虚像表示装置
【課題】上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、画像の欠けや輝度斑を抑制して高品位の虚像を表示できる虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】投射光学系１２が、導光に際して反射によって折り返される第２方向（合成方向）Ｄ２に関して第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも広い射出開口幅Ｅ２を有するので、投射光学系１２から射出された画像光ＧＬが第３反射面２１ｃに入射する際に部分的な欠けが生じることを防止でき、画像に欠けや大きな輝度斑が発生することを防止できる。
【解決手段】投射光学系１２が、導光に際して反射によって折り返される第２方向（合成方向）Ｄ２に関して第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも広い射出開口幅Ｅ２を有するので、投射光学系１２から射出された画像光ＧＬが第３反射面２１ｃに入射する際に部分的な欠けが生じることを防止でき、画像に欠けや大きな輝度斑が発生することを防止できる。
【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、瞳サイズよりも射出開口が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、横の導光方向に関して画像に欠けや輝度斑が発生しやすい。
【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、画像の欠けや輝度斑を抑制して高品位の虚像を表示でき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】
【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部材とを備え、（ｄ）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）光入射部は、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）光射出部は、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）投射光学系は、第１反射面の平面と平行であり、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向において、第３反射面の開口幅よりも広い射出開口幅を有する。
【００１１】
上記虚像表示装置では、投射光学系が、導光に際して反射によって折り返される合成方向に関して第３反射面の開口幅よりも広い射出開口幅を有するので、投射光学系から射出された画像光が第３反射面に入射する際に部分的な欠けが生じることを防止でき、画像に欠けや大きな輝度斑が発生することを防止できる。
【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、投射光学系の最も光射出側のレンズから導光部材の第１反射面までの距離が例えば３ｍｍ以下である。この場合、投射光学系の最も光射出側のレンズから射出された画像光を、第１反射面を介して効率的に第２反射面に入射させることができる。
【００１３】
本発明の別の側面では、投射光学系の射出開口幅は、第１反射面と第３反射面との交線に平行な第１の方向よりも、第１反射面と平行で第１反射面と第３反射面との交線に垂直な第２の方向において、小さくなっている。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置の有効サイズが、第１の方向よりも第２の方向において大きくなっている。
【００１５】
本発明の別の側面では、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が、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。なお、以上の閉じ込め方向は、板状の導光部内においては、第１反射面の平面と垂直であって、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向を意味する。また、閉じ込め方向は、光入射部よりも光路的に上流側すなわち投射光学系等において、第１反射面の平面と平行であって、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向に相当するものとなる。
【００１６】
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。上記断面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。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、第４反射面に、ハーフミラーが施されており、第４反射面に対向する透過面を有する楔状の光透過部材をさらに備える。第４反射面と光透過部材とを介して外界光を瞳に導くことができ、外界の自然な観察が可能になる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、光透過部材が、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、光透過部材によるシースルー観察が歪みなく平坦性の高いものとなる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、導光部材は、射出成型によって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と光透過部材と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、導光部材が、熱重合型の樹脂材料によって成型される。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平面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。
【図３】第１表示装置の本体部分を説明する斜視図である。
【図４】（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、導光部における第２反射面の構造を説明する図であり、（Ｄ）は、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５】（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６】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７】（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２つの部分画像を説明する図である。
【図８】虚像表示装置の光学系における別の光路を具体的に説明する平面図である。
【図９】（Ａ）は、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り、（Ｂ）は、導光部材に別の端面を設けている理由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。
【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。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。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。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。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。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】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。ここで、液晶表示デバイス３２の縦の第１方向Ｄ１における有効サイズＥＳ１は、液晶表示デバイス３２の横の第２方向Ｄ２における有効サイズＥＳ２よりも小さくなっている（図２（Ｂ）等参照）。つまり、液晶表示デバイス３２の表示領域ＤＡは、横長となっている。
【００２８】
投射光学系１２は、３つのレンズ群Ｌ１〜Ｌ３を有しており、これらのレンズ群Ｌ１〜Ｌ３は、鏡筒１２ａ内に支持されている。鏡筒１２ａは、図１のケース１４１内に収納させている。鏡筒１２ａに支持された各レンズ群Ｌ１〜Ｌ３は、複数の樹脂製のレンズ等を組み合わせたものであり、第１光軸ＡＸ１に垂直な第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とでサイズが異なったものとなっている。ただし、各レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を構成する各レンズの光学面は、第１光軸ＡＸ１のまわりに回転対称な球面又は非球面形状を有しており、第１方向Ｄ１の集光特性と第２方向Ｄ２の集光特性とに特別な差を設けていない。レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を収納する鏡筒１２ａの最も光射出側の射出開口ＥＡには、図３にも示すように、レンズ群Ｌ３の光学面１２ｆが露出している。ここで、射出開口ＥＡの第１方向Ｄ１の射出開口幅Ｅ１は、射出開口ＥＡの第２方向Ｄ２の射出開口幅Ｅ２よりも大きくなっている（図２（Ｂ）等参照）。つまり、投射光学系１２の射出開口ＥＡは、縦長となっている。これは、後述するように、縦の第１方向Ｄ１すなわちＹ方向に関しては、画像光ＧＬを比較的広い光束幅としても画像光ＧＬを導光装置２０に入射させることができるが、横の第２方向Ｄ２に関しては、比較的狭い光束幅としなければ画像光ＧＬを導光装置２０に入射させることができないからである。
【００２９】
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。
【００３０】
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。また、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの間には、稜を除去するように端面２１ｉが設けられている。導光部材２１は、これらの端面２１ｈ，２１ｉも含めると、８面の多面体状の外形を有するものとなっている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図４（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。
【００３５】
図２（Ａ）等に戻って、第３反射面２１ｃは、略矩形の平面である。ここで、縦の第１方向Ｄ１における第３反射面２１ｃの有効な開口幅Ｆ１は、投射光学系１２の第１方向Ｄ１における射出開口幅Ｅ１と略等しいものとなっている。一方、横の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における第３反射面２１ｃの有効な開口幅Ｆ２は、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における射出開口幅Ｅ２よりも狭くなっている。つまり、投射光学系１２は、その横の射出開口幅Ｅ２を第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも大きくすることで、画像光ＧＬが第３反射面２１ｃのＸ方向の周辺部まで入射するようにしている。第３反射面２１ｃのＸ方向の開口幅Ｆ２は、具体的な実施例において例えば１８ｍｍ程度とされており、投射光学系１２のＸ方向の射出開口幅Ｅ２は、具体的な実施例において例えば１９ｍｍ程度かそれ以上とされている。ここで、図２（Ｂ）に示すように、投射光学系１２の射出開口ＥＡのうち導光部Ｂ２寄りである−Ｘ側のエッジＥＧ１の方が、第３反射面２１ｃと第２反射面２１ｂとの境界ＢＡから比較的大きくはみ出しており、射出開口ＥＡのうち導光部Ｂ２から離れた＋Ｘ側のエッジＥＧ２の方が、第３反射面２１ｃと第１反射面２１ａとの境界に設けた端面２１ｈから比較的小さくはみ出している。これは、投射光学系１２から見ると、境界ＢＡの方が端面２１ｈよりも距離的に離れており、境界ＢＡ近くまで画像光ＧＬを十分に入射させることができるように考慮したものである。
【００３６】
なお、投射光学系１２の最も光射出側のレンズ群Ｌ３の光学面１２ｆから光入射部Ｂ１の光入射面ＩＳ又は第１反射面２１ａまでの距離ＧＡは、例えば３ｍｍ以下に設定されている。このように投射光学系１２を光入射面ＩＳに近接させることで、投射光学系１２の最も光射出側のレンズ群Ｌ３から射出された画像光ＧＬを、光入射面ＩＳを介して効率的に第２反射面２１ｃに入射させることができる。
【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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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略矩形の平坦面である。第４反射面２１ｄには、ハーフミラー層２８が付随している。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。ハーフミラー層（光透過性の反射膜）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。
【００４１】
図３（Ｄ）は、第４反射面２１ｄ及びその周辺の構造を説明する図であり、ハーフミラー層（光透過性の反射膜）２８の断面の拡大図を付随させている。図からも明らかなように、ハーフミラー層（反射膜）２８は、偏光特性を有しない金属反射膜２８ａと、偏光特性を有する第１誘電体多層膜２８ｂと、偏光特性を有する第２誘電体多層膜２８ｃとを含む。ここで、金属反射膜２８ａは、第１誘電体多層膜２８ｂと第２誘電体多層膜２８ｃとの間に挟まれている。つまり、ハーフミラー層２８は、金属反射膜２８ａを中央に配置したサンドイッチ構造を有している。金属反射膜２８ａは、例えばＡｇ膜、Ａｌ膜等である。下側の第１誘電体多層膜２８ｂや上側の第２誘電体多層膜２８ｃは、透明な誘電体層を数層以上積層したものであり、金属反射膜２８ａの角度特性等を改善する。これらの誘電体多層膜２８ｂ，２８ｃについては省略することもできる。
【００４２】
図２（Ｂ）等に戻って、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。
【００４３】
フレーム部分２９は、光透過部２３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２３に固定している。これらの支持部材２４ｂ，２４ｃと光透過部２３との協働により、導光部材２１は、光透過部２３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。
【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２３ｍ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、観察者の眼前に対向する部位において、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】
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２９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。
【００４８】
〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図５（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５（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）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５（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の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第２表示点Ｐ２からの画像光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。
【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６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６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７（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７（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７（Ｃ）及び７（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）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７（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７（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７（Ｄ）に示すように左側が欠けた部分画像となっている。
【００５９】
図７（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７（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．画像の劣化防止〕
以下、図７（Ｂ）に示す重複画像ＩＳ等における画像の劣化について説明する。重複画像ＩＳは、図７（Ｃ）に示す第１投射像ＩＭ１の周辺部と、図７（Ｄ）に示す第２投射像ＩＭ２の周辺部とを重ね合わせたものと考えることができ、投射光学系１２の画角サイズが小さい場合、周辺でケラレと呼ばれる部分的遮光が生じる。本実施形態の画像形成装置１０の場合、上記の画像形成領域ＡＤの中央は、重複画像ＩＳであり光量の加算があるにも関わらず、第１及び第２投射像ＩＭ１，ＩＭ２の周辺減光によって、輝度低下が生じやすい。さらに、本実施形態の画像形成装置１０の場合、重複画像ＩＳを形成する画像光ＧＬは、投射光学系１２の射出開口ＥＡのうち第２方向Ｄ２の両端側から射出される傾向が高い。
【００６１】
図８は、重複画像ＩＳを形成する画像光ＧＬが投射光学系１２の射出開口ＥＡのうち第２方向Ｄ２の両端側から射出される傾向が高い理由を説明する図である。第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２に沿った横断面において、液晶表示デバイス３２の中央から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す＋Ｘ側に傾いた成分を画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２とし、液晶表示デバイス３２の中央から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す−Ｘ側に傾いた成分を画像光ＧＬ４１，ＧＬ４２とする。前者の画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２は、第２光軸ＡＸ２に平行な平行光束として眼ＥＹの左側に入射し、後者の画像光ＧＬ４１，ＧＬ４２は、第２光軸ＡＸ２に平行な平行光束として眼ＥＹの右側に入射する。これらの画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２，ＧＬ４１，ＧＬ４２、特に大きな傾斜角の画像光ＧＬ３２，ＧＬ４２は、投射光学系１２の外側を通って、導光部材２１の光入射部Ｂ１に設けた第３反射面２１ｃのうち境界ＢＡ及び端面２１ｈ寄りに入射する。したがって、第３反射面２１ｃを十分カバーするように、投射光学系１２のうち特にレンズ群Ｌ３の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２の幅を十分に広くして、画像光ＧＬを導光装置２０に効率よく入射させることとしている。つまり、図２（Ｂ）等に示すように、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における射出開口幅Ｅ２を第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも広くして、画像光の欠落が生じることを防止している。なお、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における射出開口幅Ｅ２を第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも狭くした場合、大きな傾斜角の画像光ＧＬ３２，ＧＬ４２等の中心側光束の欠落が顕著となって、画像の左右中央付近で画像の欠けが生じたり、画像の左右中央付近で顕著な減光が生じるといった画像劣化が生じたりする。
【００６２】
なお、以上のような現象は、一般に投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２の幅を第１方向Ｄ１の幅と同程度とすれば解消するが、本実施形態のような眼鏡型のヘッドマウントディスプレイでは、軽量化が重要となるので、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２の幅を可能な限り短縮することが望まれる。結果的に、投射光学系１２のＸ方向の射出開口幅Ｅ２は、第３反射面２１ｃのＸ方向の開口幅Ｆ２に数ｍｍ加算した程度以下のものとすることが望ましい。
【００６３】
なお、図７（Ｂ）において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ある程度調整可能である。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。
【００６４】
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１部分領域Ａ１０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。
【００６５】
〔Ｆ．ゴースト光の処理〕
図９（Ａ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような第１の端面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。
【００６６】
図９（Ｂ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような第２の端面２１ｉを設けている理由を説明する拡大図である。この場合、端面２１ｉは、導光部材２１の第４反射面２１ｄ側において稜１２１ｉを除去するように設けられている。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度以上反射される不要光ＨＬや、３回未満の反射で導光部Ｂ２を通過して第４反射面２１ｄで反射される不要光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に対して傾いた不要光ＨＬが望まれないゴースト光ＧＧとなるのを防止している。
【００６７】
〔Ｇ．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して認識される。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回全反射の投射像ＩＭ２１が形成され、有効表示領域Ａ０の中央寄りに例えば計５回全反射の投射像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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、上記実施形態の虚像表示装置１００では、投射光学系１２が、導光に際して反射によって折り返される第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２に関して第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも広い射出開口幅Ｅ２１を有するので、投射光学系１２から射出された画像光ＧＬが第３反射面２１ｃに入射する際に部分的な欠けが生じることを防止でき、画像に欠けや大きな輝度斑が発生することを防止できる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。また、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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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７（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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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】
【００８１】
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（反射膜）、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 ３２ｂ…表示領域、 ３４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １１０…光学パネル、 １２１…フレーム、 １３１，１３２…駆動部、 Ａ１０…第１部分領域、 Ａ２０…第２部分領域、 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、 Ｅ２…射出開口幅、 Ｆ２…開口幅
【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、瞳サイズよりも射出開口が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、横の導光方向に関して画像に欠けや輝度斑が発生しやすい。
【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、画像の欠けや輝度斑を抑制して高品位の虚像を表示でき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】
【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部材とを備え、（ｄ）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）光入射部は、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）光射出部は、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）投射光学系は、第１反射面の平面と平行であり、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向において、第３反射面の開口幅よりも広い射出開口幅を有する。
【００１１】
上記虚像表示装置では、投射光学系が、導光に際して反射によって折り返される合成方向に関して第３反射面の開口幅よりも広い射出開口幅を有するので、投射光学系から射出された画像光が第３反射面に入射する際に部分的な欠けが生じることを防止でき、画像に欠けや大きな輝度斑が発生することを防止できる。
【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、投射光学系の最も光射出側のレンズから導光部材の第１反射面までの距離が例えば３ｍｍ以下である。この場合、投射光学系の最も光射出側のレンズから射出された画像光を、第１反射面を介して効率的に第２反射面に入射させることができる。
【００１３】
本発明の別の側面では、投射光学系の射出開口幅は、第１反射面と第３反射面との交線に平行な第１の方向よりも、第１反射面と平行で第１反射面と第３反射面との交線に垂直な第２の方向において、小さくなっている。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、画像表示装置の有効サイズが、第１の方向よりも第２の方向において大きくなっている。
【００１５】
本発明の別の側面では、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が、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。なお、以上の閉じ込め方向は、板状の導光部内においては、第１反射面の平面と垂直であって、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向を意味する。また、閉じ込め方向は、光入射部よりも光路的に上流側すなわち投射光学系等において、第１反射面の平面と平行であって、第１反射面と第３反射面の交線に垂直な方向に相当するものとなる。
【００１６】
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。上記断面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。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、第４反射面に、ハーフミラーが施されており、第４反射面に対向する透過面を有する楔状の光透過部材をさらに備える。第４反射面と光透過部材とを介して外界光を瞳に導くことができ、外界の自然な観察が可能になる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、光透過部材が、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、光透過部材によるシースルー観察が歪みなく平坦性の高いものとなる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、導光部材は、射出成型によって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と光透過部材と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、導光部材が、熱重合型の樹脂材料によって成型される。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平面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。
【図３】第１表示装置の本体部分を説明する斜視図である。
【図４】（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、導光部における第２反射面の構造を説明する図であり、（Ｄ）は、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５】（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６】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７】（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２つの部分画像を説明する図である。
【図８】虚像表示装置の光学系における別の光路を具体的に説明する平面図である。
【図９】（Ａ）は、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り、（Ｂ）は、導光部材に別の端面を設けている理由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。
【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。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。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。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。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。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】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。ここで、液晶表示デバイス３２の縦の第１方向Ｄ１における有効サイズＥＳ１は、液晶表示デバイス３２の横の第２方向Ｄ２における有効サイズＥＳ２よりも小さくなっている（図２（Ｂ）等参照）。つまり、液晶表示デバイス３２の表示領域ＤＡは、横長となっている。
【００２８】
投射光学系１２は、３つのレンズ群Ｌ１〜Ｌ３を有しており、これらのレンズ群Ｌ１〜Ｌ３は、鏡筒１２ａ内に支持されている。鏡筒１２ａは、図１のケース１４１内に収納させている。鏡筒１２ａに支持された各レンズ群Ｌ１〜Ｌ３は、複数の樹脂製のレンズ等を組み合わせたものであり、第１光軸ＡＸ１に垂直な第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とでサイズが異なったものとなっている。ただし、各レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を構成する各レンズの光学面は、第１光軸ＡＸ１のまわりに回転対称な球面又は非球面形状を有しており、第１方向Ｄ１の集光特性と第２方向Ｄ２の集光特性とに特別な差を設けていない。レンズ群Ｌ１〜Ｌ３を収納する鏡筒１２ａの最も光射出側の射出開口ＥＡには、図３にも示すように、レンズ群Ｌ３の光学面１２ｆが露出している。ここで、射出開口ＥＡの第１方向Ｄ１の射出開口幅Ｅ１は、射出開口ＥＡの第２方向Ｄ２の射出開口幅Ｅ２よりも大きくなっている（図２（Ｂ）等参照）。つまり、投射光学系１２の射出開口ＥＡは、縦長となっている。これは、後述するように、縦の第１方向Ｄ１すなわちＹ方向に関しては、画像光ＧＬを比較的広い光束幅としても画像光ＧＬを導光装置２０に入射させることができるが、横の第２方向Ｄ２に関しては、比較的狭い光束幅としなければ画像光ＧＬを導光装置２０に入射させることができないからである。
【００２９】
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。
【００３０】
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。また、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとの間には、稜を除去するように端面２１ｉが設けられている。導光部材２１は、これらの端面２１ｈ，２１ｉも含めると、８面の多面体状の外形を有するものとなっている。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図４（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。
【００３５】
図２（Ａ）等に戻って、第３反射面２１ｃは、略矩形の平面である。ここで、縦の第１方向Ｄ１における第３反射面２１ｃの有効な開口幅Ｆ１は、投射光学系１２の第１方向Ｄ１における射出開口幅Ｅ１と略等しいものとなっている。一方、横の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における第３反射面２１ｃの有効な開口幅Ｆ２は、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における射出開口幅Ｅ２よりも狭くなっている。つまり、投射光学系１２は、その横の射出開口幅Ｅ２を第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも大きくすることで、画像光ＧＬが第３反射面２１ｃのＸ方向の周辺部まで入射するようにしている。第３反射面２１ｃのＸ方向の開口幅Ｆ２は、具体的な実施例において例えば１８ｍｍ程度とされており、投射光学系１２のＸ方向の射出開口幅Ｅ２は、具体的な実施例において例えば１９ｍｍ程度かそれ以上とされている。ここで、図２（Ｂ）に示すように、投射光学系１２の射出開口ＥＡのうち導光部Ｂ２寄りである−Ｘ側のエッジＥＧ１の方が、第３反射面２１ｃと第２反射面２１ｂとの境界ＢＡから比較的大きくはみ出しており、射出開口ＥＡのうち導光部Ｂ２から離れた＋Ｘ側のエッジＥＧ２の方が、第３反射面２１ｃと第１反射面２１ａとの境界に設けた端面２１ｈから比較的小さくはみ出している。これは、投射光学系１２から見ると、境界ＢＡの方が端面２１ｈよりも距離的に離れており、境界ＢＡ近くまで画像光ＧＬを十分に入射させることができるように考慮したものである。
【００３６】
なお、投射光学系１２の最も光射出側のレンズ群Ｌ３の光学面１２ｆから光入射部Ｂ１の光入射面ＩＳ又は第１反射面２１ａまでの距離ＧＡは、例えば３ｍｍ以下に設定されている。このように投射光学系１２を光入射面ＩＳに近接させることで、投射光学系１２の最も光射出側のレンズ群Ｌ３から射出された画像光ＧＬを、光入射面ＩＳを介して効率的に第２反射面２１ｃに入射させることができる。
【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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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略矩形の平坦面である。第４反射面２１ｄには、ハーフミラー層２８が付随している。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。ハーフミラー層（光透過性の反射膜）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。
【００４１】
図３（Ｄ）は、第４反射面２１ｄ及びその周辺の構造を説明する図であり、ハーフミラー層（光透過性の反射膜）２８の断面の拡大図を付随させている。図からも明らかなように、ハーフミラー層（反射膜）２８は、偏光特性を有しない金属反射膜２８ａと、偏光特性を有する第１誘電体多層膜２８ｂと、偏光特性を有する第２誘電体多層膜２８ｃとを含む。ここで、金属反射膜２８ａは、第１誘電体多層膜２８ｂと第２誘電体多層膜２８ｃとの間に挟まれている。つまり、ハーフミラー層２８は、金属反射膜２８ａを中央に配置したサンドイッチ構造を有している。金属反射膜２８ａは、例えばＡｇ膜、Ａｌ膜等である。下側の第１誘電体多層膜２８ｂや上側の第２誘電体多層膜２８ｃは、透明な誘電体層を数層以上積層したものであり、金属反射膜２８ａの角度特性等を改善する。これらの誘電体多層膜２８ｂ，２８ｃについては省略することもできる。
【００４２】
図２（Ｂ）等に戻って、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。
【００４３】
フレーム部分２９は、光透過部２３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２３に固定している。これらの支持部材２４ｂ，２４ｃと光透過部２３との協働により、導光部材２１は、光透過部２３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。
【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２３ｍ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、観察者の眼前に対向する部位において、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】
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２９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。
【００４８】
〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図５（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５（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）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５（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の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第２表示点Ｐ２からの画像光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。
【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６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６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７（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７（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７（Ｃ）及び７（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）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７（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７（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７（Ｄ）に示すように左側が欠けた部分画像となっている。
【００５９】
図７（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７（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．画像の劣化防止〕
以下、図７（Ｂ）に示す重複画像ＩＳ等における画像の劣化について説明する。重複画像ＩＳは、図７（Ｃ）に示す第１投射像ＩＭ１の周辺部と、図７（Ｄ）に示す第２投射像ＩＭ２の周辺部とを重ね合わせたものと考えることができ、投射光学系１２の画角サイズが小さい場合、周辺でケラレと呼ばれる部分的遮光が生じる。本実施形態の画像形成装置１０の場合、上記の画像形成領域ＡＤの中央は、重複画像ＩＳであり光量の加算があるにも関わらず、第１及び第２投射像ＩＭ１，ＩＭ２の周辺減光によって、輝度低下が生じやすい。さらに、本実施形態の画像形成装置１０の場合、重複画像ＩＳを形成する画像光ＧＬは、投射光学系１２の射出開口ＥＡのうち第２方向Ｄ２の両端側から射出される傾向が高い。
【００６１】
図８は、重複画像ＩＳを形成する画像光ＧＬが投射光学系１２の射出開口ＥＡのうち第２方向Ｄ２の両端側から射出される傾向が高い理由を説明する図である。第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２に沿った横断面において、液晶表示デバイス３２の中央から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す＋Ｘ側に傾いた成分を画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２とし、液晶表示デバイス３２の中央から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す−Ｘ側に傾いた成分を画像光ＧＬ４１，ＧＬ４２とする。前者の画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２は、第２光軸ＡＸ２に平行な平行光束として眼ＥＹの左側に入射し、後者の画像光ＧＬ４１，ＧＬ４２は、第２光軸ＡＸ２に平行な平行光束として眼ＥＹの右側に入射する。これらの画像光ＧＬ３１，ＧＬ３２，ＧＬ４１，ＧＬ４２、特に大きな傾斜角の画像光ＧＬ３２，ＧＬ４２は、投射光学系１２の外側を通って、導光部材２１の光入射部Ｂ１に設けた第３反射面２１ｃのうち境界ＢＡ及び端面２１ｈ寄りに入射する。したがって、第３反射面２１ｃを十分カバーするように、投射光学系１２のうち特にレンズ群Ｌ３の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２の幅を十分に広くして、画像光ＧＬを導光装置２０に効率よく入射させることとしている。つまり、図２（Ｂ）等に示すように、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における射出開口幅Ｅ２を第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも広くして、画像光の欠落が生じることを防止している。なお、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２における射出開口幅Ｅ２を第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも狭くした場合、大きな傾斜角の画像光ＧＬ３２，ＧＬ４２等の中心側光束の欠落が顕著となって、画像の左右中央付近で画像の欠けが生じたり、画像の左右中央付近で顕著な減光が生じるといった画像劣化が生じたりする。
【００６２】
なお、以上のような現象は、一般に投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２の幅を第１方向Ｄ１の幅と同程度とすれば解消するが、本実施形態のような眼鏡型のヘッドマウントディスプレイでは、軽量化が重要となるので、投射光学系１２の第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２の幅を可能な限り短縮することが望まれる。結果的に、投射光学系１２のＸ方向の射出開口幅Ｅ２は、第３反射面２１ｃのＸ方向の開口幅Ｆ２に数ｍｍ加算した程度以下のものとすることが望ましい。
【００６３】
なお、図７（Ｂ）において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ある程度調整可能である。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。
【００６４】
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１部分領域Ａ１０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。
【００６５】
〔Ｆ．ゴースト光の処理〕
図９（Ａ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような第１の端面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。
【００６６】
図９（Ｂ）は、図２（Ａ）等に示す導光部材２１に稜を除去するような第２の端面２１ｉを設けている理由を説明する拡大図である。この場合、端面２１ｉは、導光部材２１の第４反射面２１ｄ側において稜１２１ｉを除去するように設けられている。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度以上反射される不要光ＨＬや、３回未満の反射で導光部Ｂ２を通過して第４反射面２１ｄで反射される不要光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に対して傾いた不要光ＨＬが望まれないゴースト光ＧＧとなるのを防止している。
【００６７】
〔Ｇ．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して認識される。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回全反射の投射像ＩＭ２１が形成され、有効表示領域Ａ０の中央寄りに例えば計５回全反射の投射像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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、上記実施形態の虚像表示装置１００では、投射光学系１２が、導光に際して反射によって折り返される第２方向（閉じ込め方向）Ｄ２に関して第３反射面２１ｃの開口幅Ｆ２よりも広い射出開口幅Ｅ２１を有するので、投射光学系１２から射出された画像光ＧＬが第３反射面２１ｃに入射する際に部分的な欠けが生じることを防止でき、画像に欠けや大きな輝度斑が発生することを防止できる。
【００７０】
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。
【００７１】
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。また、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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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７（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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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】
【００８１】
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（反射膜）、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 ３２ｂ…表示領域、 ３４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １１０…光学パネル、 １２１…フレーム、 １３１，１３２…駆動部、 Ａ１０…第１部分領域、 Ａ２０…第２部分領域、 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、 Ｅ２…射出開口幅、 Ｆ２…開口幅
【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、
前記投射光学系は、前記第１反射面の平面と平行であり、前記第１反射面と前記第３反射面の交線に垂直な方向において、前記第３反射面の開口幅よりも広い射出開口幅を有する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記投射光学系の最も光射出側のレンズから前記導光部材の前記第１反射面までの距離が３ｍｍ以下である、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記投射光学系の射出開口幅は、前記第１反射面と前記第３反射面との交線に平行な第１の方向よりも、前記第１反射面と平行で前記第１反射面と前記第３反射面との交線に垂直な第２の方向において、大きくなっている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記画像表示装置の有効サイズは、前記第１の方向よりも前記第２の方向において大きくなっている、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
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４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記閉じ込め方向は、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５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第４反射面に、ハーフミラーが施されており、前記第４反射面に対向する透過面を有する楔状の光透過部材をさらに備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記光透過部材は、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７に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記導光部材は、射出成型によって独立して一体的に成型される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記導光部材は、熱重合型の樹脂材料によって成型される、請求項９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、
前記投射光学系は、前記第１反射面の平面と平行であり、前記第１反射面と前記第３反射面の交線に垂直な方向において、前記第３反射面の開口幅よりも広い射出開口幅を有する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記投射光学系の最も光射出側のレンズから前記導光部材の前記第１反射面までの距離が３ｍｍ以下である、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記投射光学系の射出開口幅は、前記第１反射面と前記第３反射面との交線に平行な第１の方向よりも、前記第１反射面と平行で前記第１反射面と前記第３反射面との交線に垂直な第２の方向において、大きくなっている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記画像表示装置の有効サイズは、前記第１の方向よりも前記第２の方向において大きくなっている、請求項３に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
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４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記閉じ込め方向は、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５に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記第４反射面に、ハーフミラーが施されており、前記第４反射面に対向する透過面を有する楔状の光透過部材をさらに備える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記光透過部材は、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７に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記導光部材は、射出成型によって独立して一体的に成型される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記導光部材は、熱重合型の樹脂材料によって成型される、請求項９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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１６３６６０（Ｐ２０１２−１６３６６０Ａ）
【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２０１１−２２４４５（Ｐ２０１１−２２４４５）
【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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