虚像表示装置
【課題】光量ロスを抑えつつ明るさムラによる画像の劣化を防いで、良好な状態で画像光を取り出すことのできる虚像表示装置を提供すること。
【解決手段】角度変換部２３において、横画角や瞳の大きさ等を考慮して、反射ユニット２３ｃの配列方向についての角度変換部２３の幅Ｌに関して眼ＥＹに画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部２３における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。
【解決手段】角度変換部２３において、横画角や瞳の大きさ等を考慮して、反射ユニット２３ｃの配列方向についての角度変換部２３の幅Ｌに関して眼ＥＹに画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部２３における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映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。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から外部に取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１参照）。また、同様の技術として、映像光を取り出すために、映像光を取り出す表側の面に対向する裏側の面に隣接して鋸歯状の部分を設け、当該鋸歯状の部分に映像光の角度を変化させるための反射層を形成するものも知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば特許文献１，２に用いられる導光板において、映像光の一部は複数の部分反射面を複数回通過した後に眼の方向に取り出されるため、映像光を導く方向に沿った位置に関して反射回数の差が生じ明るさムラが生じやすい。特に、部分反射面の通過回数が多くなることで、明るさムラが顕著になるとともに光量ロスが大きくなる可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、光量ロスを抑えつつ明るさムラによる画像の劣化を防いで、良好な状態で画像光を取り出すことの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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る第１の虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像形成装置と、（ｂ１）画像形成装置で形成された画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ２）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｂ３）所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、（ｂ４）角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を有する（ｂ）導光板と、を備える虚像表示装置であって、（ｃ）角度変換部が、複数の反射面の所定の配列方向に関して、設定された横画角に対応する基本横幅を観察者の瞳の大きさ及び動きのうち少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させて得られる瞳影響分修正横幅の２倍以下の幅を有する。ここで、所定の配列方向とは、複数の反射面の配列される方向を言い、例えば細長い反射面を長手方向について隣り合うように並べた場合の当該長手方向に垂直な方向を意味する。また、設定された横画角とは、虚像表示装置の仕様上観察者にとっての横方向に対応して設定される画角を言う。また、瞳の大きさとは、虹彩の大きさを言うものとする。虹彩は、水晶体の前方に位置する瞳孔の大きさを調節することで網膜に入る光の調節をしている。なお、以上において、「横」とは、上記所定の配列方向に関連して定まる方向を指しており、観察者を基準とする縦・横としての横とは必ずしも一致しない。
【０００７】
上記虚像表示装置では、角度変換部が、複数の反射面の所定の配列方向に関して、横画角に対応する基本横幅を少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させるように修正した瞳影響分修正横幅の２倍以下の幅を有する。この場合、角度変換部に対して、上記所定の配列方向に関しての横画角や瞳の大きさ等を考慮して眼に画像を取り込むために必要な条件の確保を可能にしつつ上限サイズを設定することで、角度変換部における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。なお、２倍以下の幅とすることで、上記上限サイズを設定しつつ、観察者の眼やその動きに個人差がある場合や、虚像表示装置の装着状態がずれた場合等の種々の使用状況に対応可能なものとなる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅が、１以上２以下の係数ｋとし、観察者の瞳の大きさの標準値をＡとし、角度変換部から観察者の眼までの距離をＳとし、横画角の半分の値である横半画角をθとして、
の式で与えられる。この場合、角度変換部の上記所定の配列方向に関する幅に上限サイズを設けることで、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことができ、かつ、下限サイズを設けることで、画像を取り込むのに十分な幅を有するものにして画像欠けの発生を防止することができる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅が、角度変換部から観察者の眼までの距離に横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθを掛けて２倍した値に、観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の値である。この場合、角度変換部の上記所定の配列方向に関する幅を必要最小限に制限することで、当該幅が過剰に増加することによる明るさムラの発生を確実に抑えることができる。なお、観察者の瞳の大きさ及び眼の動き量を加算することで、観察者の眼やその動きに個人差があっても、画像欠けの発生を防止できる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、角度変換部が、複数の反射面として、第１の反射面部分と第１の反射面部分に対して所定角度をなす第２の反射面部分とを１組としてそれぞれ有する複数の反射ユニットを備え、各反射ユニットにおいて、第１の反射面部分により導光部を経て入射する画像光を反射するとともに第２の反射面部分により第１の反射面部分で反射された画像光をさらに反射して外部へ取り出す。この場合、第１の反射面部分と第２の反射面部分との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅は、横画角が３５°以上である場合に、２０ｍｍ以上である。この場合、高画角な画像を形成することができる。
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係る第２の虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像形成装置と、（ｂ１）画像形成装置で形成された画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ２）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｂ３）所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、（ｂ４）角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を有する（ｂ）導光板と、を備える虚像表示装置であって、（ｃ）角度変換部が、光射出部から射出され観察者の瞳に入射する画像光の光束光軸に対して導光板での光入射側において、角度変換部から観察者の眼までの距離と設定された横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθとの積に、画像光を観察する観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の幅を有する。
【００１３】
上記虚像表示装置では、角度変換部が、観察者の瞳に入射する画像光の光束光軸に対して導光板での光入射側において、角度変換部から観察者の眼までの距離と横半画角の正接との積に観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した横幅以下の幅を有する。この場合、角度変換部のうち導光板での光入射側の部分に対して、横画角や瞳の大きさ等を考慮して眼に画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。さらに、観察者の瞳の大きさ及び眼の動き量の最大値を加算することで、観察者の眼やその動きに個人差があっても、画像欠けの発生を防止できる。なお、この場合、角度変換部から観察者の眼までの距離をＳとし、横半画角をθとし、画像光を観察する観察者の瞳の大きさである幅の最大値をＡｍａｘとし、観察者の眼の動き量の最大値をＢｍａｘとして、導光板での画像光の光束光軸から光入射側における角度変換部の幅Ｌｍが、
の関係を満たしていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）は、第１実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、導光板の正面図及び平面図である。
【図２】（Ａ）は、角度変換部の構造及び角度変換部における画像光の光路について説明するための模式的な図であり、（Ｂ）は、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、（Ｃ）は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。
【図３】（Ａ）は、角度変換部の横幅について説明するための図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、最大限動いた状態の眼について示す図である。
【図４】（Ａ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、（Ｂ）は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について説明する。
【００１６】
〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００１７】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。
【００１８】
画像形成装置１０は、画像表示素子である液晶デバイス１１と、光束形成用のコリメートレンズ１２とを備える。液晶デバイス１１は、光源（不図示）からの照明光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。コリメートレンズ１２は、液晶デバイス１１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。なお、コリメートレンズ１２のレンズ材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。
【００１９】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部である角度変換部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。
【００２０】
導光板２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端において導光板本体部２０ａに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部２３を有し、長手方向の他端において導光板本体部２０ａを拡張するように形成されたプリズム部ＰＳ及びこれに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００２１】
導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、そのプリズム部ＰＳの側面として光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部２３が形成されている。
【００２２】
導光板本体部２０ａの光入射面ＩＳに対向し傾斜して配置されるミラー層２１ａとしての入射光折曲部２１は、導光板本体部２０ａの上記斜面ＲＳ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として−Ｘ方向に向かう画像光を、全体として＋Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。
【００２３】
また、導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の角度変換部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を角度変換部２３に導くための導光部２２を有している。
【００２４】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射光折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａ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、導光板２０の奥側即ち角度変換部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。
【００２５】
導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される角度変換部２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部２３は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。角度変換部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。
【００２６】
なお、導光板本体部２０ａに用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。
【００２７】
導光板２０が以上のような構造を有することから、画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光板２０に入射した画像光は、入射光折曲部２１で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＯＡに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから外部に射出される。光射出面ＯＳから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
【００２８】
〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。図１（Ａ）に示すように、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（＋Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。なお、図中、導光板２０のＺ方向について、画像光の入射する光入射面ＩＳを有するプリズムＰＳが配置されている側（図１（Ａ）の右側）を光入射側と呼び、プリズムＰＳが配置されていない側（図１（Ａ）の左側）を反光入射側と呼ぶものとする。
【００２９】
コリメートレンズ１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶デバイス１１の射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角γ０で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角γ０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＹＺ面に対して垂直な光束光軸である光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。液晶デバイス１１の射出面１１ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、コリメートレンズ１２において画像光ＧＬ１とクロスして平行光束として光入射面ＩＳの＋Ｚ側に入射し入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角γ＋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、角度変換部２３のうち奥側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。液晶デバイス１１の射出面１１ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、コリメートレンズ１２において画像光ＧＬ１とクロスして平行光束として光入射面ＩＳの−Ｚ側に入射し入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角γ−で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部２３のうち入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どなく、視認上画像ムラ等の影響を感じることはない。また、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光ＧＬ１等と同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
【００３０】
ここで、画像光ＧＬ２の反射角γ＋はこの導光板２０仕様上の最大値になっており、画像光ＧＬ３の反射角γ−はこの導光板２０仕様上の最小値になっている。よって、他の有効な画像光の導光板２０内における伝搬の全反射角は、これらの反射角γ＋，γ−の間の値となる。このような反射角の範囲即ち最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差は、画像形成装置１０側における光学設計上の横画角即ちＺ方向についての画角に相当するものとなっている。なお、画像光ＧＬ２，ＧＬ３は、光射出面ＯＳを通過する際に、多少屈折作用を受けるが、光入射面ＩＳを通過する際に逆の屈折作用を受けているので、導光板２０の前後において、全体としての屈折作用による影響は、略相殺されている。
【００３１】
入射光折曲部２１及び導光部２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．５とすると、その臨界角γｃの値はγｃ≒４１．８°となり、ｎ＝１．６とすると、その臨界角γｃの値はγｃ≒３８．７°となる。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角γ０，γ＋，γ−のうち最小である反射角γ−を上記臨界角γｃよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部２２内における全反射条件を満たすものにできる。
【００３２】
〔Ｃ．角度変換部の構造及び角度変換部による光路の折曲げ〕
以下、図２（Ａ）等により、角度変換部２３の構造及び角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
【００３３】
まず、角度変換部２３の構造について説明する。角度変換部２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、角度変換部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部２２の延びる方向即ちＺ方向に多数配列させることで構成されている。ここで、これらの反射ユニット２３ｃが配列される方向即ちＺ方向を配列方向とする。各反射ユニット２３ｃは、奥側即ち反光入射側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２３ａと、入口側即ち光入射側に配置される他の１つの反射面部分である第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。より具体的には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、図１（Ａ）等に示す第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列される配列方向であるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２３ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２３ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２（Ａ）等に示す具体例において、各第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びているものとしている。また、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して反時計方向に所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００３４】
図２（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２３ｂの方向は、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して４０°から７０°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。
【００３５】
以下、角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。
【００３６】
まず、図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γ＋で導かれた画像光ＧＬ２は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｈに１つ以上配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、角度変換部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００３７】
また、図２（Ａ）及び２（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γ−で導かれた画像光ＧＬ３は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｍに１つ以上配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ３は、画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、角度変換部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００３８】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図２に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ０，γ＋，γ−等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部２３のうち−Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光板２０は、画像光を角度変換部２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。
【００３９】
また、導光部２２の形状や屈折率、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ１即ち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。ここでは、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。つまり、画像光は、光軸ＡＸを中心にして対称性のある状態で眼ＥＹに対して射出されている。ここで、上記のように、角度変換部２３における折り曲げ角ψの角度は、全ての画像光について等しい。このため、角度変換部２３は、画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３のθ３とを合わせた角度の大きさ即ち眼ＥＹに入る画像光の横画角の大きさに影響を与えず、最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差即ち図１（Ａ）の画像形成装置１０側で光学的設計上定められる画像光の横画角が、そのまま光射出面ＯＳから射出される角度θ２と角度θ３とによる画像光の横画角として反映されるものとなる。
【００４０】
なお、既に説明したように、一群の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ又は第２の反射面２３ｂは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼ＥＹに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。角度変換部２３を構成する各反射ユニット２３ｃの間隔であるピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ〜１．３ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、角度変換部２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。
【００４１】
〔Ｄ．角度変換部の光学的仕様〕
以下、図３（Ａ）により、角度変換部２３の光学的仕様、具体的には、反射ユニット２３ｃの配列方向についての角度変換部２３の具体的な反射ユニット２３ｃ全体の幅である変換部幅Ｌとこれに関連する数値との関係について、詳しく説明する。
【００４２】
まず、既述のように、図１（Ａ）等に示す最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差が、画像形成装置１０から射出される画像光のＺ方向についての横画角（即ち、反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関する画角である横画角）に相当する。この結果として、画像光は、角度θ２と角度θ３との和を最大角度として射出されるものとなっている。ここでは、角度θ２と角度θ３との角度が等しく、光軸ＡＸに対して対称性があるとすることで、角度θ２及び角度θ３を、横画角の半分の値である横半画角となる。つまり、角度θ２、角度θ３が横半画角θにそれぞれ相当し、θ２＝θ３＝θとなる。また、横画角は、２θとなる。この場合において、図３（Ａ）に示すように、角度変換部２３の裏面である反光射出面ＡＳから観察者の眼ＥＹのうち導光板２０に最も近い点である頂点ＰＫまでのＸ方向についての距離を距離Ｓとすると、角度変換部２３の変換部幅Ｌを定めるにあたって、まず、横半画角θの画像を確保するために距離Ｓとの関係で必須の基本横幅である基準横幅Ｌ０は、
で表される。ここで、観察者の眼ＥＹの瞳ＰＵの大きさ即ち虹彩の大きさは、Ｚ方向についてある程度の幅を有する。ここでは、人種等による違いを考慮して、瞳ＰＵのＺ方向の大きさについては、最大の幅Ａｍａｘをとるものとする。また、眼ＥＹは、矢印ＡＲに示すように動く結果、最大限で図３（Ｂ）や図３（Ｃ）に示す状態となり得る。従って、角度変換部２３が実際に有する変換部幅Ｌは、上記基準横幅Ｌ０に対して、幅Ａｍａｘと、瞳ＰＵの動く量即ち眼ＥＹの動き量の最大値Ｂｍ，Ｂｈの合計である幅Ｂｍａｘとを加算したものとする。つまり、これらの幅Ａｍａｘ，Ｂｍａｘによる影響分だけ加味するように必須の幅である基準横幅Ｌ０を増加させた値を角度変換部２３の具体的な変換部幅Ｌとする。従って、変換部幅Ｌは、
で表される。この場合、角度変換部２３は、幅Ｌについて、基準横幅Ｌ０を確保することで、画像を確実に取り込むのに最低限必要な幅を有する状態即ちＺ方向について光軸ＡＸに垂直な方向から観た画像に実質的な画像欠けのない状態にできる。さらに、瞳ＰＵの大きさや動きについて最大値である幅Ａｍａｘ，Ｂｍａｘを加算することで、眼ＥＹのサイズ等に個人差があっても実質的な画像欠けや減光を生じさせないものにできる。一方、幅Ｌに余剰な長さを持たせず必要最小限とすることで、角度変換部２３において意図しない画像光の角度変換を回避し明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことができるものとなっている。なお、この場合、画像光の有効成分が角度変換部２３において１回だけ反射するという条件も確保している。
【００４３】
なお、上記（２）式では、瞳ＰＵの大きさ及び眼ＥＹの動き量の最大値に基づいて幅Ｌを規定しているが、角度変換部２３において画像を取り込むのに実質的な画像欠けを生じることのないように十分な幅を確保できれば、変換部幅Ｌの値は、（２）式の右辺の値以下であってもよい。例えば、最大である幅Ａｍａｘに代えて瞳ＰＵの大きさを例えば一般成人の標準的な虹彩の大きさ（標準値）とすることも可能である。
【００４４】
また、変換部幅Ｌに許容される範囲については、例えばＺ方向についての瞳ＰＵの大きさの標準値を幅Ａとし、これを基準横幅Ｌ０に加え、１以上２以下の値を取る係数ｋを掛け合わせた値を用いて規定することが考えられる。具体的には、幅Ｌが、幅Ａ、基準横幅Ｌ０及び係数ｋにより、
で表される。この場合、係数ｋを１以上２以下の範囲で適宜定めることにより、例えば図中点線で示す眼ＥＹの動き量即ち瞳ＰＵが動く量を加味して幅Ｌを規定することができ、観察者の眼ＥＹの瞳ＰＵが動く場合にも実質的な画像欠けを生じさせることなく画像を問題なく視認できるようにできる。また、観察者の眼ＥＹが特殊である場合にも対処することができる。さらに、虚像表示装置１００の装着状態が多少ずれた場合にも対処することができる。なお、ここで、上式中辺又は右辺のカッコ内に示す値、つまり基準横幅Ｌ０に幅Ａを加算した値を、基準横幅Ｌ０を修正した瞳影響分修正横幅とすると、幅Ｌは、観察者の瞳ＰＵの大きさ及び眼ＥＹの動きのうち少なくとも瞳ＰＵの大きさの影響分だけ増加させた瞳影響分修正横幅の２倍以下の範囲にあることになる。なお、より確実にマージンを確保する観点からは、眼ＥＹの標準的な動き量をＢとして、
とすることが望ましい。
【００４５】
ここで、上記（２）式の条件を満たす変換部幅Ｌは、上記（３）式の条件を満たすものと考えることができる。つまり、（３）式は、（２）式よりも条件の幅が広い。（２）式の右辺におけるＡｍａｘは最大値であり、標準値である（３）式の右辺におけるＡの値よりも大きいため、係数ｋが最小の１である場合、（３）式の右辺の値は（２）式の右辺の値より小さい。しかし、（３）式において、係数ｋを最大の２とすれば、（２）式のＡｍａｘ＋Ｂｍａｘの値を考慮しても、（３）式の右辺の値は（２）式の右辺の値以上となる。つまり、（３）式の右辺と（２）式の右辺とが等しくなるような係数ｋが１以上２以下の範囲で存在し、（２）式の条件は（３）式の条件に含まれると言える。また、ｋ＝１、Ａ＝０とすれば、（３）式は、（１）式の右辺も含んでいることになる。
【００４６】
以上のように、本実施形態の場合、角度変換部２３において、横画角や瞳の大きさ等を考慮して、反射ユニット２３ｃの配列方向についての角度変換部２３の幅Ｌに関して眼ＥＹに画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部２３における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができるものとなっている。
【００４７】
なお、瞳の大きさの最大値は７ｍｍ程度、眼の動き量の最大値は、４ｍｍ程度が想定される。この値を考慮して上記のように幅Ａｍａｘ，Ｂｍａｘ延いては幅Ｌを定めることで、観察者に個人差があっても実質的な画像欠けや減光が生じないようにできる。
【００４８】
また、上記において、横半画角θの値を、例えばθ＝１７．５°とする、つまり横画角を３５°とすることで、例えば、虚像光である画像光によって仮想的に２．５ｍ先に６２インチの画像ＩＭを形成するのに相当する画像を視認させることができる。この場合、角度変換部２３の幅Ｌは、２０ｍｍ程度となる。また、角度変換部２３の幅Ｌを２０ｍｍ以上とすることで、横半画角θ＝１７．５°以上の高画角な画像を形成することもできる。
【００４９】
また、上記実施形態について、別の観点として、角度変換部２３の反射ユニット２３ｃの配列方向についての幅のうち、導光板２０内において光軸ＡＸより光入射側即ち−Ｚ側のみに着目して角度変換部２３の光学的仕様を考えることもできる。つまり、図中角度変換部２３のうち光軸ＡＸより−Ｚ側の幅Ｌｍが満たすべき条件のみを考えてもよい。
【００５０】
以下、上記の場合について考察する。まず、上記のように光軸ＡＸについての対称性がある場合、幅Ｌｍは、全体の幅Ｌの最大幅の半分以下であればよい。つまり、例えば、上記のうち（２）式の右辺を参照して、
の関係が満たされていればよいものとできる。この関係が満たされていれば、少なくとも導光板２０の光入射側から導かれた画像光が角度変換部２３のうち光入射側の部分即ち入口側の周辺部２３ｍ付近で不要な通過をすることを回避でき、画像光の過度の光量ロスを抑制できるので、明るさムラ等の発生を防止できる。
【００５１】
また、上記のような各条件を満たしながら、角度変換部２３をより長いもの即ちより横幅の広いものとする場合、角度変換部２３の反光入射側即ち＋Ｚ側に延長することができる。なお、このような場合であっても、角度変換部２３において画像光を１回だけの反射に留めることを確保する等の構造上必要な他の要件を満たす範囲での延長であることが要される。
【００５２】
また、上記の幅Ｌｍについて、瞳ＰＵの大きさや眼ＥＹの動き量については、十分なマージンを取る必要がある場合、全体の幅Ｌに対して半分とせず、最大値をそのまま採用してもよい。つまり、上記（４）式の右辺についての瞳ＰＵの大きさや眼ＥＹの動き量に関する値を取り替えて、幅Ｌｍの条件を
としてもよい。
【００５３】
〔第２実施形態〕
以下、図４（Ａ）等により、第２実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、角度変換部１２３及びその周辺についてのみ示し、他の構造については、説明及び図示を省略する。また、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００５４】
以下、本実施形態に係る虚像表示装置２００を構成する角度変換部１２３の詳しい構造について説明する。図４（Ａ）等に示すように、角度変換部１２３は、多数の画像光反射面１２３ａで構成され、各画像光反射面１２３ａは、画像光反射面１２３ａの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向に延びている。多数の画像光反射面１２３ａは、互いに平行であり、第１の全反射面２２ａに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、各画像光反射面１２３ａ間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部１２３ｂによって繋がれている。結果的に、画像光反射面１２３ａは、Ｚ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。
【００５５】
以下、図４（Ａ）及び４（Ｂ）により、画像光の各成分のうち、角度変換部１２３の両端側に入射する画像光ＧＬａ及び画像光ＧＬｂについて説明する。なお、他の光路の成分については、これらと同様であるので図示等を省略する。前提として、画像光ＧＬａ，ＧＬｂを含む画像光は、図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示す導光板２０に光入射面ＩＳから入射し、入射光折曲部２１で反射され、全体として、導光部２２において＋Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に進み、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返して導光されて、角度変換部１２３に到る。まず、図４（Ａ）に示すように、最小反射角γ−で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬａは、角度変換部１２３をＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、観察者の眼ＥＹに入射できる位置である角度変換部１２３のうち奥側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｈに達し、周辺部２３ｈでの反射により、眼ＥＹの中心軸ＡＸに対して角度θ２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。
【００５６】
一方、図４（Ｂ）に示すように、最大反射角γ＋で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬｂは、観察者の眼ＥＹに入射できる位置である角度変換部１２３のうち入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍに達し、周辺部２３ｍでの反射により、眼ＥＹの中心軸ＡＸに対して角度θ３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。
【００５７】
ここで、画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３のθ３とを合わせた角度の大きさ即ち眼ＥＹに入る画像光の角度の大きさについては、最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差に相当するものとなる。また、ここでは、角度θ２と角度θ３との角度が等しく、光軸ＡＸに対して対称性があり、角度θ２、角度θ３がそれぞれ横半画角に相当するものとする。
【００５８】
ここで、本実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に、角度変換部１２３が横幅つまり画像光反射面１２３ａの配列方向であるＺ方向に関しての変換部幅Ｌについて一定の条件を満たすものとなっている。例えば、幅Ｌは、横半画角θを確保するために距離Ｓとの関係で必須の幅である基準横幅Ｌ０と、瞳ＰＵのＺ方向についての大きさの最大値である幅Ａｍａｘと、眼ＥＹの動き量の合計を幅Ｂｍａｘとの関係において、上記（２）式や（３）式、あるいは（３）'式の
を満たしている。または、角度変換部１２３のうち光軸ＡＸから光入射側についての幅Ｌｍが、例えば上記（４）式や（５）式の
を満たしている。これにより、画像を取り込むのに十分な幅を有して実質的な画像欠けや減光を抑制することが可能となる。また、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことも可能となる。
【００５９】
また、本実施形態の場合、画像光ＧＬａは、角度変換部１２３を複数回透過した後の残りの成分のうち周辺部２３ｈにおいて反射された成分が光射出面ＯＳから射出される。これに対して、画像光ＧＬｂは、角度変換部１２３を複数回透過することなく、角度変換部１２３の周辺部２３ｍにおいて反射された成分が光射出面ＯＳから射出される。従って、角度変換部１２３において光の反射・透過量の精密な調整等を行うことで、映し出される虚像光が、入口側（−Ｚ側）から奥側（＋Ｚ側）に向かって通過回数に応じて相対的に暗くなっていくことや明るさムラを生じることを抑制する必要があり、角度変換部１２３の光入射側即ち入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍにおいて、画像光の通過回数を規定以上に増加させないことが特に重要となる。このため、角度変換部１２３について、その周辺部２３ｍ側の端であるエッジＥＧの位置を、画像光ＧＬａ，ＧＬｂ等の設計に応じてずれることなく設定し、意図しない画像光の通過を生じさせないようにしている。もしも、図４（Ａ）、４（Ｂ）中において点線で示すように、エッジＥＧの位置が本来あるべき位置よりも−Ｚ側にずれて余剰の角度変換部分ＥＰが意図しない位置に存在した状態となっていると仮定すると、その余剰の角度変換部分ＥＰを画像光ＧＬａ，ＧＬｂが通過して、意図しない光量ロスを生じて明るさムラ等を発生させる可能性がある。
【００６０】
本実施形態の場合、以上のような角度変換部１２３の横幅についての条件を満たすことや、角度変換部１２３のエッジＥＧの位置が調整されることにより、画像光の通過回数を増加させないようにすることができ、画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。なお、本実施形態においても、角度変換部１２３をより長いもの即ちより横幅の広いものとする場合、角度変換部１２３の反光入射側即ち＋Ｚ側に延長することができる。また、本実施形態の場合、第１実施形態と異なり、各画像光が角度変換部２３において１回だけ反射する、といった条件は課されないが、一般に反光入射側ほど光量ロスが多くなり、暗くなりやすいため、画像として許容される範囲の光量を有する限りにおいて反光入射側への延長ができる。
【００６１】
〔その他〕
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。
【００６２】
また、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。
【００６３】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス１１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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。
【００６４】
上記の説明では、虚像表示装置１００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及び導光板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と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００６５】
上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、角度変換部２３は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％することが可能である。
【００６６】
上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。
【００６７】
上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等を光軸ＯＡに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。
【００６８】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲ（丸み）を付けているものであってもよい。
【００６９】
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。
【００７０】
上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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の全反射面２２ａ，２２ｂ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、全反射面２２ａ，２２ｂ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全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 ２０，１２０…導光板、 ２０ａ…導光板本体部、 ２１…入射光折曲部、 ２２…導光部、 ２２ａ，２２ｂ…全反射面、 ２３，１２３…角度変換部、 ２３ａ，２３ｂ…反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 １００…虚像表示装置、 ＩＳ…光入射面（光入射部）、 ＯＳ…光射出面（光射出部）、 ＥＹ…眼、 ＰＵ…瞳、 ＰＴ…ピッチ、 ＲＳ…斜面、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 Ｓ…距離、 θ…横半画角、 ２θ…横画角、 α…角度、 ＡＸ…光軸（光束光軸）、 Ｌ…変換部幅、 Ａ，Ｂ，Ａｍａｘ，Ｂｍａｘ…幅（瞳の大きさ、瞳の動き量）、 Ｌ０…基準横幅、 Ｌｍ…幅（光路変換部の光軸ＡＸから光入射側の幅）、 ｋ…係数、 ｎ…屈折率
【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映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。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から外部に取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１参照）。また、同様の技術として、映像光を取り出すために、映像光を取り出す表側の面に対向する裏側の面に隣接して鋸歯状の部分を設け、当該鋸歯状の部分に映像光の角度を変化させるための反射層を形成するものも知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば特許文献１，２に用いられる導光板において、映像光の一部は複数の部分反射面を複数回通過した後に眼の方向に取り出されるため、映像光を導く方向に沿った位置に関して反射回数の差が生じ明るさムラが生じやすい。特に、部分反射面の通過回数が多くなることで、明るさムラが顕著になるとともに光量ロスが大きくなる可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、光量ロスを抑えつつ明るさムラによる画像の劣化を防いで、良好な状態で画像光を取り出すことの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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る第１の虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像形成装置と、（ｂ１）画像形成装置で形成された画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ２）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｂ３）所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、（ｂ４）角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を有する（ｂ）導光板と、を備える虚像表示装置であって、（ｃ）角度変換部が、複数の反射面の所定の配列方向に関して、設定された横画角に対応する基本横幅を観察者の瞳の大きさ及び動きのうち少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させて得られる瞳影響分修正横幅の２倍以下の幅を有する。ここで、所定の配列方向とは、複数の反射面の配列される方向を言い、例えば細長い反射面を長手方向について隣り合うように並べた場合の当該長手方向に垂直な方向を意味する。また、設定された横画角とは、虚像表示装置の仕様上観察者にとっての横方向に対応して設定される画角を言う。また、瞳の大きさとは、虹彩の大きさを言うものとする。虹彩は、水晶体の前方に位置する瞳孔の大きさを調節することで網膜に入る光の調節をしている。なお、以上において、「横」とは、上記所定の配列方向に関連して定まる方向を指しており、観察者を基準とする縦・横としての横とは必ずしも一致しない。
【０００７】
上記虚像表示装置では、角度変換部が、複数の反射面の所定の配列方向に関して、横画角に対応する基本横幅を少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させるように修正した瞳影響分修正横幅の２倍以下の幅を有する。この場合、角度変換部に対して、上記所定の配列方向に関しての横画角や瞳の大きさ等を考慮して眼に画像を取り込むために必要な条件の確保を可能にしつつ上限サイズを設定することで、角度変換部における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。なお、２倍以下の幅とすることで、上記上限サイズを設定しつつ、観察者の眼やその動きに個人差がある場合や、虚像表示装置の装着状態がずれた場合等の種々の使用状況に対応可能なものとなる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅が、１以上２以下の係数ｋとし、観察者の瞳の大きさの標準値をＡとし、角度変換部から観察者の眼までの距離をＳとし、横画角の半分の値である横半画角をθとして、
の式で与えられる。この場合、角度変換部の上記所定の配列方向に関する幅に上限サイズを設けることで、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことができ、かつ、下限サイズを設けることで、画像を取り込むのに十分な幅を有するものにして画像欠けの発生を防止することができる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅が、角度変換部から観察者の眼までの距離に横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθを掛けて２倍した値に、観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の値である。この場合、角度変換部の上記所定の配列方向に関する幅を必要最小限に制限することで、当該幅が過剰に増加することによる明るさムラの発生を確実に抑えることができる。なお、観察者の瞳の大きさ及び眼の動き量を加算することで、観察者の眼やその動きに個人差があっても、画像欠けの発生を防止できる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、角度変換部が、複数の反射面として、第１の反射面部分と第１の反射面部分に対して所定角度をなす第２の反射面部分とを１組としてそれぞれ有する複数の反射ユニットを備え、各反射ユニットにおいて、第１の反射面部分により導光部を経て入射する画像光を反射するとともに第２の反射面部分により第１の反射面部分で反射された画像光をさらに反射して外部へ取り出す。この場合、第１の反射面部分と第２の反射面部分との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、角度変換部の所定の配列方向についての幅は、横画角が３５°以上である場合に、２０ｍｍ以上である。この場合、高画角な画像を形成することができる。
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係る第２の虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像形成装置と、（ｂ１）画像形成装置で形成された画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ２）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ｂ３）所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、（ｂ４）角度変換部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を有する（ｂ）導光板と、を備える虚像表示装置であって、（ｃ）角度変換部が、光射出部から射出され観察者の瞳に入射する画像光の光束光軸に対して導光板での光入射側において、角度変換部から観察者の眼までの距離と設定された横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθとの積に、画像光を観察する観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の幅を有する。
【００１３】
上記虚像表示装置では、角度変換部が、観察者の瞳に入射する画像光の光束光軸に対して導光板での光入射側において、角度変換部から観察者の眼までの距離と横半画角の正接との積に観察者の瞳の大きさの最大値と観察者の眼の動き量の最大値とを加算した横幅以下の幅を有する。この場合、角度変換部のうち導光板での光入射側の部分に対して、横画角や瞳の大きさ等を考慮して眼に画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。さらに、観察者の瞳の大きさ及び眼の動き量の最大値を加算することで、観察者の眼やその動きに個人差があっても、画像欠けの発生を防止できる。なお、この場合、角度変換部から観察者の眼までの距離をＳとし、横半画角をθとし、画像光を観察する観察者の瞳の大きさである幅の最大値をＡｍａｘとし、観察者の眼の動き量の最大値をＢｍａｘとして、導光板での画像光の光束光軸から光入射側における角度変換部の幅Ｌｍが、
の関係を満たしていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）は、第１実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、導光板の正面図及び平面図である。
【図２】（Ａ）は、角度変換部の構造及び角度変換部における画像光の光路について説明するための模式的な図であり、（Ｂ）は、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、（Ｃ）は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。
【図３】（Ａ）は、角度変換部の横幅について説明するための図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、最大限動いた状態の眼について示す図である。
【図４】（Ａ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、（Ｂ）は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について説明する。
【００１６】
〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００１７】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。
【００１８】
画像形成装置１０は、画像表示素子である液晶デバイス１１と、光束形成用のコリメートレンズ１２とを備える。液晶デバイス１１は、光源（不図示）からの照明光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。コリメートレンズ１２は、液晶デバイス１１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。なお、コリメートレンズ１２のレンズ材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。
【００１９】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部である角度変換部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。
【００２０】
導光板２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端において導光板本体部２０ａに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部２３を有し、長手方向の他端において導光板本体部２０ａを拡張するように形成されたプリズム部ＰＳ及びこれに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００２１】
導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、そのプリズム部ＰＳの側面として光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部２３が形成されている。
【００２２】
導光板本体部２０ａの光入射面ＩＳに対向し傾斜して配置されるミラー層２１ａとしての入射光折曲部２１は、導光板本体部２０ａの上記斜面ＲＳ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として−Ｘ方向に向かう画像光を、全体として＋Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。
【００２３】
また、導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の角度変換部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を角度変換部２３に導くための導光部２２を有している。
【００２４】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射光折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａ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、導光板２０の奥側即ち角度変換部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。
【００２５】
導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される角度変換部２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部２３は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。角度変換部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。
【００２６】
なお、導光板本体部２０ａに用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。
【００２７】
導光板２０が以上のような構造を有することから、画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光板２０に入射した画像光は、入射光折曲部２１で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＯＡに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから外部に射出される。光射出面ＯＳから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
【００２８】
〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。図１（Ａ）に示すように、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（＋Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。なお、図中、導光板２０のＺ方向について、画像光の入射する光入射面ＩＳを有するプリズムＰＳが配置されている側（図１（Ａ）の右側）を光入射側と呼び、プリズムＰＳが配置されていない側（図１（Ａ）の左側）を反光入射側と呼ぶものとする。
【００２９】
コリメートレンズ１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶デバイス１１の射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角γ０で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角γ０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＹＺ面に対して垂直な光束光軸である光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。液晶デバイス１１の射出面１１ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、コリメートレンズ１２において画像光ＧＬ１とクロスして平行光束として光入射面ＩＳの＋Ｚ側に入射し入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角γ＋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、角度変換部２３のうち奥側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。液晶デバイス１１の射出面１１ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、コリメートレンズ１２において画像光ＧＬ１とクロスして平行光束として光入射面ＩＳの−Ｚ側に入射し入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角γ−で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部２３のうち入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どなく、視認上画像ムラ等の影響を感じることはない。また、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光ＧＬ１等と同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
【００３０】
ここで、画像光ＧＬ２の反射角γ＋はこの導光板２０仕様上の最大値になっており、画像光ＧＬ３の反射角γ−はこの導光板２０仕様上の最小値になっている。よって、他の有効な画像光の導光板２０内における伝搬の全反射角は、これらの反射角γ＋，γ−の間の値となる。このような反射角の範囲即ち最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差は、画像形成装置１０側における光学設計上の横画角即ちＺ方向についての画角に相当するものとなっている。なお、画像光ＧＬ２，ＧＬ３は、光射出面ＯＳを通過する際に、多少屈折作用を受けるが、光入射面ＩＳを通過する際に逆の屈折作用を受けているので、導光板２０の前後において、全体としての屈折作用による影響は、略相殺されている。
【００３１】
入射光折曲部２１及び導光部２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．５とすると、その臨界角γｃの値はγｃ≒４１．８°となり、ｎ＝１．６とすると、その臨界角γｃの値はγｃ≒３８．７°となる。各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の反射角γ０，γ＋，γ−のうち最小である反射角γ−を上記臨界角γｃよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部２２内における全反射条件を満たすものにできる。
【００３２】
〔Ｃ．角度変換部の構造及び角度変換部による光路の折曲げ〕
以下、図２（Ａ）等により、角度変換部２３の構造及び角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
【００３３】
まず、角度変換部２３の構造について説明する。角度変換部２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、角度変換部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴで導光部２２の延びる方向即ちＺ方向に多数配列させることで構成されている。ここで、これらの反射ユニット２３ｃが配列される方向即ちＺ方向を配列方向とする。各反射ユニット２３ｃは、奥側即ち反光入射側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２３ａと、入口側即ち光入射側に配置される他の１つの反射面部分である第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。より具体的には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、図１（Ａ）等に示す第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列される配列方向であるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２３ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２３ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２（Ａ）等に示す具体例において、各第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びているものとしている。また、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して反時計方向に所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００３４】
図２（Ａ）等に示す具体例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２３ｂの方向は、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して４０°から７０°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。
【００３５】
以下、角度変換部２３による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。
【００３６】
まず、図２（Ａ）及び２（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γ＋で導かれた画像光ＧＬ２は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｈに１つ以上配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、角度変換部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００３７】
また、図２（Ａ）及び２（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γ−で導かれた画像光ＧＬ３は、角度変換部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い−Ｚ側の周辺部２３ｍに１つ以上配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ３は、画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、角度変換部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００３８】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図２に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ０，γ＋，γ−等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部２３のうち−Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光板２０は、画像光を角度変換部２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。
【００３９】
また、導光部２２の形状や屈折率、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ１即ち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。ここでは、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。つまり、画像光は、光軸ＡＸを中心にして対称性のある状態で眼ＥＹに対して射出されている。ここで、上記のように、角度変換部２３における折り曲げ角ψの角度は、全ての画像光について等しい。このため、角度変換部２３は、画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３のθ３とを合わせた角度の大きさ即ち眼ＥＹに入る画像光の横画角の大きさに影響を与えず、最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差即ち図１（Ａ）の画像形成装置１０側で光学的設計上定められる画像光の横画角が、そのまま光射出面ＯＳから射出される角度θ２と角度θ３とによる画像光の横画角として反映されるものとなる。
【００４０】
なお、既に説明したように、一群の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ又は第２の反射面２３ｂは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼ＥＹに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。角度変換部２３を構成する各反射ユニット２３ｃの間隔であるピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ〜１．３ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、角度変換部２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。
【００４１】
〔Ｄ．角度変換部の光学的仕様〕
以下、図３（Ａ）により、角度変換部２３の光学的仕様、具体的には、反射ユニット２３ｃの配列方向についての角度変換部２３の具体的な反射ユニット２３ｃ全体の幅である変換部幅Ｌとこれに関連する数値との関係について、詳しく説明する。
【００４２】
まず、既述のように、図１（Ａ）等に示す最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差が、画像形成装置１０から射出される画像光のＺ方向についての横画角（即ち、反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関する画角である横画角）に相当する。この結果として、画像光は、角度θ２と角度θ３との和を最大角度として射出されるものとなっている。ここでは、角度θ２と角度θ３との角度が等しく、光軸ＡＸに対して対称性があるとすることで、角度θ２及び角度θ３を、横画角の半分の値である横半画角となる。つまり、角度θ２、角度θ３が横半画角θにそれぞれ相当し、θ２＝θ３＝θとなる。また、横画角は、２θとなる。この場合において、図３（Ａ）に示すように、角度変換部２３の裏面である反光射出面ＡＳから観察者の眼ＥＹのうち導光板２０に最も近い点である頂点ＰＫまでのＸ方向についての距離を距離Ｓとすると、角度変換部２３の変換部幅Ｌを定めるにあたって、まず、横半画角θの画像を確保するために距離Ｓとの関係で必須の基本横幅である基準横幅Ｌ０は、
で表される。ここで、観察者の眼ＥＹの瞳ＰＵの大きさ即ち虹彩の大きさは、Ｚ方向についてある程度の幅を有する。ここでは、人種等による違いを考慮して、瞳ＰＵのＺ方向の大きさについては、最大の幅Ａｍａｘをとるものとする。また、眼ＥＹは、矢印ＡＲに示すように動く結果、最大限で図３（Ｂ）や図３（Ｃ）に示す状態となり得る。従って、角度変換部２３が実際に有する変換部幅Ｌは、上記基準横幅Ｌ０に対して、幅Ａｍａｘと、瞳ＰＵの動く量即ち眼ＥＹの動き量の最大値Ｂｍ，Ｂｈの合計である幅Ｂｍａｘとを加算したものとする。つまり、これらの幅Ａｍａｘ，Ｂｍａｘによる影響分だけ加味するように必須の幅である基準横幅Ｌ０を増加させた値を角度変換部２３の具体的な変換部幅Ｌとする。従って、変換部幅Ｌは、
で表される。この場合、角度変換部２３は、幅Ｌについて、基準横幅Ｌ０を確保することで、画像を確実に取り込むのに最低限必要な幅を有する状態即ちＺ方向について光軸ＡＸに垂直な方向から観た画像に実質的な画像欠けのない状態にできる。さらに、瞳ＰＵの大きさや動きについて最大値である幅Ａｍａｘ，Ｂｍａｘを加算することで、眼ＥＹのサイズ等に個人差があっても実質的な画像欠けや減光を生じさせないものにできる。一方、幅Ｌに余剰な長さを持たせず必要最小限とすることで、角度変換部２３において意図しない画像光の角度変換を回避し明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことができるものとなっている。なお、この場合、画像光の有効成分が角度変換部２３において１回だけ反射するという条件も確保している。
【００４３】
なお、上記（２）式では、瞳ＰＵの大きさ及び眼ＥＹの動き量の最大値に基づいて幅Ｌを規定しているが、角度変換部２３において画像を取り込むのに実質的な画像欠けを生じることのないように十分な幅を確保できれば、変換部幅Ｌの値は、（２）式の右辺の値以下であってもよい。例えば、最大である幅Ａｍａｘに代えて瞳ＰＵの大きさを例えば一般成人の標準的な虹彩の大きさ（標準値）とすることも可能である。
【００４４】
また、変換部幅Ｌに許容される範囲については、例えばＺ方向についての瞳ＰＵの大きさの標準値を幅Ａとし、これを基準横幅Ｌ０に加え、１以上２以下の値を取る係数ｋを掛け合わせた値を用いて規定することが考えられる。具体的には、幅Ｌが、幅Ａ、基準横幅Ｌ０及び係数ｋにより、
で表される。この場合、係数ｋを１以上２以下の範囲で適宜定めることにより、例えば図中点線で示す眼ＥＹの動き量即ち瞳ＰＵが動く量を加味して幅Ｌを規定することができ、観察者の眼ＥＹの瞳ＰＵが動く場合にも実質的な画像欠けを生じさせることなく画像を問題なく視認できるようにできる。また、観察者の眼ＥＹが特殊である場合にも対処することができる。さらに、虚像表示装置１００の装着状態が多少ずれた場合にも対処することができる。なお、ここで、上式中辺又は右辺のカッコ内に示す値、つまり基準横幅Ｌ０に幅Ａを加算した値を、基準横幅Ｌ０を修正した瞳影響分修正横幅とすると、幅Ｌは、観察者の瞳ＰＵの大きさ及び眼ＥＹの動きのうち少なくとも瞳ＰＵの大きさの影響分だけ増加させた瞳影響分修正横幅の２倍以下の範囲にあることになる。なお、より確実にマージンを確保する観点からは、眼ＥＹの標準的な動き量をＢとして、
とすることが望ましい。
【００４５】
ここで、上記（２）式の条件を満たす変換部幅Ｌは、上記（３）式の条件を満たすものと考えることができる。つまり、（３）式は、（２）式よりも条件の幅が広い。（２）式の右辺におけるＡｍａｘは最大値であり、標準値である（３）式の右辺におけるＡの値よりも大きいため、係数ｋが最小の１である場合、（３）式の右辺の値は（２）式の右辺の値より小さい。しかし、（３）式において、係数ｋを最大の２とすれば、（２）式のＡｍａｘ＋Ｂｍａｘの値を考慮しても、（３）式の右辺の値は（２）式の右辺の値以上となる。つまり、（３）式の右辺と（２）式の右辺とが等しくなるような係数ｋが１以上２以下の範囲で存在し、（２）式の条件は（３）式の条件に含まれると言える。また、ｋ＝１、Ａ＝０とすれば、（３）式は、（１）式の右辺も含んでいることになる。
【００４６】
以上のように、本実施形態の場合、角度変換部２３において、横画角や瞳の大きさ等を考慮して、反射ユニット２３ｃの配列方向についての角度変換部２３の幅Ｌに関して眼ＥＹに画像を取り込むために必要な条件を確保しつつ上限サイズを設けることで、角度変換部２３における画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができるものとなっている。
【００４７】
なお、瞳の大きさの最大値は７ｍｍ程度、眼の動き量の最大値は、４ｍｍ程度が想定される。この値を考慮して上記のように幅Ａｍａｘ，Ｂｍａｘ延いては幅Ｌを定めることで、観察者に個人差があっても実質的な画像欠けや減光が生じないようにできる。
【００４８】
また、上記において、横半画角θの値を、例えばθ＝１７．５°とする、つまり横画角を３５°とすることで、例えば、虚像光である画像光によって仮想的に２．５ｍ先に６２インチの画像ＩＭを形成するのに相当する画像を視認させることができる。この場合、角度変換部２３の幅Ｌは、２０ｍｍ程度となる。また、角度変換部２３の幅Ｌを２０ｍｍ以上とすることで、横半画角θ＝１７．５°以上の高画角な画像を形成することもできる。
【００４９】
また、上記実施形態について、別の観点として、角度変換部２３の反射ユニット２３ｃの配列方向についての幅のうち、導光板２０内において光軸ＡＸより光入射側即ち−Ｚ側のみに着目して角度変換部２３の光学的仕様を考えることもできる。つまり、図中角度変換部２３のうち光軸ＡＸより−Ｚ側の幅Ｌｍが満たすべき条件のみを考えてもよい。
【００５０】
以下、上記の場合について考察する。まず、上記のように光軸ＡＸについての対称性がある場合、幅Ｌｍは、全体の幅Ｌの最大幅の半分以下であればよい。つまり、例えば、上記のうち（２）式の右辺を参照して、
の関係が満たされていればよいものとできる。この関係が満たされていれば、少なくとも導光板２０の光入射側から導かれた画像光が角度変換部２３のうち光入射側の部分即ち入口側の周辺部２３ｍ付近で不要な通過をすることを回避でき、画像光の過度の光量ロスを抑制できるので、明るさムラ等の発生を防止できる。
【００５１】
また、上記のような各条件を満たしながら、角度変換部２３をより長いもの即ちより横幅の広いものとする場合、角度変換部２３の反光入射側即ち＋Ｚ側に延長することができる。なお、このような場合であっても、角度変換部２３において画像光を１回だけの反射に留めることを確保する等の構造上必要な他の要件を満たす範囲での延長であることが要される。
【００５２】
また、上記の幅Ｌｍについて、瞳ＰＵの大きさや眼ＥＹの動き量については、十分なマージンを取る必要がある場合、全体の幅Ｌに対して半分とせず、最大値をそのまま採用してもよい。つまり、上記（４）式の右辺についての瞳ＰＵの大きさや眼ＥＹの動き量に関する値を取り替えて、幅Ｌｍの条件を
としてもよい。
【００５３】
〔第２実施形態〕
以下、図４（Ａ）等により、第２実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であり、角度変換部１２３及びその周辺についてのみ示し、他の構造については、説明及び図示を省略する。また、第１実施形態の虚像表示装置１００と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
【００５４】
以下、本実施形態に係る虚像表示装置２００を構成する角度変換部１２３の詳しい構造について説明する。図４（Ａ）等に示すように、角度変換部１２３は、多数の画像光反射面１２３ａで構成され、各画像光反射面１２３ａは、画像光反射面１２３ａの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向に延びている。多数の画像光反射面１２３ａは、互いに平行であり、第１の全反射面２２ａに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、各画像光反射面１２３ａ間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部１２３ｂによって繋がれている。結果的に、画像光反射面１２３ａは、Ｚ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。
【００５５】
以下、図４（Ａ）及び４（Ｂ）により、画像光の各成分のうち、角度変換部１２３の両端側に入射する画像光ＧＬａ及び画像光ＧＬｂについて説明する。なお、他の光路の成分については、これらと同様であるので図示等を省略する。前提として、画像光ＧＬａ，ＧＬｂを含む画像光は、図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示す導光板２０に光入射面ＩＳから入射し、入射光折曲部２１で反射され、全体として、導光部２２において＋Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に進み、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返して導光されて、角度変換部１２３に到る。まず、図４（Ａ）に示すように、最小反射角γ−で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬａは、角度変換部１２３をＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、観察者の眼ＥＹに入射できる位置である角度変換部１２３のうち奥側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｈに達し、周辺部２３ｈでの反射により、眼ＥＹの中心軸ＡＸに対して角度θ２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。
【００５６】
一方、図４（Ｂ）に示すように、最大反射角γ＋で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬｂは、観察者の眼ＥＹに入射できる位置である角度変換部１２３のうち入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍに達し、周辺部２３ｍでの反射により、眼ＥＹの中心軸ＡＸに対して角度θ３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。
【００５７】
ここで、画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３のθ３とを合わせた角度の大きさ即ち眼ＥＹに入る画像光の角度の大きさについては、最大反射角γ＋と最小反射角γ−との差に相当するものとなる。また、ここでは、角度θ２と角度θ３との角度が等しく、光軸ＡＸに対して対称性があり、角度θ２、角度θ３がそれぞれ横半画角に相当するものとする。
【００５８】
ここで、本実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に、角度変換部１２３が横幅つまり画像光反射面１２３ａの配列方向であるＺ方向に関しての変換部幅Ｌについて一定の条件を満たすものとなっている。例えば、幅Ｌは、横半画角θを確保するために距離Ｓとの関係で必須の幅である基準横幅Ｌ０と、瞳ＰＵのＺ方向についての大きさの最大値である幅Ａｍａｘと、眼ＥＹの動き量の合計を幅Ｂｍａｘとの関係において、上記（２）式や（３）式、あるいは（３）'式の
を満たしている。または、角度変換部１２３のうち光軸ＡＸから光入射側についての幅Ｌｍが、例えば上記（４）式や（５）式の
を満たしている。これにより、画像を取り込むのに十分な幅を有して実質的な画像欠けや減光を抑制することが可能となる。また、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぐことも可能となる。
【００５９】
また、本実施形態の場合、画像光ＧＬａは、角度変換部１２３を複数回透過した後の残りの成分のうち周辺部２３ｈにおいて反射された成分が光射出面ＯＳから射出される。これに対して、画像光ＧＬｂは、角度変換部１２３を複数回透過することなく、角度変換部１２３の周辺部２３ｍにおいて反射された成分が光射出面ＯＳから射出される。従って、角度変換部１２３において光の反射・透過量の精密な調整等を行うことで、映し出される虚像光が、入口側（−Ｚ側）から奥側（＋Ｚ側）に向かって通過回数に応じて相対的に暗くなっていくことや明るさムラを生じることを抑制する必要があり、角度変換部１２３の光入射側即ち入口側（−Ｚ側）の周辺部２３ｍにおいて、画像光の通過回数を規定以上に増加させないことが特に重要となる。このため、角度変換部１２３について、その周辺部２３ｍ側の端であるエッジＥＧの位置を、画像光ＧＬａ，ＧＬｂ等の設計に応じてずれることなく設定し、意図しない画像光の通過を生じさせないようにしている。もしも、図４（Ａ）、４（Ｂ）中において点線で示すように、エッジＥＧの位置が本来あるべき位置よりも−Ｚ側にずれて余剰の角度変換部分ＥＰが意図しない位置に存在した状態となっていると仮定すると、その余剰の角度変換部分ＥＰを画像光ＧＬａ，ＧＬｂが通過して、意図しない光量ロスを生じて明るさムラ等を発生させる可能性がある。
【００６０】
本実施形態の場合、以上のような角度変換部１２３の横幅についての条件を満たすことや、角度変換部１２３のエッジＥＧの位置が調整されることにより、画像光の通過回数を増加させないようにすることができ、画像光の過度の光量ロスを抑制して、明るさムラ等の発生による画像の劣化を防ぎ、良好な状態で画像光を取り出すことができる。なお、本実施形態においても、角度変換部１２３をより長いもの即ちより横幅の広いものとする場合、角度変換部１２３の反光入射側即ち＋Ｚ側に延長することができる。また、本実施形態の場合、第１実施形態と異なり、各画像光が角度変換部２３において１回だけ反射する、といった条件は課されないが、一般に反光入射側ほど光量ロスが多くなり、暗くなりやすいため、画像として許容される範囲の光量を有する限りにおいて反光入射側への延長ができる。
【００６１】
〔その他〕
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。
【００６２】
また、角度変換部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。
【００６３】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス１１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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。
【００６４】
上記の説明では、虚像表示装置１００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及び導光板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と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００６５】
上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、角度変換部２３は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％することが可能である。
【００６６】
上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。
【００６７】
上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等を光軸ＯＡに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。
【００６８】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲ（丸み）を付けているものであってもよい。
【００６９】
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。
【００７０】
上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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の全反射面２２ａ，２２ｂ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、全反射面２２ａ，２２ｂ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全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 ２０，１２０…導光板、 ２０ａ…導光板本体部、 ２１…入射光折曲部、 ２２…導光部、 ２２ａ，２２ｂ…全反射面、 ２３，１２３…角度変換部、 ２３ａ，２３ｂ…反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 １００…虚像表示装置、 ＩＳ…光入射面（光入射部）、 ＯＳ…光射出面（光射出部）、 ＥＹ…眼、 ＰＵ…瞳、 ＰＴ…ピッチ、 ＲＳ…斜面、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 Ｓ…距離、 θ…横半画角、 ２θ…横画角、 α…角度、 ＡＸ…光軸（光束光軸）、 Ｌ…変換部幅、 Ａ，Ｂ，Ａｍａｘ，Ｂｍａｘ…幅（瞳の大きさ、瞳の動き量）、 Ｌ０…基準横幅、 Ｌｍ…幅（光路変換部の光軸ＡＸから光入射側の幅）、 ｋ…係数、 ｎ…屈折率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を形成する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板と、
を備える虚像表示装置であって、
前記角度変換部は、前記複数の反射面の前記所定の配列方向に関して、設定された横画角に対応する基本横幅を観察者の瞳の大きさ及び動きのうち少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させて得られる瞳影響分修正横幅の２倍以下の幅を有する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、１以上２以下の係数ｋとし、前記観察者の瞳の大きさの標準値をＡとし、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離をＳとし、前記横画角の半分の値である横半画角をθとして、
の式で与えられる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離に前記横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθを掛けて２倍した値に、前記観察者の瞳の大きさの最大値と前記観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の値である、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記角度変換部は、前記複数の反射面として、第１の反射面部分と前記第１の反射面部分に対して所定角度をなす第２の反射面部分とを１組としてそれぞれ有する複数の反射ユニットを備え、各反射ユニットにおいて、前記第１の反射面部分により前記導光部を経て入射する前記画像光を反射するとともに前記第２の反射面部分により前記第１の反射面部分で反射された前記画像光をさらに反射して外部へ取り出す、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、前記横画角が３５°以上である場合に、２０ｍｍ以上である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
画像光を形成する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板と、
を備える虚像表示装置であって、
前記角度変換部は、前記光射出部から射出され観察者の瞳に入射する前記画像光の光束光軸に対して前記導光板での光入射側において、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離と設定された横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθとの積に、前記画像光を観察する観察者の瞳の大きさの最大値と前記観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の幅を有する、虚像表示装置。
【請求項１】
画像光を形成する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板と、
を備える虚像表示装置であって、
前記角度変換部は、前記複数の反射面の前記所定の配列方向に関して、設定された横画角に対応する基本横幅を観察者の瞳の大きさ及び動きのうち少なくとも瞳の大きさの影響分だけ増加させて得られる瞳影響分修正横幅の２倍以下の幅を有する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、１以上２以下の係数ｋとし、前記観察者の瞳の大きさの標準値をＡとし、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離をＳとし、前記横画角の半分の値である横半画角をθとして、
の式で与えられる、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離に前記横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθを掛けて２倍した値に、前記観察者の瞳の大きさの最大値と前記観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の値である、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記角度変換部は、前記複数の反射面として、第１の反射面部分と前記第１の反射面部分に対して所定角度をなす第２の反射面部分とを１組としてそれぞれ有する複数の反射ユニットを備え、各反射ユニットにおいて、前記第１の反射面部分により前記導光部を経て入射する前記画像光を反射するとともに前記第２の反射面部分により前記第１の反射面部分で反射された前記画像光をさらに反射して外部へ取り出す、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記角度変換部の前記所定の配列方向についての幅は、前記横画角が３５°以上である場合に、２０ｍｍ以上である、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
画像光を形成する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に取り込む光入射部と、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、所定の配列方向に配列される複数の反射面を有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射面での反射により角度を変換して外部へ取出し可能にする角度変換部と、前記角度変換部を経た前記画像光を外部に射出する光射出部と、を有する導光板と、
を備える虚像表示装置であって、
前記角度変換部は、前記光射出部から射出され観察者の瞳に入射する前記画像光の光束光軸に対して前記導光板での光入射側において、前記角度変換部から前記観察者の眼までの距離と設定された横画角の半分の値である横半画角θのｔａｎθとの積に、前記画像光を観察する観察者の瞳の大きさの最大値と前記観察者の眼の動き量の最大値とを加算した値以下の幅を有する、虚像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−６８４４０（Ｐ２０１２−６８４４０Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３３２８（Ｐ２０１０−２１３３２８）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【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４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【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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