilayer film designed to transmit light incident from a substantially vertical direction, reflect most of light incident from an oblique direction, and transmit the remaining light. .
  • a thin film having low-pass or band-pass spectral reflection characteristics can have such characteristics.
  • the spectral curve shifts in the wavelength direction according to the incident angle in the thin film.
  • the spectral curve (see the broken line) for the substantially perpendicular incident light is shifted to the long wavelength side from the spectral curve (see the solid line) for the oblique incident light. It is sandwiched between the cut-off wavelengths of the spectral curve for obliquely incident light and the spectral curve for substantially perpendicularly incident light.
  • the reflectance is 95% for obliquely incident light and 0% for substantially perpendicularly incident light.
  • the first polarized beam split film 28 can be formed by combining the wavelength of the incident light beam Lx and the setting of the thin film.
  • the first polarization beam splitting film 28 has a transmittance for obliquely incident light that varies depending on the position along the x direction.
  • the first polarization beam split film 28 has a first exponential polarization so that the transmittance increases geometrically in accordance with the distance from one end on the first input deflection unit 29 side (see FIG. 7).
  • a beam splitting film 28 is formed.
  • the distance from the vapor deposition source is arranged so as to change according to the planar distance from the first input deflection unit 29, and the difference in the distance (film formation is performed). It is possible to form a film by designing in advance so as to have a desired reflection characteristic at each position due to a difference in film thickness.
  • the first light guide portion 27 for example, quartz (transparent medium) having a thickness of 2 mm, that is, a length in the z direction is used (see FIG. 4).
  • quartz transparent medium
  • the first polarizing beam splitting film 28 has heat resistance against heating when it is deposited, and is hard to warp against film stress because it is hard.
  • the AR film 31 is formed on the second plane S2 of the first light guide 27.
  • the AR film 31 suppresses reflection of image light incident from a vertical direction.
  • the AR film 31 is designed and formed so that the film stress is balanced with the film stress of the first polarization beam split film 28. By balancing the film stress, it is possible to suppress distortion of the first propagation optical system 24 and contribute to good propagation of image light.
  • the first input deflection unit 29 is made of, for example, quartz. By forming the first input deflection unit 29 using quartz which is the same material as the first light guide unit 27, reflection at the interface between the input side joining surface S3 and the first plane S1 is ideal. Can be reduced.
  • Aluminum is deposited on the inclined surface S4 of the first input deflection unit 29, and functions as a reflective film.
  • the normal line of the inclined surface S ⁇ b> 4 extends to the emission region side of the first light guide unit 27. Accordingly, the light beam incident perpendicularly to the second plane S2 of the first light guide unit 27 in the incident region is reflected by the inclined surface S4 inside the first input deflection unit 29 and propagated toward the emission region.
  • the apex angle formed by the input side joining surface S3 and the inclined surface S4 will be described later. Further, the interface between the first input deflection unit 29 and the first output deflection unit 30 is colored in black, and absorbs incident light without reflecting it.
  • the first output deflection unit 30 is made of acrylic having a thickness of 3 mm, for example.
  • the triangular prism array formed in the first output deflection unit 30 is fine and is formed by injection molding. Therefore, acrylic is selected as an example of a transparent medium that can be injection molded. Aluminum is deposited on the triangular prism array surface S6, and functions as a reflective film.
  • the first output deflection unit 30 is configured by acrylic, but is not limited to acrylic resin. However, in the case of bonding in a plane with a film having a characteristic in one direction of polarization, such as the first polarization beam split film 28, it is necessary to consider materials and molding conditions that can suppress the occurrence of birefringence inside the material. preferable.
  • a plurality of triangular prisms 32 extending in the y direction are formed on the triangular prism array surface S6 in the first output deflection unit 30.
  • the plurality of triangular prisms 32 are arranged in a sawtooth shape at a pitch of 0.9 mm, for example, along the x direction.
  • the inclination angle of the inclined surface S7 with respect to the output-side joint surface S5 of each triangular prism 32 is opposite to the inclined surface S4 of the first input deflection unit 29, that is, the normal line of the inclined surface S7 is the first light guide unit. 27 extends to the incident region side. Further, the absolute value of the inclination angle of each triangular prism 32 is substantially the same as the inclination angle of the inclined surface S4, or the first input deflection unit 29, the first light guide unit 27, and the first output deflection unit 30. Depending on the combination of materials used, the difference in the range of several degrees. The angle difference between adjacent prisms in the triangular prism array surface S6 is about 0.01 ° (0.5 minutes) or less.
  • the apex angle formed by the input-side joint surface S3 and the inclined surface S4 of the first input deflection unit 29 and the inclination angle of the triangular prism 32 are the second plane S2 of the first light guide unit 27, as will be described below. Is determined based on the critical angle at.
  • the first propagation optical system 24 is arranged so that a light beam Lx parallel to the optical axis OX of the image projection optical system 11 is incident vertically on the incident area in the second plane S2.
  • the light beam Lx incident perpendicularly to the incident region is incident on the first input deflector 29 from the first light guide 27 and is reflected obliquely by the inclined surface S4.
  • the light beam Lx reflected obliquely passes through the first light guide 27 and enters the second plane S2.
  • the apex angle and the triangle formed by the input side joining surface S3 and the inclined surface S4 of the first input deflection unit 29 so that the light beam Lx incident on the second plane S2 is totally reflected in the first light guide unit 27.
  • the inclination angle of the prism 32 is determined.
  • the critical angle is 43.6 °.
  • the incident angle ⁇ to the second plane S2 in the first light guide unit 27 with respect to the object-level light beam vertically incident from the image projection optical system 11 is the input-side joint surface of the first input deflection unit 29. Since it is a multiple of the tilt angle of the tilted surface S4 with respect to S3, the tilt angle needs to be 21.8 ° or more. In the present embodiment, the inclination angle is, for example, 25.8 ° and is 21.8 ° or more. Further, the inclination angle of each triangular prism 32 is, for example, 25 °.
  • the angle of the light beam incident on the incident area of the second plane S2 can be limited.
  • the angle of the incident light beam Are ⁇ 4.6 ° in the x direction on the air side, ⁇ 5.7 ° in the y direction, and ⁇ 3.1 ° in the x direction in the medium of the first light guide portion 27 made of quartz, the y direction.
  • the angle of the image light corresponding to all the object heights can be reduced.
  • the light beam can be totally reflected on the second plane S ⁇ b> 2 within the first light guide portion 27.
  • the light beam Lx incident perpendicularly to the incident region of the second plane S2 is reflected by the inclined surface S4 of the first input deflection unit 29, and the first The light is incident obliquely on the emission area of the second plane S2 inside one light guide 27.
  • the light beam Lx incident obliquely enters the second plane S2 at an angle exceeding the critical angle and is totally reflected.
  • the totally reflected light beam Lx enters the first polarization beam splitting film 28 from an oblique direction, transmits a predetermined amount of light, and reflects the remaining light.
  • the light beam Lx reflected by the first polarization beam splitting film 28 is incident on the second plane S2 again at an angle exceeding the critical angle and is totally reflected. Thereafter, the light beam Lx is propagated in the x direction of the first light guide 27 while repeating partial reflection at the first polarization beam splitting film 28 and total reflection at the second plane S2. However, every time it enters the first polarization beam splitting film 28, it is transmitted at a predetermined rate and emitted to the first output deflection unit 30.
  • the light beam Lx emitted to the first output deflection unit 30 is deflected again in the direction perpendicular to the second plane S2 of the first light guide unit 27 by the reflective film on the inclined surface S7 of the triangular prism 32.
  • the light beam Lx deflected in the vertical direction is transmitted through the first polarization beam split film 28 with substantially 100% transmittance, and is emitted to the outside from the second plane S2.
  • the half-wave plate 25 (see FIG. 3) is formed in a shape having substantially the same size as the emission region of the second plane S2.
  • the half-wave plate 25 is disposed with a gap at a position facing the emission region of the second plane S2. Therefore, the light beam incident on the second plane S2 in the first light guide section 27 is guaranteed to be totally reflected without passing through the second plane S2.
  • the half-wave plate 25 rotates the polarization plane of the light beam emitted from the first propagation optical system 24 by 90 °.
  • the second propagation optical system 26 includes a second light guide 33, a second polarization beam split film 34, a second input deflection unit 35, and a second output deflection unit 36. Consists of including. Similar to the first propagation optical system 24, these constituent members are formed in an integrated flat plate shape, and the width direction of the second propagation optical system 26 and the second light guide portion 33 ("x direction in FIG. 8"). The lengths Wx2 and Wy2 in “” and the length direction (“y direction” in FIG. 8) are, for example, 50 mm and 110 mm.
  • the length Wy2i in the longitudinal direction of the second polarization beam splitting film 34 in the second propagation optical system 26 is, for example, 100 mm.
  • the length Wy2e in the longitudinal direction of the second input deflection unit 35 is, for example, 10 mm.
  • the functions of the second light guide 33, the second polarization beam splitting film 34, the second input deflection unit 35, and the second output deflection unit 36 are the first light guide 27 and the first polarization, respectively. This is the same as the beam splitting film 28, the first input deflection unit 29, and the first output deflection unit 30.
  • the second light guide 33 has a third plane S8 on which the second polarization beam splitting film 34 is deposited and a fourth plane S9 facing the third plane S8.
  • the emission region of the second plane S2 of the first propagation optical system 24 and the incident region of the fourth plane S9 of the second propagation optical system 26 are opposed to each other.
  • the propagation optical system 26 is arranged in a posture rotated by 90 ° about a straight line parallel to the z direction with respect to the first propagation optical system 24 (see FIG. 3). Therefore, the second propagation optical system 26 expands the image light emitted from the first propagation optical system 24 in the y direction and emits it.
  • the exit pupil copied in the x direction by the first propagation optical system 24 may have uneven brightness depending on the observation position in the exit area of the second plane S2 and the angle of the image light according to the object height.
  • the light is reflected by the first input deflection unit 29, emitted to the first light guide unit 27, and totally reflected on the second plane S2 in the first light guide unit 27.
  • the light beam reflected by the first input deflection unit 29 and emitted to the first light guide unit 27 is incident on the interface between the first input deflection unit 29 and the first light guide unit 27 as shown in FIG.
  • the light rays are incident on the first input deflection unit 29 rather than the end portion E1 along the x direction.
  • the light beam from the first output deflection unit 30 is the most first light beam b1 along the x direction.
  • the light beam that is emitted to the first light guide unit 27, is totally reflected by the second plane S2, and reaches the first polarizing beam splitting film 28, after the total reflection, the first polarizing beam splitting film 28.
  • the light beam reaches the first output deflection unit 30 side from the end E1 on the first input deflection unit 29 side along the x direction.
  • the first input along the x direction is the most first input.
  • a light beam from the deflecting unit 29 is defined as a second light beam b2.
  • the region of the light beam that can reach is the entire region surrounded by the trajectories of the first light beam b1 and the second light beam b2.
  • the width Dx in the x direction of the region surrounded by the trajectories of the first light ray b1 and the second light ray b2 is given by the equation (1).
  • ⁇ v1 y0 is an incident angle on the second plane S2 in the first light guide unit 27 with respect to a light beam whose object height in the y direction is zero.
  • T1 is the thickness of the first light guide 27, that is, the length in the z direction.
  • the incident angle ⁇ v1 y0 in the x direction corresponding to the object height varies. Therefore, the locus of the first light beam b1 and a second beam b2 included in the light beam incident angle Shitabui1m y0 to the input side bonding surface S3, the angle of incidence on the inclined surface S4 in the first input deflection unit 29 is minimized from the first area A1 (see FIG. 10) surrounded by, included in the light beam incident angle Shitabui1M y0 to the input side bonding surface S3, the angle of incidence on the inclined surface S4 in the first input deflection portion 29 is maximum Filling up to the second area A2 (see FIG.
  • the first region A1 and the second region A2 as a whole have an inclined surface S4 facing the wider region A3 including the first region A1 and the second region A2. It is desirable to project the exit pupil.
  • the exit pupil copied in the y direction by the second propagation optical system 26 corresponds to the observation position and the object height in the emission region of the fourth plane S9 in the second propagation optical system 26.
  • luminance unevenness may occur.
  • the light is reflected by the second input deflection unit 35, emitted to the second light guide unit 33, and the second light guide unit 33. It is preferable that the region that can be totally reflected on the fourth plane S9 and reach the second polarization beam splitting film 34 is filled with the light flux.
  • incident from a first region surrounded by the first light beam b3 and second directions of the optical beams b4 included in the light flux angular ⁇ h2m x0 A4 (see FIG. 12) the inclined surface S10 in the second input deflection unit 35
  • the image light beam fills up to the second region A5 surrounded by the trajectories of the first light beam b3 and the second light beam b4 included in the light beam having the incident angle ⁇ h2M x0 on the input side joint surface S11 having the maximum angle. Is preferable for reducing luminance unevenness.
  • the first region A4 and the second region A5 as a whole have an inclined surface S10 facing a wider region A6 including the first region A4 and the second region A5. It is desirable to project the exit pupil.
  • the beam width in the y direction of the image light emitted from the video projection optical system 11 and the y direction of the first light guide section 27 The video projection optical system 11, the first propagation optical system 24, and the second propagation optical system 26 are designed and formed so that the length is larger than the length of the second input deflection unit 35 in the y direction. .
  • the length of the second input deflection unit 35 in the y direction is the portion of the second input deflection unit 35 that deflects light rays perpendicular to the fourth plane S9 toward the second output deflection unit 36, that is, It is the length along the y direction of the inclined surface S10.
  • the image projection optical system 11, the first propagation optical system 24, and the second propagation are satisfied so as to satisfy the following conditions.
  • the optical system 26 is designed and formed.
  • the parallel light beam Lx that has reached the end E2 is the first. It is necessary to overlap the entire first region A4 and second region A5 of the input side bonding surface S11 of the second input deflection unit 35. The conditions where both overlap will be described below.
  • the first light guide unit 27 Since the first light guide unit 27 is formed of parallel plates as described above, the propagation angles in the x direction and the y direction are stored in the first light guide unit 27. Therefore, in FIG. 14, it is possible to calculate the shift amount in the y direction with respect to the propagation position in the x direction by extending the line segment LS1 folded back by reflection in the first light guide unit 27 in a pseudo linear manner. is there. Therefore, in order to further simplify the relationship between the shift amount S and the angle of the image light according to the object height, the locus of the light beam propagated in the x direction by the reflection in the first light guide unit 27 is linear. This will be explained by extending the shape.
  • a light beam serving as the center of gravity of a parallel light beam having an angle component in the y direction corresponding to the object height passes through the start point SP emitted from the first input deflection unit 29 into the first light guide unit 27 and reaches the end E2.
  • the trajectory obtained by extending the light rays up to a straight line reaches the end point EP.
  • a right-angled triangle (reference sign) having a straight line (see reference sign “L1”) extending from the end point EP toward the opposite side in the x direction and having a length of Wx1 as one side, and the start point SP and end point EP of the trajectory as one side.
  • the apex angle ⁇ v1 at the start point SP of “RT1” satisfies the equation (4).
  • ⁇ is the angle component in the y direction of the incident angle in the first light guide portion 27 of the angle component in the y direction corresponding to the object height in the image light, and the inclination of the first input deflection portion 29. It is an angle formed by the normal line of the surface S4. Further, ⁇ is an angle formed by a straight line parallel to the z direction and the angular component in the y direction of the incident angle in the first light guide portion 27 of the angular component in the y direction corresponding to the object height in the image light. In a range where ⁇ is small, cos ⁇ is approximated to 1, so ⁇ v1 is approximated to ⁇ .
  • a right-angled triangle (reference symbol) having a straight line extending in the y direction from the end point EP and having a length S (see reference symbol “L2”) as one side and the start point SP and the end point EP of the trajectory as one side.
  • the apex angle ⁇ h1 at the start point SP of RT2 ′′ is the x-direction component of the incident angle in the first light guide portion 27 of the x-direction angle component corresponding to the object height in the image light.
  • the length Wx1 in the x direction of the first light guide 27 is calculated by the equation (5) when the apex angle ⁇ v1 and the line segment connecting the start point SP and the end point EP are used.
  • the shift amount S is a line segment connecting the apex angle ⁇ h1, the start point SP, and the end point EP. Is used, it is calculated by equation (6).
  • the shift amount S depends on the angle corresponding to the object height of the image light, and becomes larger as ⁇ v1 is smaller and / or ⁇ h1 is larger. Accordingly, when the minimum value of ⁇ v1 determined by the configuration of the transmission chart 15 and the video projection optical system 11 is ⁇ v1m and the maximum value of ⁇ h1 is ⁇ h1M, the maximum shift amount SM is calculated by the equation (8).
  • the parallel light beam emitted from the first input deflection unit 29 to the first light guide unit 27 is shifted by the maximum SM in both directions along the y direction at the end E2 on the first output deflection unit 30 side. (See FIG. 15). Therefore, the y-direction beam width of the exit pupil incident on the first input deflection unit 29 is Py, and the y-direction width of the region to be filled with the beam incident on the input side joining surface S11 of the second input deflection unit 35 is defined. If Byy is satisfied, it is preferable to satisfy Equation (9) in order to reduce luminance unevenness of image light observed in the emission region of the second propagation optical system 26.
  • the interface between the first input deflection unit 29 and the first output deflection unit 30 is colored black, and the first polarization beam split film 28 is slightly on the incident region side. Since it protrudes, generation
  • the first propagation optical system 24 only the light transmitted through the first polarization beam splitting film 28 enters the first output deflecting unit 30, thereby suppressing the generation of stray light with high luminance and luminance unevenness. Is done.
  • the deflector 464 is, for example, LCOS (reflection type liquid crystal), and is driven by a drive circuit (not shown) to deflect various angles in the x direction and the y direction in a time division manner. By deflecting at high speed, a parallel light beam having angle components in the x and y directions according to the object height is emitted.
  • the deflector 464 can be integrated with the first input deflection unit 29 in the first propagation optical system 24.
  • a diffractive surface may be directly formed on the first light guides 27 and 270. That is, a part of the light incident obliquely on the first plane S1 is reflected by the diffractive surface, and the remaining part is diffracted in a direction perpendicular to the first plane S1 and the second plane S2. Even if it exists, the effect similar to this embodiment is acquired. In these modifications, the diffractive surface functions as a first output deflection unit. The same applies to the second propagation optical systems 33 and 330.

Abstract

表示装置は映像投影光学系と第１の伝播光学系と第２の伝播光学系とを有する。映像投影光学系は画像光を無限遠に投影する。第１の伝播光学系は映像投影光学系から投影される画像光をｘ方向に伝播させる。第１の伝播光学系は一部の画像光を偏向する。第２の伝播光学系は第２の入力偏向部を有する。第２の入力偏向部は第１の出力偏向部３０に偏向された画像光を偏向する。第２の伝播光学系は第２の入力偏向部に偏向された画像光をｙ方向に伝播させる。第２の電波光学系は一部の画像光を偏向する。映像投影光学系から出射される画像光のｙ方向の光束幅（ｐｙ）および第１の導光部のｙ方向の長さ（Ｗｙ１）が第２の入力偏向部のｙ方向の長さ（Ｂｙｙ）より大きい。

Description

表示装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１４年１月２７日に日本国に特許出願された特願２０１４－１２４４３の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　本発明は、射出瞳を拡大して画像を投影する表示装置に関する。
　投影した画像を表示するプロジェクション型のディスプレイとして様々な表示装置が知られている。投影される画像を観察するには、投影光学系の射出瞳に観察者の目を合わせる必要がある。それゆえ、様々な位置において投影画像を観察可能にするために、射出瞳を大きくすることが望ましい。任意の１方向に瞳を拡大する２つの光学素子を、互いに直交するように配置して、２次元状に瞳を拡大する表示装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０１３－０６１４８０号公報
　しかし、特許文献１に記載されたディスプレイ装置においては、観察者の目が第２の瞳拡大板内において対向する位置によって投影される画像の明暗の変化が生じ得、また投影される画像内に輝度ムラおよび色ムラが生じ得る。
　従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、画像の明暗の変化、画像内における輝度ムラおよび色ムラの影響を低減化する表示装置の提供を目的とする。
　上述した諸課題を解決すべく、本発明による表示装置は、
　任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する映像投影光学系と、
　対向する２面を有する板状であり、前記映像投影光学系から投影される前記画像光の該２面の内部での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向に垂直なｘ方向に伝播させ、一部の前記画像光を該２面の一方の面に実質的に垂直な方向に偏向する第１の伝播光学系と、
　前記第１の伝播光学系に偏向された前記画像光を偏向する第２の入力偏向部を備え、対向する２面を有する板状であり、前記第２の入力偏向部に偏向された前記画像光の該２面の内部での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向および前記ｘ方向のいずれにも垂直なｙ方向に伝播させ、一部の前記画像光を該２面の一方の面に実質的に垂直な方向に偏向する第２の伝播光学系とを備え、
　前記映像投影光学系から出射される前記画像光の前記ｙ方向の光束幅および前記第１の伝播光学系の前記ｙ方向の長さが、前記第２の入力偏向部の前記ｙ方向の長さより大きい
　ことを特徴とするものである。
　上記のように構成された本発明に係る表示装置によれば、画像の明暗の変化、画像内における輝度ムラおよび色ムラの影響を低減化させることが可能である。
本発明の第１の実施形態に係る表示装置の斜視図である。 図１の映像投影光学系の構成を概略的に示す構成図である。 図１の瞳拡大光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。 図３の第１の伝播光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。 第１の伝播光学系の側面図である。 入射角により薄膜の分光曲線が波長方向に沿ってシフトする性質を説明するための、薄膜の波長に対する反射率を示すグラフである。 第１の偏光ビームスプリット膜の入射領域からの距離に応じた透過率を示すグラフである。 図３の第２の伝播光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。 第１の出力偏向部に出射可能な光線の角度を説明するための、第１の伝播光学系の拡大側面図である。 第１の伝播光学系における、第１の出力偏向部に入射可能な光束であって、第１の導光部の傾斜面への最低入射角度の光束および最大角度の光束の、入力側接合面における透過領域を示す図である。 第２の出力偏向部に出射可能な光線の角度を説明するための、第２の伝播光学系の拡大側面図である。 第２の伝播光学系における、第２の出力偏向部に入射可能な光束であって、第２の導光部の傾斜面への最低入射角度の光束および最大角度の光束の、入力側接合面における透過領域を示す図である。 物体高に応じたｙ方向の角度成分を有する光束の、第１の導光部による伝播の軌跡をｚ方向に垂直な平面に射影した図である。 第１の導光部内でｘ方向に伝播される光束を直線状に延ばした軌跡を示す図である。 第２の入力偏向部の大きさを説明するための、第１の入力偏向部および第１の出力偏向部をｚ方向から見た図である。 第１の入力偏向部および第１の出力偏向部の界面を黒色に色付けることの効果を比較説明するために、黒色の色付けを施さない構成とした第１の伝播光学系の拡大側面図である。 第１の偏光ビームスプリット膜を入射領域側に僅かに食み出させることの効果を比較説明するために、第１の偏光ビームスプリット膜が出射領域の端部に形成されない構成とした第１の伝播光学系の拡大側面図である。 第２の実施形態の第１の伝播光学系の側面図である。 第２の実施形態の第２の伝播光学系の側面図である。 映像投影光学系の第１の変形例を示す構成図である。 映像投影光学系の第２の変形例を示す構成図である。 映像投影光学系の第３の変形例を示す構成図である。 映像投影光学系の第４の変形例を示す構成図である。 映像投影光学系の第５の変形例を示す構成図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の斜視図である。
　図１に示すように、表示装置１０は、映像投影光学系１１および瞳拡大光学系１２を含んで構成される。本実施形態において、映像投影光学系１１の光軸に沿った方向をｚ方向、ｚ方向に垂直且つ互いに垂直な２方向をｘ方向（第１の方向）およびｙ方向（第２の方向）とする。図１においては、上方向をｘ方向とする。また、図１において、瞳拡大光学系１２近傍においては、右斜め下方をｙ方向、左斜め下方をｚ方向とする。
　映像投影光学系１１は、任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する。瞳拡大光学系１２は、映像投影光学系１１が投影する画像光を受光し、射出瞳を拡大して射出する。拡大された射出瞳の投影領域ＰＡ内のいずこかに目を合わせることにより、観察者は画像を観察可能である。
　次に、映像投影光学系１１の構成について説明する。映像投影光学系１１は、光源１３、照明光学系１４、透過型チャート１５、および投影光学系１６を含んで構成される。
　光源１３は、光源ドライバ（図示せず）に駆動され、バッテリ（図示せず）から供給される電力を用いて、照明光としてレーザを出射する。レーザの波長は、例えば５３２ｎｍである。
　図２（ａ）、（ｂ）に示すように、照明光学系１４は、コリメートレンズ１７、第１のレンチキュラレンズ１８、第２のレンチキュラレンズ１９、第１のレンズ２０、拡散板２１、および第２のレンズ２２を含んで構成される。コリメートレンズ１７、第１のレンチキュラレンズ１８、第２のレンチキュラレンズ１９、第１のレンズ２０、拡散板２１、および第２のレンズ２２は、光学的に結合される。
　コリメートレンズ１７は、光源１３から出射した照明光を平行光に変換する。
　第１のレンチキュラレンズ１８はコリメートレンズ１７から出射する照明光の光束の幅よりも短いレンズピッチ、例えば０．１から０．５ｍｍで複数のレンズ要素を有し、入射する平行光束が複数のレンズ要素にまたがって照射されるように、構成される。第１のレンチキュラレンズ１８はｘ方向に屈折力を有し、平行光束に変換された照明光をｘ方向に沿って発散させる。
　第２のレンチキュラレンズ１９は第１のレンチキュラレンズ１８より短い焦点距離を有する。例えば第１のレンチキュラレンズ１８および第２のレンチキュラレンズ１９の焦点距離は、１．６ｍｍおよび０．８ｍｍである。第２のレンチキュラレンズ１９は、第１のレンチキュラレンズ１８および第２のレンチキュラレンズ１９の後側焦点位置が実質的に一致するように、配置される。また、第２のレンチキュラレンズ１９はコリメートレンズ１７から出射する照明光の光束の幅よりも短いレンズピッチ、例えば０．１から０．５ｍｍで複数のレンズ要素を有し、入射する平行光束が複数のレンズ要素にまたがって照射されるように、構成される。第２のレンチキュラレンズ１９はｙ方向に屈折力を有し、ｘ方向に発散された照明光をｙ方向に沿って発散させる。ｙ方向への発散角度が第１のレンチキュラレンズ１８のｘ方向への発散角度より大きなレンチキュラレンズが、第２のレンチキュラレンズ１９として用いられる。
　第１のレンズ２０は、第１のレンズ２０の前側焦点位置が第１のレンチキュラレンズ１８および第２のレンチキュラレンズ１９の後側焦点位置が実質的に一致するように、配置される。第１のレンズ２０の焦点距離は、例えば５０ｍｍである。したがって、第１のレンズ２０は、第２のレンチキュラレンズ１９の複数のレンズ要素から出射した各照明光成分を、それぞれ異なる出射角度の平行光束に変換して、出射する。
　拡散板２１は、第１のレンズ２０の後側焦点位置に実質的に一致するように、配置される。したがって、第１のレンズ２０から出射する複数の平行光束は、拡散板２１上に畳み込まれる態様で照射される。その結果、拡散板２１上に、ガウシアン強度分布を有するレーザが略均一化された強度分布を有し、ｘ方向よりｙ方向の光束幅が長い矩形の照明光が照射される。拡散板２１は、拡散板駆動機構（図示せず）に駆動され、光軸ＯＸに垂直な平面に沿って振動し、スペックルの視認性を低減化する。拡散板２１は、例えば拡散角度を矩形に設計したホログラフィックディフューザであり、拡散板２１から出射する照明光を、均一な強度且つ過不足無く、後述する矩形の透過型チャート１５の全領域に照射する。
　第２のレンズ２２は、第２のレンズ２２の前側焦点位置が拡散板２１の位置と実質的に一致するように、配置される。第２のレンズ２２の焦点距離は、例えば２６ｍｍである。第２のレンズ２２は、多様な角度で入射する照明光を、角度毎に集光させる。
　透過型チャート１５は、第２のレンズ２２の後側焦点位置に配置される。透過型チャート１５は、例えばｘ方向に５．６ｍｍ、ｙ方向に４．５ｍｍの長さを有する矩形である。透過型チャート１５は、チャート駆動部（図示せず）により駆動され、表示装置１０で表示すべき任意の画像を形成する。透過型チャート１５の画像を構成する各画素には角度毎に集光した各平行光束が照射される。したがって、各画素を透過した光が画像光を構成する。
　投影光学系１６は、投影光学系１６の射出瞳と拡散板２１とが光学的に共役となるように、配置される。したがって、射出瞳の形状はｘ方向よりｙ方向に長い矩形となる。投影光学系１６はたとえば焦点距離が２８ｍｍであり、透過型チャート１５を投影した画像光を無限遠に投影する。なお、投影光学系１６は、透過型チャート１５の各画素のｘ方向およびｙ方向の位置、すなわち光軸ＯＸからの物体高に応じたｘ方向およびｙ方向の角度成分を有する平行光束の群を画像光として出射する。本実施形態においては、例えばｘ方向に±４．６°、ｙ方向に±５．７°の角度範囲で出射される。投影光学系１６が投影する画像光は、瞳拡大光学系１２に入射する。
　次に、瞳拡大光学系１２の構成について、図３を用いて説明する。瞳拡大光学系１２は、偏光子２３、第１の伝播光学系２４、１／２波長板２５、および第２の伝播光学系２６を含んで構成される。図３においては、説明のために、偏光子２３、第１の伝播光学系２４、１／２波長板２５、および第２の伝播光学系２６を大きく離間させた状態で表示されるが、実際には、図１に示すように、近接して配置される。
　偏光子２３は、投影光学系１６の射出瞳および投影光学系１６の間に配置され、投影光学系１６から出射される画像光を受光して、Ｓ偏光を出射する。第１の伝播光学系２４は、後述する第１の導光部（図３において図示せず）の第２の平面（図３において図示せず）の入射領域（図３において図示せず）と投影光学系１６の射出瞳が合わさるように配置され、偏光子２３によりＳ偏光として投影される射出瞳をｘ方向に拡大して出射する（符号"Ｅｘ"参照）。１／２波長板２５は、ｘ方向に拡大された画像光の偏光面を９０°回転させる。偏光面を９０°回転させることにより、第２の伝播光学系２６の第１の偏光ビームスプリット膜（図３において図示せず）にＳ偏光で画像光を入射させることが可能である。第２の伝播光学系２６は、１／２波長板２５により偏光面が回転した画像光をｙ方向に拡大して出射する（符号"Ｅｙ"参照）。
　次に、第１の伝播光学系２４による射出瞳の拡大機能について、第１の伝播光学系２４の構成とともに説明する。図４に示すように、第１の伝播光学系２４は、第１の導光部２７、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の入力偏向部２９、および第１の出力偏向部３０を含んで構成される。なお、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、後述するように、第１の導光部２７に蒸着されており、互いに分離できないが、図４においては、模式的に分離して記載される。
　第１の導光部２７は、互いに平行且つ対向する第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２を有し、透過性を有する平板である。第１の入力偏向部２９はプリズムであり、平面状の入力側接合面Ｓ３および入力側接合面Ｓ３に対して傾斜した傾斜面Ｓ４を有する。第１の出力偏向部３０は出力側接合面Ｓ５と裏側において三角プリズムアレイが形成された三角プリズムアレイ面Ｓ６とを板面とする透過性を有する板状部材である。
　第１の導光部２７の第１の平面Ｓ１の一部の領域には、第１の出力偏向部３０の出力側接合面Ｓ５と実質的に同じ大きさの第１の偏光ビームスプリット膜２８が蒸着により形成される。第１の平面Ｓ１における第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された領域には、透明接着剤により、出力側接合面Ｓ５において第１の出力偏向部３０が接合される。また、第１の平面Ｓ１における第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された領域以外の領域には、透明接着剤により、入力側接合面Ｓ３において第１の入力偏向部２９が接合される。第１の導光部２７と第１の出力偏向部３０および第１の入力偏向部２９との接合により、第１の伝播光学系２４は一体化される。以下、第１の伝播光学系２４の長手方向（図４における"ｘ方向"）において、第１の入力偏向部２９が設けられる領域を入射領域、第１の出力偏向部３０が設けられる領域を出射領域と呼ぶ（図５参照）。なお、後述するように、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、入射領域側に僅かに食み出すよう形成されることが好ましい。
　一体化された第１の伝播光学系２４は平板状であり、第１の伝播光学系２４および第１の導光部２７の長さ方向（図４における"ｘ方向"）および幅方向（図４における"ｙ方向"）の長さＷｘ１、Ｗｙ１は、例えば６０ｍｍ、２０ｍｍである。また、第１の偏光ビームスプリット膜２８の長手方向の長さＷｘ１ｅは、例えば５０ｍｍである。また、第１の入力偏向部２９の長手方向の長さＷｘ１ｉは、例えば７ｍｍである。なお、図４に示すように、第１の入力偏向部２９は、入力側接合面Ｓ３と対向する面として、傾斜面Ｓ４以外の面を有する部位を含み得るが、第１の入力偏向部２９の長手方向の長さＷｘ１ｉは、傾斜面Ｓ４の長手方向に沿った長さである。
　第１の偏光ビームスプリット膜２８は、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射し、残りを透過するように設計された多層膜である。このような特性を、ローパス型またはバンドパス型の分光反射特性を有する薄膜は有し得る。
　従来知られているように、薄膜において入射角に応じて分光曲線が波長方向にシフトする。図６に示すように、略垂直入射光に対する分光曲線（破線参照）は、斜入射光に対する分光曲線（実線参照）から、長波長側にシフトする。斜入射光に対する分光曲線と、略垂直入射光に対する分光曲線との両者のカットオフ波長に挟まれ、斜入射光に対して反射率が９５％、略垂直入射光に対して反射率が０％となるように、入射光束Ｌｘの波長および薄膜の設定を組合わせることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を形成可能となる。
　また、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、ｘ方向に沿った位置に応じて変動する、斜入射光に対する透過率を有する。例えば、第１の偏光ビームスプリット膜２８の、第１の入力偏向部２９側の一端からの距離に応じて等比級数的に透過率が増加するように（図７参照）、第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成される。蒸着によってこのような膜を形成するには、例えば蒸着源からの距離が第１の入力偏向部２９からの平面状の距離に応じて変化するように配置し、その距離の差（製膜される膜厚の差）によるそれぞれの位置において所望の反射特性をもつように予め設計することにより、成膜可能である。
　第１の導光部２７には、例えば２ｍｍの厚み、すなわちｚ方向の長さを有する石英（透明媒質）が用いられる（図４参照）。第１の導光部２７に石英を用いることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を蒸着させるときの加熱に対して耐熱性を有し、硬質であるため膜応力に対して反りにくくなる利点を有する。
　第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２には、ＡＲ膜３１が形成される。ＡＲ膜３１は垂直な方向から入射する画像光の反射を抑制する。ＡＲ膜３１は、膜応力が第１の偏光ビームスプリット膜２８の膜応力とつり合うように設計され、形成される。膜応力をつりあわせることにより、第１の伝播光学系２４の歪みを抑制し、画像光の良好な伝播に寄与可能である。
　第１の入力偏向部２９は、例えば石英により形成される。第１の入力偏向部２９を、第１の導光部２７と同一な材質である石英を用いて形成することにより、入力側接合面Ｓ３および第１の平面Ｓ１間の界面における反射を理想的に低減化可能である。
　第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。図５に示すように、傾斜面Ｓ４の法線は、第１の導光部２７の出射領域側に延びる。したがって、入射領域において第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２に垂直に入射する光束が、第１の入力偏向部２９の内部において傾斜面Ｓ４に反射され、出射領域に向かって伝播される。入力側接合面Ｓ３および傾斜面Ｓ４のなす頂角については、後述する。また、第１の入力偏向部２９の、第１の出力偏向部３０との界面は黒色に色付けられ、入射する光束を反射すること無く、吸収する。
　第１の出力偏向部３０は、例えば３ｍｍの厚さを有するアクリルによって形成される。第１の出力偏向部３０に形成される三角プリズムアレイは微細であり、射出成型により形成される。それゆえ、射出成型可能な透明媒体としてアクリルが例として選択される。三角プリズムアレイ面Ｓ６にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。本実施形態において、第１の出力偏向部３０は、アクリルによって形成される構成であるが、アクリル樹脂に限定されない。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８のように一方向の偏光方向に特性を有する膜と平面において接合する場合、材料内部で複屈折の発生を抑制可能な材料および成形条件を考慮することが好ましい。
　第１の出力偏向部３０における三角プリズムアレイ面Ｓ６には、ｙ方向に延びる複数の三角プリズム３２が形成される。複数の三角プリズム３２は、ｘ方向に沿って、例えば０．９ｍｍのピッチで鋸歯状に並べられる。
　各三角プリズム３２の、出力側接合面Ｓ５に対する傾斜面Ｓ７の傾斜角は、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４とは反対向き、すなわち傾斜面Ｓ７の法線は第１の導光部２７の入射領域側に延びる。また、各三角プリズム３２の傾斜角の絶対値は傾斜面Ｓ４の傾斜角と実質的に同じ、あるいは第１の入力偏向部２９、第１の導光部２７、および第１の出力偏向部３０に採用する材料の組合わせに応じて数度の範囲で異なる。なお、三角プリズムアレイ面Ｓ６内の隣合うプリズムの角度差は、０．０１°（０．５分）程度以下である。
　第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３および傾斜面Ｓ４のなす頂角および三角プリズム３２の傾斜角は、以下に説明するように、第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２における臨界角に基づいて定められる。
　第１の伝播光学系２４は、映像投影光学系１１の光軸ＯＸに平行な光束Ｌｘが、第２の平面Ｓ２における入射領域に外部から垂直に入射するように、配置される。入射領域に垂直に入射した当該光束Ｌｘは第１の導光部２７から第１の入力偏向部２９に入射し、傾斜面Ｓ４により斜方に反射される。斜方に反射された光束Ｌｘは第１の導光部２７に内に透過し、第２の平面Ｓ２に入射する。第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２に入射する当該光束Ｌｘが全反射するように、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３および傾斜面Ｓ４のなす頂角および三角プリズム３２の傾斜角が定められる。
　したがって、第１の導光部２７内部での第２の平面Ｓ２に対する入射角度θが臨界角を超える、すなわちθ＞臨界角＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）（ｎは第１の導光部２７の屈折率）であることが必要である。本実施形態においては、上述のように第１の導光部２７は石英によって形成されるので、臨界角は４３．６°である。
　映像投影光学系１１から垂直に入射する物体高の光束に関して、第１の導光部２７内での第２の平面Ｓ２への入射角度θは、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３に対する傾斜面Ｓ４の傾斜角度の倍角なので、当該傾斜角度は２１．８°以上であることが必要である。本実施形態では、当該傾斜角度は、例えば、２５．８°であって、２１．８°以上である。また、各三角プリズム３２の傾斜角度は、例えば２５°である。
　ここで、透過型チャート１５のサイズと、投影光学系１６の焦点距離とに基づいて、第２の平面Ｓ２の入射領域に入射する光線の角度を制限可能であり、例えば、入射する光線の角度を、空気側でｘ方向に±４．６°、ｙ方向に±５．７°、石英により形成された第１の導光部２７の媒質中でｘ方向に±３．１°、ｙ方向に３．９°の範囲内に制限することは可能であり、このような角度に制限することにより、上述の第１の伝播光学系２４において、全ての物体高に応じた画像光の角度の光束を、第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２において全反射させることが可能である。
　上述のように構成および配置した第１の伝播光学系２４において、第２の平面Ｓ２の入射領域に垂直に入射した光束Ｌｘは、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４に反射され、第１の導光部２７の内部で第２の平面Ｓ２の出射領域に斜方から入射する。斜方から入射した光束Ｌｘは第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射し、全反射される。全反射された光束Ｌｘは、第１の偏光ビームスプリット膜２８に斜方から入射し、所定の割合の光量だけ透過し、残りの光量は反射する。第１の偏光ビームスプリット膜２８に反射された光束Ｌｘは、再び第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射し、全反射される。以後、第１の偏光ビームスプリット膜２８における一部反射と、第２の平面Ｓ２における全反射とを繰返しながら、光束Ｌｘは第１の導光部２７のｘ方向に伝播される。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８に入射するたびに、所定の割合で透過し、第１の出力偏向部３０に出射する。
　第１の出力偏向部３０に出射された光束Ｌｘは、三角プリズム３２の傾斜面Ｓ７の反射膜により再び第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２に垂直な方向に偏向される。垂直な方向に偏向された光束Ｌｘは第１の偏光ビームスプリット膜２８を実質的に１００％の透過率で透過し、第２の平面Ｓ２から外部に出射される。
　１／２波長板２５（図３参照）は、第２の平面Ｓ２の出射領域と実質的に同じサイズの形状に形成される。１／２波長板２５は、第２の平面Ｓ２の出射領域と対向する位置において、空隙を設けて配置される。したがって、第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２に入射する光束は、第２の平面Ｓ２を透過すること無く、全反射が保障される。前述のように、１／２波長板２５は、第１の伝播光学系２４から出射する光束の偏光面を９０°回転させる。
　第２の伝播光学系２６のサイズおよび配置以外の構成は、第１の伝播光学系２４と同じである。図８に示すように、第２の伝播光学系２６は、第２の導光部３３、第２の偏光ビームスプリット膜３４、第２の入力偏向部３５、および第２の出力偏向部３６を含んで構成される。第１の伝播光学系２４と同様に、これらの構成部材は一体化された平板状であり、第２の伝播光学系２６および第２の導光部３３の幅方向（図８における"ｘ方向"）および長さ方向（図８における"ｙ方向"）の長さＷｘ２、Ｗｙ２は、例えば５０ｍｍ、１１０ｍｍである。また、第２の伝播光学系２６における第２の偏光ビームスプリット膜３４の長手方向の長さＷｙ２ｉは、例えば１００ｍｍである。また、第２の入力偏向部３５の長手方向の長さＷｙ２ｅは、例えば１０ｍｍである。第２の導光部３３、第２の偏光ビームスプリット膜３４、第２の入力偏向部３５、および第２の出力偏向部３６の機能は、それぞれ第１の導光部２７、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の入力偏向部２９、および第１の出力偏向部３０と同様である。
　第２の導光部３３は、第２の偏光ビームスプリット膜３４が蒸着される第３の平面Ｓ８および第３の平面Ｓ８に対向する第４の平面Ｓ９を有する。第２の伝播光学系２６は、第１の伝播光学系２４の第２の平面Ｓ２の出射領域と第２の伝播光学系２６の第４の平面Ｓ９の入射領域とが対向し、第２の伝播光学系２６を第１の伝播光学系２４に対してｚ方向に平行な直線を軸に９０°回転させた姿勢で、配置される（図３参照）。したがって、第２の伝播光学系２６は、第１の伝播光学系２４から出射する画像光をｙ方向に拡大して出射する。
　次に、第１の入力偏向部２９のサイズについて、以下に詳細に説明する。第１の伝播光学系２４によりｘ方向にコピーされる射出瞳には、第２の平面Ｓ２の出射領域内の観察位置および物体高に応じた画像光の角度によっては輝度ムラが生じ得る。輝度ムラを低減化するためには、第１の入力偏向部２９により反射され、第１の導光部２７に出射され、第１の導光部２７内の第２の平面Ｓ２において全反射し、且つ第１の偏光ビームスプリット膜２８に到達し得る領域を光束で満たすことが好ましい。
　第１の入力偏向部２９に反射され、第１の導光部２７に出射される光線は、図５に示すように、第１の入力偏向部２９および第１の導光部２７の界面に入射する光線の中でｘ方面に沿った端部Ｅ１よりも第１の入力偏向部２９よりに入射する光線である。ここで、第１の入力偏向部２９および第１の導光部２７の界面に入射する光線の中で、ｘ方向に沿って最も第１の出力偏向部３０よりの光線を第１の光線ｂ１とする。
　また、さらに、第１の導光部２７に出射され、第２の平面Ｓ２で全反射し、第１の偏光ビームスプリット膜２８に到達する光線は、全反射後に第１の偏光ビームスプリット膜２８のｘ方向に沿った第１の入力偏向部２９側の端部Ｅ１よりも第１の出力偏向部３０側に到達する光線である。ここで、第１の導光部２７に出射され、第２の平面Ｓ２で全反射し、第１の偏光ビームスプリット膜２８に到達する光線の中で、ｘ方向に沿って最も第１の入力偏向部２９よりの光線を第２の光線ｂ２とする。
　第１の入力偏向部２９により反射され、第１の導光部２７に出射され、第１の導光部２７内の第２の平面Ｓ２において全反射し、且つ第１の偏光ビームスプリット膜２８に到達し得る光線の領域は、第１の光線ｂ１および第２の光線ｂ２の軌跡に囲まれる全領域である。第２の平面Ｓ２において、第１の光線ｂ１および第２の光線ｂ２の軌跡に囲まれる領域のｘ方向の幅Ｄｘは、（１）式によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　（１）式において、θｖ１y0は、ｙ方向の物体高がゼロである光束に対する第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２への入射角度である。また、Ｔ１は、第１の導光部２７の厚さ、すなわちｚ方向の長さである。
　また、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３において、入射角度θｖ１y0の光束に含まれる第１の光線ｂ１および第２の光線ｂ２の軌跡に囲まれる領域のｘ方向の幅Ｂｘｘ（図９参照）は、（２）式によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　透過型チャート１５のｘ方向の位置により、物体高に応じたｘ方向の入射角度θｖ１y0は変動する。したがって、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４への入射角が最小となる入力側接合面Ｓ３への入射角度θｖ１ｍy0の光束に含まれる第１の光線ｂ１および第２の光線ｂ２の軌跡に囲まれる第１の領域Ａ１（図１０参照）から、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４への入射角が最大となる入力側接合面Ｓ３への入射角度θｖ１Ｍy0の光束に含まれる第１の光線ｂ１および第２の光線ｂ２（図９参照）の軌跡に囲まれる第２の領域Ａ２（図１０参照）までを画像光の光束で満たすことが、輝度ムラの低減化のために好ましい。このような条件を満たすためには、第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２を含むより広い領域Ａ３に対向する傾斜面Ｓ４を有し、且つ第１の領域Ａ１および第２の領域Ａ２全体に射出瞳を投影することが望ましい。
　次に、第２の入力偏向部３５のサイズについて、以下に詳細に説明する。第２の伝播光学系２６（図８参照）によりｙ方向にコピーされる射出瞳には、第２の伝播光学系２６における第４の平面Ｓ９の出射領域内の観察位置および物体高に応じた画像光の角度によっては輝度ムラが生じ得る。輝度ムラを低減化するためには、第１の伝播光学系２４と同様に、第２の入力偏向部３５により反射され、第２の導光部３３に出射され、第２の導光部３３内の第４の平面Ｓ９において全反射し、且つ第２の偏光ビームスプリット膜３４に到達し得る領域を光束で満たすことが好ましい。
　第１の入力偏向部２９と同様に、図１１に示すように、第２の入力偏向部３５の傾斜面Ｓ１０への入射角が最小となる入力側接合面Ｓ１１へのｙ方向に沿った入射角度θｈ２ｍx0の光束に含まれる第１の光線ｂ３および第２の光線ｂ４の軌跡に囲まれる第１の領域Ａ４（図１２参照）から、第２の入力偏向部３５の傾斜面Ｓ１０への入射角が最大となる入力側接合面Ｓ１１への入射角度θｈ２Ｍx0の光束に含まれる第１の光線ｂ３および第２の光線ｂ４の軌跡に囲まれる第２の領域Ａ５までを画像光の光束で満たすことが、輝度ムラの低減化のために好ましい。
　このような条件を満たすためには、第１の領域Ａ４および第２の領域Ａ５を含むより広い領域Ａ６に対向する傾斜面Ｓ１０を有し、且つ第１の領域Ａ４および第２の領域Ａ５全体に射出瞳を投影することが望ましい。
　第１の領域Ａ４および第２の領域Ａ５全体に射出瞳を投影するために、映像投影光学系１１から出射される画像光のｙ方向の光束幅および第１の導光部２７のｙ方向の長さが第２の入力偏向部３５のｙ方向の長さより大きくなるように、映像投影光学系１１、第１の伝播光学系２４、および第２の伝播光学系２６は設計され、形成される。なお、第２の入力偏向部３５のｙ方向の長さとは、第２の入力偏向部３５において、第４の平面Ｓ９に垂直な光線を第２の出力偏向部３６側に偏向する部位、すなわち傾斜面Ｓ１０のｙ方向に沿った長さである。
　さらに、第１の領域Ａ４および第２の領域Ａ５全体に射出瞳を投影するために、以下の条件を満たすように、映像投影光学系１１、第１の伝播光学系２４、および第２の伝播光学系２６は設計され、形成される。
　透過型チャート１５において光軸ＯＸからｙ方向にずれた画素に対応する光束、すなわち物体高に応じたｙ方向の角度成分を有する平行光束が第１の伝播光学系２４に入射すると、図１３に示すように、当該光束Ｌｘはｘ方向から当該角度成分に対応する角度だけ傾斜させた方向に伝播されながら、出射領域から第２の伝播光学系２６に出射される。それゆえ、第１の導光部２７の、第１の出力偏向部３０側の端部Ｅ２に平行光束Ｌｘが到達するとき、出射領域の一部の領域からは当該光束は出射されない（符号"Ａ７"参照）。それゆえ、第２の入力偏向部３５の入力側接合面Ｓ１１の第１の領域Ａ４および第２の領域Ａ５全体に射出瞳を投影するためには、端部Ｅ２に到達した平行光束Ｌｘが第２の入力偏向部３５の入力側接合面Ｓ１１の第１の領域Ａ４および第２の領域Ａ５全体に重なることが必要である。両者が重なる条件について、以下に説明する。
　物体高に応じたｙ方向の角度成分を有する平行光束が第１の伝播光学系２４に入射した場合の、当該光束の重心の第２の平面Ｓ２への射影と、ｘ方向に平行な直線のなす角をφとすると、当該光束が端部Ｅ２に到達したときのｙ方向に沿ったシフト量Ｓは（３）式により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第１の導光部２７は前述のように平行平板で構成されているため、ｘ方向およびｙ方向の伝播角度は第１の導光部２７内で保存される。それゆえ、図１４において、第１の導光部２７内で反射によって折り返された線分ＬＳ１を、擬似的に直線状に延ばして、ｘ方向における伝播位置に対するｙ方向のシフト量を算出可能である。そこで、シフト量Ｓと、物体高に応じた画像光の角度との関係を、より平易にするために、第１の導光部２７内の反射によりｘ方向に伝播される光線の軌跡を直線状に延ばして、説明する。
　物体高に応じたｙ方向の角度成分を有する平行光束の重心となる光線は第１の入力偏向部２９から第１の導光部２７内に出射した始点ＳＰを通り、端部Ｅ２に到達するまでの光線を直線状に延ばした軌跡は、終点ＥＰ到達する。終点ＥＰからｘ方向の逆側に向かって延び、長さがＷｘ１である直線（符号"Ｌ１"参照）を１つの辺とし、軌跡の始点ＳＰおよび終点ＥＰを１つの辺とする直角三角形（符号"ＲＴ１"参照）の始点ＳＰにおける頂角θｖ１は、（４）式を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　（４）式において、θは、画像光における物体高に応じたｙ方向の角度成分の第１の導光部２７内における入射角のｙ方向の角度成分と第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４の法線のなす角度である。また、φは、画像光における物体高に応じたｙ方向の角度成分の第１の導光部２７内における入射角のｙ方向の角度成分とｚ方向に平行な直線のなす角である。φが小さい範囲においては、ｃｏｓφは１に近似されるので、θｖ１はθに近似される。
　また、終点ＥＰからｙ方向に向かって延び、長さがＳである直線（符号"Ｌ２"参照）を１つの辺とし、軌跡の始点ＳＰおよび終点ＥＰを１つの辺とする直角三角形（符号"ＲＴ２"参照）の始点ＳＰにおける頂角θｈ１は、画像光における物体高に応じたｘ方向の角度成分の第１の導光部２７内における入射角のｘ方向成分である
　第１の導光部２７のｘ方向の長さＷｘ１は、頂角θｖ１と始点ＳＰおよび終点ＥＰを結んだ線分とを用いると、（５）式により算出される。また、シフト量Ｓは、頂角θｈ１および始点ＳＰおよび終点ＥＰを結んだ線分
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 を用いると、（６）式により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　したがって、（３）式におけるｔａｎφ（＝Ｓ／Ｗｘ１）を（５）、（６）式により算出すると、（７）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　（７）式から、シフト量Ｓは画像光の物体高に応じた角度に依存し、θｖ１が小さいほど、および／またはθｈ１が大きいほど、大きくなる。したがって、透過型チャート１５および映像投影光学系１１の構成により定まるθｖ１の最小値をθｖ１ｍ、θｈ１の最大値をθｈ１Ｍとすると、最大のシフト量ＳＭは、（８）式により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　第１の入力偏向部２９から第１の導光部２７に出射する平行光束は、第１の出力偏向部３０側の端部Ｅ２においてｙ方向に沿った両方向に最大でＳＭの大きさでシフトする（図１５参照）。したがって、第１の入力偏向部２９に入射する射出瞳のｙ方向の光束幅をＰｙ、第２の入力偏向部３５の入力側接合面Ｓ１１に入射させる光束を満たすべき領域のｙ方向の幅をＢｙｙとすると、第２の伝播光学系２６の出射領域において観察する画像光の輝度ムラの低減化のためには、（９）式を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　また、第１の伝播光学系２４のｙ方向の長さＷｙ１は、ｙ方向の光束幅Ｐｙである光束の全領域を受光するために、（１０）式を満たすことが求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　Ｂｙｙは、第１の伝播光学系２４におけるＢｘｘと同様に、（１１）式により算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　（１０）式に、（８）、（１１）式を代入すると、（１２）式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　（１２）式を満たすように、第２の入力偏向部３５のサイズを設計し、形成することにより、第２の伝播光学系２６における第４の平面Ｓ９の出射領域内の観察位置および物体高に応じた画像光の角度による輝度ムラを低減化可能である。
　以上のような構成の第１の実施形態の表示装置によれば、映像投影光学系１１から出射される画像光のｙ方向の光束幅および第１の導光部２７のｙ方向の長さが、第２の入力偏向部３５のｙ方向の長さより大きいので、第２の伝播光学系２６から観察する画像光における輝度ムラを低減化可能である。
　また、本実施形態の表示装置によれば、（１２）式を満たすように、映像投影光学系１１、第１の伝播光学系２４、および第２の伝播光学系２６が設計され、構成されるので、第２の伝播光学系２６から観察する画像光における輝度ムラをさらに低減化可能である。
　また、本実施形態の表示装置によれば、第１の入力偏向部２９および第１の出力偏向部３０の界面が黒色に色付けられ且つ第１の偏光ビームスプリット膜２８が入射領域側に僅かに食み出ているのでので、以下に説明するように、輝度の高い迷光および輝度ムラの発生が抑制される。
　第１の伝播光学系２４においては、第１の偏光ビームスプリット膜２８を透過した光のみを、第１の出力偏向部３０内に進入させることにより、輝度の高い迷光および輝度ムラの発生が抑制される。
　一方で、図１６に示すように、第１の入力偏向部２９および第１の出力偏向部３０の界面が光を透過可能である場合には、第１の偏光ビームスプリット膜２８を透過すること無く、第１の入力偏向部２９から第１の入力偏向部２９から第１の出力偏向部３０に光が直接進入し得る。それゆえ、本実施形態のように、第１の入力偏向部２９および第１の出力偏向部３０の界面を黒色で色付けることにより、第１の入力偏向部２９から第１の出力偏向部３０への光の直接の進入が防がれ、輝度の高い迷光および輝度ムラの発生が抑制される。
　また、図１７に示すように、第１の入力偏向部２９および第１の出力偏向部３０の界面に塗付けた黒色の塗料層と第１の偏光ビームスプリット膜２８の間に隙間があると、当該隙間を透過して、第１の偏光ビームスプリット膜２８を透過せずに、光が第１の出力偏向部３０に進入し得る。そこで、本実施形態においては、第１の偏光ビームスプリット膜２８を僅かに入射領域側に食み出させることにより、黒色の塗料層と第１の偏光ビームスプリット膜２８との間の隙間が形成される可能性を低減化する製造公差が与えられ、輝度の高い迷光および輝度ムラの発生を抑制可能である。
　また、本実施形態の表示装置によれば、第１の入力偏向部２９における、光を偏向させる面が、単一のプリズムによって構成される単一の傾斜面Ｓ４なので、第１の出力偏向部３０のようなプリズムアレイのように各プリズム部分の全面に入射して反射する光の中で、第１の出力偏向部３０側のプリズム部分の側壁によるケラレが生じない。それゆえ、光の効率的な利用が可能である。また、本実施形態では、プリズムアレイにおけるケラレの生じる光束幅の分だけ、第１の入力偏向部２９に入射させる光のｘ方向の幅を狭小化可能である。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る表示装置について説明する。第２の実施形態は、第１の導光部および第２の導光部の構成が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能および構成を有する部位には同じ符号を付す。
　図１８に示すように、第２の実施形態における第１の伝播光学系２４０の第１の導光部２７０は、第１のハーフミラー膜３７０を有する。第１のハーフミラー膜３７０は、第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２に平行な平面状であり、第１の導光部２７０の厚さ方向（図１８におけるｚ方向）の中心付近に形成される。第１のハーフミラー膜３７０は、幅方向（図１８におけるｙ方向）に沿っては第１の導光部２７０の両端まで延びる。第１のハーフミラー膜３７０は、長さ方向（図１８におけるｘ方向）に沿っては、第１の入力偏向部２９側の端部が第１の偏光ビームスプリット膜２８の第１の入力偏向部２９側の端部Ｅ１から１／２×Ｄｘだけ離間した位置に位置付けられるように形成される。また、第１のハーフミラー膜３７０の長さ方向（図１８におけるｘ方向）に沿った長さは、１／２×Ｄｘ×ｃｏｓ（θｖ１y0）である。
　第１のハーフミラー膜３７０は入射する光の略半分を透過し、残りの半分を反射する。したがって、第１の入力偏向部２９から第１の導光部２７０に出射した任意の光線の軌跡において、最初に第２の平面Ｓ２に入射する位置（符号"Ｐ１"参照）と、最初の第２の平面Ｓ２における入射位置Ｐ１で反射し、第１のハーフミラー膜３７０を透過し、第１の偏光ビームスプリット膜２８で反射し、且つ第２の平面Ｓ２への入射する位置（符号"Ｐ２"参照）との間に、第１のハーフミラー膜３７０を透過すること無く反射した一部の光線が入射する（符号"Ｐ３"参照）。したがって、第２の実施形態においては、第１の実施形態における第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３において、入射角度θｖ１y0の光束に含まれる第１の光線ｂ１および第２の光線ｂ２の軌跡に囲まれる領域のｘ方向の半分の長さの領域を光束で満たすことにより、第１の実施形態と同様の輝度ムラ低減効果が得られる。当該領域のｘ方向の幅Ｂ'ｘｘは、（１３）式で算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　図１９に示すように、第２の実施形態における、第２の伝播光学系２６０にも第２のハーフミラー膜３８０が設けられる。第２のハーフミラー膜３８０は第１の導光部２７０と同様に、第２の導光部３３０内に設けられる。第２の実施形態において、第２の伝播光学系２６０の出射領域において観察する画像光の輝度ムラの低減化のためには、（９）式にかわり、（１４）式を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　また、第１の伝播光学系２４０のｙ方向の長さＷｙ１は、ｙ方向の光束径Ｐｙである光束の全領域を受光するために、（１５）式を満たすことが求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　以上のような構成の第２の実施形態の表示装置によっても、第１の実施形態と同様に、第２の伝播光学系２６０から観察する画像光における輝度ムラを低減化可能である。
　本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
　例えば、第１の実施形態および第２の実施形態における映像投影光学系１１により、映像投影光学系１１から、ｘ方向よりｙ方向に長い射出瞳を出射するが、他の構成によってもｘ方向よりｙ方向に長い射出瞳を出射可能である。
　例えば、図２０に示すように、コリメートレンズ１７および拡散板２１の間に、第１のレンチキュラレンズおよび第２のレンチキュラレンズの代わりに、第１の光学素子３９１を設ける構成であってもよい。第１の光学素子３９１は、少なくとも光線分離面４０１および反射面４１１を有する。第１の光学素子３９１は、例えば複数のガラスプリズムの接合、または光線分離面４０１および反射面４１１を空間上に保持することにより形成可能である。光線分離面４０１は、コリメートレンズ１７から出射される光束に対してｘ方向に平行な直線を軸に４５°傾斜するように、第１の光学素子３９１内で配置される。光線分離面４０１は、略５０％の透過率を有する。それゆえ、光線分離面４０１に入射する光束の５０％の光量が透過し、５０％の光量が反射される。反射面４１１は、光線分離面４０１に平行で、第１の光学素子３９１に入射する光束の直径の長さだけ離れた位置で、光線分離面４０１に反射された光束が反射される方向に配置される。したがって、光線分離面４０１において反射した光束は、反射面４１１により再び光軸ＯＸと平行な向きに偏向され、光線分離面４０１を透過した光束とｙ方向に隣接して拡散板２１に入射する。
　上述のように、第１の光学素子３９１を用いても、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、拡散板２１上に、ｘ方向よりｙ方向の光束幅が長い矩形の照明光を照射可能である。このような構成によれば、第１の実施形態および第２の実施形態の照明光学系１４より部材点数を低減化させ、簡素化可能である。なお、このような変形例においては、拡散板２１上における照射面積を十分に大きくするために、コリメートレンズ１７には、第１の実施形態および第２の実施形態において用いたコリメートレンズ１７に比べて、焦点距離が大きいことが好ましい。
　また、照明光学系１４において第１のレンチキュラレンズおよび第２のレンチキュラレンズを省き、且つ図２１に示すように、投影光学系１６および瞳拡大光学系１２の間の、投影光学系１６の射出瞳に第１の光学素子３９１を配置する構成であってもよい。このような構成においては、拡散板２１を照明する領域はｘ方向およびｙ方向に対して等方的でよいので、光源１３から拡散板２１までの間の光学系を簡素化可能である。また、このような構成においては、投影光学系１６から出射した後に光束径を拡大するので、投影光学系１６のＦ値を大きくすることが容易であり、良好な投影光学系１６の設計に用いるレンズの数を低減化可能である。また、当該構成において、以下に説明する、第２の光学素子を、さらに設けてもよい。
　図２２に示すように、第２の光学素子４２２は、イメージローテータとして知られる２つの等脚台形プリズム４３２ａ、４３２ｂの底面に微小な空隙を設けて、向き合わせるように形成された素子である。第２の光学素子４２２は、第１の光学素子３９１から出射する全光束が第２の光学素子４２２に入射するように、言い換えると、第１の光学素子３９１における光線分離面４０１を透過した光束が一方の等脚台形プリズム４３２ａに入射し、光線分離面４０１および反射面４１１で反射した光束が他方の等脚台形プリズム４３２ｂに入射するように、配置される。第２の光学素子４２２は、各等脚台形プリズム４３２ａ、４３２ｂの傾斜面Ｓ１２に入射する光束をｙ方向に沿って反転させて、他方の傾斜面Ｓ１３から出射させる。
　投影光学系１６の光軸ＯＸに対して傾斜した光束は、第１の光学素子３９１内で一部けられてしまうので、ｙ方向に拡大された光束のｙ方向の幅の中心付近において光量が低下し得る。中央付近での光量の低下は、最終的に瞳拡大光学系１２により拡大された画像光に輝度ムラを発生させ得る。そこで、第２の光学素子４２２を配置することにより、ケラレによる中央付近での光量の低下を、ｙ方向の幅の両端での光量の低下に変換させる。それゆえ、輝度ムラを抑制可能である。
　また、第１の光学素子３９１代わりに、図２３に示すように、第３の光学素子４３３を用いてもよい。第３の光学素子４３３は、第１の光学素子３９１の光線分離面４０１の代わりに、光軸ＯＸに垂直な方向に変位可能な可動反射面４４３が用いられる。可動反射面４４３の光束への挿入および待避を高速で切替えることにより、高速のｙ方向への拡大を、時分割で実行可能である。また、可動反射面４４３を物理的に移動させなくてもよく、例えば電気的に入射する光の透過と反射とを切替え可能な素子を可動反射面４４３として用いてもよい。
　また、透過型チャートを用いずに、ｘ方向よりｙ方向に長い射出瞳を出射することも可能である。例えば、図２４に示すように、映像投影光学系１１４を、コリメートレンズ１７、第１のシリンドリカルレンズ４４４、第２のシリンドリカルレンズ４５４、第１のレンズ２０、および偏向器４６４を光学的に結合させて、構成することも可能である。第１のシリンドリカルレンズ４４４および第２のシリンドリカルレンズ４５４は、それぞれｘ方向およびｙ方向にパワーを有する。第１のシリンドリカルレンズ４４４および第２のシリンドリカルレンズ４５４は、光源１３から出射した光を、それぞれｘ方向およびｙ方向に垂直な光束に変換する。変換された平行光束が偏向器４６４に入射するように、偏向器４６４が配置される。偏向器４６４は、例えばＬＣＯＳ（反射型液晶）であり、駆動回路（図示せず）によって駆動され、時分割でｘ方向およびｙ方向に多様な角度に偏向する。高速で偏向することにより、物体高に応じたｘ方向およびｙ方向の角度成分を有する平行光束が出射される。なお、偏向器４６４を第１の伝播光学系２４における第１の入力偏向部２９と一体化させることも可能である。
　また、第１の実施形態および第２の実施形態において、第１の導光部２７、２７０の第１の平面Ｓ１に形成される第１の偏光ビームスプリット膜２８は、第１の出力偏向部３０の平面と同じ大きさであるが、第１の出力偏向部３０よりもｘ方向に長くてもよい。言い換えると、第１の偏光ビームスプリット膜２８が、ｘ方向において第１の出力偏向部３０を超えて第１の入力偏向部２９側に形成されてもよい。
　また、第１の実施形態および第２の実施形態において、第１の伝播光学系２４は、第１の偏光ビームスプリット膜２８および第１の出力偏向部３０を用いて、第１の伝播光学系２４内での光の反射の繰り返しによる、ｘ方向への光の伝播および一部の光の出射領域から出射可能に偏向させる構成であるが、このような構成に限定されない。例えば、第１の偏光ビームスプリット膜２８を設けること無く、第１の入力偏向部２９および第１の出力偏向部３０の第１の導光部２７との界面において、第１の導光部２７側から斜方に入射する光の一部が反射され、残りの一部が第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２に垂直な方向に回折される構成であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。また、第１の導光部２７、２７０に直接回折面を形成してもよい。すなわち、回折面で第１の平面Ｓ１に斜方から入射する光の一部が反射され、残りの一部が第１の平面Ｓ１および第２の平面Ｓ２に垂直な方向に回折される構成であっても、本実施形態と同様の効果が得られる。これらの変形例において、回折面が第１の出力偏向部として機能する。なお、第２の伝播光学系３３、３３０についても同様である。
　また、第１の実施形態および第２の実施形態において、第１の入力偏向部２９、第１の出力偏向部３０、第２の入力偏向部３５、および第２の出力偏向部３６は、反射により入射光を偏向する構成であるが、回折により偏向する構成であってもよい。
　１０　表示装置
　１１、１１０　映像投影光学系
　１２　瞳拡大光学系
　１３　光源
　１４　照明光学系
　１５　透過型チャート
　１６　投影光学系
　１７　コリメートレンズ
　１８　第１のレンチキュラレンズ
　１９　第２のレンチキュラレンズ
　２０　第１のレンズ
　２１　拡散板
　２２　第２のレンズ
　２３　偏光子
　２４　第１の伝播光学系
　２５　１／２波長板
　２６　第２の伝播光学系
　２７、２７０　第１の導光部
　２８　第１の偏光ビームスプリット膜
　２９　第１の入力偏向部
　３０　第１の出力偏向部
　３１　ＡＲ膜
　３２　三角プリズム
　３３、３３０　第２の導光部
　３４　第２の偏向ビームスプリッタ
　３５　第２の入力偏向部
　３６　第２の出力偏向部
　３７０　第１のハーフミラー膜
　３８０　第１のハーフミラー膜
　３９１　第１の光学素子
　４０１　光線分離面
　４１１　反射面
　４２２　第２の光学素子
　４３３　第３の光学素子
　４４４　第１のシリンドリカルレンズ
　４５４　第２のシリンドリカルレンズ
　４６４　偏向器
　Ａ１、Ａ２　第１の入力偏向部における第１の領域、第２の領域
　Ａ３　第１の入力偏向部における第１の領域および第２の領域を含むより広い領域
　Ａ４、Ａ５　第２の入力偏向部における第１の領域、第２の領域
　Ａ６　第２の入力偏向部における第１の領域および第２の領域を含むより広い領域
　ｂ１、ｂ２　第１の光線、第２の光線
　ｂ３、ｂ４　第１の光線、第２の光線
　ＥＰ　終点
　Ｅ１　第１の偏光ビームスプリット膜のｘ方向に沿った第１の入力偏向部側の端部
　Ｅ２　第１の導光部の、第１の出力偏向部側の端部
　Ｌｘ　光束
　ＯＸ　光軸
　ＰＡ　投影領域
　ＳＰ　始点
　Ｓ１　第１の平面
　Ｓ２　第２の平面
　Ｓ３　入力側接合面
　Ｓ４　傾斜面
　Ｓ５　出力側接合面
　Ｓ６　三角プリズムアレイ面
　Ｓ７　傾斜面
　Ｓ８　第３の平面
　Ｓ９　第４の平面
　Ｓ１０　傾斜面
　Ｓ１１　入力側接合面
　Ｓ１２　等脚台形プリズムの傾斜面
　Ｓ１３　他方の傾斜面

Claims (4)

  1. 　任意の画像に対応する画像光を無限遠に投影する映像投影光学系と、
    　対向する２面を有する板状であり、前記映像投影光学系から投影される前記画像光の該２面の内部での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向に垂直なｘ方向に伝播させ、一部の前記画像光を該２面の一方の面に実質的に垂直な方向に偏向する第１の伝播光学系と、
    　前記第１の伝播光学系に偏向された前記画像光を偏向する第２の入力偏向部を備え、対向する２面を有する板状であり、前記第２の入力偏向部に偏向された前記画像光の該２面の内部での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向および前記ｘ方向のいずれにも垂直なｙ方向に伝播させ、一部の前記画像光を該２面の一方の面に実質的に垂直な方向に偏向する第２の伝播光学系とを備え、
    　前記映像投影光学系から出射される前記画像光の前記ｙ方向の光束幅および前記第１の伝播光学系の前記ｙ方向の長さが、前記第２の入力偏向部の前記ｙ方向の長さより大きい
    　ことを特徴とする表示装置。
  2. 　請求項１に記載の表示装置であって、
    　前記第１の伝播光学系は、前記映像投影光学系から投影される前記画像光を偏向する第１の入力偏向部と、対向する第１の面および第２の面を有する板状に形成され、前記第１の入力偏向部から投影される前記画像光の一部の前記第１の面および前記第２の面間での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向に垂直なｘ方向に伝播させる第１の導光部と、前記第１の面に形成または接合され、一部の前記画像光を前記第２の面に実質的に垂直な方向に偏向する第１の出力偏向部とを有し、
    　前記第２の伝播光学系は、対向する第３の面および第４の面を有する板状に形成され、前記第２の入力偏向部に偏向された前記画像光の一部の前記第３の面および前記第４の面間での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向および前記ｘ方向のいずれにも垂直なｙ方向に伝播させる第２の導光部と、前記第３の面に形成または接合され、一部の前記画像光を前記第４の面に実質的に垂直な方向に偏向する第２の出力偏向部とを、更に有し、
    　前記第１の導光部の前記ｘ方向の長さをＷｘ１、前記第１の導光部の前記ｙ方向の長さをＷｙ１、前記第２の導光部における前記第３の平面および前記第４の平面間の距離をＴ２、前記画像における前記ｙ方向における最大の物体高に対応する前記画像光の成分の前記第１の導光部内の前記第１の平面および前記第２の平面の入射角の前記ｙ方向の角度成分をθｈ１Ｍ、前記画像における前記ｘ方向における最大の物体高に対応する前記画像光の成分の前記第１の導光部内の前記第１の平面および前記第２の平面の入射角の前記ｘ方向の角度成分と前記第１の入力偏向部の面法線とのなす角の２倍をθｖ１ｍ、前記映像投影光学系の光軸上における前記画像光の成分の前記第２の導光部内の前記第３の平面および前記第４の平面の入射角の前記ｙ方向の角度成分をθｈ２とすると、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
     を満たす
    　ことを特徴とする表示装置。
  3. 　請求項１に記載の表示装置であって、
    　前記第１の伝播光学系は、前記映像投影光学系から投影される前記画像光を偏向する第１の入力偏向部と、対向する第１の面および第２の面を有する板状に形成され、前記第１の入力偏向部から投影される前記画像光の一部の前記第１の面および前記第２の面間での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向に垂直なｘ方向に伝播させる第１の導光部と、前記第１の面に形成または接合され、一部の前記画像光を前記第２の面に実質的に垂直な方向に偏向する第１の出力偏向部とを有し、
    　前記第２の伝播光学系は、対向する第３の面および第４の面を有する板状に形成され、前記第２の入力偏向部に偏向された前記画像光の一部の前記第３の面および前記第４の面間での反射を繰返しながら前記映像投影光学系の光軸の方向および前記ｘ方向のいずれにも垂直なｙ方向に伝播させる第２の導光部と、前記第３の面に形成または接合され、一部の前記画像光を前記第４の面に実質的に垂直な方向に偏向する第２の出力偏向部とを、更に有し、
    　前記第２の導光部は、内部にハーフミラーを有し、
    　前記第１の導光部の前記ｘ方向の長さをＷｘ１、前記第１の導光部の前記ｙ方向の長さをＷｙ１、前記第２の導光部における前記第３の平面および前記第４の平面間の距離をＴ２、前記画像における前記ｙ方向における最大の物体高に対応する前記画像光の成分の前記第１の導光部内の前記第１の平面および前記第２の平面の入射角の前記ｙ方向の角度成分をθｈ１Ｍ、前記画像における前記ｘ方向における最大の物体高に対応する前記画像光の成分の前記第１の導光部内の前記第１の平面および前記第２の平面の入射角の前記ｘ方向の角度成分と前記第１の入力偏向部の面法線とのなす角の２倍をθｖ１ｍ、前記映像投影光学系の光軸上における前記画像光の成分の前記第２の導光部内の前記第３の平面および前記第４の平面の入射角の前記ｙ方向の角度成分をθｈ２とすると、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
     を満たす
    　ことを特徴とする表示装置。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の表示装置であって、
    　前記画像を構成する任意の画素に対応する前記画像光の、前記第１の導光部に入射する光束の前記ｘ方向の光束幅より前記ｙ方向の光束幅が大きい
    　ことを特徴とする表示装置。
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