虚像表示装置
【課題】シースルー観察を可能にすることができ、ゴースト光が観察されることを抑制できる虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】光透過部材23の第1面23aが、第4反射面21dと透過面23cとを通過した画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて内面反射する。これにより、例えばハーフミラー層28を設けた第4反射面21dを通過して光透過部材23に達したゴースト光は、この光透過部材23の第1面23aによって適宜処理され、かかるゴーストが導光部材21に戻されたり、観察者の眼EYに入射したりすることを抑制できる。つまり、光透過部材23の第1面23aによって、ゴースト光が眼EYに到達することを抑制でき、良好なシースルー観察が可能になる。
【解決手段】光透過部材23の第1面23aが、第4反射面21dと透過面23cとを通過した画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて内面反射する。これにより、例えばハーフミラー層28を設けた第4反射面21dを通過して光透過部材23に達したゴースト光は、この光透過部材23の第1面23aによって適宜処理され、かかるゴーストが導光部材21に戻されたり、観察者の眼EYに入射したりすることを抑制できる。つまり、光透過部材23の第1面23aによって、ゴースト光が眼EYに到達することを抑制でき、良好なシースルー観察が可能になる。
【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(例えばプリズムの追加)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、導光部材に透視用のプリズム部材を接続した場合、かかる部材によってゴースト光が発生し、ゴースト光が眼に到達しやすくなる。すなわち、導光部材で導光された画像光が透視用のプリズム部材に入射し、当該プリズム部材の外光側の内面で反射されて導光部材に戻される。このようなプリズム部材の内面反射光は、ゴースト光として導光部材を経て画像光とともに眼に到達する傾向がある。
【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、シースルー観察を可能にすることができ、ゴースト光が観察されることを抑制して高品位の虚像を得ることが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投射する投射光学系と、(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一体的なブロック状の導光部材と、(d)導光部材と組み合わせることによって外界光の観察を可能にする光透過部材とを備え、(e)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、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、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、(f)第4反射面には、ハーフミラーが施されており、(g)光透過部材は、導光部材の第4反射面に対向する透過面と、導光部材の第2反射面に隣接して第2反射面の延長平面に略沿って配置されるとともに透過面に対して鋭角をなす表側面とを少なくとも有し、(h)表側面は、第4反射面と透過面とを通過した画像光を第4反射面の領域外に向けて反射する。
【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。この際、導光部材が多面体状の外形を有するものとして一体的に高精度で作製可能になり、かかる導光部材を介して虚像を高精度で観察可能になる。また、導光部材と光透過部材とを組み合わせることによって、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、光透過部材に設けた上述の表側面は、第4反射面と透過面とを通過した画像光を第4反射面の領域外に向けて内面反射するので、例えばハーフミラー層等である第4反射面のハーフミラーを通過して光透過部材に達したゴースト光は、この光透過部材の表側面によって適宜処理され、かかるゴーストが光導部材に戻されたり、観察者の眼に入射したりすることを抑制できる。
【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、光透過部材の表側面が、導光方向の奥側において第2反射面よりも外界側に突出するように、導光部材の第2反射面に対して所定の傾斜角だけ傾斜して配置された平面である。この場合、かかる表側面の傾斜によって、第4反射面のハーフミラーを通過しこの表側面で内面反射された光束が第4反射面から逸らされることになり、かかる光束が画像光と位置ずれした状態で重畳表示されることを防止できる。
【0013】
本発明の別の側面では、導光部材の第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、導光部材の第1反射面に対する第4反射面の角度をβとして、表側面が第2反射面に対して傾斜する所定の傾斜角δが、以下の関係
δ≧(90°−γ2−β)÷2 … (1)
を満たす。これにより、上記表側面で反射された光束を第4反射面外に確実に導くことができる。
【0014】
本発明のさらに別の側面では、光透過部材の表側面が、導光部材の第2反射面に対して略平行であり、第2反射面よりも外界側に所定の突出量だけ突出するように配置された平面である。この場合、かかる表側面の突出によって、第4反射面のハーフミラーを通過しこの表側面で内面反射された光束が第4反射面から逸らされることになり、かかる光束が画像光と位置ずれした状態で重畳表示されることを防止できる。
【0015】
本発明のさらに別の側面では、導光部材の第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、導光部材の第1反射面に対する第4反射面の角度をβとし、第1及び第2反射面の間隔をtとして、表側面が第2反射面よりも突出する所定の突出量Sは、以下の関係
S≧t×{1−tan(γ2)×tanβ}
÷{2tan(γ2)×tanβ} … (2)
を満たす。これにより、上記表側面で反射された光束を第4反射面外に確実に導くことができる。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と光透過部材とが、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される。この場合、射出成型技術を利用して導光装置や光透過部材を高精度で量産することができる。
【0019】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と光透過部材とが、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される。この場合、樹脂によって軽量化や安全性を高めることができ、熱硬化によって安定した高精度の成型が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【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及び第2反射面の構造を説明する図であり、(C)は、導光部材の光射出部における第4反射面の構造を説明する図である。
【図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2つの部分画像を説明する図である。
【図7】導光装置におけるゴースト光の処理を説明する拡大図である。
【図8】比較例におけるゴースト光の観察を説明する拡大図である。
【図9】導光装置を変更した変形例の虚像表示装置を説明する拡大図である。
【図10】(A)は、変形例における画像光の導光状態を説明する図であり、(B)は、変形例における液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。
【図11】導光部材に稜を除去するような端面を設けている理由を説明する図である。
【図12】図2(A)等に示す導光部材の変形例を説明する図である。
【図13】第2実施形態の虚像表示装置における導光装置を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
〔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。
【0022】
〔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。
【0023】
〔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。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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
液晶表示デバイス32において、第1方向D1は、投射光学系12を通る第1光軸AX1と、後述する導光部材21の第3反射面21cに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第2方向D2は、上記第1光軸AX1と、上記第3反射面21cの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、第1方向D1は、後述する導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとの交線CLに平行な方向であり、第2方向D2は、上記第1反射面21aの平面と平行であり、上記第1反射面21aと第3反射面21cとの交線CLに垂直な方向となっている。つまり、液晶表示デバイス32の位置において、第1方向D1は、縦のY方向に相当し、第2方向D2は、横のX方向に相当する。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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層25を有し保護層26で被覆されている(図3(A)参照)。このミラー層25は、全反射のコーティングであり、導光部材21の斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。
【0032】
導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。第1及び第2反射面21a,21bの間隔すなわち導光部材21の厚みtは、例えば9mm程度とされている。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。ただし、第1及び第2反射面21a,21bは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層27で被覆されている(図3(B)参照)。このハードコート層27は、導光部材21の平坦面FS上にUV硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置20の奥側即ち光射出部B3を設けた−X側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
【0033】
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、通常ハードコート層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。
【0034】
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、ハーフミラーとしてハーフミラー層28を有している(図3(C)参照)。このハーフミラー層28は、光透過性を有する反射膜であり、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、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。
【0035】
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。
【0036】
光透過部材23は、導光部材21の本体と同一の屈折率を有するプリズム状の部材であり、側面として、第1面(表側面)23aと、第2面(裏側面)23bと、透過面23cとを有する。第1面23aは、XY面に対して僅かな傾斜角を有し、第2面23bは、XY面に沿って延びる。また、透過面23cは、XY面に対して比較的大きく傾斜しており、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。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。
【0037】
光透過部材23の形状について詳細に説明すると、第1面(表側面)23aは、導光部材21の表側に設けた第2反射面21bに隣接して第2反射面21bの延長平面Pに略沿って配置された光透過性の平坦面であり、観察者の眼EYから遠い表側にある。ここで、延長平面Pは、第2反射面21bを延長したXY平面に平行な平面である。第1面23aは、正確には、第2反射面(表側面)21bや延長平面Pに対して微小な張出角(傾斜角)δだけ傾斜しており、導光方向の奥側(−X側)において第2反射面21bよりも外界側に突出している。このように、第1面23aは、第2反射面21bから延びる延長平面Pを基準として、縦のY軸まわりに角δだけ回転して横のX方向に関して傾斜しているが、横のX軸まわりには回転しておらず縦のY方向には傾斜していない。一方、第2面(裏側面)23bは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に平行に配置され、観察者の眼EYに近い裏側にある。透過面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と透過面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よりも大きな値β+δとなっており、第2面23bと透過面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と等しくなっている。なお、第1面23aと第2面23bとは、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bと同様に、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層で被覆したものとすることができる。
【0038】
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。透過面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、透過面23c等を通過する外界光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。
【0039】
以上の光透過部材23において、XY面に対して張出角(傾斜角)δだけ僅かに傾斜した第1面23aは、後に詳述するが、導光部材21からハーフミラー層28を介して光透過部材23に一旦入射した光束が再度ハーフミラー層28を通過して導光部材21に戻されることによってゴースト光となってしまうことを防止する役割を有している。
【0040】
〔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。
【0041】
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。
【0042】
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4(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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
〔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。
【0047】
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。
【0048】
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2反射角γ2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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
以上では、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出された画像光GL11,GL12の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計3回で、液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出された画像光GL21,GL22の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計5回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材21の外形(すなわち厚みt、距離D、鋭角α,β)の調整によって、画像光GL11,GL12の全反射回数を計5回とし、画像光GL21,GL22の全反射回数を計7回とすることもできる。また、以上では、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ISと光射出面OSとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材21を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が偶数となる。
【0053】
〔E.ゴースト光の発生防止〕
図7は、光透過部材23におけるゴースト光の発生防止を説明する拡大図である。
【0054】
導光部材21の光射出部B3において、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLは、第4反射面21dで反射されて光射出面OSを通過する。この際、第4反射面21dがハーフミラーとなっていることから、画像光GLは、第4反射面21dを例えば80%程度の強度で通過してゴースト光となる可能性がある。すなわち、図8に示す比較例の光透過部材123の場合、第4反射面21dを通過した不要の画像光GGは、第1面23aで反射されるが、この画像光GLは、第4反射面21dを再度通過し、第4反射面21dや第1反射面21aを経てゴースト光GGとなる。なお、ゴースト光GGは、接着精度等に由来して第1面23aを第2反射面21bに対して厳密に平行に形成することが容易でないことに起因して、画像光GLに対して僅かな角度ズレを有するものとなっているため、画像光GLに対する滲みや2重像として観察される。このようなゴースト光GGの発生を防止するため、本実施形態では、第1面23aを第2反射面21bに対して適度に傾斜させることにより、第1面23aでの反射光が第4反射面21dを通過しないように設定している。つまり、第1面23aを標準的な状態から傾けることにより、第1面23aが第4反射面21dからの画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて反射することになり、導光部材21から光透過部材23に漏れた画像光が導光部材21に戻されてゴースト光GGとなることを防止できる。
【0055】
以下、光透過部材23の第1面23aに設定される具体的な張出角(傾斜角)δについて説明する。上記のように第4反射面21dから再入射するタイプのゴースト光GGは、導光部材21で伝搬される画像光GLのうち、第2表示点P2に代表される眼EYに対して右側から入射する画像光GLd,GLf、すなわち反射回数が多く全反射角が小さいものである。よって、光透過部材23の第1面23aのうち、導光部材21の第2反射面21bに隣接する位置からの反射光RLがXY面に対して第4反射面21dよりも傾きが小さいものであれば、第1面23aでの反射光RLが第4反射面21dを通過して有害なゴースト光となること防止できると考えられる。ここで、導光部材21において、相対的に反射回数が多く相対的に小さな全反射角はγ2であり、第4反射面21dの傾斜角がβであるので、大きな全反射角γ2で第1面23aに入射した画像光が第4反射面21d程度かそれよりも浅い角度で反射されればよく、δ+γ2≧90°−(δ+β)の関係がなりたつ。つまり、次式
δ≧(90°−γ2−β)÷2 … (1)
を満たすように第1面23aの張出角δを調整することにより、ゴースト光GGが眼EYに入射することを回避できる。具体例で説明すると、全反射角γ2は例えば47°であり、第4反射面21dの傾斜角βが例えば27°であるとすると、上記関係式(1)から、δ≧8°となる。
【0056】
〔F.変形例等〕
図9は、図7等に示す導光装置20の変形例を説明する図である。図示の導光装置120は、導光部材21と光透過部材23とを前面側から覆う光透過性の平坦化部材24を有する。この平坦化部材24は、導光部材21の第2反射面21bと光透過部材23の第1面23aとに、空気又は低屈折率材料を介して対向している。この場合、外界光GL'の屈折が少なく、シースルーによる観察がより自然になる。
【0057】
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観察される。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。図10のようにモードが並存する場合、最小の全反射角γ3が基準になり、次式
δ≧(90°−γ3−β)÷2 … (1')
を満たすように第1面23aの張出角δを調整することになる。
【0058】
図11は、図2(A)等に示す導光部材21に稜を除去するような端面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。
【0059】
図12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、あるいは3回未満の反射で導光部B2を通過する画像光等である不要光HLが第4反射面21dで2度以上反射されて観察者の眼EYに入射すること等を防止することができ、ゴースト光GGが観察者の眼EYに入射することを防止することが可能となる。
【0060】
〔G.第1実施形態のむすび〕
以上説明した実施形態の虚像表示装置100では、光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLが導光部の第1及び第2反射面21a,21bで全反射されつつ伝搬され、光射出部B3の第4反射面21dで反射されて虚像として観察者の眼EYに入射する。この際、画像表示装置11の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出される第1画像光GL11,GL12の導光部における反射回数と、画像表示装置11の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出される第2画像光GL21,GL22の導光部B2における反射回数とが異なるので、光射出部B3から射出される画像光GLの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置11における異なる表示領域又は部分領域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。
【0061】
また、上記実施形態の虚像表示装置100では、光透過部材23の第1面(表側面)23aが、第2反射面21bに対して導光方向の奥側(−X側)で外界側に突出するように傾いており、第4反射面21dと透過面23cとを通過した画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて内面反射する。これにより、例えばハーフミラー層28を設けた第4反射面21dを通過して光透過部材23に達したゴースト光は、この光透過部材23の第1面23aによって適宜処理され、かかるゴーストが導光部材21に戻されたり、観察者の眼EYに入射したりすることを抑制できる。つまり、光透過部材23の第1面23aによって、ゴースト光が眼EYに到達することを抑制でき、良好なシースルー観察が可能になる。
【0062】
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第1実施形態の虚像表示装置は、図2等に示す第1表示装置100Aの導光装置20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。
【0063】
図13は、第2実施形態の虚像表示装置に用いられる導光装置の要部を説明する図である。図示の導光装置20は、導光部材21と光透過部材223とを備える。ここで、光透過部材223は、図7に示す光透過部材23と異なり、互いに平行な第1面(表側面)223aと第2面(裏側面)23bとを有する。ここで、第1面(表側面)223aは、導光部材21に設けた第2反射面21bに隣接して第2反射面21bの延長平面Pに略沿って配置され、観察者の眼EYから遠い表側にある。より正確には、第1面223aは、第2反射面21bに対して平行であり、かつ、第2反射面21bよりも外界側に突出している。つまり、第1面223aは、XY面に平行に延びているが、第1面223aと第2面23bとの間隔t'は、第1及び第2反射面21a,21bの間隔である導光部材21の厚みtよりも大きくなっている。結果的に、光透過部材223の表側には、段差23kが形成されている。
【0064】
本実施形態の場合、光透過部材223に設けた段差23kの大きさの調節により、第1面(表側面)223aでの反射光が第4反射面21dを通過しないように設定している。つまり、第1面(表側面)223aを標準的な位置から突出させることにより、第1面23aが第4反射面21dからの画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて反射することになり、導光部材21から光透過部材23に漏れた画像光が導光部材21に戻されることを防止できる。これにより、図8の比較例に示すようなゴースト光GGの発生を防止することができる。
【0065】
以下、光透過部材23の第1面223aに設定される具体的な段差量(突出量)Sについて説明する。上記のように第4反射面21dから再入射するタイプのゴースト光GGは、導光部材21で伝搬される画像光GLのうち、反射回数が多く全反射角が小さいものである。よって、光透過部材23の第1面223aのうち、導光部材21の第2反射面21bに隣接する位置からの反射光RLが第4反射面21dの外側に外れるようにすれば、第1面223aでの反射光RLが第4反射面21dを通過して有害なゴースト光となること防止できると考えられる。言い換えるならば、第4反射面21dのX方向の横幅をaとし、反射光RLが第1面223aから第2面23bに至るまでのX方向の間隔をbとして、b≧aの関係が満たされる必要がある。ここで、相対的に反射回数が多く相対的に小さな全反射角はγ2であり、第4反射面21dの傾斜角がβであり、導光部材21の厚みがtであるので、a=t/tanβであり、b=S×tan(γ2)+(S+t)×tan(γ2)となり、S×tan(γ2)+(S+t)×tan(γ2)≧t/tanβの関係がなりたつ。つまり、次式
S≧t×{1−tan(γ2)×tanβ}/{2tan(γ2)×tanβ} … (2)
を満たすように第1面223aの突出量すなわち段差量Sを調整することにより、ゴースト光GGが眼EYに入射することを回避できる。具体例で説明すると、全反射角γ2は例えば47°であり、第4反射面21dの傾斜角βが例えば27°であり、導光部材21の厚みtが10mmであるとすると、上記関係式(2)から、S≧4.1mmとなる。
【0066】
なお、光透過部材223の第1面223aに形成する段差23kについては、必要な光路ズレを生じさせる段差量Sが確保されていればよいので、図13に点線で示すような面取り23pを設けることもできる。
【0067】
上記第2実施形態の虚像表示装置100では、光透過部材23の第1面(表側面)223aが、第2反射面21bに平行で第2反射面21bよりも外界側に突出しており、第4反射面21dと透過面23cとを通過した画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて内面反射する。これにより、例えばハーフミラー層28を設けた第4反射面21dを通過して光透過部材23に達したゴースト光は、この光透過部材23の第1面23aによって適宜処理され、かかるゴーストが導光部材21に戻されたり、観察者の眼EYに入射したりすることを抑制できる。つまり光透過部材23の第1面23aによって、ゴースト光が眼EYに到達することを抑制でき、良好なシースルー観察が可能になる。
〔その他の変形例〕
【0068】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0069】
上記実施形態では、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23,223の透過面23c上にハーフミラー層28を形成することができ、この場合も、ハーフミラー層28を実質的に第4反射面21dとして機能させることができる。
【0070】
上記実施形態では、光透過部材23,223において第1面23a,223aに対向して第2面23bを設けているが、第2面23bについては省略することもできる。
【0071】
上記実施形態では、光透過部材23において、第2反射面21bに対して微小角で傾斜する第1面(表側面)23aを設け、光透過部材223において、第2反射面21bに対して微小段差で突出する第1面(表側面)223aを設けているが、これらを複合して、第2反射面21bから微小段差で突出するとともに微小角で傾斜する第1面を光透過部材23の表側面とすることができる。
【0072】
光透過部材23の形状は、導光部材21を横すなわち−X方向に延長するだけのものに限らず、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6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。なお、光透過部材23の第1面23aと第2面23bについても、全体又は一部を多少透過性のあるミラーによってコートすることができる。
【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、 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、 C1…透視補助部、 C2…テーパー部、 C3…光散乱部、 C4…光吸収部、 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…第1表示点、 P2…第2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(例えばプリズムの追加)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、導光部材に透視用のプリズム部材を接続した場合、かかる部材によってゴースト光が発生し、ゴースト光が眼に到達しやすくなる。すなわち、導光部材で導光された画像光が透視用のプリズム部材に入射し、当該プリズム部材の外光側の内面で反射されて導光部材に戻される。このようなプリズム部材の内面反射光は、ゴースト光として導光部材を経て画像光とともに眼に到達する傾向がある。
【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、シースルー観察を可能にすることができ、ゴースト光が観察されることを抑制して高品位の虚像を得ることが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投射する投射光学系と、(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一体的なブロック状の導光部材と、(d)導光部材と組み合わせることによって外界光の観察を可能にする光透過部材とを備え、(e)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、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、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、(f)第4反射面には、ハーフミラーが施されており、(g)光透過部材は、導光部材の第4反射面に対向する透過面と、導光部材の第2反射面に隣接して第2反射面の延長平面に略沿って配置されるとともに透過面に対して鋭角をなす表側面とを少なくとも有し、(h)表側面は、第4反射面と透過面とを通過した画像光を第4反射面の領域外に向けて反射する。
【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。この際、導光部材が多面体状の外形を有するものとして一体的に高精度で作製可能になり、かかる導光部材を介して虚像を高精度で観察可能になる。また、導光部材と光透過部材とを組み合わせることによって、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、光透過部材に設けた上述の表側面は、第4反射面と透過面とを通過した画像光を第4反射面の領域外に向けて内面反射するので、例えばハーフミラー層等である第4反射面のハーフミラーを通過して光透過部材に達したゴースト光は、この光透過部材の表側面によって適宜処理され、かかるゴーストが光導部材に戻されたり、観察者の眼に入射したりすることを抑制できる。
【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、光透過部材の表側面が、導光方向の奥側において第2反射面よりも外界側に突出するように、導光部材の第2反射面に対して所定の傾斜角だけ傾斜して配置された平面である。この場合、かかる表側面の傾斜によって、第4反射面のハーフミラーを通過しこの表側面で内面反射された光束が第4反射面から逸らされることになり、かかる光束が画像光と位置ずれした状態で重畳表示されることを防止できる。
【0013】
本発明の別の側面では、導光部材の第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、導光部材の第1反射面に対する第4反射面の角度をβとして、表側面が第2反射面に対して傾斜する所定の傾斜角δが、以下の関係
δ≧(90°−γ2−β)÷2 … (1)
を満たす。これにより、上記表側面で反射された光束を第4反射面外に確実に導くことができる。
【0014】
本発明のさらに別の側面では、光透過部材の表側面が、導光部材の第2反射面に対して略平行であり、第2反射面よりも外界側に所定の突出量だけ突出するように配置された平面である。この場合、かかる表側面の突出によって、第4反射面のハーフミラーを通過しこの表側面で内面反射された光束が第4反射面から逸らされることになり、かかる光束が画像光と位置ずれした状態で重畳表示されることを防止できる。
【0015】
本発明のさらに別の側面では、導光部材の第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、導光部材の第1反射面に対する第4反射面の角度をβとし、第1及び第2反射面の間隔をtとして、表側面が第2反射面よりも突出する所定の突出量Sは、以下の関係
S≧t×{1−tan(γ2)×tanβ}
÷{2tan(γ2)×tanβ} … (2)
を満たす。これにより、上記表側面で反射された光束を第4反射面外に確実に導くことができる。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と光透過部材とが、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される。この場合、射出成型技術を利用して導光装置や光透過部材を高精度で量産することができる。
【0019】
本発明のさらに別の側面では、導光部材と光透過部材とが、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される。この場合、樹脂によって軽量化や安全性を高めることができ、熱硬化によって安定した高精度の成型が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【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及び第2反射面の構造を説明する図であり、(C)は、導光部材の光射出部における第4反射面の構造を説明する図である。
【図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2つの部分画像を説明する図である。
【図7】導光装置におけるゴースト光の処理を説明する拡大図である。
【図8】比較例におけるゴースト光の観察を説明する拡大図である。
【図9】導光装置を変更した変形例の虚像表示装置を説明する拡大図である。
【図10】(A)は、変形例における画像光の導光状態を説明する図であり、(B)は、変形例における液晶表示デバイスの虚像を概念的に説明する図である。
【図11】導光部材に稜を除去するような端面を設けている理由を説明する図である。
【図12】図2(A)等に示す導光部材の変形例を説明する図である。
【図13】第2実施形態の虚像表示装置における導光装置を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
〔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。
【0022】
〔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。
【0023】
〔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。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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
液晶表示デバイス32において、第1方向D1は、投射光学系12を通る第1光軸AX1と、後述する導光部材21の第3反射面21cに平行な特定線とを含む縦断面の延びる方向に対応し、第2方向D2は、上記第1光軸AX1と、上記第3反射面21cの法線とを含む横断面の延びる方向に対応する。言い換えれば、第1方向D1は、後述する導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとの交線CLに平行な方向であり、第2方向D2は、上記第1反射面21aの平面と平行であり、上記第1反射面21aと第3反射面21cとの交線CLに垂直な方向となっている。つまり、液晶表示デバイス32の位置において、第1方向D1は、縦のY方向に相当し、第2方向D2は、横のX方向に相当する。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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための矩形の全反射ミラーであり、ミラー層25を有し保護層26で被覆されている(図3(A)参照)。このミラー層25は、全反射のコーティングであり、導光部材21の斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。
【0032】
導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。第1及び第2反射面21a,21bの間隔すなわち導光部材21の厚みtは、例えば9mm程度とされている。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていない。ただし、第1及び第2反射面21a,21bは、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層27で被覆されている(図3(B)参照)。このハードコート層27は、導光部材21の平坦面FS上にUV硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等をディップ処理やスプレーコート処理によって成膜することによって形成される。光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光装置20の奥側即ち光射出部B3を設けた−X側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
【0033】
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、通常ハードコート層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。
【0034】
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、ハーフミラーとしてハーフミラー層28を有している(図3(C)参照)。このハーフミラー層28は、光透過性を有する反射膜であり、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、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。
【0035】
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。
【0036】
光透過部材23は、導光部材21の本体と同一の屈折率を有するプリズム状の部材であり、側面として、第1面(表側面)23aと、第2面(裏側面)23bと、透過面23cとを有する。第1面23aは、XY面に対して僅かな傾斜角を有し、第2面23bは、XY面に沿って延びる。また、透過面23cは、XY面に対して比較的大きく傾斜しており、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。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。
【0037】
光透過部材23の形状について詳細に説明すると、第1面(表側面)23aは、導光部材21の表側に設けた第2反射面21bに隣接して第2反射面21bの延長平面Pに略沿って配置された光透過性の平坦面であり、観察者の眼EYから遠い表側にある。ここで、延長平面Pは、第2反射面21bを延長したXY平面に平行な平面である。第1面23aは、正確には、第2反射面(表側面)21bや延長平面Pに対して微小な張出角(傾斜角)δだけ傾斜しており、導光方向の奥側(−X側)において第2反射面21bよりも外界側に突出している。このように、第1面23aは、第2反射面21bから延びる延長平面Pを基準として、縦のY軸まわりに角δだけ回転して横のX方向に関して傾斜しているが、横のX軸まわりには回転しておらず縦のY方向には傾斜していない。一方、第2面(裏側面)23bは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に平行に配置され、観察者の眼EYに近い裏側にある。透過面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と透過面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よりも大きな値β+δとなっており、第2面23bと透過面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と等しくなっている。なお、第1面23aと第2面23bとは、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bと同様に、表面の損傷を防止し映像の解像度低下を防止するため、ハードコート層で被覆したものとすることができる。
【0038】
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。透過面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、透過面23c等を通過する外界光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。
【0039】
以上の光透過部材23において、XY面に対して張出角(傾斜角)δだけ僅かに傾斜した第1面23aは、後に詳述するが、導光部材21からハーフミラー層28を介して光透過部材23に一旦入射した光束が再度ハーフミラー層28を通過して導光部材21に戻されることによってゴースト光となってしまうことを防止する役割を有している。
【0040】
〔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。
【0041】
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。
【0042】
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4(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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
〔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。
【0047】
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。
【0048】
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2反射角γ2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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
以上では、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出された画像光GL11,GL12の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計3回で、液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出された画像光GL21,GL22の第1及び第2反射面21a,21bによる全反射回数が計5回であるとしたが、全反射回数については適宜変更することができる。つまり、導光部材21の外形(すなわち厚みt、距離D、鋭角α,β)の調整によって、画像光GL11,GL12の全反射回数を計5回とし、画像光GL21,GL22の全反射回数を計7回とすることもできる。また、以上では、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が奇数となっているが、光入射面ISと光射出面OSとを反対側に配置するならば、すなわち導光部材21を平面視で平行四辺形型にすれば、画像光GL11,GL12,GL21,GL22の全反射回数が偶数となる。
【0053】
〔E.ゴースト光の発生防止〕
図7は、光透過部材23におけるゴースト光の発生防止を説明する拡大図である。
【0054】
導光部材21の光射出部B3において、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLは、第4反射面21dで反射されて光射出面OSを通過する。この際、第4反射面21dがハーフミラーとなっていることから、画像光GLは、第4反射面21dを例えば80%程度の強度で通過してゴースト光となる可能性がある。すなわち、図8に示す比較例の光透過部材123の場合、第4反射面21dを通過した不要の画像光GGは、第1面23aで反射されるが、この画像光GLは、第4反射面21dを再度通過し、第4反射面21dや第1反射面21aを経てゴースト光GGとなる。なお、ゴースト光GGは、接着精度等に由来して第1面23aを第2反射面21bに対して厳密に平行に形成することが容易でないことに起因して、画像光GLに対して僅かな角度ズレを有するものとなっているため、画像光GLに対する滲みや2重像として観察される。このようなゴースト光GGの発生を防止するため、本実施形態では、第1面23aを第2反射面21bに対して適度に傾斜させることにより、第1面23aでの反射光が第4反射面21dを通過しないように設定している。つまり、第1面23aを標準的な状態から傾けることにより、第1面23aが第4反射面21dからの画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて反射することになり、導光部材21から光透過部材23に漏れた画像光が導光部材21に戻されてゴースト光GGとなることを防止できる。
【0055】
以下、光透過部材23の第1面23aに設定される具体的な張出角(傾斜角)δについて説明する。上記のように第4反射面21dから再入射するタイプのゴースト光GGは、導光部材21で伝搬される画像光GLのうち、第2表示点P2に代表される眼EYに対して右側から入射する画像光GLd,GLf、すなわち反射回数が多く全反射角が小さいものである。よって、光透過部材23の第1面23aのうち、導光部材21の第2反射面21bに隣接する位置からの反射光RLがXY面に対して第4反射面21dよりも傾きが小さいものであれば、第1面23aでの反射光RLが第4反射面21dを通過して有害なゴースト光となること防止できると考えられる。ここで、導光部材21において、相対的に反射回数が多く相対的に小さな全反射角はγ2であり、第4反射面21dの傾斜角がβであるので、大きな全反射角γ2で第1面23aに入射した画像光が第4反射面21d程度かそれよりも浅い角度で反射されればよく、δ+γ2≧90°−(δ+β)の関係がなりたつ。つまり、次式
δ≧(90°−γ2−β)÷2 … (1)
を満たすように第1面23aの張出角δを調整することにより、ゴースト光GGが眼EYに入射することを回避できる。具体例で説明すると、全反射角γ2は例えば47°であり、第4反射面21dの傾斜角βが例えば27°であるとすると、上記関係式(1)から、δ≧8°となる。
【0056】
〔F.変形例等〕
図9は、図7等に示す導光装置20の変形例を説明する図である。図示の導光装置120は、導光部材21と光透過部材23とを前面側から覆う光透過性の平坦化部材24を有する。この平坦化部材24は、導光部材21の第2反射面21bと光透過部材23の第1面23aとに、空気又は低屈折率材料を介して対向している。この場合、外界光GL'の屈折が少なく、シースルーによる観察がより自然になる。
【0057】
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観察される。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。図10のようにモードが並存する場合、最小の全反射角γ3が基準になり、次式
δ≧(90°−γ3−β)÷2 … (1')
を満たすように第1面23aの張出角δを調整することになる。
【0058】
図11は、図2(A)等に示す導光部材21に稜を除去するような端面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。
【0059】
図12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、あるいは3回未満の反射で導光部B2を通過する画像光等である不要光HLが第4反射面21dで2度以上反射されて観察者の眼EYに入射すること等を防止することができ、ゴースト光GGが観察者の眼EYに入射することを防止することが可能となる。
【0060】
〔G.第1実施形態のむすび〕
以上説明した実施形態の虚像表示装置100では、光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLが導光部の第1及び第2反射面21a,21bで全反射されつつ伝搬され、光射出部B3の第4反射面21dで反射されて虚像として観察者の眼EYに入射する。この際、画像表示装置11の第1表示点P1を含む第1部分領域A10から射出される第1画像光GL11,GL12の導光部における反射回数と、画像表示装置11の第2表示点P2を含む第2部分領域A20から射出される第2画像光GL21,GL22の導光部B2における反射回数とが異なるので、光射出部B3から射出される画像光GLの射出角度の角度幅を広くとることができる。つまり、画像表示装置11における異なる表示領域又は部分領域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。
【0061】
また、上記実施形態の虚像表示装置100では、光透過部材23の第1面(表側面)23aが、第2反射面21bに対して導光方向の奥側(−X側)で外界側に突出するように傾いており、第4反射面21dと透過面23cとを通過した画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて内面反射する。これにより、例えばハーフミラー層28を設けた第4反射面21dを通過して光透過部材23に達したゴースト光は、この光透過部材23の第1面23aによって適宜処理され、かかるゴーストが導光部材21に戻されたり、観察者の眼EYに入射したりすることを抑制できる。つまり、光透過部材23の第1面23aによって、ゴースト光が眼EYに到達することを抑制でき、良好なシースルー観察が可能になる。
【0062】
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、第1実施形態の虚像表示装置は、図2等に示す第1表示装置100Aの導光装置20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。
【0063】
図13は、第2実施形態の虚像表示装置に用いられる導光装置の要部を説明する図である。図示の導光装置20は、導光部材21と光透過部材223とを備える。ここで、光透過部材223は、図7に示す光透過部材23と異なり、互いに平行な第1面(表側面)223aと第2面(裏側面)23bとを有する。ここで、第1面(表側面)223aは、導光部材21に設けた第2反射面21bに隣接して第2反射面21bの延長平面Pに略沿って配置され、観察者の眼EYから遠い表側にある。より正確には、第1面223aは、第2反射面21bに対して平行であり、かつ、第2反射面21bよりも外界側に突出している。つまり、第1面223aは、XY面に平行に延びているが、第1面223aと第2面23bとの間隔t'は、第1及び第2反射面21a,21bの間隔である導光部材21の厚みtよりも大きくなっている。結果的に、光透過部材223の表側には、段差23kが形成されている。
【0064】
本実施形態の場合、光透過部材223に設けた段差23kの大きさの調節により、第1面(表側面)223aでの反射光が第4反射面21dを通過しないように設定している。つまり、第1面(表側面)223aを標準的な位置から突出させることにより、第1面23aが第4反射面21dからの画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて反射することになり、導光部材21から光透過部材23に漏れた画像光が導光部材21に戻されることを防止できる。これにより、図8の比較例に示すようなゴースト光GGの発生を防止することができる。
【0065】
以下、光透過部材23の第1面223aに設定される具体的な段差量(突出量)Sについて説明する。上記のように第4反射面21dから再入射するタイプのゴースト光GGは、導光部材21で伝搬される画像光GLのうち、反射回数が多く全反射角が小さいものである。よって、光透過部材23の第1面223aのうち、導光部材21の第2反射面21bに隣接する位置からの反射光RLが第4反射面21dの外側に外れるようにすれば、第1面223aでの反射光RLが第4反射面21dを通過して有害なゴースト光となること防止できると考えられる。言い換えるならば、第4反射面21dのX方向の横幅をaとし、反射光RLが第1面223aから第2面23bに至るまでのX方向の間隔をbとして、b≧aの関係が満たされる必要がある。ここで、相対的に反射回数が多く相対的に小さな全反射角はγ2であり、第4反射面21dの傾斜角がβであり、導光部材21の厚みがtであるので、a=t/tanβであり、b=S×tan(γ2)+(S+t)×tan(γ2)となり、S×tan(γ2)+(S+t)×tan(γ2)≧t/tanβの関係がなりたつ。つまり、次式
S≧t×{1−tan(γ2)×tanβ}/{2tan(γ2)×tanβ} … (2)
を満たすように第1面223aの突出量すなわち段差量Sを調整することにより、ゴースト光GGが眼EYに入射することを回避できる。具体例で説明すると、全反射角γ2は例えば47°であり、第4反射面21dの傾斜角βが例えば27°であり、導光部材21の厚みtが10mmであるとすると、上記関係式(2)から、S≧4.1mmとなる。
【0066】
なお、光透過部材223の第1面223aに形成する段差23kについては、必要な光路ズレを生じさせる段差量Sが確保されていればよいので、図13に点線で示すような面取り23pを設けることもできる。
【0067】
上記第2実施形態の虚像表示装置100では、光透過部材23の第1面(表側面)223aが、第2反射面21bに平行で第2反射面21bよりも外界側に突出しており、第4反射面21dと透過面23cとを通過した画像光GLを第4反射面21dの領域外に向けて内面反射する。これにより、例えばハーフミラー層28を設けた第4反射面21dを通過して光透過部材23に達したゴースト光は、この光透過部材23の第1面23aによって適宜処理され、かかるゴーストが導光部材21に戻されたり、観察者の眼EYに入射したりすることを抑制できる。つまり光透過部材23の第1面23aによって、ゴースト光が眼EYに到達することを抑制でき、良好なシースルー観察が可能になる。
〔その他の変形例〕
【0068】
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【0069】
上記実施形態では、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23,223の透過面23c上にハーフミラー層28を形成することができ、この場合も、ハーフミラー層28を実質的に第4反射面21dとして機能させることができる。
【0070】
上記実施形態では、光透過部材23,223において第1面23a,223aに対向して第2面23bを設けているが、第2面23bについては省略することもできる。
【0071】
上記実施形態では、光透過部材23において、第2反射面21bに対して微小角で傾斜する第1面(表側面)23aを設け、光透過部材223において、第2反射面21bに対して微小段差で突出する第1面(表側面)223aを設けているが、これらを複合して、第2反射面21bから微小段差で突出するとともに微小角で傾斜する第1面を光透過部材23の表側面とすることができる。
【0072】
光透過部材23の形状は、導光部材21を横すなわち−X方向に延長するだけのものに限らず、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6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。なお、光透過部材23の第1面23aと第2面23bについても、全体又は一部を多少透過性のあるミラーによってコートすることができる。
【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、 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、 C1…透視補助部、 C2…テーパー部、 C3…光散乱部、 C4…光吸収部、 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…第1表示点、 P2…第2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投射する投射光学系と、
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一体的なブロック状の導光部材と、
前記導光部材と組み合わせることによって外界光の観察を可能にする光透過部材とを備え、
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、
前記第4反射面には、ハーフミラーが施されており、
前記光透過部材は、前記導光部材の前記第4反射面に対向する透過面と、前記導光部材の前記第2反射面に隣接して前記第2反射面の延長平面に略沿って配置されるとともに前記透過面に対して鋭角をなす表側面とを少なくとも有し、
前記表側面は、前記第4反射面と前記透過面とを通過した画像光を前記第4反射面の領域外に向けて反射する、
虚像表示装置。
【請求項2】
前記光透過部材の前記表側面は、導光方向の奥側において前記第2反射面よりも外界側に突出するように、前記導光部材の前記第2反射面に対して所定の傾斜角だけ傾斜して配置された平面である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記導光部材の前記第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、前記導光部材の前記第1反射面に対する前記第4反射面の角度をβとして、前記表側面が前記第2反射面に対して傾斜する前記所定の傾斜角δは、以下の関係
δ≧(90°−γ2−β)÷2
を満たす、請求項2に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記光透過部材の前記表側面は、前記導光部材の前記第2反射面に対して略平行であり、前記第2反射面よりも外界側に所定の突出量だけ突出するように配置された平面である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記導光部材の前記第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、前記導光部材の前記第1反射面に対する前記第4反射面の角度をβとし、前記第1及び第2反射面の間隔をtとして、前記表側面が前記第2反射面よりも突出する前記所定の突出量Sは、以下の関係
S≧t×{1−tan(γ2)×tanβ}/{2tan(γ2)×tanβ}
を満たす、請求項4に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記画像表示装置における第1表示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表示領域とは異なる第2表示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異なる、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6に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記導光部材と前記光透過部材とは、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項9】
前記導光部材と前記光透過部材とは、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される、請求項8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投射する投射光学系と、
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一体的なブロック状の導光部材と、
前記導光部材と組み合わせることによって外界光の観察を可能にする光透過部材とを備え、
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、
前記第4反射面には、ハーフミラーが施されており、
前記光透過部材は、前記導光部材の前記第4反射面に対向する透過面と、前記導光部材の前記第2反射面に隣接して前記第2反射面の延長平面に略沿って配置されるとともに前記透過面に対して鋭角をなす表側面とを少なくとも有し、
前記表側面は、前記第4反射面と前記透過面とを通過した画像光を前記第4反射面の領域外に向けて反射する、
虚像表示装置。
【請求項2】
前記光透過部材の前記表側面は、導光方向の奥側において前記第2反射面よりも外界側に突出するように、前記導光部材の前記第2反射面に対して所定の傾斜角だけ傾斜して配置された平面である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記導光部材の前記第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、前記導光部材の前記第1反射面に対する前記第4反射面の角度をβとして、前記表側面が前記第2反射面に対して傾斜する前記所定の傾斜角δは、以下の関係
δ≧(90°−γ2−β)÷2
を満たす、請求項2に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記光透過部材の前記表側面は、前記導光部材の前記第2反射面に対して略平行であり、前記第2反射面よりも外界側に所定の突出量だけ突出するように配置された平面である、請求項1に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記導光部材の前記第1及び第2反射面間において最も小さな全反射角で導光される光の全反射角をγ2とし、前記導光部材の前記第1反射面に対する前記第4反射面の角度をβとし、前記第1及び第2反射面の間隔をtとして、前記表側面が前記第2反射面よりも突出する前記所定の突出量Sは、以下の関係
S≧t×{1−tan(γ2)×tanβ}/{2tan(γ2)×tanβ}
を満たす、請求項4に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記画像表示装置における第1表示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表示領域とは異なる第2表示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異なる、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6に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記導光部材と前記光透過部材とは、射出成型によってそれぞれ独立して一体的に成型される、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項9】
前記導光部材と前記光透過部材とは、熱重合型の樹脂材料によってそれぞれ成型される、請求項8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2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2012−163663(P2012−163663A)
【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2011−22448(P2011−22448)
【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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