虚像表示装置
【課題】簡易な構成で虚像の表示サイズを大きくすることができ、良好なシースルー観察を可能にする虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】支持フレーム１２３が導光部材２１と組み合わせることによって透視部Ｂ４を構成する光透過部２３ｋを有するので、画像光の観察のための導光部材２１を支持フレーム１２３に組み付けることで、透視部Ｂ４によるシースルーによる外界の観察が可能になる。また、支持フレーム１２３に光透過部２３ｈを設けることで、導光部材２１を軽量化しつつ支持フレーム１２３の強度を高めることができる。
【解決手段】支持フレーム１２３が導光部材２１と組み合わせることによって透視部Ｂ４を構成する光透過部２３ｋを有するので、画像光の観察のための導光部材２１を支持フレーム１２３に組み付けることで、透視部Ｂ４によるシースルーによる外界の観察が可能になる。また、支持フレーム１２３に光透過部２３ｈを設けることで、導光部材２１を軽量化しつつ支持フレーム１２３の強度を高めることができる。
【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、２参照）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１等に記載の装置では、瞳サイズよりも射出開口の小さい導光光学系を用いる瞳分割方式によってシースルーを実現しているため、虚像の表示サイズを大きくすることが困難である。また、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いるため、人間の個々の眼幅に対応するために有効瞳径（虚像の取り込みを可能にする採光径であり、アイリング径とも呼ぶ）を大きくすることが困難である。また、物理的に瞳付近に導光光学系の射出開口や筐体が配置されるため、死角が生じてしまい完全なシースルーとはいえなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で虚像の表示サイズを大きくすることができ、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察を可能にする虚像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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）導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にする導光部材と、（ｂ）導光部材を支持する支持フレームとを備え、（ｃ）支持フレームが、導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部を有する。
【０００８】
上記虚像表示装置では、支持フレームが導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部を有するので、画像光の観察のための導光部材を支持フレームに組み付けることで、透視部によるシースルーによる外界の観察が可能になる。また、支持フレームに光透過部を設けることで、導光部材を軽量化しつつ支持フレームの強度を高めることができる。なお、導光部材の光射出部側において画像光に重ねて外界光のシースルー観察を可能にすることで、虚像の表示サイズを大きくすることができる。また、光射出部を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、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第１反射面と第２反射面とを有し、光入射部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、光射出部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有し、第４反射面に、ハーフミラーが施されており、光透過部が、導光部材に接合される楔状の部材を有する。この虚像表示装置では、光入射部の第３反射面で反射された画像光が導光部の第１及び第２反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の第４反射面で反射されて虚像として観察者の眼に入射する。この場合、導光部材を多面体ブロック状の外形を有するものとして形成可能になり、導光部材の高精度で観察可能になる。また、第４反射面のハーフミラー越しのシースルー観察を光透過部によって歪みの少ないものとできる。
【００１０】
本発明の別の側面では、光透過部が、ハーフミラーを介して第４反射面に接着される光透過面を有する。この場合、光透過部の加工精度を導光部材に比較して低く設定することができ、光透過部の光透過面を導光部材の第４反射面に接着することで不要光の発生を低減できる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、光透過部が、第１反射面と第２反射面とに対してそれぞれ平行に配置される第１面と第２面とを有する。これにより、透視部によるシースルー観察が平坦性の高いものとなる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、支持フレームが、導光部材を位置決めする位置決め部材を有する。これにより、支持フレームに対する導光部材の正確な設置が可能になり、支持フレームを装着する観察者に対して画像光による精密な虚像の形成が可能になる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、導光部材が、第１反射面と第４反射面との間に端面を有し、支持フレームが、位置決め部材として、第１面と光透過面との間に形成されて端面に対向する係止面を有する。これにより、第１及び第２反射面に対して傾斜して配置される第４反射面と光透過面とを比較的精密に位置決めすることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、導光部材が、第１、第２、第３、及び第４反射面を側面とし、第１、第２、第３、及び第４反射面にそれぞれ隣接する上面と下面とを有し、支持フレームは、導光部材を上面側と下面側とから挟むように保持する。これにより、導光部材の支持が安定し導光部材の取り付け精度をさらに高めることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、導光部材の第１反射面が、光透過部の第１面と同一の平面上に位置決めされて配置される。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、導光部材の第２反射面は、光透過部の第２面と同一の平面上に位置決めされて配置される。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、画像光を形成する画像表示装置と、画像表示装置から射出された画像光を入射させる投射光学系とを備え、画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の導光部における反射回数とは、互いに異なる。この場合、反射回数の異なる画像光を利用することで、光射出部から射出される画像光の射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置における異なる表示領域又は部分領域からの画像光を比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、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。このように反射回数が異なる画像光を取り出す構造とすることにより、導光部をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部を大きくすることができるので、良好なシースルー観察が可能になる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、閉じ込め方向が、投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である。上記閉じ込め方向に関して異なる位置からの画像光は、射出角度すなわち光入射部への入射角度を互いに異なるものとすることで、導光部における反射回数を異なるものとできる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と支持フレームとが、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される。この場合、射出成型技術を利用して導光部材や支持フレームを高精度で量産することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と支持フレームとが、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される。この場合、樹脂によって軽量化や安全性を高めることができ、熱硬化によって安定した高精度の成型が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図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部分断面図であり、（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）は導光部材の右側面図である。
【図４】（Ａ）は支持フレームの裏面図であり、（Ｂ）は支持フレームのＢＢ断面図であり、（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５】第１表示装置の本体部分を説明する斜視図である。
【図６】（Ａ）は、導光部材の光入射部における第３反射面の構造を説明する図であり、（Ｂ）は、導光部材の導光部における第１、２反射面の構造を説明する図であり、（Ｃ）は、導光部材の光射出部における第４反射面の構造を説明する図である。
【図７】（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８】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９】（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１０】（Ａ）は、変形例における画像光の導光状態を説明する図であり、（Ｂ）は、変形例における液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。
【図１１】導光部材に稜を除去するような端面を設けている理由を説明する図である。
【図１２】導光部材に設けるハーフミラー層を端面から離している理由を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
【００２３】
〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す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を支持する支持部１２１と、支持部１２１のヨロイから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。なお、第１駆動部１３１と第２駆動部１３２とは、遮光用及び保護用のケース１４１に個別に収納されている。
【００２４】
〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２（Ａ）等に示すように、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。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。
【００２５】
図２（Ａ）等に示す第１表示装置１００Ａにおいて、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。画像形成装置１０については、図１におけるケース１４１を除いた本体部分を図示している。なお、図２（Ａ）において導光装置２０の部分は、図２（Ｂ）のＡＡ矢視断面図となっている。
【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】
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、駆動制御部３４等を動作させる電源は、軽量化のため画像形成装置１０の外部に設けること、すなわち外付けとすることができる。また、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。投射光学系１２は、図２（Ａ）では鏡筒１２ａのみを示すが、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。
【００２８】
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。言い換えれば、第１方向Ｄ１は、後述する導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線ＣＬに平行な方向であり、第２方向Ｄ２は、上記第１反射面２１ａの平面と平行であり、上記第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線ＣＬに垂直な方向となっている。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。
なお、液晶表示デバイス３２の有効サイズは、第１方向Ｄ１よりも第２方向Ｄ２に長い横長となっている。一方、投射光学系１２の射出開口幅は、第２方向Ｄ２よりも第１方向Ｄ１に長い縦長となっている。
【００２９】
導光装置２０は、導光部材２１とフレーム部分２３とを備え、導光部材２１は、フレーム部分２３に接合されて、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。
【００３０】
導光装置２０のうち、導光部材２１は、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に相当するものとなり、導光に際して反射によって折り返されない縦方向すなわち自由伝搬方向は、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。
【００３１】
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、フレーム部分２３は、図４（Ａ）〜４（Ｄ）に示すように、正面視においてＨ字状の支持フレーム１２３の半分であり、コ字状又はＵ字状の外観を有する。導光部材２１は、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おり、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とに接合されて固定されている。図５にも示すように、支持フレーム１２３の上側支持部材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、ネジ（不図示）等によって投射光学系１２の鏡筒１２ａに連結されている。
【００３２】
図３（Ａ）〜３（Ｄ）等に示すように、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斜面２１ｅと下斜面２１ｆとを有する。さらに、導光部材２１は、上斜面２１ｅと第１反射面２１ａとの境界に上斜面２１ｅに沿って直線状に延びる第１凸状部２１ｍを有し、下斜面２１ｆと第１反射面２１ａとの境界に下斜面２１ｆに沿って延びる直線状に第２凸状部２１ｎを有する。
【００３３】
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２１ｊが設けられている。また、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの間にも、稜を除去するように端面２１ｉが設けられている。
【００３４】
第１凸状部２１ｍは、導光部材２１を支持フレーム１２３の上側支持部材２４ｂに固定する際のガイド及び支持体となっており、段差面２１ｓと側面２１ｔとが上側支持部材２４ｂの段差面２４ｓと側面２４ｔとに接着剤を介してそれぞれ接合される。第２凸状部２１ｎは、導光部材２１を支持フレーム１２３の下側支持部材２４ｃに固定する際のガイド及び支持体となっており、段差面２１ｓと側面２１ｔとが下側支持部材２４ｃの段差面２４ｓと側面２４ｔとに接着剤を介してそれぞれ接合される。
【００３５】
図２（Ａ）に戻って、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。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であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱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、一体形成品であるが、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。
【００３６】
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、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層２５を有し保護層２６で被覆されている（図６（Ａ）参照）。このミラー層２５は、全反射のコーティングであり、導光部材２１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。
【００３７】
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。ただし、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層２７で被覆されている（図６（Ｂ）参照）。このハードコート層２７は、導光部材２１の平坦面ＦＳ上にＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。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、導光装置２０の奥側即ち光射出部Ｂ３を設けた−Ｘ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。
【００３８】
以上の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂでの全反射は、ハードコート層２７の屈折率の設定によっており、ハードコート層２７の表面ＳＳの内側で生じさせることができるが、平坦面ＦＳの内側で生じさせることもできる。
【００３９】
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表側の平面であり、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、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外に射出させるための矩形の平坦面であり、例えばその一部にハーフミラー層２８を有している（図６（Ｃ）参照）。このハーフミラー層２８は、導光部材２１の第３反射面２１ｃ側の斜面ＲＳ上にＡｇ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。ハーフミラー層２８の反射率は、例えば２０％に設定され、透過率は、例えば８０％に設定される。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、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ＧＬは、フレーム部分２３に入射し、映像の形成には利用されない。
【００４０】
以下、フレーム部分２３の光学的な側面について説明する。フレーム部分２３は、導光部材２１の本体と同一の屈折率を有し、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、ＸＹ面に沿って延びる。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。フレーム部分２３は、導光部材２１と同様に、視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。フレーム部分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であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。
【００４１】
フレーム部分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１及び第２面２３ａ，２３ｂは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層で被覆されている。第３面２３ｃは、矩形の透過面であり、導光部材２１の第４反射面２１ｄと合致するように第１面２３ａに対して例えば１５５°〜１５３°の鈍角で傾斜し、第２面２３ｂに対して例えば２５°〜２７°の鋭角で傾斜している。つまり、第３面２３ｃと第２面２３ｂとの成す角は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとが成す鋭角βと等しいものとなっている。同様に、第３面２３ｃと第１面２３ａとの成す角は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとが成す鋭角εと等しいものとなっている。
【００４２】
フレーム部分２３と導光部材２１とは、両者の接合部分及びその近傍すなわち、観察者の眼前に対向する部位において、透視部Ｂ４を構成している。フレーム部分２３のうち透視部Ｂ４を構成する透明な部分は、良好なシースルー観察を可能にする部分であり、光透過部２３ｋと呼ぶものとする。この光透過部２３ｋのうち、互いに鋭角を成す第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれて−Ｘ方向に広がる楔状の部材２３ｍは、同様に楔状の光射出部Ｂ３と接合されることにより、全体として平板状の透視部Ｂ４におけるＸ方向に関する中央部分を構成する。光透過部２３ｋの第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させる光透過面であるが、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。
【００４３】
〔Ｃ．支持フレームの構造〕
以上で説明したフレーム部分２３は、図４（Ａ）〜４（Ｄ）に示す支持フレーム１２３のうち左眼用の半分である。つまり、支持フレーム１２３は、図３（Ａ）に示す導光部材２１と鏡対称に配置される導光部材を周囲から支持するフレーム部分２３を右眼用の半分として有する。
【００４４】
支持フレーム１２３において、中央部材２４ａは、左右一対の光透過部２３ｋを有している。中央部材２４ａの中央下部には、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。中央部材２４ａの左側に延びるフレーム部分２３は、光透過部２３ｋと、上側支持部材２４ｂと、下側支持部材２４ｃとを有している。これらのうち、上下一対の上側支持部材２４ｂと下側支持部材２４ｃとは、左側の導光部材２１を上下から挟んで光透過部２３ｋを固定している。これらの支持部材２４ｃ，２４ｂと光透過部２３ｋとの協働により、導光部材２１は、光透過部２３ｋに対して、上下のＹ方向に関してだけでなく、左右のＸ方向及び前後のＺ方向に関しても正確に位置決めされて固定される。なお、以上は、中央部材２４ａの左側に延びるフレーム部分２３の説明であったが、中央部材２４ａの右側に延びるフレーム部分２３も、左右を反転させただけで、同様のものとなっている。
【００４５】
支持フレーム１２３の各フレーム部分２３にプリズム状の導光部材２１を固定する際には、支持フレーム１２３の中央部材２４ａに設けた第３面２３ｃに対して導光部材２１の第４反射面２１ｄを接着剤を介して接合する。このような貼り合わせの際、導光部材２１の端面２１ｉを第３面２３ｃと第１面２３ａとの境界に形成された係止面２３ｇに軽く押し付けるように当接させつつ導光部材２１をくり抜き部ＳＰに嵌め込むことで、導光部材２１をフレーム部分２３に対して精密に位置決めできる。つまり、フレーム部分２３の係止面２３ｇは、第１面２３ａに対して垂直でＹＺ面に平行であり、Ｘ方向のアライメント機能を有する。また、フレーム部分２３のうち第３面２３ｃの上下の縁に形成された挟持面２３ｑは、第１面２３ａ等に対して垂直でＸＺ面に平行であり、Ｙ方向のアライメント機能を有する。上下の支持部材２４ｂ，２４ｃの側面２４ｔも、ＸＺ面に平行であり、Ｙ方向について補助的なアライメント機能を有する。さらに、上下の支持部材２４ｂ，２４ｃの段差面２４ｓは、ＸＹ面に平行であり、Ｚ方向の補助的なアライメント機能を有する。つまり、フレーム部分２３のうち、係止面２３ｇ、挟持面２３ｑ、側面２４ｔ、及び段差面２４ｓは、導光部材２１を位置決めするための位置決め部材として機能している。
【００４６】
なお、以上の位置決め部材のうち、フレーム部分２３の係止面２３ｇは、導光部材２１の端面２１ｉと等しいＺ方向の幅を有するので、導光部材２１の端面２１ｉをフレーム部分２３の係止面２３ｇに押し付けつつ、導光部材２１の第４反射面２１ｄとフレーム部分２３の第３面２３ｃとの間に接着剤を挟んで押圧するだけで、導光部材２１のＸ方向の精密な位置決めが可能になるだけでなく、導光部材２１の第１反射面２１ａをフレーム部分２３の第１面２３ａと同一平面上に簡単に配置できるとともに、導光部材２１の第２反射面２１ｂをフレーム部分２３の第２面２３ｂと同一平面上に簡単に配置できる。また、第３面２３ｃと第４反射面２１ｄとの間における接着剤の厚みを薄くでき接着剤の厚み調整も容易であるので、フレーム部分２３と導光部材２１の光射出部Ｂ３との配置関係はＺ方向に関しても極めて精密なものとなる。つまり、フレーム部分２３に対して導光部材２１の光射出部Ｂ３が前後にずれることを防止できる。なお、端面２１ｉは、鏡面とすることもできるが、例えば比較的高い反射率のコート又は粗面を施すこともできる。
【００４７】
各フレーム部分２３に設けた上側支持部材２４ｂは、導光部材２１の取付けに際して導光部材２１の上側の被挟持面２１ｑをＹ方向に関してアライメントする上述の挟持面２３ｑのほか、導光部材２１の上側の第１凸状部２１ｍをＺ方向に関して支持する段差面２４ｓと、Ｙ方向に関して位置決めする側面２４ｔとを有する。導光部材２１の第１凸状部２１ｍは、接着剤によって上側支持部材２４ｂの段差面２４ｓと側面２４ｔとに固定される。なお、導光部材２１の取付けに際しては、導光部材２１の上斜面２１ｅも、接着剤を介して上側支持部材２４ｂに設けた上内面２３ｄに接合される。さらに、導光部材２１の上側の被挟持面２１ｑは、接着剤を介して上側支持部材２４ｂの挟持面２３ｑに接合される。以上のように、上側支持部材２４ｂを利用して導光部材２１をフレーム部分２３に固定することで、ハーフミラー層２８を有する第４反射面２１ｄに過度の負担がかかることを防止できる。
【００４８】
各フレーム部分２３に設けた下側支持部材２４ｃは、導光部材２１の下側の被挟持面２１ｑをＹ方向に関してアライメントする上述の第２挟持面２３ｑのほか、導光部材２１の取付けに際して導光部材２１の下側の第２凸状部２１ｎをＺ方向に関して支持する段差面２４ｓと、Ｙ方向に関して位置決めする側面２４ｔとを有する。導光部材２１の第２凸状部２１ｎは、接着剤によって上側支持部材２４ｂの段差面２４ｓと側面２４ｔとに固定される。なお、導光部材２１の取付けに際しては、導光部材２１の下斜面２１ｆも、接着剤を介して下側支持部材２４ｃに設けた下内面２３ｅに接合される。さらに、導光部材２１の下側の被挟持面２１ｑは、接着剤を介して上側支持部材２４ｂの挟持面２３ｑに接合される。以上のように、下側支持部材２４ｃを利用して導光部材２１をフレーム部分２３に固定することで、ハーフミラー層２８を有する第４反射面２１ｄに過度の負担がかかることを防止できる。
【００４９】
上側支持部材２４ｂの端部と下側支持部材２４ｃの端部とにそれぞれ設けた連結部２４ｅ，２４ｆは、投射光学系１２の鏡筒１２ａをフレーム部分２３に固定するために用いられるだけでなく、図１のケース１４１を取り付けるために利用される。
【００５０】
〔Ｄ．画像光の光路の概要〕
図７（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。
【００５１】
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。
【００５２】
図７（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（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２の光路を説明する図である。第２方向（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２に沿った横断面すなわち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ＧＬｃ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ＧＬｄとする。図７（Ｂ）中には、参考のため、右寄り内側から射出される画像光ＧＬｅと、左寄り内側から射出される画像光ＧＬｆとを追加している。
【００５３】
右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬｃ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ＧＬｄ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。
【００５４】
なお、第２方向Ｄ２の横方向に関しては、導光部材２１中で画像光ＧＬｃ，ＧＬｄ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ＧＬｃ，ＧＬｄが導光部材２１中で不連続に表現されている。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ＧＬｃ，ＧＬｄ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ＧＬｃの射出角度θ１'と左側の画像光ＧＬｄの射出角度θ２'とは異なるものに設定されている。
【００５５】
以上により、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬｃ，ＧＬｄは、無限遠からの虚像となっており、縦の第１方向Ｄ１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。
【００５６】
〔Ｅ．横方向に関する画像光の光路〕
図８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。
【００５７】
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。
【００５８】
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（θ２≒θ１）の傾きで平行光束として射出される。
【００５９】
図８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を重ねて観察可能であることになる。
【００６０】
図９（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９（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９（Ｃ）及び９（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図９（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９（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９（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９（Ｄ）に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【００６１】
図９（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９（Ｂ）に示す重複画像ＩＳ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ＩＳ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。なお、重畳の生じている帯域ＳＡの横幅又は重畳幅は、液晶表示デバイス３２を照明する照明光ＳＬの角度範囲を制御することで調整可能である。本実施形態では、照明光ＳＬの角度範囲を特に調節していないので、バックライト導光部３１ｂ等の発散特性に応じた横幅又は重畳幅の帯域ＳＡが存在することになる。
【００６２】
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。
【００６３】
〔Ｆ．その他〕
図１０（Ａ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の変形例を説明する図である。以上の説明では、導光部材２１を伝播する画像光が第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して２つの反射角γ１，γ２のみで全反射されるとしたが、図１０（Ａ）に示す変形例の導光部材２１のように、３つの成分の画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２，ＧＬ３３が反射角γ１，γ２，γ３（γ１＞γ２＞γ３）でそれぞれ全反射されることを許容することもできる。この場合、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＧＬは、３つのモードで伝搬され、観察者の眼ＥＹの位置において合成されて虚像となる。この場合、図１０（Ｂ）に示すように、有効表示領域Ａ０の左側に例えば計３回全反射による投射像ＩＭ２１が形成され、有効表示領域Ａ０の中央寄りに例えば計５回全反射による投射像ＩＭ２２が形成され、有効表示領域Ａ０の右側に例えば計７回全反射の投射像ＩＭ２３が形成される。
【００６４】
図１１は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような端面２１ｊを設けている理由を説明する拡大図である。導光部材２１の稜１２１ｊに近い位置に入射した画像光ＧＬは、第３反射面２１ｃで反射された後に第１反射面２１ａで反射されるが、第１反射面２１ａでの反射後に第３反射面２１ｃで再度反射されてしまう。このような再反射光ＨＬは、結果的に望まれないゴースト光となるので、予め除去することが望ましい。このため、稜１２１ｊを除去して端面２１ｊを設け、光路に制限を設けている。
【００６５】
図１２は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の第３反射面２１ｃに付随して設けるハーフミラー層２８が端面２１ｉから離れて形成されている理由を説明する拡大図である。このように端面２１ｉから所定距離だけ離してハーフミラー層２８を設けることで、導光部材２１を伝播する正規の画像光ＧＬが第４反射面２１ｄで２度以上反射され不要光ＨＬとして観察者の眼ＥＹに入射すること、或いは３回未満の反射で導光部Ｂ２を通過する画像光等である不要光ＨＬが第４反射面２１ｄで２度以上反射されて観察者の眼ＥＹに入射すること等を防止することができ、ゴースト光が観察者の眼に入射することを防止することが可能となる。
【００６６】
以上説明した実施形態の虚像表示装置１００では、光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬが導光部の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射されつつ伝搬され、光射出部Ｂ３の第４反射面２１ｄで反射されて虚像として観察者の眼ＥＹに入射する。この際、画像表示装置１１の第１表示点Ｐ１を含む第１部分領域Ａ１０から射出される第１画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の導光部における反射回数と、画像表示装置１１の第２表示点Ｐ２を含む第２部分領域Ａ２０から射出される第２画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の導光部Ｂ２における反射回数とが異なるので、光射出部Ｂ３から射出される画像光ＧＬの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置１１における異なる部分領域Ａ１０，Ａ２０からの画像光ＧＬを比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部Ｂ３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。このように、反射回数が異なる画像光ＧＬを取り出す構造とすることにより、導光部Ｂ２をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部Ｂ３を大きくすることができるので、光射出部Ｂ３を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察も可能になる。
【００６７】
また、上記虚像表示装置１００では、支持フレーム１２３が導光部材２１と組み合わせることによって透視部Ｂ４を構成する光透過部２３ｋを有するので、画像光の観察のための導光部材２１を支持フレーム１２３に組み付けることで、透視部Ｂ４によるシースルーによる外界の観察が可能になる。また、支持フレーム１２３に光透過部２３ｋを設けることで、導光部材２１を軽量化しつつ支持フレーム１２３の強度を高めることができる。
【００６８】
以上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。
【００６９】
上記実施形態では、フレーム部分２３において第３面２３ｃと第１面２３ａとの境界の全域に亘って係止面２３ｇを形成しているが、第３面２３ｃと第１面２３ａとの境界の一部に係止面２３ｇを設けて導光部材２１の端面２１ｉと部分的に対向させることによっても位置決めが可能である。
【００７０】
上記実施形態では、導光部材２１において第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの境界の全域に亘って端面２１ｉを形成しているが、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの境界の一部に端面２１ｉを設けてフレーム部分２３の係止面２３ｇと部分的に対向させることによっても位置決めが可能である。
【００７１】
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。
【００７２】
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９（Ｂ）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。
【００７３】
上記実施形態では、第４反射面２１ｄに設けたハーフミラー層２８の反射率を２０％としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層２８の反射率を５０％以上として画像光を優先することもできる。なお、ハーフミラー層２８は、導光部材２１側でなく、フレーム部分２３の第３面２３ｃ上に形成することもできる。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光射出面ＯＳ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。
【００７７】
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。
【００７８】
上記の説明では、導光部材２１の第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。以上のようなコートは、フレーム部分２３の第１及び第２面２３ａ，２３ｂにも同様に適用可能である。
【００７９】
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。つまり、支持フレーム１２３は、一対の導光部材２１を同一平面上に平行に配置するものとなる。
【符号の説明】
【００８０】
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、 ２１…導光部材、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…第１〜第４反射面、 ２１ｅ…上斜面、 ２１ｆ…下斜面、 ２１ｊ，２１ｉ…端面、 ２１ｍ，２１ｎ…凸状部、 ２３…フレーム部分、 ２３ａ，２３ｂ，２３ａ…面、 ２３ｋ…光透過部、 ２３ｇ…係止面、 ２４ａ…中央部材、 ２４ｂ…上側支持部材、 ２４ｃ…下側支持部材、 ２４ｅ，２４ｆ…連結部、 ２５…ミラー層、 ２６…保護層、 ２７…ハードコート層、 ２８…ハーフミラー層、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 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、 １１１，１１２…パネル部分、 １２１…支持部、 １２３…支持フレーム、 １３１，１３２…駆動部、 １４１…ケース、 Ａ０…有効表示領域、 ＡＸ１，ＡＸ２…光軸、 Ｂ１…光入射部、 Ｂ２…導光部、 Ｂ３…光射出部、 Ｂ４…透視部、 ＥＹ…眼、 ＦＳ…平坦面、 ＧＬ…画像光、 ＧＬ'…外界光、 ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２…画像光
【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、２参照）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１等に記載の装置では、瞳サイズよりも射出開口の小さい導光光学系を用いる瞳分割方式によってシースルーを実現しているため、虚像の表示サイズを大きくすることが困難である。また、瞳サイズよりも小さい導光光学系を用いるため、人間の個々の眼幅に対応するために有効瞳径（虚像の取り込みを可能にする採光径であり、アイリング径とも呼ぶ）を大きくすることが困難である。また、物理的に瞳付近に導光光学系の射出開口や筐体が配置されるため、死角が生じてしまい完全なシースルーとはいえなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８７９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２４４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で虚像の表示サイズを大きくすることができ、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察を可能にする虚像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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）導光部と、導光部に画像光を入射させる光入射部と、導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、光射出部を介して画像光の観察を可能にする導光部材と、（ｂ）導光部材を支持する支持フレームとを備え、（ｃ）支持フレームが、導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部を有する。
【０００８】
上記虚像表示装置では、支持フレームが導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部を有するので、画像光の観察のための導光部材を支持フレームに組み付けることで、透視部によるシースルーによる外界の観察が可能になる。また、支持フレームに光透過部を設けることで、導光部材を軽量化しつつ支持フレームの強度を高めることができる。なお、導光部材の光射出部側において画像光に重ねて外界光のシースルー観察を可能にすることで、虚像の表示サイズを大きくすることができる。また、光射出部を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができる。
【０００９】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、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第１反射面と第２反射面とを有し、光入射部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、光射出部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有し、第４反射面に、ハーフミラーが施されており、光透過部が、導光部材に接合される楔状の部材を有する。この虚像表示装置では、光入射部の第３反射面で反射された画像光が導光部の第１及び第２反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の第４反射面で反射されて虚像として観察者の眼に入射する。この場合、導光部材を多面体ブロック状の外形を有するものとして形成可能になり、導光部材の高精度で観察可能になる。また、第４反射面のハーフミラー越しのシースルー観察を光透過部によって歪みの少ないものとできる。
【００１０】
本発明の別の側面では、光透過部が、ハーフミラーを介して第４反射面に接着される光透過面を有する。この場合、光透過部の加工精度を導光部材に比較して低く設定することができ、光透過部の光透過面を導光部材の第４反射面に接着することで不要光の発生を低減できる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、光透過部が、第１反射面と第２反射面とに対してそれぞれ平行に配置される第１面と第２面とを有する。これにより、透視部によるシースルー観察が平坦性の高いものとなる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、支持フレームが、導光部材を位置決めする位置決め部材を有する。これにより、支持フレームに対する導光部材の正確な設置が可能になり、支持フレームを装着する観察者に対して画像光による精密な虚像の形成が可能になる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、導光部材が、第１反射面と第４反射面との間に端面を有し、支持フレームが、位置決め部材として、第１面と光透過面との間に形成されて端面に対向する係止面を有する。これにより、第１及び第２反射面に対して傾斜して配置される第４反射面と光透過面とを比較的精密に位置決めすることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、導光部材が、第１、第２、第３、及び第４反射面を側面とし、第１、第２、第３、及び第４反射面にそれぞれ隣接する上面と下面とを有し、支持フレームは、導光部材を上面側と下面側とから挟むように保持する。これにより、導光部材の支持が安定し導光部材の取り付け精度をさらに高めることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、導光部材の第１反射面が、光透過部の第１面と同一の平面上に位置決めされて配置される。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、導光部材の第２反射面は、光透過部の第２面と同一の平面上に位置決めされて配置される。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、画像光を形成する画像表示装置と、画像表示装置から射出された画像光を入射させる投射光学系とを備え、画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の導光部における反射回数とは、互いに異なる。この場合、反射回数の異なる画像光を利用することで、光射出部から射出される画像光の射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置における異なる表示領域又は部分領域からの画像光を比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、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。このように反射回数が異なる画像光を取り出す構造とすることにより、導光部をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部を大きくすることができるので、良好なシースルー観察が可能になる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、閉じ込め方向が、投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である。上記閉じ込め方向に関して異なる位置からの画像光は、射出角度すなわち光入射部への入射角度を互いに異なるものとすることで、導光部における反射回数を異なるものとできる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と支持フレームとが、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される。この場合、射出成型技術を利用して導光部材や支持フレームを高精度で量産することができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と支持フレームとが、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される。この場合、樹脂によって軽量化や安全性を高めることができ、熱硬化によって安定した高精度の成型が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図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部分断面図であり、（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）は導光部材の右側面図である。
【図４】（Ａ）は支持フレームの裏面図であり、（Ｂ）は支持フレームのＢＢ断面図であり、（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５】第１表示装置の本体部分を説明する斜視図である。
【図６】（Ａ）は、導光部材の光入射部における第３反射面の構造を説明する図であり、（Ｂ）は、導光部材の導光部における第１、２反射面の構造を説明する図であり、（Ｃ）は、導光部材の光射出部における第４反射面の構造を説明する図である。
【図７】（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８】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９】（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１０】（Ａ）は、変形例における画像光の導光状態を説明する図であり、（Ｂ）は、変形例における液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。
【図１１】導光部材に稜を除去するような端面を設けている理由を説明する図である。
【図１２】導光部材に設けるハーフミラー層を端面から離している理由を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
【００２３】
〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す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を支持する支持部１２１と、支持部１２１のヨロイから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。なお、第１駆動部１３１と第２駆動部１３２とは、遮光用及び保護用のケース１４１に個別に収納されている。
【００２４】
〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２（Ａ）等に示すように、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。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。
【００２５】
図２（Ａ）等に示す第１表示装置１００Ａにおいて、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。画像形成装置１０については、図１におけるケース１４１を除いた本体部分を図示している。なお、図２（Ａ）において導光装置２０の部分は、図２（Ｂ）のＡＡ矢視断面図となっている。
【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】
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、駆動制御部３４等を動作させる電源は、軽量化のため画像形成装置１０の外部に設けること、すなわち外付けとすることができる。また、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。投射光学系１２は、図２（Ａ）では鏡筒１２ａのみを示すが、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。
【００２８】
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。言い換えれば、第１方向Ｄ１は、後述する導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線ＣＬに平行な方向であり、第２方向Ｄ２は、上記第１反射面２１ａの平面と平行であり、上記第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの交線ＣＬに垂直な方向となっている。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。
なお、液晶表示デバイス３２の有効サイズは、第１方向Ｄ１よりも第２方向Ｄ２に長い横長となっている。一方、投射光学系１２の射出開口幅は、第２方向Ｄ２よりも第１方向Ｄ１に長い縦長となっている。
【００２９】
導光装置２０は、導光部材２１とフレーム部分２３とを備え、導光部材２１は、フレーム部分２３に接合されて、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。
【００３０】
導光装置２０のうち、導光部材２１は、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に相当するものとなり、導光に際して反射によって折り返されない縦方向すなわち自由伝搬方向は、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。
【００３１】
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、フレーム部分２３は、図４（Ａ）〜４（Ｄ）に示すように、正面視においてＨ字状の支持フレーム１２３の半分であり、コ字状又はＵ字状の外観を有する。導光部材２１は、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おり、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とに接合されて固定されている。図５にも示すように、支持フレーム１２３の上側支持部材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、ネジ（不図示）等によって投射光学系１２の鏡筒１２ａに連結されている。
【００３２】
図３（Ａ）〜３（Ｄ）等に示すように、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斜面２１ｅと下斜面２１ｆとを有する。さらに、導光部材２１は、上斜面２１ｅと第１反射面２１ａとの境界に上斜面２１ｅに沿って直線状に延びる第１凸状部２１ｍを有し、下斜面２１ｆと第１反射面２１ａとの境界に下斜面２１ｆに沿って延びる直線状に第２凸状部２１ｎを有する。
【００３３】
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２１ｊが設けられている。また、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの間にも、稜を除去するように端面２１ｉが設けられている。
【００３４】
第１凸状部２１ｍは、導光部材２１を支持フレーム１２３の上側支持部材２４ｂに固定する際のガイド及び支持体となっており、段差面２１ｓと側面２１ｔとが上側支持部材２４ｂの段差面２４ｓと側面２４ｔとに接着剤を介してそれぞれ接合される。第２凸状部２１ｎは、導光部材２１を支持フレーム１２３の下側支持部材２４ｃに固定する際のガイド及び支持体となっており、段差面２１ｓと側面２１ｔとが下側支持部材２４ｃの段差面２４ｓと側面２４ｔとに接着剤を介してそれぞれ接合される。
【００３５】
図２（Ａ）に戻って、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。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であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱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、一体形成品であるが、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。
【００３６】
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、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層２５を有し保護層２６で被覆されている（図６（Ａ）参照）。このミラー層２５は、全反射のコーティングであり、導光部材２１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。
【００３７】
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。ただし、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層２７で被覆されている（図６（Ｂ）参照）。このハードコート層２７は、導光部材２１の平坦面ＦＳ上にＵＶ硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。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、導光装置２０の奥側即ち光射出部Ｂ３を設けた−Ｘ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。
【００３８】
以上の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂでの全反射は、ハードコート層２７の屈折率の設定によっており、ハードコート層２７の表面ＳＳの内側で生じさせることができるが、平坦面ＦＳの内側で生じさせることもできる。
【００３９】
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表側の平面であり、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、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外に射出させるための矩形の平坦面であり、例えばその一部にハーフミラー層２８を有している（図６（Ｃ）参照）。このハーフミラー層２８は、導光部材２１の第３反射面２１ｃ側の斜面ＲＳ上にＡｇ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。ハーフミラー層２８の反射率は、例えば２０％に設定され、透過率は、例えば８０％に設定される。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、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ＧＬは、フレーム部分２３に入射し、映像の形成には利用されない。
【００４０】
以下、フレーム部分２３の光学的な側面について説明する。フレーム部分２３は、導光部材２１の本体と同一の屈折率を有し、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、ＸＹ面に沿って延びる。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。フレーム部分２３は、導光部材２１と同様に、視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。フレーム部分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であり、例えば熱重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化させることで形成されている。
【００４１】
フレーム部分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１及び第２面２３ａ，２３ｂは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層で被覆されている。第３面２３ｃは、矩形の透過面であり、導光部材２１の第４反射面２１ｄと合致するように第１面２３ａに対して例えば１５５°〜１５３°の鈍角で傾斜し、第２面２３ｂに対して例えば２５°〜２７°の鋭角で傾斜している。つまり、第３面２３ｃと第２面２３ｂとの成す角は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとが成す鋭角βと等しいものとなっている。同様に、第３面２３ｃと第１面２３ａとの成す角は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとが成す鋭角εと等しいものとなっている。
【００４２】
フレーム部分２３と導光部材２１とは、両者の接合部分及びその近傍すなわち、観察者の眼前に対向する部位において、透視部Ｂ４を構成している。フレーム部分２３のうち透視部Ｂ４を構成する透明な部分は、良好なシースルー観察を可能にする部分であり、光透過部２３ｋと呼ぶものとする。この光透過部２３ｋのうち、互いに鋭角を成す第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれて−Ｘ方向に広がる楔状の部材２３ｍは、同様に楔状の光射出部Ｂ３と接合されることにより、全体として平板状の透視部Ｂ４におけるＸ方向に関する中央部分を構成する。光透過部２３ｋの第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させる光透過面であるが、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。
【００４３】
〔Ｃ．支持フレームの構造〕
以上で説明したフレーム部分２３は、図４（Ａ）〜４（Ｄ）に示す支持フレーム１２３のうち左眼用の半分である。つまり、支持フレーム１２３は、図３（Ａ）に示す導光部材２１と鏡対称に配置される導光部材を周囲から支持するフレーム部分２３を右眼用の半分として有する。
【００４４】
支持フレーム１２３において、中央部材２４ａは、左右一対の光透過部２３ｋを有している。中央部材２４ａの中央下部には、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。中央部材２４ａの左側に延びるフレーム部分２３は、光透過部２３ｋと、上側支持部材２４ｂと、下側支持部材２４ｃとを有している。これらのうち、上下一対の上側支持部材２４ｂと下側支持部材２４ｃとは、左側の導光部材２１を上下から挟んで光透過部２３ｋを固定している。これらの支持部材２４ｃ，２４ｂと光透過部２３ｋとの協働により、導光部材２１は、光透過部２３ｋに対して、上下のＹ方向に関してだけでなく、左右のＸ方向及び前後のＺ方向に関しても正確に位置決めされて固定される。なお、以上は、中央部材２４ａの左側に延びるフレーム部分２３の説明であったが、中央部材２４ａの右側に延びるフレーム部分２３も、左右を反転させただけで、同様のものとなっている。
【００４５】
支持フレーム１２３の各フレーム部分２３にプリズム状の導光部材２１を固定する際には、支持フレーム１２３の中央部材２４ａに設けた第３面２３ｃに対して導光部材２１の第４反射面２１ｄを接着剤を介して接合する。このような貼り合わせの際、導光部材２１の端面２１ｉを第３面２３ｃと第１面２３ａとの境界に形成された係止面２３ｇに軽く押し付けるように当接させつつ導光部材２１をくり抜き部ＳＰに嵌め込むことで、導光部材２１をフレーム部分２３に対して精密に位置決めできる。つまり、フレーム部分２３の係止面２３ｇは、第１面２３ａに対して垂直でＹＺ面に平行であり、Ｘ方向のアライメント機能を有する。また、フレーム部分２３のうち第３面２３ｃの上下の縁に形成された挟持面２３ｑは、第１面２３ａ等に対して垂直でＸＺ面に平行であり、Ｙ方向のアライメント機能を有する。上下の支持部材２４ｂ，２４ｃの側面２４ｔも、ＸＺ面に平行であり、Ｙ方向について補助的なアライメント機能を有する。さらに、上下の支持部材２４ｂ，２４ｃの段差面２４ｓは、ＸＹ面に平行であり、Ｚ方向の補助的なアライメント機能を有する。つまり、フレーム部分２３のうち、係止面２３ｇ、挟持面２３ｑ、側面２４ｔ、及び段差面２４ｓは、導光部材２１を位置決めするための位置決め部材として機能している。
【００４６】
なお、以上の位置決め部材のうち、フレーム部分２３の係止面２３ｇは、導光部材２１の端面２１ｉと等しいＺ方向の幅を有するので、導光部材２１の端面２１ｉをフレーム部分２３の係止面２３ｇに押し付けつつ、導光部材２１の第４反射面２１ｄとフレーム部分２３の第３面２３ｃとの間に接着剤を挟んで押圧するだけで、導光部材２１のＸ方向の精密な位置決めが可能になるだけでなく、導光部材２１の第１反射面２１ａをフレーム部分２３の第１面２３ａと同一平面上に簡単に配置できるとともに、導光部材２１の第２反射面２１ｂをフレーム部分２３の第２面２３ｂと同一平面上に簡単に配置できる。また、第３面２３ｃと第４反射面２１ｄとの間における接着剤の厚みを薄くでき接着剤の厚み調整も容易であるので、フレーム部分２３と導光部材２１の光射出部Ｂ３との配置関係はＺ方向に関しても極めて精密なものとなる。つまり、フレーム部分２３に対して導光部材２１の光射出部Ｂ３が前後にずれることを防止できる。なお、端面２１ｉは、鏡面とすることもできるが、例えば比較的高い反射率のコート又は粗面を施すこともできる。
【００４７】
各フレーム部分２３に設けた上側支持部材２４ｂは、導光部材２１の取付けに際して導光部材２１の上側の被挟持面２１ｑをＹ方向に関してアライメントする上述の挟持面２３ｑのほか、導光部材２１の上側の第１凸状部２１ｍをＺ方向に関して支持する段差面２４ｓと、Ｙ方向に関して位置決めする側面２４ｔとを有する。導光部材２１の第１凸状部２１ｍは、接着剤によって上側支持部材２４ｂの段差面２４ｓと側面２４ｔとに固定される。なお、導光部材２１の取付けに際しては、導光部材２１の上斜面２１ｅも、接着剤を介して上側支持部材２４ｂに設けた上内面２３ｄに接合される。さらに、導光部材２１の上側の被挟持面２１ｑは、接着剤を介して上側支持部材２４ｂの挟持面２３ｑに接合される。以上のように、上側支持部材２４ｂを利用して導光部材２１をフレーム部分２３に固定することで、ハーフミラー層２８を有する第４反射面２１ｄに過度の負担がかかることを防止できる。
【００４８】
各フレーム部分２３に設けた下側支持部材２４ｃは、導光部材２１の下側の被挟持面２１ｑをＹ方向に関してアライメントする上述の第２挟持面２３ｑのほか、導光部材２１の取付けに際して導光部材２１の下側の第２凸状部２１ｎをＺ方向に関して支持する段差面２４ｓと、Ｙ方向に関して位置決めする側面２４ｔとを有する。導光部材２１の第２凸状部２１ｎは、接着剤によって上側支持部材２４ｂの段差面２４ｓと側面２４ｔとに固定される。なお、導光部材２１の取付けに際しては、導光部材２１の下斜面２１ｆも、接着剤を介して下側支持部材２４ｃに設けた下内面２３ｅに接合される。さらに、導光部材２１の下側の被挟持面２１ｑは、接着剤を介して上側支持部材２４ｂの挟持面２３ｑに接合される。以上のように、下側支持部材２４ｃを利用して導光部材２１をフレーム部分２３に固定することで、ハーフミラー層２８を有する第４反射面２１ｄに過度の負担がかかることを防止できる。
【００４９】
上側支持部材２４ｂの端部と下側支持部材２４ｃの端部とにそれぞれ設けた連結部２４ｅ，２４ｆは、投射光学系１２の鏡筒１２ａをフレーム部分２３に固定するために用いられるだけでなく、図１のケース１４１を取り付けるために利用される。
【００５０】
〔Ｄ．画像光の光路の概要〕
図７（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。
【００５１】
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。
【００５２】
図７（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（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２の光路を説明する図である。第２方向（閉じ込め方向又は合成方向）Ｄ２に沿った横断面すなわち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ＧＬｃ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ＧＬｄとする。図７（Ｂ）中には、参考のため、右寄り内側から射出される画像光ＧＬｅと、左寄り内側から射出される画像光ＧＬｆとを追加している。
【００５３】
右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬｃ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ＧＬｄ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。
【００５４】
なお、第２方向Ｄ２の横方向に関しては、導光部材２１中で画像光ＧＬｃ，ＧＬｄ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ＧＬｃ，ＧＬｄが導光部材２１中で不連続に表現されている。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ＧＬｃ，ＧＬｄ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ＧＬｃの射出角度θ１'と左側の画像光ＧＬｄの射出角度θ２'とは異なるものに設定されている。
【００５５】
以上により、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬｃ，ＧＬｄは、無限遠からの虚像となっており、縦の第１方向Ｄ１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。
【００５６】
〔Ｅ．横方向に関する画像光の光路〕
図８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。
【００５７】
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。
【００５８】
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（θ２≒θ１）の傾きで平行光束として射出される。
【００５９】
図８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を重ねて観察可能であることになる。
【００６０】
図９（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９（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９（Ｃ）及び９（Ｄ）は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図９（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９（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９（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９（Ｄ）に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【００６１】
図９（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９（Ｂ）に示す重複画像ＩＳ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ＩＳ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。なお、重畳の生じている帯域ＳＡの横幅又は重畳幅は、液晶表示デバイス３２を照明する照明光ＳＬの角度範囲を制御することで調整可能である。本実施形態では、照明光ＳＬの角度範囲を特に調節していないので、バックライト導光部３１ｂ等の発散特性に応じた横幅又は重畳幅の帯域ＳＡが存在することになる。
【００６２】
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。
【００６３】
〔Ｆ．その他〕
図１０（Ａ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の変形例を説明する図である。以上の説明では、導光部材２１を伝播する画像光が第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して２つの反射角γ１，γ２のみで全反射されるとしたが、図１０（Ａ）に示す変形例の導光部材２１のように、３つの成分の画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２，ＧＬ３３が反射角γ１，γ２，γ３（γ１＞γ２＞γ３）でそれぞれ全反射されることを許容することもできる。この場合、液晶表示デバイス３２から射出される画像光ＧＬは、３つのモードで伝搬され、観察者の眼ＥＹの位置において合成されて虚像となる。この場合、図１０（Ｂ）に示すように、有効表示領域Ａ０の左側に例えば計３回全反射による投射像ＩＭ２１が形成され、有効表示領域Ａ０の中央寄りに例えば計５回全反射による投射像ＩＭ２２が形成され、有効表示領域Ａ０の右側に例えば計７回全反射の投射像ＩＭ２３が形成される。
【００６４】
図１１は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような端面２１ｊを設けている理由を説明する拡大図である。導光部材２１の稜１２１ｊに近い位置に入射した画像光ＧＬは、第３反射面２１ｃで反射された後に第１反射面２１ａで反射されるが、第１反射面２１ａでの反射後に第３反射面２１ｃで再度反射されてしまう。このような再反射光ＨＬは、結果的に望まれないゴースト光となるので、予め除去することが望ましい。このため、稜１２１ｊを除去して端面２１ｊを設け、光路に制限を設けている。
【００６５】
図１２は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１の第３反射面２１ｃに付随して設けるハーフミラー層２８が端面２１ｉから離れて形成されている理由を説明する拡大図である。このように端面２１ｉから所定距離だけ離してハーフミラー層２８を設けることで、導光部材２１を伝播する正規の画像光ＧＬが第４反射面２１ｄで２度以上反射され不要光ＨＬとして観察者の眼ＥＹに入射すること、或いは３回未満の反射で導光部Ｂ２を通過する画像光等である不要光ＨＬが第４反射面２１ｄで２度以上反射されて観察者の眼ＥＹに入射すること等を防止することができ、ゴースト光が観察者の眼に入射することを防止することが可能となる。
【００６６】
以上説明した実施形態の虚像表示装置１００では、光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬが導光部の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射されつつ伝搬され、光射出部Ｂ３の第４反射面２１ｄで反射されて虚像として観察者の眼ＥＹに入射する。この際、画像表示装置１１の第１表示点Ｐ１を含む第１部分領域Ａ１０から射出される第１画像光ＧＬ１１，ＧＬ１２の導光部における反射回数と、画像表示装置１１の第２表示点Ｐ２を含む第２部分領域Ａ２０から射出される第２画像光ＧＬ２１，ＧＬ２２の導光部Ｂ２における反射回数とが異なるので、光射出部Ｂ３から射出される画像光ＧＬの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置１１における異なる部分領域Ａ１０，Ａ２０からの画像光ＧＬを比較的広い視野角で取り込むことができるようになり、光射出部Ｂ３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。このように、反射回数が異なる画像光ＧＬを取り出す構造とすることにより、導光部Ｂ２をあまり厚くすることなく瞳を覆うように光射出部Ｂ３を大きくすることができるので、光射出部Ｂ３を瞳に近づけて瞳分割を行う必要がなくなり、アイリング径を大きく確保することができ、良好なシースルー観察も可能になる。
【００６７】
また、上記虚像表示装置１００では、支持フレーム１２３が導光部材２１と組み合わせることによって透視部Ｂ４を構成する光透過部２３ｋを有するので、画像光の観察のための導光部材２１を支持フレーム１２３に組み付けることで、透視部Ｂ４によるシースルーによる外界の観察が可能になる。また、支持フレーム１２３に光透過部２３ｋを設けることで、導光部材２１を軽量化しつつ支持フレーム１２３の強度を高めることができる。
【００６８】
以上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。
【００６９】
上記実施形態では、フレーム部分２３において第３面２３ｃと第１面２３ａとの境界の全域に亘って係止面２３ｇを形成しているが、第３面２３ｃと第１面２３ａとの境界の一部に係止面２３ｇを設けて導光部材２１の端面２１ｉと部分的に対向させることによっても位置決めが可能である。
【００７０】
上記実施形態では、導光部材２１において第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの境界の全域に亘って端面２１ｉを形成しているが、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの境界の一部に端面２１ｉを設けてフレーム部分２３の係止面２３ｇと部分的に対向させることによっても位置決めが可能である。
【００７１】
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。
【００７２】
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９（Ｂ）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。
【００７３】
上記実施形態では、第４反射面２１ｄに設けたハーフミラー層２８の反射率を２０％としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層２８の反射率を５０％以上として画像光を優先することもできる。なお、ハーフミラー層２８は、導光部材２１側でなく、フレーム部分２３の第３面２３ｃ上に形成することもできる。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光射出面ＯＳ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。
【００７７】
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。
【００７８】
上記の説明では、導光部材２１の第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。以上のようなコートは、フレーム部分２３の第１及び第２面２３ａ，２３ｂにも同様に適用可能である。
【００７９】
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。つまり、支持フレーム１２３は、一対の導光部材２１を同一平面上に平行に配置するものとなる。
【符号の説明】
【００８０】
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、 ２１…導光部材、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…第１〜第４反射面、 ２１ｅ…上斜面、 ２１ｆ…下斜面、 ２１ｊ，２１ｉ…端面、 ２１ｍ，２１ｎ…凸状部、 ２３…フレーム部分、 ２３ａ，２３ｂ，２３ａ…面、 ２３ｋ…光透過部、 ２３ｇ…係止面、 ２４ａ…中央部材、 ２４ｂ…上側支持部材、 ２４ｃ…下側支持部材、 ２４ｅ，２４ｆ…連結部、 ２５…ミラー層、 ２６…保護層、 ２７…ハードコート層、 ２８…ハーフミラー層、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 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、 １１１，１１２…パネル部分、 １２１…支持部、 １２３…支持フレーム、 １３１，１３２…駆動部、 １４１…ケース、 Ａ０…有効表示領域、 ＡＸ１，ＡＸ２…光軸、 Ｂ１…光入射部、 Ｂ２…導光部、 Ｂ３…光射出部、 Ｂ４…透視部、 ＥＹ…眼、 ＦＳ…平坦面、 ＧＬ…画像光、 ＧＬ'…外界光、 ＧＬ１１，ＧＬ１２，ＧＬ２１，ＧＬ２２…画像光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光部と、前記導光部に画像光を入射させる光入射部と、前記導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、前記光射出部を介して前記画像光の観察を可能にする導光部材と、
前記導光部材を支持する支持フレームとを備え、
前記支持フレームは、前記導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部を有する、
虚像表示装置。
【請求項２】
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第１反射面と第２反射面とを有し、
前記光入射部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、
前記光射出部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有し、
前記第４反射面には、ハーフミラーが施されており、
前記光透過部は、前記導光部材に接合される楔状の部材を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記光透過部は、前記ハーフミラーを介して前記第４反射面に接着される光透過面を有する、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記光透過部は、前記第１反射面と第２反射面とに対してそれぞれ平行に配置される第１面と第２面とを有する、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記支持フレームは、前記導光部材を位置決めする位置決め部材を有する、請求項３及び４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記導光部材は、前記第１反射面と前記第４反射面との間に端面を有し、
前記支持フレームは、前記位置決め部材として、前記第１面と前記光透過面との間に形成されて前記端面に対向する係止面を有する、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記導光部材は、前記第１、第２、第３、及び第４反射面を側面とし、前記第１、第２、第３、及び第４反射面にそれぞれ隣接する上面と下面とを有し、
前記支持フレームは、前記導光部材を前記上面側と前記下面側とから挟むように保持する、請求項３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】
前記導光部材の前記第１反射面は、前記光透過部の前記第１面と同一の平面上に位置決めされて配置される、請求項３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】
前記導光部材の前記第２反射面は、前記光透過部の前記第２面と同一の平面上に位置決めされて配置される、請求項３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を入射させる投射光学系とを備え、
前記画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の前記導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して前記第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の前記導光部における反射回数とは、互いに異なる、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記閉じ込めは、前記投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である、請求項１０に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記導光部材と前記支持フレームとは、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記導光部材と前記支持フレームとは、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される、請求項１２に記載の虚像表示装置。
【請求項１】
導光部と、前記導光部に画像光を入射させる光入射部と、前記導光部によって導かれた画像光を外部に射出させる光射出部とを有し、前記光射出部を介して前記画像光の観察を可能にする導光部材と、
前記導光部材を支持する支持フレームとを備え、
前記支持フレームは、前記導光部材と組み合わせることによって透視部を構成する光透過部を有する、
虚像表示装置。
【請求項２】
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第１反射面と第２反射面とを有し、
前記光入射部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、
前記光射出部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有し、
前記第４反射面には、ハーフミラーが施されており、
前記光透過部は、前記導光部材に接合される楔状の部材を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記光透過部は、前記ハーフミラーを介して前記第４反射面に接着される光透過面を有する、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記光透過部は、前記第１反射面と第２反射面とに対してそれぞれ平行に配置される第１面と第２面とを有する、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記支持フレームは、前記導光部材を位置決めする位置決め部材を有する、請求項３及び４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記導光部材は、前記第１反射面と前記第４反射面との間に端面を有し、
前記支持フレームは、前記位置決め部材として、前記第１面と前記光透過面との間に形成されて前記端面に対向する係止面を有する、請求項５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記導光部材は、前記第１、第２、第３、及び第４反射面を側面とし、前記第１、第２、第３、及び第４反射面にそれぞれ隣接する上面と下面とを有し、
前記支持フレームは、前記導光部材を前記上面側と前記下面側とから挟むように保持する、請求項３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】
前記導光部材の前記第１反射面は、前記光透過部の前記第１面と同一の平面上に位置決めされて配置される、請求項３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】
前記導光部材の前記第２反射面は、前記光透過部の前記第２面と同一の平面上に位置決めされて配置される、請求項３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を入射させる投射光学系とを備え、
前記画像表示装置における第１部分領域から射出される第１画像光の前記導光部における反射回数と、導光に際して反射によって光路の折り返しが生じる閉じ込め方向に関して前記第１部分領域とは異なる第２部分領域から射出される第２画像光の前記導光部における反射回数とは、互いに異なる、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記閉じ込めは、前記投射光学系を通る第１光軸と前記第３反射面の法線とを含む断面に平行な方向である、請求項１０に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記導光部材と前記支持フレームとは、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記導光部材と前記支持フレームとは、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される、請求項１２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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６３６５６（Ｐ２０１２−１６３６５６Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４４１（Ｐ２０１１−２２４４１）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【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２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【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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