(57)【要約】【課題】光学系及びヘッドマウント表示装置を提供する。【解決手段】映像ビームを受光する光学系であって、光学系の第１導光素子は第１入光面、第１出光面、及び少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、光学系の第２導光素子は、第１表面、第１表面に向かう第２表面、及び少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有し、映像ビームは第１入光面を介して第１導光素子に入り、第１出光面を介して第１導光素子から離れ、第１表面の一部は第２入光面であり、第１表面の他部は第２出光面であり、映像ビームは第２入光面を介して第２導光素子に入り、且つ第２出光面を介して第２導光素子から離れ、第２表面は複数の光学的微構造を有し、各光学的微構造は反射面を有する。該光学系は、映像ビームを伝達し、且つ映像ビームを２つの方向に拡張させ、ゴーストを回避し、薄い体積で良好な映像表示品質を提供する。【選択図】図１Ｃ
2018116262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像ビームを受光する光学系であって、
第１導光素子と、第２導光素子と、を含み、
前記第１導光素子は、第１入光面、第１出光面、及び少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、
前記映像ビームは前記第１入光面を介して前記第１導光素子に入り、
前記第１出光面は前記第１入光面に連結され、前記映像ビームは前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れ、
前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１導光素子内に配置され、
前記第２導光素子は、前記第１導光素子の傍に配置され、第１表面、第２表面及び少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有し、
前記第１表面の一部は前記第１出光面に向かう第２入光面であり、前記第１表面の他部は第２出光面であり、前記映像ビームは前記第２入光面を介して前記第２導光素子に入り、且つ前記第２出光面を介して前記第２導光素子から離れ、
前記第２表面は前記第１表面に向かい、且つ複数の光学的微構造を有し、各前記光学的微構造は反射面を有し、
前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２導光素子内に配置されることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記第１導光素子に入った前記映像ビームの一部は、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタで反射されて、前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れ、
前記第１導光素子から離れた前記映像ビームは、前記第２入光面を介して前記第２導光素子に入り、
前記反射面は、前記第２導光素子に入った前記映像ビームを反射し、
前記反射面により反射された前記映像ビームの一部は、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタで反射されて、前記第２出光面を介して前記第２導光素子から離れることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記第１導光素子は、第１側面、第２側面及び第３側面をさらに有し、
前記第１側面は前記第１入光面に連結され、且つ前記第１出光面に平行となり、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１側面と前記第１出光面との間に配置され、
前記第２側面は、前記第１側面及び前記第１出光面に連結され、
前記第３側面は、前記第１側面及び前記第１出光面に連結され、且つ前記第２側面に平行となり、
前記映像ビームは、前記第１側面と前記第１出光面との間及び前記第２側面と前記第３側面との間に入り、前記映像ビームの少なくとも一部は、前記第２側面及び前記第３側面に到達する前に、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタにより反射されて、前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れる、ことを特徴とする請求項２に記載の光学系。
【請求項４】
前記第２表面は前記第２出光面に平行となり、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２表面と前記第２出光面と間に配置され、
前記映像ビームの少なくとも一部は、前記第２表面と前記第２出光面との間で全反射されることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項５】
前記第２導光素子から離れた前記映像ビームは瞳に入り、前記第１導光素子に入る前の前記映像ビームは第１方向において第１入射瞳視野角を有し、且つ第２方向において第２入射瞳視野角を有し、
前記第２導光素子から離れ、且つ前記瞳に入る前記映像ビームは、第３方向において第１光収束角を有し、且つ第４方向において第２光収束角を有し、
前記第１方向は前記第２方向に垂直となり、前記第３方向は前記第４方向に垂直となり、前記第１入射瞳視野角は前記第１光収束角に等しく、前記第２入射瞳視野角は前記第２光収束角に等しいことを特徴とする請求項２に記載の光学系。
【請求項６】
前記光学的微構造は前記反射面を連結する連結面をさらに含み、
各前記反射面と基準平面との鋭角は、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタと前記第２出光面との鋭角に等しく、
各前記連結面と前記基準平面とは夾角をなし、前記夾角は０度よりも大きく、且つ９０度以下であり、前記基準平面は前記第２出光面に平行となることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項７】
各前記光学的微構造は、光反射層及び光吸収層をさらに有し、
前記光反射層は前記反射面に配置され、
前記光吸収層は前記連結面に配置されることを特徴とする請求項６に記載の光学系。
【請求項８】
前記第１入光面の傍に配置される反射鏡をさらに含み、
前記反射鏡は、前記映像ビームが前記第１入光面を介して前記第１導光素子に入るように前記映像ビームを反射することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１入光面に平行とならず、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２入光面に平行とならないことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１０】
前記第１入光面と前記第１出光面との夾角は９０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは複数の第１ビームスプリッタであり、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは複数の第２ビームスプリッタであり、前記複数の第１ビームスプリッタは互いに平行となり、且つ離間して配列され、前記複数の第２ビームスプリッタは互いに平行となり、且つ離間して配列されることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１２】
前記第２入光面と前記第１出光面との間には隙間があり、前記第２入光面は前記第１出光面に平行となることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項１３】
投影装置と、光学系と、を含むヘッドマウント表示装置であって、
前記投影装置は映像ビームを提供し、
前記光学系は第１導光素子及び第２導光素子を含み、
前記第１導光素子は、第１入光面、第１出光面、及び少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、
前記映像ビームは前記第１入光面を介して前記第１導光素子に入り、
前記第１出光面は前記第１入光面に連結され、前記映像ビームは前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れ、
前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１導光素子内に配置され、
前記第２導光素子は、前記第１導光素子の傍に配置され、第１表面、第２表面及び少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有し、
前記第１表面の一部は前記第１出光面に向かう第２入光面であり、前記第１表面の他部は第２出光面であり、前記映像ビームは前記第２入光面を介して前記第２導光素子に入り、且つ前記第２出光面を介して前記第２導光素子から離れ、
前記第２表面は前記第１表面に向かい、且つ複数の光学的微構造を有し、各前記光学的微構造は反射面を有し、
前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２導光素子内に配置されることを特徴とするヘッドマウント表示装置。
【請求項１４】
前記投影装置はディスプレイ及び少なくとも１つのレンズを有し、
前記ディスプレイは前記映像ビームを提供し、
前記映像ビームは、前記少なくとも１つのレンズを介して前記第１導光素子に伝達され、
前記少なくとも１つのレンズの絞り位置は、前記第１導光素子内に位置することを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項１５】
前記第１導光素子に入った前記映像ビームの一部は、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタで反射されて、前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れ、
前記第１導光素子から離れた前記映像ビームは、前記第２入光面を介して前記第２導光素子に入り、
前記反射面は、前記第２導光素子に入った前記映像ビームを反射し、
前記反射面により反射された前記映像ビームの一部は、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタで反射されて、前記第２出光面を介して前記第２導光素子から離れることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項１６】
前記第１導光素子は、第１側面、第２側面及び第３側面をさらに有し、
前記第１側面は前記第１入光面に連結され、且つ前記第１出光面に平行となり、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１側面と前記第１出光面との間に配置され、
前記第２側面は、前記第１側面及び前記第１出光面に連結され、
前記第３側面は、前記第１側面及び前記第１出光面に連結され、且つ前記第２側面に平行となり、
前記映像ビームは、前記第１側面と前記第１出光面との間及び前記第２側面と前記第３側面との間に入り、前記映像ビームの少なくとも一部は、前記第２側面及び前記第３側面に到達する前に、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタにより反射されて、前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れる、ことを特徴とする請求項１５に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項１７】
前記第２表面は前記第２出光面に平行となり、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２表面と前記第２出光面と間に配置され、
前記映像ビームの少なくとも一部は、前記第２表面と前記第２出光面との間で全反射されることを特徴とする請求項１６に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項１８】
前記第２導光素子から離れた前記映像ビームは瞳に入り、前記第１導光素子に入る前の前記映像ビームは第１方向において第１入射瞳視野角を有し、且つ第２方向において第２入射瞳視野角を有し、
前記第２導光素子から離れ、且つ前記瞳に入る前記映像ビームは、第３方向において第１光収束角を有し、且つ第４方向において第２光収束角を有し、
前記第１方向は前記第２方向に垂直となり、前記第３方向は前記第４方向に垂直となり、前記第１入射瞳視野角は前記第１光収束角に等しく、前記第２入射瞳視野角は前記第２光収束角に等しいことを特徴とする請求項１５に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項１９】
前記光学的微構造は前記反射面を連結する連結面をさらに含み、
各前記反射面と基準平面との鋭角は、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタと前記第２出光面との鋭角に等しく、
各前記連結面と前記基準平面とは夾角をなし、前記夾角は０度よりも大きく、且つ９０度以下であり、前記基準平面は前記第２出光面に平行となることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項２０】
各前記光学的微構造は、光反射層及び光吸収層をさらに有し、
前記光反射層は前記反射面に配置され、
前記光吸収層は前記連結面に配置されることを特徴とする請求項１９に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項２１】
前記第１入光面の傍に配置される反射鏡をさらに含み、
前記反射鏡は、前記映像ビームが前記第１入光面を介して前記第１導光素子に入るように前記映像ビームを反射することを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１入光面に平行とならず、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２入光面に平行とならないことを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項２３】
前記第１入光面と前記第１出光面との夾角は９０度以下であることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは複数の第１ビームスプリッタであり、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは複数の第２ビームスプリッタであり、前記複数の第１ビームスプリッタは互いに平行となり、且つ離間して配列され、前記複数の第２ビームスプリッタは互いに平行となり、且つ離間して配列されることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【請求項２５】
前記第２入光面と前記第１出光面との間には隙間があり、前記第２入光面は前記第１出光面に平行となることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウント表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系及び表示装置に関し、特に光学系及びヘッドマウント表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ：Ｎｅａｒ  Ｅｙｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ）及びヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）は現在発展の潜在力を有する次世代の注目商品である。ニアアイ表示技術の関連応用は、現在は拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ）技術及び仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ）技術に分けられる。拡張現実の技術については、現在関連の開発者はヘッドマウントディスプレイの体積が薄いという前提で、最適な映像品質を提供することを目的とする。
【０００３】
ヘッドマウントディスプレイによる拡張現実の基本的な光学的構造では、表示用の映像ビームは投影装置により放出された後に、半反射半透過の光学素子により反射されて使用者の目に入る。表示画像のビーム及び外界の環境光は共に使用者の目に入る可能性があり、これによって拡張現実の表示効果を達成する。従来、広い視野角の表示効果を実現するために、ビームスプリッタアレイ導波路（Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ  Ａｒｒａｙ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）構造は、各種の拡張現実のニアアイディスプレイの光学的構造のうち、広い視野角、フルカラー映像及び薄い体積を確保できる最適な選択肢である。この構造の導光素子は複数のビームスプリッタを有し、投影装置の映像ビームを使用者の目に導入できる。
【０００４】
一般的には、この構造のヘッドマウントディスプレイのビームスプリッタは塗膜を有し、比較的小さい入射角で入射した光線を反射でき、比較的に大きい入射角で入射した光線を透過させることができる。この反射された光線は通常予想方向で使用者の目にわずかに斜めに導入され、使用者に予想の映像画面を視聴させる。また、該ビームスプリッタを透過した光線は次のビームスプリッタに進行できる。しかし、実用上、塗膜は特定の入射角範囲の入射光線のみを透過させる。光線が導光素子において進行している際に大き過ぎる入射角でビームスプリッタに入射した場合、一部の光線はビームスプリッタで反射されてしまう。このような非予想の反射光線（迷光）は導光素子内において進行し続け、後続の比較的に小さい角度でビームスプリッタに入射した場合、該予想方向と逆の方向で使用者の目に斜めに導入される。この場合は、使用者は元の予想の映像画面を視聴できると共に、鏡像の非予想の映像画面を視聴できる。このため、使用者はヘッドマウントディスプレイを使用している際に、表示画面にゴーストが存在することを感じやすく、ヘッドマウントディスプレイの表示品質が良くないことを感じてしまう。
【０００５】
「背景技術」段落の内容は本発明の内容の理解を助けるためのものであり、「背景技術」段落に記載される内容は、当技術分野の常用知識を持っている者が把握していること以外の従来技術も含むことができる。「背景技術」段落に記載される内容について、「背景技術」の内容又は本発明の一個又は複数個の実施例が解決しようとする問題を代表するものは、本発明の出願前に当技術分野の常用知識を持っている者が既に把握又は承知しているものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、映像ビームを伝達し、且つ映像ビームを２つの方向に拡張させ、ヘッドマウント表示装置に適用する場合、ヘッドマウント表示装置におけるゴーストを回避し、薄い体積で良好な映像表示品質を提供できる光学系を提供する。
【０００７】
本発明は、ヘッドマウント表示装置におけるゴーストを回避し、良好な表示品質を提供できる、上記光学系を含むヘッドマウント表示装置を提供する。
【０００８】
本発明は、上記導光素子を含み、且つ薄い体積で良好な表示品質を有するヘッドマウント表示装置を提供する。
【０００９】
なお、本発明の他の目的及び利点は、本発明に開示されている手段から更に分かる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的の一つ、一部若しくは全部、又は他の目的を達成するため、本発明の１つの実施例は、映像ビームを受光する光学系であって、第１導光素子と、第２導光素子と、を含み、前記第１導光素子は、第１入光面、第１出光面、及び少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、前記映像ビームは前記第１入光面を介して前記第１導光素子に入り、前記第１出光面は前記第１入光面に連結され、前記映像ビームは前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れ、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１導光素子内に配置され、前記第２導光素子は、前記第１導光素子の傍に配置され、第１表面、第２表面及び少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有し、前記第１表面の一部は前記第１出光面に向かう第２入光面であり、前記第１表面の他部は第２出光面であり、前記映像ビームは前記第２入光面を介して前記第２導光素子に入り、且つ前記第２出光面を介して前記第２導光素子から離れ、前記第２表面は前記第１表面に向かい、且つ複数の光学的微構造を有し、各前記光学的微構造は反射面を有し、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２導光素子内に配置されることを特徴とする光学系を提供する。
【００１１】
上記の目的の一つ、一部若しくは全部、又は他の目的を達成するため、本発明の１つの実施例は、投影装置と、光学系と、を含むヘッドマウント表示装置であって、前記投影装置は映像ビームを提供し、前記光学系は第１導光素子及び第２導光素子を含み、前記第１導光素子は、第１入光面、第１出光面、及び少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、前記映像ビームは前記第１入光面を介して前記第１導光素子に入り、前記第１出光面は前記第１入光面に連結され、前記映像ビームは前記第１出光面を介して前記第１導光素子から離れ、前記少なくとも１つの第１ビームスプリッタは前記第１導光素子内に配置され、前記第２導光素子は、前記第１導光素子の傍に配置され、第１表面、第２表面及び少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有し、前記第１表面の一部は前記第１出光面に向かう第２入光面であり、前記第１表面の他部は第２出光面であり、前記映像ビームは前記第２入光面を介して前記第２導光素子に入り、且つ前記第２出光面を介して前記第２導光素子から離れ、前記第２表面は前記第１表面に向かい、且つ複数の光学的微構造を有し、各前記光学的微構造は反射面を有し、前記少なくとも１つの第２ビームスプリッタは前記第２導光素子内に配置されることを特徴とするヘッドマウント表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
上述したように、本発明の実施例は下記の利点又は効果の少なくとも１つを有する。本発明のヘッドマウント表示装置の光学系は第１導光素子及び第２導光素子を含み、第２導光素子は第１導光素子の傍に配置される。第１導光素子は少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、第２導光素子は少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有する。第２導光素子の第１表面の一部は第２入光面であり、第１表面の他部は第２出光面である。映像ビームは、第１導光素子から離れた後に、第２入光面を介して第２導光素子に入り、且つ第２出光面を介して第２導光素子から離れる。また、第２導光素子は第１表面に向かう第２表面を有し、第２表面は複数の光学的微構造を有し、各光学的微構造は反射面を有する。このため、映像ビームは第１導光素子において進行した後に、これらの光学的微構造による反射で第２導光素子において進行することによって、光学系は映像ビームを伝達し、且つ第１導光素子及び第２導光素子により映像ビームを２つの方向に拡張させ、且つ第１導光素子と第２導光素子が重なるように設計できる。また、第２導光素子と重なる第１導光素子を適切なサイズに設定することで、映像ビームが第１導光素子内で全反射される前に第１ビームスプリッタに至り、映像ビームが第１導光素子内で全反射されて第１ビームスプリッタに対する大き過ぎる非予想の入射角が生じることを回避できる。よって、映像ビームは予想の方式で第１ビームスプリッタにおいて反射され、或いは透過することで、ヘッドマウント表示装置におけるゴーストを回避できる。また、薄い体積で良好な映像表示品質を提供できる。
【００１３】
本発明の上述した特徴及び利点をより明確に分かるように、図面を参照しながら、下記実施例に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の１つの実施例のヘッドマウント表示装置を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの実施例の光学系を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂの光学系の一部を示す拡大図である。
【図１Ｄ】図１Ａの実施例に係る第１導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図１Ｅ】図１Ａの実施例に係る第１導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図１Ｆ】図１Ａの実施例に係る第１導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図１Ｇ】図１Ａの実施例に係る第１導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図１Ｈ】図１Ａの実施例に係る第２導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図１Ｉ】図１Ａの実施例に係る第２導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図１Ｊ】図１Ａの実施例に係る第２導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図２Ａ】１つの比較例に係る光学系の導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの比較例の観察領域の光強度分布のシミュレーションを示す図である。
【図３】ビームスプリッタの映像ビームに対する反射率と映像ビームの入射角を示す図である。
【図４Ａ】本発明の関連実施例に係る第２導光素子内に位置する複数の光学的微構造を示す断面図である。
【図４Ｂ】本発明の関連実施例に係る第２導光素子内に位置する複数の光学的微構造を示す断面図である。
【図４Ｃ】本発明の関連実施例に係る第２導光素子内に位置する複数の光学的微構造を示す断面図である。
【図５】本発明のもう１つの実施例のヘッドマウント表示装置を示す断面図である。
【図６】本発明のもう１つの実施例のヘッドマウント表示装置により伝達された映像ビームの光路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
上述した本発明に係る技術的内容、特徴及び効果は、以下の図面を参照しながら、好適な実施形態の詳細な説明に示されるように、明らかである。以下実施形態に言及される「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」等の方向の用語は、単なる図面を参照する際に、単なる方向を参考する説明用の用語であり、本発明は方向の用語に示されるものに限定されない。
【００１６】
図１Ａは本発明の１つの実施例のヘッドマウント表示装置を示す斜視図である。図１Ａに示すように、本実施例では、ヘッドマウント表示装置１００は投影装置１１０及び光学系１２０を含む。光学系１２０は第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４を含み、第２導光素子１２４は第１導光素子１２２の傍に配置されている。第１導光素子１２２はその中に配置された複数の第１ビームスプリッタ（Ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ）１２６を含み、これらの第１ビームスプリッタ１２６は互いに平行となり、且つ離間して配列されている（即ち２つの隣接するビームスプリッタ１２６の間に隙間がある）。第２導光素子１２４はその中に配置された複数の第２ビームスプリッタ１２８を含み、これらの第２ビームスプリッタ１２８は互いに平行となり、且つ離間して配列されている（即ち２つの隣接する第２ビームスプリッタ１２８の間に隙間がある）。１つの態様では、第１導光素子１２２は１つの第１ビームスプリッタ１２６のみを含んでもよく、第２導光素子１２４は１つの第２ビームスプリッタ１２８のみを含んでもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００１７】
本実施例では、投影装置１１０はディスプレイＤ及びレンズＰＬを含み、レンズＰＬの数が限定されず、設計に応じて決定されてもよい。投影装置１１０は映像ビームＩＬを提供するために用いられ、光学系１２０は映像ビームＩＬを受光するために用いられる。具体的には、投影装置１１０のディスプレイＤは映像ビームＩＬを提供し、映像ビームＩＬはレンズＰＬを介して第１導光素子１２２に伝達される。また、第１導光素子１２２は第１入光面ＥＳ１を含み、映像ビームＩＬは第１入光面ＥＳ１を介して第１導光素子１２２に入る。本実施例では、ヘッドマウント表示装置１００、例えば第１軸Ｘ、第２軸Ｙ及び第３軸Ｚにより構築された空間に位置し、第１軸Ｘの方向はこれらの第２ビームスプリッタ１２８の配列方向に平行となり、第２軸Ｙの方向はこれらの第１ビームスプリッタ１２６の配列方向に平行となる。また、第１軸Ｘの方向は第２軸Ｙの方向に垂直となり、第３軸Ｚの方向は第１軸Ｘの方向に垂直となると共に、第２軸Ｙの方向に垂直となる。
【００１８】
図１Ｂは図１Ａの実施例の光学系を示す断面図であり、図１Ｃは図１Ｂの光学系の一部を示す拡大図であり、図１Ｄ乃至図１Ｇは図１Ａの実施例に係る第１導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。なお、図１Ｂ及び図１Ｃは、映像ビームＩＬの一部の映像ビームＩＬ１及び映像ビームＩＬ２を示し、細い線状のビームで光線の光学系における光の経路を明確に示している。また、図１Ｄ及び図１Ｅは映像ビームＩＬのエッジに位置する映像ビームＩＬ３及び映像ビームＩＬ４をそれぞれ示し、図１Ｆは図１Ｄの映像ビームＩＬ３及び図１Ｅの映像ビームＩＬ４を重ねて、映像ビームＩＬ３及び映像ビームＩＬ４を用いて映像ビームＩＬのＹＺ平面（即ち第２軸Ｙ及び第３軸Ｚにより構成された平面）におけるエッジを明確に表す。また、図１Ｇは映像ビームＩＬのエッジに位置する映像ビームＩＬ５及び映像ビームＩＬ６を示し、映像ビームＩＬのＸＹ平面（即ち第１軸Ｘ及び第２軸Ｙにより構成された平面）におけるエッジを明確に表す。
【００１９】
図１Ａ及び図１Ｆに示すように、第１導光素子１２２は第１出光面ＥｘＳ１をさらに含み、第１出光面ＥｘＳ１は第１入光面ＥＳ１に連結されている。また、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第２導光素子１２４は第１表面Ｓ１及び第２表面Ｓ２を含む。第１表面Ｓ１の一部は第１出光面ＥｘＳ１に向かう第２入光面ＥＳ２であり、第１表面Ｓ１の他部は第２出光面ＥｘＳ２である。具体的には、図１Ｆに示すように、第１導光素子１２２に入った映像ビームＩＬの一部は、これらの第１ビームスプリッタ１２６で反射されて、第１出光面ＥｘＳ１を介して第１導光素子１２２から離れる。そして、第１導光素子１２２から離れた映像ビームＩＬは、第２入光面ＥＳ２を介して第２導光素子１２４に入る。また、図１Ｂに示すように、第２導光素子１２４に入った映像ビームＩＬの一部は、これらの第２ビームスプリッタ１２８で反射されて、第２出光面ＥｘＳ２を介して第２導光素子１２４から離れる。より具体的には、映像ビームＩＬは、全反射（ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の方式で第２導光素子１２４内で進行する。
【００２０】
具体的には、図１Ｃに示すように、第２導光素子１２４の第２表面Ｓ２は第１表面Ｓ１に向かい、且つ複数の光学的微構造１３０を有する。各光学的微構造１３０は反射面１３２及び反射面１３２を連結する連結面１３４を含み、これらの反射面１３２は第２導光素子１２４に入った映像ビームＩＬを反射し、これらの反射面１３２で反射された映像ビームＩＬはこれらの第２ビームスプリッタ１２８に伝達され、且つこれらの第２ビームスプリッタ１２８において部分的に反射され、部分的に透過する。具体的には、これらの光学的微構造１３０は斜めに設けられたこれらの反射面１３２を有するため、第１導光素子１２２と第２導光素子１２４とが重なるように設けられても、第１導光素子１２２から離れた映像ビームＩＬは依然としてこれらの反射面１３２で反射されて第２導光素子１２４内に伝達されることができる。
【００２１】
本実施例では、各光学的微構造１３０は光反射層１３６及び光吸収層１３８をさらに含む。光反射層１３６は反射面１３２に配置され、光吸収層１３８は連結面１３４に配置されている。光反射層１３６は、例えば反射塗膜であり、映像ビームＩＬをより効果的に反射できる。また、光吸収層１３８は、例えば吸収塗膜であり、第２導光素子１３４に入った映像ビームＩＬのうち進行方向が離れた一部は光吸収層１３８により吸収され、これらの反射面１３２で反射された映像ビームＩＬは大体一定の角度で第２導光素子１２４内に入る。これによって、映像ビームＩＬはこれらの第２ビームスプリッタ１２８に到達した場合、映像ビームＩＬは大体予想の入射角でこれらの第２ビームスプリッタ１２８に入射する。
【００２２】
本実施例では、各反射面１３２と図示する基準平面（破線で示す）との鋭角は、第２ビームスプリッタ１２８と第２出光面ＥｘＳ２との鋭角に等しく、基準平面は第２出光面ＥｘＳ２に平行となる。即ち、各反射面１３２と図示する基準平面との鋭角は夾角θ１であり、第２ビームスプリッタ１２８と第２出光面ＥｘＳ２との鋭角は夾角θ２であり、夾角θ１は例えば夾角θ２に等しい。なお、１つの態様では、夾角θ１は夾角θ２に等しくなくてもよく、本発明は夾角θ１及び夾角θ２の大きさ、及び夾角θ１が夾角θ２に等しいことに限定されない。また、各連結面１３４と基準平面とは夾角θ３をなし、夾角θ３は０度よりも大きく、且つ９０度以下である。具体的には、これらの光学的微構造１３０の形状は例えば直角三角形（例えば夾角θ３が９０度に等しい場合）、二等辺三角形（例えば、夾角θ１が９０度よりも小さく、且つ夾角θ３が夾角θ１に等しい場合）又は他の形状であってもよい。また、各光学的微構造１３０の幅Ｗは１００ミクロン（μｍ）〜１０００ミクロン（μｍ）の範囲内にあるものであってもよく、本発明はこれらの光学的微構造１３０の形状及びサイズに限定されない。さらに、実際の要求に応じてこれらの光学的微構造を凸状の光学的微構造又は凹状の光学的微構造に設計してもよく、例えば凸状の光学的微構造は沈積プロセスを用いて製造されてもよく、凹状の光学的微構造はエッチングプロセスを用いて製造されてもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００２３】
また、図１Ｄに示すように、本実施例では、第１導光素子１２２は第１入光面ＥＳ１に連結された第１側面ＳＳ１をさらに含み、第１側面ＳＳ１は第１出光面ＥｘＳ１に平行となる。これらの第１ビームスプリッタ１２６は第１側面ＳＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との間に配置され、且つこれらの第１ビームスプリッタ１２６は第１入光面ＥＳ１に平行とならない（第１側面ＳＳ１にも平行とならない）。そして、図１Ｂに示すように、本実施例では、第２導光素子１２４の第２表面Ｓ２は第２出光面ＥｘＳ２に平行となる。これらの第２ビームスプリッタ１２８は第２表面Ｓ２と第２出光面ＥｘＳ２と間に配置され、且つこれらの第２ビームスプリッタ１２８は第２出光面ＥｘＳ２に平行とならない（第２表面Ｓ２にも平行とならない）。また、これらの第１ビームスプリッタ１２６と第１出光面ＥｘＳ１との夾角及びこれらの第２ビームスプリッタ１２８と第２出光面ＥｘＳ２との夾角は例えば２５度〜４０度の範囲内のものであり、好ましくは、３０度である。他の実施例では、複数の第１ビームスプリッタ１２６と第１出光面ＥｘＳ１との夾角は異なる角度を有してもよく、複数の第２ビームスプリッタ１２８と第２出光面ＥｘＳ２との夾角は異なる角度を有してもよい。具体的には、これらの第１ビームスプリッタ１２６（又はこれらの第２ビームスプリッタ１２８）の配置角度が増大する場合、これらの第１ビームスプリッタ１２６（又はこれらの第２ビームスプリッタ１２８）は密集して構成でき、良好な光学系１２０の出光の光均一性を達成できる。なお、これらの第１ビームスプリッタ１２６を第３軸Ｚに沿って第１出光面ＥｘＳ１に投影する場合、これらの第１ビームスプリッタ１２６は互いに重ならない。また、これらの第２ビームスプリッタ１２８を第３軸Ｚに沿って第２出光面ＥｘＳ２に投影する場合、これらの第２ビームスプリッタ１２８は互いに重ならない。また、第１導光素子１２２（又は第２導光素子１２４）は、映像ビームＩＬを導くのに十分に薄い厚さに設定されてもよく、これによって、ヘッドマウント表示装置１００の体積を薄型化できる。
【００２４】
図１Ｃに示すように、具体的には、第２導光素子１２４の第２入光面ＥＳ２は第１導光素子１２２の第１出光面ＥｘＳ１に平行となり、且つ第２入光面ＥＳ２と第１出光面ＥｘＳ１との間には隙間Ｇがある（図１Ｃに示すように）。隙間Ｇの幅は、例えば２ミクロン〜１２ミクロンの範囲内のものであり、好ましくは、３ミクロン〜１０ミクロンの範囲内のものである。なお、他の実施例では、隙間Ｇの幅の値は他の数値であってもよく、本発明はこれに限定されない。もう１つの実施例では、第１導光素子１２２と第２導光素子１２４は例えば光学接着剤で接合されてもよい。光学接着剤は例えば第１出光面ＥｘＳ１又は第２入光面ＥＳ２のエッジ近傍に塗布され、或いは第１出光面ＥｘＳ１又は第２入光面ＥＳ２の角部に塗布されてもよい。第１出光面ＥｘＳ１と第２入光面ＥＳ２とを位置合わせて接合した後に、第１出光面ＥｘＳ１と第２入光面ＥＳ２とは一部で接触して接合され、全体で接触して接合されるものではなく、即ち隙間Ｇが存在する。もう１つの実施例では、第１出光面ＥｘＳ１と第２入光面ＥＳ２とは光学接着剤を用いて全体で接触するように接合されることで、第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４を固定する。また、１つの実施例では、第１出光面ＥｘＳ１と第２入光面ＥＳ２との間に隙間Ｇがあるように、例えば固定治具などの機構装置を用いて第１導光素子１２２と第２導光素子１２４の相対的な位置を固定してもよいが、本発明はこれに限定されない。具体的には、隙間Ｇは例えば空気を充填してもよい。なお、１つの実施例では、隙間Ｇは透光材料、例えば屈折率が第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４よりも小さい透光材料を充填してもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００２５】
図１Ｄ乃至図１Ｆに示すように、第１導光素子１２２の第１入光面ＥＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との夾角は９０度以下であってもよい。具体的には、図１Ｄに示す第１入光面ＥＳ１と第１出光面ＥｘＳ１とは垂直となり、即ち第１入光面ＥＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との夾角は９０度に等しい。なお、他の実施例では、第１入光面ＥＳ１は第１出光面ＥｘＳ１に対して傾斜してもよく、即ち第１入光面ＥＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との夾角は９０度よりも小さくてもよく、後述の段落及び図５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。具体的には、映像ビームＩＬは第１入光面ＥＳ１を介して第１導光素子１２２に入る。そして、映像ビームＩＬは第１側面ＳＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との間で進行する。図１Ｄ及び図１Ｅに示すように、本実施例では、映像ビームＩＬのエッジに位置する映像ビームＩＬ３及び映像ビームＩＬ４は、第１側面ＳＳ１及び第１出光面ＥｘＳ１に到達する前に、これらのビームスプリッタ１２６で反射されて、第１出光面ＥｘＳ１を介して第１導光素子１２２から離れる。言い換えれば、少なくとも一部の映像ビームＩＬは、第１入光面ＥＳ１を介して第１導光素子１２２に入った後に、ＹＺ平面において第１側面ＳＳ１及び第１出光面ＥｘＳ１までに拡張していない場合、直接これらの第１ビームスプリッタ１２６で反射されて第２導光素子１２４に伝達される。
【００２６】
そして、図１Ｇに示すように、本実施例では、第１導光素子１２２は第２側面ＳＳ２及び第３側面ＳＳ３をさらに含む。第２側面ＳＳ２は第１側面ＳＳ１及び第１出光面ＥｘＳ１に連結され、第３側面ＳＳ３は第１側面ＳＳ１及び第１出光面ＥｘＳ１に連結され、且つ第２側面ＳＳ２に平行となる。具体的には、映像ビームＩＬが第１側面ＳＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との間で進行している場合、映像ビームＩＬは第２側面ＳＳ２と第３側面ＳＳ３との間で同時に進行している。本実施例では、映像ビームＩＬのエッジに位置する映像ビームＩＬ５及び映像ビームＩＬ６は、第２側面ＳＳ２及び第３側面ＳＳ３に到達する前に、これらの第１ビームスプリッタ１２６により反射されて、第１出光面ＥｘＳ１を介して第１導光素子１２２から離れる。具体的には、第２導光素子１２４と重なる第１導光素子１２２は第１軸Ｘの方向において十分な幅を有することで、少なくとも一部の映像ビームＩＬは、第１入光面ＥＳ１を介して第１導光素子１２２に入った後に、ＸＹ平面において第２側面ＳＳ２及び第３側面ＳＳ３までに拡張していない場合、直接これらの第１ビームスプリッタ１２６により反射されて第２導光素子１２４に伝達される。
【００２７】
本実施例では、映像ビームＩＬの一部（例えば映像ビームＩＬ３、ＩＬ４、ＩＬ５、ＩＬ６）はこれらの第１ビームスプリッタ１２６の少なくとも１つで反射された後に、第１出光面ＥｘＳ１を介して第１導光素子１２２から離れる。具体的には、少なくとも一部の第１ビームスプリッタ１２６は、映像ビームＩＬの一部を反射し、且つ映像ビームＩＬの他部はこれらの第１ビームスプリッタ１２６を透過する。
【００２８】
図１Ｈ乃至図１Ｊは図１Ａの実施例に係る第２導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示している。具体的には、図１Ｈ及び図１Ｉは映像ビームＩＬの一部の映像ビームＩＬ７及びＩＬ８をそれぞれ示し、図１Ｊは図１Ｈの映像ビームＩＬ７と図１Ｉの映像ビームＩＬ８を重ねて、映像ビームＩＬ７及び映像ビームＩＬ８を用いて映像ビームＩＬのＸＺ平面（第１軸Ｘ及び第３軸Ｚにより構成された平面）におけるエッジを明確に表す。図１Ｈ及び図１Ｉに示すように、本実施例では、第１導光素子１２２から離れた映像ビームＩＬの一部は、例えば映像ビームＩＬ７及び映像ビームＩＬ８は、第２入光面ＥＳ２を介して第２導光素子１２４に入る。そして、映像ビームＩＬ７及び映像ビームＩＬ８は、これらの光学的微構造１３０により反射されて、第２導光素子１２４の第２表面Ｓ２と第２出光面ＥｘＳ２との間で進行する。これらの光学的微構造１３０により反射された少なくとも一部の映像ビームＩＬ（例えば映像ビームＩＬ７及び映像ビームＩＬ８）の第２表面Ｓ２及び第２出光面ＥｘＳ２に入射した入射角は殆ど全反射の臨界角（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ａｎｇｌｅ）よりも大きいため、全反射の方式でこれらの第３ビームスプリッタ１２８に伝達される。
【００２９】
図１Ｈ及び図１Ｉに示すように、本実施例では、映像ビームＩＬ（例えば映像ビームＩＬ７及び映像ビームＩＬ８）の一部は、これらの第２ビームスプリッタ１２８の少なくとも１つで反射された後に、第２表面Ｓ２及び第３出光面ＥｘＳ２のうち１つを介して第２導光素子１２４から離れる。具体的には、これらの第２ビームスプリッタ１２８の少なくとも一部は映像ビームＩＬの一部を反射し、映像ビームＩＬの他部はこれらの第２ビームスプリッタ１２８を透過する。また、これらの第２ビームスプリッタ１２８により反射された映像ビームＩＬは例えば第２出光面ＥｘＳ２を介して第２導光素子１２４から離れる。第２導光素子１２４から離れた映像ビームＩＬは瞳Ｐに入る。本実施例では、瞳Ｐは例えば使用者の目である。
【００３０】
図１Ｊに示すように、本実施例では、第１導光素子１２２に入る前の映像ビームＩＬは第１方向Ｄ１において第１入射瞳視野角（図示せず）を有し、且つ第２方向Ｄ２において第２入射瞳視野角（図示せず）を有する。また、第２導光素子１２４から離れ、且つ瞳Ｐに入る映像ビームＩＬは、第３方向Ｄ３において第１光収束角θｃ１（図１Ｊに示すように）を有し、且つ第４方向Ｄ４において第２光収束角（図示せず）を有する。本実施例では、第１方向Ｄ１は第２方向Ｄ２に垂直となり、第３方向Ｄ３は第４方向Ｄ４に垂直となる。具体的には、第１方向Ｄ１、第３方向Ｄ３及び第１軸Ｘは例えば互いに平行となり、第２方向Ｄ２、第４方向Ｄ４及び第２軸Ｙは例えば互いに平行となる。より具体的には、映像ビームＩＬが第１導光素子１２２において進行している際に、映像ビームＩＬの第２入射瞳視野角及び第２光収束角は実質的に変化せず、映像ビームＩＬが第２導光素子１２４において進行している際に、映像ビームＩＬの第１入射瞳視野角及び第１光収束角θｃ１は実質的に変化しない。具体的には、第１入射瞳視野角は第１光収束角θｃ１に等しく、第２入射瞳視野角は第２光収束角に等しい。第１光収束角θｃ１及び第２光収束角の角度はレンズＰＬのＦＯＶに依存し、例えば、製造者がレンズＰＬのＦＯＶを４０度に設定すると、第１光収束角θｃ１及び第２光収束角の角度はそれぞれ３４度及び２０度であるが、これに限定されない。
【００３１】
本実施例では、第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４は例えば透光可能な材質（例えばガラス、アクリル又は他の適切な材質など）であり、外部からの環境光ＡＬは第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４を透過できる。例えば、映像ビームＩＬは、第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４により伝達された後に、第２出光面ＥｘＳ２を介して第２導光素子１２４から離れる。使用者の目が例えば第２導光素子１２４の第２出光面ＥｘＳ２近傍に位置する場合、第２導光素子１２４から離れた映像ビームＩＬは使用者の目に入ることができ、外部からの環境光ＡＬも第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４を通過して使用者の目に入ることができる。このため、ヘッドマウント表示装置１００が使用者の目の前方に配置され、且つ映像ビームＩＬ及び環境光ＡＬが使用者の目に入る場合、使用者は映像ビームＩＬに対応する表示画面（図示せず）を視聴できると共に、環境光ＡＬに対応する外部映像（図示せず）を視聴でき、拡張現実の表示効果を実現できる。本実施例では、ディスプレイＤは、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ）、プラズマディスプレイパネル（ｐｌａｓｍａ  ｄｉｓｐｌａｙ）、有機発光ダイオードディスプレイ（ＯＬＥＤ  ｄｉｓｐｌａｙ）、エレクトロウェッティングディスプレイ（ＥＷＤ：ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ  ｄｉｓｐｌａｙ）、電気泳動ディスプレイ（ＥＰＤ：ｅｌｅｃｔｒｏ−ｐｈｏｒｅｔｉｃ  ｄｉｓｐｌａｙ）、エレクトロクロミックディスプレイ（ＥＣＤ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｒｏｍｉｃ  ｄｉｓｐｌａｙ）、デジタルマイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ、ＤＭＤと略称される）又は他の利用可能なディスプレイであってもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００３２】
本実施例では、これらの第１ビームスプリッタ１２６の反射率（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）は、第１入光面ＥＳ１から離れ、且つ第１側面ＳＳ１に平行となる方向に沿って徐々に大きくなる。また、これらの第１ビームスプリッタ１２６の透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）は、第１入光面ＥＳ１から離れ、且つ第１側面ＳＳ１に平行となる方向に沿って徐々に小さくなる。具体的には、これらの第１ビームスプリッタ１２６の反射率は第２軸Ｙの方向とは反対の方向に沿って徐々に大きくなり、これらの第１ビームスプリッタ１２６の透過率は第２軸Ｙの方向とは反対の方向に沿って徐々に小さくなる。さらに、本実施例では、これらの第２ビームスプリッタ１２８の反射率は、第１導光素子１２２から離れ、且つ第２表面Ｓ２に平行となる方向に沿って徐々に大きくなる。また、これらの第２ビームスプリッタ１２８の透過率は、第１導光素子１２２から離れ、且つ第２表面Ｓ２に平行となる方向に沿って徐々に小さくなる。具体的には、これらの第２ビームスプリッタ１２８の反射率は第１軸Ｘの方向に沿って徐々に大きくなり、これらの第２ビームスプリッタ１２８の透過率は第１軸Ｘの方向に沿って徐々に小さくなる。これらの第１ビームスプリッタ１２６及びこれらの第２ビームスプリッタ１２８の反射率及び透過率が適切、徐々に変化するという設計により、映像ビームＩＬの光強度は、これらの第１ビームスプリッタ１２６及び第２ビームスプリッタ１２８に順次伝達される際に徐々に小さくなる。これらの第１ビームスプリッタ１２６で反射された映像ビームＩＬの光強度は第２軸Ｙの方向において一定に保持され、これらの第２ビームスプリッタ１２８で反射された映像ビームＩＬの光強度は第１軸Ｘの方向において一定に保持される。即ち、使用者が映像ビームＩＬに対応する表示画面（図示せず）を視聴する際に、使用者により視聴された表示画面の光強度の分布は均一であり、一方側の輝度が比較的に低く、或いは比較的に高いことが生じられない。
【００３３】
本実施例では、第１導光素子１２２のこれらの第１ビームスプリッタ１２６は同じ間隔を空けて離間して配列され、これらの第２ビームスプリッタ１２８は同じ間隔を空けて離間して配列される。なお、他の実施例では、実際の光学的要求に応じて、これらの第１ビームスプリッタ１２６及び第２ビームスプリッタ１２８は異なる間隔を空けて離間して配列されるように設計されてもよいが、本発明はこれに限定されない。具体的には、本実施例では、映像ビームＩＬは、第１導光素子１２２及び第２導光素子１２４において進行している際に、これらの第１ビームスプリッタ１２６及び第２ビームスプリッタ１２８により２つの方向（第１軸Ｘの方向及び第２軸Ｙの方向）において拡張してもよく、これによって、映像ビームＩＬは２つの方向のいずれにも使用者の目に導入される。
【００３４】
図２Ａは１つの比較例に係る光学系の導光素子により伝達された映像ビームの一部の光路を示す図である。図２Ａに示すように、この比較例では、映像ビームＩＬ’は全反射の方式で光学系２２０’の導光素子２２４’において進行している。導光素子２２４’には例えば離間して配列された複数のビームスプリッタ２２８’が設けられ、これらのビームスプリッタ２２８’は図１Ａ乃至図１Ｊにおける本発明の実施例の第１ビームスプリッタ１２６又は第２ビームスプリッタ１２８と類似する。これらのビームスプリッタ２２８’の表面は塗膜を有するため、比較的に小さい入射角で入射した光線を反射でき、比較的に大きい入射角で入射した光線を透過させることができる。
【００３５】
図３はビームスプリッタの映像ビームに対する反射率と映像ビームの入射角を示す図である。図３に示すように、具体的には、図３において「Ｓ偏光光線」及び「Ｐ偏光光線」で示される２つの曲線は、Ｓ偏光方向を有する映像ビーム及びＰ偏光方向を有する映像ビームがビームスプリッタに入射した場合の、ビームスプリッタの入射角が異なる映像ビームへの反射率をそれぞれ表す。図３の縦軸で示す「反射率」は該反射率を表し、単位はパーセントであり、横軸で示す「入射角」は該入射角を表し、単位は度である。一般的には、ビームスプリッタの表面塗膜は、ビームスプリッタの入射角が異なる光線への選択性をもたらすことができる。複数のビームスプリッタが光線を拡張させて使用者に予想の映像画面を視聴させるために、比較的に小さい入射角で入射した光線を反射し、且つ比較的に大きい入射角で入射した光線を透過させるようにビームスプリッタの表面塗膜を設計する。これによって、これらのビームスプリッタ２２８’により反射された映像ビームＩＬ’、即ち映像ビームＩＬ１’は、通常、予想の方向に僅かに斜めに使用者の目に導入され、使用者に予想の映像画面を視聴させる。
【００３６】
しかし、実用上、ビームスプリッタの表面塗膜は制限されている。図３に示すように、ビームスプリッタの表面塗膜が大き過ぎる入射角（例えば入射角が８０度を超えた場合、反射率が上昇する）で入射した光線を反射し、非予想の反射光線を生じる。図２Ａに示すように、映像ビームＩＬ’が全反射で光学系２２０’の導光素子２２４’に入った場合、全反射されてこれらのビームスプリッタ２２８’に伝達された映像ビームＩＬ’の一部は大き過ぎる入射角でこれらのビームスプリッタ２２８’に入射する。この際に、映像ビームＩＬ’の一部、例えば映像ビームＩＬ２’はこれらのビームスプリッタ２２８’で非予想の反射が生じられる（例えば映像ビームＩＬ２’は図２Ａの領域Ａで非予想の反射が生じられる）。この非予想の反射が生じられる映像ビームＩＬ２’は導光素子２２４’において進行し続け、後で比較的に小さい角度でビームスプリッタ２２８’に入射した場合、ビームスプリッタ２２８’により反射され、非予想の光線ＳＬが生じられる。この非予想の光線ＳＬは、上記予想の方向と反対の方向で使用者の目に斜めに導入される。
【００３７】
図２Ｂは図２Ａの比較例の観察領域の光強度分布のシミュレーションを示す図である。図２Ｂに示すように、映像ビームＩＬ１’及び非予想の光線ＳＬ（映像ビームＩＬ２’）が使用者の目に同時に入った場合、使用者は映像ビームＩＬ１’に対応する予想の表示画面Ｉｍａ１を視聴できると共に、非予想の光線ＳＬに対応する非予想の表示画面Ｉｍａ２を視聴できる。よって、使用者がこの比較例のヘッドマウント表示装置を使用する場合、表示画面にゴーストが存在することを感じ、ヘッドマウント表示装置の表示品質が良くないことを感じる。
【００３８】
一方、図１Ｇに示すように、本実施例では、第２導光素子１２４と重なる第１導光素子１２２は第１軸Ｘの方向において十分な幅を有することで、少なくとも一部の映像ビームＩＬはＸＹ平面において第１導光素子１２２内で全反射されない。具体的には、映像ビームＩＬは、第１導光素子１２２内で全反射される前に、これらの第１ビームスプリッタ１２６に進行する。このため、映像ビームＩＬが第１導光素子１２２内で全反射されて第１ビームスプリッタ１２６に対する大き過ぎる非予想の入射角を形成することなく、映像ビームＩＬは予想の方式でこれらの第１ビームスプリッタ１２６で反射され、或いは透過させる。よって、本発明のヘッドマウント表示装置１００にゴーストが生じられない。また、薄い体積で良好な映像表示品質を提供できる。
【００３９】
図１Ｃに示すように、本実施例では、第２導光素子１２４のこれらの光学的微構造１３０のこれらの反射面１３２により反射された映像ビームＩＬは進行方向ＤＰに沿って第２導光素子１２４に入り、進行方向ＤＰは例えば第１軸Ｘの方向に平行となる。具体的には、これらの光学的微構造１３０は、第２表面Ｓ２の所在する領域において進行方向ＤＰに沿って幅Ｌを有する。また、第２出光面ＥｘＳ２と第２表面Ｓ２との間に厚さＨが有し、各反射面１３２と図示する基準平面（破線で示す）とは第１夾角αをなし、基準平面は第２出光面ＥｘＳ２に平行となる。また、第２入光面ＥＳ２を介して第２導光素子１２４に入った映像ビームＩＬは、これらの反射面１３２において、映像ビームＩＬと、第２入光面ＥＳ２に垂直な垂直線とは第２夾角βをなす。本実施例では、光学系１２０は例えば以下の関係式を満たしてもよい。
【００４０】
【数１】
2018116262.tif 000003
以上の関係式に従って、例えば、幅Ｌが１０ｍｍであり、第１夾角αが３０度であり、第２夾角βが２０度である場合、厚さＨは５．９５ｍｍである。一方、同じ条件では、第２導光素子１２４の第２表面Ｓ２が反射面１３２を有する複数の光学的微構造１３０ではなく、１つの傾斜する反射面であるように構成された場合、第１導光素子１２２からの映像ビームＩＬを導入して第２導光素子１２４に伝達するために、第２導光素子１２４は例えば８．８４ｍｍの厚さを有しなければならない。よって、本発明の実施例に係るこれらの光学的微構造１３０を有する第２導光素子１２４はより薄い厚さを有することができる。
【００４１】
また、本実施例では、これらの光学的微構造１３０は、第２表面Ｓ２の所在する領域において進行方向ＤＰに沿って第１幅Ｌ１（即ち幅Ｌ）を有し、第１導光素子１２２は進行方向ＤＰにおいて第２幅Ｌ２を有する。本実施例では、映像ビームＩＬが第２導光素子１２４に入射する前の光点の進行方向ＤＰにおける幅が例えば第２幅Ｌ２に等しい場合、光学系１２０は例えば以下の関係式を満たしてもよい。
【００４２】
【数２】
2018116262.tif 000004
ここで、θは第１導光素子１２２からの映像ビームＩＬの視野角（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）を表す。例えば、第２幅Ｌ２が８ｍｍであり、θが例えば３０度である場合、厚さＨは２．３ｍｍである。一方、同じ条件では、第２導光素子１２４の第２表面Ｓ２が反射面１３２を有する複数の光学的微構造１３０ではなく、１つの傾斜する反射面であるように構成された場合、上記θ値を有する映像ビームＩＬを導入して第２導光素子１２４に伝達するために、第２導光素子１２４は例えば４．６ｍｍの厚さを有しなければならない。よって、本発明の実施例に係るこれらの光学的微構造１３０を有する第２導光素子１２４はより薄い厚さを有することができ、映像ビームＩＬはより均一に分布できる。
【００４３】
図４Ａ乃至図４Ｃは本発明の関連実施例に係る第２導光素子内に位置する複数の光学的微構造を示す断面図である。図４Ａ乃至図４Ｃの第２導光素子４２４ａ、４２４ｂ及び４２４ｃは図１Ａ乃至図１Ｊの実施例に係る第２導光素子１２４と類似する。第２導光素子４２４ａ、４２４ｂ及び４２４ｃの構成及び関連説明は図１Ａ乃至図１Ｊの実施例に係る第２導光素子１２４を参照してもよく、ここでその説明が省略される。第２導光素子４２４ａ、４２４ｂ及び４２４ｃと第２導光素子１２４との差異は以下の通りである。図４Ａに示すように、本実施例では、第２素子４２４ａの複数の光学的微構造４３０ａは例えば複数の凸状の光学的微構造であり、各光学的微構造４３０ａは反射面４３２ａ及び連結面４３４ａを含む。具体的には、これらの光学的微構造４３０ａは例えば微構造のフィルムを貼り付け、或いはプラスチック射出の方式で形成されてもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００４４】
また、図４Ｂに示すように、本実施例では、第２導光素子４２４ｂは複数の光学的微構造４３０ｂを有し、各光学的微構造４３０ｂは反射面４３２ｂ及び連結面４３４ｂを含む。各連結面４３４ｂと第２出光面ＥｘＳ２とは夾角θ４をなし、夾角θ４は０度よりも大きく、且つ９０度よりも小さい。本実施例では、これらの光学的微構造４３０ｂの形状は例えば二等辺三角形である。具体的には、これらの連結面４３４ｂが第２出光面ＥｘＳ２に垂直とならないため、本実施例のこれらの光学的微構造４３０ｂは射出成形で製造されやすい。さらに、本実施例のこれらの光学的微構造４３０ｂ及び図１Ａ乃至図１Ｊの実施例に係るこれらの光学的微構造１３０は例えば複数の凹状の光学的微構造である。具体的には、これらの凹状の光学的微構造は例えばガラスブロックを削り、或いはプラスチック射出することで形成されてもよく、これらの光学的微構造４３０ｂの端部が第２導光素子１２４の第２表面Ｓ２よりも高いものではないが、本発明はこれに限定されない。
【００４５】
図４Ｃに示すように、本実施例では、第２素子４２４ｃは複数の光学的微構造４３０ｃを有し、各光学的微構造４３０ｃは反射面４３２ｃ及び連結面４３４ｃを含む。具体的には、これらの光学的微構造４３０ｃは図４Ｂの実施例に係る光学的微構造４３０ｂと類似するが、これらの光学的微構造４３０ｃは、例えば図４Ａの実施例に係る光学的微構造４３０ａの形と類似し、複数の凸状の光学的微構造である。これらの光学的微構造４３０ｃの関連説明は光学的微構造４３０ａ及び光学的微構造４３０ｂの関連説明を参照してもよく、ここでその説明が省略される。もう１つの実施例では、光学的微構造４３０ｃが一体成形されたフィルムであり、該フィルムを第２表面Ｓ２に貼り付けてもよい。
【００４６】
図５は本発明のもう１つの実施例のヘッドマウント表示装置を示す断面図である。図５に示すように、図５の実施例のヘッドマウント表示装置５００は図１Ａ乃至図１Ｊの実施例のヘッドマウント表示装置１００と類似し、その構成及び関連説明はヘッドマウント表示装置１００の構成及び関連説明を参照してもよく、ここでその説明が省略される。ヘッドマウント表示装置５００とヘッドマウント表示装置１００との差異は以下の通りである。本実施例では、ヘッドマウント表示装置５００の光学系５２０は、互いに積み重ねる第１導光素子５２２及び第２導光素子５２４を含み、第１導光素子５２２の第１入光面ＥＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との夾角θ５は９０度よりも小さい。具体的には、第１導光素子５２２は第１入光面ＥＳ１側において例えば楔形（ｗｅｄｇｅ）に形成され、第１入光面ＥＳ１は傾斜面である。投影装置１１０により提供された映像ビームＩＬ（図５に示す映像ビームＩＬの一部の映像ビームＩＬ９及び映像ビームＩＬ１０）は第１入光面ＥＳ１を介して第１導光素子５２２に入り、且つ複数の第１ビームスプリッタ５２６により反射されて第２導光素子５２４に伝達される。具体的には、本発明の関連実施例では、実際の要求に応じて第１入光面ＥＳ１と第１出光面ＥｘＳ１との夾角の値を設定してもよいが、本発明はこれに限定されない。
【００４７】
図６は本発明のもう１つの実施例のヘッドマウント表示装置により伝達された映像ビームの光路を示す図である。図６に示すように、図６の実施例のヘッドマウント表示装置６００は図１Ａ乃至図１Ｊの実施例のヘッドマウント表示装置１００と類似し、その構成及び関連説明はヘッドマウント表示装置１００の構成及び関連説明を参照してもよく、ここでその説明が省略される。ヘッドマウント表示装置６００とヘッドマウント表示装置１００との差異は以下の通りである。本実施例では、ヘッドマウント表示装置６００の光学系６２０は、互いに積み重ねる第１導光素子６２２及び第２導光素子６２４を含む。また、光学系６２０は第１入光面ＥＳ１の傍に配置される反射鏡６４０を含む。反射鏡６４０は、映像ビームＩＬが第１入光面ＥＳ１を介して第１導光素子６２２に入るように、投影装置６１０により提供された映像ビームＩＬを反射する。そして、第１導光素子６２２に入った映像ビームＩＬは、複数の第１ビームスプリッタ６２６により反射されて第２ビームスプリッタ６２４に伝達される。
【００４８】
具体的には、反射鏡６４０と第１出光面ＥｘＳ１との夾角θ６は例えば４５度である。映像ビームＩＬは反射鏡６４０により反射された後に、第１入光面ＥＳ１に垂直に入射できる。また、本実施例では、投影装置６１０の絞り位置ＰＡは例えば第１導光素子６２２内に位置する。第１導光素子６２２における映像の伝達経路においては、ＰＡは、最小の断面を有する収束された映像ビームの位置を表す。例えば、絞り位置ＰＡは例えばこれらの第１ビームスプリッタ６２６の間に位置する。これによって、第１導光素子６２２において進行している映像ビームＩＬを絞り位置ＰＡに収束できる。本実施例では、映像ビームＩＬを収束するための絞り位置ＰＡを第１導光素子６２２の内部に調整することで、映像ビームＩＬがＸＹ平面において早速発散して第１出光面ＥｘＳ１及び第１側面ＳＳ１で全反射されることを回避できる。言い換えれば、映像ビームＩＬが全反射される前にこれらの第１ビームスプリッタ６２６により第２導光素子６２４内に導入されるため、映像ビームＩＬが第１導光素子６２２において全反射されることによる非予想の表示画面を回避できる。
【００４９】
上述したように、本発明の実施例は下記の利点又は効果の少なくとも１つを有する。本発明のヘッドマウント表示装置の光学系は第１導光素子及び第２導光素子を含み、第２導光素子は第１導光素子の傍に配置される。第１導光素子は少なくとも１つの第１ビームスプリッタを有し、第２導光素子は少なくとも１つの第２ビームスプリッタを有する。第２導光素子の第１表面の一部は第２入光面であり、第１表面の他部は第２出光面である。映像ビームは、第１導光素子から離れた後に、第２入光面を介して第２導光素子に入り、且つ第２出光面を介して第２導光素子から離れる。また、第２導光素子は第１表面に向かう第２表面を有し、第２表面は複数の光学的微構造を有し、各光学的微構造は反射面を有する。このため、映像ビームは第１導光素子において進行した後に、これらの光学的微構造による反射で第２導光素子において進行することによって、光学系は映像ビームを伝達し、且つ第１導光素子及び第２導光素子により映像ビームを２つの方向に拡張させ、且つ第１導光素子と第２導光素子が重なるように設計できる。また、第２導光素子と重なる第１導光素子を適切なサイズに設定することで、映像ビームが第１導光素子内で全反射される前に第１ビームスプリッタに至り、映像ビームが第１導光素子内で全反射されて第１ビームスプリッタに対する大き過ぎる非予想の入射角が生じることを回避できる。よって、映像ビームは予想の方式で第１ビームスプリッタにおいて反射され、或いは透過することで、ヘッドマウント表示装置におけるゴーストを回避できる。また、薄い体積で良好な映像表示品質を提供できる。
【００５０】
上記の説明は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明の実施の範囲がこれらに限定されず、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいて、当業者によって何れの変更及び修飾が可能であり、本発明の保護範囲は特許請求の範囲を基準とする。また、本発明の実施例又は特許請求の範囲は何れも本発明により開示された目的又は利点又は特徴の全てを必ずしも実現する必要はない。また、要約部分と発明の名称は単に特許文献のサーチ作業を補助するためのものであり、本発明の権利範囲を限定するものではない。また、本明細書又は特許請求の範囲における「第１」、「第２」、「第３」又は「第４」等の用語は単なる素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）の名称を命名する或いは異なる実施例又は範囲を区別するためのものであり、部材の数の上限又は下限を限定するものではない。
【００５１】
上記実施例を参照しながら本発明を説明しているが、本発明はこれらの実施例に限定されず、当業者は本発明の主旨及び範囲を離脱しない限り、各種の変形及び修正を行ってもよく、本発明の保護範囲は添付した特許請求の範囲により特定されているものである。
【符号の説明】
【００５２】
１００、５００、６００    ヘッドマウント表示装置
１１０、６１０    投影装置
１２０、２２０’、５２０、６２０    光学系
１２２、５２２、６２２、第１導光素子
１２４、４２４ａ、４２４ｂ、４２４ｃ、５２４、６２４    第２導光素子
１２６、５２６、６２６    第１ビームスプリッタ
１２８    第２ビームスプリッタ
１３０、４３０ａ、４３０ｂ、４３０ｃ    光学的微構造
１３２、４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ    反射面
１３４、４３４ａ、４３４ｂ、４３４ｃ    連結面
１３６    光反射層
１３８    光吸収層
２２４’    導光素子
２２８’    ビームスプリッタ
６４０    反射鏡
ＩＬ、ＩＬ１、ＩＬ２、ＩＬ３、ＩＬ４、ＩＬ５、ＩＬ６、ＩＬ７、ＩＬ８、ＩＬ９、ＩＬ１０、ＩＬ’、ＩＬ１’、ＩＬ２’    映像ビーム
Ａ    領域
ＡＬ    環境光
Ｄ    ディスプレイ
Ｄ１    第１方向
Ｄ２    第２方向
Ｄ３    第３方向
Ｄ４    第４方向
ＤＰ    進行方向
ＥＳ１    第１入光面
ＥＳ２    第２入光面
ＥｘＳ１    第１出光面
ＥｘＳ２    第２出光面
Ｇ    隙間
Ｈ    厚さ
Ｉｍａ１    予想の表示画面
Ｉｍａ２    非予想の表示画面
Ｌ１    第１幅
Ｌ２    第２幅
Ｐ    瞳
ＰＡ    絞り位置
ＰＬ    レンズ
Ｓ１    第１表面
Ｓ２    第２表面
ＳＳ１    第１側面
ＳＳ２    第２側面
ＳＳ３    第３側面
ＳＬ    非予想の光線
Ｌ、Ｗ    幅
Ｘ    第１軸
Ｙ    第２軸
Ｚ    第３軸
θｃ１    第１光収束角
θ１、θ２、θ３、θ４、θ５、θ６    角度
α    第１夾角
β    第２夾角
【図１Ａ】
2018116262.tif 000005
【図１Ｂ】
2018116262.tif 000006
【図１Ｃ】
2018116262.tif 000007
【図１Ｄ】
2018116262.tif 000008
【図１Ｅ】
2018116262.tif 000009
【図１Ｆ】
2018116262.tif 000010
【図１Ｇ】
2018116262.tif 000011
【図１Ｈ】
2018116262.tif 000012
【図１Ｉ】
2018116262.tif 000013
【図１Ｊ】
2018116262.tif 000014
【図２Ａ】
2018116262.tif 000015
【図２Ｂ】
2018116262.tif 000016
【図３】
2018116262.tif 000017
【図４Ａ】
2018116262.tif 000018
【図４Ｂ】
2018116262.tif 000019
【図４Ｃ】
2018116262.tif 000020
【図５】
2018116262.tif 000021
【図６】
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