WO2016035517A1 - ライトガイドおよび虚像表示装置 - Google Patents

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WO2016035517A1
WO2016035517A1 PCT/JP2015/072654 JP2015072654W WO2016035517A1 WO 2016035517 A1 WO2016035517 A1 WO 2016035517A1 JP 2015072654 W JP2015072654 W JP 2015072654W WO 2016035517 A1 WO2016035517 A1 WO 2016035517A1
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virtual image
guide plate
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増田　岳志
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シャープ株式会社
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    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division

Definitions

  • the present invention relates to a light guide and a virtual image display device using the light guide.
  • the virtual image display device is configured to project light emitted from the display element in the direction of the observer's eye using a light guide plate or a combiner.
  • a see-through type virtual image display device it is also possible to superimpose a virtual image of an image formed by the display element on an external scene that can be seen through a light guide plate or a combiner.
  • Patent Document 1 discloses a see-through type virtual image display device that displays a virtual image superimposed on an external landscape.
  • the virtual image display device includes an image optical system including a display element and a light guide member. Light from the display element is collimated and incident on the light guide member via a coupling portion disposed at the end thereof. The collimated light incident from the coupling portion propagates through the inside of the light guide member, is reflected by the diffraction grating for image extraction, and is emitted from the light exit surface of the light guide member. The observer can see a virtual image on the back side through the light exit surface.
  • the diffraction grating for image extraction provided on the light guide member has, for example, a configuration in which a semi-reflective film is provided on an inclined surface of a concavo-convex structure having a sawtooth cross section.
  • Patent Document 2 discloses a virtual image display device in which light from a display element is incident on a light guide plate via a prism and this light is reflected by a reflection array provided on the light guide plate.
  • the prism is provided in the vicinity of the end portion of the light guide plate and propagates in the light guide plate toward the other end portion.
  • the reflective array a plurality of wedge-shaped concave structures are used. More specifically, the reflective array includes a reflective surface that is inclined with respect to the light output surface of the light guide plate, a parallel surface that is parallel to the light output surface, and another tilt that is disposed between the reflective surface and the parallel surface. And a surface.
  • the brightness of the observed virtual image may vary depending on the in-plane position of the light exit surface of the light guide plate, and the quality of the display image due to the unevenness of brightness. It has been found that may decrease. In addition, it has been found that in the conventional virtual image display device, the brightness of the external landscape observed through the light guide plate or the combiner may not be seen uniformly.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a light guide capable of suppressing unevenness in brightness of an observed virtual image. Another object of the present invention is to provide a virtual image display device including such a light guide.
  • a light guide is a light guide plate having a coupling structure having a light receiving surface that receives light from a display element, and a light receiving unit on which light from the coupling structure is incident, the light receiving unit
  • a light guide plate that includes a plurality of reflecting structures arranged to reflect light that is incident on the inside and propagates mainly along the first direction, and that emits the light reflected by the plurality of reflecting structures from the exit surface
  • Each of the plurality of reflecting structures has a reflecting surface inclined with respect to the emitting surface, and when viewed from the normal direction of the emitting surface, in the first direction, The area ratio of the inclined reflecting surface per unit area varies depending on the distance from the light receiving unit.
  • an area ratio of the inclined reflecting surface in a region closer to the light receiving unit is smaller than an area ratio of the inclined reflecting surface in a region farther from the light receiving unit.
  • an angle formed by the reflecting surface and the emitting surface is ⁇
  • an angle formed by the light receiving surface of the coupling structure and the emitting surface is ⁇
  • the width of the light receiving surface of the coupling structure is ⁇
  • each of the plurality of reflection structures has a prism structure, and the reflection surface is provided on one surface of the prism structure, and is a unit when viewed from the normal direction of the emission surface.
  • the abundance ratio of the prism structure per area increases as the distance from the light receiving unit increases along the first direction.
  • a parallel surface substantially parallel to the exit surface is disposed between adjacent prism structures, and the width of the parallel surfaces is It is wider at the first position closer to the light receiving part and narrower at the second position farther from the light receiving part.
  • the parallel surface is not disposed between the prism structures at a third position further from the light receiving unit than the second position, and adjacent prism structures are in contact with each other.
  • a reflective surface is also formed on the parallel surface.
  • the semiconductor device further includes a planarizing layer that is in contact with the plurality of prism structures and covers the plurality of prism structures, and has a substantially flat surface.
  • the plurality of prism structures are formed by a 2p molding method using a first transparent material, and the planarization layer is also formed using the first transparent material.
  • a prism structure having no reflecting surface is provided outside a region where the prism structure having the reflecting surface is provided.
  • a support structure having the same height as the prism structure is provided outside a region where the prism structure having the reflective surface is provided.
  • the reflecting surface is a semi-reflecting surface formed so as to reflect a part of the light propagating through the light guide and transmit a part thereof.
  • a virtual image display device includes any one of the above light guides and the display element, and the coupling structure of the light guide is configured to receive virtual image projection light from the display element. .
  • an angle formed by the reflecting surface and the emitting surface is ⁇
  • an angle formed by the light receiving surface of the coupling structure and the emitting surface is ⁇
  • the width of the light receiving surface of the coupling structure is c
  • the thickness of the light guide plate is t
  • the first projection of the virtual image projection light emitted from the exit surface C cos ( ⁇ ) + sin ( ⁇ ) tan (2 ⁇ o) where the angle of view in the direction 1 is ⁇ ⁇ o and the refraction angle of the light emitted at the angle of view ⁇ ⁇ o at the light guide plate is ⁇ o ′. ')) ⁇ 2t ⁇ tan (2 ⁇ + ⁇ o ′) is satisfied.
  • a light guide that can suppress the unevenness of the brightness of the virtual image and the landscape observed through the light guide plate.
  • a virtual image display device configured using such a light guide is provided.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a virtual image display device according to Embodiment 1, wherein (a) is a side view illustrating an overall configuration, and (b) is an arrangement of prisms in a region close to a coupling structure in a prism reflection array region. (C) is a cross-sectional view showing the arrangement of the prisms in a region far from the coupling structure in the prism reflection array region, and (d) is a cross-sectional view showing one prism.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating a path of virtual image projection light in a light guide in the virtual image display apparatus of Embodiment 1, where FIG. 3A is a path of light in a coupling structure, FIG. 2B is a path of light in a prism reflection array, and FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a path of light reflected by a prism. It is a figure which shows the path
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows the path
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of an arrangement pattern of prisms in a prism reflection array, and (a) to (c) show different modes. It is a figure for demonstrating the formation process of the semi-reflective film in a prism reflective array, (a) is sectional drawing for demonstrating oblique vapor deposition, (b) is a semi-reflective film in a predetermined area
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a usage state of the virtual image display device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a difference in brightness of a virtual image according to a place in Example 1 and Comparative Example 1, (a1) to (a3) show the case of Example 1, and (b1) to (b3) are comparisons. The case of Example 1 is shown.
  • FIG. 5 is a diagram showing various forms of coupling structures, and (a) to (d) show different forms, respectively.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a virtual image display device according to Embodiment 2, wherein (a) is a side view showing an overall configuration, and (b) is an arrangement of prisms in a region close to a coupling structure in a prism reflection array region. It is sectional drawing shown, (c) is sectional drawing which shows the arrangement
  • (A) is a figure which shows changes, such as a prism pitch in Example 2, (b) shows the incident angle (reflection angle) dependence about the transmittance
  • Example 5 is a diagram for explaining a difference in brightness of a virtual image between Example 2 and Comparative Example 2, in which (a1) to (a3) show the case of Example 2, and (b1) to (b3) are comparisons.
  • the case of Example 2 is shown.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a light path in a virtual image display device according to a third embodiment.
  • FIG. 4 It is a figure which shows typically the virtual image display apparatus by Embodiment 4, (a) is a side view which shows the whole structure, (b) is the light guide plate in the area
  • HMD head mounted display
  • HUD head-up display
  • FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a plan view schematically showing the configuration of the virtual image display device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a side view schematically showing the configuration of the virtual image display device 100.
  • the virtual image display device 100 includes a display element 10 and a projection lens system (collimating optical system) 20 that receives the light emitted from the display element 10 and collimates it.
  • the virtual image display device 100 also includes a flat light guide plate 30 that receives light emitted from the projection lens system 20.
  • a coupling structure 32 that receives the light L from the projection lens system 20 is provided at the end of the one-side main surface of the light guide plate 30.
  • a triangular prism prism extending along one side of the light guide plate 30 (Y direction shown in FIG. 1B) is used as the coupling structure 32.
  • an optical element including the light guide plate 30 and the coupling structure 32 may be referred to as a light guide.
  • the emitted light (image display light) L from the display element 10 is collimated by the projection lens system 20 and then enters the coupling structure 32 provided at the end of the light guide plate 30.
  • the parallel beam light (virtual image projection light) incident on the coupling structure 32 is guided mainly along the first direction from the light receiving portion 30B at the end of the light guide plate 30, that is, the portion where the coupling structure 32 is provided. It propagates inside the light plate 30.
  • the first direction is an in-plane direction from the coupling structure 32 toward the opposite side of the light guide plate 30, and is in the X direction shown in FIG. Direction).
  • the light L introduced from the coupling structure 32 to the light guide plate 30 includes a plurality of light beams whose traveling directions are slightly different as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the light emitted from the central region of the display element 10 corresponds to a light beam traveling in a direction parallel to the X direction shown in FIG. 1B
  • the light emitted from the end region of the display element 10 is It corresponds to a light beam traveling in a direction non-parallel to the X direction.
  • the display element 10 and the projection lens system 20 known ones can be widely used.
  • the display element 10 for example, a transmissive liquid crystal display panel or an organic EL display panel can be used, and as the projection lens system 20, for example, a lens system described in JP-A-2004-157520 can be used.
  • a reflective liquid crystal display panel (LCOS) can be used as the display element 10
  • a concave mirror or a lens group described in JP 2010-282231 A can be used as the projection lens system 20, for example.
  • the size of the display element 10 is, for example, about 0.2 inch to about 0.5 inch diagonal. Note that the diameter of the light beam emitted from the projection lens system 20 may be adjusted by the projection lens system 20. Further, the diameter of the light beam can be increased by adjusting the size of the coupling structure 32.
  • the light guide plate 30 is configured by using a flat plate made of, for example, a transparent resin material or glass, and the main surface of the light guide plate 30 is exposed to air. For this reason, as shown in FIG. 2A, light incident from the light receiving portion 30 ⁇ / b> B of the light guide plate 30 and propagating through the light receiving portion 30 ⁇ / b> B can be totally reflected on the upper and lower main surfaces of the light guide plate 30. More specifically, light incident on the upper and lower main surfaces of the light guide plate 30 at an incident angle that is greater than the critical angle determined according to the relative refractive index of the light guide plate 30 with respect to the outer medium (here, air) is all at the interface. reflect.
  • the outer medium here, air
  • the respective main surfaces of the light guide plate 30 may be distinguished from each other by referring to the upper surface and the lower surface in accordance with the drawings. However, the upper and lower positional relationships in the actual use state are not meant. It goes without saying that there is nothing.
  • the light guide plate 30 is provided with a prism reflection array 34.
  • the prism reflection array 34 is provided in a rectangular region Rr having a width x in the X direction and a width y in the Y direction in the plane of the light guide plate 30.
  • FIG. 2A light that is incident from the light receiving unit 30B located at the end of the light guide plate 30 and propagates while totally reflecting inside the light guide plate 30 is reflected by the prism reflection array 34 and guided.
  • the light is emitted from the light exit surface S30 on the lower surface of the light plate 30 to the outside.
  • the prism reflection array 34 is configured to emit light mainly in the normal direction of the light emitting surface S30. Note that the normal direction of the light emitting surface S30 corresponds to the Z direction orthogonal to the X direction and the Y direction.
  • the prism reflection array 34 includes a plurality of prisms 34A.
  • Each of the prisms 34A has a first inclined surface S341 inclined with a predetermined angle range with respect to the light emitting surface S30 of the light guide plate 30, and a second inclined surface S341 connected to the prism ridge line 34r. And an inclined surface S342.
  • the first inclined surface S341 is an inclined surface disposed on the side farther than the second inclined surface S342 with respect to the light receiving unit 30B.
  • an angle formed by the first inclined surface S341 and a surface parallel to the light emitting surface S30 (hereinafter sometimes referred to as an XY plane) is ⁇
  • the second An angle formed between the inclined surface S342 and the XY plane is ⁇ .
  • the angle ⁇ is, for example, 10 ° to 45 °
  • the angle ⁇ is, for example, 60 ° to 90 °.
  • a cross section in which the direction from the end of the light guide plate 30 on the side where the light receiving unit 30B is provided to the other end is positive in the X direction is considered.
  • the inclination angle ⁇ of the first inclined surface S341 is an angle that makes the first inclined surface S341 positive in the clockwise direction with respect to the XY plane (0 °), and the second inclined surface S342. Is an angle at which the second inclined surface S342 becomes positive in the counterclockwise direction.
  • a semi-reflective film 36 is provided on the prism 34A so as to contact and selectively cover the first inclined surface S341 and a parallel surface S35 described later.
  • the semi-reflective film 36 is formed of, for example, a thin metal film or a dielectric film, and can reflect a part of incident light and transmit a part of light. In this configuration, light propagating in the light guide plate 30 is partially reflected by the first inclined surface S341 and the parallel surface S35, and light incident from the outside of the upper surface of the light guide plate 30 (light from the outside world) is guided. The light can be transmitted to the lower surface side of the light plate 30.
  • a planarizing layer 38 is provided so as to cover the prism reflection array 34 provided with the semi-reflective film 36.
  • the planarization layer 38 is provided so as to fill the uneven structure of the prism reflection array 34 formed on the lower transparent member 301 constituting the light guide plate 30, and planarizes the upper surface of the light guide plate 30. Further, since the light that has propagated through the light guide plate 30 and transmitted through the semi-reflective film 36 can be totally reflected on the upper surface of the planarization layer 38, it propagates through the light guide while repeating total reflection, and the prism reflection array 34. To reach.
  • a slit is provided between adjacent prisms 34A at a position close to the coupling structure 32 (or the light receiving unit 30B).
  • a flat portion (parallel surface S35) is provided.
  • the flat portion is not provided between the adjacent prisms 34A, and the prism 34A is in proximity.
  • the reason why the arrangement pattern of the prisms is changed depending on the location of the prism reflection array 34 as described above will be described.
  • the light reflected by the prism reflection array 34 is emitted from the light guide plate 30, the brightness may be observed depending on the location of the emission surface S30. This is because the light from the display element 10 is emitted on the side closer to the light receiving unit 30B when the distribution of the reflection surface of the reflection member (here, the prism reflection array 34) provided on the light guide plate 30 is uniform. It is considered that one of the causes is that the intensity of the parallel beam light is high and the intensity of the parallel beam light emitted on the far side is low.
  • Patent Document 2 describes that the reflectance of the reflecting member increases as the distance from the light incident portion of the light guide plate increases.
  • a metal film for example, an Al film
  • the reflectance can be changed by adjusting the thickness.
  • a dielectric film e.g. a TiO 2 film
  • the light guide plate is manufactured so that the film thickness and refractive index of the reflective film are different in order to change the reflectance of the reflective member, there is a problem that the manufacturing becomes complicated. Also, if the transmittance of the light guide plate varies depending on the light emission position by changing the film thickness of the reflective film, etc., the appearance of the observed external scene will be the position of the observer's eyes and the viewing direction. There is a problem that changes depending on.
  • the prism reflection array 34 of the present embodiment employs a configuration in which the area ratio of the first inclined surface S341 per unit area on the exit surface is changed depending on the location of the exit surface. For this reason, as shown in FIG. 2B, in the region where the prism reflection array 34 is provided, on the side close to the coupling structure 32 (or the light receiving portion 30B of the light guide plate 30), between adjacent prisms 34A. Is provided with a flat portion (parallel surface S35), and the area ratio of the inclined surface S341 is set to be relatively low. On the other hand, as shown in FIG.
  • the prisms 34A are densely arranged without providing a flat portion between the adjacent prisms 34A.
  • the area ratio of the inclined surface S341 is set relatively high.
  • FIG. 2B and 2C show the arrangement of the prisms 34A in the region closest to the coupling structure 32 and the region farthest from the prism reflection array 34.
  • FIG. 2B In a region between these, a parallel surface that is narrower than the parallel surface S35 illustrated in FIG. 2B may be disposed between adjacent prisms 34A. That is, as the distance from the coupling structure 32 or the light receiving unit 30B increases, the interval (arrangement pitch) between the prisms 34A or the width of the parallel surface S35 provided between the prisms 34A may be gradually or gradually reduced.
  • the in-plane density (existence ratio per unit area) of the prism 34A may become denser as the distance from the light receiving unit 30B increases.
  • another reflective region for example, the parallel surface S35 provided between the adjacent prisms
  • the in-plane transmittance of the light guide plate 30 can be made uniform. Thereby, the brightness of the external scenery observed through the light guide plate 30 can be made uniform while making the emission intensity of the virtual image display light uniform, regardless of the location in the plane of the light guide plate 30.
  • the semi-reflective film 36 is provided so as to cover the first inclined surface S341 and the parallel surface S35 of the prism 34A.
  • the semi-reflective film 36 is not provided on the second inclined surface S342 of the prism 34A. That is, the light propagating through the light guide plate 30 is reflected by the first inclined surface S341 and the parallel surface S35 of the prism 34A and is not reflected by the second inclined surface S342. This is because if the second inclined surface S342 constitutes a reflection surface, light is reflected in an unexpected direction and becomes stray light, so that it becomes more difficult to display a high-quality virtual image. It is.
  • the reflective surface (sometimes referred to as an inclined reflective surface) formed by the semi-reflective film 36 covering the first inclined surface S341 as the arrangement density of the prisms in the X direction increases as described above. ) Increases when viewed from the normal direction of the light guide plate 30. That is, in the prism array 34A, the area ratio per unit area of the inclined reflecting surface is small on the side close to the coupling structure 32 (or the light receiving unit 30B of the light guide plate 30) and large on the far side.
  • the inclination angle ⁇ of the first inclined surface S341 of the prism 34A will be described with reference to FIGS. 3 (a) to 3 (c).
  • the light L1 emitted from the central region of the display element 10 passes through the coupling structure 32 and reaches the light guide plate 30. Invade inside.
  • emitted from the edge region of the display element 10 passes the coupling structure 32, it injects into the light-guide plate 30, These light L2 and L3 are shown to Fig.4 (a) and (b).
  • the light is incident on the coupling structure 32 at an angle different from the light L1 from the central region.
  • the path of the virtual image projection light L1 from the pixel in the central region of the display element 10 will be described with reference to FIGS.
  • the light L1 incident on the light guide plate 30 and traveling mainly along the X direction while repeating total reflection is reflected on the first inclined surface S341 of the prism 34A.
  • the reflected light is typically emitted in the normal direction n of the light exit surface S30 of the light guide plate 30.
  • the light L1 when the light L1 is emitted in the direction of the normal direction n of the light emitting surface S30, the light L1 is incident on the first inclined surface S341 of the prism 34A at an incident angle ⁇ (inclination of the first inclined surface S341). It is incident at the same angle as the angle ⁇ . Further, as shown in FIG. 3C, the light incident at the incident angle ⁇ is light traveling through the light guide plate 30 in a direction different from the normal direction n by an angle 2 ⁇ . ), The light can be totally reflected by the lower surface of the light guide plate 30.
  • ⁇ c represents a critical angle of the light guide plate 30, and light incident on the upper and lower surfaces of the light guide plate 30 at an incident angle equal to or greater than the critical angle ⁇ c is totally reflected.
  • the first inclination angle ⁇ of the prism is set to satisfy ⁇ c / 2 ⁇ ⁇ ⁇ 45 °.
  • the emission angle of the angle of view ⁇ ⁇ 0 in the horizontal direction (the propagation direction of the virtual image projection light in the light guide plate: the X direction described above).
  • Light can be emitted within a range (that is, within an angle range of ⁇ ⁇ 0 with the normal direction n as the center (0 °)).
  • the incident angle (refractive angle) of the light L2 and L3 emitted from the light emitting surface at an emission angle of ⁇ ⁇ 0 on the light guide plate side is ⁇ ⁇ 0 ′, as shown in FIG.
  • the lights L2 and L3 are light that travels in the light guide plate 30 in directions different from each other by an angle of 2 ⁇ ⁇ ⁇ 0 ′ with respect to the normal direction n and is reflected by a reflecting surface having an inclination angle ⁇ . Therefore, in the same manner as described above, ⁇ c ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ 0 ′ ⁇ 90 ° is required for the light propagating through the light guide plate 30 and reflected by the inclined surface having the inclination angle ⁇ to be emitted at the angle of view ⁇ ⁇ 0 . It is necessary to satisfy. That is, when ⁇ c + ⁇ 0 ′ ⁇ 2 ⁇ ⁇ 90 ⁇ 0 ′ is satisfied, the virtual image projection lights L2 and L3 are appropriately emitted in the direction of the angle of view ⁇ ⁇ 0 .
  • the display light emitted from the pixels at the ends (upper end, lower end, left end and right end) of the display region is collimated.
  • the direction forms a predetermined angle with the central direction.
  • the light emitted in the direction shifted from the normal direction of the light emitting surface shown in FIGS. 4A and 4B may be, for example, light emitted from a pixel at the end of the display element 10.
  • FIGS. 5A and 5B show a lower transparent member 301 constituting the light guide plate 30 and a refractive index n1 of the lower transparent member 301 on which the prism 34A is provided, and a flattening layer 38 covering the prism 34A.
  • the optical paths in the case where the refractive index n2 of the upper transparent member 302 substantially matches and the case where they do not match are shown.
  • the light is introduced from the coupling structure to the light guide plate.
  • the light that has been transmitted propagates through the light guide plate 30 by repeating total reflection while maintaining the reflection angle 2 ⁇ .
  • a part of the light passes through the semi-reflective film 36 provided on the first inclined surface S341 and enters the upper transparent member 302.
  • the light is reflected on the surface of the upper transparent member 302 while maintaining the same reflection angle 2 ⁇ .
  • the semi-reflective film 36 is transmitted.
  • the light is refracted at an angle corresponding to the relative refractive index between the lower transparent member 301 and the upper transparent member 302. Therefore, the light transmitted through the semi-reflective film 36 is reflected at a different reflection angle 2 ⁇ ′ and propagates through the light guide plate 30 without maintaining the reflection angle 2 ⁇ .
  • the light transmitted through the semi-reflective film 36 can be emitted in a direction shifted from the normal direction n of the light emitting surface S30. Further, the light that has been transmitted through the semi-reflective film 36 a plurality of times is reflected at different reflection angles 2 ⁇ ′′ and propagates through the light guide plate 30, so that it is emitted in a direction further deviated from the normal direction n of the light exit surface S 30. As described above, since the emission angle is different every time the light is transmitted through the semi-reflective film 36, as a result, the observed virtual image is blurred and the display quality is deteriorated.
  • display quality can be improved by matching the refractive index n1 of the lower transparent member 301 constituting the prism 34A with the refractive index n2 of the upper transparent member 302 covering the prism 34A. Can do.
  • the coupling structure 32 has a triangular prism shape, and has an elongated inclined surface S32 inclined with respect to the light emitting surface S30 as a light receiving surface.
  • the light from the display element 10 is collimated by the projection lens system 20 and enters the inclined surface S32.
  • the light introduced into the light guide plate 30 through the coupling structure 32 reaches the entire prism reflection array 34 (see FIG. 3 and the like) uniformly.
  • the condition for this is that light having a horizontal width of 2 t ⁇ tan 2 ⁇ or more is incident on the light receiving unit 30B.
  • t is the thickness of the light guide plate 30.
  • the width of the parallel beam light on the light receiving surface S32 of the coupling structure 32 is c ′.
  • the light having the width c ′ has c ′ (cos ( ⁇ ) + sin ( ⁇ ) tan (2 ⁇ )) as the horizontal width in the light receiving unit 30B of the light guide plate.
  • ⁇ is an angle formed by the light receiving surface S32 of the coupling structure 32 and the lower surface of the light guide plate.
  • c ′ cos ( ⁇ ) + sin ( ⁇ ) tan (2 ⁇ ) is 2t ⁇ tan2 ⁇ or more.
  • the width c (cos ( ⁇ ) + sin ( ⁇ ) tan (2 ⁇ )) in the horizontal direction of the light receiving surface S32 is equal to or greater than the above 2t ⁇ tan2 ⁇ . It is desirable. That is, it is preferable that c (cos ( ⁇ ) + sin ( ⁇ ) tan (2 ⁇ )) ⁇ 2t ⁇ tan2 ⁇ is satisfied.
  • the coupling structure 32 can appropriately receive the parallel beam light having a sufficient width c ′ and uniformly guide the parallel beam light to the entire prism reflection array 34 without hindering the progress thereof.
  • the coupling structure by appropriately selecting the shape and size of the coupling structure, it is possible to prevent the virtual image projection light received by the prism reflection array 34 from changing depending on the location. Thereby, it is possible to suppress the occurrence of unevenness in the virtual image light extracted from the light guide plate, and to realize a high-quality virtual image display.
  • the width c and the inclination angle ⁇ of the light receiving surface S32 using the above-described refraction angle ⁇ ⁇ 0 ′ Preferably satisfies the condition of c (cos ( ⁇ ) + sin ( ⁇ ) tan (2 ⁇ 0 ′)) ⁇ 2t ⁇ tan (2 ⁇ + ⁇ 0 ′). In this case, it is possible to suppress the occurrence of unevenness in the virtual image light extracted from the light guide plate, and to realize a high-quality virtual image display.
  • the width c of the light receiving surface S32 of the coupling structure 32 described above is a width defined in a direction orthogonal to the intersecting line between the light receiving surface S32 and the exit surface S30 (XY plane).
  • FIGS. 7A to 7C are diagrams showing various forms in the prism reflection array in which the area ratio per unit area of the inclined reflection surface of the prism 34A is changed along the X direction.
  • the prism reflection array 34a shown in FIG. 7A when the arrangement pitch of the prisms 34A is p, the prism width is a, and the width of the parallel surface S35 is b, the prisms are arranged between the prisms while keeping the prism width a coincident.
  • the width b of the parallel surface S35 is reduced along the X direction.
  • the pitch p of the prism 34A also decreases along the X direction.
  • the height h of the prism 34A is constant.
  • the prism width a is increased along the X direction while the pitch p of the prism 34A is kept constant, and the width b of the parallel surface S35 is decreased.
  • the size of the prism 34A is gradually increased along the X direction, and the height h of the prism 34A is also gradually increased.
  • the width b of the parallel surface S35 disposed between the prisms decreases along the X direction.
  • the height h of the prism 34A can be made substantially uniform over the entire prism reflection array. Therefore, there is an advantage that the surface can be easily flattened when the prism surface is filled with the flattening layer.
  • the inclination angle ⁇ of the second inclined surface S342 of the prism 34A is set as close to 90 ° as possible so that the semi-reflective film is easily formed selectively on the first inclined surface S341 and the parallel surface S35. It is advantageous. From such a viewpoint, the form shown in FIGS. 7A and 7B is preferable.
  • the prism arrangement pattern may take various forms, but in order to project virtual image light onto the observer's pupil via the prism reflection array, it is desirable that the prism pitch p is smaller than the pupil diameter. .
  • the pupil diameter varies from about 2 mm to about 8 mm depending on the environment. For this reason, if the maximum prism pitch p in the prism reflection array is set to 2 mm or less, an appropriate virtual image can be easily shown to the observer regardless of the environment.
  • the virtual image display device 100 includes the display element 10, the projection lens system 20, and the light guide plate 30, and can be obtained by appropriately arranging them.
  • the display element 10 and the projection lens system 20 those in various modes can be used as described above.
  • the display element 10, the projection lens system 20, and the light guide plate 30 may be appropriately arranged by a known method in accordance with the application, and will not be described in detail here.
  • the manufacturing process of the light guide of this embodiment comprised by the light-guide plate 30 and the coupling structure 32 is demonstrated.
  • a coupling structure 32 is provided at the end of the light guide plate 30.
  • the coupling structure 32 can be formed integrally with the light guide plate 30 by injection molding.
  • the present invention is not limited to this, and the coupling structure 32 may be formed separately from the light guide plate 30 and then bonded to the light guide plate 30.
  • the light guide plate 30 is provided with a prism reflection array 34.
  • a lower transparent member having the prism array on the surface is prepared.
  • Such a lower transparent member can be produced by using a known method such as injection molding or press molding.
  • a prism array may be separately provided on the lower transparent member by a 2p molding method (Photo Polymerization Process) or the like.
  • the lower transparent member and the prism array may be formed of different materials.
  • the semi-reflective film 36 may be provided on the first inclined surface S341 (and the parallel surface S35) of the prism 34A and not provided on the second inclined surface S342. preferable.
  • the second inclined surface S342 has reflectivity, the virtual image light propagating inside the light guide plate is reflected in a direction different from a predetermined direction (typically, the normal direction of the light emitting surface), and the virtual image light This is because blurs and ghosts occur.
  • the semi-reflective film 36 is formed on the first inclined surface S341 and the parallel surface S35 by an anisotropic deposition method such as oblique vapor deposition.
  • the semi-reflective film 36 to be formed may be a metal film or a dielectric film.
  • an Ag film having a thickness of 2 to 5 nm is used as the semi-reflective film 36.
  • the vapor deposition is not performed from the normal direction of the lower transparent member 301, but an oblique direction (for example, the first inclination) facing the first inclined surface S341 and not facing the second inclined surface S342. Vapor deposition is performed from the normal direction of the surface S341.
  • the semi-reflective film 36 is deposited in a rectangular region having x and y widths smaller than the outer dimension of the transparent member (light guide plate) by vapor deposition through a mask M or the like. May be provided only.
  • a rectangular region having x and y widths is a region where a prism array is formed, and the prism reflection array 34 is formed in this region.
  • the semi-reflective film may be formed on the entire lower transparent member without using the mask M, in this case, a prism array is provided in a region other than the region where the prism reflective array 34 is to be formed. Preferably not.
  • the prism reflection array 34 has a configuration including a convex prism on the surface of the lower transparent member 301, but unlike this, a concave shape is formed on the surface of the lower transparent member 301. Even when a configuration including a prism is employed, the prism reflection array 34 can be formed by the same method as described above.
  • a planarizing layer 38 (FIG. 2A, etc.) is provided on the prism array on which the semi-reflective film 36 is selectively provided as described above.
  • a material for the planarizing layer 38 a light (ultraviolet) curable resin, a thermosetting resin, a two-component epoxy resin, or the like can be used. After applying these resin materials on the prism array and pressurizing and filling them, the planarization layer 38 is formed by polymerizing and curing the resin. It is desirable that the refractive index of the material constituting the prism array (here, the lower transparent member 301) and the refractive index of the planarizing layer 38 are substantially the same.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a usage situation of the virtual image display device 100 of the present embodiment.
  • the virtual image display device 100 is used, for example, as a glasses-type head mounted display so that the prism reflection array 34 of the light guide plate 30 is positioned in front of the user's eyes.
  • the light from the display element 10 shown in FIG. 1A and the like is reflected by the prism reflection array 34, so that the observer can see the image of the display element 10 as a virtual image. Further, since the light of the outside scene from the other side of the semi-reflective film 36 reaches the eyes, the scenery on the back side can also be seen through the prism reflection array 34 at the same time.
  • the ratio per unit area in the plane of the first inclined surface S341 is small on the side close to the light receiving part of the light guide 30 (left side in FIG. 9), and on the far side (right side in FIG. 9). It ’s big. Thereby, it is possible to prevent the emission intensity of the virtual image display light from being high on the side close to the light receiving unit of the light guide 30 and to reduce the emission intensity from being low on the far side, and display a virtual image with uniform brightness.
  • a semi-reflective film 36 is also formed on the parallel surface S35 between the prisms.
  • the ratio of the semi-reflective film 36 is substantially constant over the entire prism reflective array 34.
  • Example 1 a more specific example (Example 1) of the virtual image display device 100 according to the first embodiment will be described.
  • Example 1 the lower transparent member 301 having a prism array on the surface was formed by an injection molding method using “ZEONEX” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd. as a material.
  • the injection molding method is a molding method in which a molding resin heated to have fluidity is injected into a mold at a high pressure to transfer the mold shape.
  • the prism width a was set to 0.25 mm, and the parallel surface width b was gradually decreased from the side closer to the coupling structure 32 toward the side farther from the coupling structure 32 along the X direction from 0.75 mm to 0 mm. Therefore, the prism pitch p varies from 1.0 mm to 0.25 mm, but even when the prism pitch p is the maximum (the region closest to the coupling structure 32), it is smaller than the minimum pupil diameter of 2 mm. At this time, the number of prisms included in the prism reflection array 34 is 49.
  • a transparent resin typified by acrylic or polycarbonate can be selected as a material of the lower transparent member 301.
  • a metal material such as Al or a dielectric material such as TiO 2 can be used.
  • an ultraviolet curable resin material “NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation was used as the material of the planarizing layer 38 .
  • the above resin material was applied onto the prism reflection array, filled under pressure, and then cured by polymerization by irradiation with ultraviolet rays.
  • the resin material for forming the planarizing layer 38 other transparent resins such as other known light (ultraviolet ray) curable resins, thermosetting resins, and two-part epoxy resins can be used.
  • the coupling structure 32 was molded integrally with the lower transparent member 301.
  • the inclination angle ⁇ of the light receiving surface in the coupling structure 32 was 52 °, and the width c was 6 mm.
  • the refractive index of the first transparent material that forms the lower transparent member 301 and the refractive index of the second transparent material that forms the planarizing layer 38 are substantially the same to prevent image blurring and the like. It is desirable to do.
  • the refractive index of the second transparent material “NT-32UV” is 1.52 as compared to the refractive index of 1.53 of the first transparent material “Zeonex”, and the refractive index is substantially the same in the combination of the above materials.
  • the see-through type virtual image display device was configured by combining the light guide plate thus produced with a virtual image projection device.
  • the angle of view of the virtual image projected by the virtual image projector is ⁇ 9.8 ° in the horizontal direction (the propagation direction of the virtual image projection light in the light guide plate: X direction), and ⁇ 5.5 ° in the vertical direction (Y direction). It was.
  • FIG. 10A is a diagram showing the prism pitch p corresponding to the prism array position and the width b of the parallel surface in the virtual image display device of Example 1 described above, and FIG. It is a figure which shows the angle dependence of an incident angle (or reflection angle) about the transmittance
  • the prism pitch p and the parallel surface width b are large on the side close to the light receiving unit 30B, and the prism pitch p and the parallel surface width b are on the side far from the light receiving unit 30B. Is getting smaller.
  • the transmittance of light incident substantially perpendicularly at an incident angle of 0 ° is high, and the reflectance and the absorptance are low. Further, the transmittance of light incident substantially horizontally at an incident angle of 90 ° is low, and the reflectance is high. Also, the absorption rate is somewhat low.
  • the virtual image display area is divided into five in the X direction and three in the Y direction. (5 ⁇ 3 table).
  • the numerical values described in each table are relative values (a) when the brightness of the center of the virtual image (FIG. 11 (a2)) when the observer's pupil is located at the center of the prism reflection array is 1. .U.).
  • the brightness at the center of the virtual image display area that is, the value shown at the center of the upper table
  • the brightness Show the distribution.
  • FIGS. 11 (a1) and 11 (b1) show that the position of the observer's pupil is shifted to the left side. In this case, FIGS. 11 (a3) and (b3) correspond to the case of shifting to the right side.
  • the brightness distribution in the virtual image is 75%.
  • the brightness at the center of the virtual image at this time is set to 1 (reference brightness).
  • the brightness distribution in the virtual image changes from 79% to 65% as shown in FIGS. 11 (a1) and (a3), and the brightness at the center of the virtual image is 15%. Varies.
  • the virtual image display device of Comparative Example 1 has the same configuration as that of Example 1 except for the configuration of the prism reflection array.
  • Example 1 the device of Example 1 in which the prism pitch p is decreased as the distance from the coupling structure 32 decreases, and the brightness uniformity is superior to the device of Comparative Example 1 in which the prism pitch p is constant. It can be seen that a virtual image can be provided.
  • the triangular prisms arranged so as to face the projection lens system 20 are used as the coupling structure 32, but other modes may be used.
  • another embodiment of the coupling structure 32a includes a triangular prism-shaped translucent member provided on the opposite side of the projection lens system 20 (upper surface side of the light guide 30), and It may have a reflective film provided on the slope of this translucent member.
  • a coupling structure 32b having a configuration obtained by dividing the coupling structure 32a shown in FIG. 12A may be used, and a triangular prism shape having a slope (reflection surface) may be used. An aspect in which the prisms are arranged horizontally may be employed.
  • a hologram diffraction grating arranged to face the projection lens system 20 on the lower surface side of the light guide 30 may be used.
  • a hologram diffraction grating provided on the upper surface side of the light guide 30 may be used.
  • FIG. 13A is a cross-sectional view illustrating the virtual image display device 200 according to the second embodiment.
  • the main difference between the virtual image display device 200 of the present embodiment and the virtual image display device 100 of the first embodiment is that, as shown in FIGS. 13B and 13C, on the lower transparent member 301 constituting the light guide plate 30.
  • the prism array 303 is formed using a material different from the lower transparent member 301 by the 2p molding method.
  • a dielectric film formed by vapor deposition with a predetermined film thickness is used as the semi-reflective film 36.
  • the same reference numerals are given to the same components as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment, and detailed description may be omitted.
  • the prism array 303 provided on the surface of the lower transparent member 301 is formed using a material (ultraviolet curable resin) different from the lower transparent member 301 by the 2p molding method.
  • the lower transparent member 301 may be a transparent member such as a glass substrate.
  • the 2p molding method is, for example, a molding method that performs the following steps. First, an ultraviolet curable resin material is applied to a stamper having a transfer mold formed on the surface. Thereafter, the transparent substrate is pressed from above the applied ultraviolet curable resin material to be pressure bonded. Thereafter, the resin is cured by irradiating ultraviolet rays through the transparent substrate, and then a mold release process is performed. Thereby, a transparent substrate provided with the transparent resin layer to which the transfer mold is transferred is obtained.
  • each of the prisms 34A has a first inclined surface S341 and a second inclined surface S342, and has an arrangement pattern in which a parallel surface S35 having a wider width is disposed between the prisms on the side closer to the coupling structure 32. You can do it.
  • the semi-reflective film 36 is formed by oblique deposition or the like so as to selectively cover the first inclined surface S341 and the parallel surface S35 of the prism 34A.
  • a dielectric film is used instead of a metal film. When a dielectric film is used, light is not absorbed unlike a metal film, so that light can be reflected with higher efficiency. Therefore, a brighter virtual image can be displayed.
  • an ultraviolet curable resin used for forming the prism array 303 can be used as a material of the planarization layer 38 that covers the prism reflection array 34.
  • the refractive indexes thereof can be made the same. If the same material is used, the refractive indexes of both of them including wavelength dispersion match, so that it is possible to suppress the occurrence of blurring and ghosting in both the virtual image and the outside scene.
  • each of the prisms constituting the prism array may have a concave prism shape as well as a convex shape from the parallel surface S35 toward the planarization layer 38 as illustrated.
  • a concave prism shape can be formed using an ultraviolet curable resin by a 2p molding method.
  • a prism reflection array having such a concave prism shape will be described.
  • Example 2 a more specific example (Example 2) of the virtual image display device 200 of the second embodiment will be described.
  • Example 2 a glass substrate was used as the lower transparent member 301, and a prism array 303 was formed on the lower transparent member 301 by a 2p molding method.
  • a transparent material for forming the prism array 303 an ultraviolet curable resin “NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation was used.
  • an ultraviolet curable resin is applied to a mold having irregularities corresponding to the prism array on the surface, and a glass substrate is placed, and then the ultraviolet curable resin is filled with pressure, and the resin is polymerized and cured by ultraviolet irradiation. Then, the mold shape can be transferred by releasing from the mold.
  • the width a of the prism was set to 0.25 mm, and the width b of the parallel surface was gradually reduced from 0.55 mm to 0 mm along the X direction from the side closer to the coupling structure 32 to the side farther from the side. Therefore, although the prism pitch p varies from 0.8 mm to 0.25 mm, even when the prism pitch p is maximum (the region closest to the coupling structure 32), it is smaller than the minimum pupil diameter of 2 mm. At this time, the number of prisms included in the prism reflection array is 60.
  • the lower transparent member 301 transparent substrate
  • a substrate made of a transparent resin typified by acrylic or polycarbonate can be used as the lower transparent member 301 (transparent substrate).
  • TiO 2 was obliquely deposited with a predetermined film thickness (about 65 nm) on a rectangular region having a width of 26 mm in the X direction and a width of 18 mm in the Y direction through a mask.
  • an ultraviolet curable resin “NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation is used as in the prism array 303, and the ultraviolet curable resin is provided on the prism array 303 provided with a semi-reflective film.
  • NT-32UV ultraviolet curable resin manufactured by Nitto Denko Corporation
  • the coupling structure 32 was made of glass separately from the light guide plate 30 and bonded to the light guide plate 30.
  • the inclination angle ⁇ of the light receiving surface in the coupling structure 32 was 52 °, and the width c was 6 mm.
  • the see-through type virtual image display device was configured by combining the light guide plate thus manufactured with a virtual image projection device.
  • the angle of view of the virtual image projected by the virtual image projector is ⁇ 9.8 ° in the horizontal direction (the propagation direction of the virtual image projection light in the light guide plate: X direction), and ⁇ 5.5 ° in the vertical direction (Y direction). It was.
  • FIG. 14A is a diagram showing the prism pitch p corresponding to the prism arrangement position and the parallel surface width b in the virtual image display device of Example 2, and FIG. 14B shows the semi-reflective film (TiO 2). It is a figure which shows the angle dependence of an incident angle (or reflection angle) about the transmittance
  • the prism pitch p and the width b of the parallel surface are large on the side close to the light receiving unit 30B, and the prism pitch p and the width b of the parallel surface on the side far from the light receiving unit 30B. Is getting smaller.
  • the transmittance of light incident substantially perpendicularly at an incident angle of 0 ° is high, and the reflectance is low. Further, the transmittance of light incident substantially horizontally at an incident angle of 90 ° is low, and the reflectance is high.
  • Example 2 since a TiO 2 film is used as the semi-reflective film, light absorption does not occur in the semi-reflective film.
  • the virtual image display area is divided into five in the X direction and three in the Y direction. (5 ⁇ 3 table).
  • the numerical values described in each table indicate that the brightness of the center of the virtual image (FIG. 11 (a2)) when the observer's pupil is located at the center of the prism reflection array in the first embodiment is 1 (reference brightness). Relative value (au) is shown. Further, in the lower part of FIGS. 15 (a1) to (a3) and (b1) to (b3), the brightness at the center of the virtual image display area (that is, the value shown in the center of the upper table) and the brightness are shown. Show the distribution.
  • Indicates. 15 (a2) and 15 (b2) show that when the position of the observer's pupil is located at the center of the prism reflection array region
  • FIGS. 15 (a1) and 15 (b1) show that the position of the observer's pupil is shifted to the left side.
  • FIGS. 15A3 and 15B3 correspond to the case of shifting to the right side.
  • the brightness distribution in the virtual image is 78%.
  • the brightness of the center of the virtual image is 1.3. That is, compared with the case where the metal reflective film of Example 1 was used, the brightness improvement of 30% was realized at the brightness of the center of the virtual image.
  • the brightness distribution in the virtual image and the center brightness are substantially constant.
  • the virtual image display device of Comparative Example 2 has the same configuration as that of Example 2 except for the configuration of the prism reflection array.
  • the virtual image display device 200 according to the second embodiment has been described above.
  • the coupling structure 32 has various modes as described with reference to FIGS. 12 (a) to 12 (d). You can do it.
  • FIG. 16A is a cross-sectional view illustrating a virtual image display device 300 according to the third embodiment.
  • the main difference between the virtual image display device 300 of the present embodiment and the virtual image display device 200 of the second embodiment is that the region outside the region where the prism reflection array 34 is provided, as shown in FIGS. Also in the above, a prism array is provided. However, the semi-reflective film is not provided on the prism array formed in these outer regions, and light is not reflected by the prism surface.
  • a prism reflection array is formed by the 2p molding method, as in the second embodiment. More specifically, a lower transparent member (for example, a glass substrate) 301 provided with a prism array 303 made of an ultraviolet curable resin was produced by a 2p molding method, and a semi-reflective film 36 was provided on the prism array. Thereafter, the light guide plate 30 is obtained by filling the uneven surface with the planarizing layer 38.
  • the ultraviolet curable resin for forming the prism array 303 for example, an ultraviolet curable resin “NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation can be used.
  • the semi-reflective film 36 has a thickness of about 65 nm and is formed by selectively depositing a TiO 2 film on the first inclined surface S341 of the prism and the parallel surface S35 provided between the prisms.
  • the second transparent material for forming the planarizing layer 38 the second transparent material (“NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation) used for forming the prism array 303 can be used.
  • the first transparent material and the second transparent material are the same, refraction at the interface can be prevented regardless of the wavelength of the incident light.
  • the prism array 303 ′ is also provided in an area other than the arrangement area of the prism reflection array 34. More specifically, the prism array may be provided on substantially the entire surface of the ultraviolet curable resin by using a stamper in which irregularities corresponding to the prism array are formed on substantially the entire surface.
  • the method for producing the lower transparent member having the prism array over the entire surface is not limited to the 2p molding method described above. For example, it can also be produced using an appropriate mold in injection molding.
  • the semi-reflective film 36 may be provided only in the region where the prism reflective array 34 is formed using the mask M as shown in FIG. Accordingly, as shown in FIGS. 16B and 16D, the prism array 303 ′ without the semi-reflective film 36 is provided in the outer region of the prism reflective array 34.
  • FIG. 17 shows a case where the prism array 303 ′ is provided in the outer region of the prism reflection array 34 (“supporting member” in the upper part of the figure) and a case where the prism array 303 ′ is not provided (lower part of the figure). [No support member]).
  • the prism array 303 ′ is formed in an area other than the arrangement area of the prism reflection array 34, so that these function as a transparent support member for supporting the planarizing layer 38.
  • the planarization layer 38 can be formed with high flatness.
  • the surface is formed on the surface by curing shrinkage of the transparent material in the step of forming the planarizing layer 38. Anybody or undulation occurs, affecting the display quality of the virtual image. In addition, the appearance quality of the light guide plate 30 is affected.
  • the refractive index is equal to the planarizing layer 38 that covers the prism array 303 ′, Light is not reflected or refracted on the surface of the prism array 303 ′. Accordingly, similarly to the other embodiments, the light L1 from the display element 10 propagates through the light guide plate 30 while being totally reflected toward the prism reflection array 34 at the reflection angle 2 ⁇ . Light can be appropriately emitted in the surface normal direction.
  • FIG. 19A is a cross-sectional view illustrating a virtual image display device 400 according to the fourth embodiment.
  • the main difference between the virtual image display device 400 of the present embodiment and the virtual image display device 200 of the second embodiment is that, as shown in FIG. 19C, in the prism reflection array 34, on the lower transparent member (transparent substrate) 301.
  • a prism array including a concave prism 34B is formed.
  • the flat portion (parallel surface S35) disposed between the prisms 34B is located above the first inclined surface S341 and the second inclined surface S342, that is, the light guide plate 30. Is located on the side close to the main surface S31 opposite to the main surface on which the light emitting surface S30 is provided.
  • Such a prism array is formed by a transparent member 304 formed relatively thick. Accordingly, as shown in FIGS. 19B and 19D, the thickness portion 304 'of the transparent member 304 functions as a transparent support member.
  • the thickness t2 of the transparent member 304 conforms to the size (height) of the prism 34B.
  • the surface of the thickness portion 304 'of the transparent member 304 is preferably in the same plane as the parallel plane S35.
  • the prism reflection array 34 is formed by the 2p molding method. More specifically, a prism array (transparent member 304) including concave prisms 34B is formed on a transparent substrate (for example, a glass substrate) 301 by a 2p molding method.
  • the light guide plate 30 is obtained by providing the semi-reflective film 36 on the prism array and then filling the uneven surface with the planarizing layer 38.
  • an ultraviolet curable resin “NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation can be used.
  • the semi-reflective film 36 has a thickness of about 65 nm and is formed by selectively depositing a TiO 2 film on the first inclined surface of the prism and a parallel surface provided between the prisms.
  • a transparent material similar to the prism array (“NT-32UV” manufactured by Nitto Denko Corporation) is used as a transparent material for forming the planarizing layer 38, refraction at the interface is possible regardless of the wavelength of incident light. Can be prevented.
  • a thickness portion 304 ′ of the transparent member 304 exists in an outer region of the region where the prism reflection array 34 is provided, and this functions as a support member.
  • the upper surface of the planarization layer 38 can be flattened as in the case of the third embodiment shown in FIG.
  • the surface of the thickness portion 304 ′ of the transparent member 304 is a flat surface, and the interface with the flattening layer 38 provided thereon is also flat.
  • the semi-reflective layer 36 may be provided in the outer region of the prism reflection array 34. Even if the semi-reflective film 36 is provided on the thickness portion 304 ′, the light propagating inside the light guide plate is not reflected at an undesired angle, and the progress of the light is not impaired. In such a form, in the step of forming the semi-reflective film 36, the semi-reflective film 36 may be deposited on the entire surface without providing the mask M as shown in FIG. 8, thereby simplifying the manufacturing process. be able to.
  • the light exit surface S30 of the light guide plate 30 is not necessarily a flat surface, and may be a concave curved surface (spherical surface or aspherical surface), for example.
  • This specification discloses a light guide and a virtual image display device described in the following items.
  • a coupling structure having a light receiving surface for receiving light from the display element;
  • a light guide plate having a light receiving portion on which light from the coupling structure is incident, and a plurality of light guide plates arranged so as to reflect light that is incident from the light receiving portion and propagates mainly along a first direction inside
  • a light guide plate that includes a reflection structure, and emits light reflected from the plurality of reflection structures from an emission surface;
  • Each of the plurality of reflective structures has a reflective surface inclined with respect to the exit surface, The light guide, wherein an area ratio of the inclined reflecting surface per unit area varies depending on a distance from the light receiving unit in the first direction when viewed from the normal direction of the emission surface.
  • the angle between the reflection surface and the exit surface is ⁇
  • the angle between the light receiving surface of the coupling structure and the exit surface is ⁇
  • the width of the light receiving surface of the coupling structure is 3.
  • the light guide according to item 1 or 2 wherein a width defined in a direction orthogonal to the line of intersection with the emission surface is c, and a thickness of the light guide plate is t.
  • Each of the plurality of reflecting structures has a prism structure, and the reflecting surface is provided on one surface of the prism structure, and the prism per unit area when viewed from the normal direction of the emitting surface. 4.
  • Item 7 The light guide according to Item 5 or 6, wherein a reflecting surface is also formed on the parallel surface.
  • Item 8 The light guide according to any one of Items 4 to 7, further comprising a planarizing layer that is in contact with the plurality of prism structures and covers the plurality of prism structures and having a substantially flat surface.
  • the flatness of the surface of the light guide plate can be improved.
  • the flatness of the surface of the light guide plate can be improved.
  • the light guide of item 12 it is possible to visually recognize the scenery of the outside world and to display an image formed by the display device as a virtual image.
  • the light guide according to the present invention can be used for virtual image display devices such as HMD and HUD.

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Abstract

　ライトガイドは、表示素子（１０）からの光を受け取る受光面を有するカップリング構造（３２）と、カップリング構造からの光が入射する受光部を有する導光板（３０）であって、受光部（３０Ｂ）から入射して内部を主として第１の方向に沿って伝搬する光を反射するように配置された複数の反射部（３４Ａ）を備え、複数の反射部において反射された光を出射面から出射させる導光板（３０）とを有し、複数の反射部のそれぞれは、出射面に対して傾いた反射面を有しており、出射面の法線方向から見たときに、単位面積当たりにおける傾いた反射面の面積比率が、受光部からの距離に応じて異なる。

Description

ライトガイドおよび虚像表示装置
　本発明は、ライトガイドおよびこれを用いた虚像表示装置に関する。
　近年、ヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイとして、小型の表示素子が形成した画像を虚像として拡大して表示する虚像表示装置の開発が進められている。虚像表示装置は、表示素子から出射された光を、導光板やコンバイナなどを用いて、観察者の眼の方向に投影するように構成されている。シースルータイプの虚像表示装置では、導光板やコンバイナ越しに見える外界の風景に、表示素子が形成する画像の虚像を重畳させて表示することも可能である。このような虚像表示装置を用いれば、ＡＲ（拡張現実）環境を容易に提供することができる。
　特許文献１は、外界の風景に重ねて虚像を表示するシースルータイプの虚像表示装置を開示している。この虚像表示装置は、表示素子を含む画像光学システムと、光ガイド部材とを備えている。光ガイド部材には、その端部に配置されたカップリング部を介して、表示素子からの光がコリメートされて入射される。カップリング部から入射されたコリメート光は、光ガイド部材の内部を伝搬した後、画像取り出し用の回折格子で反射され、光ガイド部材の光出射面から出射される。観察者は、光出射面を介して、その奥側に虚像を見ることができる。なお、特許文献１において、光ガイド部材に設けられた画像取り出し用の回折格子は、例えば、鋸歯状の断面を有する凹凸構造の斜面に半反射膜が設けられた構成を有している。
　また、特許文献２には、表示素子からの光をプリズムを介して導光板に入射させ、この光を導光板に設けられた反射アレイで反射する虚像表示装置が開示されている。プリズムは、導光板の端部近傍に設けられており、導光板の内部を他方の端部に向かって伝搬する。また、反射アレイとしては、複数の楔形の凹部構造が用いられている。より具体的には、反射アレイは、導光板の光出射面に対して傾斜した反射面と、光出射面に平行な平行面と、反射面と平行面との間に配置された他の傾斜面とを含むように構成されている。
特開２００４-１５７５２０号公報 米国特許第８６６５１７８号明細書
　しかしながら、本発明者の検討によると、従来の虚像表示装置では、観察される虚像の明るさが導光板の光出射面の面内位置によって異なる場合があり、明るさのムラによって表示画像の品位が低下する場合があることがわかった。また、従来の虚像表示装置では、導光板やコンバイナを介して観察する外界の風景の明るさが均一に見えない場合があることが分かった。
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、観察される虚像の明るさのムラ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虚像表示装置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、表示素子からの光を受け取る受光面を有するカップリング構造と、前記カップリング構造からの光が入射される受光部を有する導光板であって、前記受光部から入射して内部を主として第１の方向に沿って伝搬する光を反射するように配置された複数の反射構造を備え、前記複数の反射構造において反射された光を出射面から出射させる導光板とを有し、前記複数の反射構造のそれぞれは、前記出射面に対して傾いた反射面を有しており、前記出射面の法線方向から見たときに、前記第１の方向において、単位面積当たりにおける前記傾いた反射面の面積比率が、前記受光部からの距離に応じて異なる。
　ある実施形態において、前記受光部からの距離がより近い領域における前記傾いた反射面の面積比率は、前記受光部からの距離がより遠い領域における前記傾いた反射面の面積比率よりも小さい。
　ある実施形態において、前記反射面と前記出射面とがなす角度をαとし、前記カップリング構造の受光面と前記出射面とのなす角度をγとし、前記カップリング構造の受光面の幅であって前記受光面と前記出射面との交線に対し直交する方向に規定される幅をｃとし、前記導光板の厚さをｔとしたとき、ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α））≧２ｔ・ｔａｎ（２α）を満足する。
　ある実施形態において、前記複数の反射構造のそれぞれはプリズム構造を有しており、前記反射面は前記プリズム構造の一面に設けられており、前記出射面の法線方向から見たときに、単位面積当たりにおける前記プリズム構造の存在比率が、前記第１の方向に沿って前記受光部から離れるにしたがって増加している。
　ある実施形態において、前記複数の反射構造が含む複数の前記プリズム構造の配列において、隣接するプリズム構造の間には出射面と略平行な平行面が配置されており、前記平行面の幅は、前記受光部により近い第１の位置でより広く、前記受光部により遠い第２の位置でより狭い。
　ある実施形態において、前記第２の位置よりもさらに前記受光部から遠い第３の位置において、前記プリズム構造の間には前記平行面が配置されておらず、隣接するプリズム構造が接している。
　ある実施形態において、前記平行面にも反射面が形成されている。
　ある実施形態において、前記複数のプリズム構造と接し、前記複数のプリズム構造を覆う、表面が実質的に平面である平坦化層をさらに有する。
　ある実施形態において、前記複数のプリズム構造は、第１の透明材料を用いて２ｐ成形法によって成形されており、前記平坦化層も、前記第１の透明材料を用いて形成されている。
　ある実施形態において、前記反射面を有するプリズム構造が設けられた領域の外側において、反射面を有しないプリズム構造が設けられている。
　ある実施形態において、前記反射面を有するプリズム構造が設けられた領域の外側において、前記プリズム構造と同じ高さを有する支持構造が設けられている。
　ある実施形態において、前記反射面は、前記導光体の内部を伝搬する光の一部を反射し、かつ、一部を透過するように形成された半反射面である。
　本発明の実施形態による虚像表示装置は、上記のいずれかのライトガイドと前記表示素子とを備え、前記ライトガイドの前記カップリング構造は前記表示素子から虚像投影光を受け取るように構成されている。
　ある実施形態において、前記反射面と前記出射面とがなす角度をαとし、前記カップリング構造の受光面と前記出射面とのなす角度をγとし、前記カップリング構造の受光面の幅であって前記受光面と前記出射面との交線に対し直交する方向に規定される幅をｃとし、前記導光板の厚さをｔとし、前記出射面から出射される前記虚像投影光の前記第１の方向における画角を±θｏとし、前記画角±θｏで出射される光の前記導光板における屈折角をθｏ’としたとき、ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α－θｏ’））≧２ｔ・ｔａｎ（２α＋θｏ’）を満足する。
　本発明の実施形態によると、導光板を介して観察される虚像や風景の明るさのムラを抑制することができるライトガイドが提供される。また、本発明の実施形態によると、そのようなライトガイドを用いて構成される虚像表示装置が提供される。
本発明の実施形態１による虚像表示装置を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 実施形態１による虚像表示装置を模式的に示す図であり、（ａ）は全体構成を示す側面図であり、（ｂ）はプリズム反射アレイ領域におけるカップリング構造に近い領域でのプリズムの配列を示す断面図であり、（ｃ）はプリズム反射アレイ領域におけるカップリング構造に遠い領域でのプリズムの配列を示す断面図であり、（ｄ）は１つのプリズムを示す断面図である。 実施形態１の虚像表示装置におけるライトガイドでの虚像投影光の経路を示す図であり、（ａ）はカップリング構造における光の経路、（ｂ）はプリズム反射アレイにおける光の経路、（ｃ）はプリズムで反射される光の経路を示す断面図である。 画角±θ0だけ法線方向からずれた出射光となる光の経路を示す図であり、（ａ）はカップリング構造における光の経路、（ｂ）はプリズムで反射される光の経路を示す断面図である。 プリズム反射アレイにおける光の経路を示す断面図であり、（ａ）は下側透明部材と平坦化層とで屈折率が同等である場合を示し、（ｂ）は下側透明部材と平坦化層とで屈折率が異なる場合を示す。 カップリング構造に入射した光の経路を示す断面図であり、（ａ）は法線方向に出射される光のカップリング構造近傍での経路を示し、（ｂ）は画角±θ0だけ法線方向からずれた方向に出射される光のカップリング構造近傍での経路を示す。 プリズム反射アレイにおけるプリズムの配列パターンの例を示す断面図であり、（ａ）～（ｃ）はそれぞれ別の態様を示す。 プリズム反射アレイにおける半反射膜の形成工程を説明するための図であり、（ａ）は斜方蒸着を説明するための断面図であり、（ｂ）はマスクを設けて所定領域に半反射膜を設ける形態を説明するための斜視図である。 実施形態１の虚像表示装置の使用状態を示す断面図である。 （ａ）は実施例１におけるプリズムピッチ等の変化を示す図であり、（ｂ）は実施例１における半反射膜の透過率、反射率、吸収率についての入射角（反射角）依存性を示す図である。 実施例１および比較例１において虚像の明るさの場所による違いを説明するための図であり、（ａ１）～（ａ３）は実施例１の場合を示し、（ｂ１）～（ｂ３）は比較例１の場合を示す。 カップリング構造の種々の形態を示す図であり、（ａ）～（ｄ）はそれぞれ別の形態を示す。 実施形態２による虚像表示装置を模式的に示す図であり、（ａ）は全体構成を示す側面図であり、（ｂ）はプリズム反射アレイ領域におけるカップリング構造に近い領域でのプリズムの配列を示す断面図であり、（ｃ）はプリズム反射アレイ領域におけるカップリング構造に遠い領域でのプリズムの配列を示す断面図である。 （ａ）は実施例２におけるプリズムピッチ等の変化を示す図であり、（ｂ）は実施例における半反射膜の透過率、反射率、吸収率についての入射角（反射角）依存性を示す図である。 実施例２および比較例２において虚像の明るさの場所による違いを説明するための図であり、（ａ１）～（ａ３）は実施例２の場合を示し、（ｂ１）～（ｂ３）は比較例２の場合を示す。 実施形態３による虚像表示装置を模式的に示す図であり、（ａ）は全体構成を示す側面図であり、（ｂ）はプリズム反射アレイの外側におけるカップリング構造に近い領域での導光板の構成を示す断面図であり、（ｃ）はプリズム反射アレイでのプリズムの配列を示す断面図であり、（ｄ）はプリズム反射アレイの外側におけるカップリング構造に遠い領域での導光板の構成を示す断面図である。 実施形態３の虚像表示装置のように透明支持部材を備える場合と、実施形態３の虚像表示装置とは異なり透明支持部材を備えない場合とのそれぞれについて、導光板表面の形状を示す断面図である。 実施形態３の虚像表示装置における光の経路を示す断面図である。 実施形態４による虚像表示装置を模式的に示す図であり、（ａ）は全体構成を示す側面図であり、（ｂ）はプリズム反射アレイの外側におけるカップリング構造に近い領域での導光板の構成を示す断面図であり、（ｃ）はプリズム反射アレイでのプリズムの配列を示す断面図であり、（ｄ）はプリズム反射アレイの外側におけるカップリング構造に遠い領域での導光板の構成を示す断面図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態によるライトガイド、および、これを用いた虚像表示装置を説明する。ここでは、虚像表示装置の一例として、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の構成を説明するが、本発明はこれに限られない。また、以下に説明するライトガイドは、ＨＭＤだけでなく、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などの他の態様の虚像表示装置にも使用し得る。
（実施形態１）
　図１（ａ）および（ｂ）は、実施形態１の虚像表示装置１００の構成を模式的に示す斜視図および平面図である。また、図２（ａ）は、虚像表示装置１００の構成を模式的に示す側面図である。
　虚像表示装置１００は、表示素子１０と、表示素子１０から出射された光を受けとり、これをコリメートする投影レンズ系（コリメート光学系）２０とを備えている。虚像表示装置１００はまた、投影レンズ系２０から出射された光を受けとる平板状の導光板３０を備えている。
　導光板３０の片側主面の端部において、投影レンズ系２０からの光Ｌを受けとるカップリング構造３２が設けられている。本実施形態では、カップリング構造３２として、導光板３０の一辺（図１（ｂ）に示すＹ方向）に沿って延びる三角柱状のプリズムが用いられている。なお、本明細書では、導光板３０とカップリング構造３２とを含む光学素子をライトガイドと称することがある。
　この構成において、表示素子１０からの出射光（画像表示光）Ｌは、投影レンズ系２０でコリメートされ、その後、導光板３０の端部に設けられたカップリング構造３２に入射する。カップリング構造３２に入射した平行ビーム光（虚像投影光）は、導光板３０の端部の受光部３０Ｂ、すなわち、カップリング構造３２が設けられた部分から、主として第１の方向に沿って導光板３０の内部を伝搬する。ここで、第１の方向とは、カップリング構造３２から導光板３０の反対側の辺に向かう面内方向であり、図１（ｂ）に示すＸ方向（上記のＹ方向と面内で直交する方向）を意味する。
　なお、カップリング構造３２から導光板３０に導入される光Ｌは、図１および図２に示すように、進行方向がわずかに異なる複数の光ビームを含んでいる。ここで、表示素子１０の中央領域から出射された光は、図１（ｂ）に示すＸ方向と平行な方向に進む光ビームに対応し、表示素子１０の端領域から出射された光は、Ｘ方向と非平行な方向に進む光ビームに対応する。
　表示素子１０および投影レンズ系２０としては、公知のものを広く用いることができる。表示素子１０として、例えば、透過型液晶表示パネルまたは有機ＥＬ表示パネルを用い、投影レンズ系２０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、表示素子１０として、反射型液晶表示パネル（ＬＣＯＳ）を用い、投影レンズ系２０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。表示素子１０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。なお、投影レンズ系２０から出射される光ビームの直径は、投影レンズ系２０によって調整されてよい。また、カップリング構造３２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。
　導光板３０は、例えば透明の樹脂材料やガラスなどから形成された平板を用いて構成されており、導光板３０の主面は、空気に対して露出している。このため、図２（ａ）に示すように、導光板３０の受光部３０Ｂから入射し、その内部を伝搬する光は、導光板３０の上下の主面において全反射し得る。より具体的には、外側媒質（ここでは空気）に対する導光板３０の相対屈折率に応じて決定される臨界角以上の入射角で導光板３０の上下の主面に入射した光は界面で全反射する。そして、全反射を繰り返しながら導光板３０の内部を主として第１の方向（Ｘ方向）に沿って伝搬する。なお、本明細書では、便宜上、導光板３０それぞれの主面を、図面に即して上面および下面と呼んで区別することがあるが、実際の使用状態における上下の位置関係を意味するものではないことは言うまでもない。
　導光板３０には、プリズム反射アレイ３４が設けられている。図１（ｂ）に示すように、プリズム反射アレイ３４は、導光板３０の面内のＸ方向において幅ｘを有しＹ方向において幅ｙを有する矩形状領域Ｒｒに設けられている。図２（ａ）に示すように、導光板３０の端部に位置する受光部３０Ｂから入射し、導光板３０の内部を全反射しながら伝搬する光は、プリズム反射アレイ３４で反射され、導光板３０の下面の光出射面Ｓ３０から外部へと出射される。プリズム反射アレイ３４は、光出射面Ｓ３０の主として法線方向に光を出射するように構成されている。なお、光出射面Ｓ３０の法線方向は、上記のＸ方向およびＹ方向に直交するＺ方向に対応する。
　図２（ｂ）および（ｃ）に示すように、プリズム反射アレイ３４は、複数のプリズム３４Ａを含んでいる。プリズム３４Ａのそれぞれは、導光板３０の光出射面Ｓ３０に対して所定の角度範囲で傾斜する第１の傾斜面Ｓ３４１と、第１の傾斜面Ｓ３４１とプリズムの稜線３４ｒで接続される第２の傾斜面Ｓ３４２とを有している。それぞれのプリズム３４Ａにおいて、第１の傾斜面Ｓ３４１は、受光部３０Ｂに対して、第２の傾斜面Ｓ３４２よりも遠い側に配置される傾斜面である。
　図２（ｄ）に示すように、第１の傾斜面Ｓ３４１と、光出射面Ｓ３０に平行な面（以下、Ｘ－Ｙ平面と呼ぶことがある）とがなす角度をαとし、第２の傾斜面Ｓ３４２とＸ－Ｙ平面とがなす角度をβとする。角度αは、例えば１０°～４５°であり、角度βは例えば６０°～９０°である。ここで、図２（ｄ）に示すように、導光板３０における受光部３０Ｂが設けられた側の端部から、他方の端部に向かう方向をＸ方向の正とする断面を考える。この断面において、第１の傾斜面Ｓ３４１の傾斜角度αは、Ｘ－Ｙ平面を基準（０°）として第１の傾斜面Ｓ３４１が時計回りに正となる角度であり、第２の傾斜面Ｓ３４２の傾斜角度βは、第２の傾斜面Ｓ３４２が半時計回りに正となる角度である。
　また、第１の傾斜面Ｓ３４１および後述する平行面Ｓ３５と接し、これらを選択的に覆うように、半反射膜３６がプリズム３４Ａ上に設けられている。半反射膜３６は、例えば、薄い金属膜や誘電体膜から形成されており、入射する光の一部を反射させ、かつ、光の一部を透過させることができる。この構成において、導光板３０の内部を伝搬する光を第１の傾斜面Ｓ３４１および平行面Ｓ３５で部分的に反射させるとともに、導光板３０の上面外側から入射する光（外界からの光）を導光板３０の下面側に透過させることができる。
　また、半反射膜３６が設けられたプリズム反射アレイ３４を覆うように、平坦化層３８が設けられている。平坦化層３８は、導光板３０を構成する下側透明部材３０１に形成されたプリズム反射アレイ３４の凹凸構造を埋めるように設けられており、導光板３０の上面を平坦化する。また、導光板３０の内部を伝搬し半反射膜３６を透過した光は、平坦化層３８の上面で全反射し得るので、全反射を繰り返しながら導光体内部を伝搬し、プリズム反射アレイ３４に到達する。
　図２（ｂ）に示すように、本実施形態の導光板３０に設けられたプリズム反射アレイ３４において、カップリング構造３２（または受光部３０Ｂ）に近い位置では、隣接するプリズム３４Ａの間にスリット状の平坦部（平行面Ｓ３５）が設けられている。他方、図２（ｃ）に示すように、カップリング構造３２（または受光部３０Ｂ）から離れた位置では、隣接するプリズム３４Ａの間に上記の平坦部が設けられておらず、プリズム３４Ａが近接して配置されている。
　ここで、上記のようにプリズム反射アレイ３４の場所によってプリズムの配列パターンを変えている理由を説明する。プリズム反射アレイ３４で反射された光が導光板３０から出射されるとき、出射面Ｓ３０の場所によって明るさが異なって観察される場合がある。これは、導光板３０に設けられた反射部材（ここではプリズム反射アレイ３４）における反射面の分布が一様であると、表示素子１０からの光が入射する受光部３０Ｂに近い側で出射される平行ビーム光の強度が高く、遠い側で出射される平行ビーム光の強度が低くなることが原因の一つであると考えられる。
　このような出射光強度の面内の不均一性を低減するために、光出射面の位置に応じて、反射部材の反射率を調整することが考えられる。例えば、特許文献２には、導光板の光入射部分から遠いほど、反射部材の反射率を増加させることが記載されている。反射部材として金属膜（例えばＡｌ膜）を用いる場合、その厚さを調整することによって反射率を変化させることができる。あるいは、反射部材として誘電体膜（例えばＴｉＯ2膜）を用いる場合、その屈折率を調整することによって反射率を変化させることができる。
　しかし、反射部材の反射率を変えるために、反射膜の膜厚や屈折率が異なるように導光板を作製すると、製造が煩雑になるという問題がある。また、反射膜の膜厚などを異ならせることで、導光板の透過率が光出射位置によって異なるものになってしまうと、観察される外界風景の見え方が観察者の目の位置や見る方向によって変化してしまうという問題がある。
　そこで、本実施形態のプリズム反射アレイ３４では、出射面における単位面積あたりの第１の傾斜面Ｓ３４１の面積比率を、出射面の場所によって変化させる構成を採用している。このために、図２（ｂ）に示すように、プリズム反射アレイ３４が設けられた領域内において、カップリング構造３２（または導光板３０の受光部３０Ｂ）に近い側では、隣接するプリズム３４Ａ間に平坦部（平行面Ｓ３５）を設けて上記の傾斜面Ｓ３４１の面積比率を比較的低く設定している。一方で、図２（ｃ）に示すように、カップリング構造３２（または導光板３０の受光部３０Ｂ）から遠い側では、隣接するプリズム３４Ａ間に平坦部を設けることなくプリズム３４Ａを密集して配置することで、傾斜面Ｓ３４１の面積比率を比較的高く設定している。
　なお、図２（ｂ）と図２（ｃ）には、プリズム反射アレイ３４におけるカップリング構造３２に最も近い領域と最も遠い領域とにおけるプリズム３４Ａの配列を示している。これらの間の領域においては、図２（ｂ）に示す平行面Ｓ３５よりも幅が狭い平行面が、隣接するプリズム３４Ａ間に配置されていてよい。すなわち、カップリング構造３２や受光部３０Ｂから遠ざかるにつれて、プリズム３４Ａ間の間隔（配列ピッチ）、あるいは、プリズム３４Ａ間に設けられる平行面Ｓ３５の幅が次第にあるいは段階的に狭められていてよい。プリズム反射アレイ３４において、プリズム３４Ａの面内密度（単位面積当たりの存在比率）が、受光部３０Ｂから離れるにしたがって、より密になっていてよい。
　このように第１の傾斜面Ｓ３４１の面積比率を面内の場所によって変化させる構成において、第１の傾斜面Ｓ３４１以外に別の反射領域（例えば、上記の隣接プリズム間に設けられた平行面Ｓ３５）を形成することもできる。このような別の反射領域を設けることで、導光板３０の面内透過率を一様にすることが可能である。これにより、導光板３０の面内の場所にかかわらず、虚像表示光の出射強度を均一にしつつ、導光板３０を介して観察される外界の風景の明るさを均一にすることができる。
　なお、半反射膜３６は、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１と、平行面Ｓ３５とを覆うように設けられている。一方で、プリズム３４Ａの第２の傾斜面Ｓ３４２には、半反射膜３６が設けられていない。すなわち、導光板３０の内部を伝搬する光は、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１と平行面Ｓ３５とにおいて反射され、第２の傾斜面Ｓ３４２では反射されない。これは、第２の傾斜面Ｓ３４２が反射面を構成していると、想定していない方向に光が反射し、これが迷光となるため、高品位な虚像表示を行うことがより困難になるからである。
　以上に説明した構成において、上記のようなＸ方向におけるプリズムの配列密度の増加に伴って、第１の傾斜面Ｓ３４１を覆う半反射膜３６が形成する反射面（傾斜反射面と呼ぶことがある）の単位面積当たりの面積比率が、導光板３０の法線方向から見たときに増加する。つまり、プリズムアレイ３４Ａにおいて、傾斜反射面の単位面積当たりの面積比率は、カップリング構造３２（または導光板３０の受光部３０Ｂ）に近い側で小さく、遠い側で大きい。
　これにより、プリズム反射アレイ３４が配置された領域内で、虚像反射光を均一に取り出すことが可能になる。また、上記の構成では、半反射膜３６を、プリズム間の平行面Ｓ３５にも設けているので、プリズム反射アレイ３４の全体にわたって導光板３０の透過率が大きく変化することがない。したがって、導光板３０を介して見える外界の風景の明るさが、観察者の位置や視線方向によって大きく変化することが防止される。
　次に、図３（ａ）～（ｃ）を参照しながら、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１の傾斜角度αについて説明する。図３（ａ）に示すように、表示素子１０（図１（ａ）、図２（ａ）参照）の中央領域から出射された光Ｌ１は、カップリング構造３２を通過して導光板３０の内部へと侵入する。なお、表示素子１０の端領域から出射された光も、カップリング構造３２を通過して導光板３０に入射するが、これらの光Ｌ２、Ｌ３は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、カップリング構造３２に対して、中央領域からの光Ｌ１とは異なる角度で入射する。まず、図３（ａ）～（ｃ）を参照しながら、表示素子１０の中央領域の画素からの虚像投影光Ｌ１の経路について説明する。
　図３（ｂ）に示すように、導光板３０に入射し、全反射を繰り返しながら主としてＸ方向に沿って進む光Ｌ１は、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１において反射される。反射された光は、典型的には、導光板３０の光出射面Ｓ３０の法線方向ｎに出射される。
　ここで、光Ｌ１が光出射面Ｓ３０の法線方向ｎの方向に出射する場合、光Ｌ１は、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１に対して入射角α（第１の傾斜面Ｓ３４１の傾斜角度αと同じ角度）で入射している。また、図３（ｃ）に示すように、この入射角αで入射する光は、導光板３０中を、法線方向ｎに対して角度２αだけ異なる方向に進む光であり、図３（ｂ）に示すように、導光板３０の下面で全反射され得る光である。このため、導光板３０の内部を全反射を繰り返して第１の傾斜面Ｓ３４１に到達し、反射されて法線方向ｎに沿って出射される条件としては、θｃ≦２α＜９０°を満たす必要がある。ここで、θｃは導光板３０の臨界角を表し、臨界角θｃ以上の入射角で導光板３０の上面および下面に入射する光は全反射される。以上のことから、プリズムの第１の傾斜角αは、θｃ／２≦α＜４５°を満たすように設定されていることが好ましい。
　また、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、虚像表示装置１００において、水平方向（導光板内の虚像投影光の伝搬方向：上記のＸ方向）の画角±θ0の出射角範囲（すなわち、法線方向ｎを中心（０°）として±θ0の角度範囲内）で光が出射され得る。ここで、光出射面から±θ0の出射角で出射される光Ｌ２、Ｌ３の導光板側の入射角（屈折角）を±θ0’とすると、図４（ｂ）に示すように、光Ｌ２、Ｌ３は、法線方向ｎに対して２α±θ0’の角度だけ異なる方向で導光板３０の内部を進行し、傾斜角度αを有する反射面で反射される光である。したがって、上記と同様に、導光板３０の内部を伝搬し、傾斜角αの傾斜面で反射された光が画角±θ0で出射されるには、θｃ≦２α±θ0’＜９０°を満たす必要がある。すなわち、θｃ＋θ0’≦２α＜９０－θ0’を満たす場合に、画角±θ0の方向に虚像投影光Ｌ２、Ｌ３が適切に出射される。
　なお、表示素子１０の中央領域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。図４（ａ）および（ｂ）に示した、光出射面の法線方向からずれた方向に出射される光は、例えば、表示素子１０の端の画素から出射された光であってよい。
　図５（ａ）および（ｂ）は、導光板３０を構成する下側透明部材３０１であって、プリズム３４Ａが設けられる下側透明部材３０１の屈折率ｎ１と、プリズム３４Ａを覆う平坦化層３８としての上側透明部材３０２の屈折率ｎ２とが略一致している場合と、一致していない場合とのそれぞれにおける光の経路を示す。
　図５（ａ）に示すように、プリズム３４Ａが形成された下側透明部材３０１と、プリズム３４Ａを覆う上側透明部材３０２とで屈折率が一致している場合、カップリング構造から導光板に導入された光は、反射角２αを保ったまま、全反射を繰り返して導光板３０の内部を伝搬する。このとき、一部の光は、第１の傾斜面Ｓ３４１に設けられた半反射膜３６を透過して、上側透明部材３０２に侵入する。ただし、上側透明部材３０２の表面で、同じ反射角２αを保ったまま反射される。このため、半反射膜３６を透過せずに反射した光と同様に、傾斜角度αを持つ反射面で反射され、光出射面Ｓ３０の法線方向ｎに沿って導光板３０を出射し得る。
　一方で、図５（ｂ）に示すように、プリズム３４Ａが形成された下側透明部材３０１と、プリズム３４Ａを覆う上側透明部材３０２とで屈折率が一致しない場合、半反射膜３６を透過する光は、下側透明部材３０１と上側透明部材３０２との相対屈折率に応じた角度で屈折する。このため、半反射膜３６を透過した光は、反射角２αを保つことなく、異なる反射角２α’で反射して導光板３０内を伝搬する。したがって、半反射膜３６を透過せずに反射した光とは異なり、半反射膜３６を透過した光は光出射面Ｓ３０の法線方向ｎからずれた方向に出射し得る。さらに、半反射膜３６を複数回透過した光は、さらに異なる反射角２α”で反射されて導光板３０内を伝搬するので、光出射面Ｓ３０の法線方向ｎからさらにずれた方向に出射され得る。このように、半反射膜３６を透過するたびに出射角度が異なるものとなるので、結果的に、観察される虚像がぼやけて表示品位が低下するという問題が生じ得る。
　以上のことからわかるように、プリズム３４Ａを構成する下側透明部材３０１の屈折率ｎ１と、プリズム３４Ａを覆う上側透明部材３０２の屈折率ｎ２とを適合させておけば、表示品位を向上させることができる。
　次に、図６（ａ）および（ｂ）を参照しながら、カップリング構造３２の形状について説明する。
　上述のように、本実施形態では、カップリング構造３２は三角柱状の形状を有しており、受光面として、光出射面Ｓ３０に対して傾斜した細長形状の傾斜面Ｓ３２を有している。この傾斜面Ｓ３２に対して、表示素子１０からの光が投影レンズ系２０によってコリメートされたうえで入射する。
　このとき、表示素子１０の中央領域から出射された光について、カップリング構造３２を介して導光板３０に導入された光が、プリズム反射アレイ３４（図３など参照）の全体について一様に到達するための条件は、図６（ａ）に示すように、水平方向の幅として２ｔ・ｔａｎ２α以上の幅を有する光が受光部３０Ｂにおいて入射することである。ここで、ｔは導光板３０の厚さである。より幅が狭い入射光が導入される場合、導光板３０の内部において光が伝搬しない領域が形成され得、また、プリズム反射アレイ３４についても局所的にしか光が到達しないおそれがある。この場合、面内で均一な反射光が得られないおそれがある。
　一方、カップリング構造３２の受光面Ｓ３２での平行ビーム光の幅をｃ’とする。この幅ｃ’を有する光は、導光板の受光部３０Ｂにおいては水平方向の幅として、ｃ’（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α））を有する。ここで、γは、カップリング構造３２の受光面Ｓ３２と導光板下面とがなす角度である。この場合、面内で均一な反射光を得やすくするためには、ｃ’（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α））が２ｔ・ｔａｎ２α以上であることが望まれる。
　このとき、カップリング構造３２の受光面Ｓ３２の幅ｃについては、受光面Ｓ３２の水平方向における幅ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α））が、上記の２ｔ・ｔａｎ２α以上であることが望まれる。すなわち、ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α））≧２ｔ・ｔａｎ２αを満たすことが好ましい。この条件を満たすとき、カップリング構造３２は、十分な幅ｃ’を有する平行ビーム光を適切に受け取り、その進行を阻害することなく、プリズム反射アレイ３４の全体に一様に導くことができる。
　このようにカップリング構造の形状やサイズを適切に選択することによって、プリズム反射アレイ３４が受ける虚像投影光が場所によって変化することを防止することができる。これにより、導光板から取り出される虚像光にムラが生じることを抑制し、高品位な虚像表示を実現することができる。
　なお、図６（ｂ）に示すように、虚像の水平方向の画角（±θ0）を考慮すると、上述した屈折角±θ0’を用いて、受光面Ｓ３２の幅ｃおよび傾斜角γは、ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α－θ0’））≧２ｔ・ｔａｎ（２α＋θ0’）の条件を満たすことが好ましい。この場合に、導光板から取り出される虚像光にムラが生じることを抑制し、高品位な虚像表示を実現することができる。
　なお、以上に説明したカップリング構造３２の受光面Ｓ３２の幅ｃは、受光面Ｓ３２と出射面Ｓ３０（Ｘ－Ｙ平面）との交線に対し直交する方向に規定される幅であり、Ｘ－Ｚ平面（断面）における角度γの方向に規定される受光面Ｓ３２の寸法である。
　図７（ａ）～（ｃ）は、プリズム反射アレイにおいて、プリズム３４Ａの傾斜反射面の単位面積当たりの面積比率をＸ方向に沿って変化させる種々の形態を示す図である。
　図７（ａ）に示すプリズム反射アレイ３４ａでは、プリズム３４Ａの配列ピッチをｐ、プリズム幅をａ、平行面Ｓ３５の幅をｂとすると、プリズム幅ａを一致させたまま、プリズム間に配置される平行面Ｓ３５の幅ｂをＸ方向に沿って減少させている。これにともなって、プリズム３４ＡのピッチｐもＸ方向に沿って減少する。なお、この形態において、プリズム３４Ａの高さｈは一定である。
　図７（ｂ）に示すプリズム反射アレイ３４ｂでは、プリズム３４Ａのピッチｐを一定に保ったまま、Ｘ方向に沿ってプリズム幅ａを増加させ、かつ、平行面Ｓ３５の幅ｂを減少させている。この場合、プリズム３４ＡのサイズがＸ方向に沿って徐々に大きくなり、プリズム３４Ａの高さｈも徐々に高くなる。また、プリズム間に配置される平行面Ｓ３５の幅ｂは、Ｘ方向に沿って減少する。
　図７（ｃ）に示すプリズム反射アレイ３４ｃでは、プリズム間に平行面を配置せず（すなわち、プリズムピッチｐ＝プリズム幅ａ）、プリズム３４Ａの形状をＸ方向に沿って変化させている。より具体的には、プリズム３４Ａは、Ｘ方向に沿って、第２の傾斜面Ｓ３４２の傾斜角度βが増加するように形状が変化している。これにより、プリズム３４Ａのピッチｐやプリズム幅ａがＸ方向に沿って減少する。ただし、本形態では、プリズムの高さｈは一定に維持されている。
　図７（ａ）および（ｃ）に示す形態では、プリズム３４Ａの高さｈをプリズム反射アレイの全体にわたって略均一にすることができる。したがって、平坦化層でプリズム面を埋めるときに、表面を平坦にしやすいという利点が得られる。
　また、プリズム３４Ａの第２の傾斜面Ｓ３４２の傾斜角度βは、第１の傾斜面Ｓ３４１や平行面Ｓ３５に半反射膜が選択的に形成されやすいように、なるべく９０°に近く設定することが有利である。このような観点からは、図７（ａ）および（ｂ）に示した形態が好適である。
　このように、プリズムの配列パターンとしては種々の態様を取り得るが、プリズム反射アレイを介して虚像光を観察者の瞳に投射するためには、プリズムピッチｐが瞳孔径よりも小さいことが望ましい。なお、瞳孔径は、環境によって２ｍｍから８ｍｍ程度まで変化する。このため、プリズム反射アレイ中で最大のプリズムピッチｐを２ｍｍ以下に設定すれば、環境によらず適切な虚像を観察者に見せやすい。
　次に、虚像表示装置１００の製造方法を説明する。図２（ａ）などに示したように、虚像表示装置１００は、表示素子１０、投影レンズ系２０、導光板３０を備えており、これらを適切に配置することで得られる。表示素子１０および投影レンズ系２０としては、上述したように、種々の態様のものを用いることができる。また、表示素子１０、投影レンズ系２０、導光板３０は、用途に合わせて公知の方法により適切に配置されていればよく、ここでは詳細に説明しない。以下には、導光板３０およびカップリング構造３２によって構成される本実施形態のライトガイドの製造工程について説明する。
　本実施形態において、導光板３０の端部にはカップリング構造３２が設けられている。カップリング構造３２は、射出成形により導光板３０と一体に形成することができる。ただし、これに限られず、カップリング構造３２を導光板３０とは別に形成し、その後、導光板３０に対して接着してもよい。
　また、導光板３０には、プリズム反射アレイ３４が設けられている。本実施形態では、プリズム反射アレイ３４を形成するために、まず、プリズムアレイを表面に有する下側透明部材を作製する。このような下側透明部材は、例えば、射出成形やプレス成形などの公知の方法を利用して作製することができる。あるいは、下記の実施形態２において説明するように、下側透明部材上に２ｐ成形法（Ｐｈｏｔｏ　Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）などによって別個にプリズムアレイを設けてもよい。この場合、下側透明部材とプリズムアレイとは異なる材料から形成されていてもよい。
　次に、図８（ａ）および（ｂ）を参照しながら、プリズムアレイが表面に形成された下側透明部材３０１に半反射膜３６を形成する工程を説明する。
　図８（ａ）に示すように、半反射膜３６は、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１（および平行面Ｓ３５）に設けられ、かつ、第２の傾斜面Ｓ３４２には設けられないことが好ましい。第２の傾斜面Ｓ３４２が反射性を持つと、導光板の内部を伝搬する虚像光が、所定方向（典型的には光出射面の法線方向）とは異なる方向に反射されて、虚像のぼけやゴーストが発生するからである。
　このため、本実施形態では、図８（ａ）に示すように、斜方蒸着などの異方性を有する堆積方法によって、第１の傾斜面Ｓ３４１および平行面Ｓ３５の上に、半反射膜３６を形成する。形成する半反射膜３６は、金属膜や誘電体膜などであってよい。本実施形態では、半反射膜３６として、厚さ２～５ｎｍのＡｇ膜を用いる。斜方蒸着では、下側透明部材３０１の法線方向から蒸着を行うのではなく、第１の傾斜面Ｓ３４１に対面しかつ第２の傾斜面Ｓ３４２に対面しない斜め方向（例えば、第１の傾斜面Ｓ３４１の法線方向）から蒸着を行う。
　また、図８（ｂ）に示すように、半反射膜３６は、マスクＭを介して蒸着するなどして、透明部材（導光板）の外側寸法より小さいｘ、ｙの幅を持つ矩形領域にのみ設けられてもよい。ｘ、ｙの幅を持つ矩形領域は、プリズムアレイが形成されている領域であり、この領域においてプリズム反射アレイ３４が形成される。なお、マスクＭを用いずに下側透明部材の全体に対して半反射膜を形成してもよいが、この場合は、プリズム反射アレイ３４を形成すべき領域以外の領域にはプリズムアレイが設けられないことが好ましい。
　なお、本実施形態において、プリズム反射アレイ３４は、下側透明部材３０１の表面において凸状のプリズムを含む構成を有しているが、これとは異なり、下側透明部材３０１の表面において凹状のプリズムを含む構成を採用する場合においても、上記と同様の方法によってプリズム反射アレイ３４を形成することができる。
　その後、上記のように選択的に半反射膜３６が設けられたプリズムアレイ上に平坦化層３８（図２（ａ）など）を設ける。平坦化層３８の材料としては、光（紫外線）硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、２液性エポキシ樹脂などを用いることができる。これらの樹脂材料をプリズムアレイ上に塗布し、加圧充填した後、樹脂を重合硬化させることによって平坦化層３８が形成される。なお、プリズムアレイを構成する材料（ここでは下側透明部材３０１）の屈折率と、平坦化層３８の屈折率とは略一致していることが望ましい。
　図９は、本実施形態の虚像表示装置１００の使用状況を説明する図である。図９に示すように、虚像表示装置１００は、例えば、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイとして、使用者の眼前に導光板３０のプリズム反射アレイ３４が位置するようにして使用される。
　このとき、図１（ａ）などに示した表示素子１０からの光がプリズム反射アレイ３４で反射されることによって、観察者は、表示素子１０の画像を虚像として見ることができる。また、半反射膜３６の向こう側からの外界風景の光が眼に届くので、プリズム反射アレイ３４を介して奥側の風景も同時に見ることができる。
　虚像表示装置１００では、第１の傾斜面Ｓ３４１の面内における単位面積当たりの比率が、導光体３０の受光部に近い側（図９における左側）で小さく、遠い側（図９における右側）で大きい。これにより、導光体３０の受光部に近い側で虚像表示光の出射強度が高く、遠い側で出射強度が低くなることが防止され、明るさが一様な虚像を表示することができる。
　また、第１の傾斜面Ｓ３４１に加えて、プリズム間の平行面Ｓ３５にも半反射膜３６が形成されている。この構成では、半反射膜３６が設けられていない領域は第２の傾斜面Ｓ３４２上だけであるので、プリズム反射アレイ３４の全体にわたって、半反射膜３６の存在割合が略一定である。これにより、導光板３０の透過率の場所依存性を低減することができるので、観察者の眼の位置によって外界の明るさが変化することを抑制し、また、正面視以外の視線方向についても、視界内での外界の明るさの変化を抑制できる。
　以下、実施形態１の虚像表示装置１００のより具体的な実施例（実施例１）を説明する。
　実施例１では、表面にプリズムアレイを有する下側透明部材３０１を、日本ゼオン（株）製「ゼオネックス」を材料として用いて射出成形法によって形成した。射出成形法は、加熱して流動性を持たせた成形樹脂を高圧で金型に注入して金型形状を転写する成形方法である。
　下側透明部材３０１（導光板３０）の平面サイズは、Ｘ＝４５ｍｍ、Ｙ＝３０ｍｍとした。プリズムの形状は、α＝２６°、β＝８５°とした。また、プリズムアレイは、カップリング構造３２が配置された端面を基準としてＸ方向に沿って１５ｍｍの位置から４１ｍｍの位置までのｘ＝２６ｍｍの幅を有する領域に設けた。
　また、プリズムの幅ａ＝０．２５ｍｍとし、平行面の幅ｂは０．７５ｍｍから０ｍｍまで、カップリング構造３２に近い側から遠い側に向けてＸ方向に沿って徐々に小さくした。したがって、プリズムピッチｐは１．０ｍｍから０．２５ｍｍまで変化するが、プリズムピッチｐが最大の場合（カップリング構造３２に最も近い領域）でも最小瞳孔径２ｍｍよりは小さい。このとき、プリズム反射アレイ３４に含まれるプリズムの個数は４９個となる。なお、下側透明部材３０１の材料としては、その他、アクリル、ポリカーボネイトに代表される透明樹脂などを選択できる。
　半反射膜３６として、マスクを介して、Ｘ方向の幅ｘ＝２６ｍｍ、Ｙ方向の幅ｙ＝１８ｍｍを有する矩形状の領域に、所定の膜厚（約３ｎｍ）でＡｇを斜方蒸着した。半反射膜３６の材料としては、その他、Ａｌなどの金属材料や、ＴｉＯ2などの誘電体材料などを用いることができる。
　平坦化層３８の材料としては、日東電工（株）製の紫外線硬化型樹脂材料「ＮＴ－３２ＵＶ」を用いた。プリズム反射アレイ上に上記の樹脂材料を塗布、加圧充填し、その後、紫外線を照射することによって重合により硬化させた。なお、平坦化層３８を形成するための樹脂材料としては、その他の公知の光（紫外線）硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、２液製エポキシ樹脂などの様々な透明樹脂を使用できる。また、導光板３０の総厚はｔ＝２．２ｍｍとした。
　なお、カップリング構造３２は下側透明部材３０１と一体で成形した。カップリング構造３２における受光面の傾斜角度γ＝５２°とし、幅ｃ＝６ｍｍとした。
　上記の下側透明部材３０１を形成する第１透明材料の屈折率と、平坦化層３８を形成する第２透明材料の屈折率とは、略一致していることが、画像のボケなどを防止するためには望ましい。第１透明材料「ゼオネックス」の屈折率１．５３に対し、第２透明材料「ＮＴ－３２ＵＶ」の屈折率は１．５２であり、上記の材料の組み合わせでは屈折率が略同等である。
　このようにして作製した導光板を虚像投影装置と組み合わせてシースルー型の虚像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）を構成した。なお、虚像投影装置が投影する虚像の画角は、水平方向（導光板内の虚像投影光の伝搬方向：Ｘ方向）で±９．８°、垂直方向（Ｙ方向）で±５．５°とした。
　図１０（ａ）は、上述の実施例１の虚像表示装置における、プリズム配列位置に対応するプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂを示す図であり、図１０（ｂ）は、半反射膜（Ａｇ膜）の透過率、反射率、吸収率について、入射角（または反射角）の角度依存性を示す図である。
　図１０（ａ）に示すように、プリズム反射アレイにおいて、受光部３０Ｂに近い側でプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂは大きく、受光部３０Ｂに遠い側でプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂは小さくなっている。また、図１０（ｂ）に示すように、実施例１の虚像表示装置において、入射角０°で略垂直に入射する光の透過率は高く、反射率および吸収率は低い。また、入射角９０°で略水平に入射する光の透過率は低く、反射率は高い。また、吸収率も多少低くなっている。
　次に、図１１を参照しながら、プリズム反射アレイを上記の実施例１のように構成した場合（図１１（ａ１）～（ａ３））と、プリズム反射アレイのプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂを一定にした比較例１の場合（図１１（ｂ１）～（ｂ３））とで、出射光強度が面内においてどのように変化するかを説明する。
　図１１（ａ１）～（ａ３）、（ｂ１）～（ｂ３）の上段に、虚像の表示領域をＸ方向に５分割、Ｙ方向に３分割したときの各分割領域の中央部における虚像の相対的な明るさを示す（５×３の表）。後述するように、各表に記載の数値は、観察者の瞳がプリズム反射アレイの中央に位置する場合の虚像中央の明るさ（図１１（ａ２））を１としたときの相対値（ａ．ｕ．）を示している。また、図１１（ａ１）～（ａ３）、（ｂ１）～（ｂ３）の下段には、虚像表示領域の中央部における明るさ（すなわち、上段の表の中心に示される値）および明るさの分布を示す。
　図１１（ａ１）および（ｂ１）は、観察者の瞳の位置が、導光板端面からＸ＝２３ｍｍ（プリズム反射アレイ領域でｘ＝８ｍｍ）の位置にある場合を示す。同様に、図１１（ａ２）および（ｂ２）は、Ｘ＝２８ｍｍ（ｘ＝１３ｍｍ）、図１１（ａ３）および（ｂ３）は、Ｘ＝３３ｍｍ（ｘ＝１８ｍｍ）の位置に観察者の瞳がある場合を示す。図１１（ａ２）および（ｂ２）は、観察者の瞳の位置がプリズム反射アレイ領域の中央に位置する場合、図１１（ａ１）および（ｂ１）は観察者の瞳の位置が左側にずれた場合、図１１（ａ３）および（ｂ３）は右側にずれた場合に該当する。
　実施例１の虚像表示装置において、図１１（ａ２）に示すように、観察者の瞳がプリズム反射アレイ領域の中央の位置にある場合、虚像内の明るさの分布は７５％である。このときの虚像中央の明るさを１（基準明るさ）とする。瞳の位置が水平方向にずれると、虚像内の明るさの分布は、図１１（ａ１）および（ａ３）に示すように、７９％から６５％まで変化し、虚像中央の明るさは１５％程度変化する。なお、上記の虚像内の明るさの分布は、輝度の最小値（ｍｉｎ）／輝度の最大値（ｍａｘ）で規定されるものであり、明るさのばらつきが小さいほど、１００％（＝１）に近い値をとる。
　一方、比較例１の虚像表示装置は、プリズム反射アレイの構成を除いて実施例１と同様の構成を有する。比較例１では、プリズム反射アレイにおいて、一定のピッチ（プリズム幅ａ＝０．２５ｍｍ、平行面幅ｂ＝０．２８ｍｍ、プリズムピッチｐ＝０．５３ｍｍ）でプリズムを形成している。この場合も、プリズム反射アレイに含まれるプリズムの個数は４９個となる。
　比較例１の虚像表示装置において、図１１（ｂ２）に示すように、観察者の瞳がプリズム反射アレイ領域の中央の位置にある場合、虚像内の明るさの分布は５０％であり、実施例１に比べて均一性が低い。このときの虚像中央の明るさは０．９９で実施例１と同程度である。
　ただし、瞳の位置が水平方向にずれると、図１１（ｂ１）および（ｂ３）に示すように、虚像内の明るさの分布は６５％から４６％まで変化する。したがって、観察者の見る位置や視線の方向によって、明暗のばらつき程度が変わる。また、比較例１では、虚像中央の明るさが、図１１（ｂ１）および（ｂ３）に示すように、１．７５から０．６８まで大きく変化してしまう。したがって、使用者の見る位置や視線の方向によって、明るさが均一でない虚像が提供されてしまう。
　以上の結果から、プリズムピッチｐをカップリング構造３２から離れるにしたがって小さくする実施例１の装置では、プリズムピッチｐを一定にする比較例１の装置に比べて、明るさの均一性に優れた虚像を提供できることがわかる。
　以下、図１２（ａ）～（ｄ）を参照しながら、導光板３０の端部に設けられるカップリング構造３２の種々の変形例を説明する。
　実施形態１の虚像表示装置１００では、投影レンズ系２０に面するように配置された三角柱状のプリズムをカップリング構造３２として用いたが、他の態様であってもよい。例えば、図１２（ａ）に示すように、別の態様のカップリング構造３２ａは、投影レンズ系２０の反対側（導光体３０の上面側）に設けた三角柱状の透光性部材と、この透光性部材の斜面に設けられた反射膜とを有していてよい。
　また、図１２（ｂ）に示すように、図１２（ａ）に示したカップリング構造３２ａを分割した構成を有するカップリング構造３２ｂを用いてもよく、斜面（反射面）を有する三角柱状のプリズムが横に並べられた態様であってもよい。また、図１２（ｃ）に示すカップリング構造３２ｃのように、導光体３０の下面側において投影レンズ系２０に面するように配置されたホログラム回折格子が用いられてもよい。また、図１２（ｄ）に示すカップリング構造３２ｄのように、導光体３０の上面側に設けられたホログラム回折格子が用いられてもよい。
（実施形態２）
　図１３（ａ）は、実施形態２の虚像表示装置２００を示す断面図である。本実施形態の虚像表示装置２００が実施形態１の虚像表示装置１００と異なる主な点は、図１３（ｂ）および（ｃ）に示すように、導光板３０を構成する下側透明部材３０１上の所定の位置において、２ｐ成形法によって、下側透明部材３０１とは別個の材料を用いてプリズムアレイ３０３が形成される点である。また、虚像表示装置２００では、半反射膜３６として、所定の膜厚で蒸着により形成された誘電体膜が用いられている。なお、虚像表示装置２００において、実施形態１の虚像表示装置１００と同様の構成要素には、同じ参照符号を付すとともに、詳細な説明を省略することがある。
　虚像表示装置２００において、下側透明部材３０１の表面に設けられるプリズムアレイ３０３は、２ｐ成形法によって、下側透明部材３０１とは別の材料（紫外線硬化性樹脂）を用いて形成されている。下側透明部材３０１は、ガラス基板などの透明部材であってよい。
　２ｐ成形法とは、例えば、次のような工程を行う成形法である。まず、表面に転写型が形成されたスタンパに紫外線硬化性樹脂材料を付与する。その後、付与した紫外線硬化性樹脂材料の上から透明基板を押し当てて圧着する。その後、透明基板越しに紫外線を照射して樹脂を硬化させてから、離型プロセスを行う。これによって、転写型が転写された透明樹脂層を備える透明基板が得られる。
　このように２ｐ成形法によれば、透明基板（下側透明部材３０１）上に、紫外線硬化性樹脂から形成されたプリズムアレイ３０３が設けられた構造体が得られる。なお、プリズムアレイ３０３は、実施形態１と同様の構成であってよい。すなわち、それぞれのプリズム３４Ａが、第１の傾斜面Ｓ３４１と第２の傾斜面Ｓ３４２とを有し、カップリング構造３２により近い側でプリズム間により幅が広い平行面Ｓ３５が介される配列パターンを有していてよい。
　また、半反射膜３６は、実施形態１と同様に、プリズム３４Ａの第１の傾斜面Ｓ３４１と平行面Ｓ３５とを選択的に覆うように、斜方蒸着などによって形成されている。ただし、本実施形態では、金属膜ではなく、誘電体膜が用いられている。誘電体膜を用いる場合、金属膜のように光の吸収が生じないので、より高い効率で光を反射させることができる。したがって、より明るい虚像の表示を行うことができる。
　また、プリズム反射アレイ３４を覆う平坦化層３８の材料としては、プリズムアレイ３０３を形成するために用いた紫外線硬化性樹脂を用いることができる。このように、プリズムアレイ３０３と平坦化層３８とを同じ材料で形成することによって、これらの屈折率を同じにすることができる。同じ材料を用いれば、波長分散を含めて両者の屈折率が一致するので、虚像と外界風景との両方でぼけやゴーストの発生を抑制できる。
　なお、プリズムアレイを構成するプリズムのそれぞれは、図示したような、平行面Ｓ３５から平坦化層３８に向かって凸状をなす形状であるだけでなく、凹状のプリズム形状であってもよい。この場合にも、２ｐ成形法によって紫外線硬化性樹脂を用いて凹状のプリズム形状を形成することができる。後述する実施形態４では、このような凹状のプリズム形状を有するプリズム反射アレイについて説明する。
　以下、実施形態２の虚像表示装置２００のより具体的な実施例（実施例２）を説明する。
　実施例２では、下側透明部材３０１としてガラス基板を用い、この下側透明部材３０１上に２ｐ成形法によってプリズムアレイ３０３を形成した。プリズムアレイ３０３を形成する透明材料としては、日東電工（株）製の紫外線硬化樹脂「ＮＴ－３２ＵＶ」を用いた。２ｐ成形法では、プリズムアレイに対応した凹凸を表面に有する金型に紫外線硬化樹脂を塗布し、さらにガラス基板を配置した上で紫外線硬化樹脂を加圧により充填し、紫外線照射により樹脂を重合硬化させた後、金型から離型することで金型形状を転写することができる。
　導光板３０の平面サイズは、Ｘ＝４５ｍｍ、Ｙ＝３０ｍｍとした。プリズムの形状は、α＝２６°、β＝８５°とした。また、プリズムアレイは、カップリング構造３２が配置された端面を基準としてＸ方向に沿って１５ｍｍの位置から４１ｍｍの位置までのｘ＝２６ｍｍの幅を有する領域に設けた。
　また、プリズムの幅ａ＝０．２５ｍｍとし、平行面の幅ｂは０．５５ｍｍから０ｍｍまでカップリング構造３２に近い側から遠い側に向けてＸ方向に沿って徐々に小さくした。したがって、プリズムピッチｐは０．８ｍｍから０．２５ｍｍまで変化するが、プリズムピッチｐが最大の場合（カップリング構造３２に最も近い領域）でも最小瞳孔径２ｍｍよりは小さい。このとき、プリズム反射アレイに含まれるプリズムの個数は６０個となる。なお、下側透明部材３０１（透明基板）としては、その他、アクリル、ポリカーボネイトに代表される透明樹脂からなる基板を用いることができる。
　半反射膜３６として、マスクを介して、Ｘ方向の幅２６ｍｍ、Ｙ方向の幅１８ｍｍを有する矩形状の領域に、所定の膜厚（約６５ｎｍ）でＴｉＯ2を斜方蒸着した。
　平坦化層３８の材料には、プリズムアレイ３０３と同様に、日東電工（株）製の紫外線硬化樹脂「ＮＴ－３２ＵＶ」を用い、半反射膜を設けたプリズムアレイ３０３上に、この紫外線硬化樹脂を塗布、加圧充填し、これを紫外線照射により重合硬化させて平坦化層３８を形成した。また、導光板３０の総厚はｔ＝２．２ｍｍとした。
　なお、カップリング構造３２は、導光板３０とは別にガラスで作製し、これを導光板３０に接着した。カップリング構造３２における受光面の傾斜角度γ＝５２°とし、幅ｃ＝６ｍｍとした。
　このように作製した導光板を虚像投影装置と組み合わせてシースルー型の虚像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）を構成した。なお、虚像投影装置が投影する虚像の画角は、水平方向（導光板内の虚像投影光の伝搬方向：Ｘ方向）で±９．８°、垂直方向（Ｙ方向）で±５．５°とした。
　図１４（ａ）は、実施例２の虚像表示装置における、プリズム配列位置に対応するプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂを示す図であり、図１４（ｂ）は、半反射膜（ＴｉＯ2膜）の透過率および反射率について、入射角（または反射角）の角度依存性を示す図である。
　図１４（ａ）に示すように、プリズム反射アレイにおいて、受光部３０Ｂに近い側でプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂは大きく、受光部３０Ｂに遠い側でプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂは小さくなっている。また、図１４（ｂ）に示すように、実施例２の虚像表示装置において、入射角０°で略垂直に入射される光の透過率は高く、反射率は低い。また、入射角９０°で略水平に入射される光の透過率は低く、反射率は高い。なお、実施例２では、半反射膜としてＴｉＯ2膜を用いているので、半反射膜における光の吸収は生じない。
　次に、図１５を参照しながら、プリズム反射アレイを上記の実施例２のように構成した場合（図１５（ａ１）～（ａ３））と、プリズム反射アレイのプリズムピッチｐおよび平行面の幅ｂを一定にした比較例２の場合（図１５（ｂ１）～（ｂ３））とで、出射光強度が面内においてどのように変化するかを説明する。
　図１５（ａ１）～（ａ３）、（ｂ１）～（ｂ３）の上段に、虚像の表示領域をＸ方向に５分割、Ｙ方向に３分割したときの各分割領域の中央部における虚像の相対的な明るさを示す（５×３の表）。各表に記載の数値は、上記の実施例１における、観察者の瞳がプリズム反射アレイの中央に位置する場合の虚像中央の明るさ（図１１（ａ２））を１（基準明るさ）としたときの相対値（ａ．ｕ．）を示している。また、図１５（ａ１）～（ａ３）、（ｂ１）～（ｂ３）の下段には、虚像表示領域の中央部における明るさ（すなわち、上段の表の中心に示される値）および明るさの分布を示す。
　図１５（ａ１）および（ｂ１）は、観察者の瞳の位置が、導光板端面からＸ＝２３ｍｍ（プリズム反射アレイ領域でｘ＝８ｍｍ）の位置にある場合を示す。同様に、図１５（ａ２）および（ｂ２）はＸ＝２８ｍｍ（ｘ＝１３ｍｍ）、図１５（ａ３）および（ｂ３）はＸ＝３３ｍｍ（ｘ＝１８ｍｍ）の位置に観察者の瞳がある場合を示す。図１５（ａ２）および（ｂ２）は、観察者の瞳の位置がプリズム反射アレイ領域の中央に位置する場合、図１５（ａ１）および（ｂ１）は観察者の瞳の位置が左側にずれた場合、図１５（ａ３）および（ｂ３）は右側にずれた場合に該当する。
　実施例２の虚像表示装置において、図１５（ａ２）に示すように、観察者の瞳がプリズム反射アレイ領域の中央の位置にある場合、虚像内の明るさの分布は７８％である。このときの虚像中央の明るさは１．３である。すなわち、実施例１の金属反射膜を用いた場合に比べて、虚像中央の明るさで３割の明るさ向上が実現できた。瞳の位置が水平方向にずれた場合にも、図１５（ａ１）および（ａ３）に示すように、虚像内の明るさの分布と中央の明るさはほぼ一定である。
　一方、比較例２の虚像表示装置は、プリズム反射アレイの構成を除いて実施例２と同様の構成を有する。比較例２では、プリズム反射アレイにおいて、一定のピッチ（プリズム幅ａ＝０．２５ｍｍ、平行面幅ｂ＝０．１８ｍｍ、ピッチｐ＝０．４３ｍｍ）でプリズムを形成した。この場合も、プリズム反射アレイに含まれるプリズムの個数は６０個となる。
　比較例２の虚像表示装置において、図１５（ｂ２）に示すように、観察者の瞳がプリズム反射アレイ領域の中央の位置に配置された場合、虚像内の明るさの分布は６２％と実施例２に比べて均一性が低い。このときの虚像中央の明るさは１．３８で実施例２と同程度である。
　ただし、瞳の位置が水平方向にずれると、図１５（ｂ１）および（ｂ３）に示すように、虚像内の明るさの分布は６５％から４８％まで変化し、実施例２に比べて均一性が低い。したがって、観察者の見る位置や視線の方向によって、明暗のばらつき程度が変わる。また、比較例２では、虚像中央の明るさが、図１５（ｂ１）および（ｂ３）に示すように、２．０２から１．０２まで大きく変化してしまう。したがって、使用者の見る位置や視線の方向によって、明るさが均一でない虚像が提供されてしまう。
　以上、実施形態２の虚像表示装置２００を説明したが、実施形態１と同様に、カップリング構造３２としては図１２（ａ）～（ｄ）を用いて説明したような、種々の態様を有していてよい。
　（実施形態３）
　図１６（ａ）は、実施形態３の虚像表示装置３００を示す断面図である。本実施形態の虚像表示装置３００が実施形態２の虚像表示装置２００と異なる主な点は、図１６（ｂ）および（ｄ）に示すように、プリズム反射アレイ３４が設けられた領域の外側領域においても、プリズムアレイが設けられている点である。ただし、これらの外側領域において形成されたプリズムアレイに半反射膜は設けられておらず、プリズム面で光が反射することはない。
　虚像表示装置３００の導光板３０においても、実施形態２と同様に、２ｐ成形法によってプリズム反射アレイが形成されている。より具体的には、２ｐ成形法によって、紫外線硬化性樹脂からなるプリズムアレイ３０３が設けられた下側透明部材（例えばガラス基板）３０１を作製し、このプリズムアレイ上に半反射膜３６を設けた後、平坦化層３８で凹凸面を埋めることによって導光板３０が得られる。なお、プリズムアレイ３０３を形成するための紫外線硬化性樹脂としては、例えば、日東電工（株）製の紫外線硬化樹脂「ＮＴ－３２ＵＶ」を用いることができる。また、半反射膜３６は、厚さ約６５ｎｍでＴｉＯ2膜をプリズムの第１の傾斜面Ｓ３４１およびプリズム間に設けられる平行面Ｓ３５の上に選択的に蒸着することによって形成されている。
　また、平坦化層３８を形成する第２透明材料としては、プリズムアレイ３０３の形成に用いた第２透明材料（日東電工（株）製の「ＮＴ－３２ＵＶ」）を用いることができる。第１透明材料と第２透明材料とが同じである場合、入射光の波長によらず界面での屈折を防止することができる。
　本実施形態では、上記の２ｐ成形法を用いたプリズムアレイ形成工程において、プリズム反射アレイ３４の配置領域以外の領域にもプリズムアレイ３０３’を設ける。より具体的には、プリズムアレイに対応する凹凸が略全面にわたって形成されたスタンパを用いて、紫外線硬化性樹脂の略全面にプリズムアレイを設ければよい。なお、プリズムアレイを全面に有する下側透明部材を作製する方法は、上記の２ｐ成形法に限られない。例えば、射出成形において適切な型を用いて作製することもできる。
　また、半反射膜３６は、図８（ｂ）に示したようなマスクＭを用いて、プリズム反射アレイ３４を形成する領域内にのみ設ければよい。これにより、図１６（ｂ）および（ｄ）に示すように、半反射膜３６を有しないプリズムアレイ３０３’が、プリズム反射アレイ３４の外側領域に設けられる。
　図１７は、プリズム反射アレイ３４の外側領域において、プリズムアレイ３０３’が設けられている場合（図の上段の「支持部材あり」）と、プリズムアレイ３０３’が設けられていない場合（図の下段の「支持部材なし」）とを示す断面図である。
　図１７の上段に示すように、プリズム反射アレイ３４の配置領域以外の領域にもプリズムアレイ３０３’を形成することによって、これらが平坦化層３８を支持するための透明の支持部材として機能する。その結果、高い平面度で平坦化層３８を形成することができる。
　一方で、図１７の下段に示すように、プリズム反射アレイ３４の外側領域にプリズムアレイ３０３’が設けられていない場合、平坦化層３８を形成する工程で、透明材料の硬化収縮などで表面にだれやうねりが発生し、虚像の表示品位に影響を及ぼす。また、導光板３０の外観品位に影響を及ぼす。
　なお、図１８に示すように、プリズム反射アレイ３４の外側において、透明支持部材として機能するプリズムアレイ３０３’を設けたとしても、その上を覆う平坦化層３８と屈折率が同等であれば、プリズムアレイ３０３’の表面で光が反射したり屈折したりすることはない。したがって、他の実施形態と同様に、表示素子１０からの光Ｌ１が、プリズム反射アレイ３４に向かって反射角２αで全反射しながら導光板３０の内部を伝搬するので、プリズム反射アレイ３４において出射面法線方向に適切に光を出射させることができる。
　（実施形態４）
　図１９（ａ）は、実施形態４の虚像表示装置４００を示す断面図である。本実施形態の虚像表示装置４００が実施形態２の虚像表示装置２００と異なる主な点は、図１９（ｃ）に示すように、プリズム反射アレイ３４において、下側透明部材（透明基板）３０１上に、凹状のプリズム３４Ｂを含むプリズムアレイが形成されている点である。凹状のプリズム３４Ｂを含むプリズムアレイにおいて、プリズム３４Ｂの間に配置される平坦部（平行面Ｓ３５）は、第１の傾斜面Ｓ３４１および第２の傾斜面Ｓ３４２よりも上側に、すなわち、導光板３０の光出射面Ｓ３０が設けられた主面の反対側の主面Ｓ３１に近い側に位置している。
　このようなプリズムアレイは、比較的厚く形成された透明部材３０４において形成されている。したがって、図１９（ｂ）および（ｄ）に示すように、透明部材３０４の厚さ部分３０４’が、透明の支持部材として機能する。透明部材３０４の厚さｔ２は、プリズム３４Ｂの大きさ（高さ）に準じる。透明部材３０４の厚さ部分３０４’の表面は、平行面Ｓ３５と同一平面にあることが望ましい。
　虚像表示装置４００の導光板３０において、２ｐ成形法によってプリズム反射アレイ３４が形成されている。より具体的には、２ｐ成形法によって、凹状のプリズム３４Ｂを含むプリズムアレイ（透明部材３０４）を、透明基板（例えばガラス基板）３０１上に形成する。このプリズムアレイ上に半反射膜３６を設け、その後、平坦化層３８で凹凸面を埋めることで導光板３０が得られる。なお、プリズムアレイを形成するための紫外線硬化性樹脂としては、例えば、日東電工（株）製の紫外線硬化樹脂「ＮＴ－３２ＵＶ」を用いることができる。また、半反射膜３６は、厚さ約６５ｎｍでＴｉＯ2膜をプリズムの第１の傾斜面およびプリズム間に設けられる平行面の上に選択的に蒸着することによって形成される。また、平坦化層３８を形成する透明材料として、プリズムアレイと同様の透明材料（日東電工（株）製の「ＮＴ－３２ＵＶ」）を用いれば、入射光の波長によらず界面での屈折を防止することができる。
　このように形成された導光板３０において、プリズム反射アレイ３４が設けられた領域の外側領域において、透明部材３０４の厚さ部分３０４’が存在し、これが支持部材として機能する。このため、図１７に示した実施形態３の場合と同様に、平坦化層３８の上面を平坦にすることができる。
　また、透明部材３０４の厚さ部分３０４’の表面は平面であり、その上部に設けられる平坦化層３８との界面も平坦である。この場合、図１９（ｂ）および（ｄ）に示す形態とは異なり、プリズム反射アレイ３４の外側領域に半反射層３６が設けられていてもよい。厚さ部分３０４’に半反射膜３６が設けられていたとしても、導光板内部を伝搬する光を所望でない角度に反射することはなく、光の進行を害することがない。このような形態では、半反射膜３６を形成する工程において、図８に示したようなマスクＭを設けずに半反射膜３６を全面的に蒸着してもよく、製造工程の簡略化を図ることができる。
　以上、実施形態１～４の虚像表示装置を説明したが、種々の改変が可能である。例えば、導光板３０の光出射面Ｓ３０は、必ずしも平面である必要はなく、例えば、凹曲面（球面あるいは非球面）であってもよい。
　本明細書は、以下の項目に記載のライトガイドおよび虚像表示装置を開示している。
[項目１]
　表示素子からの光を受け取る受光面を有するカップリング構造と、
　前記カップリング構造からの光が入射する受光部を有する導光板であって、前記受光部から入射して内部を主として第１の方向に沿って伝搬する光を反射するように配置された複数の反射構造を備え、前記複数の反射構造において反射された光を出射面から出射させる導光板と
　を有し、
　前記複数の反射構造のそれぞれは、前記出射面に対して傾いた反射面を有しており、
　前記出射面の法線方向から見たときに、前記第１の方向において、単位面積当たりにおける前記傾いた反射面の面積比率が、前記受光部からの距離に応じて異なる、ライトガイド。
　項目１のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが抑制される。
[項目２]
　前記受光部からの距離がより近い領域における前記傾いた反射面の面積比率は、前記受光部からの距離がより遠い領域における前記傾いた反射面の面積比率よりも小さい、項目１に記載のライトガイド。
　項目２のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制される。
[項目３]
　前記反射面と前記出射面とがなす角度をαとし、前記カップリング構造の受光面と前記出射面とのなす角度をγとし、前記カップリング構造の受光面の幅であって前記受光面と前記出射面との交線に対し直交する方向に規定される幅をｃとし、前記導光板の厚さをｔとすると、下記の式を満足する項目１または２に記載のライトガイド。
　ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α））≧２ｔ・ｔａｎ（２α）
　項目３のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制される。
[項目４]
　前記複数の反射構造のそれぞれはプリズム構造を有しており、前記反射面は前記プリズム構造の一面に設けられており、前記出射面の法線方向から見たときに、単位面積当たりにおける前記プリズム構造の存在比率が、前記第１の方向に沿って前記受光部から離れるにしたがって増加している、項目１から３のいずれかに記載のライトガイド。
　項目４のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制される。
[項目５]
　前記複数の反射構造が含む複数の前記プリズム構造の配列において、隣接するプリズム構造の間には出射面と略平行な平行面が配置されており、前記平行面の幅は、前記受光部により近い第１の位置でより広く、前記受光部により遠い第２の位置でより狭い、項目４に記載のライトガイド。
　項目５のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制される。
[項目６]
　前記第２の位置よりもさらに前記受光部から遠い第３の位置において、前記プリズム構造の間には前記平行面が配置されておらず、隣接するプリズム構造が接している、項目５に記載のライトガイド。
　項目６のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制される。
[項目７]
　前記平行面にも反射面が形成されている、項目５または６に記載のライトガイド。
　項目７のライトガイドによれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制されるとともに、導光板の反射率を面内で均一にすることができる。
[項目８]
　前記複数のプリズム構造と接し、前記複数のプリズム構造を覆う、表面が実質的に平面である平坦化層をさらに有する、項目４から７のいずれかに記載のライトガイド。
　項目８のライトガイドによれば、表面での光の散乱を防ぐとともに、見栄えを良くすることができる。
[項目９]
　前記複数のプリズム構造は、第１の透明材料を用いて２ｐ成形法によって成形されており、前記平坦化層も、前記第１の透明材料を用いて形成されている、項目８に記載のライトガイド。
　項目９のライトガイドによれば、プリズム構造と平坦化層との界面での光の屈折を抑制できる。
[項目１０]
　前記反射面を有するプリズム構造が設けられた領域の外側において、反射面を有しないプリズム構造が設けられている、項目４から９のいずれかに記載のライトガイド。
　項目１０のライトガイドによれば、導光板の表面の平坦性を向上させることができる。
[項目１１]
　前記反射面を有するプリズム構造が設けられた領域の外側において、前記プリズム構造と同じ高さを有する支持構造が設けられている、項目４から９のいずれかに記載のライトガイド。
　項目１１のライトガイドによれば、導光板の表面の平坦性を向上させることができる。
[項目１２]
　前記反射面は、前記導光体の内部を伝搬する光の一部を反射し、かつ、一部を透過するように形成された半反射面である、項目１から１１のいずれかに記載のライトガイド。
　項目１２のライトガイドによれば、外界の風景を視認できるとともに、表示装置が形成する画像を虚像として表示させることができる。
[項目１３]
　項目１から１２のいずれかに記載のライトガイドと前記表示素子とを備え、
　前記ライトガイドの前記カップリング構造は前記表示素子から虚像投影光を受け取る、虚像表示装置。
　項目１３の虚像表示装置によれば、観察される虚像の明るさのむらが抑制される。
[項目１４]
　前記反射面と前記出射面とがなす角度をαとし、前記カップリング構造の受光面と前記出射面とのなす角度をγとし、前記カップリング構造の受光面の幅であって前記受光面と前記出射面との交線に対し直交する方向に規定される幅をｃとし、前記導光板の厚さをｔとし、前記出射面から出射される前記虚像投影光の前記第１の方向における画角を±θｏとし、前記画角±θｏで出射される光の前記導光板における屈折角をθｏ’とすると、下記の式を満足する項目１３に記載の虚像表示装置。
ｃ（ｃｏｓ（γ）＋ｓｉｎ（γ）ｔａｎ（２α－θｏ’））≧２ｔ・ｔａｎ（２α＋θｏ’）
　項目１４の虚像表示装置によれば、観察される虚像の明るさのむらが効果的に抑制される。
　本発明によるライトガイドは、ＨＭＤ、ＨＵＤなどの虚像表示装置に用いることができる。
　１０　表示素子
　２０　投影レンズ系
　３０　導光板
　３０Ｂ　受光部
　３２　カップリング構造
　３４　プリズム反射アレイ
　３４Ａ　プリズム
　３６　半反射膜
　３８　平坦化層
　Ｓ３０　出射面
　Ｓ３４１　第１の傾斜面
　Ｓ３４２　第２の傾斜面
　Ｓ３５　平行面
　１００，２００，３００，４００　虚像表示装置

Claims (9)

  1. 　表示素子からの光を受け取る受光面を有するカップリング構造と、
    　前記カップリング構造からの光が入射する受光部を有する導光板であって、前記受光部から入射して内部を主として第１の方向に沿って伝搬する光を反射するように配置された複数の反射構造を備え、前記複数の反射構造において反射された光を出射面から出射させる導光板と
    　を有し、
    　前記複数の反射構造のそれぞれは、前記出射面に対して傾いた反射面を有しており、
    　前記出射面の法線方向から見たときに、前記第１の方向において、単位面積当たりにおける前記傾いた反射面の面積比率が、前記受光部からの距離に応じて異なる、ライトガイド。
  2. 　前記受光部からの距離がより近い領域における前記傾いた反射面の面積比率は、前記受光部からの距離がより遠い領域における前記傾いた反射面の面積比率よりも小さい、請求項１に記載のライトガイド。
  3. 　前記複数の反射構造のそれぞれはプリズム構造を有しており、前記反射面は前記プリズム構造の一面に設けられており、前記出射面の法線方向から見たときに、単位面積当たりにおける前記プリズム構造の存在比率が、前記第１の方向に沿って前記受光部から離れるにしたがって増加している、請求項１または２に記載のライトガイド。
  4. 　前記複数の反射構造が含む複数の前記プリズム構造の配列において、隣接するプリズム構造の間には出射面と略平行な平行面が配置されており、前記平行面の幅は、前記受光部により近い第１の位置でより広く、前記受光部により遠い第２の位置でより狭い、請求項３に記載のライトガイド。
  5. 　前記第２の位置よりもさらに前記受光部から遠い第３の位置において、前記プリズム構造の間には前記平行面が配置されておらず、隣接するプリズム構造が接している、請求項４に記載のライトガイド。
  6. 　前記平行面にも反射面が形成されている、請求項４または５に記載のライトガイド。
  7. 　前記複数のプリズム構造と接し、前記複数のプリズム構造を覆う、表面が実質的に平面である平坦化層をさらに有する、請求項３から６のいずれかに記載のライトガイド。
  8. 　前記複数のプリズム構造は、第１の透明材料を用いて２ｐ成形法によって成形されており、前記平坦化層も、前記第１の透明材料を用いて形成されている、請求項７に記載のライトガイド。
  9. 　請求項１から８のいずれかに記載のライトガイドと、前記表示素子とを備え、
    　前記ライトガイドの前記カップリング構造は、前記表示素子から虚像投影光を受け取る、虚像表示装置。
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