(57)【要約】【課題】ＨＭＤの広画角化に際して、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持できる虚像表示装置を提供すること。【解決手段】画像を表示する映像素子と、複数の導光面での反射及び透過により映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、複数の導光面のうち、隣接する入射側導光面と射出側導光面と、入射側導光面及び射出側導光面に対向する対向導光面とに関して、入射側導光面から対向導光面までの厚みを、記射出側導光面から対向導光面までの厚みよりも小さくする。【選択図】図２
2020112740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する映像素子と、
複数の導光面での反射及び透過により前記映像素子からの映像光を導光させる導光部材と
を備え、
前記複数の導光面のうち、隣接する入射側導光面と射出側導光面と、前記入射側導光面及び前記射出側導光面に対向する対向導光面とに関して、前記入射側導光面から前記対向導光面までの厚みが前記射出側導光面から前記対向導光面までの厚みよりも小さい、虚像表示装置。
【請求項２】
前記導光部材において、前記入射側導光面と前記射出側導光面とについて、前記対向導光面までの厚みに差を生じさせる段差部を有している、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記段差部は、前記入射側導光面と前記射出側導光面との間に、厚み方向について２．５ｍｍ以上の差を生じさせる、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記段差部は、３°〜１０°のテーパー角を設けて前記入射側導光面と前記射出側導光面とを接続する、請求項２及び３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記射出側導光面から前記対向導光面までの厚みをｈ１とし、前記入射側導光面から前記対向導光面までの厚みをｈ２とした場合に、厚みの比ｈ２／ｈ１について、
ｈ２／ｈ１≧０．５
を満たす、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記映像光のうち前記映像素子の最も周辺の一端及び他端から射出される成分の主光線の交点であって前記入射側導光面と前記射出側導光面との隣接箇所に最も近い交点に関して、当該交点から前記対向導光面までの距離の値よりも、前記入射側導光面から前記対向導光面までの厚みの値のほうが大きい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記導光部材は、前記複数の導光面として非軸対称な曲面を含み、内部に中間像を形成する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記入射側導光面は、前記導光部材のうち自由曲面部に形成され、
前記射出側導光面及び前記対向導光面は、前記導光部材のうち平面部に形成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記導光部材において、前記複数の導光面として、第１面、第２面、第３面及び第４面を有し、
前記第４面は、前記入射側導光面であり、
前記第３面は、前記対向導光面であり、
前記第１面は、前記射出側導光面であり、
前記映像光は、前記第４面で反射され、前記第３面で反射され、前記第１面で反射され、前記第２面で反射された後、前記第１面を透過して、観察側に到達する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
水平画角２５°以上の映像表示を行う、請求項１〜９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記導光部材において、前記映像光の基準入射位置から基準射出位置までの距離が、５４ｍｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記導光部材は、装着時において観察者の眼の並ぶ方向に沿って前記映像光を導光する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１３】
前記導光部材は、前記射出側導光面と対向導光面とを通過させて前記映像光と外界光とを同時に視認させる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１４】
画像を表示する映像素子と、
複数の導光面での反射及び透過により前記映像素子からの映像光を導光させる導光部材と
を備え、
前記複数の導光面のうち、外界光の入射側と反対側に配置されかつ隣接する入射側導光面と射出側導光面とにおいて、前記射出側導光面を前記入射側導光面よりも張り出させている、虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイに代表される虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置として、例えば特許文献１に示すように、観察者の眼前に映像光を導くための導光部材において、眼に近い側の平面とこれに接続する自由曲面とを、略段差無く接続させたものが知られている。なお、以下において、ヘッドマウントディスプレイをＨＭＤとも記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１１１３６３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に例示するような構成で、さらなる広画角化を行おうとした場合、導光部材において、映像光を反射させる面をより広くすることになり、導光部材全体のサイズも大きくなってしまう可能性がある。かかる事態を回避したい、という要請、すなわちＨＭＤの広画角化に際して、製品全体を観察者（装着者）の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持したい、という要請がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様の虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、複数の導光面での反射及び透過により映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、複数の導光面のうち、隣接する入射側導光面と射出側導光面と、入射側導光面及び射出側導光面に対向する対向導光面とに関して、入射側導光面から対向導光面までの厚みが射出側導光面から対向導光面までの厚みよりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る虚像表示装置の一例の外観を説明する斜視図である。
【図２】虚像表示装置における光学系及び映像光の光路を示す平面断面図である。
【図３】虚像表示装置における導光装置の構成を考察するための概念的な平面断面図である。
【図４】導光装置の構成について比較するための概念図である。
【図５】厚みの比と導光部長との関係について示すグラフである。
【図６】周辺光の光路の観点から導光装置の構成を考察するための概念図である。
【図７】図６の一部を抽出した概念図である。
【図８】図６の別の一部を抽出した概念図である。
【図９】実施例１の虚像表示装置を示す平面断面図である。
【図１０】実施例１に関する厚みの比と導光部長との関係について示すグラフである。
【図１１】実施例２に関する厚みの比と導光部長との関係について示すグラフである。
【図１２】実施例３に関する厚みの比と導光部長との関係について示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図１等を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について、詳細に説明する。
【０００８】
図１等に示すように、本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（ＨＭＤ）であり、この虚像表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光（映像光）を視認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視認又は観察させることができる。つまり、映像光と外界光とを同時に視認させることができる。虚像表示装置１００は、第１表示装置１００Ａと、第２表示装置１００Ｂと、フレーム部１０２とを備える。
【０００９】
第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂは、左眼用と右眼用の虚像をそれぞれ形成する部分であり、観察者の眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂと、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂとをそれぞれ備える。第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂについては、後述するが、表示装置（映像素子）や投射レンズ等の像形成のための光学系やこれらの光学系を収納する部材等でそれぞれ構成されている。なお、表示装置（映像素子）や投射レンズ等は、カバー状の外装部材（ケース部材）１０５ｄにより覆われることで、支持・収納されている。第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂは、第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂで形成される映像光を導光させるとともに外界光と映像光とを重複して視認させる導光部であり、導光部材を含む導光装置を構成している。以下、第１光学部材１０１ａまたは第２光学部材１０１ｂを導光装置２０ともする。なお、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂは、単独でも虚像表示装置として機能する。
【００１０】
フレーム部１０２は、平面視でＵ字状に折れ曲がった細長い部材であり、第１光学部材１０１ａと第２光学部材１０１ｂとの双方すなわち一対の導光装置２０に接続して設けられる肉厚構造の中央部１０２ａと、中央部１０２ａから第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂに沿って延び、さらに、Ｕ字状に折れ曲がった箇所を形成する支持体１０２ｂとを有している。
【００１１】
なお、フレーム部１０２の左右両端から後方に延びるつる部分であるテンプル１０４が設けられており、観察者の耳やこめかみ等に当接させ支持するものとして用いることができる。
【００１２】
以下、図２の平面断面図を参照して、虚像表示装置１００における映像光ＧＬの導光のための構造等について、一例を概念的に説明する。図２は、第１表示装置１００Ａの一部を示す図であり、特に光学系の部分を抽出したものとなっている。なお、映像光ＧＬの導光を行うための装置は、既述のように、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂ（図１参照）であるが、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂとは、左右対称で同等の構造を有するため、第１表示装置１００Ａについてのみ説明し、第２表示装置１００Ｂについては説明を省略する。
【００１３】
図２に示すように、第１表示装置１００Ａは、映像光ＧＬを形成する画像表示装置８０と、図示を省略する鏡筒に収納される結像用の投射レンズＬＳを含む投射光学系３０と、画像表示装置８０及び投射レンズＬＳを経た映像光ＧＬを導光する導光装置２０とを備える。導光装置２０は、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とで構成されている。ここでは、例えば、第１表示装置１００Ａは、水平画角２５°以上の広画角な映像表示を行うものとする。
【００１４】
画像表示装置８０は、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子で構成される映像素子（映像表示素子）とすることができる。また、画像表示装置８０は、例えば透過型の空間光変調装置である映像表示素子のほか、映像表示素子へ照明光を射出するバックライトである照明装置や動作を制御する駆動制御部を有する構成としてもよい。なお、画像表示装置８０は、矩形状であり、矩形状の像面ＩＰを形成して、像面ＩＰの各位置から映像光ＧＬを射出する。ここでは、像面ＩＰの法線方向は、投射光学系３０を構成する投射レンズＬＳの光軸ＡＸが延びる光軸方向に一致しているものとする。
【００１５】
また、図示のように、画像表示装置８０の像面ＩＰから射出される映像光ＧＬのうち、像面ＩＰの中心部ＣＣから射出される成分光ＧＬｃの主光線の成分を成分ＰＲｃとし、周辺部ＰＰから射出される成分光ＧＬｐの主光線の成分を成分ＰＲｐとする。図示のように、眼の位置ＥＹにおいて、中心側からの成分光ＧＬｃは、角度の無い正面方向から入射するのに対して、周辺側からの成分光ＧＬｐは、角度の大きな状態で入射する。つまり、映像光ＧＬの広画角化を図る上では、周辺側からの成分光ＧＬｐについて考察する必要がある。本実施形態では、成分光ＧＬｐを代表して、成分光ＧＬｐの主光線の成分ＰＲｐの光路について後述する。
【００１６】
投射光学系３０は、構成要素として、例えば入射側光軸ＡＸが延びる方向に沿って並ぶ複数の光学素子を備えて構成される投射レンズＬＳを有し、投射レンズＬＳが、不図示の鏡筒といった光学部品保持部材によって収納・支持されている。図示の例では、投射レンズＬＳは、４つのレンズＬＳ１〜ＬＳ４で構成されている。レンズＬＳ１〜ＬＳ４のうちには、例えば非軸対称な非球面（非軸対称非球面）と軸対称な非球面（軸対称非球面）との双方を含む非球面レンズで構成するものが含まれている。つまり、投射レンズＬＳは、非対称光学系を構成している。これにより、導光装置２０を構成する導光部材１０の一部と協働して導光部材１０の内部に表示像に対応する中間像を形成するものとすることができる。投射レンズＬＳは、画像表示装置８０で形成された映像光ＧＬを導光装置２０に向けて投射し入射させる。なお、詳細な説明は省略するが、投射レンズＬＳを収納する鏡筒は、図１の外装部材１０５ｄに収納・支持されている。
【００１７】
導光装置２０は、既述のように、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とで構成されている。また、導光装置２０は、表面部分に保護層であるハードコート層が設けられていることによって本体部材が被覆され、保護されている。光透過部材５０は、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）、すなわち光透過部であり、導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっている。導光装置２０は、例えば鏡筒等の光学部品保持部材にネジ止めされることにより、投射レンズＬＳに対して精度よく位置決め固定されている。
【００１８】
導光部材１０は、光学的な機能を有する側面として、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５を有している。これらのうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが隣接する。また、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置されている。第２面Ｓ１２の表面には、ハーフミラー層が付随して設けられている。このハーフミラー層は、光透過性を有する反射膜（半透過反射膜）であり、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映像光に対する反射率が適宜設定されている。つまり、導光部材１０が、観察者の装着時において眼前を覆う透過型反射面を有している。また、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち、第３面Ｓ１３や第１面Ｓ１１は、平面である。すなわち、これらは、導光部材１０の平面部に形成されている。一方、第２面Ｓ１２、第４面Ｓ１４及び第５面Ｓ１５は、自由曲面である。すなわち、これらは、導光部材１０の自由曲面部に形成されている
【００１９】
また、上記の場合、導光部材１０は、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５により、映像光ＧＬの導光を行う複数の導光面が形成されている、すなわち当該複数の導光面での反射及び透過により、投射光学系３０を経た画像表示装置８０からの映像光を導光させている、と捉えることができる。
【００２０】
さらに、この場合、複数の導光面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち、隣接する第４面Ｓ１４と第１面Ｓ１１とについて、相対的に画像表示装置８０に近い側、すなわち光路上流側に位置する第４面Ｓ１４を、映像光を入射させる側に位置する入射側導光面ＩＧと捉え、相対的に観察者の眼の位置ＥＹに近い側、すなわち光路下流側に位置する第１面Ｓ１１を、映像光を射出させる側に位置する射出側導光面ＯＧと捉えることもできる。
【００２１】
また、複数の導光面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち、第４面Ｓ１４及び第１面Ｓ１１に対して対向するように配置される第３面Ｓ１３は、入射側導光面ＩＧ及び射出側導光面ＯＧに対向する対向導光面ＯＰと捉えることができる。
【００２２】
特に、本実施形態では、上記のような入射側導光面ＩＧ、射出側導光面ＯＧ及び対向導光面ＯＰに関して、入射側導光面ＩＧから対向導光面ＯＰまでの厚みが、射出側導光面ＯＧから対向導光面ＯＰまでの厚みよりも小さいものとなっている。
【００２３】
また、本実施形態では、上記のような配置関係の形成のため、導光部材１０は、隣接する入射側導光面ＩＧと射出側導光面ＯＧとの間に段差部ＳＰを有している。段差部ＳＰは、入射側導光面ＩＧと射出側導光面ＯＧとの間に段差がある状態において、これらを連続的に繋ぐ部分であり、入射側導光面ＩＧと射出側導光面ＯＧとを繋ぐための接続面ＳＳを有している。以上を言い換えると、本実施形態では、導光部材１０において、段差部ＳＰを設けていることで、入射側導光面ＩＧと射出側導光面ＯＧとで、対向導光面ＯＰまでの距離で規定される厚みに差を生じさせた態様となっている。なお、段差部ＳＰは、導光部材１０の厚み方向について例えば２．５ｍｍ以上の厚みの差を生じさせるような形状とし、さらに、必要に応じて、接続面ＳＳ、または接続面ＳＳの近傍に、黒色塗装やシボ加工（砂刷り）が施されていてもよい。また、接続面ＳＳについては、例えば射出側導光面ＯＧの法線方向を基準として３°〜１０°のテーパー角を設けて両者を繋ぐような形状とすることができる。接続面ＳＳあるいはその近傍について、上記のような構成としておくことで、外界光や映像光の不要成分の意図しない反射等に起因する迷光の発生を抑制できる。
【００２４】
また、上記した導光部材１０について、見方を変えると、導光部材１０は、複数の導光面のうち、外界光の入射側と反対側（すなわち観察者側）に配置されかつ隣接する入射側導光面ＩＧと射出側導光面ＯＧとにおいて、射出側導光面ＯＧを入射側導光面ＩＧよりも張り出させた形状（入射側導光面ＩＧを射出側導光面ＯＧよりも凹ませた形状）を有している。
【００２５】
光透過部材５０は、既述のように導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっており、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）である。光透過部である光透過部材５０は、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。第２透過面Ｓ５２は、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に配置されている。第１透過面Ｓ５１は、導光部材１０の第１面Ｓ１１を延長した面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、第２面Ｓ１２に対して接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、導光部材１０の第３面Ｓ１３を延長した面上にある。言い換えると、第１面Ｓ１１と第１透過面Ｓ５１とが隣接し、同様に、第３面Ｓ１３と第３透過面Ｓ５３とが隣接しており、いずれも面一に位置合わせされた状態となった滑らかな面を形成している。
【００２６】
以下、図２を参照して映像光ＧＬの光路について概略説明する。導光部材１０は、投射レンズＬＳから映像光ＧＬを入射させるとともに第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５での反射等により観察者の眼に向けて導光する。具体的には、投射レンズＬＳからの映像光ＧＬは、まず、第４面Ｓ１４に入射して第５面Ｓ１５で反射され、第４面Ｓ１４に内側から再度入射して全反射され、第３面Ｓ１３に入射して全反射され、第１面Ｓ１１に入射して全反射される。第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射し、第２面Ｓ１２に設けたハーフミラー層を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する、すなわち第１面Ｓ１１を透過する。第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼又はその等価位置ＥＹに略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光ＧＬにより画像を観察することになる。
【００２７】
また、導光装置２０は、上述したように導光部材１０により観察者に映像光を視認させるとともに、導光部材１０と光透過部材５０との協働により観察者に歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面（視度略０）となっていることで、外界光について、収差等をほとんど生じない。また、同様に、第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とが互いに略平行な平面となっている。さらに、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。以上により、観察者は、光透過部材５０越しに歪みのない外界像を観察することになる。
【００２８】
以上のように、本実施形態では、導光部材１０の内部において、画像表示装置８０からの映像光を、既述のように、少なくとも２回の全反射を含む第１面Ｓ１１から第５面Ｓ１５までにおける５回の反射によって導光している。これにより、映像光の表示と外界光を視認させるシースルーとを両立させ、かつ、映像光ＧＬの収差の補正を行うことが可能になる。
【００２９】
なお、上記のような構成は、図１に示す第２表示装置１００Ｂにおいても同様となっている。これにより、左右の眼にそれぞれ対応した画像をそれぞれ形成することが可能となっている。
【００３０】
本実施形態では、以上のようにして映像光ＧＬの導光を行う導光装置２０において、既述のように、段差部ＳＰによって段差を設けることで、射出側導光面ＯＧから対向導光面ＯＰまでの厚みｈ１と、入射側導光面ＩＧから対向導光面ＯＰまでの厚みｈ２とについて差を生じさせる構成となっている。すなわち、ｈ１＞ｈ２となるようにしている。これにより、導光部材１０の小型化を図ることで、表示させる映像の広画角化に際して、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持できるようにしている。
【００３１】
本実施形態のような場合を含む眼の並ぶ方向である左右方向（水平方向）に沿って導光装置を延ばして、映像光を観察者の耳側から眼前に導く構成のＨＭＤの場合、特に、導光部分のサイズの調整が重要となる。小さすぎれば観察者の顔が入らなくなり、大きすぎると、見栄え等のデザイン性の問題さらには、装着の困難性等を招くからである。特に、広画角化を行おうとした場合、導光部材において、映像光を反射させる面をより広くすることになり、導光部材のサイズ延いては装置全体のサイズも大きくなってしまう傾向になる。
【００３２】
特に、サイズについて端的には、図２に例示する長さＬＬｃ、すなわち導光部材１０における映像光ＧＬの入口から出口までの長さが問題となる。より具体的には、導光部材１０として適切なサイズを維持するには、長さＬＬｃに例示するような映像光ＧＬの基準入射位置から基準射出位置までの距離が、５４ｍｍ程度かそれ以下となっていることが分かっており、広画角化した場合であっても、この長さ程度に抑えることが望ましい。しかしながら、広画角化を図ろうとすると、まず、導光部材１０のうち、眼に近い光射出側については、画角の維持や、アイリング、アイレリーフの確保等の観点から、ある程度大きくせざるを得ない。さらに、シースルーの観点から、光射出側では、反射面の形状についても制約がある。このため、広画角化に伴う大型化を抑制するための構成とすることが難しいと考えられる。つまり、光射出側の厚みｈ１については、広画角化に伴い必要となるサイズが決まってしまい、変更し難い。そこで、本実施形態では、光射出側の厚みｈ１に対して光入射側の厚みｈ２に差を設けることで、広画角化において、長さＬＬｃに相当する導光部材１０の長さを適切な範囲内とすることを達成させる構成としている。なお、以下では、長さＬＬｃに相当する導光部材１０の長さを導光部長と呼び、導光部長については、適宜定義をする。
【００３３】
以下、図３に示す概念的な平面断面図等を参照して、映像光ＧＬのうち中心光としての成分光ＧＬｃの主光線の成分ＰＲｃの光路を辿ることで、虚像表示装置１００のうち、導光装置２０のサイズに関して、より具体的には、導光部材１０の導光部長について、考察する。
【００３４】
ここでは、前提として、図３に例示する導光装置２０あるいは導光部材１０において、説明の簡略化のため、次のような近似をしている。
【００３５】
まず、導光部材１０を構成する複数の導光面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５に関しては、平面で近似している。特に、これらのうち、射出側導光面ＯＧである第１面Ｓ１１とこれに対向する対向導光面ＯＰである第３面Ｓ１３は、互いに平行な平面であるものとする。さらに、入射側導光面ＩＧである第４面Ｓ１４とこれに対向する対向導光面ＯＰである第３面Ｓ１３も、互いに平行な平面であるものとする。すなわち、第４面Ｓ１４は、本来自由曲面である、すなわち導光部材１０の自由曲面部に形成されているが、図３の例では平面とみなしている。なお、以上を前提とした場合、第１面Ｓ１１、第３面Ｓ１３及び第４面Ｓ１４は、互いに平行となる。さらに、第２面Ｓ１２と第５面Ｓ１５とについては、第１面Ｓ１１と第２面Ｓ１２とがなす角と、第４面Ｓ１４と第５面Ｓ１５とがなす角とが等しい平面であるものとする。
【００３６】
次に、映像光ＧＬに関して、中心光としての成分光ＧＬｃの主光線の成分ＰＲｃが、入射側光軸ＡＸに等しい光路を通り、平面である第４面Ｓ１４に対して、垂直入射しているものとする。この場合、上記第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５の条件から、主光線の成分ＰＲｃは、各面Ｓ１１〜Ｓ１５を経て第１面Ｓ１１から垂直方向に射出されることになる。さらに、この場合、主光線の成分ＰＲｃの第１面Ｓ１１、第３面Ｓ１３及び第４面Ｓ１４に対する反射角度は常に等しくなる。ここでは、この反射角を反射角αとする。なお、この場合、第１面Ｓ１１と第２面Ｓ１２とがなす角は、α／２となる。また、射出に際して、成分ＰＲｃの光路は、観察者の視軸ＯＸに等しく、アイリングの中心点ＣＴ、すなわち観察者の理想上の瞳の中心となる点を通過している。
【００３７】
ここで、図示のように、互いに第１面Ｓ１１、第３面Ｓ１３及び第４ｄ面Ｓ１４の法線方向をＺ方向とし、第１面Ｓ１１、第３面Ｓ１３及び第４面Ｓ１４の面内方向のうち、眼の並ぶ水平方向をＸ方向とする。この場合、Ｚ方向は、第１面Ｓ１１または第４面Ｓ１４から第３面Ｓ１３までの距離を規定する方向となり、これを導光部材１０の厚さ方向とする。つまり、図示のように、射出側導光面ＯＧ（第１面Ｓ１１）から対向導光面ＯＰ（第３面Ｓ１３）までの厚みｈ１と、入射側導光面ＩＧ（第４面Ｓ１４）から対向導光面ＯＰまでの厚みｈ２とについては、Ｚ方向についての距離で定義される。
【００３８】
さらに、以上の前提において、導光部材１０の導光部長Ｌの定義に関して、主光線の成分ＰＲｃの基準入射位置から基準射出位置までを基準とすべく図示のようなものとする。すなわち、入射側光軸ＡＸから視軸ＯＸまでのＸ方向についての距離を、導光部長Ｌと定義する。図示では、主光線の成分ＰＲｃの反射位置を基準にして、導光部長Ｌを４つの長さＬ１〜Ｌ４に分けている。すなわち、
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４…（１）
となっている。また、上記のほか、図示のように、主光線の成分ＰＲｃについて、第２面Ｓ１２の反射点から第１面Ｓ１１の射出点までの距離を距離ｈｋとし、第４面Ｓ１４の入射点から第５面Ｓ１５の反射点までの距離を距離ｈｍとする。ここで、ｈｋ＝ｋ×ｈ１と、ｈｍ＝ｍ×ｈ２とする。すなわち、距離ｈｋ，ｈｍを、厚みｈ１，ｈ２に対する比率で示す。
【００３９】
なお、通常であれば、主光線の成分ＰＲｃは、映像光ＧＬの光線束全体の中心あるいは中心近傍に位置するため、その第２面Ｓ１２の反射点や、第５面Ｓ１５の反射点は、大まかには、各面の中心あたりにくることが望ましい。すなわち、各面の位置の比率を示す数値ｋやｍは、０〜１の範囲内においてその真ん中となる０．５かその近辺の値となることが望ましい。具体的一例としては、ｋ＝０．６程度、ｍ＝０．７程度とすることが想定される。
【００４０】
以上のようにして規定した各値を踏まえて、図示から三角比を考慮すれば、４つの長さＬ１〜Ｌ４について、それぞれ
Ｌ１＝ｈｋ×ｔａｎα＝ｋ×ｈ１×ｔａｎα…（２ａ）
Ｌ２＝ｈ１×ｔａｎα…（２ｂ）
Ｌ３＝ｈ２×ｔａｎα…（２ｃ）
Ｌ４＝ｈｍ×ｔａｎα＝ｍ×ｈ２×ｔａｎα…（２ｄ）
となる。したがって、上式（２ａ）〜（２ｄ）を式（１）に代入して整理すると、
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＝｛（１＋ｋ）ｈ１＋（１＋ｍ）ｈ２｝×ｔａｎα…（３）
となる。上式（３）の右辺から、厚みｈ２を小さくすることで、導光部長Ｌの値を小さくできることが分かる。さらには、どの程度のオーダーで小さくできるのかも分かる。なお、右辺のうち、他の値については、厚みｈ２ほどには変更できないと考えられる。
【００４１】
例えば、光射出側の厚みｈ１については、既述のように、画角（ＦＯＶ）の値や、図中においてｉもしくは２×ｉで径を示すアイリング、あるいは図中においてＤで示すアイレリーフとの関係から、定まり、虚像表示装置１００の構成を決定するこれらの値に応じて定まるものである。つまり、厚みｈ２の値を小さくすると、アイリング径ｉや、アイレリーフＤあるいは画角を小さくしなくてはならないことになる。
【００４２】
また、例えば反射角αの値を小さくすると、全反射条件を満たさなくなる可能性がある。なお、数値ｋやｍについては、既述の通りであり、小さくすれば、映像光ＧＬの各面での反射領域が小さくなってしまう。
【００４３】
以上に対して、厚みｈ２については、数値を小さくすることによる光学的影響は少ないと考えられる。例えば、厚みｈ２と厚みｈ１との差に伴って発生する段差の位置や大きさを適正にすることで、射出側導光面ＯＧ（第１面Ｓ１１）や対向導光面ＯＰ（第３面Ｓ１３）のサイズを十分に確保することで、射出側導光面ＯＧと対向導光面ＯＰとを通過させて映像光と外界光とを同時に視認させるシースルーの確保も可能である。このような点に着目し、本願では、厚みｈ２を厚みｈ１に対して小さくすることで、映像の広画角化に際して、導光部長Ｌが大きくなることを抑制可能にしている。
【００４４】
図４は、導光装置２０あるいは導光部材１０の構成について比較するための概念図であり、図３に対応する図である。仮に、図３に例示した導光部材１０において、厚みｈ２と厚みｈ１との差を設けなかった場合の導光部材１０における主光線の成分ＰＲｃの光路が、図中破線で示されている。実線で示す図３の場合と比較して、導光部長Ｌが大きくなっていることが分かる。
【００４５】
以下、図５のグラフを参照して、説明する。このグラフは、厚みの比ｈ２／ｈ１と導光部長Ｌとの関係についての一例を示すものであり、横軸が厚みの比ｈ２／ｈ１（各厚みの単位：ｍｍとする。）であり、縦軸が導光部長Ｌ（単位：ｍｍとする。）である。なお、各曲線Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３は、画角（ＦＯＶ）や、屈折率ｎｄが異なる場合について示している。まず、上式（３）を変形すると、
2020112740.tif 000003
とできる。ここで、右辺には、厚みｈ１が残っているが、既述のように、厚みｈ１は、画角（ＦＯＶ）やアイリング径ｉ、アイレリーフＤによって固定的に定まり、ここでは、画角（ＦＯＶ）以外のアイリング径ｉ及びアイレリーフＤは、変更しないものとし、画角（ＦＯＶ）が決まれば、厚みｈ１は、定まるものとする。さらに、導光部長Ｌが５４ｍｍ程度かそれ以下となっていること、ｋ＝０．６程度、ｍ＝０．７程度とすること、反射角αが屈折率ｎｄにおいて全反射条件を満たすことを踏まえ、厚みの比ｈ２／ｈ１が、上式（４）の右辺の値あるいは、それ以下の値となるようにすることが望ましいと考えられる。
【００４６】
なお、以上のように、図３等で近似的に示した事項については、例えば、導光部材１０を構成する複数の導光面を全て平面として扱ったり、主光線を当該平面に対して垂直入射させたりしている。このため、実際の光学系においては、自由曲面を用いていたり、入射角度もついたりしている。しかしながら、これらの形状や角度の差については、おおよその導光部長がどの程度になるかの算出に対しては、誤差と考えられる事項や修正可能な事項と考えられる。例えば、入射角度等については、光線ごとの違いやこれに伴う全反射条件、あるいは、入射側光軸ＡＸや視軸ＯＸの傾き、アイリング径ｉ等を加味すべく、上記各式において、上述した反射角αに代えて、例えば、角度θ１として、
2020112740.tif 000004
で定義されるものを用いることが考えられる。
【００４７】
図５中の各曲線Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３は、上記要件として、ｋ＝０．６、ｍ＝０．７、ｓｉｎαに代えて角度θ１を採用した場合において各条件を満たす境界の曲線を画角（ＦＯＶ）及び屈折率ｎｄごとに示しており、例えば、曲線Ａ１〜Ａ３は、画角として水平画角を２５°とした場合に対して、屈折率ｎｄ＝１．５０、１．５５、１．６０とした場合の境界の曲線をそれぞれ示している。同様に、曲線Ｂ１〜Ｂ３は、水平画角を３５°とし、屈折率ｎｄ＝１．５０、１．５５、１．６０とした場合について、曲線Ｃ１〜Ｃ３は、水平画角を４５°とし、屈折率ｎｄ＝１．５０、１．５５、１．６０とした場合について、それぞれ示している。グラフから、例えば厚みの比ｈ２／ｈ１を０．５程度とすれば、すなわち厚みｈ２を厚みｈ１の半分程度とすれば、水平画角を４５°程度とする広光画角化した表示においても、導光部長Ｌが５４ｍｍ程度にすることが可能であると考えられる。また、グラフから、屈折率ｎｄの値にも依る、すなわち導光部材１０の材料にも依るが、水平画角を２５°以上とすると、厚みｈ２を厚みｈ１よりも小さくする必要性が出てくることが分かる。より具体的には、例えば、屈折率ｎｄ＝１．５０である場合のように屈折率が低い場合、水平画角が約３２°を超えると、ｈ２＜ｈ１にする必要があり、さらに、水平画角が約４０°を超えると、屈折率に依らず、ｈ２＜ｈ１にする必要がある。
【００４８】
なお、上記の考察は、見方を変えると、厚みｈ２に関する１つの制限事項として、厚みｈ２の上限、あるいは厚みの比ｈ２／ｈ１の上限についてのものである、とも言える。
【００４９】
次に、厚みｈ２に関する別の制限事項として、図２に例示した映像光ＧＬのうち周辺側の成分光ＧＬｐの光路の観点から導光装置２０の構成を、図６等を参照して考察する。
【００５０】
既述のように、成分光ＧＬｐは、映像光ＧＬの画角（ＦＯＶ）を定めるものである、という観点から、導光部材１０における成分光ＧＬｐの光路について検討することは、重要な事項の１つとなる。例えば厚みｈ２を小さくするために段差部ＳＰを設けた場合、段差部ＳＰの近辺において、映像光ＧＬの各成分光が通過できる範囲を確保することが前提となる。言い換えると、映像光ＧＬが段差部ＳＰによって蹴られ遮断されてしまわないように、映像光ＧＬの通過範囲に段差部ＳＰが重ならないような形状あるいは構造とすることが必要である。ここでは、かかる事項を考慮すべく、映像光ＧＬのうち周辺光である成分光ＧＬｃを代表して、成分光ＧＬｐの主光線の成分ＰＲｐの光路について、望ましい条件を考察する。
【００５１】
入射側導光面ＩＧと射出側導光面ＯＧとの隣接箇所である段差部ＳＰは、接続面ＳＳにおいて、厚み方向（Ｚ方向）について段差ｄを厚みｈ１と厚みｈ２との差として生じさせている。各部の設定や適用する材料の屈折率等にもよるが、例えば、画角（ＦＯＶ）を、２８°程度とした場合に、厚みｈ１が１３ｍｍ程度となった場合、段差ｄの値は、２．５ｍｍ程度かそれ以上の値となっていることで、導光部長Ｌを所望の範囲内に収めることができる。
【００５２】
図６は、周辺光である成分光ＧＬｃの主光線の成分ＰＲｐの光路について導光装置２０すなわち導光部材１０の構成を考察するための概念的な平面断面図であり、図３に対応する図である。また、図７は、図６の一部を抽出した図であり、図８は、図６の別の一部を抽出した図である。
【００５３】
ここでは、考察対象である成分ＰＲｐのうち、光射出側（＋Ｘ側）、さらに言い換えると観察者の鼻側についての画角に関与する成分を図中において一点鎖線で示す成分ＰＰ１とし、光入射側（−Ｘ側）、さらに言い換えると観察者の耳側についての画角に関与する成分を図中において破線で示す成分ＱＱ１とする。なお、これらの成分ＰＰ１，ＱＱ１は、図２に示す画像表示装置８０の像面ＩＰのうち最も周辺の一端及び他端から射出される成分の主光線に相当することになる。
【００５４】
さらに、ここでは、図示のように、成分ＰＰ１と成分ＱＱ１との交点（複数ある交点）のうち、隣接箇所である段差部ＳＰに最も近い交点を交点ＣＳとする。この交点ＣＳが段差部ＳＰに重ならないようにすることが１つの目安となる。そのため、ここでは、厚み方向（Ｚ方向）についての交点ＣＳから対向導光面ＯＰ（第３面Ｓ１３）までの距離を距離ｈｃとし、距離ｈｃを厚みｈ２の下限を決める基準とする、すなわち交点ＣＳから対向導光面ＯＰまでの距離ｈｃの値よりも、厚みｈ２の値のほうが大きいことを、成分光ＧＬｐの光路確保の条件とする。
【００５５】
以下、成分ＰＰ１と成分ＱＱ１とにおける光路を、眼の位置ＥＹから逆に辿って交点ＣＳに到達するまでを考察する。また、ここで、Ｘ方向（水平方向）についての交点ＣＳから視軸ＯＸまでの距離を距離Ｌｃとする。さらに、図示のように、導光部材１０における成分ＰＰ１の全反射角度を角度α１（すなわち反射角α１）とし、成分ＱＱ１の全反射角度を角度α２（すなわち反射角α２）とする。
【００５６】
以上を前提として、以下では、成分ＰＰ１と成分ＱＱ１とについて、距離Ｌｃを、上記に定めた各数値で表すことで、距離ｈｃについての算出する方法について概要を示す。
【００５７】
まず、図７を参照して、鼻側の画角（ＦＯＶ）の確保について、すなわち成分ＰＰ１について考察する。成分ＰＰ１は、眼の位置ＥＹの中心であるアイリングの中心点ＣＴから視軸ＯＸに対して＋Ｘ側に角度ＦＯＶ／２傾斜した方向に延びて、第１面Ｓ１１から入射して、第１面Ｓ１２での反射により折り返され、射出側導光面ＯＧ（第１面Ｓ１１）で反射され、対向導光面ＯＰ（第３面Ｓ１３）で反射されて交点ＣＳに到達する。図示では、成分ＰＰ１の反射位置を基準にして、距離Ｌｃを４つの長さＰ１〜Ｐ４に分けている。すなわち、
Ｌｃ＝−Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４…（６）
となっている。ここで、第１面Ｓ１１の入射点から第２面Ｓ１２の反射点までの距離（光路の順に辿った場合の第２面Ｓ１２の反射点から第１面Ｓ１１の射出点までの距離に相当）を距離ｈｐとして、図示から三角比を考慮すれば、４つの長さＰ１〜Ｐ４について、それぞれ
Ｐ１＝（ｈｐ＋Ｄ）×ｔａｎ（ＦＯＶ／２）…（７ａ）
Ｐ２＝ｈｐ×ｔａｎα１…（７ｂ）
Ｐ３＝ｈ１×ｔａｎα１…（７ｃ）
Ｐ４＝ｈｃ×ｔａｎα１…（７ｄ）
となる。なお、距離ｈｐについては、図３の距離ｈｋの値や光線束の形状等により適宜定まる。上記において、算出対象となる距離ｈｃは、長さＰ４のみに含まれており、長さＰ１〜Ｐ３は、距離ｈｃを含まない他の数値で定まっている。なお、アイレリーフＤは、既述のものと同様である。
【００５８】
次に、図８を参照して、耳側の画角（ＦＯＶ）の確保について、すなわち成分ＱＱ１について考察する。成分ＱＱ１は、眼の位置ＥＹの中心であるアイリングの中心点ＣＴから視軸ＯＸに対して−Ｘ側に角度ＦＯＶ／２傾斜した方向に延びて第１面Ｓ１１から入射して、第１面Ｓ１２での反射により折り返され、射出側導光面ＯＧ（第１面Ｓ１１）で反射されて交点ＣＳに到達する。すなわち、対向導光面ＯＰ（第３面Ｓ１３）に到達する前に交点ＣＳに到達する点において、図７等に示した成分ＰＰ１の場合と異なっている。図示では、成分ＱＱ１の反射位置を基準にして、距離Ｌｃを３つの長さＱ１〜Ｑ３に分けている。すなわち、
Ｌｃ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３…（８）
となっている。ここで、第１面Ｓ１１の入射点から第２面Ｓ１２の反射点までの距離（光路の順に辿った場合の第２面Ｓ１２の反射点から第１面Ｓ１１の射出点までの距離に相当）を距離ｈＱとして、図示から三角比を考慮すれば、３つの長さＱ１〜Ｑ３について、それぞれ
Ｑ１＝（ｈＱ＋Ｄ）×ｔａｎ（ＦＯＶ／２）…（９ａ）
Ｑ２＝ｈＱ×ｔａｎα２…（９ｂ）
Ｑ３＝（ｈ１−ｈｃ）×ｔａｎα２…（９ｃ）
となる。なお、距離ｈＱについては、図３の距離ｈｋの値や光線束の形状等により適宜定まる。上記において、算出対象となる距離ｈｃは、長さＱ３のみに含まれており、長さＱ１、Ｑ２は、距離ｈｃを含まない他の数値で定まっている。
【００５９】
以上から、距離Ｌｃに関して、まず、上式（６）及び（８）より、
Ｌｃ＝−Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３…（１０）
である。このことから、上式（１０）の中辺と右辺とにおいて、さらに、上式（７ａ）〜（７ｄ）及び（９ａ）〜（９ｃ）を代入し、距離ｈｃが、長さＰ４，Ｑ３のみに含まれることを勘案して、中辺と右辺とにおける距離ｈｃについて整理すれば、距離ｈｃが満たすべき条件を得ることができる。
【００６０】
本実施形態では、上記のようにして定まる距離ｈｃに対して、厚みｈ２が、
ｈ２≧ｈｃ…（１１）
となっていることが、交点ＣＳが段差部ＳＰに重ならないようにするために望ましい条件となる。さらに、厚みの比ｈ２／ｈ１について言及すれば、
ｈ２／ｈ１≧ｈｃ／ｈ１…（１２）
となっていることが望ましい、ということになる。上式（１２）の右辺について、画角（ＦＯＶ）やアイレリーフＤ、さらには、アイリング径ｉまでを考慮すると、
厚みの比ｈ２／ｈ１について、
ｈ２／ｈ１≧０．５…（１３）
を満たすようにすることが望ましいと考えられる。
【００６１】
なお、上記の考察は、見方を変えると、厚みｈ２に関する別の１つの制限事項として、厚みｈ２の下限、あるいは厚みの比ｈ２／ｈ１の下限についてのものである、とも言える。
【００６２】
以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置１００は、画像を表示する映像素子である画像表示装置８０と、複数の導光面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５での反射及び透過により画像表示装置８０からの映像光ＧＬを導光させる導光部材１０とを備え、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち、隣接する入射側導光面ＩＧ（第４面Ｓ１４）と射出側導光面ＯＧ（第１面Ｓ１１）と、入射側導光面ＩＧ及び射出側導光面ＯＧに対向する対向導光面ＯＰ（第３面Ｓ１３）とに関して、入射側導光面ＩＧから対向導光面ＯＰまでの厚みｈ１が射出側導光面ＯＧから対向導光面ＯＰまでの厚みｈ２よりも小さい。
【００６３】
上記虚像表示装置１００では、導光部材１０を構成する複数の導光面のうち上記箇所に設けた厚みの差を利用して導光部材１０の小型化を図ることで、広画角化に際して、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持できる。
【００６４】
〔実施例１〕
以下、図９等を参照して、本実施形態に係る虚像表示装置の具体的一例（実施例１）について説明する。
【００６５】
図９の平面断面図に例示する虚像表示装置は、本実施形態で例示した虚像表示装置１００についてのより具体的な一態様であり、図９は、図２に対応する図である。また、図１０は、実施例１に関する導光部材１０の厚みの比ｈ２／ｈ１と導光部長Ｌとの関係について示すグラフである。
【００６６】
なお、ここでは、図９に示すように、導光部長Ｌは、投射光学系３０の光軸である入射側光軸ＡＸの導光部材１０（あるいは導光装置２０）における入射点ＰＩから視軸ＯＸまでの距離で定義する。また、導光部長Ｌについては、５０ｍｍ程度となることを目標とする。なお、図１０において、横軸は、導光部長Ｌを示し、縦軸は、厚みの比ｈ２／ｈ１を示している。
【００６７】
以上において、実施例１では、水平画角（ＦＯＶ）を３５°とし、屈折率ｎｄを１．５０としている。さらに、実施例１では、図１０における点ＰＴ１に示す値で導光部材１０を構成している。すなわち、導光部長Ｌについては、目標となる５０ｍｍ程度となるようにし、厚みの比ｈ２／ｈ１については、０．６９となるようにしている。
【００６８】
ここで、上式（４）において、ｋ＝０．６、ｍ＝０．７とし、さらに、角度αに代えて上式（５）の角度θ１を採用した上で屈折率ｎｄ＝１．５０とした場合、厚みの比ｈ２／ｈ１として許容される範囲は、図１０における直線Ｒ１を境界とする領域ＤＤ１となる。この場合、Ｌ＝５０ｍｍでのｈ２／ｈ１の最大値は、約０．７３程度となる。したがって、ｈ２／ｈ１＝０．６９としている実施例１の場合、この条件、すなわち上式（４）等に関する条件を満たすものとなっている。また、ｈ２／ｈ１＝０．６９とした場合、上式（１３）の要件も満たす。すなわち、厚みの比ｈ２／ｈ１について、上限及び下限に関する要件の双方を満たしている。
【００６９】
以上のように、実施例１は、水平画角（ＦＯＶ）を３５°とする広画角化において、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持しつつ確実な画像形成を確保できる態様となっている。
【００７０】
〔実施例２〕
以下、図１１を参照して、本実施形態に係る虚像表示装置の具体的一例（実施例２）について説明する。
【００７１】
図１１は、実施例２に関する導光部材１０の厚みの比ｈ２／ｈ１と導光部長Ｌとの関係について示すグラフであり、図１０に対応するものである。なお、導光部材１０の構成等については、実施例１の図９に例示した場合と若干の形状の違いがあるのみで、構造としては同様であるので図示を省略している。
【００７２】
以上において、実施例２では、水平画角（ＦＯＶ）を３５°とし、屈折率ｎｄを１．５５としている。さらに、実施例２では、図１１における点ＰＴ２に示す値で導光部材１０を構成している。すなわち、導光部長Ｌについては、目標となる５０ｍｍ程度となるようにし、厚みの比ｈ２／ｈ１については、０．７４となるようにしている。
【００７３】
ここで、上式（４）において、ｋ＝０．６、ｍ＝０．７とし、さらに、角度αに代えて上式（５）の角度θ１を採用した上で屈折率ｎｄ＝１．５５とした場合、厚みの比ｈ２／ｈ１として許容される範囲は、図１１における直線Ｒ２を境界とする領域ＤＤ２となる。この場合、Ｌ＝５０ｍｍでのｈ２／ｈ１の最大値は、約０．９程度となる。したがって、ｈ２／ｈ１＝０．７４としている実施例２の場合、この条件、すなわち上式（４）等に関する条件を満たすものとなっている。また、ｈ２／ｈ１＝０．７４とした場合、上式（１３）の要件も満たす。すなわち、厚みの比ｈ２／ｈ１について、上限及び下限に関する要件の双方を満たしている。
【００７４】
以上のように、実施例２は、水平画角（ＦＯＶ）を３５°とする広画角化において、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持しつつ確実な画像形成を確保できる態様となっている。
【００７５】
〔実施例３〕
以下、図１２を参照して、本実施形態に係る虚像表示装置の具体的一例（実施例３）について説明する。
【００７６】
図１２は、実施例３に関する導光部材１０の厚みの比ｈ２／ｈ１と導光部長Ｌとの関係について示すグラフであり、図１０や図１１に対応するものである。なお、導光部材１０の構成等については、実施例１の図９に例示した場合と若干の形状の違いがあるのみで、構造としては同様であるので図示を省略している。
【００７７】
以上において、実施例３では、水平画角（ＦＯＶ）を４５°とし、屈折率ｎｄを１．５５としている。さらに、実施例３では、図１２における点ＰＴ３に示す値で導光部材１０を構成している。すなわち、導光部長Ｌについては、目標となる５０ｍｍ程度からさらに小さい４９ｍｍとなるようにし、厚みの比ｈ２／ｈ１については、下限（最小）の０．５０となるようにしている。
【００７８】
ここで、上式（４）において、ｋ＝０．６、ｍ＝０．７とし、さらに、角度αに代えて上式（５）の角度θ１を採用した上で屈折率ｎｄ＝１．５５とした場合、厚みの比ｈ２／ｈ１として許容される範囲は、図１２における直線Ｒ３を境界とする領域ＤＤ３となる。ｈ２／ｈ１＝０．５０としている実施例３の場合、この条件、すなわち上式（４）等に関する条件を満たすものとなっている。また、上式（１３）の要件も満たす。すなわち、厚みの比ｈ２／ｈ１について、上限及び下限に関する要件の双方を満たしている。
【００７９】
以上のように、実施例１は、水平画角（ＦＯＶ）を４５°とする広画角化において、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持しつつ確実な画像形成を確保できる態様となっている。
【００８０】
〔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で実施することが可能である。
【００８１】
まず、上記において、例えば水平画角（ＦＯＶ）等の数値は例示であり、必要な仕様に応じて、種々異なるものにできる。
【００８２】
また、画像表示装置８０としては、上記以外にも、透過型の液晶表示デバイスとしてのＨＴＰＳのほか、種々のものを利用可能であり、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、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。
【００８３】
また、各レンズのレンズ面に適宜ＡＲコートを設けることで、ゴースト光の発生等をさらに抑制するものとしてもよい。
【００８４】
また、本願発明の技術を、画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型（シースルーでない）タイプの虚像表示装置のほか、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができるものに採用したり、ディスプレイと撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。
【００８５】
また、本願発明の技術を、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。
【００８６】
また、上記において、映像光の一部を透過させるとともに他の一部を反射させる半透過反射膜を設けた箇所については、これに代えて例えば体積ホログラム等の回折素子といった光学機能面を設けることで、同等の役割を果たすようにすることも考えられる。
【００８７】
以上のように、本発明の一態様の虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、複数の導光面での反射及び透過により映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、複数の導光面のうち、隣接する入射側導光面と射出側導光面と、入射側導光面及び射出側導光面に対向する対向導光面とに関して、入射側導光面から対向導光面までの厚みが射出側導光面から対向導光面までの厚みよりも小さい。
【００８８】
上記虚像表示装置では、導光部材を構成する複数の導光面のうち上記箇所に設けた厚みの差を利用して導光部材の小型化を図ることで、ＨＭＤの広画角化に際して、観察者の頭部形状にフィットしたよりコンパクトな形状に維持できる。
【００８９】
本発明の具体的な側面では、導光部材において、入射側導光面と射出側導光面とについて、対向導光面までの厚みに差を生じさせる段差部を有している。この場合、段差部により所望の厚みの差を設けることができる。
【００９０】
本発明の別の側面では、段差部は、入射側導光面と射出側導光面との間に、厚み方向について２．５ｍｍ以上の差を生じさせる。この場合、小型化のために必要に足る厚みの差を生じさせることができる。
【００９１】
本発明のさらに別の側面では、段差部は、３°〜１０°のテーパー角を設けて入射側導光面と射出側導光面とを接続する。この場合、上記テーパー角を設けることで、段差部における意図しない光の反射を抑制できる。
【００９２】
本発明のさらに別の側面では、射出側導光面から対向導光面までの厚みをｈ１とし、入射側導光面から対向導光面までの厚みをｈ２とした場合に、厚みの比ｈ２／ｈ１について、
ｈ２／ｈ１≧０．５
を満たす。この場合、導光部材において画角を考慮した映像光の光路確保ができる。
【００９３】
本発明のさらに別の側面では、映像光のうち映像素子の最も周辺の一端及び他端から射出される成分の主光線の交点であって入射側導光面と射出側導光面との隣接箇所に最も近い交点に関して、当該交点から対向導光面までの距離の値よりも、入射側導光面から対向導光面までの厚みの値のほうが大きい。この場合、当該交点を基準として、導光部材における映像光の光路確保ができる。
【００９４】
本発明のさらに別の側面では、導光部材は、複数の導光面として非軸対称な曲面を含み、内部に中間像を形成する。この場合、ＨＭＤに適した光路長を維持しつつ高画質な画像形成ができる。
【００９５】
本発明のさらに別の側面では、入射側導光面は、導光部材のうち自由曲面部に形成され、射出側導光面及び対向導光面は、導光部材のうち平面部に形成される。この場合、自由曲面部において収差補正を可能として良好な画像形成を維持しつつ、平面部においてシースルーを確保できる。
【００９６】
本発明のさらに別の側面では、導光部材において、複数の導光面として、第１面、第２面、第３面及び第４面を有し、第４面は、入射側導光面であり、第３面は、対向導光面であり、第１面は、射出側導光面であり、映像光は、第４面で反射され、第３面で反射され、第１面で反射され、第２面で反射された後、第１面を透過して、観察側に到達する。この場合、複数の導光面としての第１面、第３面及び第４面により、射出側導光面、対向導光面及び入射側導光面を形成できる。
【００９７】
本発明のさらに別の側面では、水平画角２５°以上の映像表示を行う。この場合、従来に比べてより広画角な画像形成が可能になる。
【００９８】
本発明のさらに別の側面では、導光部材において、映像光の基準入射位置から基準射出位置までの距離が、５４ｍｍ以下である。この場合、導光部材１０として適切なサイズを維持できる。
【００９９】
本発明のさらに別の側面では、導光部材は、装着時において観察者の眼の並ぶ方向に沿って映像光を導光する。この場合、横方向について大きくはみ出したデザインとなってしまうことを回避できる。
【０１００】
本発明のさらに別の側面では、導光部材は、射出側導光面と対向導光面とを通過させて映像光と外界光とを同時に視認させる。この場合、映像光と外界光とを重畳して観察するシースルーの画像形成により、拡張現実（ＡＲ）による視認を観察者にさせることが可能となる。
【０１０１】
また、本発明の別の一態様の虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、複数の導光面での反射及び透過により映像素子からの映像光を導光させる導光部材とを備え、複数の導光面のうち、外界光の入射側と反対側に配置されかつ隣接する入射側導光面と射出側導光面とにおいて、射出側導光面を入射側導光面よりも張り出させている。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…導光部材、２０…導光装置、２５…水平画角、３０…投射光学系、５０…光透過部材、８０…画像表示装置、１００…虚像表示装置、１０２…フレーム部、１０２ａ…中央部、１０２ｂ…支持体、１０４…テンプル、１０５ｄ…外装部材、Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３，Ｃ１〜Ｃ３…曲線、ＡＲ…適宜、ＡＸ…光軸、ＡＸ…入射側光軸、ＣＣ…中心部、ＣＳ…交点、ＣＴ…中心点、Ｄ…アイレリーフ、ＤＤ１〜ＤＤ３…領域、ＥＹ…位置、ＧＬ…映像光、ＧＬｃ，ＧＬｐ…成分光、ＩＧ…入射側導光面、ＩＰ…像面、Ｌ…導光部長、ＬＳ…投射レンズ、ＬＳ１〜ＬＳ４…レンズ、Ｌｃ…距離、ＯＧ…射出側導光面、ＯＰ…対向導光面、ＯＸ…視軸、ＰＩ…入射点、ＰＰ…周辺部、ＰＰ１，ＱＱ１…成分、ＰＲｃ，ＰＲｐ…成分、ＰＴ１〜ＰＴ３…点、Ｒ１〜Ｒ３…直線、Ｓ１１〜Ｓ１５…面、ＳＰ…段差部、ＳＳ…接続面、ｄ…段差、ｈ１…厚み、ｈ２…厚み、ｈ２／ｈ１…比、ｈｃ，ｈｋ，ｈｍ…，ｈｐ，ｈＱ…距離、ｉ…アイリング径、ｎｄ…屈折率、α，α１，α２…反射角、θ１…角度
【図１】
2020112740.tif 000005
【図２】
2020112740.tif 000006
【図３】
2020112740.tif 000007
【図４】
2020112740.tif 000008
【図５】
2020112740.tif 000009
【図６】
2020112740.tif 000010
【図７】
2020112740.tif 000011
【図８】
2020112740.tif 000012
【図９】
2020112740.tif 000013
【図１０】
2020112740.tif 000014
【図１１】
2020112740.tif 000015
【図１２】
2020112740.tif 000016