虚像表示装置
【課題】輝度斑を抑えた虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】フィルター50が投射光学系12から導光装置20までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置20とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置100によって表示される画像のサイズを大きくしつつ、表示される画像を高品位のものとすることができる。
【解決手段】フィルター50が投射光学系12から導光装置20までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置20とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置100によって表示される画像のサイズを大きくしつつ、表示される画像を高品位のものとすることができる。
【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、特許文献1等に記載の装置では、瞳サイズよりも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。
【0005】
なお、頭部装着ディスプレイ用の光学システムとして、導光角度の異なる複数の光モードを進行させることができる導光パイプを備えるものが存在する(特許文献3参照)。このような光学システムをおいて、射出側の第3光学面をハーフミラーとし第3光学面の透過光が直進するような工夫をすることで、シースルー型の表示装置にすることも考えられる。
【0006】
しかし、特許文献3の光学システムでは、複数の光モードによる像が互いに位置ずれしていることを前提として、光モードごとに異なる入射角度に設定されたコリメート光で液晶パネルを照明する。そして、各光モードで表示内容を変更するとともに各光モードの表示をシーケンシャルに実行することで、各光モードの画像をつなぎ合わせて全体画像を得るようにしている。この場合、1つの液晶パネルによって、全体画像を構成する中央の画像と左右の画像とを時間差で変更しつつ表示しなければならず、虚像表示装置が複雑化し観察画像も暗くなる。
【0007】
以上とは別に、眼前を覆うような光射出部を有する導光部材によって外界光に重ねて虚像の観察を可能にする虚像表示装置であって、時間差で画像をつなぎ合わせる必要のないものも考えられるが、大きな画像を表示することは容易でなく、画像に輝度斑が生じやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2006−3879号公報
【特許文献2】特開2010−224473号公報
【特許文献3】特開2008−535001号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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、輝度斑を抑えた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】
【0010】
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を入射させる投射光学系と、(c)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装置とを備え、(d)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、(e)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、(f)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、(g)前記反射面を介して前記光射出部の前記第4反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置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材をさらに備え、(h)投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターとを備える。
【0011】
上記虚像表示装置では、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、有効瞳径を大きくでき、表示される虚像を高品位で大きなサイズとすることができる。また、導光装置と光透過部材とを組み合わせることによって、透視部を介してシースルー観察が可能になり、外界像に虚像の画像を重ね合わせて観察することができる。さらに、上記虚像表示装置では、フィルターが投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。
【0012】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、フィルターが、吸収によって減光を行うNDフィルターである。この場合、吸収率のパターンによって直接的に輝度斑を補償することができる。
【0013】
本発明の別の側面では、フィルターが、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである。この場合、反射率のパターンによって輝度斑を補償することができる。
【0014】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。この場合、吸収膜自体の吸収率や反射膜自体の反射率の調整が不要となり、透過部と遮光部とを組み合わせた各領域における透過率の調整が簡易で精密なものとなる。
【0015】
本発明のさらに別の側面では、所定パターンを形成するフィルターの透過部が、それぞれ0.2mm以上のサイズを有する。この場合、微小パターン型のフィルターによる回折を抑制できる。
【0016】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系と光入射部の光入射面との間に設けられている。この場合、空間の確保が容易でフィルターの保護も容易である。
【0017】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、導光部と光入射部と光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、フィルターが、導光装置の光入射面に導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して光入射面に接着されている。この場合、フィルターの固定が容易であり、導光部での全反射の確保が容易である。
【0018】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている。
【0019】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、光射出部の光射出面上に配置されている。この場合、透過光量の分布に直接的に対応するパターンによって輝度斑を補償することができる。
【0020】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、第2反射面と第3反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている。この場合、第2反射面又は第3反射面での反射に際して透過率又は反射率の分布が調整され、輝度斑を補償することができる。
【0021】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、位置によって異なる透過率分布を有している。この場合、光路差の補償も可能になる。
【0022】
本発明のさらに別の側面では、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。
【0023】
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。
【0024】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、射出成型によって成型され、導光装置が、熱重合型の樹脂材料によって成型される。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【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反射面の構造を説明する図であり、(C)は、導光部材の導光部における第2反射面の構造を説明する図であり、(D)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4】(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5】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6】(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7】(A)は、画像表示装置から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートであり、(B)は、液晶表示デバイスの画素構造を説明する概念的拡大図である。
【図8】(A)は、フィルターの正面図であり、(B)は、フィルターの吸収率パターンを概念的に説明する図である。
【図9】(A)は、具体例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、(B)は、輝度分布をグラフ化したものであり、(C)は、比較例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、(D)は、輝度分布をグラフ化したものである。
【図10】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11】(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12】第2実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図13】(A)は、フィルターの斜視図であり、(B)は、フィルターの拡大断面である。
【図14】(A)及び(B)は、金属反射膜の微細パターンを説明する図である。
【図15】第3実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図16】フィルターの低透過率分布を説明する図である。
【図17】第4実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図18】(A)は、第5実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、(B)は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。
【図19】(A)は、第6実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、(B)は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。
【図20】変形例における液晶表示デバイスの画像を概念的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
〔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。
【0027】
〔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。
【0028】
〔B.片側の表示装置の構造〕
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、フィルター50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。
【0029】
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。
【0030】
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。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。
【0031】
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。
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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る。
【0037】
図3(A)は、第3反射面21cを説明する図であり、光入射部B1における表面部分P1の部分拡大断面図である。第3反射面21cは、ミラー層25を有し保護層26で被覆されている。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。
【0038】
図2(A)等に戻って、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。
【0039】
図3(B)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。また、図3(C)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。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。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。
【0040】
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。
【0041】
図2(A)等に戻って、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、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、ハーフミラー層28を有している。このハーフミラー層28は、光透過性を有する反射膜(すなわち半透過反射膜)であり、その表面は半透過反射面となっている。
【0042】
図3(D)は、第4反射面21dを説明する図であり、光射出部B3における表面部分P4の部分拡大断面図である。第4反射面21dには、ハーフミラー層(光透過性の反射膜又は半透過反射膜)28が付随しており、ハーフミラー層28は、導光部材21の斜面RS上に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。
【0043】
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GLは、光透過部材23に入射し、映像の形成には利用されない。
【0044】
光透過部材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。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分を有する部材となっている。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。
【0045】
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。
【0046】
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、観察者の眼EY前に対向して透視部B4を構成している。光透過部材23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。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。
【0047】
フィルター50は、投射光学系12と導光部材21との隙間部分に挿入するように配置されている。フィルター50は、シート状の部材であり、図1に示す第1駆動部131のケース内に固定されてXY面に平行に延びている。フィルター50は、例えばNDフィルターであり、透過光量の空間的な分布を変化させる役割を有する。
【0048】
〔C.画像光の光路の概要〕
図4(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。
【0049】
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。
【0050】
図4(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6(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。
【0051】
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の左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|)の右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。
【0052】
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。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。
【0053】
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。
【0054】
〔D.横方向に関する画像光の光路〕
図5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。
【0055】
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反射角γ1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。
【0056】
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。
【0057】
図5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。
【0058】
図6(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6(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6(C)及び6(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図6(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6(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6(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6(D)に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【0059】
図6(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6(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。
【0060】
〔E.フィルターの機能〕
以下、投射光学系12と導光装置20との間に配置されるフィルター50の機能について詳細に説明する。
【0061】
図7(A)は、画像表示装置11から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートである。横軸は横のX方向の射出角度を示し、縦軸は縦のY方向の射出角度を示す。図からも明らかなように、画像表示装置11の液晶表示デバイス32から射出される光束は、第1光軸AX1に沿った中心側では、輝度が高いが、第1光軸AX1に対して傾斜した周辺側では射出角度の増加に伴って輝度が急速に減少していることが分かる。なお、縦のY方向の方が比較的傾斜の大きな周辺まで高輝度であるのは、液晶表示デバイス32のサブ画素が縦長であることに起因している。
【0062】
図7(B)は、液晶表示デバイス32の画素配列の一例を説明する図である。図示の例では、液晶表示デバイス32上に略正方形に近い輪郭を有する画素23gがマトリックス状に繰り返し配列されている。各画素23gは、RGBの3色のサブ画素23sで構成され、各サブ画素23sは、細い縦長の輪郭を有する。このような液晶表示デバイス32から射出される画像光GLは、サブ画素23sの細長い開口を通過したものであり、縦のY方向に関して射出角度が大きくなっても比較的高輝度となる。
【0063】
以上の状況は、液晶表示デバイス32の中心からの光束に限らず周辺からの光束についても当てはまり、投射光学系12から射出される画像光GLは、第1光軸AX1から離れた周辺ほど暗くなる傾向がある。
【0064】
また、導光装置20の導光部材21で伝搬される画像光GLには、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL21,GL22とが存在する。いずれの画像光GL11,GL12,GL21,GL22も、導光部材21の形状的制限によって伝搬条件の限界があり、全反射回数が少ないモードで伝播する画像光GL11,GL12による画像の周辺でケラレ(部分的な遮光)によって減光が生じ、全反射回数が多いモードで伝播する画像光GL21,GL22による画像の周辺でケラレ(部分的な遮光)によって減光が生じる。よって、仮にフィルター50が存在しなければ、図6(C)に示す第1の投射像IM1の周辺は、中央に比較してかなり暗いものになり、図6(D)に示す第2の投射像IM2の周辺も、中央に比較してかなり暗いものになる。
【0065】
図8(A)に示すフィルター50は、その主面50aに沿って2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとなっており、例えば図8(B)に示す等高線CLのようなパターンで中心部分の吸収率が高く周辺部分の吸収率が低くなっている。このようなフィルター50により、図7の配光パターンや導光部材21での伝搬に際しての減光の空間分布を補償することができ、図6(B)に示す有効表示領域又は虚像表示領域AIに表示される画像の輝度を略一様に設定することができる。
【0066】
図9(A)は、図6(B)の有効表示領域又は虚像表示領域AIに相当するものであり、観察者に見える画像の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図9(B)は、図9(A)のAA断面における輝度分布をグラフ化したものである。図9(A)及び9(B)から明らかなように、フィルター50を設けたことにより、有効表示領域又は虚像表示領域AI内の輝度分布は比較的一様なものとなっている。
【0067】
図9(C)は、比較例の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図9(D)は、図9(C)のAA断面における輝度分布をグラフ化したものである。この比較例では、図2(A)等に示す第1表示装置100Aからフィルター50が除かれている。図9(C)及び9(D)から明らかなように、フィルター50を設けない場合、有効表示領域又は虚像表示領域AI内の輝度分布は、図6に示す一対の投射像IM1,IM2の領域に対応して大きな偏りを有するものとなっている。
【0068】
〔F.その他〕
図10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21h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121h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としての不要光HLは、第3反射面21cでの反射によって元の画像光GLと平行でなくなってしまい想定外の光路に導かれるが、その一部が光射出部B3に導かれて光射出面OSから射出される可能性がある。つまり、稜121hで発生する不要光HLは、望まれないゴースト光GGとなるので、予め除去することが望ましい。このため、稜121hを除去して迷光阻止用の端面21hを設け、不要光HLの光路に制限を設けている。
【0069】
図11は、図2(A)等に示す導光部材21の変形例を説明する拡大図である。この場合、導光部材21の第4反射面21d側に稜121iを除去するような端面21iを設けている。つまり、導光部材21は、8面の多面体状の外形を有するものとなっている。端面21iには、例えば比較的高い反射率のコート又は粗面が施され、光透過部材23にも端面21iにフィットする段差を設けている。このような端面21i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が光射出面OSを介して外部に射出されることを防止できる。つまり、端面21iは、想定外の経路を経ることで元の画像光GLに対して傾いてしまう不要光HLが望まれないゴースト光GGとなるのを防止している。
【0070】
以上の説明では、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。
【0071】
〔G.まとめ〕
以上説明した第1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。
【0072】
また、上記第1実施形態の虚像表示装置100では、フィルター50が投射光学系12から導光装置20までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置20とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置100によって表示される虚像のサイズを大きくしつつ表示される虚像を高品位のものとすることができる。
【0073】
〔第2実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第2実施形態の虚像表示装置は、第1実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0074】
図12に示すように、フィルター150は、導光部材21の光入射面ISに接着されている。
【0075】
図13(A)及び13(B)に示すように、フィルター150は、光透過性の基板51上に金属反射膜52を形成したものであり、接着層61を介して導光部材21の光射出面OSに接着されている。接着層61は、導光部材21よりも適度に低屈折率の光透過層である。具体的には、導光部材21の屈折率が1.5であるとした場合に、接着層61の屈折率は、1.3以下に設定されている。これにより、導光部材21内で伝搬される画像光GLが光射出面OS又は第1反射面21aの内面で全反射されず減衰することを防止できる。
【0076】
図14(A)に示すように、フィルター150は、略100%の透過性を有する透過部50cに対して、略100%の遮光性を有する遮光部50dを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。遮光部50dは、基板51上にランダムに配列された多数の円形領域AMからなり、図13(B)に示す金属反射膜52に相当する。基板51上における円形領域AMの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を例えば50%〜90%の範囲で調整することができ、透過率の2次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター150に形成した2次元的な透過率分布によって画像光の輝度斑を補償することができる。
【0077】
図14(B)は、図14(A)に示すフィルター150の変形例を示す。この場合、フィルター250は、略100%の遮光性を有する遮光部50eに対して、略100%の透過性を有する透過部50fを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。透過部50fは、基板51上にランダムに配列された多数の円形領域AMからなり、円形領域AMを除いた領域は、図13(B)に示す金属反射膜52に相当する。基板51上における円形領域AMの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を調整することができ、透過率の2次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター250に形成した2次元的な透過率分布によって画像光GLの輝度斑を補償することができる。なお、フィルター250に設けた透過部50fのサイズは、回折を抑制するため、0.2mm以上とする。
【0078】
第2実施形態の場合、フィルター150,250を構成する金属反射膜52について吸収率や反射率の調整が不要となり、フィルター150,250の透過率分布の調整が簡易で精密なものとなる。
【0079】
以上の第2実施形態において、円形領域AMのサイズを一様とする必要はなく、例えば位置に応じて円形領域AMのサイズを変更することができる。
【0080】
以上の第2実施形態において、金属反射膜52によって形成する円形領域AMは単なる例示であり、楕円領域、矩形領域等によって画像光GLの遮光や透過を行うことができる。
【0081】
なお、金属反射膜52に部分的な透過部50c,50fを形成するのではなく、金属反射膜52の厚みを局所的に変化させることにより、金属反射膜52自体に2次元的な透過率の分布を形成することもできる。
【0082】
〔第3実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第3実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第3実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0083】
図15に示すように、フィルター350は、導光部材21の光射出面OSに接着されている。フィルター350は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターであるが、図8(B)に示すフィルター50とは吸収率分布が異なっている。
【0084】
フィルター350は、図16において等高線CLに示すように、2つの低透過率の領域を有する。これにより、図9(C)及び9(D)に示すような輝度分布を実質的に相殺することができる。つまり、フィルター350に形成した2次元的な透過率分布によって画像光GLの輝度斑を補償することができる。
【0085】
なお、フィルター350は、導光部材21よりも適度に低屈折率の光透過層を介して導光部材21に接着することができる。また、フィルター350は、NDフィルターに限らず、第2実施形態の図13(B)等に示すように、光透過性の基板51上に金属反射膜52を形成したものとすることができる。
【0086】
〔第4実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第4実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第4実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0087】
図17に示すように、投射光学系12の最も光射出側のレンズL3の表面にフィルター450が形成されている。このフィルター450は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができる。また、フィルター450は、第2実施形態の図13(B)等に示すフィルター150,250と同様に、レンズL3の表面上に金属反射膜52を形成したものとすることができる。この場合、レンズL3が金属反射膜52を支持する基板51として機能する。
【0088】
〔第5実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第5実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第5実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0089】
図18(A)に示すように、本実施形態の場合、光入射部B1の第3反射面21cにフィルター550を設けている。図18(B)に示すように、フィルター550は、光入射部B1の第3反射面21cに設けたミラー層25の内側に挿入されており、斜面RSとミラー層25との間に挟まれている。フィルター550は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができ、例えば斜面RSに接着される。また、フィルター550は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ミラー層25で反射される画像光GLは、光入射部B1においてフィルター550を往復することで輝度斑補正される。なお、ミラー層25自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ミラー層25がフィルターとして機能している。
【0090】
〔第6実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第6実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第6実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0091】
図19(A)に示すように、本実施形態の場合、光射出部B3の第4反射面21dにフィルター650を設けている。図19(B)に示すように、フィルター650は、光射出部B3の第4反射面21dに付随させたハーフミラー層28の内側に挿入されており、斜面RSとハーフミラー層28との間に挟まれており、ハーフミラー層28は、接着材層29を介して光透過部材23に接合されている。フィルター650は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができ、例えば斜面RSに接着される。また、フィルター650は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ハーフミラー層28で反射される画像光GLは、光射出部B3においてフィルター650を往復することで輝度斑補正される。なお、ハーフミラー層28自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ハーフミラー層28がフィルターとして機能している。
【0092】
〔変形例等〕
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。
【0093】
図20(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20(B)に示すように、虚像表示領域又は有効表示領域A0の左側に例えば計3回全反射の投射像IM21が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域A0の中央寄りに例えば計5回全反射の投射像IM22が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域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。
【0094】
上記実施形態では、導光部材21の第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、第4反射面21dの全面に形成されなくてもよく、一部の必要領域にのみ形成されるものとできる。なお、ハーフミラー層28は、光透過部材23の第3面23c上に形成することもできる。
【0095】
光透過部材23の形状は、導光部材21を横すなわちX方向に延長するものに限らず、導光部材21を上下から挟むように拡張した部分を含むものとできる。
【0096】
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、フィルター50,150,250,350,450,550,650の負担を低減できる。
【0097】
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6(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。これによっても、フィルター50,150,250,350,450,550,650の過度の負担を低減できる。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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】
【0104】
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…上面、 21f…下面、 21h,21i…端面、 23…光透過部材、 23a,23b,23c…面、 25…ミラー層、 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、 32b…表示領域、 34…駆動制御部、 50,150,250,350,450…フィルター、 51…基板上、 52…金属反射膜、 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、 FS…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
【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、特許文献1等に記載の装置では、瞳サイズよりも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。
【0005】
なお、頭部装着ディスプレイ用の光学システムとして、導光角度の異なる複数の光モードを進行させることができる導光パイプを備えるものが存在する(特許文献3参照)。このような光学システムをおいて、射出側の第3光学面をハーフミラーとし第3光学面の透過光が直進するような工夫をすることで、シースルー型の表示装置にすることも考えられる。
【0006】
しかし、特許文献3の光学システムでは、複数の光モードによる像が互いに位置ずれしていることを前提として、光モードごとに異なる入射角度に設定されたコリメート光で液晶パネルを照明する。そして、各光モードで表示内容を変更するとともに各光モードの表示をシーケンシャルに実行することで、各光モードの画像をつなぎ合わせて全体画像を得るようにしている。この場合、1つの液晶パネルによって、全体画像を構成する中央の画像と左右の画像とを時間差で変更しつつ表示しなければならず、虚像表示装置が複雑化し観察画像も暗くなる。
【0007】
以上とは別に、眼前を覆うような光射出部を有する導光部材によって外界光に重ねて虚像の観察を可能にする虚像表示装置であって、時間差で画像をつなぎ合わせる必要のないものも考えられるが、大きな画像を表示することは容易でなく、画像に輝度斑が生じやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2006−3879号公報
【特許文献2】特開2010−224473号公報
【特許文献3】特開2008−535001号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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、輝度斑を抑えた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】
【0010】
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を入射させる投射光学系と、(c)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装置とを備え、(d)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、(e)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、(f)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、(g)前記反射面を介して前記光射出部の前記第4反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置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材をさらに備え、(h)投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターとを備える。
【0011】
上記虚像表示装置では、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、有効瞳径を大きくでき、表示される虚像を高品位で大きなサイズとすることができる。また、導光装置と光透過部材とを組み合わせることによって、透視部を介してシースルー観察が可能になり、外界像に虚像の画像を重ね合わせて観察することができる。さらに、上記虚像表示装置では、フィルターが投射光学系から導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。
【0012】
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、フィルターが、吸収によって減光を行うNDフィルターである。この場合、吸収率のパターンによって直接的に輝度斑を補償することができる。
【0013】
本発明の別の側面では、フィルターが、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである。この場合、反射率のパターンによって輝度斑を補償することができる。
【0014】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。この場合、吸収膜自体の吸収率や反射膜自体の反射率の調整が不要となり、透過部と遮光部とを組み合わせた各領域における透過率の調整が簡易で精密なものとなる。
【0015】
本発明のさらに別の側面では、所定パターンを形成するフィルターの透過部が、それぞれ0.2mm以上のサイズを有する。この場合、微小パターン型のフィルターによる回折を抑制できる。
【0016】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系と光入射部の光入射面との間に設けられている。この場合、空間の確保が容易でフィルターの保護も容易である。
【0017】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、導光部と光入射部と光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、フィルターが、導光装置の光入射面に導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して光入射面に接着されている。この場合、フィルターの固定が容易であり、導光部での全反射の確保が容易である。
【0018】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている。
【0019】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、光射出部の光射出面上に配置されている。この場合、透過光量の分布に直接的に対応するパターンによって輝度斑を補償することができる。
【0020】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、第2反射面と第3反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている。この場合、第2反射面又は第3反射面での反射に際して透過率又は反射率の分布が調整され、輝度斑を補償することができる。
【0021】
本発明のさらに別の側面では、フィルターが、位置によって異なる透過率分布を有している。この場合、光路差の補償も可能になる。
【0022】
本発明のさらに別の側面では、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。
【0023】
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。
【0024】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、射出成型によって成型され、導光装置が、熱重合型の樹脂材料によって成型される。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【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反射面の構造を説明する図であり、(C)は、導光部材の導光部における第2反射面の構造を説明する図であり、(D)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4】(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5】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6】(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7】(A)は、画像表示装置から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートであり、(B)は、液晶表示デバイスの画素構造を説明する概念的拡大図である。
【図8】(A)は、フィルターの正面図であり、(B)は、フィルターの吸収率パターンを概念的に説明する図である。
【図9】(A)は、具体例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、(B)は、輝度分布をグラフ化したものであり、(C)は、比較例において観察者に見える画像の輝度分布を示し、(D)は、輝度分布をグラフ化したものである。
【図10】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11】(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12】第2実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図13】(A)は、フィルターの斜視図であり、(B)は、フィルターの拡大断面である。
【図14】(A)及び(B)は、金属反射膜の微細パターンを説明する図である。
【図15】第3実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図16】フィルターの低透過率分布を説明する図である。
【図17】第4実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図である。
【図18】(A)は、第5実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、(B)は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。
【図19】(A)は、第6実施形態の虚像表示装置を構成する要部の平面図であり、(B)は、フィルター周辺の断面構造を説明する概念図である。
【図20】変形例における液晶表示デバイスの画像を概念的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
〔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。
【0027】
〔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。
【0028】
〔B.片側の表示装置の構造〕
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、フィルター50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。
【0029】
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。
【0030】
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。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。
【0031】
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。
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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る。
【0037】
図3(A)は、第3反射面21cを説明する図であり、光入射部B1における表面部分P1の部分拡大断面図である。第3反射面21cは、ミラー層25を有し保護層26で被覆されている。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。
【0038】
図2(A)等に戻って、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。
【0039】
図3(B)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。また、図3(C)は、第1反射面21aを説明する図であり、導光部材21の導光部B2における表面部分P1の部分拡大断面図である。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。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。
【0040】
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。
【0041】
図2(A)等に戻って、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、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、ハーフミラー層28を有している。このハーフミラー層28は、光透過性を有する反射膜(すなわち半透過反射膜)であり、その表面は半透過反射面となっている。
【0042】
図3(D)は、第4反射面21dを説明する図であり、光射出部B3における表面部分P4の部分拡大断面図である。第4反射面21dには、ハーフミラー層(光透過性の反射膜又は半透過反射膜)28が付随しており、ハーフミラー層28は、導光部材21の斜面RS上に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。
【0043】
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GLは、光透過部材23に入射し、映像の形成には利用されない。
【0044】
光透過部材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。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分を有する部材となっている。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。
【0045】
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。
【0046】
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、観察者の眼EY前に対向して透視部B4を構成している。光透過部材23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。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。
【0047】
フィルター50は、投射光学系12と導光部材21との隙間部分に挿入するように配置されている。フィルター50は、シート状の部材であり、図1に示す第1駆動部131のケース内に固定されてXY面に平行に延びている。フィルター50は、例えばNDフィルターであり、透過光量の空間的な分布を変化させる役割を有する。
【0048】
〔C.画像光の光路の概要〕
図4(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。
【0049】
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。
【0050】
図4(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6(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。
【0051】
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の左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|)の右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。
【0052】
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。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。
【0053】
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。
【0054】
〔D.横方向に関する画像光の光路〕
図5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。
【0055】
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反射角γ1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。
【0056】
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。
【0057】
図5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。
【0058】
図6(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6(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6(C)及び6(D)は、虚像を構成する部分画像を説明する図である。図6(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6(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6(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6(D)に示すように左半分が欠けた部分画像となっている。
【0059】
図6(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6(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。
【0060】
〔E.フィルターの機能〕
以下、投射光学系12と導光装置20との間に配置されるフィルター50の機能について詳細に説明する。
【0061】
図7(A)は、画像表示装置11から射出される画像光の配光パターンを説明するチャートである。横軸は横のX方向の射出角度を示し、縦軸は縦のY方向の射出角度を示す。図からも明らかなように、画像表示装置11の液晶表示デバイス32から射出される光束は、第1光軸AX1に沿った中心側では、輝度が高いが、第1光軸AX1に対して傾斜した周辺側では射出角度の増加に伴って輝度が急速に減少していることが分かる。なお、縦のY方向の方が比較的傾斜の大きな周辺まで高輝度であるのは、液晶表示デバイス32のサブ画素が縦長であることに起因している。
【0062】
図7(B)は、液晶表示デバイス32の画素配列の一例を説明する図である。図示の例では、液晶表示デバイス32上に略正方形に近い輪郭を有する画素23gがマトリックス状に繰り返し配列されている。各画素23gは、RGBの3色のサブ画素23sで構成され、各サブ画素23sは、細い縦長の輪郭を有する。このような液晶表示デバイス32から射出される画像光GLは、サブ画素23sの細長い開口を通過したものであり、縦のY方向に関して射出角度が大きくなっても比較的高輝度となる。
【0063】
以上の状況は、液晶表示デバイス32の中心からの光束に限らず周辺からの光束についても当てはまり、投射光学系12から射出される画像光GLは、第1光軸AX1から離れた周辺ほど暗くなる傾向がある。
【0064】
また、導光装置20の導光部材21で伝搬される画像光GLには、導光部B2において計3回全反射される画像光GL11,GL12と、導光部B2において計5回全反射される画像光GL21,GL22とが存在する。いずれの画像光GL11,GL12,GL21,GL22も、導光部材21の形状的制限によって伝搬条件の限界があり、全反射回数が少ないモードで伝播する画像光GL11,GL12による画像の周辺でケラレ(部分的な遮光)によって減光が生じ、全反射回数が多いモードで伝播する画像光GL21,GL22による画像の周辺でケラレ(部分的な遮光)によって減光が生じる。よって、仮にフィルター50が存在しなければ、図6(C)に示す第1の投射像IM1の周辺は、中央に比較してかなり暗いものになり、図6(D)に示す第2の投射像IM2の周辺も、中央に比較してかなり暗いものになる。
【0065】
図8(A)に示すフィルター50は、その主面50aに沿って2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとなっており、例えば図8(B)に示す等高線CLのようなパターンで中心部分の吸収率が高く周辺部分の吸収率が低くなっている。このようなフィルター50により、図7の配光パターンや導光部材21での伝搬に際しての減光の空間分布を補償することができ、図6(B)に示す有効表示領域又は虚像表示領域AIに表示される画像の輝度を略一様に設定することができる。
【0066】
図9(A)は、図6(B)の有効表示領域又は虚像表示領域AIに相当するものであり、観察者に見える画像の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図9(B)は、図9(A)のAA断面における輝度分布をグラフ化したものである。図9(A)及び9(B)から明らかなように、フィルター50を設けたことにより、有効表示領域又は虚像表示領域AI内の輝度分布は比較的一様なものとなっている。
【0067】
図9(C)は、比較例の輝度分布を具体的な濃淡分布として示しており、図9(D)は、図9(C)のAA断面における輝度分布をグラフ化したものである。この比較例では、図2(A)等に示す第1表示装置100Aからフィルター50が除かれている。図9(C)及び9(D)から明らかなように、フィルター50を設けない場合、有効表示領域又は虚像表示領域AI内の輝度分布は、図6に示す一対の投射像IM1,IM2の領域に対応して大きな偏りを有するものとなっている。
【0068】
〔F.その他〕
図10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21h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121h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としての不要光HLは、第3反射面21cでの反射によって元の画像光GLと平行でなくなってしまい想定外の光路に導かれるが、その一部が光射出部B3に導かれて光射出面OSから射出される可能性がある。つまり、稜121hで発生する不要光HLは、望まれないゴースト光GGとなるので、予め除去することが望ましい。このため、稜121hを除去して迷光阻止用の端面21hを設け、不要光HLの光路に制限を設けている。
【0069】
図11は、図2(A)等に示す導光部材21の変形例を説明する拡大図である。この場合、導光部材21の第4反射面21d側に稜121iを除去するような端面21iを設けている。つまり、導光部材21は、8面の多面体状の外形を有するものとなっている。端面21iには、例えば比較的高い反射率のコート又は粗面が施され、光透過部材23にも端面21iにフィットする段差を設けている。このような端面21i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が光射出面OSを介して外部に射出されることを防止できる。つまり、端面21iは、想定外の経路を経ることで元の画像光GLに対して傾いてしまう不要光HLが望まれないゴースト光GGとなるのを防止している。
【0070】
以上の説明では、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。
【0071】
〔G.まとめ〕
以上説明した第1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。
【0072】
また、上記第1実施形態の虚像表示装置100では、フィルター50が投射光学系12から導光装置20までの間に配置され、透過光量の空間的な分布を変化させるので、投射光学系と導光装置20とによって形成される虚像としての画像が比較的大きな輝度斑を有するものであっても、その輝度斑を抑制した画像を観察者に対して表示することができる。これにより、虚像表示装置100によって表示される虚像のサイズを大きくしつつ表示される虚像を高品位のものとすることができる。
【0073】
〔第2実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第2実施形態の虚像表示装置は、第1実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0074】
図12に示すように、フィルター150は、導光部材21の光入射面ISに接着されている。
【0075】
図13(A)及び13(B)に示すように、フィルター150は、光透過性の基板51上に金属反射膜52を形成したものであり、接着層61を介して導光部材21の光射出面OSに接着されている。接着層61は、導光部材21よりも適度に低屈折率の光透過層である。具体的には、導光部材21の屈折率が1.5であるとした場合に、接着層61の屈折率は、1.3以下に設定されている。これにより、導光部材21内で伝搬される画像光GLが光射出面OS又は第1反射面21aの内面で全反射されず減衰することを防止できる。
【0076】
図14(A)に示すように、フィルター150は、略100%の透過性を有する透過部50cに対して、略100%の遮光性を有する遮光部50dを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。遮光部50dは、基板51上にランダムに配列された多数の円形領域AMからなり、図13(B)に示す金属反射膜52に相当する。基板51上における円形領域AMの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を例えば50%〜90%の範囲で調整することができ、透過率の2次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター150に形成した2次元的な透過率分布によって画像光の輝度斑を補償することができる。
【0077】
図14(B)は、図14(A)に示すフィルター150の変形例を示す。この場合、フィルター250は、略100%の遮光性を有する遮光部50eに対して、略100%の透過性を有する透過部50fを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである。透過部50fは、基板51上にランダムに配列された多数の円形領域AMからなり、円形領域AMを除いた領域は、図13(B)に示す金属反射膜52に相当する。基板51上における円形領域AMの密度を調整することにより、その位置における巨視的な透過率を調整することができ、透過率の2次元的な分布又はパターンを形成することができる。つまり、フィルター250に形成した2次元的な透過率分布によって画像光GLの輝度斑を補償することができる。なお、フィルター250に設けた透過部50fのサイズは、回折を抑制するため、0.2mm以上とする。
【0078】
第2実施形態の場合、フィルター150,250を構成する金属反射膜52について吸収率や反射率の調整が不要となり、フィルター150,250の透過率分布の調整が簡易で精密なものとなる。
【0079】
以上の第2実施形態において、円形領域AMのサイズを一様とする必要はなく、例えば位置に応じて円形領域AMのサイズを変更することができる。
【0080】
以上の第2実施形態において、金属反射膜52によって形成する円形領域AMは単なる例示であり、楕円領域、矩形領域等によって画像光GLの遮光や透過を行うことができる。
【0081】
なお、金属反射膜52に部分的な透過部50c,50fを形成するのではなく、金属反射膜52の厚みを局所的に変化させることにより、金属反射膜52自体に2次元的な透過率の分布を形成することもできる。
【0082】
〔第3実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第3実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第3実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0083】
図15に示すように、フィルター350は、導光部材21の光射出面OSに接着されている。フィルター350は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターであるが、図8(B)に示すフィルター50とは吸収率分布が異なっている。
【0084】
フィルター350は、図16において等高線CLに示すように、2つの低透過率の領域を有する。これにより、図9(C)及び9(D)に示すような輝度分布を実質的に相殺することができる。つまり、フィルター350に形成した2次元的な透過率分布によって画像光GLの輝度斑を補償することができる。
【0085】
なお、フィルター350は、導光部材21よりも適度に低屈折率の光透過層を介して導光部材21に接着することができる。また、フィルター350は、NDフィルターに限らず、第2実施形態の図13(B)等に示すように、光透過性の基板51上に金属反射膜52を形成したものとすることができる。
【0086】
〔第4実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第4実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第4実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0087】
図17に示すように、投射光学系12の最も光射出側のレンズL3の表面にフィルター450が形成されている。このフィルター450は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができる。また、フィルター450は、第2実施形態の図13(B)等に示すフィルター150,250と同様に、レンズL3の表面上に金属反射膜52を形成したものとすることができる。この場合、レンズL3が金属反射膜52を支持する基板51として機能する。
【0088】
〔第5実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第5実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第5実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0089】
図18(A)に示すように、本実施形態の場合、光入射部B1の第3反射面21cにフィルター550を設けている。図18(B)に示すように、フィルター550は、光入射部B1の第3反射面21cに設けたミラー層25の内側に挿入されており、斜面RSとミラー層25との間に挟まれている。フィルター550は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができ、例えば斜面RSに接着される。また、フィルター550は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ミラー層25で反射される画像光GLは、光入射部B1においてフィルター550を往復することで輝度斑補正される。なお、ミラー層25自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ミラー層25がフィルターとして機能している。
【0090】
〔第6実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第6実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。なお、第6実施形態の虚像表示装置は、第1又は第2実施形態の虚像表示装置100を部分的に変更したものであり、特に説明しない部分は第1実施形態等の虚像表示装置100と同様であるものとする。
【0091】
図19(A)に示すように、本実施形態の場合、光射出部B3の第4反射面21dにフィルター650を設けている。図19(B)に示すように、フィルター650は、光射出部B3の第4反射面21dに付随させたハーフミラー層28の内側に挿入されており、斜面RSとハーフミラー層28との間に挟まれており、ハーフミラー層28は、接着材層29を介して光透過部材23に接合されている。フィルター650は、第1実施形態におけるフィルター50と同様に2次元的な吸収率分布をするNDフィルターとすることができ、例えば斜面RSに接着される。また、フィルター650は、減衰型の反射膜とすることもできる。
本実施形態の場合、ハーフミラー層28で反射される画像光GLは、光射出部B3においてフィルター650を往復することで輝度斑補正される。なお、ハーフミラー層28自体の反射率分布を持たせることによっても、同様の輝度斑補正が可能になり、この場合、ハーフミラー層28がフィルターとして機能している。
【0092】
〔変形例等〕
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。
【0093】
図20(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20(B)に示すように、虚像表示領域又は有効表示領域A0の左側に例えば計3回全反射の投射像IM21が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域A0の中央寄りに例えば計5回全反射の投射像IM22が形成され、虚像表示領域又は有効表示領域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。
【0094】
上記実施形態では、導光部材21の第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、第4反射面21dの全面に形成されなくてもよく、一部の必要領域にのみ形成されるものとできる。なお、ハーフミラー層28は、光透過部材23の第3面23c上に形成することもできる。
【0095】
光透過部材23の形状は、導光部材21を横すなわちX方向に延長するものに限らず、導光部材21を上下から挟むように拡張した部分を含むものとできる。
【0096】
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、フィルター50,150,250,350,450,550,650の負担を低減できる。
【0097】
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6(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。これによっても、フィルター50,150,250,350,450,550,650の過度の負担を低減できる。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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】
【0104】
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…上面、 21f…下面、 21h,21i…端面、 23…光透過部材、 23a,23b,23c…面、 25…ミラー層、 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、 32b…表示領域、 34…駆動制御部、 50,150,250,350,450…フィルター、 51…基板上、 52…金属反射膜、 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、 FS…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
【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を入射させる投射光学系と、
導光部と、前記導光部に前記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前記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装置とを備え、
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、
前記反射面を介して前記光射出部の前記第4反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置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材をさらに備え、
前記投射光学系から前記導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターと、
を備える虚像表示装置。
【請求項2】
前記フィルターは、吸収によって減光を行うNDフィルターである、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記フィルターは、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記フィルターは、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである、請求項1から3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記フィルターの前記所定パターンを形成する前記透過部は、それぞれ0.2mm以上のサイズを有する、請求項4に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記フィルターは、前記投射光学系と前記光入射部の光入射面との間に設けられている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項7】
前記導光装置は、前記導光部と前記光入射部と前記光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、
前記フィルターは、前記導光装置の前記光入射面に前記導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して前記光入射面に接着されている、請求項6に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記フィルターは、前記投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている、請求項6に記載の虚像表示装置。
【請求項9】
前記フィルターは、前記光射出部の光射出面上に配置されている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項10】
前記フィルターは、前記第2反射面と前記第3反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項11】
前記フィルターは、位置によって異なる透過率分布を有している、請求項1から10までのいずれか一項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を入射させる投射光学系と、
導光部と、前記導光部に前記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前記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装置とを備え、
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、
前記反射面を介して前記光射出部の前記第4反射面に接着される光透過面を有し、前記導光装置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材をさらに備え、
前記投射光学系から前記導光装置までの間に配置され、通過光量の空間的な分布を変化させるフィルターと、
を備える虚像表示装置。
【請求項2】
前記フィルターは、吸収によって減光を行うNDフィルターである、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記フィルターは、光透過性の基板上に金属反射膜を形成したフィルターである、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記フィルターは、透過部と遮光部とを所定パターンで形成した微小パターン型のフィルターである、請求項1から3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記フィルターの前記所定パターンを形成する前記透過部は、それぞれ0.2mm以上のサイズを有する、請求項4に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記フィルターは、前記投射光学系と前記光入射部の光入射面との間に設けられている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項7】
前記導光装置は、前記導光部と前記光入射部と前記光射出部とを一体化したブロック状の部材であり、
前記フィルターは、前記導光装置の前記光入射面に前記導光装置よりも所定以上低屈折率の光透過層を介して前記光入射面に接着されている、請求項6に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記フィルターは、前記投射光学系を構成するレンズの表面に形成されている、請求項6に記載の虚像表示装置。
【請求項9】
前記フィルターは、前記光射出部の光射出面上に配置されている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項10】
前記フィルターは、前記第2反射面と前記第3反射面とのうち少なくとも一方に付随して設けられている、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項11】
前記フィルターは、位置によって異なる透過率分布を有している、請求項1から10までのいずれか一項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19】
【図20】
【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19】
【図20】
【公開番号】特開2012−163659(P2012−163659A)
【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2011−22444(P2011−22444)
【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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