WO2017094493A1 - 導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置 - Google Patents

導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2017094493A1
WO2017094493A1 PCT/JP2016/083840 JP2016083840W WO2017094493A1 WO 2017094493 A1 WO2017094493 A1 WO 2017094493A1 JP 2016083840 W JP2016083840 W JP 2016083840W WO 2017094493 A1 WO2017094493 A1 WO 2017094493A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light guide
guide plate
prism
light
reflection array
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/083840
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
増田　岳志
Original Assignee
シャープ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by シャープ株式会社 filed Critical シャープ株式会社
Priority to CN201680069830.7A priority Critical patent/CN108369346A/zh
Priority to US15/780,822 priority patent/US20200257034A1/en
Publication of WO2017094493A1 publication Critical patent/WO2017094493A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0036—2-D arrangement of prisms, protrusions, indentations or roughened surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/30—Collimators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G02B6/0025—Diffusing sheet or layer; Prismatic sheet or layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G02B6/0028—Light guide, e.g. taper
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0038—Linear indentations or grooves, e.g. arc-shaped grooves or meandering grooves, extending over the full length or width of the light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0065—Manufacturing aspects; Material aspects

Definitions

  • the present disclosure relates to a light guide plate, a light guide, and a virtual image display device.
  • the virtual image display device examples include a head mounted display (hereinafter referred to as “HMD”) and a head-up display (hereinafter referred to as “HUD”).
  • the virtual image display device is configured to project the light emitted from the display element in the direction of the eyes of the observer using a light guide plate or a combiner.
  • a see-through type virtual image display device can display a virtual image of an image formed by a display element by superimposing it on an external scenery seen through a light guide plate or a combiner. By using such a virtual image display device, an AR (augmented reality) environment can be easily provided.
  • Patent Document 1 discloses a see-through type virtual image display device including an optical system, a coupling member, and a light guide member including a diffraction grating.
  • the optical system collimates display light from the display element into parallel beam light (collimated light) by a series of lens systems to generate a virtual image.
  • the collimated light introduced to the light guide member via the coupling member provided on the light guide member propagates by repeating total reflection inside the light guide member, and is reflected by the internal diffraction grating to be reflected from the light guide member. It is emitted to the outside. The emitted light beam reaches the observer's pupil.
  • the light guide member is formed by forming a semi-reflective film on the inclined surface of a sawtooth diffraction grating molded using a transparent material, and further covering the diffraction grating with a transparent material having the same refractive index as the transparent material. .
  • the reflectance of the semi-reflective film is constant regardless of position, or changes so as to increase as the distance from the optical system increases. According to such a configuration, the thickness of the light guide member can be reduced, and the light guide member can be manufactured at low cost.
  • the exit surface from which the collimated light from the optical system exits and the opposing surface facing this are required to be parallel and flat. It is done.
  • a transparent material that covers the diffraction grating on which the semi-reflective film is formed may be pressed toward the diffraction grating.
  • the surface of the transparent material that covers the diffraction grating can be flattened on the surface opposite to the surface in contact with the surface of the diffraction grating (the above-mentioned facing surface), and the facing surface can be parallel to the exit surface. can do.
  • the tip of the diffraction grating may be deformed or a crack may be generated in the semi-reflective film at the tip. This can be sufficient to scatter the light beam. As a result, collimated light is scattered inside the light guide member, and the virtual image projected on the eyes of the observer is blurred.
  • the present disclosure has been made in order to solve the above-described problem, and includes a light guide plate, a light guide, and a virtual image display device using the light guide plate that can suppress blurring of a virtual image projected on an observer's eye.
  • the purpose is to provide.
  • a light guide plate includes a first light guide layer including a prism reflection array configured to transmit a part of a light beam propagating therein, and a second light guide layer covering the prism reflection array.
  • the at least one support may be disposed around the prism reflection array.
  • the prism reflection array has a plurality of prisms arranged in a first direction on a plane parallel to the emission surface, and each prism has a second direction orthogonal to the first direction.
  • the at least one support may extend along the second direction.
  • the prism reflection array has a plurality of prisms arranged in a first direction on a parallel plane parallel to the exit surface, and each prism is a second orthogonal to the first direction. Extending along a direction, the at least one support may extend along the first direction.
  • the at least one support is a plurality of supports, and the plurality of supports may be arranged in a dot shape.
  • the prism reflection array has a plurality of first and second inclined surfaces inclined with respect to the emission surface, and the plurality of first inclined surfaces propagate in the light guide layer.
  • the semi-reflective film that reflects a part of the light beam and transmits the part of the light beam may be covered, and the plurality of second inclined surfaces may not be covered with the semi-reflective film.
  • each of the plurality of supports may be a dome shape.
  • the first light guide layer may have the at least one support together with the prism reflection array.
  • the light guide layer may further include a third light guide layer including the at least one support.
  • the at least one support may be formed integrally with the prism reflection array.
  • the at least one support may be formed independently of the prism reflection array.
  • the at least one support may be a plurality of spacers that define a thickness of the light guide layer in the normal direction.
  • the second light guide layer may have a substantially flat surface.
  • a first transparent substrate that supports the first light guide layer and a second transparent substrate that supports the second light guide layer may be further provided.
  • a light guide according to an embodiment of the present invention includes a coupling structure having a light receiving surface that receives a light beam from a display element, and the light guide plate described above.
  • a virtual image display device includes a display element, a collimating optical system that collimates display light emitted from the display element, and the light guide.
  • a light guide plate, a light guide, and a virtual image display device using these that can suppress blurring of a virtual image projected on the eyes of an observer are provided.
  • FIG. 1 is a plan view of a virtual image display device 100 according to a first embodiment. It is sectional drawing of the light-guide plate 30 parallel to a XZ plane which shows typically the internal structure of the light-guide plate 30 by 1st Embodiment. 3 is a cross-sectional view of one of a plurality of optical prisms 35A constituting the prism reflection array 35, parallel to the XZ plane. FIG. It is sectional drawing of the light guide plate 30 parallel to a XZ plane which shows typically the internal structure of 33 A of 1st light guide layers.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a second transparent material applied to the prism reflection array 35 is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material.
  • It is a top view of the virtual image display apparatus 100 by 2nd Embodiment. It is sectional drawing of 30 A of light guide plates parallel to a XZ plane which shows typically the internal structure of 30 A of light guide plates by 2nd Embodiment. It is the side view seen from the X direction of light guide plate 30A by a 2nd embodiment.
  • FIG. 30 It is sectional drawing of 30 A of light guide plates parallel to a XZ plane which shows typically the internal structure of 1st light guide layer 33A supported by the 1st transparent substrate 34A.
  • 3 is a cross-sectional view of one of a plurality of optical prisms 35A constituting the prism reflection array 35, parallel to the XZ plane.
  • FIG. It is sectional drawing of light guide plate 30A parallel to a YZ plane which shows typically the internal structure of light guide plate 30A by 2nd Embodiment. It is a schematic diagram which shows a mode that the semi-reflective film 35r is formed in the prism reflective array 35 by oblique vapor deposition.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a second transparent material applied to the prism reflection array 35 is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a second transparent material applied to a plurality of support prisms 35C is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material. It is a top view of the virtual image display apparatus 100 by 3rd Embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a second transparent material applied to the prism reflection array 35 is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a state in which a second transparent material applied to a plurality of support prisms 35C is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material.
  • the configuration of the HMD will be described as an example of the virtual image display device, but the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, it can be used for a virtual image display device of another mode such as HUD. Moreover, it is also possible to combine one embodiment and another embodiment.
  • a light guide plate includes a first light guide layer including a prism reflection array configured to transmit a part of a light beam propagating therein, and a second light guide layer covering the prism reflection array.
  • a light guide layer having an output surface that emits a light beam transmitted through the prism reflection array, and at least one support having a height that is higher than the height of the prism reflection array in the normal direction of the output surface.
  • the refractive index of the first light guide layer is preferably substantially the same as the refractive index of the second light guide layer.
  • the embodiment of the present invention by providing a support higher than the height of the prism reflection array, it is possible to avoid deformation and breakage of the prism reflection array that may occur particularly during manufacturing. As a result, light scattering inside the light guide plate is suppressed, and blurring of a virtual image projected on the observer's eyes can be suppressed.
  • FIG. 1A is a perspective view schematically showing the configuration of the virtual image display device 100 according to the first embodiment
  • FIG. 1B is a plan view of the virtual image display device 100.
  • the virtual image display device 100 receives the display element 10, the light emitted from the display element 10, collimates the projection lens system (collimating optical system) 20, the coupling structure 32 that receives the collimated light, and the coupling structure 32. And a light guide plate 30 for projecting the collimated light from the viewer in the direction of the observer.
  • a coupling structure 32 having a light receiving surface for receiving the collimated light L1 from the projection lens system 20 is provided at the end of the one side main surface of the light guide plate 30.
  • the coupling structure 32 a triangular prism prism extending along one side (Y direction shown in FIG. 1B) of the light guide plate 30 is used.
  • an optical element including the light guide plate 30 and the coupling structure 32 may be referred to as a “light guide”.
  • a device including the display element 10 and the projection lens system 20 may be referred to as a “virtual image projection device 40”.
  • the light guide plate 30 includes a prism reflection array 35 that reflects a part of collimated light propagating inside and emits it to the outside.
  • the width of the light guide plate 30 in the X direction is 55 mm
  • the width in the Y direction is 30 mm
  • the light guide that does not include the coupling structure 32 that is, the thickness of the light guide plate 30 in the Z direction is 2.2 mm.
  • the prism reflection array 35 is provided in a predetermined in-plane region in a plane parallel to the emission surface from which light is extracted.
  • the prism reflection array 35 is provided in a predetermined rectangular region Rr having a width x in the X direction in the plane of the light guide plate 30 and a width y in the Y direction.
  • the light receiving surface of the coupling structure 32 is inclined with respect to the light emitting surface of the light guide plate 30 that emits the light beam.
  • the optical axis of the virtual image projector 40 that is, the optical axis of the projection lens system 20 is adjusted so as to be orthogonal to the light receiving surface of the coupling structure 32, for example.
  • the emitted light (virtual image display light) from the display element 10 is collimated by the projection lens system 20 and then enters a coupling structure 32 provided at the end of the light guide plate 30.
  • the collimated light L1 incident on the coupling structure 32 is, for example, in the X direction shown in FIG. 1B (from the coupling structure 32 to the light guide plate 30 from the light receiving portion 31 of the light guide plate 30, that is, the portion where the coupling structure 32 is provided.
  • the light propagates through the light guide plate 30 while repeating total reflection along the opposite side.
  • the collimated light L1 introduced from the coupling structure 32 to the light guide plate 30 includes a plurality of light beams having different traveling directions depending on the pixel position of the display element 10.
  • the light beam emitted from the central region of the display element 10 corresponds to the light beam traveling in the direction parallel to the X direction shown in FIG. 1B, and the light beam emitted from the end region of the display element 10 is not in 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.
  • the projection lens system 20 for example, a lens system disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 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 disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-282231 can be used as the projection lens system 20.
  • the entire disclosure of Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-157520 and 2010-282231 is incorporated herein by reference.
  • 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 can be adjusted by the projection lens system 20. Further, the size of the light beam incident on the light guide plate 30 is determined by the size of the coupling structure 32.
  • FIG. 2 schematically shows a cross section parallel to the XZ plane, mainly showing the internal structure of the light guide plate 30.
  • FIG. 3 schematically shows an enlarged cross section parallel to the XZ plane of one of the plurality of optical prisms 35 ⁇ / b> A constituting the prism reflection array 35.
  • the light guide plate 30 includes a light guide layer 33 including a prism reflection array 35, an emission surface S1 that emits a light beam transmitted through the prism reflection array 35, and a plurality of support prisms 35C.
  • the coupling structure 32 is disposed on the light exit surface of the light guide plate 30 on the light receiving portion 31 (see FIG. 1A) side. However, the coupling structure 32 may be disposed on an upper main surface S2 (described later) facing the emission surface S1 in the light guide plate 30.
  • the light guide layer 33 includes a first light guide layer 33 ⁇ / b> A including the prism reflection array 35 and a second light guide layer 33 ⁇ / b> B covering the prism reflection array 35.
  • the prism reflection array 35 is configured to transmit a part of the light beam incident from the coupling structure 32 and propagating through the inside.
  • the refractive index of the first light guide layer 33A is preferably substantially equal to the refractive index of the second light guide layer 33B, and the first light guide layer 33A and the second light guide layer 33B are formed of the same material. Preferably it is.
  • the thickness of the light guide layer 33 is set to 0.1 mm to 0.5 mm, for example.
  • the height of the support prism 35C is higher than the height of the prism reflection array 35 (optical prism 35A). The relationship between the prism heights will be described in detail later.
  • the outer surface of the second light guide layer 33B constitutes an upper surface (opposite to the observer) main surface S2 of the light guide plate 30.
  • the exit surface S1 corresponds to the lower main surface S1 of the light guide plate 30.
  • the lower main surface S1 and the upper main surface S2 of the light guide plate 30 are exposed to the air.
  • the respective main surfaces of the light guide plate 30 may be distinguished from each other by referring to the upper main surface S2 and the lower main surface S1 according to the drawings. Needless to say, it doesn't mean a relationship.
  • the plurality of optical prisms 35A and the plurality of support prisms 35C constituting the prism reflection array 35 are formed in the same first light guide layer 33A and arranged in the same direction (X direction). Has been.
  • the optical prism 35A is a triangular prism that extends along the Y direction on a plane parallel to the emission surface S1.
  • the prism reflection array 35 has a plurality of optical prisms 35A arranged in the X direction orthogonal to the Y direction. As will be described later, there may be a slit-like flat portion (hereinafter referred to as a “parallel surface”) 35B between two adjacent optical prisms 35A.
  • the optical prism 35A includes an inclined surface covered with a semi-reflective film 35r and optically acts on the light beam.
  • the semi-reflective film 35r is formed of, for example, a thin metal film (such as an Ag film or an Al film) or a dielectric film (such as a TiO 2 film), reflects a part of the incident light beam, and Can be partially transmitted.
  • the prism reflection array 35 mainly indicates an arrangement of the semi-reflective films 35r at the interface between the first and second light guide layers 33A and 33B.
  • the film thickness of the semi-reflective film 35r is generally in the range of several nm to several hundred nm.
  • the prism reflection array 35 emits a light beam mainly in the normal direction of the emission surface S1.
  • the prism reflection array 35 reflects a part of the light beam incident on the light guide plate 30 through the coupling structure 32 and emits it as the virtual image reflected light R from the light exit surface S1 of the light guide plate 30 to the outside.
  • the horizontal angle of view ( ⁇ ⁇ 0 ) of the virtual image is shown together with the virtual image reflected light R.
  • the plurality of support prisms 35C are arranged around the prism reflection array 35.
  • the support prism 35C is not covered with the semi-reflective film 35r and does not optically act on the light beam.
  • the “optical prism 35A” and the “support prism 35C” are optically distinct members.
  • the support prism 35C is a triangular prism that extends along the Y direction on a plane parallel to the emission surface S1, similarly to the optical prism 35A. Therefore, the cross-sectional shape of the support prism 35C parallel to the XZ plane is also a triangle as shown in FIG.
  • the height h of the optical prism 35A and the support prism 35C means the distance from the bottom surface to the apex in the Z direction, as shown in FIG.
  • the height h is the height in the normal direction of the emission surface S1.
  • the prism reflection array 35 and the plurality of support prisms 35C are covered with the second light guide layer 33B.
  • One surface of the second light guide layer 33B has a shape that matches the shape of the optical prism 35A and the support prism 35C formed on the first light guide layer 33A, and the opposite surface is the upper side of the light guide plate 30.
  • a main surface S2 is formed.
  • the second light guide layer 33B is a member that flattens the surfaces of the prism reflection array 35 and the plurality of support prisms 35C, and is provided so as to fill the unevenness.
  • the flattened surface of the light guide plate 30 is supported by the top portion (the portion corresponding to the ridge line 35L) of the support prism 35C.
  • the height of the support prism 35 ⁇ / b> C is higher than the height of the optical prism 35 ⁇ / b> A, the top of the optical prism 35 ⁇ / b> A is buried without contacting the surface of the light guide plate 30.
  • a prism reflection array 35 is provided on the upper main surface S2 side of the light guide plate 30.
  • the prism reflection array 35 may be provided on the lower main surface (that is, the emission surface) S1 side of the light guide plate 30.
  • the prism reflection array 35 is formed on the first light guide layer 33A so as to emit a light beam mainly in the normal direction of the emission surface S1, is covered with the second light guide layer 33B, and is also a second light guide.
  • the outer surface of the layer 33B constitutes the lower (observer side) main surface S1 of the light guide plate 30.
  • the optical prism 35A includes a first inclined surface 35D and a second inclined surface 35E.
  • a ridge line 35L (that is, a top portion) is formed by the first and second inclined surfaces 35D and 35E.
  • the second inclined surface 35E is located on the light receiving part 31 (see FIG. 1A) side of the light guide plate 30.
  • the first inclined surface 35D is inclined at an inclination angle ⁇ with respect to the emission surface S1 of the light guide plate 30, and the second inclined surface 35E is inclined at an inclination angle ⁇ greater than the inclination angle ⁇ with respect to the emission surface S1. Yes.
  • the inclination angle ⁇ is an angle with the clockwise direction being positive
  • the inclination angle ⁇ is an angle with the counterclockwise direction being positive.
  • the inclination angle ⁇ is 26 °
  • the inclination angle ⁇ is 85 °.
  • the first inclined surface 35D reflects a part of the light beam propagating through the light guide layer 33 (propagating light L2 shown in FIG. 2) and transmits a part of the light beam to the semi-reflective film 35r. Covered with.
  • the second inclined surface 35E is not covered with the semi-reflective film 35.
  • a parallel surface 35 ⁇ / b> B is provided between two adjacent optical prisms 35 ⁇ / b> A at a position close to the light receiving unit 31.
  • These parallel surfaces 35B are also covered with a semi-reflective film 35r.
  • the parallel surface 35B is not provided between the two adjacent optical prisms 35A, and the optical prisms 35A are disposed adjacently and continuously.
  • the light guide plate 30 By selectively covering only the first inclined surface 35D and the parallel surface 35B with the semi-reflective film 35r, a part of the propagation light L2 propagating inside the light guide plate 30 is covered with the first inclined surface 35D and the parallel surface 35B. While reflecting, the light (light from the outside) incident from the outside of the upper main surface S ⁇ b> 2 of the light guide plate 30 can be emitted from the lower main surface S ⁇ b> 1 of the light guide plate 30.
  • the propagation light L2 of the light guide plate 30 is reflected on the first inclined surface 35D and the parallel surface 35B of the optical prism 35A, and is not reflected on the second inclined surface 35E.
  • the reason why only the second inclined surface 35E is not covered is that if the second inclined surface 35E constitutes a semi-reflective surface, light is reflected in an unexpected direction and becomes stray light, so that a high-quality virtual image display is performed. Because it becomes more difficult.
  • FIG. 4 schematically shows a cross section parallel to the XZ plane, mainly showing the internal structure of the first light guide layer 33A.
  • X 0 mm
  • X 55 mm
  • the first light guide layer 33A includes a prism reflection array 35 and a plurality of support prisms 35C.
  • the height hs of the support prism 35C is, for example, 0.18 mm
  • the height ho of the optical prism 35A is, for example, 0.14 mm.
  • the pitch ps between two adjacent support prisms 35C is, for example, 3.0 mm. The arrangement pitch of the optical prisms 35A will be described later.
  • FIGS. 5A to 5C schematically show examples of arrangement patterns of a plurality of optical prisms 35A in a region close to the coupling structure 32 and a region far from the coupling structure 32.
  • FIG. The left side in the figure is the light receiving unit 31 side of the light guide plate 30.
  • the reason why the arrangement pattern of the optical prism 35A is changed depending on the location of the prism reflection array 35 will be described.
  • the brightness may be observed depending on the location of the emission surface S1. If the distribution of the reflecting surface in the prism reflection array 35 of the light guide plate 30 is uniform within the surface, the intensity of the collimated light emitted on the side close to the light receiving unit 31 on which the light from the display element 10 enters is relatively high. Therefore, it is considered that one of the causes is that the intensity of the collimated light emitted on the far side is relatively low.
  • the occupation ratio of the first inclined surface 35D per unit area is small at a position close to the light receiving unit 31 and far from the light receiving unit 31. It is preferable to arrange the optical prisms 35A so as to increase as the time goes. Accordingly, a parallel surface 35B exists between two adjacent optical prisms 35A at a position close to the light receiving unit 31, and the parallel surface 35B between them decreases gradually or stepwise as the distance from the light receiving unit 31 increases. The parallel surface 35B may not exist at a position farthest from the light receiving unit 31.
  • the arrangement pitch of the optical prisms 35A is assumed to be po
  • the width of the optical prisms 35A is assumed to be a
  • the width of the parallel surface 35B is assumed to be b.
  • the arrangement pitch po corresponds to the distance between the apexes of two adjacent optical prisms 35A.
  • the width a is constant without depending on the arrangement position of the optical prism 35A, and the width b is decreased as the distance from the light receiving unit 31 increases.
  • the array pitch p is also gradually reduced as the distance from the light receiving unit 31 increases.
  • the width a is 0.30 mm
  • the width b can be set so as to gradually decrease the arrangement pitch po from 0.54 mm to 0.30 mm.
  • the arrangement pitch po is constant without depending on the arrangement position of the optical prism 35A, and the width a is gradually increased as the distance from the light receiving unit 31 increases.
  • the width b gradually decreases as the distance from the light receiving unit 31 increases.
  • the height ho of the optical prism 35A increases as the distance from the light receiving unit 31 increases. For example, the height ho is 0.14 mm at the maximum.
  • the shape of the optical prism 35A is changed according to the arrangement position of the optical prism 35A instead of arranging the parallel surface 35B between the two adjacent optical prisms 35A. More specifically, the inclination angle ⁇ of the first inclined surface 35D of the optical prism 35A is constant, and the inclination angle ⁇ of the second inclined surface 35E is set so as to increase as the distance from the light receiving unit 31 increases.
  • the arrangement pitch po is equal to the width a of the optical prism 35A.
  • the inclination angle ⁇ is preferably less than 90 ° and as large as possible.
  • the arrangement pitch po is preferably smaller than the pupil diameter.
  • the pupil diameter varies depending on the environment between 2.0 mm and 8.0 mm. Considering this further, it can be said that the arrangement pitch po is more preferably smaller than the minimum pupil diameter of 2 mm.
  • the shapes of both may not be similar, and the shape of the support prism 35C may be another prism shape or a lens shape. Good. Further, the support prism 35C does not have to extend linearly, and may be arranged in a dot shape. In that case, the support prism 35C may be, for example, a dome shape. Instead of arranging the plurality of support prisms 35C, a single support may be arranged as a structure around the prism reflection array 35.
  • the support prism 35C does not necessarily have to be arranged on the light guide layer 30 by molding, and may be a spacer that defines the thickness of the light guide layer 30 in the normal direction of the emission surface S1.
  • the spacers can be disposed on the light guide layer 30 by spreading.
  • the material of the spacer is, for example, glass.
  • the in-plane density (occupancy rate per unit area) of the optical prism 35A is, for example, parallel surface 35B so as to become denser as the distance from the light receiving unit 31 increases.
  • the prism reflection array 35 provided with is used. However, such a configuration is not always necessary.
  • the virtual image reflected light R is collimated light, and forms a virtual image that can be seen substantially in front of the observer.
  • FIG. 6 schematically shows a cross section of the light guide plate 30 in the XZ plane.
  • the light beam incident from the light receiving portion 31 (see FIG. 4) located at the end of the light guide plate 30 propagates inside while being totally reflected on the upper and lower main surfaces S1 and S2 of the light guide plate 30.
  • the light beams incident on the upper and lower principal surfaces S1 and S2 of the light guide plate 30 at an incident angle 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) are the interfaces.
  • the incident light beam propagates mainly along the X direction shown in FIG. 6 inside the light guide plate 30 while repeating total reflection.
  • the propagating light L2 is reflected by the first inclined surface 35D (that is, the semi-reflective film 35r) of an optical prism 35A.
  • the reflected light is typically emitted in the normal direction n of the emission surface S1 of the light guide plate 30.
  • the emitted light beam reaches the observer's pupil.
  • the light beam transmitted through the semi-reflective film 35r propagates again inside the light guide plate 30 and reaches another optical prism 35A.
  • the propagating light L2 When the propagating light L2 is emitted in the normal direction n of the emission surface S1, the propagating light L2 is incident on the first inclined surface 35D of the optical prism 35A at the incident angle ⁇ (the same as the inclined angle ⁇ of the first inclined surface 35D). Angle). Further, the light incident at the incident angle ⁇ is light that travels in the light guide plate 30 in a direction different from the normal direction n by an angle 2 ⁇ , and is totally reflected on the lower surface of the light guide plate 30 as shown in the figure. Light to get.
  • ⁇ c represents the 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 inclination angle alpha of the optical prism 35A is preferably set so as to satisfy the ⁇ c / 2 ⁇ ⁇ ⁇ 45 °.
  • the virtual image display device 100 includes a display element 10, a projection lens system 20, a light guide plate 30, and a coupling structure 32, and is manufactured 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.
  • a light guide manufacturing method including the light guide plate 30 including the prism reflection array 35 and the coupling structure 32 will be mainly described.
  • the light guide plate 30 is formed by forming a prism reflection array 35 in a first transparent material (for example, an ultraviolet curable resin), forming a plurality of support prisms 35C around it, and semi-reflecting a specific inclined surface of the prism reflection array 35.
  • a first transparent material for example, an ultraviolet curable resin
  • the prism reflection array 35 is obtained by planarizing with a second transparent material (for example, an ultraviolet curable resin). More specifically, the prism reflection array 35 and the plurality of support prisms 35C are made of a first transparent material (for example, thermoplastic resin, ultraviolet curable) using, for example, injection molding, press molding, and 2p molding method (Photo Polymerization Process). It can be produced by molding a resin or the like.
  • the semi-reflective film 35r is formed by depositing a metal film, a dielectric film, or the like with a predetermined film thickness on the first inclined surface 35D of the molded optical prism 35A. During the vapor deposition, as described later, a mask is used so that the semi-reflective film 35r is not vapor-deposited on the support prism 35C. Thereafter, a second transparent material such as a light (typically ultraviolet) curable resin, a thermosetting resin, or a two-component epoxy resin is applied as a planarizing member to the prism reflection array 35 and the plurality of support prisms 35C. The second transparent material (that is, resin) is polymerized and cured by pressure filling. Through the above steps, the light guide plate 30 including the light guide layer 33 including the prism reflection array 35 is completed.
  • the refractive index of the first transparent material preferably matches the refractive index of the second transparent material.
  • FIG. 7 schematically shows how the semi-reflective film 35r is formed on the prism reflection array 35 by oblique vapor deposition.
  • FIG. 8 schematically shows a mask 50 used to deposit the semi-reflective film 35r only on a predetermined surface of the optical prism 35A.
  • FIG. 9 schematically shows a state in which the second transparent material applied to the prism reflection array 35 is pressed and filled with a quartz substrate 38, and then the second transparent material is polymerized and cured by irradiation with UV (Ultraviolet). ing.
  • UV Ultraviolet
  • the prism reflection array 35 and the plurality of support prisms 35C are formed on the first transparent material by injection molding.
  • injection molding is a molding method in which a molding resin that has been heated to have fluidity is injected into a mold at high pressure to transfer the mold shape.
  • a semi-reflective film 35r is formed by depositing TiO 2 with a film thickness (about 65 nm) on the plurality of first inclined surfaces 35D and the plurality of parallel surfaces 35B in the prism reflection array 35. At this time, the semi-reflective film 35r is formed only in a region of x (25 mm) ⁇ y (20 mm) corresponding to the region where the optical prisms 35A are arranged using the mask 50 shown in FIG.
  • the material of the semi-reflective film 35r in addition to TiO 2 , other dielectrics or metal materials (for example, Al or Ag) can be used.
  • the semi-reflective film 35 is not formed on the second inclined surface 35E of the optical prism 35A.
  • the propagation light L2 inside the light guide plate 30 is reflected in a direction different from the predetermined direction, and as a result, the blur and ghost of the virtual image are generated. This is because it occurs.
  • the second transparent material for the second light guide layer 33B which is a planarizing member
  • a second transparent material is applied onto the prism reflection array 35 and the plurality of support prisms 35C, pressed with a quartz substrate 38 and pressurized and filled, and then irradiated with UV over the quartz substrate 38 to polymerize and cure the second transparent material.
  • the quartz substrate 38 By pressing with the quartz substrate 38, the surface of the light guide plate 30 can be flat, and the quartz substrate 38 is supported by the support prism 35C, so the lower main surface (that is, the exit surface) S1 of the light guide plate 30. And the parallelism between the upper principal surface S2 can be secured. Furthermore, since the height of the support prism 35C is higher than the height of the optical prism 35A, the quartz substrate 38 does not contact the top of the optical prism 35A. As a result, deformation and damage of the semi-reflective film 35r due to deformation of the top of the optical prism 35A can be avoided. Even if the top portion of the support prism 35C is deformed, the semi-reflective film 35r is not formed, so that the optical influence is very slight.
  • the quartz substrate 38 is preferably subjected to a release treatment using, for example, a release agent so that the second transparent material can be easily peeled after being cured.
  • the scattering of the propagation light L2 inside the light guide plate 30 can be reduced, and as a result, a high-quality virtual image can be projected onto the observer's pupil.
  • the light guide plate 30A according to the present embodiment is different from the light guide plate 30 according to the first embodiment in that the arrangement direction of the plurality of support prisms 35C is orthogonal to the arrangement direction of the plurality of optical prisms 35 in the prism reflection array 35. Yes.
  • a description will be given focusing on differences from the light guide plate 30 according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view of the virtual image display device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 11 schematically shows a cross section parallel to the XZ plane, mainly showing the internal structure of the light guide plate 30A.
  • FIG. 12 schematically shows a side surface of the light guide plate 30A viewed from the X direction.
  • the optical prism 35A is a triangular prism shaped prism extending along the Y direction on a plane parallel to the emission surface S1.
  • the prism reflection array 35 has a plurality of optical prisms 35A arranged in the X direction orthogonal to the Y direction.
  • a plurality of support prisms 35C are arranged along the Y direction in an area around the prism reflection array 35 (support prism arrangement area) sandwiching the area where the prism reflection array 35 is arranged (optical prism arrangement area) in the Y direction. .
  • the optical prism 35A extends along the Y direction orthogonal to the X direction
  • the support prism 35C extends along the X direction.
  • the support prism 35C according to the present embodiment has an arc shape in a cross section parallel to the YZ plane, and extends along the X direction on a plane parallel to the emission surface S1.
  • the light guide plate 30 ⁇ / b> A further includes first and second transparent substrates 34 ⁇ / b> A and 34 ⁇ / b> B that sandwich the light guide layer 33.
  • the first transparent substrate 34A supports the first light guide layer 33A
  • the second transparent substrate 34B supports the second light guide layer 33B.
  • sandwiching the light guide layer 33 with the transparent substrate there is an advantage that the strength and durability of the light guide plate 30 can be enhanced.
  • the plurality of support prisms 35 ⁇ / b> C are formed in the first light guide layer 33 ⁇ / b> A together with the prism reflection array 35.
  • the height of the support prism 35C is higher than that of the optical prism 35A.
  • FIG. 13 schematically shows a cross section parallel to the XZ plane showing the internal structure of the first light guide layer 33A supported by the first transparent substrate 34A.
  • FIG. 14 schematically shows an enlarged cross section parallel to the XZ plane of one of the plurality of optical prisms 35 ⁇ / b> A constituting the prism reflection array 35.
  • FIG. 15 schematically shows a cross section of the light guide plate 30A parallel to the YZ plane.
  • the first light guide layer 33A is supported by the first transparent substrate 34A.
  • the height ho of the optical prism 35A is, for example, 0.14 mm at the maximum.
  • the pitch po between the two adjacent optical prisms 35A is, for example, 0.3 mm.
  • the height hs of the support prism 35C is, for example, 0.18 mm, and the pitch ps between two adjacent support prisms 35C is, for example, 3.0 mm.
  • FIG. 16 schematically shows how the semi-reflective film 35r is formed on the prism reflection array 35 by oblique vapor deposition.
  • FIG. 17 schematically shows a mask 50 used to deposit the semi-reflective film 35r only on a predetermined surface of the optical prism 35A.
  • FIG. 18 schematically shows a state in which the second transparent material applied to the prism reflection array 35 is pressed and filled with a quartz substrate 38, and then the resin is polymerized and cured by UV irradiation.
  • FIG. 19 schematically shows a state in which the second transparent material applied to the plurality of support prisms 35C is pressed and filled with a quartz substrate 38, and then the resin is polymerized and cured by UV irradiation.
  • the first transparent substrate 34A is prepared.
  • the thickness of the first transparent substrate 34A is, for example, 1.1 mm.
  • the prism reflection array 35 is formed on the first transparent material on the first transparent substrate 34A by 2p molding.
  • an ultraviolet curable resin is applied to a mold, and further, the first transparent substrate 34A is disposed, and then the ultraviolet curable resin is pressure-filled, polymerized and cured, and then released from the mold. Thereby, the mold shape is transferred, and a transparent member supported by the first transparent substrate 34A is obtained.
  • TiO 2 is vapor-deposited with a film thickness (about 65 nm) on the plurality of first inclined surfaces 35D and the plurality of parallel surfaces 35B in the prism reflection array 35 so as to be semi-reflective.
  • a film 35r is formed.
  • the semi-reflective film 35r is formed only in the x (25 mm) ⁇ y (20 mm) region corresponding to the region where the optical prisms 35A are arranged.
  • the second transparent material is pressure-filled.
  • the second transparent material is polymerized and cured by UV irradiation through the quartz substrate 38.
  • the coupling structure 32 can be prepared as a separate member from the light guide plate 30 and can be bonded to the second transparent substrate 34 ⁇ / b> B of the light guide plate 30.
  • the lower and upper main surfaces S1 and S2 of the light guide plate 30A are respectively configured by the surfaces of the first and second transparent substrates 34A and 34B, the flatness of each main surface can be ensured, and quartz is used.
  • the second transparent substrate 34B is supported by the support prism 35C, and the parallelism between the lower main surface S1 and the upper main surface S2 of the light guide plate 30A can be secured.
  • the height of the support prism 35C is higher than the height of the optical prism 35A, the second transparent substrate 34B does not contact the top of the optical prism 35A.
  • deformation and damage of the semi-reflective film 35r due to deformation of the top of the optical prism 35A can be avoided. Even if the top of the support prism 35C is deformed, the support prism 35C does not have the semi-reflective film 35r and is disposed outside the optical path until the propagating light L2 reaches the prism reflection array. The impact is very minor.
  • the scattering of the propagation light L2 inside the light guide plate 30A can be reduced, and as a result, a high-quality virtual image can be projected onto the observer's pupil.
  • the light guide layer 33 further includes a third light guide layer 33C including a plurality of support prisms 35C, and the arrangement direction of the plurality of support prisms 35C is the prism reflection array 35.
  • the second embodiment is different from the light guide plate 30 according to the first embodiment in a second point orthogonal to the arrangement direction of the plurality of optical prisms 35 in FIG.
  • the light guide plate 30B according to the present embodiment is common to the light guide plate 30A according to the second embodiment.
  • a description will be given focusing on differences from the light guide plates 30 and 30A according to the first and second embodiments.
  • FIG. 20 is a plan view of the virtual image display device 100 according to the present embodiment.
  • the optical prism 35A is a triangular prism that extends along the Y direction on a plane parallel to the emission surface S1.
  • the prism reflection array 35 has a plurality of optical prisms 35A arranged in the X direction orthogonal to the Y direction.
  • a plurality of support prisms 35C are arranged in the form of dots in an area around the prism reflection array 35 (support prism arrangement area) sandwiching the area where the prism reflection array 35 is arranged (optical prism array area) in the Y direction.
  • the support prism 35C according to the present embodiment has an arc shape in a cross section parallel to the XZ plane and the YZ plane, and is arranged in a dot shape on a plane parallel to the emission surface S1.
  • FIG. 21 schematically shows a cross section parallel to the XZ plane, mainly showing the internal structure of the light guide plate 30B.
  • FIG. 22 schematically shows a side surface of the light guide plate 30B viewed from the X direction.
  • the light guide plate 30B further includes first and second transparent substrates 34A and 34B that sandwich the light guide layer 33, and the light guide layer 33 further includes a third light guide layer 33C. That is, the light guide layer 33 includes the first, second, and third light guide layers 33A, 33B, and 33C.
  • the prism reflection array 35 is formed on the first light guide layer 33A, and the plurality of support prisms 35C are formed on the third light guide layer 33C.
  • the top of the support prism 35C is in contact with the surface of the first light guide layer 33A opposite to the first transparent substrate 34A. Similar to the first and second embodiments, the height of the support prism 35C is higher than that of the optical prism 35A.
  • the height ho of the optical prism 35A is, for example, 0.14 mm at the maximum.
  • the pitch po between the two adjacent optical prisms 35A is, for example, 0.3 mm.
  • the height hs of the support prism 35C is, for example, 0.18 mm, and the pitch ps between two adjacent support prisms 35C is, for example, 3.0 mm.
  • the support prism 35C has an arc shape in a cross section parallel to the XZ plane and the YZ plane.
  • FIG. 24 schematically shows a state in which the second transparent material applied to the prism reflection array 35 is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material.
  • FIG. 25 schematically shows a state in which the second transparent material applied to the plurality of support prisms 35C is pressed and filled with a quartz substrate 38 and then UV-irradiated to polymerize and cure the second transparent material. .
  • a transparent member which is supported by the first transparent substrate 34A and molded with the prism reflection array 35, is manufactured by a method similar to the method described in the second embodiment.
  • the thickness of the first transparent substrate 34A is, for example, 1.1 mm.
  • TiO 2 is deposited in a film thickness (about 65 nm) on the plurality of first inclined surfaces 35D and the plurality of parallel surfaces 35B in the prism reflection array 35 to form the semi-reflection film 35r.
  • the semi-reflective film 35r is formed only in the region of x (25 mm) ⁇ y (20 mm) corresponding to the region where the optical prisms 35A are arranged.
  • a second transparent substrate 34B is prepared.
  • the thickness of the second transparent substrate 34B is 1.1 mm, for example.
  • a plurality of support prisms 35C are formed on the third transparent material on the second transparent substrate 34B by 2p molding. Thereby, the mold shape is transferred, and a transparent member supported by the second transparent substrate 34B is obtained.
  • the plurality of support prisms 35 ⁇ / b> C are manufactured as members independent of the prism reflection array 35.
  • a second transparent material is applied to the entire transparent member so as to cover the prism reflection array 35, the transparent member on the first transparent substrate 34A and the transparent member on the second transparent substrate 34B are overlapped, and then the quartz substrate 38 is overlapped.
  • the coupling structure 32 can be prepared as a separate member from the light guide plate 30 and can be bonded to the second transparent substrate 34 ⁇ / b> B of the light guide plate 30.
  • the lower and upper main surfaces S1 and S2 of the light guide plate 30A are respectively configured by the surfaces of the first and second transparent substrates 34A and 34B, the flatness of each main surface can be ensured, and quartz is used.
  • the first transparent substrate 34A is supported by the support prism 35C, and the parallelism between the lower main surface S1 and the upper main surface S2 of the light guide plate 30A can be ensured.
  • the second transparent substrate 34B does not contact the top of the optical prism 35A.
  • deformation and damage of the semi-reflective film 35r due to deformation of the top of the optical prism 35A can be avoided. Even if the top of the support prism 35C is deformed, the support prism 35C does not have the semi-reflective film 35r and is disposed outside the optical path until the propagating light L2 reaches the prism reflection array. The impact is very minor.
  • the scattering of the propagation light L2 inside the light guide plate 30B can be reduced, and as a result, a high-quality virtual image can be projected onto the observer's pupil.
  • This specification discloses a light guide plate, a light guide, and a virtual image display device described in the following items.
  • a first light guide layer including a prism reflection array configured to transmit a part of a light beam propagating therein, and a light guide layer having a second light guide layer covering the prism reflection array;
  • a light guide plate comprising:
  • the optical effect on the propagation light by at least one support can be reduced.
  • the prism reflection array has a plurality of prisms arranged in a first direction on a plane parallel to the emission surface, and each prism extends along a second direction orthogonal to the first direction,
  • the light guide plate according to item 1 or 2 wherein the at least one support body extends along the second direction.
  • the prism reflection array has a plurality of prisms arranged in a first direction on a parallel plane parallel to the exit surface, and each prism extends along a second direction orthogonal to the first direction.
  • the at least one support is a plurality of supports;
  • the light guide plate according to item 1 or 2 wherein the plurality of supports are arranged in a dot shape.
  • the prism reflection array has a plurality of first and second inclined surfaces inclined with respect to the emission surface, and the plurality of first inclined surfaces are a part of a light beam propagating in the light guide layer. And the plurality of second inclined surfaces are not covered with a semi-reflective film, and are covered with a semi-reflective film.
  • Light guide plate has a plurality of first and second inclined surfaces inclined with respect to the emission surface, and the plurality of first inclined surfaces are a part of a light beam propagating in the light guide layer. And the plurality of second inclined surfaces are not covered with a semi-reflective film, and are covered with a semi-reflective film.
  • the propagating light inside the light guide plate can be emitted in the normal direction of the emission surface.
  • the manufacturing process can be simplified by forming the prism reflection array and at least one support on the same light guide layer.
  • the third light guide layer can be manufactured as an independent member.
  • the manufacturing process can be simplified by forming the prism reflection array and at least one support on the same light guide layer.
  • the third light guide layer can be manufactured as an independent member.
  • a support can be easily provided on the light guide layer.
  • the productivity of the light guide plate can be ensured.
  • the strength and durability of the light guide plate can be enhanced.
  • a coupling structure having a light receiving surface for receiving a light beam from the display element;
  • the light guide plate according to any one of items 1 to 14, Light guide with.
  • the light guide using the light guide plate that can suppress the scattering of the light inside the light guide plate and suppress the blur of the virtual image projected on the eyes of the observer is provided. Is done.
  • a display element A collimating optical system for collimating display light emitted from the display element;
  • the light guide according to item 15, A virtual image display device.
  • the light guide using the light guide plate that can suppress light scattering inside the light guide plate and suppress blur of a virtual image projected on the eyes of the observer is provided.
  • a virtual image display device is provided.
  • the light guide plate and the light guide according to the embodiment of the present invention are suitably used for virtual image display devices such as HMDs and HUDs.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

導光板（３０）は、内部を伝搬する光ビームの一部を透過するように構成されたプリズム反射アレイ（３５）を含む第１導光層（３３Ａ）、およびプリズム反射アレイを覆う第２導光層（３３Ｂ）を有する導光層（３３）と、プリズム反射アレイを透過した光ビームを出射する出射面（Ｓ１）と、出射面の法線方向においてプリズム反射アレイの高さよりも高い高さを有する少なくとも１つの支持体（３５Ｃ）と、を備える。

Description

導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置
　本開示は、導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置に関する。
　近年、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。虚像表示装置とは、例えばヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」と表記する。）およびヘッドアップディスプレイ（以下、「ＨＵＤ」と表記する。）である。虚像表示装置は、表示素子が出射した光を、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が可能である。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が、光学システム、カップリング部材、および回折格子を含む光ガイド部材を備えたシースルータイプの虚像表示装置を開示している。光学システムは、表示素子からの表示光を一連のレンズ系で平行ビーム光（コリメート光）にコリメートして虚像を発生する。光ガイド部材に設けられたカップリング部材を介して光ガイド部材に導入されたコリメート光は、光ガイド部材の内部で全反射を繰り返して伝搬し、内部の回折格子で反射されて光ガイド部材から外部に出射される。出射された光ビームは観察者の瞳に到達する。光ガイド部材は、透明材料を用いて成型された鋸歯状の回折格子の斜面に半反射膜を形成し、さらにその透明材料と屈折率の等しい透明材料で回折格子を被覆することにより構成される。半反射膜の反射率は位置によらず一定であるか、または、光学システムから遠くなるに従って増加するように変化する。このような構成によると、光ガイド部材の厚さを薄くすることができ、かつ、光ガイド部材を安価に製造することができる。
特開２００４－１５７５２０号公報
　しかしながら、本願発明者の検討によると、光ガイド部材において、光学システムからのコリメート光が出射する出射面と、これに対向する対向面とは平行であり、かつ、それぞれが平坦であることが求められる。これを実現するために、例えば、半反射膜が形成された回折格子を被覆する透明材料を回折格子に向けて押圧することが考えられる。これにより、回折格子を被覆する透明材料の、回折格子の表面に接する面と反対側の面（上記の対向面）を平坦にすることができ、かつ、出射面に対して対向面を平行にすることができる。しかしながら、透明材料を押圧することによって、回折格子の先端が変形したり、その先端部分の半反射膜にクラックが発生したりする可能性がある。これは、光ビームが散乱する要因に十分なり得る。その結果として、光ガイド部材の内部でコリメート光が散乱し、観察者の眼に投影される虚像にボケが発生してしまう。
　本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、観察者の眼に投影される虚像のボケを抑制することが可能な導光板、ライトガイドおよびこれらを用いた虚像表示装置を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態による導光板は、内部を伝搬する光ビームの一部を透過するように構成されたプリズム反射アレイを含む第１導光層、および前記プリズム反射アレイを覆う第２導光層を有する導光層と、前記プリズム反射アレイを透過した光ビームを出射する出射面と、前記出射面の法線方向において前記プリズム反射アレイの高さよりも高い高さを有する少なくとも１つの支持体と、を備える。
　ある実施形態において、前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイの周辺に配置されていてもよい。
　ある実施形態において、前記プリズム反射アレイは、前記出射面に平行な面において第１の方向に配列された複数のプリズムを有し、各プリズムは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って延び、前記少なくとも１つの支持体は、前記第２の方向に沿って延びていてもよい。
　ある実施形態において、前記プリズム反射アレイは、前記出射面に平行な平行面において第１の方向に配列された複数のプリズムを有し、各プリズムは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って延び、前記少なくとも１つの支持体は、前記第１の方向に沿って延びていてもよい。
　ある実施形態において、前記少なくとも１つの支持体は複数の支持体であり、前記複数の支持体はドット状に配置されていてもよい。
　ある実施形態において、前記プリズム反射アレイは、前記出射面に対して傾斜した複数の第１および第２傾斜面を有し、前記複数の第１傾斜面は、前記導光層の内部を伝搬する光ビームの一部を反射して、かつ、前記光ビームの一部を透過させる半反射膜で被覆され、前記複数の第２傾斜面は、半反射膜で被覆されていなくてもよい。
　ある実施形態において、前記複数の支持体の各々はドーム型であってもよい。
　ある実施形態において、前記第１導光層は、前記プリズム反射アレイとともに前記少なくとも１つの支持体を有していてもよい。
　ある実施形態において、前記導光層は、前記少なくとも１つの支持体を含む第３導光層をさらに有していてもよい。
　ある実施形態において、前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイと一体的に形成されていてもよい。
　ある実施形態において、前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイとは独立して形成されていてもよい。
　ある実施形態において、前記少なくとも１つの支持体は、前記法線方向における前記導光層の厚さを規定する複数のスペーサであってもよい。
　ある実施形態において、前記第２導光層は表面が実質的に平面であってもよい。
　ある実施形態において、前記第１導光層を支持する第１透明基板と、前記第２導光層を支持する第２透明基板と、をさらに備えていてもよい。
　本発明の実施形態によるライトガイドは、表示素子からの光ビームを受ける受光面を有するカップリング構造と、上記のいずれかに記載の導光板と、を備える。
　本発明の実施形態による虚像表示装置は、表示素子と、前記表示素子から出射された表示光をコリメートするコリメート光学系と、上記のライトガイドと、を備える。
　本発明の実施形態によれば、観察者の眼に投影される虚像のボケを抑制することが可能な導光板、ライトガイドおよびこれらを用いた虚像表示装置が提供される。
第１の実施形態による虚像表示装置１００の構成を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態による虚像表示装置１００の平面図である。 第１の実施形態による導光板３０の内部構造を模式的に示す、ＸＺ平面に平行な導光板３０の断面図である。 プリズム反射アレイ３５を構成する複数の光学プリズム３５Ａのうちの１つの、ＸＺ平面に平行な断面図である。 第１導光層３３Ａの内部構造を模式的に示す、ＸＺ平面に平行な導光板３０の断面図である。 カップリング構造３２に近い領域および遠い領域における複数の光学プリズム３５Ａの配列パターンの例を示す模式図である。 カップリング構造３２に近い領域および遠い領域における複数の光学プリズム３５Ａの配列パターンの例を示す模式図である。 カップリング構造３２に近い領域および遠い領域における複数の光学プリズム３５Ａの配列パターンの例を示す模式図である。 伝搬光Ｌ２の振る舞いを説明するための、ＸＺ平面における導光板３０の断面図である。 斜方蒸着によって、プリズム反射アレイ３５に半反射膜３５ｒを形成する様子を示す模式図である。 光学プリズム３５Ａの所定の面のみに半反射膜３５ｒを蒸着するために用いられるマスク５０の外観図である。 プリズム反射アレイ３５に塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を示す模式図である。 第２の実施形態による虚像表示装置１００の平面図である。 第２の実施形態による導光板３０Ａの内部構造を模式的に示す、ＸＺ平面に平行な導光板３０Ａの断面図である。 第２の実施形態による導光板３０ＡのＸ方向から見た側面図である。 第１透明基板３４Ａに支持された第１導光層３３Ａの内部構造を模式的に示す、ＸＺ平面に平行な導光板３０Ａの断面図である。 プリズム反射アレイ３５を構成する複数の光学プリズム３５Ａのうちの１つの、ＸＺ平面に平行な断面図である。 第２の実施形態による導光板３０Ａの内部構造を模式的に示す、ＹＺ平面に平行な導光板３０Ａの断面図である。 斜方蒸着によって、プリズム反射アレイ３５に半反射膜３５ｒを形成する様子を示す模式図である。 光学プリズム３５Ａの所定の面のみに半反射膜３５ｒを蒸着するために用いられるマスク５０の外観図である。 プリズム反射アレイ３５に塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を示す模式図である。 複数の支持プリズム３５Ｃに塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を示す模式図である。 第３の実施形態による虚像表示装置１００の平面図である。 第３の実施形態による導光板３０Ｂの内部構造を模式的に示す、ＸＺ平面に平行な導光板３０Ｂの断面図である。 第３の実施形態による導光板３０ＢのＸ方向から見た側面図である。 第３の実施形態による第３導光層３３Ｃの内部構造を模式的に示す、ＹＺ平面に平行な導光板３０の断面図である。 プリズム反射アレイ３５に塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を示す模式図である。 複数の支持プリズム３５Ｃに塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を示す模式図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による導光板、ライトガイド、および、これらを備える虚像表示装置を説明する。以下の説明では、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。虚像表示装置の一例として、ＨＭＤの構成を説明するが、本発明の実施形態はこれに限られない。例えばＨＵＤなどの他の態様の虚像表示装置にも用いることができる。また、一の実施形態と、他の実施形態とを組み合わせることも可能である。
　本発明の実施形態による導光板は、内部を伝搬する光ビームの一部を透過するように構成されたプリズム反射アレイを含む第１導光層、およびプリズム反射アレイを覆う第２導光層を有する導光層と、プリズム反射アレイを透過した光ビームを出射する出射面と、出射面の法線方向においてプリズム反射アレイの高さよりも高い高さを有する少なくとも１つの支持体と、を備える。第１導光層の屈折率は、第２導光層の屈折率と略一致していることが好ましい。
　本発明の実施形態によると、プリズム反射アレイの高さよりも高い支持体を設けることにより、特に製造時に生じ得るプリズム反射アレイの変形や破損を回避することができる。その結果、導光板内部での光の散乱が抑制されて、観察者の眼に投影される虚像のボケを抑制することが可能となる。
　（第１の実施形態）
　図１Ａは、第１の実施形態による虚像表示装置１００の構成を模式的に示す斜視図であり、図１Ｂは、虚像表示装置１００の平面図である。
　虚像表示装置１００は、表示素子１０と、表示素子１０から出射した光を受け取り、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、コリメート光を受け取るカップリング構造３２と、カップリング構造３２からのコリメート光を観察者の方向に投影するための導光板３０とを備えている。
　導光板３０の片側主面の端部において、投影レンズ系２０からのコリメート光Ｌ１を受け取る受光面を有す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１Ｂ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。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。また、表示素子１０と投影レンズ系２０とを備える装置を「虚像投影装置４０」と称する場合がある。
　導光板３０は、内部を伝搬するコリメート光の一部を反射して外部に出射するプリズム反射アレイ３５を含んでいる。例えば、導光板３０のＸ方向の幅は５５ｍｍであり、Ｙ方向の幅は３０ｍｍであり、カップリング構造３２を含まないライトガイド、つまり導光板３０のＺ方向の厚さは２．２ｍｍである。また、図１Ｂに示すように、プリズム反射アレイ３５は、光を取り出す出射面と平行な面内における所定の面内領域に設けられている。本実施形態では、プリズム反射アレイ３５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を有する所定の矩形状領域Ｒｒ内に設けられている。
　カップリング構造３２の受光面は、光ビームを出射する導光板３０の出射面に対して傾斜している。虚像投影装置４０の光軸、つまり、投影レンズ系２０の光軸は、例えばカップリング構造３２の受光面に直交するように調整される。
　虚像表示装置１００において、表示素子１０からの出射光（虚像表示光）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に入射したコリメート光Ｌ１は、導光板３０の受光部３１、すなわち、カップリング構造３２が設けられた部分から、例えば図１Ｂに示すＸ方向（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）に沿って全反射を繰り返しながら導光板３０の内部を伝搬する。
　カップリング構造３２から導光板３０に導入されるコリメート光Ｌ１は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、表示素子１０の画素位置に応じて進行方向が異なる複数の光ビームを含んでいる。例えば、表示素子１０の中央領域から出射した光ビームは、図１Ｂ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の端領域から出射した光ビームは、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号公報に開示された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号公報に開示された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インチから約０．５インチである。なお、投影レンズ系２０から出射する光ビームの直径は、投影レンズ系２０によって調整され得る。また、カップリング構造３２のサイズによって導光板３０に入射する光ビームのサイズが決定される。
　図２は、主として導光板３０の内部構造を示す、ＸＺ平面に平行な断面を模式的に示している。図３は、プリズム反射アレイ３５を構成する複数の光学プリズム３５Ａのうちの１つの、ＸＺ平面に平行な断面を拡大して模式的に示している。
　導光板３０は、プリズム反射アレイ３５を含む導光層３３、プリズム反射アレイ３５を透過した光ビームを出射する出射面Ｓ１、および複数の支持プリズム３５Ｃを備える。カップリング構造３２は、導光板３０の受光部３１（図１Ａを参照）側の出射面に配置されている。ただし、カップリング構造３２は、導光板３０において出射面Ｓ１に対向した、後述する上側主面Ｓ２に配置されていてもよい。
　導光層３３は、プリズム反射アレイ３５を含む第１導光層３３Ａと、プリズム反射アレイ３５を覆う第２導光層３３Ｂとを有している。プリズム反射アレイ３５は、カップリング構造３２から入射して内部を伝搬する光ビームの一部を透過するように構成されている。第１導光層３３Ａの屈折率は、第２導光層３３Ｂの屈折率に略等しいことが好ましく、第１導光層３３Ａと第２導光層３３Ｂとは、同一の材料から形成されていることが好ましい。導光層３３の厚さは、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍに設定される。
　出射面Ｓ１の法線方向（図中のＺ方向）において、支持プリズム３５Ｃの高さは、プリズム反射アレイ３５（光学プリズム３５Ａ）の高さよりも高い。なお、後でプリズムの高さの関係を詳細に説明する。
　第２導光層３３Ｂの外側表面は、導光板３０の上側（観測者とは反対側）主面Ｓ２を構成している。出射面Ｓ１は導光板３０の下側主面Ｓ１に相当する。導光板３０の下側主面Ｓ１と上側主面Ｓ２とは空気に露出している。なお、本明細書では、便宜上、導光板３０のそれぞれの主面を、図面に従って、上側主面Ｓ２および下側主面Ｓ１と呼んで区別することがあるが、実際の使用状況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。
　本実施形態においては、プリズム反射アレイ３５を構成する複数の光学プリズム３５Ａ、および複数の支持プリズム３５Ｃは、同一の第１導光層３３Ａに形成され、かつ、同一の方向（Ｘ方向）に配列されている。
　光学プリズム３５Ａは、出射面Ｓ１に平行な面においてＹ方向に沿って延伸した三角柱状のプリズムである。プリズム反射アレイ３５は、Ｙ方向に直交するＸ方向に配列された複数の光学プリズム３５Ａを有している。なお、後述するように、隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間にスリット状の平坦部（以下、「平行面」と表記する。）３５Ｂがあってもよい。
　光学プリズム３５Ａは、半反射膜３５ｒで被覆された傾斜面を含み、光ビームに対して光学的に作用する。半反射膜３５ｒは、例えば、薄い金属膜（Ａｇ膜やＡｌ膜など）や誘電体膜（ＴｉＯ2膜など）から形成されており、入射する光ビームの一部を反射し、かつ、光ビームの一部を透過させることができる。プリズム反射アレイ３５は主として、第１および第２導光層３３Ａ、３３Ｂの間の界面にある半反射膜３５ｒの配列を指す。半反射膜３５ｒの膜厚は、一般に数ｎｍから数１００ｎｍの範囲にある。プリズム反射アレイ３５は、出射面Ｓ１の主として法線方向に光ビームを出射する。具体的に説明すると、プリズム反射アレイ３５は、カップリング構造３２を介して導光板３０に入射した光ビームの一部を反射して導光板３０の出射面Ｓ１から外部に虚像反射光Ｒとして出射する。なお、図２には、虚像の水平方向の画角（±θ0）を虚像反射光Ｒとともに示している。
　複数の支持プリズム３５Ｃはプリズム反射アレイ３５の周辺に配置される。支持プリズム３５Ｃは、半反射膜３５ｒで被覆されておらず、光ビームに対して光学的には作用しない。「光学プリズム３５Ａ」と「支持プリズム３５Ｃ」とは、光学的に明確に区別される部材である。
　本実施形態では、支持プリズム３５Ｃは、光学プリズム３５Ａと同様に、出射面Ｓ１に平行な面においてＹ方向に沿って延伸した三角柱状のプリズムである。従って、支持プリズム３５ＣのＸＺ平面に平行な断面形状も、図３に示すように三角形となる。
　本願明細書において、光学プリズム３５Ａおよび支持プリズム３５Ｃの高さｈは、図３に示すように、Ｚ方向における底面から頂点までの距離を意味する。その高さｈは出射面Ｓ１の法線方向における高さである。
　プリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃは、第２導光層３３Ｂによって覆われている。第２導光層３３Ｂの片側の面は、第１導光層３３Ａに形成された、光学プリズム３５Ａおよび支持プリズム３５Ｃの形状に適合する形状を有し、反対側の面は導光板３０の上側主面Ｓ２を形成している。第２導光層３３Ｂは、プリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃの表面を平坦化する部材であり、その凹凸を埋めるように設けられている。平坦化された導光板３０の表面は支持プリズム３５Ｃの頂部（稜線３５Ｌに相当する部分）によって支持される。支持プリズム３５Ｃの高さは、光学プリズム３５Ａの高さよりも高いので、光学プリズム３５Ａの頂部は導光板３０の表面には接触せずに埋没している。
　本実施形態においては、導光板３０の上側主面Ｓ２側において、プリズム反射アレイ３５が設けられている。なお、プリズム反射アレイ３５は、導光板３０の下側主面（つまり、出射面）Ｓ１側に設けられていても構わない。その場合、プリズム反射アレイ３５は、出射面Ｓ１の主として法線方向に光ビームを出射するように第１導光層３３Ａに形成され、第２導光層３３Ｂによって覆われるとともに、第２導光層３３Ｂの外側表面は、導光板３０の下側（観測者側）主面Ｓ１を構成する。
　図３に示すように、光学プリズム３５Ａは、第１傾斜面３５Ｄおよび第２傾斜面３５Ｅを含んでいる。第１および第２傾斜面３５Ｄ、３５Ｅによって稜線３５Ｌ（つまり、頂部）が形成されている。第１および第２傾斜面３５Ｄ、３５Ｅのうち、第２傾斜面３５Ｅが導光板３０の受光部３１（図１Ａを参照）側に位置する。第１傾斜面３５Ｄは、導光板３０の出射面Ｓ１に対して傾斜角度αで傾斜し、第２傾斜面３５Ｅは、出射面Ｓ１に対して傾斜角度αよりも大きい傾斜角度βで傾斜している。ＸＹ平面を基準として、傾斜角度αは時計回りの方向を正とした角度であり、傾斜角度βは半時計回りの方向を正とした角度である。例えば、傾斜角度αは２６°であり、傾斜角度βは８５°である。
　第１傾斜面３５Ｄは、導光層３３の内部を伝搬する光ビーム（図２に示される伝搬光Ｌ２）の一部を反射して、かつ、光ビームの一部を透過させる半反射膜３５ｒで被覆される。第２傾斜面３５Ｅは半反射膜３５で被覆されない。また、プリズム反射アレイ３５において、受光部３１に近い位置では、隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間に平行面３５Ｂが設けられている。それらの平行面３５Ｂもまた、半反射膜３５ｒで被覆されている。他方、受光部３１から離れた位置では、隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間に平行面３５Ｂは設けられておらず、光学プリズム３５Ａが近接して連続的に配置されている。
　第１傾斜面３５Ｄと平行面３５Ｂとだけを選択的に半反射膜３５ｒで被覆することにより、導光板３０の内部を伝搬する伝搬光Ｌ２の一部を第１傾斜面３５Ｄおよび平行面３５Ｂで反射させるとともに、導光板３０の上側主面Ｓ２の外側から入射した光（外界からの光）を導光板３０の下側主面Ｓ１から出射させることができる。
　導光板３０の伝搬光Ｌ２は、光学プリズム３５Ａの第１傾斜面３５Ｄと平行面３５Ｂとにおいて反射され、第２傾斜面３５Ｅでは反射されない。第２傾斜面３５Ｅだけ被覆していない理由は、第２傾斜面３５Ｅが半反射面を構成すると、想定していない方向に光が反射して迷光となるため、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。
　図４は、主として第１導光層３３Ａの内部構造を示す、ＸＺ平面に平行な断面を模式的に示している。上述した導光板３０のサイズの例によると、Ｘ方向において、導光板３０の受光部３１側の端の位置をＸ＝０ｍｍとすると、導光板３０の受光部３１とは反対側の端の位置をＸ＝５５ｍｍとなる。
　第１導光層３３Ａは、プリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃを有している。例えば、プリズム反射アレイ３５は、Ｘ方向においてＸ＝２０ｍｍから４５ｍｍまでの間に配置され、複数の支持プリズム３５Ｃは、Ｘ方向においてＸ＝０ｍｍから２０ｍｍまでの間と、Ｘ＝４５ｍｍから５５ｍｍまでの間とに配置され得る。支持プリズム３５Ｃの高さｈｓは、例えば０．１８ｍｍであり、光学プリズム３５Ａの高さｈｏは、例えば０．１４ｍｍである。また、プリズム反射アレイ３５の周辺において、隣接する２つの支持プリズム３５Ｃの間には平行面３５Ｂは存在しない。隣接する２つの支持プリズム３５Ｃの間のピッチｐｓは、例えば３．０ｍｍである。光学プリズム３５Ａの配列ピッチは後述する。
　図５Ａから図５Ｃは、カップリング構造３２に近い領域および遠い領域における複数の光学プリズム３５Ａの配列パターンの例を模式的に示す。図中の左側が導光板３０の受光部３１側である。
　先ず、プリズム反射アレイ３５の場所によって光学プリズム３５Ａ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３５で反射された光ビームが導光板３０から出射するとき、出射面Ｓ１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。導光板３０のプリズム反射アレイ３５における反射面の分布が面内で一様であると、表示素子１０からの光が入射する受光部３１に近い側で出射するコリメート光の強度が相対的に高くなり、遠い側で出射するコリメート光の強度が相対的に低くなることがその原因の一つであると考えられる。
　プリズム反射アレイ３５が配置された領域内で虚像反射光Ｒを均一に取り出すために、単位面積当たりの第１傾斜面３５Ｄの占有率が、受光部３１に近い位置で小さく、受光部３１から遠くなるに従って大きくなるように光学プリズム３５Ａを配列することが好ましい。従って、受光部３１に近い位置で隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間には平行面３５Ｂが存在し、受光部３１から離れるにつれてそれらの間の平行面３５Ｂは徐々にまたは段階的に減少して、受光部３１から最も遠い位置では平行面３５Ｂは存在しなくてよい。
　図５Ａから図５Ｃに示すとおり、光学プリズム３５Ａの配列ピッチをｐｏとし、光学プリズム３５Ａの幅をａとし、平行面３５Ｂの幅をｂとする。なお、配列ピッチｐｏは隣接する２つの光学プリズム３５Ａの頂点間の距離に相当する。
　図５Ａに示す例では、光学プリズム３５Ａの配置位置に依存せずに幅ａを一定として、受光部３１から遠ざかるにつれて、幅ｂを減少させている。その結果、配列ピッチｐも、受光部３１から遠ざかるにつれて漸減する。例えば、幅ａは０．３０ｍｍであり、幅ｂは、配列ピッチｐｏを０．５４ｍｍから０．３０ｍｍに漸減させるように設定され得る。
　図５Ｂに示す例では、光学プリズム３５Ａの配置位置に依存せずに配列ピッチｐｏを一定として、受光部３１から遠ざかるにつれて幅ａを漸増させている。その結果、受光部３１から遠ざかるにつれて幅ｂは漸減する。また、受光部３１から遠ざかる程、光学プリズム３５Ａの高さｈｏは高くなる。例えばその高さｈｏは最大で０．１４ｍｍである。
　図５Ｃに示す例では、隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間に平行面３５Ｂを配置する代わりに、光学プリズム３５Ａの配置位置に応じて光学プリズム３５Ａの形状を変化させている。具体的に説明すると、光学プリズム３５Ａの第１傾斜面３５Ｄの傾斜角度αを一定とし、受光部３１から遠ざかるにつれて大きくなるように第２傾斜面３５Ｅの傾斜角度βを設定している。この例では、配列ピッチｐｏは光学プリズム３５Ａの幅ａに等しい。ただし、半反射膜３５ｒの形成（後述する斜方蒸着）を考慮すると、傾斜角度βは９０°未満で可能な限り大きいほうが好ましい。さらに、プリズム反射アレイ３５を介して虚像反射光Ｒ（図２を参照）を観察者の瞳に投射するため、配列ピッチｐｏは瞳孔径よりも小さいことが好ましい。瞳孔径は、２．０ｍｍから８．０ｍｍ程度の間で環境により変化する。これをさらに考慮すると、配列ピッチｐｏは最小瞳孔径２ｍｍよりも小さいことがより好ましいと言える。
　支持プリズム３５Ｃの高さｈｓが光学プリズム３５Ａの高さｈｏよりも高い限りにおいて、両者の形状は相似でなくてもよく、支持プリズム３５Ｃの形状は、他のプリズム形状やレンズ形状であってもよい。また、支持プリズム３５Ｃは線状に延伸していなくてよく、ドット状に配列されていてもよい。その場合、支持プリズム３５Ｃは、例えばドーム型であり得る。複数の支持プリズム３５Ｃを配列する代わりに、プリズム反射アレイ３５の周囲に構造物として単一の支持体を配置してもよい。さらに、支持プリズム３５Ｃは必ずしも、成型によって導光層３０に配置される必要はなく、出射面Ｓ１の法線方向における導光層３０の厚さを規定するスペーサであってもよい。スペーサは散布することにより導光層３０に配置され得る。スペーサの材料は、例えばガラスである。
　本実施形態では、明るさのムラを考慮して、光学プリズム３５Ａの面内密度（単位面積当たりの占有率）が、受光部３１から離れるにしたがって、より密になるように、例えば平行面３５Ｂを設けたプリズム反射アレイ３５を採用している。ただし、このような構成は必ずしも必要ではない。
　図６を参照して、虚像投影装置４０の表示素子１０の中央からの虚像投影光に着目し、導光板３０内での伝搬光Ｌ２の振る舞いを説明する。虚像反射光Ｒは、コリメートされた光であり、観察者の略正面に見える虚像を形成する。
　図６は、ＸＺ平面における導光板３０の断面を模式的に示している。
　導光板３０の端部に位置する受光部３１（図４を参照）から入射した光ビームは、導光板３０の上下の主面Ｓ１およびＳ２において全反射しながら内部を伝搬する。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の上下主面Ｓ１およびＳ２に入射した光ビームは界面で全反射する。そして、入射した光ビームは、全反射を繰り返しながら導光板３０の内部を主として図６に示すＸ方向に沿って伝搬する。
　伝搬光Ｌ２は、ある光学プリズム３５Ａの第１傾斜面３５Ｄ（つまり、半反射膜３５ｒ）で反射される。反射された光は、典型的には、導光板３０の出射面Ｓ１の法線方向ｎに出射する。出射された光ビームは観察者の瞳に到達する。一方、半反射膜３５ｒを透過した光ビームは、導光板３０の内部を再度伝搬し、別の光学プリズム３５Ａに到達する。
　伝搬光Ｌ２が、出射面Ｓ１の法線方向ｎに出射する場合、伝搬光Ｌ２は、光学プリズム３５Ａの第１傾斜面３５Ｄに対して入射角α（第１傾斜面３５Ｄの傾斜角度αと同じ角度）で入射している。また、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、図示するように、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傾斜面３５Ｄに到達し、反射されて法線方向ｎに沿って出射する条件としては、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、光学プリズム３５Ａの傾斜角度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。
　次に、虚像表示装置１００の製造方法を説明する。
　図１Ａ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およびカップリング構造３２を備えており、これらを適切に配置することによって製造される。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。本明細書では、プリズム反射アレイ３５を含む導光板３０と、カップリング構造３２とを備えたライトガイドの製造方法を主に説明する。
　導光板３０は、第１透明材料（例えば紫外線硬化性樹脂）にプリズム反射アレイ３５を成型し、複数の支持プリズム３５Ｃをその周辺に成型して、プリズム反射アレイ３５の特定の傾斜面に半反射膜３５ｒを形成した後、プリズム反射アレイ３５を第２透明材料（例えば紫外線硬化性樹脂）で平坦化することにより得られる。具体的に説明すると、プリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃは、例えば射出成型、プレス成型および２ｐ成型法（Ｐｈｏｔｏ　Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて第１透明材料（例えば、熱可塑性樹脂，紫外線硬化性樹脂など）を成型することによって製造することができる。例えば、半反射膜３５ｒは、成型された光学プリズム３５Ａの第１傾斜面３５Ｄに金属膜や誘電体膜などを所定の膜厚で蒸着することにより形成される。その蒸着の際、後述するとおり、半反射膜３５ｒを支持プリズム３５Ｃに蒸着しないように、マスクが用いられる。その後、光（典型的には紫外線）硬化性樹脂、熱硬化性樹脂、または２液性エポキシ樹脂などの第２透明材料を平坦化部材としてプリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃに塗布し、加圧充填することにより第２透明材料（つまり、樹脂）を重合硬化させる。以上の工程を経て、プリズム反射アレイ３５を含む導光層３３を備える導光板３０が完成する。第１透明材料の屈折率は第２透明材料の屈折率に一致していることが好ましい。
　図７から図９を参照して、導光板３０の製造方法を詳細に説明する。
　図７は、斜方蒸着によって、プリズム反射アレイ３５に半反射膜３５ｒを形成する様子を模式的に示している。図８は、光学プリズム３５Ａの所定の面のみに半反射膜３５ｒを蒸着するために用いられるマスク５０を模式的に示している。図９は、プリズム反射アレイ３５に塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を模式的に示している。
　第１導光層３３Ａ用の第１透明材料としては、例えば日本ゼオン（株）製“ゼオネックス３３０Ｒ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。射出成型によって第１透明材料にプリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃを成型する。この成形により、図４に示すようなプリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃが一体的に形成された透明部材が得られる。射出成型は、加熱して流動性を持たせた成型樹脂を高圧で金型に注入して金型形状を転写する成型方法である。
　図７に示すように、プリズム反射アレイ３５における複数の第１傾斜面３５Ｄおよび複数の平行面３５ＢにＴｉＯ2を膜厚（約６５ｎｍ）で蒸着して半反射膜３５ｒを形成する。この際、図８に示すマスク５０を用いて、光学プリズム３５Ａが配列された領域に対応するｘ（２５ｍｍ）×ｙ（２０ｍｍ）の領域にのみ半反射膜３５ｒを形成する。なお、半反射膜３５ｒの材料には、ＴｉＯ2以外に、他の誘電体や金属材料（例えばＡｌまたはＡｇ）を利用することもできる。さらに、光学プリズム３５Ａの第２傾斜面３５Ｅに半反射膜３５が形成さないよう、斜方蒸着を採用することが好ましい。その理由は、第２傾斜面３５Ｅに半反射膜３５ｒが形成されると、導光板３０の内部の伝搬光Ｌ２が所定の方向とは異なる方向に反射され、その結果、虚像のぼけやゴーストが発生するためである。
　平坦化部材である第２導光層３３Ｂ用の第２透明材料には、例えばダイセル製の紫外線硬化型樹脂”ＬＵ１３０３ＨＡ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。プリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃ上に第２透明材料を塗布し、石英基板３８でプレスして加圧充填した後に、石英基板３８越しにＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる。
　石英基板３８でプレスすることにより、導光板３０の表面は平坦性を確保できるとともに、石英基板３８は支持プリズム３５Ｃで支持されるので、導光板３０の下側主面（つまり、出射面）Ｓ１と上側主面Ｓ２との平行度を確保できる。さらに、支持プリズム３５Ｃの高さが光学プリズム３５Ａの高さよりも高いので、石英基板３８は光学プリズム３５Ａの頂部と接触しない。その結果、光学プリズム３５Ａの頂部の変形に伴う半反射膜３５ｒの変形や損傷を回避することができる。また、支持プリズム３５Ｃの頂部が変形しても、半反射膜３５ｒは形成されていないので、光学的な影響は非常に軽微である。なお、石英基板３８には、第２透明材料を硬化させた後にそれを剥離し易いように、例えば離型剤を用いた離型処理を施すことが好ましい。
　本実施形態の導光板３０によると、導光板３０の内部での伝搬光Ｌ２の散乱を低減でき、その結果、高品位の虚像を観察者の瞳に投射することができる。
　（第２の実施形態）
　本実施形態による導光板３０Ａは、複数の支持プリズム３５Ｃの配列方向がプリズム反射アレイ３５における複数の光学プリズム３５の配列方向と直交する点で、第１の実施形態による導光板３０とは異なっている。以下、第１の実施形態による導光板３０と異なる点を中心に説明する。
　図１０は、本実施形態による虚像表示装置１００の平面図である。図１１は、主として導光板３０Ａの内部構造を示す、ＸＺ平面に平行な断面を模式的に示している。図１２は、Ｘ方向から見た導光板３０Ａの側面を模式的に示している。
　図１０に示すように、第１の実施形態と同様に、光学プリズム３５Ａは、出射面Ｓ１に平行な面においてＹ方向に沿って延伸した三角柱状のプリズムである。プリズム反射アレイ３５は、Ｙ方向に直交するＸ方向に配列された複数の光学プリズム３５Ａを有している。プリズム反射アレイ３５が配置された領域（光学プリズム配列領域）をＹ方向に挟んだプリズム反射アレイ３５周辺の領域（支持プリズム配列領域）に、複数の支持プリズム３５ＣがＹ方向に沿って配列される。換言すると、光学プリズム３５Ａは、Ｘ方向に直交するＹ方向に沿って延び、支持プリズム３５Ｃは、Ｘ方向に沿って延びている。本実施形態による支持プリズム３５Ｃは、ＹＺ平面に平行な断面において円弧状であり、出射面Ｓ１に平行な面においてＸ方向に沿って延びている。
　本実施形態による導光板３０Ａは、導光層３３を挟持する第１および第２透明基板３４Ａ、３４Ｂをさらに備える。第１透明基板３４Ａは第１導光層３３Ａを支持し、第２透明基板３４Ｂは第２導光層３３Ｂを支持する。透明基板で導光層３３を挟持することにより、導光板３０の強度や耐久性を強化できるという利点がある。また、透明基板を利用することで、導光板３０を製造し易くなるという利点がある。複数の支持プリズム３５Ｃは、プリズム反射アレイ３５とともに、第１導光層３３Ａに形成されている。また、支持プリズム３５Ｃの高さは、光学プリズム３５Ａのそれよりも高い。
　図１３は、第１透明基板３４Ａに支持された第１導光層３３Ａの内部構造を示す、ＸＺ平面に平行な断面を模式的に示している。図１４は、プリズム反射アレイ３５を構成する複数の光学プリズム３５Ａのうちの１つの、ＸＺ平面に平行な断面を拡大して模式的に示している。図１５は、導光板３０Ａの、ＹＺ平面に平行な断面を模式的に示している。
　図示するように、第１導光層３３Ａは第１透明基板３４Ａによって支持されている。プリズム反射アレイ３５は、第１の実施形態によるそれと同じ構造を有している。第１の実施形態で説明した導光板３０のサイズの例によると、Ｘ方向において、導光板３０の受光部３１側の端の位置をＸ＝０ｍｍとすると、導光板３０の受光部３１とは反対側の端の位置はＸ＝５５ｍｍとなる。また、Ｙ方向において、導光板３０の一端の位置をＹ＝０ｍｍとすると、他端の位置はＹ＝３０ｍｍとなる。
　例えば第１の実施形態と同様に、プリズム反射アレイ３５は、Ｘ方向においてＸ＝２０ｍｍから４５ｍｍまでの間に配置される。光学プリズム３５Ａの高さｈｏは、例えば最大で０．１４ｍｍである。隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間のピッチｐｏは、例えば０．３ｍｍである。
　例えば、複数の支持プリズム３５Ｃは、Ｙ方向においてＹ＝０ｍｍから５ｍｍまでの間と、Ｙ＝２５ｍｍから３０ｍｍまでの間と、に配置される。なお、プリズム反射アレイ３５は、Ｙ＝５ｍｍから２５ｍｍまでの間に配置され得る。支持プリズム３５Ｃの高さｈｓは、例えば０．１８ｍｍであり、隣接する２つの支持プリズム３５Ｃの間のピッチｐｓは、例えば３．０ｍｍである。
　次に、図１６から図１９を参照して、導光板３０Ａの製造方法を説明する。
　図１６は、斜方蒸着によって、プリズム反射アレイ３５に半反射膜３５ｒを形成する様子を模式的に示している。図１７は、光学プリズム３５Ａの所定の面のみに半反射膜３５ｒを蒸着するために用いられるマスク５０を模式的に示している。図１８は、プリズム反射アレイ３５に塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して樹脂を重合硬化させる様子を模式的に示している。図１９は、複数の支持プリズム３５Ｃに塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して樹脂を重合硬化させる様子を模式的に示している。
　まず、第１透明基板３４Ａを準備する。例えば、第１透明基板３４Ａとして、コーニング社製のガラス基板”ＥａｇｌｅＸＧ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。第１透明基板３４Ａの厚さは例えば１．１ｍｍである。第１導光層３３Ａ用の第１透明材料として、例えば（株）ダイセル製の紫外線硬化型樹脂“ＬＵ１３０３ＨＡ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。第１透明基板３４Ａ上の第１透明材料にプリズム反射アレイ３５を２ｐ成型によって成型する。２ｐ成型では、金型に紫外線硬化樹脂を塗布し、さらに第１透明基板３４Ａを配置してから紫外線硬化樹脂を加圧充填し、重合硬化した後に金型からそれを離型する。これにより、金型形状が転写され、かつ、第１透明基板３４Ａによって支持された透明部材が得られる。
　図１６に示すように、第１の実施形態と同様に、プリズム反射アレイ３５における複数の第１傾斜面３５Ｄおよび複数の平行面３５ＢにＴｉＯ2を膜厚（約６５ｎｍ）で蒸着して半反射膜３５ｒを形成する。この際、図１７に示すマスク５０を用いて、光学プリズム３５Ａが配列された領域に対応するｘ（２５ｍｍ）×ｙ（２０ｍｍ）の領域にのみ半反射膜３５ｒを形成する。さらに、光学プリズム３５Ａの第２傾斜面３５Ｅに半反射膜３５が形成さないよう、斜方蒸着を採用することが好ましい。
　平坦化部材である第２導光層３３Ｂ用の第２透明材料として、例えばダイセル製の紫外線硬化型樹脂”ＬＵ１３０３ＨＡ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。また、第２透明基板３４Ｂとして、第１透明基板３４Ａと同じコーニング社製のガラス基板”ＥａｇｌｅＸＧ”（屈折率＝１．５１、厚さ＝１．１ｍｍ）を用いることができる。プリズム反射アレイ３５および複数の支持プリズム３５Ｃ上に第２透明材料を塗布し、さらに、第２透明基板３４Ｂを配置してから石英基板３８でプレスして第２透明材料を加圧充填した後に、石英基板３８越しにＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる。なお、カップリング構造３２は導光板３０とは別部材として準備し、導光板３０の第２透明基板３４Ｂに接着することができる。
　導光板３０Ａの下側および上側主面Ｓ１、Ｓ２は、第１および第２透明基板３４Ａ、３４Ｂの表面でそれぞれ構成されるので、各主面の平坦性を確保することができ、かつ、石英基板３８でプレスすることにより、第２透明基板３４Ｂは支持プリズム３５Ｃによって支持され、導光板３０Ａの下側主面Ｓ１と上側主面Ｓ２との平行度を確保できる。さらに、支持プリズム３５Ｃの高さが光学プリズム３５Ａの高さよりも高いので、第２透明基板３４Ｂは光学プリズム３５Ａの頂部と接触しない。その結果、光学プリズム３５Ａの頂部の変形に伴う半反射膜３５ｒの変形や損傷を回避することができる。また、支持プリズム３５Ｃの頂部が変形しても、支持プリズム３５Ｃは半反射膜３５ｒを有さず、かつ、伝搬光Ｌ２がプリズム反射アレイに到達するまでの光路外に配置されているので、光学的な影響は非常に軽微である。
　本実施形態の導光板３０Ａによると、導光板３０Ａの内部での伝搬光Ｌ２の散乱を低減でき、その結果、高品位の虚像を観察者の瞳に投射することができる。
　（第３の実施形態）
　本実施形態による導光板３０Ｂは、導光層３３が複数の支持プリズム３５Ｃを含む第３導光層３３Ｃをさらに有する第１の点、および、複数の支持プリズム３５Ｃの配列方向がプリズム反射アレイ３５における複数の光学プリズム３５の配列方向と直交する第２の点で、第１の実施形態による導光板３０とは異なっている。ただし、第１の点においては、本実施形態による導光板３０Ｂは、第２の実施形態による導光板３０Ａと共通する。以下、第１および２の実施形態による導光板３０、３０Ａと異なる点を中心に説明する。
　図２０は、本実施形態による虚像表示装置１００の平面図である。図２０に示すように、第１の実施形態と同様に、光学プリズム３５Ａは、出射面Ｓ１に平行な面においてＹ方向に沿って延伸した三角柱状のプリズムである。プリズム反射アレイ３５は、Ｙ方向に直交するＸ方向に配列された複数の光学プリズム３５Ａを有している。プリズム反射アレイ３５が配置された領域（光学プリズム配列領域）をＹ方向に挟んだプリズム反射アレイ３５周辺の領域（支持プリズム配列領域）に、複数の支持プリズム３５Ｃがドット状に配列される。本実施形態による支持プリズム３５Ｃは、ＸＺ平面、およびＹＺ平面に平行な断面において円弧状であり、出射面Ｓ１に平行な面においてドット状に配列されている。
　図２１は、主として導光板３０Ｂの内部構造を示す、ＸＺ平面に平行な断面を模式的に示している。図２２は、Ｘ方向から見た導光板３０Ｂの側面を模式的に示している。
　本実施形態による導光板３０Ｂは、導光層３３を挟持する第１および第２透明基板３４Ａ、３４Ｂをさらに備え、導光層３３は、第３導光層３３Ｃをさらに有している。つまり、導光層３３は、第１、第２および第３導光層３３Ａ、３３Ｂおよび３３Ｃを有している。プリズム反射アレイ３５は、第１導光層３３Ａに形成され、複数の支持プリズム３５Ｃは第３導光層３３Ｃに形成されている。支持プリズム３５Ｃの頂部は、第１導光層３３Ａの第１透明基板３４Ａと反対側の表面に接する。第１および第２の実施形態と同様に、支持プリズム３５Ｃの高さは、光学プリズム３５Ａのそれよりも高い。
　再び、図１３を参照する。第２の実施形態と同様に、第１導光層３３Ａは第１透明基板３４Ａによって支持され、プリズム反射アレイ３５は、例えばＸ方向においてＸ＝２０ｍｍから４５ｍｍまでの間に配置される。光学プリズム３５Ａの高さｈｏは、例えば最大で０．１４ｍｍである。隣接する２つの光学プリズム３５Ａの間のピッチｐｏは、例えば０．３ｍｍである。
　図２３は、導光板３０Ｂの、ＹＺ平面に平行な断面を模式的に示している。第１の実施形態で説明した導光板３０のサイズの例によると、Ｙ方向において、導光板３０Ｂの一端の位置をＹ＝０ｍｍとすると、他端の位置はＹ＝３０ｍｍとなる。
　複数の支持プリズム３５Ｃは、例えばＹ方向においてＹ＝０ｍｍから５ｍｍまでの間と、Ｙ＝２５ｍｍから３０ｍｍまでの間、かつ、Ｘ方向においてＸ＝０ｍｍから２０ｍｍまでの間と、Ｘ＝４５ｍｍから５５ｍまでの間に配置される。なお、プリズム反射アレイ３５は、Ｙ＝５ｍｍから２５ｍｍまでの間にあり得る。支持プリズム３５Ｃの高さｈｓは、例えば０．１８ｍｍであり、隣接する２つの支持プリズム３５Ｃの間のピッチｐｓは、例えば３．０ｍｍである。支持プリズム３５ＣはＸＺ平面、およびＹＺ平面に平行な断面において円弧状である。
　次に、図２４および図２５を参照して、導光板３０Ｂの製造方法を説明する。
　図２４は、プリズム反射アレイ３５に塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を模式的に示している。図２５は、複数の支持プリズム３５Ｃに塗布した第２透明材料を石英基板３８でプレスして加圧充填した後、ＵＶ照射して第２透明材料を重合硬化させる様子を模式的に示している。
　まず、第２の実施形態で説明した方法と同様な方法で、第１透明基板３４Ａによって支持された、プリズム反射アレイ３５を成型した透明部材を製造する。第１透明基板３４Ａとして、例えばコーニング社製のガラス基板「ＥａｇｌｅＸＧ」（屈折率＝１．５１）を用いることができる。第１透明基板３４Ａの厚さは例えば１．１ｍｍである。第１導光層３３Ａ用の第１透明材料には、例えば（株）ダイセル製の紫外線硬化型樹脂“ＬＵ１３０３ＨＡ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。
　さらに、第２の実施形態と同様に、プリズム反射アレイ３５における複数の第１傾斜面３５Ｄおよび複数の平行面３５ＢにＴｉＯ2を膜厚（約６５ｎｍ）で蒸着して半反射膜３５ｒを形成する。この際、マスク５０を用いて、光学プリズム３５Ａが配列された領域に対応するｘ（２５ｍｍ）×ｙ（２０ｍｍ）の領域にのみ半反射膜３５ｒを形成する。この際、光学プリズム３５Ａの第２傾斜面３５Ｅに半反射膜３５が形成さないよう、斜方蒸着を採用することが好ましい。
　次に、第２透明基板３４Ｂを準備する。第２透明基板３４Ｂとして、例えば、第１透明基板３４Ａと同じコーニング社製のガラス基板”ＥａｇｌｅＸＧ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。第２透明基板３４Ｂの厚さは例えば１．１ｍｍである。第３導光層３３Ｃ用の第３透明材料には、例えば（株）ダイセル製の紫外線硬化型樹脂“ＬＵ１３０３ＨＡ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。第２透明基板３４Ｂ上の第３透明材料に複数の支持プリズム３５Ｃを２ｐ成型によって成型する。これにより、金型形状が転写され、かつ、第２透明基板３４Ｂによって支持された透明部材が得られる。本実施形態では、複数の支持プリズム３５Ｃは、プリズム反射アレイ３５とは独立した部材として製造される。
　次に、平坦化部材である第２導光層３３Ｂ用の第２透明材料には、例えばダイセル製の紫外線硬化型樹脂”ＬＵ１３０３ＨＡ”（屈折率＝１．５１）を用いることができる。プリズム反射アレイ３５を覆うように透明部材全体に第２透明材料を塗布し、第１透明基板３４Ａ上の透明部材と、第２透明基板３４Ｂ上の透明部材とを重ねた上で、石英基板３８でプレスして平坦化部材である第２透明材料を加圧充填した後で、石英基板３８越しにＵＶ照射してそれらを重合硬化させる。なお、カップリング構造３２は導光板３０とは別部材として準備し、導光板３０の第２透明基板３４Ｂに接着することができる。
　導光板３０Ａの下側および上側主面Ｓ１、Ｓ２は、第１および第２透明基板３４Ａ、３４Ｂの表面でそれぞれ構成されるので、各主面の平坦性を確保することができ、かつ、石英基板３８でプレスすることにより、第１透明基板３４Ａは支持プリズム３５Ｃによって支持され、導光板３０Ａの下側主面Ｓ１と上側主面Ｓ２との平行度を確保できる。さらに、支持プリズム３５Ｃの高さが光学プリズム３５Ａの高さよりも高いので、第２透明基板３４Ｂは光学プリズム３５Ａの頂部と接触しない。その結果、光学プリズム３５Ａの頂部の変形に伴う半反射膜３５ｒの変形や損傷を回避することができる。また、支持プリズム３５Ｃの頂部が変形しても、支持プリズム３５Ｃは半反射膜３５ｒを有さず、かつ、伝搬光Ｌ２がプリズム反射アレイに到達するまでの光路外に配置されているので、光学的な影響は非常に軽微である。
　本実施形態の導光板３０Ｂによると、導光板３０Ｂの内部での伝搬光Ｌ２の散乱を低減でき、その結果、高品位の虚像を観察者の瞳に投射することができる。
　本明細書は、以下の項目に記載の導光板、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〕
　内部を伝搬する光ビームの一部を透過するように構成されたプリズム反射アレイを含む第１導光層、および前記プリズム反射アレイを覆う第２導光層を有する導光層と、
　前記プリズム反射アレイを透過した光ビームを出射する出射面と、
　前記出射面の法線方向において前記プリズム反射アレイの高さよりも高い高さを有する少なくとも１つの支持体と、
を備える導光板。
　項目１に記載の導光板によると、導光板内部での光の散乱が抑制されて、観察者の眼に投影される虚像のボケを抑制することが可能な導光板が提供される。
　〔項目２〕
　前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイの周辺に配置されている、項目１に記載の導光板。
　項目２に記載の導光板によると、少なくとも１つの支持体による伝搬光への光学的な作用を低減できる。
　〔項目３〕
　前記プリズム反射アレイは、前記出射面に平行な面において第１の方向に配列された複数のプリズムを有し、各プリズムは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って延び、前記少なくとも１つの支持体は、前記第２の方向に沿って延びている、項目１または２に記載の導光板。
　項目３に記載の導光板によると、導光板のバリエーションが提供される。
　〔項目４〕
　前記プリズム反射アレイは、前記出射面に平行な平行面において第１の方向に配列された複数のプリズムを有し、各プリズムは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って延び、前記少なくとも１つの支持体は、前記第１の方向に沿って延びている、項目１または２に記載の導光板。
　項目４に記載の導光板によると、導光板のバリエーションが提供される。
　〔項目５〕
　前記少なくとも１つの支持体は複数の支持体であり、
　前記複数の支持体はドット状に配置されている、項目１または２に記載の導光板。
　項目５に記載の導光板によると、導光板のバリエーションが提供される。
　〔項目６〕
　前記プリズム反射アレイは、前記出射面に対して傾斜した複数の第１および第２傾斜面を有し、前記複数の第１傾斜面は、前記導光層の内部を伝搬する光ビームの一部を反射して、かつ、前記光ビームの一部を透過させる半反射膜で被覆され、前記複数の第２傾斜面は、半反射膜で被覆されていない、項目１から５のいずれかに記載の導光板。
　項目６に記載の導光板によると、導光板内部の伝搬光を出射面の法線方向に出射することができる。
　〔項目７〕
　前記複数の支持体の各々はドーム型である、項目５に記載の導光板。
　項目７に記載の導光板によると、支持体のバリエーションが提供される。
　〔項目８〕
　前記第１導光層は、前記プリズム反射アレイとともに前記少なくとも１つの支持体を有する、項目１から７のいずれかに記載の導光板。
　項目８に記載の導光板によると、プリズム反射アレイおよび少なくとも１つの支持体を同一の導光層に形成することにより、製造工程を簡略化できる。
　〔項目９〕
　前記導光層は、前記少なくとも１つの支持体を含む第３導光層をさらに有する、項目１から７のいずれかに記載の導光板。
　項目９に記載の導光板によると、第３導光層を独立した部材として製造できる。
　〔項目１０〕
　前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイと一体的に形成されている、項目１から７のいずれかに記載の導光板。
　項目１０に記載の導光板によると、プリズム反射アレイおよび少なくとも１つの支持体を同一の導光層に形成することにより、製造工程を簡略化できる。
　〔項目１１〕
　前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイとは独立して形成されている、項目１から７のいずれかに記載の導光板。
　項目１１に記載の導光板によると、第３導光層を独立した部材として製造できる。
　〔項目１２〕
　前記少なくとも１つの支持体は、前記法線方向における前記導光層の厚さを規定する複数のスペーサである、項目１から１１のいずれかに記載の導光板。
　項目１２に記載の導光板によると、導光層に簡易に支持体を設けることができる。
　〔項目１３〕
　前記第２導光層は表面が実質的に平面である、項目１から１２のいずれかに記載の導光板。
　項目１３に記載の導光板によると、導光板の生産性を担保することができる。
　〔項目１４〕
　前記第１導光層を支持する第１透明基板と、前記第２導光層を支持する第２透明基板と、をさらに備える、項目１から１３のいずれかに記載の導光板。
　項目１４に記載の導光板によると、導光板の強度や耐久性を強化できる。
　〔項目１５〕
　表示素子からの光ビームを受ける受光面を有するカップリング構造と、
　項目１から１４のいずれかに記載の導光板と、
を備えるライトガイド。
　項目１５に記載のライトガイドによると、導光板内部での光の散乱が抑制されて、観察者の眼に投影される虚像のボケを抑制することが可能な導光板を用いたライトガイドが提供される。
　〔項目１６〕
　表示素子と、
　前記表示素子から出射された表示光をコリメートするコリメート光学系と、
　項目１５に記載のライトガイドと、
を備える虚像表示装置。
　項目１６に記載のライトガイドによると、導光板内部での光の散乱が抑制されて、観察者の眼に投影される虚像のボケを抑制することが可能な導光板を用いたライトガイドを備える虚像表示装置が提供される。
　本発明の実施形態による導光板およびライトガイドは、ＨＭＤ、ＨＵＤなどの虚像表示装置に好適に用いられる。
　〔援用の記載〕
　本願は、２０１５年１２月３日に出願された特願２０１５－２３６２２１号に基づく優先権を主張するものであり、この出願の開示内容の全てを本願に援用する。
　１０　表示素子
　２０　投影レンズ系
　３０、３０Ａ、３０Ｂ　導光板
　３２　カップリング構造
　３３　導光層
　３３Ａ　第１導光層
　３３Ｂ　第２導光層
　３４Ａ　第１透明基板
　３４Ｂ　第２透明基板
　３５　プリズム反射アレイ
　３５Ａ　光学プリズム
　３５Ｂ　平行面
　３５Ｃ　支持プリズム
　３５Ｄ　第１傾斜面
　３５Ｅ　第２傾斜面
　３５ｒ　半反射膜
　４０　虚像投影装置
　５０　マスク
　１００　虚像表示装置

Claims (16)

  1. 　内部を伝搬する光ビームの一部を透過するように構成されたプリズム反射アレイを含む第１導光層、および前記プリズム反射アレイを覆う第２導光層を有する導光層と、
    　前記プリズム反射アレイを透過した光ビームを出射する出射面と、
    　前記出射面の法線方向において前記プリズム反射アレイの高さよりも高い高さを有する少なくとも１つの支持体と、
    を備える導光板。
  2. 　前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイの周辺に配置されている、請求項１に記載の導光板。
  3. 　前記プリズム反射アレイは、前記出射面に平行な面において第１の方向に配列された複数のプリズムを有し、各プリズムは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って延び、前記少なくとも１つの支持体は、前記第２の方向に沿って延びている、請求項１または２に記載の導光板。
  4. 　前記プリズム反射アレイは、前記出射面に平行な平行面において第１の方向に配列された複数のプリズムを有し、各プリズムは、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って延び、前記少なくとも１つの支持体は、前記第１の方向に沿って延びている、請求項１または２に記載の導光板。
  5. 　前記少なくとも１つの支持体は複数の支持体であり、
    　前記複数の支持体はドット状に配置されている、請求項１または２に記載の導光板。
  6. 　前記プリズム反射アレイは、前記出射面に対して傾斜した複数の第１および第２傾斜面を有し、前記複数の第１傾斜面は、前記導光層の内部を伝搬する光ビームの一部を反射して、かつ、前記光ビームの一部を透過させる半反射膜で被覆され、前記複数の第２傾斜面は、半反射膜で被覆されていない、請求項１から５のいずれかに記載の導光板。
  7. 　前記複数の支持体の各々はドーム型である、請求項５に記載の導光板。
  8. 　前記第１導光層は、前記プリズム反射アレイとともに前記少なくとも１つの支持体を有する、請求項１から７のいずれかに記載の導光板。
  9. 　前記導光層は、前記少なくとも１つの支持体を含む第３導光層をさらに有する、請求項１から７のいずれかに記載の導光板。
  10. 　前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイと一体的に形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の導光板。
  11. 　前記少なくとも１つの支持体は、前記プリズム反射アレイとは独立して形成されている、請求項１から７のいずれかに記載の導光板。
  12. 　前記少なくとも１つの支持体は、前記法線方向における前記導光層の厚さを規定する複数のスペーサである、請求項１から１１のいずれかに記載の導光板。
  13. 　前記第２導光層は表面が実質的に平面である、請求項１から１２のいずれかに記載の導光板。
  14. 　前記第１導光層を支持する第１透明基板と、前記第２導光層を支持する第２透明基板と、をさらに備える、請求項１から１３のいずれかに記載の導光板。
  15. 　表示素子からの光ビームを受ける受光面を有するカップリング構造と、
    　請求項１から１４のいずれかに記載の導光板と、
    を備えるライトガイド。
  16. 　表示素子と、
    　前記表示素子から出射された表示光をコリメートするコリメート光学系と、
    　請求項１５に記載のライトガイドと、
    を備える虚像表示装置。
PCT/JP2016/083840 2015-12-03 2016-11-15 導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置 WO2017094493A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201680069830.7A CN108369346A (zh) 2015-12-03 2016-11-15 导光板、光导及虚像显示装置
US15/780,822 US20200257034A1 (en) 2015-12-03 2016-11-15 Light guide plate, light guide and virtual image display device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015-236221 2015-12-03
JP2015236221 2015-12-03

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017094493A1 true WO2017094493A1 (ja) 2017-06-08

Family

ID=58797203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2016/083840 WO2017094493A1 (ja) 2015-12-03 2016-11-15 導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20200257034A1 (ja)
CN (1) CN108369346A (ja)
WO (1) WO2017094493A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112930275A (zh) * 2018-07-30 2021-06-08 法雷奥舒适驾驶助手公司 带有光传感器的显示器
US20220308350A1 (en) * 2021-03-29 2022-09-29 Optinvent 2d- pupil expansion light guide assembly
EP4172678A4 (en) * 2020-06-25 2023-12-06 Magic Leap, Inc. EYEPIECE FOR HEAD-MOUNTED DISPLAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
JP7420926B2 (ja) 2019-09-11 2024-01-23 マジック リープ， インコーポレイテッド 低減された偏光感度を有する回折格子を伴うディスプレイデバイス

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112213855B (zh) * 2019-07-11 2022-07-12 苏州苏大维格科技集团股份有限公司 显示装置及光波导镜片
CN113946010A (zh) * 2020-07-16 2022-01-18 中强光电股份有限公司 波导以及头戴式显示装置
CN112346252A (zh) * 2020-11-09 2021-02-09 京东方科技集团股份有限公司 近眼显示装置
CN113031141A (zh) * 2021-04-02 2021-06-25 中国科学院光电技术研究所 一种基于重力场加工闪耀光栅的方法
WO2023193144A1 (en) * 2022-04-06 2023-10-12 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Display system

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002189208A (ja) * 2000-12-20 2002-07-05 Minebea Co Ltd 表示装置用タッチパネル
JP2006261088A (ja) * 2005-02-17 2006-09-28 Mitsubishi Electric Corp 導光体及びこれを用いた光源装置、液晶表示装置、導光体の製造方法
JP2008241759A (ja) * 2007-03-23 2008-10-09 Victor Co Of Japan Ltd 表示装置
JP2008268846A (ja) * 2007-03-22 2008-11-06 Citizen Holdings Co Ltd 電子像表示機能付き眼鏡
JP2012068441A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Seiko Epson Corp 導光板の製造方法
JP2012198393A (ja) * 2011-03-22 2012-10-18 Seiko Epson Corp 導光板及び導光板を備える虚像表示装置
WO2013183288A1 (ja) * 2012-06-07 2013-12-12 パナソニック株式会社 光偏向器、光偏向器の製造方法、及び、液晶ディスプレイ
WO2016076153A1 (ja) * 2014-11-11 2016-05-19 シャープ株式会社 導光板および虚像表示装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3457591B2 (ja) * 1999-10-08 2003-10-20 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 液晶表示装置
TW574509B (en) * 2001-02-14 2004-02-01 Yuka Denshi Co Ltd Light guide body, light reflective sheet and surface light source device and liquid crystal device using the light reflective sheet, and the manufacturing method of light reflective sheet
CN101082735A (zh) * 2006-05-30 2007-12-05 日立麦克赛尔株式会社 背光单元及液晶显示装置
JP4613947B2 (ja) * 2007-12-07 2011-01-19 ソニー株式会社 照明装置、色変換素子及び表示装置
JP2009157276A (ja) * 2007-12-27 2009-07-16 Casio Comput Co Ltd 液晶表示装置
CN102298253A (zh) * 2010-06-25 2011-12-28 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 微型硅晶投影机

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002189208A (ja) * 2000-12-20 2002-07-05 Minebea Co Ltd 表示装置用タッチパネル
JP2006261088A (ja) * 2005-02-17 2006-09-28 Mitsubishi Electric Corp 導光体及びこれを用いた光源装置、液晶表示装置、導光体の製造方法
JP2008268846A (ja) * 2007-03-22 2008-11-06 Citizen Holdings Co Ltd 電子像表示機能付き眼鏡
JP2008241759A (ja) * 2007-03-23 2008-10-09 Victor Co Of Japan Ltd 表示装置
JP2012068441A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Seiko Epson Corp 導光板の製造方法
JP2012198393A (ja) * 2011-03-22 2012-10-18 Seiko Epson Corp 導光板及び導光板を備える虚像表示装置
WO2013183288A1 (ja) * 2012-06-07 2013-12-12 パナソニック株式会社 光偏向器、光偏向器の製造方法、及び、液晶ディスプレイ
WO2016076153A1 (ja) * 2014-11-11 2016-05-19 シャープ株式会社 導光板および虚像表示装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112930275A (zh) * 2018-07-30 2021-06-08 法雷奥舒适驾驶助手公司 带有光传感器的显示器
JP7420926B2 (ja) 2019-09-11 2024-01-23 マジック リープ， インコーポレイテッド 低減された偏光感度を有する回折格子を伴うディスプレイデバイス
EP4172678A4 (en) * 2020-06-25 2023-12-06 Magic Leap, Inc. EYEPIECE FOR HEAD-MOUNTED DISPLAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME
US20220308350A1 (en) * 2021-03-29 2022-09-29 Optinvent 2d- pupil expansion light guide assembly
US12019241B2 (en) * 2021-03-29 2024-06-25 Optinvent 2D-pupil expansion light guide assembly

Also Published As

Publication number Publication date
CN108369346A (zh) 2018-08-03
US20200257034A1 (en) 2020-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017094493A1 (ja) 導光板、ライトガイドおよび虚像表示装置
JP7182674B2 (ja) ディスプレイシステム及びライトガイド
WO2016076153A1 (ja) 導光板および虚像表示装置
WO2016035517A1 (ja) ライトガイドおよび虚像表示装置
WO2017077934A1 (ja) ライトガイドおよび虚像表示装置
JP5703875B2 (ja) 導光板及びこれを備える虚像表示装置
JP6119091B2 (ja) 虚像表示装置
US20170293149A1 (en) Optical element, image display device and method for manufacturing same
JP6246231B2 (ja) ライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイ
JP6688807B2 (ja) 光学系
JP5720290B2 (ja) 虚像表示装置
JP6409401B2 (ja) 導光装置及び虚像表示装置
US20120200935A1 (en) Virtual image display apparatus
JP6733255B2 (ja) 光学素子、表示装置、および光学素子の製造方法
JP6115004B2 (ja) 虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法
JP2012198264A (ja) 導光板の製造方法及び導光板並びに導光板を備える虚像表示装置
KR20170104370A (ko) 도광 장치 및 허상 표시 장치
US10564332B2 (en) Controlling grating outcoupling strength for AR waveguide combiners
JP2013080039A (ja) 虚像表示装置及びその製造方法
JP5983790B2 (ja) 半透過型反射シート、導光板、表示装置
JP6660008B2 (ja) 表示装置
JP2017049511A (ja) 導光装置及び虚像表示装置
JP6027155B2 (ja) 半透過型反射シート、表示装置
JP5824788B2 (ja) 導光板の製造方法及び導光板
JP2012068441A (ja) 導光板の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16870432

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16870432

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP