虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法
【課題】ハードコート層を有して、かつ、導光部分での導光の性能を良好な状態に維持できる虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】導光装置20が、逃げ溝である溝CT1,CT2,CT3によって構成される液溜り防止構造CSや、導光部材21と光透過部材23との境界に設けられる段差部によって構成される液垂れ防止構造DSを、流動制御構造として有している。これにより、ハードコート層の成膜において、原料となるコート液の流動を適切に制御して、導光装置20の意図しない箇所にコート液による液溜りや液垂れが発生することを防げるので、ハードコート層CCを有して、かつ、組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置20での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【解決手段】導光装置20が、逃げ溝である溝CT1,CT2,CT3によって構成される液溜り防止構造CSや、導光部材21と光透過部材23との境界に設けられる段差部によって構成される液垂れ防止構造DSを、流動制御構造として有している。これにより、ハードコート層の成膜において、原料となるコート液の流動を適切に制御して、導光装置20の意図しない箇所にコート液による液溜りや液垂れが発生することを防げるので、ハードコート層CCを有して、かつ、組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置20での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。
【0003】
このような虚像表示装置において、画像光と外界光とを重畳させるために、シースルー光学系の提案がなされている(特許文献1参照)。また、ヘッドマウントディスプレイに関する技術ではないが、樹脂製の成形品の表面を保護するために、ハードコート層を設けることが知られている(例えば特許文献2参照)。
【0004】
ヘッドマウントディスプレイにおいて、画像光を適切な状態で導くためには、画像光を反射等によって伝搬させる導光板の表面部分の状態を良好に保つ必要がある。従って、当該表面部分の損傷を防いだり、表面の汚れの除去を容易にしたりするためにハードコート層を設けることが考えられる。特に、シースルー型のヘッドマウントディスプレイの場合には、導光板のうち露出する部分が多くなりやすく、表面部分にハードコート層を設けることがより重要となる。
【0005】
しかしながら、ヘッドマウントディスプレイのうち導光板を含む導光部分は、例えば他の光学部品を組み付けるための位置決め部を周辺に付随させる場合があること等から、複雑な形状となる傾向にある。また、導光部分の形状は、光を的確に導くために、精密でなければならない。従って、導光部分を構成する光学部品にハードコート層を成膜する場合に、原料となるコート液が意図しない箇所に液溜りや液垂れを形成してしまうと、位置決め部として設けた溝や穴等をコート液が埋めてしまって組付けの精度を悪くしたり、導光部分となるべき導光面にコート液が垂れてしまって平坦性が損なわれ導光の性能を劣化させたりする可能性がある。以上のことから、ハードコート層を過剰とならないように所望の状態で設けることは、必ずしも容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−240924号公報
【特許文献2】特開2009−51920号公報
【発明の概要】
【0007】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、保護用のハードコート層を設けつつも、組付けの精度を悪化させず、かつ、導光部分での導光の性能を良好な状態に維持できる虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、(a)画像光を形成する画像表示装置と、(b)画像表示装置から射出された画像光による虚像を形成する投射光学系と、(c1)投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と、(c2)光入射部から取り込まれた画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と、(c3)導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する(c)導光装置と、を備え、(d)導光装置が、コート液を塗布し硬化させることで形成され、画像光の導光に寄与する導光部の表面に設けられるハードコート層と、塗布されたコート液の流動を制御する流動制御構造と、を有する。
【0009】
上記虚像表示装置では、導光装置が、流動制御構造を有していることにより、ハードコート層の成膜時において、原料となるコート液の流動を適切に制御して、導光装置の意図しない箇所にコート液による液溜りや液垂れが発生することを防げる。これにより、他の光学部材との間での組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0010】
本発明の具体的な側面では、流動制御構造が、立体的形状の周辺にコート液の逃げ溝を有してコート液の液溜りを防止する液溜り防止構造である。この場合、液溜り防止構造を構成する逃げ溝によって対象箇所の余剰のコート液を除去して、液溜りの発生を防止することができる。
【0011】
本発明の別の側面では、導光装置が、投射光学系を含む他の部材との相対的な位置決めを行う位置決め部を有し、液溜り防止構造が、位置決め部の周辺に逃げ溝を設けることで形成される。この場合、位置決め部において、液溜りの発生を防止することができ、組付けの精度を悪化させないようにすることができる。
【0012】
本発明のさらに別の側面では、液溜り防止構造が、導光部を支持する支持部材の先端側の連結部に凹形状の前記立体的形状を有し、逃げ溝が、凹形状の一部を切り欠いて形成される切り欠き部である。この場合、切り欠き部において切り欠く方向を調整して液溜りを防止するものとすることが可能になる。
【0013】
本発明のさらに別の側面では、流動制御構造が、導光面を導光面の周辺部よりせり出した段差部を有して導光面側へのコート液の液垂れを防止する液垂れ防止構造である。この場合、液垂れ防止構造を構成する段差部によって余剰のコート液を堰き止めて、導光面となるべき領域への液垂れの発生を防止することができる。
【0014】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、光入射部、導光部及び光射出部を含む導光部材と、光射出部に接合することによって外界光の観察を可能にする透視部を構成するとともに導光部材を支持する光透過部材とを有し、液垂れ防止構造が、導光部材と光透過部材との境界において段差部を設けることで形成される。この場合、導光部材と光透過部材との境界において、導光部材の導光面となるべき領域への液垂れを防止でき、導光装置の導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0015】
本発明のさらに別の側面では、ハードコート層が、コート液をディップ処理によって塗布することで形成される。この場合、導光装置が比較的複雑な形状を有していても、成膜されるハードコート層の膜厚を、比較的均一であって、導光装置の形状に影響を与えない程度に薄く、かつ、損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりするといったハードコートとして機能できる最低限の厚みを確保したものにできる。
【0016】
本発明のさらに別の側面では、導光装置において、流動制御構造が、導光装置の導光面及び導光装置のうち外部に露出する外観部を回避するようにコート液の流路を設定している。この場合、余剰なコート液が硬化して過剰な厚みのハードコート層が一部に形成されても、光学機能的にも、外観的にも影響を及ぼさないようにできる。
【0017】
本発明のさらに別の側面では、導光部が、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする上記第1の面と第2の面とを有し、光入射部が、第1の面に対して所定の角度をなす第3の面を有し、光射出部が、第1の面に対して所定の角度をなす第4の面を有する。この場合、例えば反射回数の異なる画像光を同時に合成して1つの虚像を形成する画像光として取り出して、光射出部越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。
【0018】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置の製造方法は、(a)画像光を形成する画像表示装置と、(b)画像表示装置から射出された画像光による虚像を形成する投射光学系と、(c1)投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と(c2)光入射部から取り込まれた画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と(c3)導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と(c4)画像光の導光に寄与する導光部の表面に設けられるハードコート層と(c5)ハードコート層の成膜のために塗布されるコート液の流動を制御する流動制御構造とを有する(c)導光装置と、を備える虚像表示装置の製造方法であって、(d)コート液の流動を制御するための流動制御構造を準備する第1の工程と、(e)第1の工程において準備された流動制御構造によりコート液の流動を制御しながらコート液を塗布し硬化させることでハードコート層を成膜する第2の工程と、を有する。
【0019】
上記虚像表示装置の製造方法では、第2の工程において、ハードコート層の原料となるコート液の流動を適切に制御することで、作製されるべき導光装置の意図しない箇所にコート液による液溜りや液垂れが発生することを防げる。これにより、虚像表示装置の製造に際して、他の光学部材との間での組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0020】
本発明の具体的な側面では、第2の工程において、ハードコート層のコート液をディップ処理によって塗布するディップ処理工程を含む。この場合、製造される導光装置のうち導光部分の形状が比較的複雑であっても、導光面に所望の厚さの膜を均一に成膜できる。
【0021】
本発明の別の側面では、ディップ処理工程において、コート液の槽につけた導光装置となるべき基材を、流動制御構造によるコート液の流路が傾くように引き上げる引上工程を含む。この場合、引上工程において、効率的に余剰のコート液を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】第1実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。
【図2】(A)は、虚像表示装置を構成する第1表示装置の本体部分の平面図であり、(B)は、本体部分の正面図である。
【図3】(A)は導光部材の正面図であり、(B)は導光部材の下面図であり、(C)は導光部材の左側面図であり、(D)は導光部材のCC断面図である。
【図4】(A)は光透過部材の裏面図であり、(B)は光透過部材のBB断面図であり、(C)は光透過部材の左側面図であり、(D)は光透過部材の右側面図である。
【図5】(A)は、ハードコート層の成膜処理のうち導光装置となるべき基材及びコート液を満たした処理層を準備した状態を示す図であり、(B)は、基材を処理槽に浸した状態を示す図であり、(C)は、基材を処理槽から引き上げる動作を示す図である。
【図6】(A)は、光透過部材の一部を拡大した斜視図であり、(B)は、導光部材と光透過部材とを接合した状態の一部を拡大した斜視図である。
【図7】(A)は、比較例の光透過部材の一部を拡大した斜視図であり、(B)は、比較例のディップ処理後の一例を示す図である。
【図8】(A)は、導光装置の斜視図であり、(B)は、導光装置となるべき基材の側断面図である。
【図9】(A)は、縦の第1方向に関する光路を展開した概念図であり、(B)は、横の第2方向に関する光路を展開した概念図である。
【図10】虚像表示装置の光学系における光路を具体的に説明する平面図である。
【図11】(A)は、液晶表示デバイスの表示面を示し、(B)は、観察者に見える液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図であり、(C)及び(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。
【図12】(A)は、第2実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光装置の正面図及び導光部材の平面図である。
【図13】画像光の光路について説明する模式的な図である。
【図14】ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。
【図15】(A)は、第3実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光装置の正面図及び導光部材の平面図である。
【図16】画像光の光路について説明する模式的な図である。
【図17】ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。
【図18】虚像表示装置を構成する第1表示装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
【0024】
〔A.虚像表示装置の外観〕
図1に示す第1実施形態の虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置100は、観察者の眼前を覆う光学パネル110と、光学パネル110を支持するフレーム121と、フレーム121のうち前方のカバー部分から後方のつる部分(テンプル)にかけての部分に付加された第1及び第2駆動部131,132とを備える。ここで、光学パネル110は、第1パネル部分111と第2パネル部分112とを有し、両パネル部分111,112は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第1パネル部分111と第1駆動部131とを組み合わせた第1表示装置100Aは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2パネル部分112と第2駆動部132とを組み合わせた第2表示装置100Bは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
【0025】
〔B.表示装置の構造〕
図2(A)及び図2(B)に示すように、第1表示装置100Aは、画像形成装置10と、導光装置20とを備える。ここで、画像形成装置10は、図1における第1駆動部131に相当し、導光装置20は、図1における第1パネル部分111に相当する。なお、図1に示す第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第2表示装置100Bの詳細な説明は省略する。
【0026】
画像形成装置10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、2次元的な照明光SLを射出する照明装置31と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス32と、照明装置31及び液晶表示デバイス32の動作を制御する駆動制御部34とを有する。
【0027】
画像表示装置11の照明装置31は、赤、緑、青の3色を含む光を発生する光源31aと、光源31aからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部31bとを有する。液晶表示デバイス32は、照明装置31からの照明光SLを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部34は、光源駆動回路34aと、液晶駆動回路34bとを備える。光源駆動回路34aは、照明装置31の光源31aに電力を供給して安定した輝度の照明光SLを射出させる。液晶駆動回路34bは、液晶表示デバイス32に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路34bに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。
【0028】
以上の液晶表示デバイス32において、第1方向D1は、投射光学系12を通る第1光軸AX1と、後述する導光部材21の第3反射面21cに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第2方向D2は、上記第1光軸AX1と、上記第3反射面21cの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。つまり、液晶表示デバイス32の位置において、第1方向D1は、縦のY方向に相当し、第2方向D2は、横のX方向に相当する。
【0029】
投射光学系12は、液晶表示デバイス32上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。
【0030】
導光装置20は、導光部材21と光透過部材23とを接合したものであり、全体としてXY面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。なお、導光部材21と光透過部材23とは、表面にハードコート層CCを有している。
【0031】
導光装置20のうち、導光部材21は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面を構成する第1の面から第4の面として、導光面である第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第4反射面21dとを有する。また、導光部材21は、第1、第2、第3、及び第4反射面21a,21b,21c,21dに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。ここで、第1及び第2反射面21a,21bは、XY面に沿って延び、導光部材21の厚みtだけ離間する。また、第3反射面21cは、XY面に対して45°以下の鋭角αで傾斜しており、第4反射面21dは、XY面に対して例えば45°以下の鋭角βで傾斜している。第3反射面21cを通る第1光軸AX1と第4反射面21dを通る第2光軸AX2とは平行に配置され距離Dだけ離間している。なお、以下に詳述するが、第1反射面21aと第3反射面21cとの間には、稜を除去するように端面21hが設けられている。導光部材21は、この端面21hも含めると、7面の多面体状の外形を有するものとなっている。
【0032】
導光部材21は、対向して延びる第1及び第2の面である第1及び第2反射面21a,21bによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材21で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向DW2は、第1及び第2反射面21a,21bに垂直(Z軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第2方向D2に相当する。一方、導光に際して反射によって折り返されないで伝搬する縦方向すなわち非閉じ込め方向DW1は、第1及び第2反射面21a,21b及び第3反射面21cに平行(Y軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第1方向D1に相当する。なお、導光部材21において、伝搬される光束が全体として向かう主導光方向は、−X方向になっている。
【0033】
導光部材21は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。より具体的には、導光部材21は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を樹脂製の本体部分21sとし、これにミラー層やハーフミラー層等を施したものである。本体部分21sは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。このように導光部材21は、本体部分21sを一体形成品とするが、機能的に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができる。
【0034】
光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、矩形の輪郭を有し、その矩形領域全体に、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための全反射ミラーであるミラー層25を有する。このミラー層25は、導光部材21の本体部分21sの斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。
【0035】
導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。第1及び第2反射面21a,21bの間隔すなわち導光部材21の厚みtは、例えば9mm程度とされている。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていないが、本体部分21sの表面上に表面コート層であるハードコート層CCを成膜することで形成されている。ハードコート層CCは、虚像表示装置100の露出部分に形成されるものであり、第1及び第2反射面21a,21bを形成するとともに、当該露出部分を損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりして、映像の解像度低下を防止する。
【0036】
光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、全体として導光装置20の奥側の主導光方向すなわち光射出部B3を設けた+Z側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
【0037】
光射出部B3は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光射出面OSと、光射出面OSに対向する第4反射面21dとを有する。光射出面OSは、画像光GLを観察者の眼EYに向けて射出するための裏側の平面であり、光入射面ISと同様に第1反射面21aの一部となっており、第2光軸AX2に垂直に延びている。光射出部B3を通る第2光軸AX2と光入射部B1を通る第1光軸AX1との距離Dは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば50mmに設定されている。第4反射面21dは、矩形の平坦面であり、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを反射して光射出部B3外に射出させるとともに外界光を透過させるためのハーフミラー層28を、第4反射面21dの中央に配置された矩形の部分領域に有する。このハーフミラー層28は、光透過性を有する半透過反射膜である。ハーフミラー層(半透過反射膜)28は、導光部材21のうち第4反射面21dを構成する斜面RR上に例えば銀等による金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光GL'の観察を容易にする観点で、想定される画像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、画像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。
【0038】
第4反射面21dは、第1反射面21aに垂直な第2光軸AX2又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、上記ハーフミラー層28により、導光部B2の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを部分的に反射して全体として−Z方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面OSを通過させる。なお、第4反射面21dを透過した画像光の成分は、光透過部材23に入射し、映像の形成には利用されない。
【0039】
光透過部材23は、導光部材21の本体部分21sと同一の屈折率を有する本体部分23sで構成され、第1面23aと、第2面23bと、第3面23cとを有する。第1及び第2面23a,23bは、第1及び第2反射面21a,21bと同様、本体部分23sの表面上に表面コート層であるハードコート層CCを成膜することで形成されており、XY面に沿って延びている。また、第3面23cは、XY面に対して傾斜しており、導光部材21の第4反射面21dに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材23は、第2面23bと第3面23cとに挟まれた楔状の部材を有するものとなっている。光透過部材23は、導光部材21と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材23は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を本体部分23sとするものであり、本体部分23sは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。
【0040】
光透過部材23において、第1面23aは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に配置され、観察者の眼EYに近い裏側にあり、第2面23bは、導光部材21に設けた第2反射面21bの延長平面上に配置され、観察者の眼EYから遠い表側にある。第3面23cは、接着剤によって導光部材21の第4反射面21dに接合される矩形の光透過面である。以上の第1面23aと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第2反射面21bと第4反射面21dとのなす角度εと等しくなっており、第2面23bと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとのなす角度βと等しくなっている。
【0041】
光透過部材23と導光部材21とは、両者の接合部分及びその近傍において、透視部B4を構成している。すなわち、第1及び第2面23a,23bには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材21の導光部B2と同様に外界光GL'を高い透過率で透過させる。第3面23cも、外界光GL'を高い透過率で透過可能であるが、導光部材21の第4反射面21dがハーフミラー層28を有していることから、第3面23cの中央領域を通過する外界光GL'は、例えば20%減光される。つまり、観察者は、20%に減光された画像光GLと80%に減光された外界光GL'とを重畳させたものを観察することになる。
【0042】
導光部材21は、図3(A)〜3(D)に示すように、平面視において台形のプリズム状部材であり、光透過部材23は、図4(A)〜4(D)に示すように、U字型の外観を有し、導光部材21を嵌合可能とするものであり、左眼用の導光部材21と右眼用の導光部材21とにそれぞれ対応する左右一対の光透過部材23,23が一体となって正面視においてH字状の支持フレーム123を構成している。なお、支持フレーム123の中央部材24aには、鼻パッドを嵌め込むためのくり抜き24xが形成されている。
【0043】
図3(A)等に示す導光部材21は、図4(A)等に示す支持フレーム123に対してそのくり抜き部SPを埋めるように嵌合して、支持フレーム123の中央部材24aと上側支持部材24bと下側支持部材24cとに挟まれるようにこれらに接合されて固定される。これにより、例えば図2(B)に示すような状態となり、全体として図1の光学パネル110が作製される。
【0044】
図2(B)に示すように、上側支持部材24bの先端部に設けた第1連結部24eと下側支持部材24cの先端部に設けた第2連結部24fとは、立体的形状である穴H1,H2,H3をそれぞれ有している。穴H1等にネジ(不図示)等で投射光学系12等の光学部品が組み付けられる。つまり、穴H1,H2,H3は、例えば導光装置20に画像形成装置10を組み付ける際の締結部として機能するとともに、導光装置20に含まれる光入射部B1における光入射面ISの位置と画像形成装置10に含まれる投射光学系12との相対的な位置決めを行うといった位置決め部として機能する。ここでは特に、図4(A)等に示すように、穴H1,H2,H3の周辺には、穴H1〜H3の側面の一部を切り欠いて形成された溝CT1,CT2,CT3がそれぞれ設けられることで、液溜り防止構造CSが形成されている。詳しくは後述するが、液溜り防止構造CSは、ハードコート層CCの成膜状態を厚みの過剰による局所的な斑のない適切なものとするために、ハードコート層CCの原料となるコート液を塗布した際に当該コート液の流動を制御してコート斑の発生を抑制する流動制御構造FSとして機能するものである。
【0045】
また、図2(B)に戻って、導光部材21と光透過部材23との境界には、段差が設けられることで、液垂れ防止構造DSが形成されている。詳しくは後述するが、液垂れ防止構造DSは、ハードコート層CCの成膜状態を厚みの過不足による局所的な斑のない適切なものとするために、ハードコート層CCの原料となるコート液を塗布した際に当該コート液の流動を制御してコート斑の発生を抑制する流動制御構造FSとして機能するものである。
【0046】
以上のようなシースルー型の構成を有する虚像表示装置100では、光を透過させる露出部分が多くなるため、導光部材21や光透過部材23の表面にシースルーを良好な状態に保つためのハードコート層CCを設けることがより重要となる。一方、導光装置20を構成する導光部材21や光透過部材23は、上述のように多数の面部分を有する比較的複雑な形状を有しており、導光装置20の表面が所望の均一な膜厚のハードコート層CCによって成膜された状態とすることは、必ずしも容易ではない。以上のことから、導光装置20に設けられるハードコート層CCは、例えばディップ処理によって成膜されることが望ましい。ここで、ディップ処理とは、一定の大きさの槽内にハードコート層CCの原料であるコート液を満たし、その中に導光装置20となるべき基材全体を漬け込んだ後、当該基材をゆっくり引き上げることで成膜を行うものをいう。このディップ処理によってハードコート層CCの成膜を行うことで、導光装置20のように複数の面部分を持つような複雑な形状であっても、基材を高速回転させ遠心力を利用して成膜するスピンコートやはけで塗布して成膜するバーコートといった方法に比べると、斑の少ない均一な膜を基材の各面部分に形成することができる。しかしながら、ディップ処理は、上記のように基材全体をコート液に浸してから引き上げるものであるため、例えば連結部24e,24fの穴H1等のように基材の細かな部分に液溜りを生じたり、基材の各面の境界付近において液垂れを生じたりしてしまう可能性がある。本実施形態では、かかる事態を防ぐべく、例えば液溜りを生じやすい穴H1等に逃げ溝である溝CT1等を設けている。つまり、溝CT1等が余剰なコート液の流動を促すことで液溜りを防止する液溜り防止構造CSを構成している。言い換えると、液溜り防止構造CSがコート液の流動を制御する流動制御構造FSとなっている。また、導光部材21と光透過部材23との境界に段差を設けて余剰なコート液を堰き止めて液垂れを防止する液垂れ防止構造DSを形成している。言い換えると、液垂れ防止構造DSがコート液の流動を制御する流動制御構造FSとなっている。
【0047】
〔C.ハードコート層の成膜〕
以下、虚像表示装置100の作製工程のうち、ハードコート層CCを成膜する工程の一例について簡単に説明する。ここでは、上記のように、ディップ処理によってハードコート層CCの成膜を行うものとする。図5(A)〜5(C)は、ハードコート層CCの成膜工程を模式的に示す図である。まず、図5(A)に示すように、導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとを接合した導光装置20となるべき基材PAを準備する(流動制御構造準備工程;第1の工程)とともに、コート液CLを満たした処理槽DTを準備する(処理層準備工程)。なお、図5(A)〜5(C)に示すように、基材PAのうち基材部分PCは、液溜り防止構造CSすなわち流動制御構造FSを有している。また、基材部分PBと基材部分PCとの境界に液垂れ防止構造DSすなわち流動制御構造FSが形成されている。次に、図5(B)に示すように、準備された基材PAを処理槽DTに浸して(ディップ処理工程)コート液CLを基材PAの表面全体に十分行き渡らせた後、図5(C)に示すように、処理槽DTから基材PAを引き上げる(引上工程)。なお、例えば引上工程において基材PAを溝CT1等の逃げ溝が延びて形成されるコート液CLの流路(図4(A)参照)が傾くように引き上げることで、余剰なコート液CLを落としてコート液CLを薄く均一に塗布した状態にすることができる。最後に、引き上げられた基材PAの表面に塗布されたコート液CLを硬化させることで、ハードコート層CCが成膜される(ハードコート層成膜工程;第2の工程)。なお、以上によって成膜されるハードコート層CCの膜厚は、5μm程度となっていることが望ましい。これにより、ハードコート層CCを成膜した後の導光装置20の形状が、成膜前の形状を維持したものとなり、かつ、ハードコート層CCが損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりするといったハードコートとしての機能できる程度の厚さを有するものとなる。
【0048】
なお、上記の図5(A)〜5(C)に示す一例では、導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとが組み付けられた状態の基材PAを成膜するものとしているが、基材部分PBと基材部分PCとについてそれぞれ個別にハードコート層CCを成膜することもできる。
【0049】
〔D.液溜り防止構造〕
以下、ハードコート層CCの成膜に際して余剰なコート液の流動を制御する流動制御構造FSの一例として、虚像表示装置100に設けられた液溜り防止構造CSについて詳細に説明する。
【0050】
図6(A)は、光透過部材23のうち、連結部24eに設けられた液溜り防止構造CSを構成する部分について拡大して示す斜視図であり、図4(A)の破線領域LUの部分に対応している。また、図6(B)は、導光部材21と光透過部材23とを接合した導光装置20の一部について拡大して示す斜視図である。既述のように、連結部24eに円形にくり抜かれて設けられた穴H1〜H3には、溝CT1や溝CT2といった逃げ溝が液溜り防止構造CSを構成するものとして設けられている。例えば穴H1は、導光部材21等の光学部品を組み付けるネジ構造を埋め込むためにザグリ加工した凹形状の部分であり、溝CT1は、穴H1の側面の一部を切り欠いて形成されている。つまり、溝CT1は、片側空きザグリ部或いはザグリ切り欠き部となっている。なお、詳しい図示及び説明を省略するが、穴H3と穴H3の雄編に設けられている溝CT3と(図4(A)参照)についても、穴H1及び溝CT1と同様に、ザグリ加工した凹形状の部分とこの一部を切り欠いた切り欠き部とによる構造になっている。溝CT1は、非閉じ込め方向DW1(図2(B)等参照)に沿ったY方向に延びてコート液CLを導光部分の外側に向けて流すものとなっている。ディップ処理工程(図5(B)参照)において穴H1を満たしたコート液CLのうち余剰分は、引上工程(図5(C)参照)の際に流路の方向である溝CT1が延びる方向に沿って傾けることで、溝CT1から流れ出るので、ハードコート層CCとして必要な分のみが表面上に残り、残った成分が硬化される。連結部24eに設けられた他の穴H2,H3についても同様である。このように、本実施形態では、ディップ処理工程において、ハードコート層CCの原料であるコート液CLによって穴H1〜H3の内部が満たされても、コート液CLから引き上げる引上工程の際に溝CT1等が液溜りを防止する液溜り防止構造CSとして機能することによって余剰なコート液CLが除去される。これに対して、穴H1及び穴H3を有するものの比較例として示す図7(A)のように、位置決め部材である穴H1等が溝CT1等を有していない場合、ディップ処理において、例えば円形状の穴H1に入り込んだ余剰なコート液CLが、表面張力等によって溜まったままの状態で硬化して、図7(B)に示すように穴H1,H3を塞いだり変形して小さくしたりして位置決め部として機能できなくしてしまうという可能性がある。本実施形態では、液溜り防止構造CSにより、表面張力を抑制するとともに余剰なコート液CLの逃げ道を形成することで、このような事態を回避できる。
【0051】
また、図6(B)に示すように、導光部材21と光透過部材23とを接合した導光装置20なるべき基材PAにハードコートの成膜をする場合、穴H2に設けられた溝CT2によって形成されるコート液CLの流路は、導光部材21の一表面である平坦面FFに向かうものとなる。なお、この平坦面FFは、導光部材21の上面21eや下面21f(図3(A)等参照)の一部に相当する。この場合、穴H2から溝CT2を介して流れ出る余剰のコート液CLは、平坦面FF側に流れ出るため、平坦面FF上に余剰のコート液CLが溜まって、多少他の部分よりも厚いハードコート層CCが形成される可能性がある。しかし、平坦面FFは、例えば反射面21bや反射面21cのように導光に寄与する導光面ではなく、また、図1に示す虚像表示装置100の完成状態においては、フレーム121に隠れる部分であり、外部に露出する外観部でもない。従って、平坦面FFのハードコート層CCが多少厚くなっても、光学機能的にも、外観的にも影響を及ぼさない。本実施形態では、以上の溝CT2等に示すように、液溜り防止構造CSすなわち流動制御構造FSにおいて、流路を調整してコート液を平坦面FFに向かわせることで、余剰なコート液CLが導光面や外観部に向かうことを回避している。
【0052】
〔E.液垂れ防止構造〕
以下、ハードコート層CCの成膜に際して余剰なコート液の流動を制御する流動制御構造FSの他の一例として、虚像表示装置100に設けられた液垂れ防止構造DSについて詳細に説明する。
【0053】
図8(A)は、導光部材21と光透過部材23とを接合した導光装置20の全体について示す斜視図であり、図8(B)は、図8(A)に示す導光装置20となるべき基材PAのハードコート成膜前の状態を示す側面図である。図8(B)に示す基材PAのうち、例えば導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとの境界周辺において不要なコート液が一時的に溜まり、溜まったコート液によって導光部材21の導光面の1つである第2反射面21bとなるべき面SFbに液垂れが生じると、第2反射面21bの平坦性が損なわれて所望の状態で導光を行うことができず、画像が乱れてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、導光部材21の第2反射面21bとなるべき面SFbが、隣接する光透過部材23の第2面23bとなるべき面SSに対して、+Z方向にせり出している。言い換えると、導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとの境界において、非閉じ込め方向DW1及び閉じ込め方向DW2(図2(B)等参照)の双方に垂直な方向(X方向)に沿って延びる段差部BUが設けられることで、液垂れ防止構造DSが形成されている。このような段差部BUによる液垂れ防止構造DSがあることで、例えば基材部分PBと基材部分PCとの境界付近においてコート液CLが堰き止められる。特に、段差部BUは、画像光全体としての進行方向である方向DW1と方向DW2との双方に垂直なX方向に沿ってコート液CLを流すので面SFb側すなわち第2反射面21b側に向かって液垂れすることなく排除できる。以上のように、導光装置20では、段液垂れ防止構造DSすなわち流動制御構造FSが構成されていることにより、ハードコート層CCの成膜においてコート液CLの流路を調整して、余剰なコート液が不用意に垂れて導光面である第2反射面21bの平坦性が損なわれ光学的機能が劣化する、といった事態が回避されている。
【0054】
なお、以上において、+Z方向についての面SFbと面SSとの差dが、例えば0.5mm程度あれば、狙いとするハードコート層CCの厚みである5μ程度に比べて十分大きな幅となり、コート液CLを堰き止めることができ、段差部BUが液垂れを防止する液垂れ防止構造DSとして十分に機能するものとなる。
【0055】
〔F.画像光の光路の概要〕
以下、虚像表示装置100における画像光の光路の概要について説明する。
【0056】
図9(A)は、液晶表示デバイス32の縦断面CS1に対応する第1方向D1の光路を説明する図である。第1方向D1に沿った縦断面すなわちYZ面(展開後のY'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bの上端側(+Y側)から射出される成分を画像光GLaとし、図中二点差線で示す表示領域32bの下端側(−Y側)から射出される成分を画像光GLbとする。
【0057】
上側の画像光GLaは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ1の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光GLbは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ2(|φ2|=|φ1|)の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ1,φ2は、上下の半画角に相当し、例えば6.5°に設定される。
【0058】
図9(B)は、液晶表示デバイス32の横断面CS2に対応する第2方向D2の光路を説明する図である。第2方向D2に沿った横断面CS2すなわちXZ面(展開後のX'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bに向かって右端側(+X側)の第1表示点P1から射出される成分を画像光GL1とし、図中二点差線で示す表示領域32bに向かって左端側(−X側)の第2表示点P2から射出される成分を画像光GL2とする。
【0059】
右側の第1表示点P1からの画像光GL1は、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ1の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第2表示点P2からの画像光GL2は、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ2(|θ2|=|θ1|)の左方向から傾いて入射する。以上の角度θ1,θ2は、左右の半画角に相当し、例えば10°に設定される。
【0060】
なお、第2方向D2又は閉じ込め方向DW2の横方向に関しては、導光部材21中で画像光GL1,GL2が反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光GL1,GL2が導光部材21中で不連続に表現されている。また、観察者の眼EYについては、図2(A)の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材21を高精度に加工することで、液晶表示デバイス32の右半分の画像と液晶表示デバイス32の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光GL1,GL2の導光部材21内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光GL1の射出角度θ1'と左側の画像光GL2の射出角度θ2'とは異なるものに設定されている。
【0061】
以上により、観察者の眼EYに入射する画像光GLa,GLb,GL1,GL2は、無限遠からの虚像となっており、縦の第1方向D1又は非閉じ込め方向DW1に関しては、液晶表示デバイス32に形成された映像が正立し、横の第2方向D2又は閉じ込め方向DW2に関しては、液晶表示デバイス32に形成された映像が反転する。
【0062】
〔G.横方向に関する画像光の光路〕
図10は、第1表示装置100Aにおける具体的な光路を説明する断面図である。投射光学系12は、3つのレンズL1,L2,L3を有している。
【0063】
液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL11,GL12は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第1反射角γ1で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL11,GL12は、第1反射角γ1を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、次いで再度第1反射面21aに入射して全反射される(第3回目の全反射)。結果的に、画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計3回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL11,GL12は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ1の傾きで平行光束として射出される。
【0064】
液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL21,GL22は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第2反射角γ2(γ2<γ1)で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL21,GL22は、第2反射角γ2を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、再度第1反射面21aに入射して全反射され(第3回目の全反射)、再度第2反射面21bに入射して全反射され(第4回目の全反射)、再々度第1反射面21aに入射して全反射される(第5回目の全反射)。結果的に、画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計5回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL21,GL22は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ2の傾きで平行光束として射出される。
【0065】
図10において、導光部材21を展開した場合に第1反射面21aに対応する仮想的な第1面121aと、導光部材21を展開した場合に第2反射面21bに対応する仮想的な第2面121bとを描いている。このように展開することにより、第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、光入射面ISに対応する入射等価面IS'を通過した後、第1面121aを2回通過し第2面121bを1回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かり、第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、光入射面ISに対応する入射等価面IS"を通過した後、第1面121aを3回通過し第2面121bを2回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かる。見方を変えると、観察者は、2つの位置の異なる入射等価面IS',IS"の近傍に存在する投射光学系12のレンズL3を重ねて観察していることになる。
【0066】
図11(A)は、液晶表示デバイス32の表示面を概念的に説明する図であり、図11(B)は、観察者に見える液晶表示デバイス32の虚像を概念的に説明する図であり、図11(C)及び11(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図11(A)に示す液晶表示デバイス32に設けた矩形の画像形成領域ADは、図11(B)に示す虚像表示領域AIとして観察される。虚像表示領域AIの左側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から右側にかけての部分に相当する第1投射像IM1が形成され、この第1投射像IM1は、図11(C)に示すように右側が欠けた部分画像となっている。また、虚像表示領域AIの右側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から左側にかけての部分に相当する投射像IM2が虚像として形成され、この第2投射像IM2は、図11(D)に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【0067】
図11(A)に示す液晶表示デバイス32のうち第1投射像(虚像)IM1のみを形成する第1部分領域A10は、例えば液晶表示デバイス32の右端の第1表示点P1を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計3回全反射される画像光GL11,GL12を射出する。液晶表示デバイス32のうち第2投射像(虚像)IM2のみを形成する第2部分領域A20は、例えば液晶表示デバイス32の左端の第2表示点P2を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計5回全反射される画像光GL21,GL22を射出する。液晶表示デバイス32の画像形成領域ADの中央寄りにおいて第1及び第2部分領域A10,A20に挟まれて縦長に延びる帯域SAからの画像光は、図11(B)に示す重複画像SIを形成している。つまり、液晶表示デバイス32の帯域SAからの画像光は、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第1投射像IM1と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第2投射像IM2となって、虚像表示領域AI上で重畳していることになる。導光部材21の加工が精密で、投射光学系12によって正確にコリメートされた光束が形成されているならば、重複画像SIについて、2つの投射像IM1,IM2の重畳によるズレや滲みを防止することができる。
【0068】
以上では、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出された画像光GL11,GL12の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計3回で、液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出された画像光GL21,GL22の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計5回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材21の外形(すなわち厚みt、距離D、鋭角α,β)の調整によって、画像光GL11,GL12の全反射回数を計5回とし、画像光GL21,GL22の全反射回数を計7回とすることもできる。また、以上では、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ISと光射出面OSとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材21を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が偶数となる。
【0069】
なお、第1及び第2反射面21a,21bでの全反射は、ハードコート層CCの屈折率の設定によっており、ハードコート層CCの表面側で生じさせることもハードコート層CCの内側で生じさせることもできる。ハードコート層CCの表面側で全反射を生じさせる場合、上述した液垂れを防ぐことが特に重要となる。
【0070】
以上のように、本実施形態では、導光装置20が、逃げ溝である溝CT1,CT2,CT3によって構成される液溜り防止構造や、導光部材21と光透過部材23との境界に設けられる段差部BUによって構成される液垂れ防止構造を、流動制御構造として有している。これにより、ハードコート層の成膜において、原料となるコート液の流動を適切に制御して、導光装置20の意図しない箇所にコート液CLによる液溜りや液垂れが発生することを防げる。従って、虚像表示装置100を構成する各光学部品の組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置20での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0071】
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、第1の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0072】
図12(A)〜12(C)に示す虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光装置420とを一組として備える。導光装置420は、導光部材21と、角度変換部423と、支持部材429とを備える。なお、図12(A)は、図12(B)に示す導光装置420のA−A断面に対応する。
【0073】
導光部材21の全体的な外観は、図中XY面に平行に延びる平板である本体部分21sによって形成されている。また、導光部材21は、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第1接合面21jとを有する。また、導光部材21は、第1、第2及び第3反射面21a,21b,21cに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。さらに、導光部材21は、長手方向の一端において本体部分21sを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する第3反射面21cを有し、長手方向の他端において多数のミラーによって構成される角度変換部423につながる構造となっている。
【0074】
本体部分21sは、光透過性の樹脂材料等により形成され、XY面に平行で画像形成装置10に対向する裏側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射面ISを有している。本体部分21sは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層25が形成されている。ここで、ミラー層25は、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜した状態で配置される第3反射面21cとして機能する。この第3反射面21cは、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光を、全体として−Z方向に偏った−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分21s内に確実に結合させる。
【0075】
導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bは、平板状の本体部分21sの主面であり互いに対向しXY面に対して平行に延びる2平面として、プリズム部PSで折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第3反射面21cで反射された画像光は、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光部材21の奥側即ち角度変換部423を設けた−X側に導かれる。
【0076】
図12(C)に示すように、導光部材21において、第3反射面21cと後述する光入射面ISとは、光入射部B1として機能する。また、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bに挟まれた本体部分21sと、後述する角度変換部423とは、導光部B2として機能する。なお、角度変換部423は、光射出部B3として機能する。
【0077】
角度変換部423は、導光部材21の奥側(−X側)において、第1及び第2反射面21a,21bの延長平面に沿って形成されている。ここで、本体部分21sの奥側端部は、角度変換部423の一部となっている。角度変換部423は、第1及び第2反射面21a,21bに対して傾斜し互いに平行に等間隔で配列される多数のハーフミラー層28を有する。角度変換部423は、導光部材421の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OSを介して観察者の眼EY側へ折り曲げる。つまり、角度変換部423は、画像光の角度を変換している。
【0078】
光透過部材23sは、角度変換部423を奥側(−X側)に延長した部分であり、導光部材421の本体部分21sと同様に平板状の部材である。
【0079】
以上において、角度変換部423の全部又は入口側の一部は、導光部材21と組み合わせることで導光部B2の一部としても機能している。また、角度変換部423の全部又は奥側の一部は、光透過部材23sと組み合わせることで透視部として機能している。
【0080】
支持部材429は、図12(B)に示すように、導光部材21を支持するために角度変換部423及び光透過部材23sの奥側(−X側)に位置する支持フレーム(不図示)の一部であり、X方向に延びる上側支持部材24bと下側支持部材24cとをそれぞれ有し、導光部材21及び角度変換部423を挟むようにして固定している。さらに、支持部材429は、上側支持部材24bの先端部に設けた第1連結部24eと下側支持部材24cの先端部に設けた第2連結部24fとを有している。連結部24e,24fには、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSが設けられている。また、支持部材529と導光部材521との境界には、液垂れ防止構造DSが設けられている。
【0081】
画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材21に入射した画像光は、第3反射面21cで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bにおいて繰り返し全反射されて光軸AXに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部423において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に角度変換部423に付随する光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼EYに入射する。
【0082】
以下、導光装置420中の画像光の光路について説明する。なお、第2実施形態における導光装置420は、縦の第1方向D1(Y方向)に関して、図1(A)の導光装置20と同様に機能する。一方、導光装置420は、横の第2方向D2(X方向)に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、2つの伝搬モードの画像光を導光させる図2(A)の導光装置20と異なっている。
【0083】
図12(A)に示すように、画像表示装置11の液晶表示デバイス(画像光形成部)32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL41とし、射出面32aの紙面右側(+X側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL42とし、射出面32aの紙面左側(−X側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL43とする。
【0084】
投射光学系12を経た各画像光GL41,GL42,GL43の主要成分は、導光部材21の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2反射面21a,21bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL41,GL42,GL43のうち、液晶表示デバイス(画像光形成部)32の射出面32aの中央部分から射出された画像光GL41は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、標準反射角γ0で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される。その後、画像光GL41は、標準反射角γ0を保った状態で、第1及び第2反射面21a,21bで全反射を繰り返す。画像光GL41は、第1及び第2反射面21a,21bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、角度変換部423の中央部23kに達する。この中央部23kで反射された画像光GL41は、光射出面OSから当該光射出面OS又はXY面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。
【0085】
液晶表示デバイス32の射出面32aの一端側(+X側)から射出された画像光GL42は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最大反射角γ+で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL42は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部423のうち最も入口側(+X側)の周辺部23mに達する。この周辺部23mで反射された画像光GL42は、入口の第3反射面21c側から離れるように+X軸に対して鈍角をなし、光軸AXに対して角度θ12(導光装置420内ではθ12')だけ傾斜した方向に射出される(図13参照)。
【0086】
液晶表示デバイス32の射出面32aの他端側(−X側)から射出された画像光GL43は、投射光学系12の通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最小反射角γ−で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL43は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部423のうち最も奥側(−X側)の周辺部23hに入射する。この周辺部23hで反射された画像光GL43は、第3反射面21c側に戻されるように+X軸に対して鋭角をなし、光軸AXに対して角度θ13(導光装置420内ではθ13')だけ傾斜した方向に射出される(図13参照)。
【0087】
図14に示すように、角度変換部423は、複数のプリズム424を所定のピッチでX方向に多数配列した構造を有する。各プリズム424は、光射出側に第1接合面424jを有し、光入射側に第2接合面424cを有する。本体部分21sの第1接合面21j上又は各プリズム424の第1接合面424j上には、局所的な部分領域上に半透過反射膜であるハーフミラー層28が形成されている。
【0088】
第2実施形態の虚像表示装置100においても、図12(B)に示すように、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを有している。これにより、ハードコート層の成膜に際してコート液の流動を適切に制御して、各光学部品の組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置420での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0089】
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、第1の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0090】
図15(A)〜15(C)に示す虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光装置520とを一組として備える。導光装置520は、導光部材21と、角度変換部523と、支持部材529とを有している。導光部材521は、本体部分21sと、画像取出部である角度変換部523とを備える。なお、図15(A)は、図15(B)に示す導光部材521のA−A断面に対応する。
【0091】
導光部材521の全体的な外観は、図中XY面に平行に延びる平板である本体部分21sによって形成されている。また、導光部材521は、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cとを有する。また、導光部材521は、第1、第2及び第3反射面21a,21b,21cに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。さらに、導光部材521は、長手方向の一端において本体部分21sを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する第3反射面21cを有し、長手方向の他端において本体部分21sに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部523を有する構造となっている。導光部材521は、一体的な部品であるが、第1実施形態の場合と同様に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができ(図15(C)参照)、このうち光入射部B1は、第3反射面21cと後述する光入射面ISとを有する部分であり、光入射部B1は、第1及び第2反射面21a,21bを有する部分であり、導光部B2は、角度変換部523と後述する光射出面OSとを有する部分である。
【0092】
本体部分21sは、光透過性の樹脂材料等により形成され、XY面に平行で画像形成装置10に対向する裏側又は観察者側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射面ISと、画像光を観察者の眼EYに向けて射出させる光射出面OSとを有している。本体部分21sは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層25が形成されている。ここで、ミラー層25は、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部である第3反射面21cとして機能する。この第3反射面21cは、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光を、全体として−Z方向に偏った−XZ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分21s内に確実に結合させる。また、本体部分21sにおいて、光射出面OSの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部523が形成されている。本体部分21sは、入口側の第3反射面21cから奥側の角度変換部523にかけて延在し、プリズム部PSを介して内部に入射させた画像光を角度変換部523に導く。
【0093】
導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bは、平板状の本体部分21sの主面であり互いに対向しXY面に対して平行に延びる2平面として、プリズム部PS又は光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第3反射面21cで反射された画像光は、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置520の奥側即ち角度変換部523を設けた−X側に導かれる。
【0094】
本体部分21sの光射出面OSに対向して配置される角度変換部523は、導光部材521の奥側(−X側)において、第2反射面21bの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部523は、導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。つまり、角度変換部523は、画像光の角度を変換している。
【0095】
支持部材529は、図15(B)に示すように、導光部材21を支持するために角度変換部523の奥側(−X側)に位置する支持フレーム(不図示)の一部であり、X方向に延びる上側支持部材24bと下側支持部材24cとをそれぞれ有し、導光部材521及び角度変換部523を挟むようにして固定している。さらに、支持部材529は、上側支持部材24bの先端部に設けた第1連結部24eと下側支持部材24cの先端部に設けた第2連結部24fとを有している。連結部24e,24fには、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSが設けられている。また、支持部材529と導光部材521との境界等には、液垂れ防止構造DSが設けられている。
【0096】
画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材521に入射した画像光は、第3反射面21cで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bにおいて繰り返し全反射されて光軸AXに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部523において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
【0097】
以下、導光装置520中の画像光の光路について説明する。なお、第3実施形態における導光装置520は、縦の第1方向D1(Y方向)に関して、図1(A)の導光装置20と同様に機能する。一方、導光装置520は、横の第2方向D2(X方向)に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、2つの伝搬モードの画像光を導光させる図2(A)の導光装置20と異なっている。
【0098】
図15(A)に示すように、画像表示装置11の液晶表示デバイス(画像光形成部)32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL51とし、射出面32aの紙面右側(+X側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL52とし、射出面32aの紙面左側(−X側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL53とする。
【0099】
投射光学系12を経た各画像光GL51,GL52,GL53の主要成分は、導光部材521の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2反射面21a,21bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL51,GL52,GL53のうち、液晶表示デバイス(画像光形成部)32の射出面32aの中央部分から射出された画像光GL51は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、標準反射角γ0で導光部材521の第1反射面21aに入射し、全反射される。その後、画像光GL51は、標準反射角γ0を保った状態で、第1及び第2反射面21a,21bで全反射を繰り返す。画像光GL51は、第1及び第2反射面21a,21bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、角度変換部523の中央部23kに達する。この中央部23kで反射された画像光GL51は、光射出面OSから当該光射出面OS又はXY面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。
【0100】
液晶表示デバイス32の射出面32aの一端側(+X側)から射出された画像光GL52は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最小反射角γ+で導光部材521の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL52は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部523のうち最も奥側(−X側)の周辺部23hに達する。この周辺部23hで反射された画像光GL52は、入口の第3反射面21c側に戻されるように+X軸に対して鋭角をなし、光軸AXに対して角度θ12(導光装置520内ではθ12')だけ傾斜した方向に射出される(図16参照)。
【0101】
液晶表示デバイス32の射出面32aの他端側(−X側)から射出された画像光GL53は、投射光学系12の通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最小反射角γ−で導光部材521の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL53は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部523のうち最も入口側(+X側)の周辺部23mに入射する。この周辺部23mで反射された画像光GL53は、第3反射面21c側から離れるように+X軸に対して鈍角をなし、光軸AXに対して角度θ13(導光装置520内ではθ13')だけ傾斜した方向に射出される(図16参照)。
【0102】
なお、図16に示すように、角度変換部523は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット2cで構成される。つまり、角度変換部523は、Y方向に延びる細長い反射ユニット2cを所定のピッチPTで角度変換部523の延びる主導光方向すなわち−X方向に沿って多数配列させることで構成されている。各反射ユニット2cは、奥側即ち光路下流側に配置される1つの反射面部分である第1の反射面2aと、入口側即ち光路上流側に配置される他の1つの反射面部分である第2の反射面2bとを1組のものとして有し、両反射面2a,2bは、一定の楔角δをなしている。これらのうち、少なくとも第2の反射面2bは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。当該反射ユニット2cにおいて、画像光GL52,53は、最初に奥側即ち−X側の第1の反射面2aで反射され、次に、入口側即ち+X側の第2の反射面2bで反射される。当該反射ユニット2cを経た画像光GL52,53は、他の反射ユニット2cを経ることなく、角度変換部523での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【0103】
図17に示すように、角度変換部523は、導光部材521から延びる比較的厚い板状の接合部材521nと、光透過部材23sから延びる比較的薄い板状の接合部材523nとを接合した構造を有する。接合部材521nは、表側又は外界側に第1接合面21jを有し、接合部材523nは、裏側又は観察者側に第2接合面23cを有する。接合部材521nの第1接合面21j上には、局所的な部分領域上に半透過反射膜であるハーフミラー層28が形成されている。
【0104】
第3実施形態の虚像表示装置100においても、図15(B)に示すように、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを有している。これにより、ハードコート層の成膜に際してコート液の流動を適切に制御して、各光学部品の組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置520での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0105】
〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0106】
例えば、図5(C)に示す基材PAの引上げにおいて、流動制御構造の流路に対応して基材PAを傾けたり振ったりしつつ引き上げるものとすることができる。具体的には、例えば図6(A)等に示す溝CT1等における流路すなわち溝CT1等の延びる方向が重力下方となるように、基材PAを傾けながら引き上げることで、より効率的に余剰のコート液を除去することができる。
【0107】
上記実施形態では、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSと液垂れ防止構造DSとの双方を有するものとしているが、いずれか一方のみを有する構成とすることもできる。また、例えば図2(B)において、液垂れ防止構造DSは、X方向とY方向との双方に設けられているが、例えばX方向にのみ液垂れ防止構造DSが形成されるものとしてもよい。
【0108】
上記実施形態では、導光装置20のうち光透過部材23に設けた溝CT1等によって液溜り防止構造を構成するものとしているが、例えば穴H1やこれに対応する溝CT1等を導光部材21側に設けることで、導光部材21が溜り防止構造を有するものとすることも可能である。また、上記実施形態では、導光装置20のうち導光部材21と光透過部材23とが協働して形成した段差部BUによって液垂れ防止構造を構成しているが、例えば導光部材21が単独で段差部BUすなわち液垂れ防止構造を有するものとすることも可能である。
【0109】
上記実施形態では、液溜り防止構造CSを設ける対象である立体的形状として位置決め用の穴H1,等を示しているが、対象となる立体的形状は、これに限らず、導光装置20に設けられる種々の凹凸構造であってもよい。また、穴H1等に設けられる溝CT1等についても、導光装置20に設けられる凹凸構造において、コート液CLの流動を促すことができるものであれば、種々の形状・構造のものが考えられ、液溜り防止構造CSすなわち流動制御構造FSとして機能させることができる。例えば、穴H2の溝CT2は、穴H2に示す凹形状の穴のほか、長穴状、鍵穴形状等、貫通穴途中から延びる溝、言い換えると、これらの凹形状の穴の一部を切り欠いて形成される切り欠き部とすることもできる。また、逃げ溝や段差部を設けることで、液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを構成しているが、逃げ溝や段差部に限らず、立体的形状の周辺の縁を切欠いて形成したテーパ形状や凸部形状等によっても液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを構成できる。
【0110】
上記実施形態では、ハードコート層CCは、ディップ処理によって成膜されるものとしているが、所定の膜厚で成膜できるものであれば、成膜方法については、ディップ処理に限らず、通常のコート方式やスプレー方式、ロールコート方式、湿式・乾式のコート方式等も適用可能である。
【0111】
上記の説明では、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とを備える導光装置20を用いたが、光入射部B1や光射出部B3において、平面ミラーを用いる必要はなく、球面又は非球面の曲面ミラーによってレンズ的な機能を持たせることもできる。さらに、図18に示すように、光入射部B1として、導光部B2から分離したプリズム又はブロック状のリレー部材1125を用いることができ、このリレー部材1125の入射出射面や反射内面にレンズ的な機能を持たせることもできる。なお、導光部B2を構成する導光体26には、画像光GLを反射によって伝搬させる第1及び第2の面である第1及び第2反射面21a,21bが設けられているが、これらの反射面21a,21bは、互いに平行である必要はなく、曲面とすることもできる。なお、ここでは、曲面についても略沿って延びる面については、互いに対向して延びる面として取り扱うものとする。
【0112】
上記実施形態では、照明装置31からの照明光SLに特に指向性を持たせていないが、照明光SLに液晶表示デバイス32の位置に応じた指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス32を効率的に照明することができ、画像光GLの位置による輝度ムラを低減できる。
【0113】
上記実施形態では、液晶表示デバイス32の表示輝度を特に調整していないが、図11(B)等に示すような投射像IM1,IM2の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。
【0114】
上記実施形態では、画像表示装置11として、透過型の液晶表示デバイス32等を用いているが、画像表示装置11としては、透過型の液晶表示デバイス32に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス32に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置11として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
【0115】
上記実施形態の虚像表示装置100では、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置10及び導光装置20設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置10と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【0116】
上記実施形態では、光入射面ISを通る第1光軸AX1と光入射面ISを通る第2光軸AX2とが平行であるとしたが、これらの光軸AX1,AX2を非平行とすることもできる。
【0117】
上記の説明では、虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。
【0118】
上記の説明では、第1及び第2反射面21a,21bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第1及び第2反射面21a,21b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、第1及び第2反射面21a,21bの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第1及び第2反射面21a,21bの全体又は一部がコートされていてもよい。
【0119】
上記の説明では、導光部材21が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、導光部材21は、縦方向に延びるものとできる。この場合、光学パネル110は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。
【符号の説明】
【0120】
10…画像形成装置、 11…画像表示装置、 12…投射光学系、 20…導光装置、 21s,23s…本体部分、 21…導光部材、 21a,21b…反射面(全反射面、導光面)、 21c,21d…反射面(導光面)、 21e…上面、 21f…下面、 21h…端面、 23…光透過部材、 23a,23b,23c…面、 25…ミラー層、 28…ハーフミラー層(半透過反射膜)、 31…照明装置、 32…液晶表示デバイス、 32b…表示領域、 34…駆動制御部、 100…虚像表示装置、 100A,100B…表示装置、 110…光学パネル、 121…フレーム、 131,132…駆動部、 AX1…第1光軸、 AX2…第2光軸、 B1…光入射部、 B2…導光部、 B3…光射出部、 B4…透視部、 EY…眼、 FF…平坦面、 GL…画像光、 GL'…外界光、 GL11,GL12,GL21,GL22…画像光、 IM1,IM2…投射像、 IS…光入射面、 L1,L2,L3…レンズ、 OS…光射出面、 P1…表示点、 P2…表示点、 SL…照明光、 CC…ハードコート層、 CL…コート液、 CT1,CT2,CT3…溝(逃げ溝)、 H1,H2,H3…穴(位置決め部)、 PA…基材、 PB,PC…基材部分、 BU…段差部、 CS…液溜り防止構造、 DS…液垂れ防止構造、 FS…流動制御構造
【技術分野】
【0001】
本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの画像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。
【0003】
このような虚像表示装置において、画像光と外界光とを重畳させるために、シースルー光学系の提案がなされている(特許文献1参照)。また、ヘッドマウントディスプレイに関する技術ではないが、樹脂製の成形品の表面を保護するために、ハードコート層を設けることが知られている(例えば特許文献2参照)。
【0004】
ヘッドマウントディスプレイにおいて、画像光を適切な状態で導くためには、画像光を反射等によって伝搬させる導光板の表面部分の状態を良好に保つ必要がある。従って、当該表面部分の損傷を防いだり、表面の汚れの除去を容易にしたりするためにハードコート層を設けることが考えられる。特に、シースルー型のヘッドマウントディスプレイの場合には、導光板のうち露出する部分が多くなりやすく、表面部分にハードコート層を設けることがより重要となる。
【0005】
しかしながら、ヘッドマウントディスプレイのうち導光板を含む導光部分は、例えば他の光学部品を組み付けるための位置決め部を周辺に付随させる場合があること等から、複雑な形状となる傾向にある。また、導光部分の形状は、光を的確に導くために、精密でなければならない。従って、導光部分を構成する光学部品にハードコート層を成膜する場合に、原料となるコート液が意図しない箇所に液溜りや液垂れを形成してしまうと、位置決め部として設けた溝や穴等をコート液が埋めてしまって組付けの精度を悪くしたり、導光部分となるべき導光面にコート液が垂れてしまって平坦性が損なわれ導光の性能を劣化させたりする可能性がある。以上のことから、ハードコート層を過剰とならないように所望の状態で設けることは、必ずしも容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−240924号公報
【特許文献2】特開2009−51920号公報
【発明の概要】
【0007】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、保護用のハードコート層を設けつつも、組付けの精度を悪化させず、かつ、導光部分での導光の性能を良好な状態に維持できる虚像表示装置及び虚像表示装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、(a)画像光を形成する画像表示装置と、(b)画像表示装置から射出された画像光による虚像を形成する投射光学系と、(c1)投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と、(c2)光入射部から取り込まれた画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と、(c3)導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する(c)導光装置と、を備え、(d)導光装置が、コート液を塗布し硬化させることで形成され、画像光の導光に寄与する導光部の表面に設けられるハードコート層と、塗布されたコート液の流動を制御する流動制御構造と、を有する。
【0009】
上記虚像表示装置では、導光装置が、流動制御構造を有していることにより、ハードコート層の成膜時において、原料となるコート液の流動を適切に制御して、導光装置の意図しない箇所にコート液による液溜りや液垂れが発生することを防げる。これにより、他の光学部材との間での組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0010】
本発明の具体的な側面では、流動制御構造が、立体的形状の周辺にコート液の逃げ溝を有してコート液の液溜りを防止する液溜り防止構造である。この場合、液溜り防止構造を構成する逃げ溝によって対象箇所の余剰のコート液を除去して、液溜りの発生を防止することができる。
【0011】
本発明の別の側面では、導光装置が、投射光学系を含む他の部材との相対的な位置決めを行う位置決め部を有し、液溜り防止構造が、位置決め部の周辺に逃げ溝を設けることで形成される。この場合、位置決め部において、液溜りの発生を防止することができ、組付けの精度を悪化させないようにすることができる。
【0012】
本発明のさらに別の側面では、液溜り防止構造が、導光部を支持する支持部材の先端側の連結部に凹形状の前記立体的形状を有し、逃げ溝が、凹形状の一部を切り欠いて形成される切り欠き部である。この場合、切り欠き部において切り欠く方向を調整して液溜りを防止するものとすることが可能になる。
【0013】
本発明のさらに別の側面では、流動制御構造が、導光面を導光面の周辺部よりせり出した段差部を有して導光面側へのコート液の液垂れを防止する液垂れ防止構造である。この場合、液垂れ防止構造を構成する段差部によって余剰のコート液を堰き止めて、導光面となるべき領域への液垂れの発生を防止することができる。
【0014】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、光入射部、導光部及び光射出部を含む導光部材と、光射出部に接合することによって外界光の観察を可能にする透視部を構成するとともに導光部材を支持する光透過部材とを有し、液垂れ防止構造が、導光部材と光透過部材との境界において段差部を設けることで形成される。この場合、導光部材と光透過部材との境界において、導光部材の導光面となるべき領域への液垂れを防止でき、導光装置の導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0015】
本発明のさらに別の側面では、ハードコート層が、コート液をディップ処理によって塗布することで形成される。この場合、導光装置が比較的複雑な形状を有していても、成膜されるハードコート層の膜厚を、比較的均一であって、導光装置の形状に影響を与えない程度に薄く、かつ、損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりするといったハードコートとして機能できる最低限の厚みを確保したものにできる。
【0016】
本発明のさらに別の側面では、導光装置において、流動制御構造が、導光装置の導光面及び導光装置のうち外部に露出する外観部を回避するようにコート液の流路を設定している。この場合、余剰なコート液が硬化して過剰な厚みのハードコート層が一部に形成されても、光学機能的にも、外観的にも影響を及ぼさないようにできる。
【0017】
本発明のさらに別の側面では、導光部が、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする上記第1の面と第2の面とを有し、光入射部が、第1の面に対して所定の角度をなす第3の面を有し、光射出部が、第1の面に対して所定の角度をなす第4の面を有する。この場合、例えば反射回数の異なる画像光を同時に合成して1つの虚像を形成する画像光として取り出して、光射出部越しに観察される虚像の表示サイズを大きく確保することができる。
【0018】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置の製造方法は、(a)画像光を形成する画像表示装置と、(b)画像表示装置から射出された画像光による虚像を形成する投射光学系と、(c1)投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と(c2)光入射部から取り込まれた画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と(c3)導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と(c4)画像光の導光に寄与する導光部の表面に設けられるハードコート層と(c5)ハードコート層の成膜のために塗布されるコート液の流動を制御する流動制御構造とを有する(c)導光装置と、を備える虚像表示装置の製造方法であって、(d)コート液の流動を制御するための流動制御構造を準備する第1の工程と、(e)第1の工程において準備された流動制御構造によりコート液の流動を制御しながらコート液を塗布し硬化させることでハードコート層を成膜する第2の工程と、を有する。
【0019】
上記虚像表示装置の製造方法では、第2の工程において、ハードコート層の原料となるコート液の流動を適切に制御することで、作製されるべき導光装置の意図しない箇所にコート液による液溜りや液垂れが発生することを防げる。これにより、虚像表示装置の製造に際して、他の光学部材との間での組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0020】
本発明の具体的な側面では、第2の工程において、ハードコート層のコート液をディップ処理によって塗布するディップ処理工程を含む。この場合、製造される導光装置のうち導光部分の形状が比較的複雑であっても、導光面に所望の厚さの膜を均一に成膜できる。
【0021】
本発明の別の側面では、ディップ処理工程において、コート液の槽につけた導光装置となるべき基材を、流動制御構造によるコート液の流路が傾くように引き上げる引上工程を含む。この場合、引上工程において、効率的に余剰のコート液を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】第1実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。
【図2】(A)は、虚像表示装置を構成する第1表示装置の本体部分の平面図であり、(B)は、本体部分の正面図である。
【図3】(A)は導光部材の正面図であり、(B)は導光部材の下面図であり、(C)は導光部材の左側面図であり、(D)は導光部材のCC断面図である。
【図4】(A)は光透過部材の裏面図であり、(B)は光透過部材のBB断面図であり、(C)は光透過部材の左側面図であり、(D)は光透過部材の右側面図である。
【図5】(A)は、ハードコート層の成膜処理のうち導光装置となるべき基材及びコート液を満たした処理層を準備した状態を示す図であり、(B)は、基材を処理槽に浸した状態を示す図であり、(C)は、基材を処理槽から引き上げる動作を示す図である。
【図6】(A)は、光透過部材の一部を拡大した斜視図であり、(B)は、導光部材と光透過部材とを接合した状態の一部を拡大した斜視図である。
【図7】(A)は、比較例の光透過部材の一部を拡大した斜視図であり、(B)は、比較例のディップ処理後の一例を示す図である。
【図8】(A)は、導光装置の斜視図であり、(B)は、導光装置となるべき基材の側断面図である。
【図9】(A)は、縦の第1方向に関する光路を展開した概念図であり、(B)は、横の第2方向に関する光路を展開した概念図である。
【図10】虚像表示装置の光学系における光路を具体的に説明する平面図である。
【図11】(A)は、液晶表示デバイスの表示面を示し、(B)は、観察者に見える液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図であり、(C)及び(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。
【図12】(A)は、第2実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光装置の正面図及び導光部材の平面図である。
【図13】画像光の光路について説明する模式的な図である。
【図14】ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。
【図15】(A)は、第3実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光装置の正面図及び導光部材の平面図である。
【図16】画像光の光路について説明する模式的な図である。
【図17】ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。
【図18】虚像表示装置を構成する第1表示装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
【0024】
〔A.虚像表示装置の外観〕
図1に示す第1実施形態の虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置100は、観察者の眼前を覆う光学パネル110と、光学パネル110を支持するフレーム121と、フレーム121のうち前方のカバー部分から後方のつる部分(テンプル)にかけての部分に付加された第1及び第2駆動部131,132とを備える。ここで、光学パネル110は、第1パネル部分111と第2パネル部分112とを有し、両パネル部分111,112は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第1パネル部分111と第1駆動部131とを組み合わせた第1表示装置100Aは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2パネル部分112と第2駆動部132とを組み合わせた第2表示装置100Bは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
【0025】
〔B.表示装置の構造〕
図2(A)及び図2(B)に示すように、第1表示装置100Aは、画像形成装置10と、導光装置20とを備える。ここで、画像形成装置10は、図1における第1駆動部131に相当し、導光装置20は、図1における第1パネル部分111に相当する。なお、図1に示す第2表示装置100Bは、第1表示装置100Aと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第2表示装置100Bの詳細な説明は省略する。
【0026】
画像形成装置10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、2次元的な照明光SLを射出する照明装置31と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス32と、照明装置31及び液晶表示デバイス32の動作を制御する駆動制御部34とを有する。
【0027】
画像表示装置11の照明装置31は、赤、緑、青の3色を含む光を発生する光源31aと、光源31aからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部31bとを有する。液晶表示デバイス32は、照明装置31からの照明光SLを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。駆動制御部34は、光源駆動回路34aと、液晶駆動回路34bとを備える。光源駆動回路34aは、照明装置31の光源31aに電力を供給して安定した輝度の照明光SLを射出させる。液晶駆動回路34bは、液晶表示デバイス32に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路34bに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。
【0028】
以上の液晶表示デバイス32において、第1方向D1は、投射光学系12を通る第1光軸AX1と、後述する導光部材21の第3反射面21cに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第2方向D2は、上記第1光軸AX1と、上記第3反射面21cの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。つまり、液晶表示デバイス32の位置において、第1方向D1は、縦のY方向に相当し、第2方向D2は、横のX方向に相当する。
【0029】
投射光学系12は、液晶表示デバイス32上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。
【0030】
導光装置20は、導光部材21と光透過部材23とを接合したものであり、全体としてXY面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。なお、導光部材21と光透過部材23とは、表面にハードコート層CCを有している。
【0031】
導光装置20のうち、導光部材21は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面を構成する第1の面から第4の面として、導光面である第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第4反射面21dとを有する。また、導光部材21は、第1、第2、第3、及び第4反射面21a,21b,21c,21dに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。ここで、第1及び第2反射面21a,21bは、XY面に沿って延び、導光部材21の厚みtだけ離間する。また、第3反射面21cは、XY面に対して45°以下の鋭角αで傾斜しており、第4反射面21dは、XY面に対して例えば45°以下の鋭角βで傾斜している。第3反射面21cを通る第1光軸AX1と第4反射面21dを通る第2光軸AX2とは平行に配置され距離Dだけ離間している。なお、以下に詳述するが、第1反射面21aと第3反射面21cとの間には、稜を除去するように端面21hが設けられている。導光部材21は、この端面21hも含めると、7面の多面体状の外形を有するものとなっている。
【0032】
導光部材21は、対向して延びる第1及び第2の面である第1及び第2反射面21a,21bによる全反射を利用して導光を行うものであり、導光に際して反射によって折り返される方向と、導光に際して反射によって折り返されない方向とがある。導光部材21で導光される画像について考えた場合、導光に際して複数回の反射によって折り返される横方向すなわち閉じ込め方向DW2は、第1及び第2反射面21a,21bに垂直(Z軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第2方向D2に相当する。一方、導光に際して反射によって折り返されないで伝搬する縦方向すなわち非閉じ込め方向DW1は、第1及び第2反射面21a,21b及び第3反射面21cに平行(Y軸に平行)で、後述するように光源側まで光路を展開した場合に、液晶表示デバイス32の第1方向D1に相当する。なお、導光部材21において、伝搬される光束が全体として向かう主導光方向は、−X方向になっている。
【0033】
導光部材21は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。より具体的には、導光部材21は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を樹脂製の本体部分21sとし、これにミラー層やハーフミラー層等を施したものである。本体部分21sは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。このように導光部材21は、本体部分21sを一体形成品とするが、機能的に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができる。
【0034】
光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、矩形の輪郭を有し、その矩形領域全体に、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための全反射ミラーであるミラー層25を有する。このミラー層25は、導光部材21の本体部分21sの斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。
【0035】
導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。第1及び第2反射面21a,21bの間隔すなわち導光部材21の厚みtは、例えば9mm程度とされている。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていないが、本体部分21sの表面上に表面コート層であるハードコート層CCを成膜することで形成されている。ハードコート層CCは、虚像表示装置100の露出部分に形成されるものであり、第1及び第2反射面21a,21bを形成するとともに、当該露出部分を損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりして、映像の解像度低下を防止する。
【0036】
光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、全体として導光装置20の奥側の主導光方向すなわち光射出部B3を設けた+Z側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
【0037】
光射出部B3は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光射出面OSと、光射出面OSに対向する第4反射面21dとを有する。光射出面OSは、画像光GLを観察者の眼EYに向けて射出するための裏側の平面であり、光入射面ISと同様に第1反射面21aの一部となっており、第2光軸AX2に垂直に延びている。光射出部B3を通る第2光軸AX2と光入射部B1を通る第1光軸AX1との距離Dは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば50mmに設定されている。第4反射面21dは、矩形の平坦面であり、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを反射して光射出部B3外に射出させるとともに外界光を透過させるためのハーフミラー層28を、第4反射面21dの中央に配置された矩形の部分領域に有する。このハーフミラー層28は、光透過性を有する半透過反射膜である。ハーフミラー層(半透過反射膜)28は、導光部材21のうち第4反射面21dを構成する斜面RR上に例えば銀等による金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光GL'の観察を容易にする観点で、想定される画像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、画像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。
【0038】
第4反射面21dは、第1反射面21aに垂直な第2光軸AX2又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、上記ハーフミラー層28により、導光部B2の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを部分的に反射して全体として−Z方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面OSを通過させる。なお、第4反射面21dを透過した画像光の成分は、光透過部材23に入射し、映像の形成には利用されない。
【0039】
光透過部材23は、導光部材21の本体部分21sと同一の屈折率を有する本体部分23sで構成され、第1面23aと、第2面23bと、第3面23cとを有する。第1及び第2面23a,23bは、第1及び第2反射面21a,21bと同様、本体部分23sの表面上に表面コート層であるハードコート層CCを成膜することで形成されており、XY面に沿って延びている。また、第3面23cは、XY面に対して傾斜しており、導光部材21の第4反射面21dに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材23は、第2面23bと第3面23cとに挟まれた楔状の部材を有するものとなっている。光透過部材23は、導光部材21と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材23は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を本体部分23sとするものであり、本体部分23sは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。
【0040】
光透過部材23において、第1面23aは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に配置され、観察者の眼EYに近い裏側にあり、第2面23bは、導光部材21に設けた第2反射面21bの延長平面上に配置され、観察者の眼EYから遠い表側にある。第3面23cは、接着剤によって導光部材21の第4反射面21dに接合される矩形の光透過面である。以上の第1面23aと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第2反射面21bと第4反射面21dとのなす角度εと等しくなっており、第2面23bと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとのなす角度βと等しくなっている。
【0041】
光透過部材23と導光部材21とは、両者の接合部分及びその近傍において、透視部B4を構成している。すなわち、第1及び第2面23a,23bには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材21の導光部B2と同様に外界光GL'を高い透過率で透過させる。第3面23cも、外界光GL'を高い透過率で透過可能であるが、導光部材21の第4反射面21dがハーフミラー層28を有していることから、第3面23cの中央領域を通過する外界光GL'は、例えば20%減光される。つまり、観察者は、20%に減光された画像光GLと80%に減光された外界光GL'とを重畳させたものを観察することになる。
【0042】
導光部材21は、図3(A)〜3(D)に示すように、平面視において台形のプリズム状部材であり、光透過部材23は、図4(A)〜4(D)に示すように、U字型の外観を有し、導光部材21を嵌合可能とするものであり、左眼用の導光部材21と右眼用の導光部材21とにそれぞれ対応する左右一対の光透過部材23,23が一体となって正面視においてH字状の支持フレーム123を構成している。なお、支持フレーム123の中央部材24aには、鼻パッドを嵌め込むためのくり抜き24xが形成されている。
【0043】
図3(A)等に示す導光部材21は、図4(A)等に示す支持フレーム123に対してそのくり抜き部SPを埋めるように嵌合して、支持フレーム123の中央部材24aと上側支持部材24bと下側支持部材24cとに挟まれるようにこれらに接合されて固定される。これにより、例えば図2(B)に示すような状態となり、全体として図1の光学パネル110が作製される。
【0044】
図2(B)に示すように、上側支持部材24bの先端部に設けた第1連結部24eと下側支持部材24cの先端部に設けた第2連結部24fとは、立体的形状である穴H1,H2,H3をそれぞれ有している。穴H1等にネジ(不図示)等で投射光学系12等の光学部品が組み付けられる。つまり、穴H1,H2,H3は、例えば導光装置20に画像形成装置10を組み付ける際の締結部として機能するとともに、導光装置20に含まれる光入射部B1における光入射面ISの位置と画像形成装置10に含まれる投射光学系12との相対的な位置決めを行うといった位置決め部として機能する。ここでは特に、図4(A)等に示すように、穴H1,H2,H3の周辺には、穴H1〜H3の側面の一部を切り欠いて形成された溝CT1,CT2,CT3がそれぞれ設けられることで、液溜り防止構造CSが形成されている。詳しくは後述するが、液溜り防止構造CSは、ハードコート層CCの成膜状態を厚みの過剰による局所的な斑のない適切なものとするために、ハードコート層CCの原料となるコート液を塗布した際に当該コート液の流動を制御してコート斑の発生を抑制する流動制御構造FSとして機能するものである。
【0045】
また、図2(B)に戻って、導光部材21と光透過部材23との境界には、段差が設けられることで、液垂れ防止構造DSが形成されている。詳しくは後述するが、液垂れ防止構造DSは、ハードコート層CCの成膜状態を厚みの過不足による局所的な斑のない適切なものとするために、ハードコート層CCの原料となるコート液を塗布した際に当該コート液の流動を制御してコート斑の発生を抑制する流動制御構造FSとして機能するものである。
【0046】
以上のようなシースルー型の構成を有する虚像表示装置100では、光を透過させる露出部分が多くなるため、導光部材21や光透過部材23の表面にシースルーを良好な状態に保つためのハードコート層CCを設けることがより重要となる。一方、導光装置20を構成する導光部材21や光透過部材23は、上述のように多数の面部分を有する比較的複雑な形状を有しており、導光装置20の表面が所望の均一な膜厚のハードコート層CCによって成膜された状態とすることは、必ずしも容易ではない。以上のことから、導光装置20に設けられるハードコート層CCは、例えばディップ処理によって成膜されることが望ましい。ここで、ディップ処理とは、一定の大きさの槽内にハードコート層CCの原料であるコート液を満たし、その中に導光装置20となるべき基材全体を漬け込んだ後、当該基材をゆっくり引き上げることで成膜を行うものをいう。このディップ処理によってハードコート層CCの成膜を行うことで、導光装置20のように複数の面部分を持つような複雑な形状であっても、基材を高速回転させ遠心力を利用して成膜するスピンコートやはけで塗布して成膜するバーコートといった方法に比べると、斑の少ない均一な膜を基材の各面部分に形成することができる。しかしながら、ディップ処理は、上記のように基材全体をコート液に浸してから引き上げるものであるため、例えば連結部24e,24fの穴H1等のように基材の細かな部分に液溜りを生じたり、基材の各面の境界付近において液垂れを生じたりしてしまう可能性がある。本実施形態では、かかる事態を防ぐべく、例えば液溜りを生じやすい穴H1等に逃げ溝である溝CT1等を設けている。つまり、溝CT1等が余剰なコート液の流動を促すことで液溜りを防止する液溜り防止構造CSを構成している。言い換えると、液溜り防止構造CSがコート液の流動を制御する流動制御構造FSとなっている。また、導光部材21と光透過部材23との境界に段差を設けて余剰なコート液を堰き止めて液垂れを防止する液垂れ防止構造DSを形成している。言い換えると、液垂れ防止構造DSがコート液の流動を制御する流動制御構造FSとなっている。
【0047】
〔C.ハードコート層の成膜〕
以下、虚像表示装置100の作製工程のうち、ハードコート層CCを成膜する工程の一例について簡単に説明する。ここでは、上記のように、ディップ処理によってハードコート層CCの成膜を行うものとする。図5(A)〜5(C)は、ハードコート層CCの成膜工程を模式的に示す図である。まず、図5(A)に示すように、導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとを接合した導光装置20となるべき基材PAを準備する(流動制御構造準備工程;第1の工程)とともに、コート液CLを満たした処理槽DTを準備する(処理層準備工程)。なお、図5(A)〜5(C)に示すように、基材PAのうち基材部分PCは、液溜り防止構造CSすなわち流動制御構造FSを有している。また、基材部分PBと基材部分PCとの境界に液垂れ防止構造DSすなわち流動制御構造FSが形成されている。次に、図5(B)に示すように、準備された基材PAを処理槽DTに浸して(ディップ処理工程)コート液CLを基材PAの表面全体に十分行き渡らせた後、図5(C)に示すように、処理槽DTから基材PAを引き上げる(引上工程)。なお、例えば引上工程において基材PAを溝CT1等の逃げ溝が延びて形成されるコート液CLの流路(図4(A)参照)が傾くように引き上げることで、余剰なコート液CLを落としてコート液CLを薄く均一に塗布した状態にすることができる。最後に、引き上げられた基材PAの表面に塗布されたコート液CLを硬化させることで、ハードコート層CCが成膜される(ハードコート層成膜工程;第2の工程)。なお、以上によって成膜されるハードコート層CCの膜厚は、5μm程度となっていることが望ましい。これにより、ハードコート層CCを成膜した後の導光装置20の形状が、成膜前の形状を維持したものとなり、かつ、ハードコート層CCが損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりするといったハードコートとしての機能できる程度の厚さを有するものとなる。
【0048】
なお、上記の図5(A)〜5(C)に示す一例では、導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとが組み付けられた状態の基材PAを成膜するものとしているが、基材部分PBと基材部分PCとについてそれぞれ個別にハードコート層CCを成膜することもできる。
【0049】
〔D.液溜り防止構造〕
以下、ハードコート層CCの成膜に際して余剰なコート液の流動を制御する流動制御構造FSの一例として、虚像表示装置100に設けられた液溜り防止構造CSについて詳細に説明する。
【0050】
図6(A)は、光透過部材23のうち、連結部24eに設けられた液溜り防止構造CSを構成する部分について拡大して示す斜視図であり、図4(A)の破線領域LUの部分に対応している。また、図6(B)は、導光部材21と光透過部材23とを接合した導光装置20の一部について拡大して示す斜視図である。既述のように、連結部24eに円形にくり抜かれて設けられた穴H1〜H3には、溝CT1や溝CT2といった逃げ溝が液溜り防止構造CSを構成するものとして設けられている。例えば穴H1は、導光部材21等の光学部品を組み付けるネジ構造を埋め込むためにザグリ加工した凹形状の部分であり、溝CT1は、穴H1の側面の一部を切り欠いて形成されている。つまり、溝CT1は、片側空きザグリ部或いはザグリ切り欠き部となっている。なお、詳しい図示及び説明を省略するが、穴H3と穴H3の雄編に設けられている溝CT3と(図4(A)参照)についても、穴H1及び溝CT1と同様に、ザグリ加工した凹形状の部分とこの一部を切り欠いた切り欠き部とによる構造になっている。溝CT1は、非閉じ込め方向DW1(図2(B)等参照)に沿ったY方向に延びてコート液CLを導光部分の外側に向けて流すものとなっている。ディップ処理工程(図5(B)参照)において穴H1を満たしたコート液CLのうち余剰分は、引上工程(図5(C)参照)の際に流路の方向である溝CT1が延びる方向に沿って傾けることで、溝CT1から流れ出るので、ハードコート層CCとして必要な分のみが表面上に残り、残った成分が硬化される。連結部24eに設けられた他の穴H2,H3についても同様である。このように、本実施形態では、ディップ処理工程において、ハードコート層CCの原料であるコート液CLによって穴H1〜H3の内部が満たされても、コート液CLから引き上げる引上工程の際に溝CT1等が液溜りを防止する液溜り防止構造CSとして機能することによって余剰なコート液CLが除去される。これに対して、穴H1及び穴H3を有するものの比較例として示す図7(A)のように、位置決め部材である穴H1等が溝CT1等を有していない場合、ディップ処理において、例えば円形状の穴H1に入り込んだ余剰なコート液CLが、表面張力等によって溜まったままの状態で硬化して、図7(B)に示すように穴H1,H3を塞いだり変形して小さくしたりして位置決め部として機能できなくしてしまうという可能性がある。本実施形態では、液溜り防止構造CSにより、表面張力を抑制するとともに余剰なコート液CLの逃げ道を形成することで、このような事態を回避できる。
【0051】
また、図6(B)に示すように、導光部材21と光透過部材23とを接合した導光装置20なるべき基材PAにハードコートの成膜をする場合、穴H2に設けられた溝CT2によって形成されるコート液CLの流路は、導光部材21の一表面である平坦面FFに向かうものとなる。なお、この平坦面FFは、導光部材21の上面21eや下面21f(図3(A)等参照)の一部に相当する。この場合、穴H2から溝CT2を介して流れ出る余剰のコート液CLは、平坦面FF側に流れ出るため、平坦面FF上に余剰のコート液CLが溜まって、多少他の部分よりも厚いハードコート層CCが形成される可能性がある。しかし、平坦面FFは、例えば反射面21bや反射面21cのように導光に寄与する導光面ではなく、また、図1に示す虚像表示装置100の完成状態においては、フレーム121に隠れる部分であり、外部に露出する外観部でもない。従って、平坦面FFのハードコート層CCが多少厚くなっても、光学機能的にも、外観的にも影響を及ぼさない。本実施形態では、以上の溝CT2等に示すように、液溜り防止構造CSすなわち流動制御構造FSにおいて、流路を調整してコート液を平坦面FFに向かわせることで、余剰なコート液CLが導光面や外観部に向かうことを回避している。
【0052】
〔E.液垂れ防止構造〕
以下、ハードコート層CCの成膜に際して余剰なコート液の流動を制御する流動制御構造FSの他の一例として、虚像表示装置100に設けられた液垂れ防止構造DSについて詳細に説明する。
【0053】
図8(A)は、導光部材21と光透過部材23とを接合した導光装置20の全体について示す斜視図であり、図8(B)は、図8(A)に示す導光装置20となるべき基材PAのハードコート成膜前の状態を示す側面図である。図8(B)に示す基材PAのうち、例えば導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとの境界周辺において不要なコート液が一時的に溜まり、溜まったコート液によって導光部材21の導光面の1つである第2反射面21bとなるべき面SFbに液垂れが生じると、第2反射面21bの平坦性が損なわれて所望の状態で導光を行うことができず、画像が乱れてしまう可能性がある。これに対して、本実施形態では、導光部材21の第2反射面21bとなるべき面SFbが、隣接する光透過部材23の第2面23bとなるべき面SSに対して、+Z方向にせり出している。言い換えると、導光部材21となるべき基材部分PBと光透過部材23となるべき基材部分PCとの境界において、非閉じ込め方向DW1及び閉じ込め方向DW2(図2(B)等参照)の双方に垂直な方向(X方向)に沿って延びる段差部BUが設けられることで、液垂れ防止構造DSが形成されている。このような段差部BUによる液垂れ防止構造DSがあることで、例えば基材部分PBと基材部分PCとの境界付近においてコート液CLが堰き止められる。特に、段差部BUは、画像光全体としての進行方向である方向DW1と方向DW2との双方に垂直なX方向に沿ってコート液CLを流すので面SFb側すなわち第2反射面21b側に向かって液垂れすることなく排除できる。以上のように、導光装置20では、段液垂れ防止構造DSすなわち流動制御構造FSが構成されていることにより、ハードコート層CCの成膜においてコート液CLの流路を調整して、余剰なコート液が不用意に垂れて導光面である第2反射面21bの平坦性が損なわれ光学的機能が劣化する、といった事態が回避されている。
【0054】
なお、以上において、+Z方向についての面SFbと面SSとの差dが、例えば0.5mm程度あれば、狙いとするハードコート層CCの厚みである5μ程度に比べて十分大きな幅となり、コート液CLを堰き止めることができ、段差部BUが液垂れを防止する液垂れ防止構造DSとして十分に機能するものとなる。
【0055】
〔F.画像光の光路の概要〕
以下、虚像表示装置100における画像光の光路の概要について説明する。
【0056】
図9(A)は、液晶表示デバイス32の縦断面CS1に対応する第1方向D1の光路を説明する図である。第1方向D1に沿った縦断面すなわちYZ面(展開後のY'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bの上端側(+Y側)から射出される成分を画像光GLaとし、図中二点差線で示す表示領域32bの下端側(−Y側)から射出される成分を画像光GLbとする。
【0057】
上側の画像光GLaは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ1の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光GLbは、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度φ2(|φ2|=|φ1|)の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ1,φ2は、上下の半画角に相当し、例えば6.5°に設定される。
【0058】
図9(B)は、液晶表示デバイス32の横断面CS2に対応する第2方向D2の光路を説明する図である。第2方向D2に沿った横断面CS2すなわちXZ面(展開後のX'Z'面)において、液晶表示デバイス32から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域32bに向かって右端側(+X側)の第1表示点P1から射出される成分を画像光GL1とし、図中二点差線で示す表示領域32bに向かって左端側(−X側)の第2表示点P2から射出される成分を画像光GL2とする。
【0059】
右側の第1表示点P1からの画像光GL1は、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ1の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第2表示点P2からの画像光GL2は、投射光学系12によって平行光束化され、展開された光軸AX'に沿って、導光部材21の光入射部B1、導光部B2、及び光射出部B3を通り、観察者の眼EYに対して平行光束状態で、角度θ2(|θ2|=|θ1|)の左方向から傾いて入射する。以上の角度θ1,θ2は、左右の半画角に相当し、例えば10°に設定される。
【0060】
なお、第2方向D2又は閉じ込め方向DW2の横方向に関しては、導光部材21中で画像光GL1,GL2が反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光GL1,GL2が導光部材21中で不連続に表現されている。また、観察者の眼EYについては、図2(A)の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材21を高精度に加工することで、液晶表示デバイス32の右半分の画像と液晶表示デバイス32の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光GL1,GL2の導光部材21内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光GL1の射出角度θ1'と左側の画像光GL2の射出角度θ2'とは異なるものに設定されている。
【0061】
以上により、観察者の眼EYに入射する画像光GLa,GLb,GL1,GL2は、無限遠からの虚像となっており、縦の第1方向D1又は非閉じ込め方向DW1に関しては、液晶表示デバイス32に形成された映像が正立し、横の第2方向D2又は閉じ込め方向DW2に関しては、液晶表示デバイス32に形成された映像が反転する。
【0062】
〔G.横方向に関する画像光の光路〕
図10は、第1表示装置100Aにおける具体的な光路を説明する断面図である。投射光学系12は、3つのレンズL1,L2,L3を有している。
【0063】
液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL11,GL12は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第1反射角γ1で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL11,GL12は、第1反射角γ1を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、次いで再度第1反射面21aに入射して全反射される(第3回目の全反射)。結果的に、画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計3回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL11,GL12は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ1の傾きで平行光束として射出される。
【0064】
液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、投射光学系12のレンズL1,L2,L3を通過することで平行光束化され、導光部材21の光入射面ISに入射する。導光部材21内に導かれた画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい角度で全反射を繰り返して、最終的に光射出面OSから平行光束として射出される。具体的には、画像光GL21,GL22は、平行光束として導光部材21の第3反射面21cで反射された後、第2反射角γ2(γ2<γ1)で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される(第1回目の全反射)。その後、画像光GL21,GL22は、第2反射角γ2を保った状態で、第2反射面21bに入射して全反射され(第2回目の全反射)、再度第1反射面21aに入射して全反射され(第3回目の全反射)、再度第2反射面21bに入射して全反射され(第4回目の全反射)、再々度第1反射面21aに入射して全反射される(第5回目の全反射)。結果的に、画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて計5回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL21,GL22は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θ2の傾きで平行光束として射出される。
【0065】
図10において、導光部材21を展開した場合に第1反射面21aに対応する仮想的な第1面121aと、導光部材21を展開した場合に第2反射面21bに対応する仮想的な第2面121bとを描いている。このように展開することにより、第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、光入射面ISに対応する入射等価面IS'を通過した後、第1面121aを2回通過し第2面121bを1回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かり、第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、光入射面ISに対応する入射等価面IS"を通過した後、第1面121aを3回通過し第2面121bを2回通過して光射出面OSから射出されて観察者の眼EYに入射することが分かる。見方を変えると、観察者は、2つの位置の異なる入射等価面IS',IS"の近傍に存在する投射光学系12のレンズL3を重ねて観察していることになる。
【0066】
図11(A)は、液晶表示デバイス32の表示面を概念的に説明する図であり、図11(B)は、観察者に見える液晶表示デバイス32の虚像を概念的に説明する図であり、図11(C)及び11(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図11(A)に示す液晶表示デバイス32に設けた矩形の画像形成領域ADは、図11(B)に示す虚像表示領域AIとして観察される。虚像表示領域AIの左側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から右側にかけての部分に相当する第1投射像IM1が形成され、この第1投射像IM1は、図11(C)に示すように右側が欠けた部分画像となっている。また、虚像表示領域AIの右側には、液晶表示デバイス32の画像形成領域ADのうち中央から左側にかけての部分に相当する投射像IM2が虚像として形成され、この第2投射像IM2は、図11(D)に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【0067】
図11(A)に示す液晶表示デバイス32のうち第1投射像(虚像)IM1のみを形成する第1部分領域A10は、例えば液晶表示デバイス32の右端の第1表示点P1を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計3回全反射される画像光GL11,GL12を射出する。液晶表示デバイス32のうち第2投射像(虚像)IM2のみを形成する第2部分領域A20は、例えば液晶表示デバイス32の左端の第2表示点P2を含んでおり、導光部材21の導光部B2において合計5回全反射される画像光GL21,GL22を射出する。液晶表示デバイス32の画像形成領域ADの中央寄りにおいて第1及び第2部分領域A10,A20に挟まれて縦長に延びる帯域SAからの画像光は、図11(B)に示す重複画像SIを形成している。つまり、液晶表示デバイス32の帯域SAからの画像光は、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第1投射像IM1と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL11,GL12によって形成される第2投射像IM2となって、虚像表示領域AI上で重畳していることになる。導光部材21の加工が精密で、投射光学系12によって正確にコリメートされた光束が形成されているならば、重複画像SIについて、2つの投射像IM1,IM2の重畳によるズレや滲みを防止することができる。
【0068】
以上では、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出された画像光GL11,GL12の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計3回で、液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出された画像光GL21,GL22の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計5回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材21の外形(すなわち厚みt、距離D、鋭角α,β)の調整によって、画像光GL11,GL12の全反射回数を計5回とし、画像光GL21,GL22の全反射回数を計7回とすることもできる。また、以上では、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ISと光射出面OSとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材21を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が偶数となる。
【0069】
なお、第1及び第2反射面21a,21bでの全反射は、ハードコート層CCの屈折率の設定によっており、ハードコート層CCの表面側で生じさせることもハードコート層CCの内側で生じさせることもできる。ハードコート層CCの表面側で全反射を生じさせる場合、上述した液垂れを防ぐことが特に重要となる。
【0070】
以上のように、本実施形態では、導光装置20が、逃げ溝である溝CT1,CT2,CT3によって構成される液溜り防止構造や、導光部材21と光透過部材23との境界に設けられる段差部BUによって構成される液垂れ防止構造を、流動制御構造として有している。これにより、ハードコート層の成膜において、原料となるコート液の流動を適切に制御して、導光装置20の意図しない箇所にコート液CLによる液溜りや液垂れが発生することを防げる。従って、虚像表示装置100を構成する各光学部品の組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置20での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0071】
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、第1の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0072】
図12(A)〜12(C)に示す虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光装置420とを一組として備える。導光装置420は、導光部材21と、角度変換部423と、支持部材429とを備える。なお、図12(A)は、図12(B)に示す導光装置420のA−A断面に対応する。
【0073】
導光部材21の全体的な外観は、図中XY面に平行に延びる平板である本体部分21sによって形成されている。また、導光部材21は、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第1接合面21jとを有する。また、導光部材21は、第1、第2及び第3反射面21a,21b,21cに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。さらに、導光部材21は、長手方向の一端において本体部分21sを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する第3反射面21cを有し、長手方向の他端において多数のミラーによって構成される角度変換部423につながる構造となっている。
【0074】
本体部分21sは、光透過性の樹脂材料等により形成され、XY面に平行で画像形成装置10に対向する裏側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射面ISを有している。本体部分21sは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層25が形成されている。ここで、ミラー層25は、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜した状態で配置される第3反射面21cとして機能する。この第3反射面21cは、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光を、全体として−Z方向に偏った−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分21s内に確実に結合させる。
【0075】
導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bは、平板状の本体部分21sの主面であり互いに対向しXY面に対して平行に延びる2平面として、プリズム部PSで折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第3反射面21cで反射された画像光は、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光部材21の奥側即ち角度変換部423を設けた−X側に導かれる。
【0076】
図12(C)に示すように、導光部材21において、第3反射面21cと後述する光入射面ISとは、光入射部B1として機能する。また、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bに挟まれた本体部分21sと、後述する角度変換部423とは、導光部B2として機能する。なお、角度変換部423は、光射出部B3として機能する。
【0077】
角度変換部423は、導光部材21の奥側(−X側)において、第1及び第2反射面21a,21bの延長平面に沿って形成されている。ここで、本体部分21sの奥側端部は、角度変換部423の一部となっている。角度変換部423は、第1及び第2反射面21a,21bに対して傾斜し互いに平行に等間隔で配列される多数のハーフミラー層28を有する。角度変換部423は、導光部材421の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OSを介して観察者の眼EY側へ折り曲げる。つまり、角度変換部423は、画像光の角度を変換している。
【0078】
光透過部材23sは、角度変換部423を奥側(−X側)に延長した部分であり、導光部材421の本体部分21sと同様に平板状の部材である。
【0079】
以上において、角度変換部423の全部又は入口側の一部は、導光部材21と組み合わせることで導光部B2の一部としても機能している。また、角度変換部423の全部又は奥側の一部は、光透過部材23sと組み合わせることで透視部として機能している。
【0080】
支持部材429は、図12(B)に示すように、導光部材21を支持するために角度変換部423及び光透過部材23sの奥側(−X側)に位置する支持フレーム(不図示)の一部であり、X方向に延びる上側支持部材24bと下側支持部材24cとをそれぞれ有し、導光部材21及び角度変換部423を挟むようにして固定している。さらに、支持部材429は、上側支持部材24bの先端部に設けた第1連結部24eと下側支持部材24cの先端部に設けた第2連結部24fとを有している。連結部24e,24fには、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSが設けられている。また、支持部材529と導光部材521との境界には、液垂れ防止構造DSが設けられている。
【0081】
画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材21に入射した画像光は、第3反射面21cで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bにおいて繰り返し全反射されて光軸AXに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部423において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に角度変換部423に付随する光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼EYに入射する。
【0082】
以下、導光装置420中の画像光の光路について説明する。なお、第2実施形態における導光装置420は、縦の第1方向D1(Y方向)に関して、図1(A)の導光装置20と同様に機能する。一方、導光装置420は、横の第2方向D2(X方向)に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、2つの伝搬モードの画像光を導光させる図2(A)の導光装置20と異なっている。
【0083】
図12(A)に示すように、画像表示装置11の液晶表示デバイス(画像光形成部)32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL41とし、射出面32aの紙面右側(+X側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL42とし、射出面32aの紙面左側(−X側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL43とする。
【0084】
投射光学系12を経た各画像光GL41,GL42,GL43の主要成分は、導光部材21の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2反射面21a,21bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL41,GL42,GL43のうち、液晶表示デバイス(画像光形成部)32の射出面32aの中央部分から射出された画像光GL41は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、標準反射角γ0で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される。その後、画像光GL41は、標準反射角γ0を保った状態で、第1及び第2反射面21a,21bで全反射を繰り返す。画像光GL41は、第1及び第2反射面21a,21bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、角度変換部423の中央部23kに達する。この中央部23kで反射された画像光GL41は、光射出面OSから当該光射出面OS又はXY面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。
【0085】
液晶表示デバイス32の射出面32aの一端側(+X側)から射出された画像光GL42は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最大反射角γ+で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL42は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部423のうち最も入口側(+X側)の周辺部23mに達する。この周辺部23mで反射された画像光GL42は、入口の第3反射面21c側から離れるように+X軸に対して鈍角をなし、光軸AXに対して角度θ12(導光装置420内ではθ12')だけ傾斜した方向に射出される(図13参照)。
【0086】
液晶表示デバイス32の射出面32aの他端側(−X側)から射出された画像光GL43は、投射光学系12の通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最小反射角γ−で導光部材21の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL43は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部423のうち最も奥側(−X側)の周辺部23hに入射する。この周辺部23hで反射された画像光GL43は、第3反射面21c側に戻されるように+X軸に対して鋭角をなし、光軸AXに対して角度θ13(導光装置420内ではθ13')だけ傾斜した方向に射出される(図13参照)。
【0087】
図14に示すように、角度変換部423は、複数のプリズム424を所定のピッチでX方向に多数配列した構造を有する。各プリズム424は、光射出側に第1接合面424jを有し、光入射側に第2接合面424cを有する。本体部分21sの第1接合面21j上又は各プリズム424の第1接合面424j上には、局所的な部分領域上に半透過反射膜であるハーフミラー層28が形成されている。
【0088】
第2実施形態の虚像表示装置100においても、図12(B)に示すように、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを有している。これにより、ハードコート層の成膜に際してコート液の流動を適切に制御して、各光学部品の組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置420での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0089】
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、第1の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0090】
図15(A)〜15(C)に示す虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光装置520とを一組として備える。導光装置520は、導光部材21と、角度変換部523と、支持部材529とを有している。導光部材521は、本体部分21sと、画像取出部である角度変換部523とを備える。なお、図15(A)は、図15(B)に示す導光部材521のA−A断面に対応する。
【0091】
導光部材521の全体的な外観は、図中XY面に平行に延びる平板である本体部分21sによって形成されている。また、導光部材521は、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cとを有する。また、導光部材521は、第1、第2及び第3反射面21a,21b,21cに隣接するとともに互いに対向する上面21eと下面21fとを有する。さらに、導光部材521は、長手方向の一端において本体部分21sを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する第3反射面21cを有し、長手方向の他端において本体部分21sに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部523を有する構造となっている。導光部材521は、一体的な部品であるが、第1実施形態の場合と同様に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができ(図15(C)参照)、このうち光入射部B1は、第3反射面21cと後述する光入射面ISとを有する部分であり、光入射部B1は、第1及び第2反射面21a,21bを有する部分であり、導光部B2は、角度変換部523と後述する光射出面OSとを有する部分である。
【0092】
本体部分21sは、光透過性の樹脂材料等により形成され、XY面に平行で画像形成装置10に対向する裏側又は観察者側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射面ISと、画像光を観察者の眼EYに向けて射出させる光射出面OSとを有している。本体部分21sは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層25が形成されている。ここで、ミラー層25は、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部である第3反射面21cとして機能する。この第3反射面21cは、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光を、全体として−Z方向に偏った−XZ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分21s内に確実に結合させる。また、本体部分21sにおいて、光射出面OSの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部523が形成されている。本体部分21sは、入口側の第3反射面21cから奥側の角度変換部523にかけて延在し、プリズム部PSを介して内部に入射させた画像光を角度変換部523に導く。
【0093】
導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bは、平板状の本体部分21sの主面であり互いに対向しXY面に対して平行に延びる2平面として、プリズム部PS又は光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第3反射面21cで反射された画像光は、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置520の奥側即ち角度変換部523を設けた−X側に導かれる。
【0094】
本体部分21sの光射出面OSに対向して配置される角度変換部523は、導光部材521の奥側(−X側)において、第2反射面21bの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部523は、導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。つまり、角度変換部523は、画像光の角度を変換している。
【0095】
支持部材529は、図15(B)に示すように、導光部材21を支持するために角度変換部523の奥側(−X側)に位置する支持フレーム(不図示)の一部であり、X方向に延びる上側支持部材24bと下側支持部材24cとをそれぞれ有し、導光部材521及び角度変換部523を挟むようにして固定している。さらに、支持部材529は、上側支持部材24bの先端部に設けた第1連結部24eと下側支持部材24cの先端部に設けた第2連結部24fとを有している。連結部24e,24fには、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSが設けられている。また、支持部材529と導光部材521との境界等には、液垂れ防止構造DSが設けられている。
【0096】
画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材521に入射した画像光は、第3反射面21cで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bにおいて繰り返し全反射されて光軸AXに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部523において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
【0097】
以下、導光装置520中の画像光の光路について説明する。なお、第3実施形態における導光装置520は、縦の第1方向D1(Y方向)に関して、図1(A)の導光装置20と同様に機能する。一方、導光装置520は、横の第2方向D2(X方向)に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、2つの伝搬モードの画像光を導光させる図2(A)の導光装置20と異なっている。
【0098】
図15(A)に示すように、画像表示装置11の液晶表示デバイス(画像光形成部)32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL51とし、射出面32aの紙面右側(+X側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL52とし、射出面32aの紙面左側(−X側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL53とする。
【0099】
投射光学系12を経た各画像光GL51,GL52,GL53の主要成分は、導光部材521の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2反射面21a,21bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL51,GL52,GL53のうち、液晶表示デバイス(画像光形成部)32の射出面32aの中央部分から射出された画像光GL51は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、標準反射角γ0で導光部材521の第1反射面21aに入射し、全反射される。その後、画像光GL51は、標準反射角γ0を保った状態で、第1及び第2反射面21a,21bで全反射を繰り返す。画像光GL51は、第1及び第2反射面21a,21bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、角度変換部523の中央部23kに達する。この中央部23kで反射された画像光GL51は、光射出面OSから当該光射出面OS又はXY面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。
【0100】
液晶表示デバイス32の射出面32aの一端側(+X側)から射出された画像光GL52は、投射光学系12を通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最小反射角γ+で導光部材521の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL52は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部523のうち最も奥側(−X側)の周辺部23hに達する。この周辺部23hで反射された画像光GL52は、入口の第3反射面21c側に戻されるように+X軸に対して鋭角をなし、光軸AXに対して角度θ12(導光装置520内ではθ12')だけ傾斜した方向に射出される(図16参照)。
【0101】
液晶表示デバイス32の射出面32aの他端側(−X側)から射出された画像光GL53は、投射光学系12の通過後に平行光束として光入射面ISに入射し第3反射面21cで反射された後、最小反射角γ−で導光部材521の第1反射面21aに入射し、全反射される。画像光GL53は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部523のうち最も入口側(+X側)の周辺部23mに入射する。この周辺部23mで反射された画像光GL53は、第3反射面21c側から離れるように+X軸に対して鈍角をなし、光軸AXに対して角度θ13(導光装置520内ではθ13')だけ傾斜した方向に射出される(図16参照)。
【0102】
なお、図16に示すように、角度変換部523は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット2cで構成される。つまり、角度変換部523は、Y方向に延びる細長い反射ユニット2cを所定のピッチPTで角度変換部523の延びる主導光方向すなわち−X方向に沿って多数配列させることで構成されている。各反射ユニット2cは、奥側即ち光路下流側に配置される1つの反射面部分である第1の反射面2aと、入口側即ち光路上流側に配置される他の1つの反射面部分である第2の反射面2bとを1組のものとして有し、両反射面2a,2bは、一定の楔角δをなしている。これらのうち、少なくとも第2の反射面2bは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。当該反射ユニット2cにおいて、画像光GL52,53は、最初に奥側即ち−X側の第1の反射面2aで反射され、次に、入口側即ち+X側の第2の反射面2bで反射される。当該反射ユニット2cを経た画像光GL52,53は、他の反射ユニット2cを経ることなく、角度変換部523での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【0103】
図17に示すように、角度変換部523は、導光部材521から延びる比較的厚い板状の接合部材521nと、光透過部材23sから延びる比較的薄い板状の接合部材523nとを接合した構造を有する。接合部材521nは、表側又は外界側に第1接合面21jを有し、接合部材523nは、裏側又は観察者側に第2接合面23cを有する。接合部材521nの第1接合面21j上には、局所的な部分領域上に半透過反射膜であるハーフミラー層28が形成されている。
【0104】
第3実施形態の虚像表示装置100においても、図15(B)に示すように、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを有している。これにより、ハードコート層の成膜に際してコート液の流動を適切に制御して、各光学部品の組付けの精度を悪化させず、かつ、導光装置520での導光の性能を良好な状態に維持できる。
【0105】
〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0106】
例えば、図5(C)に示す基材PAの引上げにおいて、流動制御構造の流路に対応して基材PAを傾けたり振ったりしつつ引き上げるものとすることができる。具体的には、例えば図6(A)等に示す溝CT1等における流路すなわち溝CT1等の延びる方向が重力下方となるように、基材PAを傾けながら引き上げることで、より効率的に余剰のコート液を除去することができる。
【0107】
上記実施形態では、流動制御構造FSとして、液溜り防止構造CSと液垂れ防止構造DSとの双方を有するものとしているが、いずれか一方のみを有する構成とすることもできる。また、例えば図2(B)において、液垂れ防止構造DSは、X方向とY方向との双方に設けられているが、例えばX方向にのみ液垂れ防止構造DSが形成されるものとしてもよい。
【0108】
上記実施形態では、導光装置20のうち光透過部材23に設けた溝CT1等によって液溜り防止構造を構成するものとしているが、例えば穴H1やこれに対応する溝CT1等を導光部材21側に設けることで、導光部材21が溜り防止構造を有するものとすることも可能である。また、上記実施形態では、導光装置20のうち導光部材21と光透過部材23とが協働して形成した段差部BUによって液垂れ防止構造を構成しているが、例えば導光部材21が単独で段差部BUすなわち液垂れ防止構造を有するものとすることも可能である。
【0109】
上記実施形態では、液溜り防止構造CSを設ける対象である立体的形状として位置決め用の穴H1,等を示しているが、対象となる立体的形状は、これに限らず、導光装置20に設けられる種々の凹凸構造であってもよい。また、穴H1等に設けられる溝CT1等についても、導光装置20に設けられる凹凸構造において、コート液CLの流動を促すことができるものであれば、種々の形状・構造のものが考えられ、液溜り防止構造CSすなわち流動制御構造FSとして機能させることができる。例えば、穴H2の溝CT2は、穴H2に示す凹形状の穴のほか、長穴状、鍵穴形状等、貫通穴途中から延びる溝、言い換えると、これらの凹形状の穴の一部を切り欠いて形成される切り欠き部とすることもできる。また、逃げ溝や段差部を設けることで、液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを構成しているが、逃げ溝や段差部に限らず、立体的形状の周辺の縁を切欠いて形成したテーパ形状や凸部形状等によっても液溜り防止構造CSや液垂れ防止構造DSを構成できる。
【0110】
上記実施形態では、ハードコート層CCは、ディップ処理によって成膜されるものとしているが、所定の膜厚で成膜できるものであれば、成膜方法については、ディップ処理に限らず、通常のコート方式やスプレー方式、ロールコート方式、湿式・乾式のコート方式等も適用可能である。
【0111】
上記の説明では、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とを備える導光装置20を用いたが、光入射部B1や光射出部B3において、平面ミラーを用いる必要はなく、球面又は非球面の曲面ミラーによってレンズ的な機能を持たせることもできる。さらに、図18に示すように、光入射部B1として、導光部B2から分離したプリズム又はブロック状のリレー部材1125を用いることができ、このリレー部材1125の入射出射面や反射内面にレンズ的な機能を持たせることもできる。なお、導光部B2を構成する導光体26には、画像光GLを反射によって伝搬させる第1及び第2の面である第1及び第2反射面21a,21bが設けられているが、これらの反射面21a,21bは、互いに平行である必要はなく、曲面とすることもできる。なお、ここでは、曲面についても略沿って延びる面については、互いに対向して延びる面として取り扱うものとする。
【0112】
上記実施形態では、照明装置31からの照明光SLに特に指向性を持たせていないが、照明光SLに液晶表示デバイス32の位置に応じた指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス32を効率的に照明することができ、画像光GLの位置による輝度ムラを低減できる。
【0113】
上記実施形態では、液晶表示デバイス32の表示輝度を特に調整していないが、図11(B)等に示すような投射像IM1,IM2の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。
【0114】
上記実施形態では、画像表示装置11として、透過型の液晶表示デバイス32等を用いているが、画像表示装置11としては、透過型の液晶表示デバイス32に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス32に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置11として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
【0115】
上記実施形態の虚像表示装置100では、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置10及び導光装置20設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置10と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【0116】
上記実施形態では、光入射面ISを通る第1光軸AX1と光入射面ISを通る第2光軸AX2とが平行であるとしたが、これらの光軸AX1,AX2を非平行とすることもできる。
【0117】
上記の説明では、虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。
【0118】
上記の説明では、第1及び第2反射面21a,21bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第1及び第2反射面21a,21b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、第1及び第2反射面21a,21bの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第1及び第2反射面21a,21bの全体又は一部がコートされていてもよい。
【0119】
上記の説明では、導光部材21が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、導光部材21は、縦方向に延びるものとできる。この場合、光学パネル110は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。
【符号の説明】
【0120】
10…画像形成装置、 11…画像表示装置、 12…投射光学系、 20…導光装置、 21s,23s…本体部分、 21…導光部材、 21a,21b…反射面(全反射面、導光面)、 21c,21d…反射面(導光面)、 21e…上面、 21f…下面、 21h…端面、 23…光透過部材、 23a,23b,23c…面、 25…ミラー層、 28…ハーフミラー層(半透過反射膜)、 31…照明装置、 32…液晶表示デバイス、 32b…表示領域、 34…駆動制御部、 100…虚像表示装置、 100A,100B…表示装置、 110…光学パネル、 121…フレーム、 131,132…駆動部、 AX1…第1光軸、 AX2…第2光軸、 B1…光入射部、 B2…導光部、 B3…光射出部、 B4…透視部、 EY…眼、 FF…平坦面、 GL…画像光、 GL'…外界光、 GL11,GL12,GL21,GL22…画像光、 IM1,IM2…投射像、 IS…光入射面、 L1,L2,L3…レンズ、 OS…光射出面、 P1…表示点、 P2…表示点、 SL…照明光、 CC…ハードコート層、 CL…コート液、 CT1,CT2,CT3…溝(逃げ溝)、 H1,H2,H3…穴(位置決め部)、 PA…基材、 PB,PC…基材部分、 BU…段差部、 CS…液溜り防止構造、 DS…液垂れ防止構造、 FS…流動制御構造
【特許請求の範囲】
【請求項1】
画像光を形成する画像表示装置と、
前記画像表示装置から射出された前記画像光による虚像を形成する投射光学系と、
前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置と、
を備え、
前記導光装置は、コート液を塗布して硬化させることで形成され、前記画像光の導光に寄与する前記導光部の表面に設けられるハードコート層と、塗布された前記コート液の流動を制御する流動制御構造と、を有する、虚像表示装置。
【請求項2】
前記流動制御構造は、立体的形状の周辺に前記コート液の逃げ溝を有して前記コート液の液溜りを防止する液溜り防止構造である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記導光装置は、前記投射光学系を含む他の部材との相対的な位置決めを行う位置決め部を有し、
前記液溜り防止構造は、前記位置決め部の周辺に前記逃げ溝を設けることで形成される、請求項2に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記液溜り防止構造は、前記導光部を支持する支持部材の先端側の連結部に凹形状の前記立体的形状を有し、
前記逃げ溝は、前記凹形状の一部を切り欠いて形成される切り欠き部である、請求項2及び請求項3のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記流動制御構造は、前記導光面を前記導光面の周辺部よりせり出した段差部を有して前記導光面側への前記コート液の液垂れを防止する液垂れ防止構造である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記導光装置は、前記光入射部、前記導光部及び前記光射出部を含む導光部材と、前記光射出部に接合することによって外界光を観察する透視部を構成するとともに前記導光部材を支持する光透過部材とを有し、
前記液垂れ防止構造は、前記導光部材と前記光透過部材との境界において前記段差部を設けることで形成される、請求項5に記載の虚像表示装置。
【請求項7】
前記ハードコート層は、前記コート液をディップ処理によって塗布することで形成される、請求項1から6までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記導光装置において、前記流動制御構造は、前記導光装置の前記導光面及び前記導光装置のうち外部に露出する外観部を回避するように前記コート液の流路を設定している、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項9】
前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする前記第1の面と前記第2の面とを有し、
前記光入射部は、前記第1の面に対して所定の角度をなす第3の面を有し、
前記光射出部は、前記第1の面に対して所定の角度をなす第4の面を有する、請求項1から8までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項10】
画像光を形成する画像表示装置と、前記画像表示装置から射出された前記画像光による虚像を形成する投射光学系と、前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と前記光入射部から取り込まれた前記画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と前記画像光の導光に寄与する前記導光部の表面に設けられるハードコート層と前記ハードコート層の成膜のために塗布されるコート液の流動を制御する流動制御構造とを有する導光装置と、を備える虚像表示装置の製造方法であって、
前記コート液の流動を制御するための流動制御構造を準備する第1の工程と、
前記第1の工程において準備された前記流動制御構造により前記コート液の流動を制御しながら前記コート液を塗布し硬化させることで前記ハードコート層を成膜する第2の工程と、
を有する虚像表示装置の製造方法。
【請求項11】
前記第2の工程において、前記コート液をディップ処理によって塗布するディップ処理工程を含む、請求項10に記載の虚像表示装置。
【請求項12】
前記ディップ処理工程において、前記コート液の槽につけた前記導光装置となるべき基材を、前記流動制御構造による前記コート液の流路が傾くように引き上げる引上工程を含む、請求項11に記載の虚像表示装置。
【請求項1】
画像光を形成する画像表示装置と、
前記画像表示装置から射出された前記画像光による虚像を形成する投射光学系と、
前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置と、
を備え、
前記導光装置は、コート液を塗布して硬化させることで形成され、前記画像光の導光に寄与する前記導光部の表面に設けられるハードコート層と、塗布された前記コート液の流動を制御する流動制御構造と、を有する、虚像表示装置。
【請求項2】
前記流動制御構造は、立体的形状の周辺に前記コート液の逃げ溝を有して前記コート液の液溜りを防止する液溜り防止構造である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記導光装置は、前記投射光学系を含む他の部材との相対的な位置決めを行う位置決め部を有し、
前記液溜り防止構造は、前記位置決め部の周辺に前記逃げ溝を設けることで形成される、請求項2に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記液溜り防止構造は、前記導光部を支持する支持部材の先端側の連結部に凹形状の前記立体的形状を有し、
前記逃げ溝は、前記凹形状の一部を切り欠いて形成される切り欠き部である、請求項2及び請求項3のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記流動制御構造は、前記導光面を前記導光面の周辺部よりせり出した段差部を有して前記導光面側への前記コート液の液垂れを防止する液垂れ防止構造である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記導光装置は、前記光入射部、前記導光部及び前記光射出部を含む導光部材と、前記光射出部に接合することによって外界光を観察する透視部を構成するとともに前記導光部材を支持する光透過部材とを有し、
前記液垂れ防止構造は、前記導光部材と前記光透過部材との境界において前記段差部を設けることで形成される、請求項5に記載の虚像表示装置。
【請求項7】
前記ハードコート層は、前記コート液をディップ処理によって塗布することで形成される、請求項1から6までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記導光装置において、前記流動制御構造は、前記導光装置の前記導光面及び前記導光装置のうち外部に露出する外観部を回避するように前記コート液の流路を設定している、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項9】
前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする前記第1の面と前記第2の面とを有し、
前記光入射部は、前記第1の面に対して所定の角度をなす第3の面を有し、
前記光射出部は、前記第1の面に対して所定の角度をなす第4の面を有する、請求項1から8までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項10】
画像光を形成する画像表示装置と、前記画像表示装置から射出された前記画像光による虚像を形成する投射光学系と、前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と前記光入射部から取り込まれた前記画像光を対向する第1及び第2の面での全反射により導く導光部と前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と前記画像光の導光に寄与する前記導光部の表面に設けられるハードコート層と前記ハードコート層の成膜のために塗布されるコート液の流動を制御する流動制御構造とを有する導光装置と、を備える虚像表示装置の製造方法であって、
前記コート液の流動を制御するための流動制御構造を準備する第1の工程と、
前記第1の工程において準備された前記流動制御構造により前記コート液の流動を制御しながら前記コート液を塗布し硬化させることで前記ハードコート層を成膜する第2の工程と、
を有する虚像表示装置の製造方法。
【請求項11】
前記第2の工程において、前記コート液をディップ処理によって塗布するディップ処理工程を含む、請求項10に記載の虚像表示装置。
【請求項12】
前記ディップ処理工程において、前記コート液の槽につけた前記導光装置となるべき基材を、前記流動制御構造による前記コート液の流路が傾くように引き上げる引上工程を含む、請求項11に記載の虚像表示装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2013−73187(P2013−73187A)
【公開日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−214095(P2011−214095)
【出願日】平成23年9月29日(2011.9.29)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年9月29日(2011.9.29)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
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