(57)【要約】【課題】視野角を広くしても、観察される虚像の表示領域において隙間の発生を抑制することができる虚像光学系および虚像表示装置を提供する。【解決手段】画像光を複数の光束に分岐する反射光学系と、反射光学系により分岐された複数の光束が入射され、その光束を導光して射出する導光部材と、を備え、導光部材は、光束が入射する面である光線入射部と、光線入射部から入射した光束を導光する導光部と、画像光を導光部材の外部に射出する光線射出部と、導光部により導光された光束を反射させて光線射出部へ導光させる取り出し部と、を有し、反射光学系は、画像光の一部を光線入射部へ向けて進行させ、かつ、その画像光の残りの一部を光線入射部とは異なる方向へ進行させる第１反射面と、第１反射面から進行してきた画像光を光線入射部へ向けて反射させる第２反射面と、を有する。【選択図】図１
2018132603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子から出射される画像光を導光して虚像を形成するための虚像光学系であって、
前記画像光を複数の光束に分岐する反射光学系と、
前記反射光学系により分岐された前記複数の光束が入射され、該光束を導光して射出する導光部材と、
を備え、
前記導光部材は、
前記光束が入射する面である光線入射部と、
前記光線入射部から入射した前記光束を導光する導光部と、
前記画像光を前記導光部材の外部に射出する光線射出部と、
前記導光部により導光された前記光束を反射させて前記光線射出部へ導光させる取り出し部と、
を有し、
前記反射光学系は、
前記画像光の一部を前記光線入射部へ向けて進行させ、かつ、該画像光の残りの一部を前記光線入射部とは異なる方向へ進行させる第１反射面と、
前記第１反射面から進行してきた前記画像光を前記光線入射部へ向けて反射させる第２反射面と、
を有する虚像光学系。
【請求項２】
前記反射光学系は、１以上の前記第１反射面を有し、
１以上の前記第１反射面、および前記第２反射面のうち少なくともいずれかは、平面形状のミラーによって形成される請求項１に記載の虚像光学系。
【請求項３】
前記反射光学系は、１以上の前記第１反射面を有し、
１以上の前記第１反射面、および前記第２反射面のうち少なくともいずれかは、プリズムの面によって形成される請求項１に記載の虚像光学系。
【請求項４】
前記プリズムは、前記光線入射部に接合された請求項３に記載の虚像光学系。
【請求項５】
前記第２反射面の反射率は、前記第１反射面の反射率よりも高い請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像光学系。
【請求項６】
前記取り出し部は、
前記光線射出部に対して傾斜した面である第１面と、前記光線射出部に平行な面である第２面と、が交互に並んで形成され、
前記導光部により導光された前記画像光を前記第１面で前記光線射出部へ向けて反射させる請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像光学系。
【請求項７】
前記取り出し部は、２以上の前記第１面と、２以上の前記第２面とが、交互に連続して並んで形成され、
前記取り出し部と前記光線射出部との距離は、前記導光部から前記光束の導光方向へ進むに従って小さくなる請求項６に記載の虚像光学系。
【請求項８】
前記導光部材は、前記導光部で導光されてきた前記光束の進行方向を反転させる再帰反射部を、さらに有し、
前記取り出し部は、前記再帰反射部により反転された前記光束を前記光線射出部へ向けて反射させる請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像光学系。
【請求項９】
前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し、該光線入射部から入射した前記光束を反射させる面である反射部を、さらに有し、
前記導光部は、前記反射部で反射した前記光束を導光する請求項１〜８のいずれか一項に記載の虚像光学系。
【請求項１０】
前記画像表示素子と、
前記画像表示素子から出射される前記画像光を平行化して射出するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から射出された前記画像光を導光して前記虚像を形成する請求項１〜９のいずれか一項に記載の虚像光学系と、
を備えた虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、虚像光学系および虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、虚像表示装置として、身近な所ではＨＭＤ（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）が普及し始めている。ＨＭＤはシースルーである透過型と、非透過型とに分類され、透過型のＨＭＤとしてよく知られているものとしては、ＧＯＯＧＬＥ  ＧＬＡＳＳ（商標登録）等がある。非透過型のＨＭＤに関しても、その没入感から、数多く各社から発売されている。虚像表示装置によって人間が視認できる虚像のサイズに関しては、透過型の場合、情報端末と組み合わせて使用したり、ＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ：拡張現実）と組み合わせて使用したりするため小型で、かつ、携帯性がよいものが求められる傾向がある。一方、非透過型の場合、ゲームまたはＶＲ（Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｒｅａｌｉｔｙ：仮想現実）等で使われるため、没入感が得られ、かつ、広視野角が求められる傾向にある。虚像表示装置の共通の特徴としては、本体の大きさを小型化かつ薄肉化に特化したものは狭視野角になる傾向にあり、一方、表示エリアを広視野角にさせると本体の大きさが大型化かつ厚肉化する傾向にあった。近年は、透過型において、そのユーザニーズから、薄肉化されて、かつ、広視野角であることが要請されるようになってきている。
【０００３】
このような要請に沿うための技術として、導光部材内にある特定の反射率のコートを施したいくつかのミラーを配置し、光線の入射角度によって、光線の反射と透過を振り分けて、効果的に画像を取り出す方式が開示されている（特許文献１参照）。また、導光部材の一つの側面に微細構造体と、隙間ゾーンとを設け、これらの部分で光線を反射および伝播させることで、効果的に画像を取り出す方法が開示されている（特許文献２参照）。また、対向して延びる全反射部と、傾斜するように延びる複数の第一要素面と、その第一要素面に対して、鈍角をなして延びる複数の第二要素面と、を交互して配置してなる導光板を組み合わせた方法が開示されている（特許文献３参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの技術では、コリメート光学系を介して導光部材内に取り込まれた光が、導光部材内を全反射で伝播した後に、複数のミラーまたは微細構造に当たることで、導光部材の外に光が射出し、眼に光が導かれ虚像を観察することを目的としている。このとき、広視野角の虚像を表示しようとすると、導光部材内での全反射の角度が大きくなるため、導光部材内に設けた複数のミラーまたは微細構造に光が当たりにくくなるという問題がある。また、導光部材内に設けた複数のミラーまたは微細構造を周期的または非周期的に配置したとしても、導光部材内を伝播する光の角度、すなわち、画像表示素子から出射する光の位置の違いによって、導光部材内に設けた複数のミラーに当たりやすい光、および、当たりにくい光が生じ、虚像を観察した際に、虚像の表示領域の中に隙間が発生するという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、視野角を広くしても、観察される虚像の表示領域において隙間の発生を抑制することができる虚像光学系および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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、画像表示素子から出射される画像光を導光して虚像を形成するための虚像光学系であって、前記画像光を複数の光束に分岐する反射光学系と、前記反射光学系により分岐された前記複数の光束が入射され、該光束を導光して射出する導光部材と、を備え、前記導光部材は、前記光束が入射する面である光線入射部と、前記光線入射部から入射した前記光束を導光する導光部と、前記画像光を前記導光部材の外部に射出する光線射出部と、前記導光部により導光された前記光束を反射させて前記光線射出部へ導光させる取り出し部と、を有し、前記反射光学系は、前記画像光の一部を前記光線入射部へ向けて進行させ、かつ、該画像光の残りの一部を前記光線入射部とは異なる方向へ進行させる第１反射面と、前記第１反射面から進行してきた前記画像光を前記光線入射部へ向けて反射させる第２反射面と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、視野角を広くしても、観察される虚像の表示領域において隙間の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。
【図３】図３は、コリメート光学系の光線の平行化の動作を説明する図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材における光線の入射角および射出角を説明する図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係る虚像表示装置をＨＭＤに適用した例を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態の変形例１に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図８】図８は、第１の実施の形態の変形例３に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図９】図９は、第１の実施の形態の変形例４に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、第１の実施の形態の変形例４に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。
【図１１】図１１は、第１の実施の形態の変形例５に係る虚像光学系の反射光学系の構成、ならびに、反射および透過動作を説明する図である。
【図１２】図１２は、第２の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、第２の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。
【図１４】図１４は、第２の実施の形態の変形例に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、第２の実施の形態の変形例に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。
【図１６】図１６は、第２の実施の形態の変形例に係る虚像光学系のシースルー性を説明する図である。
【図１７】図１７は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、第３の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。
【図１９】図１９は、再帰反射部が設けられていない導光部材における光線の発散動作を説明する図である。
【図２０】図２０は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置の導光部材の再帰光の収束動作を説明する図である。
【図２１】図２１は、再帰反射部での光線の反射動作を説明する図である。
【図２２】図２２は、第３の実施の形態の変形例１に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図２３】図２３は、第３の実施の形態の変形例１に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。
【図２４】図２４は、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。
【図２５】図２５は、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置の構成のうち反射光学系がない場合の網膜上の照度分布を示す図である。
【図２６】図２６は、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置における網膜上の照度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、図１〜図２６を参照しながら、本発明に係る虚像光学系および虚像表示装置の実施の形態を詳細に説明する。また、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
＜虚像表示装置の全体構成＞
図１は、第１の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図１を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置１の全体構成について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施の形態に係る虚像表示装置１は、虚像光学系２と、画像表示素子４００と、を有する。
【００１２】
虚像光学系２は、画像表示素子４００から出射される画像情報を含む光線（以下、単に「画像光」と称する場合がある）を、コリメート光学系３００を介して、導光部材１００に導光させ、後述する光線射出部１０５から人間の眼５００に向けて出射させる光学系である。虚像光学系２は、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００と、を有する。
【００１３】
画像表示素子４００は、虚像光学系２を通じて表示する虚像の基となる画像の画像光を出射するデバイスである。画像表示素子４００として、例えば、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：有機発光ダイオード）または液晶表示装置等の種々の表示素子を適用することができる。なお、画像表示素子４００として、画像等の情報を表示できるものであれば、例えば、多数の微小鏡面（マイクロミラー）を平面に配列したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスであるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、または、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）を適用することができる。この場合、画像表示素子４００を照射する光源として、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、または、放電ランプ等を用いることができる。
【００１４】
コリメート光学系３００は、複数の光学レンズおよび絞り等から構成され、画像表示素子４００から出射される画像光を、画像表示素子４００の各位置に応じた方向に角度変換し、かつ、平行化する光学系である。なお、平行化された画像光の光束は、例えば、遠く離れた位置で収束するものとしてもよい。コリメート光学系３００の平行化の動作の詳細は、図３で後述する。
【００１５】
反射光学系２００は、コリメート光学系３００からの画像光を複数の光束に分岐させる光学系である。反射光学系２００は、図１に示すように、平行に配置された２枚の反射ミラー２０１、２０２を含んで構成されている。
【００１６】
反射ミラー２０１（第１反射面の一例）は、コリメート光学系３００から出射した画像光が最初に当たるミラーであり、画像光の一部を透過させ、残りを反射させる機能を有するミラーである。反射ミラー２０１を透過した画像光の一部の光束は、図１に示すように、導光部材１００の光線入射部１０１に入射する。
【００１７】
反射ミラー２０２（第２反射面の一例）は、反射ミラー２０１により反射された画像光（分岐された画像光）を略１００％反射させるミラーである。すなわち、反射ミラー２０２の反射率は、反射ミラー２０１の反射率よりも高いことになる。反射ミラー２０２により反射された画像光の光束は、図１に示すように、導光部材１００の光線入射部１０１に入射する。
【００１８】
以上のように、反射光学系２００の反射ミラー２０１、２０２の透過および反射動作によって、コリメート光学系３００から出射して、光線入射部１０１に入射する画像光が、複数の光束に分岐されるので、光線入射部１０１に入射する画像光の光束の幅を太くすることができる。
【００１９】
なお、画像光が最初に当たる反射ミラー２０１において、画像光の光量のうちどれだけの光量を透過させるかについては、取り出し部１０４の第１面１０７ａ（図２参照）の配置および間隔等に基づいて、光量ムラが発生しにくいように適宜設計するものとすればよい。
【００２０】
導光部材１００は、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼５００に射出させるライトガイドである。以下、導光部材１００の面に関して、ユーザから見て手前側、すなわち、図１において下側の面を「後面」とし、ユーザから見て奥側、すなわち、図１において上側の面を「前面」として説明する。導光部材１００は、光線入射部１０１と、反射部１０２と、導光部１０３と、取り出し部１０４と、光線射出部１０５と、を有する。
【００２１】
光線入射部１０１は、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光が入射する後面側の部位（面）である。反射部１０２は、光線入射部１０１から入射した画像光の光線を反射する部位（面）である。反射部１０２は、図１に示すように、光線入射部１０１に対して、所定の角度θの面となるように形成されている。また、反射部１０２は、反射コートが施されている。これによって、光線入射部１０１から入射した画像光は、反射部１０２により反射される。ここで、反射部１０２に施される反射コートとしては、例えば、アルミニウム、銀、または誘電体コート等の反射率が高いミラーコートを適用することが望ましい。
【００２２】
導光部１０３は、反射部１０２により反射された光線を全反射させながら導光する部位である。
【００２３】
取り出し部１０４は、導光部１０３により導光された光線を、導光部材１００の外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。光線射出部１０５は、取り出し部１０４により導光部材１００の外側に取り出すために反射された光線を、導光部材１００の外部に射出させる後面側の部位（面）である。取り出し部１０４および光線射出部１０５の詳細は、図２で後述する。
【００２４】
＜取り出し部および光線射出部について＞
図２は、第１の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図２を参照しながら、導光部材１００の取り出し部１０４および光線射出部１０５について説明する。
【００２５】
図２に示すように、導光部材１００の取り出し部１０４は、光線射出部１０５の面（後面）に対して所定の角度θだけ反射部１０２とは逆に傾斜した第１面１０７ａと、第１面１０７ａに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に平行な第２面１０７ｂと、第２面１０７ｂに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に対して垂直に第１面１０７ａに向かって形成された第３面１０７ｃと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第１面１０７ａおよび第３面１０７ｃは、第２面１０７ｂに対して突起するように形成されている。また、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されている。また、第１面１０７ａ、第２面１０７ｂおよび第３面１０７ｃは、取り出し部１０４において、それぞれ少なくとも１以上が形成されている。
【００２６】
第１面１０７ａは、導光部材１００の内部に入射して導光された画像光を、光線射出部１０５に向かう方向に反射することによって、光線射出部１０５から射出させる機能を担う平面である。第１面１０７ａの光線射出部１０５に対する傾斜角は、上述した光線入射部１０１と反射部１０２とがなす角度θと同一であり、例えば、２０度〜３５度の範囲に設定することが好ましい。このように、第１面１０７ａの傾斜角を、光線入射部１０１と反射部１０２とがなす角度θと同一とすることによって、コリメート光学系３００の配置の調整等が容易となる。ただし、第１面１０７ａは、光線射出部１０５に対して、反射部１０２の光線入射部１０１に対する傾斜とは逆に傾斜している。
【００２７】
また、第１面１０７ａには、反射率が１０％以上の反射コートが施されている。これによって、画像光を効率よくユーザの眼５００の方向に光線射出部１０５から射出させることができ、輝度の高い虚像を形成することが可能となる。また、この反射コートの反射率が１０％に近い場合、虚像の視認と、外界の観察とを同時に行うことができるので、シースルー性が良好な虚像表示装置１を得ることができる。
【００２８】
第２面１０７ｂは、導光部材１００の内部に入射して、導光部１０３で導光された画像光を、さらに、取り出し部１０４と光線射出部１０５とに挟まれる部位内を導光させるための反射面としての機能を担う面である。また、第２面１０７ｂは、光線射出部１０５の面（後面）と平行な平面となっている。これによって、導光部材１００の前面および後面からの外部の光を透過させる透過面として機能するので、シースルー性が確保される。
【００２９】
ここで、仮に、第２面１０７ｂを光線射出部１０５に対して傾斜させた場合、導光部１０３で導光された画像光が、第２面１０７ｂで反射される反射角と、光線射出部１０５で反射される反射角とが一致せず、変化することになる。この場合、光線入射部１０１に入射する光線と光線入射部１０１の面の法線とのなす角で定義される入射角（絶対値）と、光線射出部１０５から射出される光線と光線射出部１０５の面の法線とのなす角で定義される射出角（絶対値）とが、同一の角度とならない。したがって、第１面１０７ａで反射され、光線射出部１０５から射出された画像光は、光線入射部１０１の入射角と異なる方向に射出されることになり、思わしくない虚像が形成されてしまう。したがって、上述のように、本実施の形態では、第２面１０７ｂは、光線射出部１０５の面と平行となるように形成されている。
【００３０】
また、取り出し部１０４に形成された複数の第１面１０７ａの間隔は、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成されることが望ましい。第１面１０７ａによる反射対象となる光線は、上述のように導光部１０３で導光される画像光であるので、導光部１０３から、取り出し部１０４と光線射出部１０５とで挟まれる部位内に導光された画像光は、まだ、第１面１０７ａにより反射されておらず、導光部１０３近傍の画像光の光量は大きい。したがって、導光部１０３近傍の第１面１０７ａでは、画像光の光線が反射される確率が高い。一方、導光部１０３から離れた第１面１０７ａでは、導光部１０３から、取り出し部１０４と光線射出部１０５とで挟まれる部位内に導光された画像光のうち多くは、導光部１０３近傍の第１面１０７ａによって反射され光線射出部１０５から射出されているので、導光部１０３から離れた場所の画像光の光量は小さい。したがって、導光部１０３から離れた第１面１０７ａでは、画像光の光線が反射される確率が、導光部１０３近傍の第１面１０７ａよりも低い。よって、上述のように、第１面１０７ａの間隔を、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成することによって、画像光がバランスよく第１面１０７ａによって反射され、光線射出部１０５から射出されるので、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
【００３１】
なお、上述のように、第１面１０７ａの間隔を、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成するものとしたが、これに限定されるものではなく、複数の第１面１０７ａの間隔のうち、少なくとも１つの間隔が異なる長さであるものとしてもよい。すなわち、導光部１０３で導光される画像光の性質によって、第１面１０７ａのそれぞれの間隔を設定することによって、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
【００３２】
また、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されているものとしたが、必ずしもすべての第２面１０７ｂが同一平面上に形成される必要はない。
【００３３】
また、第３面１０７ｃは、光線射出部１０５の面に対して垂直に形成されるものとしているが、必ずしも垂直である必要はなく、第１面１０７ａから光線射出部１０５に向かって形成されているものとすればよい。
【００３４】
＜コリメート光学系の動作＞
図３は、コリメート光学系の光線の平行化の動作を説明する図である。図３を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置１のコリメート光学系３００の動作について説明する。なお、図３においては、コリメート光学系３００の動作を簡潔に説明するため、コリメート光学系３００を模式的に図示している。
【００３５】
図３に示すように、画像表示素子４００における各素子からは、少なくとも所定の角度範囲のあらゆる方向に向かって、すなわち、拡散して画像光が出射する。例えば、画像表示素子４００の中央付近の素子から出射した画像光は、図３に示すように、紙面視の下から上に向かって拡散しながらコリメート光学系３００に入射する。コリメート光学系３００に入射した画像光は、コリメート光学系３００によって角度変換され、かつ、平行化されて、紙面視の上方向に向かう平行光として出射する。
【００３６】
また、画像表示素子４００のうち、図３の紙面視左側半分の部分における特定の素子から出射した画像光は、図３に示すように、拡散しながらコリメート光学系３００に入射する。コリメート光学系３００に入射した画像光は、コリメート光学系３００によって角度変換され、かつ、平行化されて、紙面視の右上方向に向かう平行光として出射する。
【００３７】
また、画像表示素子４００のうち、図３の紙面視右側半分の部分における特定の素子から出射した画像光は、図３に示すように、拡散しながらコリメート光学系３００に入射する。コリメート光学系３００に入射した画像光は、コリメート光学系３００によって角度変換され、かつ、平行化されて、紙面視の左上方向に向かう平行光として出射する。
【００３８】
以上のように、画像表示素子４００のそれぞれの素子から出射した画像光は、コリメート光学系３００によって、その素子の位置に応じた方向に角度変換され、かつ、平行化されて、光線入射部１０１に入射する。
【００３９】
＜入射角および射出角＞
図４は、第１の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材における光線の入射角および射出角を説明する図である。図４を参照しながら、本実施の形態の導光部材１００の画像光の光線の入射角および射出角について説明する。
【００４０】
図４に示すように、導光部材１００において、画像光の光線６１１は、入射角θｉｎで光線入射部１０１に入射して、反射部１０２で反射され、導光部１０３で導光される。ここで、図４に示す例では、入射角θｉｎは、正の角度とする。そして、導光部１０３で導光された画像光の光線６１２は、取り出し部１０４の第１面１０７ａにおける反射により取り出されて、光線６１３として光線射出部１０５から射出角θｏｕｔで外部に射出される。ここで、第１面１０７ａの光線射出部１０５に対する傾斜は、反射部１０２の光線入射部１０１に対する傾斜とは逆なので、射出角θｏｕｔは、負の角度であり、かつ、絶対値が入射角θｉｎと同一の角度となる。したがって、本実施の形態に係る虚像表示装置１の場合、ユーザが虚像を正常に視認するためには、画像表示素子４００は、ユーザが視認すべき虚像とは左右が反転した画像を出射する必要がある。なお、画像表示素子４００の取り付け方の態様によってはこの限りではない。
【００４１】
＜ＨＭＤへの適用＞
図５は、第１の実施の形態に係る虚像表示装置をＨＭＤに適用した例を示す図である。図５を参照しながら、本実施の形態に係る虚像光学系２をＨＭＤに適用した例について説明する。
【００４２】
図５（ａ）に示す例は、１つの虚像光学系２を両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、光線入射部１０１をユーザの右眼側に配置している。虚像光学系２は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部７００に固定される。なお、図５では、フレーム部７００を簡略化して示しているが、フレーム部７００は、虚像光学系２の両端側のみならず、上側縁および下側縁を覆う形状とするものとしてもよい。
【００４３】
図５（ｂ）に示す例は、虚像光学系２を小型化して両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、２つの虚像光学系２をユーザの左右各々の眼の位置に対応させて配置している。図５（ｃ）に示す例は、虚像光学系２を小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合であり、１つの虚像光学系２をユーザの右眼の位置に対応させて配置している。なお、１つの虚像光学系２をユーザの左眼の位置に対応させて配置してもよいのは、言うまでもない。
【００４４】
なお、図５ではコリメート光学系３００および画像表示素子４００の図示を省略しているが、これらは、例えば、フレーム部７００に取り付けるものとすればよい。すなわち、図５（ａ）および図５（ｃ）に示す例では、コリメート光学系３００および画像表示素子４００を、右眼側のフレーム部７００に取り付け、図５（ｂ）に示す例では、これらを、左右両方のフレーム部７００に取り付けるものとすればよい。
【００４５】
また、図５に示す例では、虚像光学系２を眼鏡型のＨＭＤに適用した場合を示しているが、他の種類のＨＭＤにも適用可能であり、さらには、ＨＵＤ（Ｈｅａｄ−Ｕｐ  Ｄｉｓｐｌａｙ）にも適用できる。
【００４６】
また、図５に示す例では、虚像光学系２をＨＭＤに適用した場合を示しているが、後述の本実施の形態の変形例、第２の実施の形態およびその変形例、ならびに、第３の実施の形態およびその変形例それぞれに係る虚像光学系をＨＭＤに適用できるのは言うまでもない。
【００４７】
＜光線入射部に入射する光束および画像光の光路について＞
次に、図１を参照しながら、本実施の形態の導光部材１００に入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
【００４８】
図１では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、導光部材１００内で導光される状態を示している。図１に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー２０１を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系２００がない場合と同等の光路を示している。例えば、図１に示す実線の光線のうち、光線６０１は、反射ミラー２０１を透過して、光線入射部１０１から入射して、反射部１０２により反射されて、光線６０２となる。光線６０２は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部１０４に達し、取り出し部１０４の第１面１０７ａ（図２参照）による反射により取り出されて光線６０３となる。光線６０３は、光線射出部１０５から導光部材１００の外部の眼５００の方向に射出される。
【００４９】
また、図１に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射された画像光の光線である。例えば、図１に示す破線の光線のうち、光線６０６は、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射されて、光線入射部１０１から入射し、反射部１０２により反射されて光線６０７となる。光線６０７は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部１０４に達し、取り出し部１０４の第１面１０７ａ（図２参照）による反射により取り出されて光線６０８となる。光線６０８は、光線射出部１０５から導光部材１００の外部の眼５００の方向に射出される。
【００５０】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４に当たる画像光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４に当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４の第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４の第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【００５１】
一方、コリメート光学系３００に平行化された画像光の光束の幅を太くする別の方法として、コリメート光学系３００の絞り径を大きくする、すなわち、コリメート光学系３００のＦ値を小さくすることが考えられる。しかし、Ｆ値を小さくすると、コリメート光学系３００の収差の補正が困難となり、コリメート光学系３００のレンズ枚数の増加、ならびに、サイズおよびコストの増大の要因となる。これに対して、本実施の形態では、コリメート光学系３００のＦ値を変えなくても、平行化された画像光の光束の幅を太くでき、低コストで良好な虚像を形成することができる。
【００５２】
また、図１において、２枚の反射ミラー２０１、２０２の距離をＤとし、導光部材１００の最薄部の厚みをｔとしたとき、Ｄ＜ｔの関係となるように構成することが望ましい。これによって、反射光学系２００により光束の幅が太くされた画像光が、導光部材１００内に効率よく入射することが可能となる。
【００５３】
＜第１の実施の形態の変形例１＞
図６は、第１の実施の形態の変形例１に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図６を参照しながら、本実施の形態の変形例１に係る虚像表示装置１ａについて説明する。
【００５４】
図６に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ａは、虚像光学系２ａと、画像表示素子４００と、を有する。本変形例に係る虚像光学系２ａは、第１の実施の形態に係る虚像光学系２の構成のうち、反射光学系２００を反射光学系２００ａで置換した構成を有する。反射光学系２００ａは、図６に示すように、２つのプリズム２１１、２１２と、プリズム２１１とプリズム２１２との間に挟持された光学部材２１３と、によって構成されている。
【００５５】
プリズム２１１の反射面２１１ａ（第１反射面の一例）は、画像光の一部を透過させ、残りを反射させる半透過膜が形成されている。反射面２１１ａを透過した画像光の一部の光束は、図６に示すように、プリズム２１１の内部を透過して、導光部材１００の光線入射部１０１に入射する。
【００５６】
プリズム２１２の反射面２１２ａ（第２反射面の一例）は、反射面２１１ａに平行であり、反射面２１１ａにより反射された画像光（分岐された画像光）を略１００％反射させる反射膜が形成されている。すなわち、反射面２１２ａの反射率は、反射面２１１ａの反射率よりも高いことになる。反射面２１２ａにより反射された画像光の光束は、図６に示すように、導光部材１００の光線入射部１０１に入射する。
【００５７】
光学部材２１３は、上述のようにプリズム２１１とプリズム２１２との間に挟持され、図６の紙面視方向から見た場合、平行四辺形の形状を有する部材である。光学部材２１３の屈折率は、プリズム２１１、２１２のうち少なくともプリズム２１１の屈折率と同一である。これによって、コリメート光学系３００から出射した画像光が、反射面２１１ａを透過する際、反射面２１１ａを透過した光線が、光学部材２１３内を透過している光線に対して屈折することを防ぐことができる。
【００５８】
以上のように、反射光学系２００ａのプリズム２１１、２１２における透過および反射動作によって、コリメート光学系３００から出射して、光線入射部１０１に入射する画像光が、複数の光束に分岐されるので、光線入射部１０１に入射する画像光の光束の幅を太くすることができる。これによって、画像光は、取り出し部１０４の第１面１０７ａに当たりやすくなるため、虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【００５９】
また、図１で示される第１の実施の形態の虚像光学系２の場合、２つの反射ミラー２０１、２０２をそれぞれ保持する必要があるが、本変形例に係る虚像光学系２ａの場合、プリズム２１１、２１２および光学部材２１３で構成される直方体形状の反射光学系２００ａの保持のみでよく、保持機構を簡略化させることができる。
【００６０】
なお、反射光学系２００ａの２つの反射面（反射面２１１ａ、２１２ａ）は、それぞれプリズム２１１、２１２で構成されるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１に示す第１の実施の形態の反射光学系２００の反射ミラーと、本変形例のプリズムとを組み合わせて、２つの反射面を構成するものとしてもよい。また、プリズム２１２を使用しないで、光学部材２１３の反射面２１２ａに対向する面に反射面を構成してもよい。
【００６１】
＜第１の実施の形態の変形例２＞
図７は、第１の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図７を参照しながら、本実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置１ｂについて説明する。
【００６２】
図７に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ｂは、虚像光学系２ｂと、画像表示素子４００と、を有する。本変形例に係る虚像光学系２ｂは、第１の実施の形態の変形例１に係る虚像光学系２ａの構成において、反射光学系２００ａを、導光部材１００の光線入射部１０１に接合した構成を有する。
【００６３】
以上のように、反射光学系２００ａを、光線入射部１０１に接合する構成とすることによって、コリメート光学系３００から出射した画像光が反射光学系２００ａによって複数の光束に分岐され、反射光学系２００ａの界面を通り抜ける際の反射ロス、および、その後、光線入射部１０１に入射する際の反射ロスを低減することができる。
【００６４】
＜第１の実施の形態の変形例３＞
図８は、第１の実施の形態の変形例３に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図８を参照しながら、本実施の形態の変形例３に係る虚像表示装置１ｃについて説明する。
【００６５】
図８に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ｃは、虚像光学系２ｃと、画像表示素子４００と、を有する。虚像光学系２ｃは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｃと、を有する。本変形例では、画像表示素子４００、コリメート光学系３００および反射光学系２００が、第１の実施の形態の導光部材１００の光線入射部１０１に相当する面１０１ｃ（後述）側ではなく、導光部材１００の反射部１０２に相当する光線入射部１０２ｃ（後述）側に配置されている。
【００６６】
導光部材１００ｃは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼５００に射出させるライトガイドである。導光部材１００ｃは、面１０１ｃと、光線入射部１０２ｃと、導光部１０３と、取り出し部１０４と、光線射出部１０５と、を有する。なお、導光部１０３、取り出し部１０４および光線射出部１０５の構成および機能は、上述の第１の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
【００６７】
面１０１ｃは、第１の実施の形態の導光部材１００の光線入射部１０１とは異なり、コリメート光学系３００からの画像光が入射されず、後述するように、光線入射部１０２ｃから入射した画像光を全反射させる面である。
【００６８】
光線入射部１０２ｃは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅が太くされた画像光が入射する部位（面）である。光線入射部１０２ｃは、図８に示すように、面１０１ｃに対して、角度２θの面となるように形成されている。ここで、角度θは、第１の実施の形態で上述したように、取り出し部１０４における第１面１０７ａの光線射出部１０５に対する傾斜角である。第１の実施の形態の図１では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、光線入射部１０１に対して垂直に入射し、光線射出部１０５から垂直に射出している状態を示した。一方、本変形例では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、光線入射部１０２ｃに対して垂直に入射し、光線射出部１０５から垂直に射出するためには、光線入射部１０２ｃと面１０１ｃとのなす角が角度２θとなるようにする必要がある。
【００６９】
次に、図８を参照しながら、本変形例の導光部材１００ｃに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
【００７０】
図８では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、導光部材１００ｃ内で導光される状態を示している。図８に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー２０１を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系２００がない場合と同等の光路を示している。例えば、図８に示す実線の光線のうち、光線６２１は、反射ミラー２０１を透過して、光線入射部１０２ｃから入射する。導光部材１００ｃ内に入射した光線６２１は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部１０４に達し、取り出し部１０４の第１面１０７ａ（図２参照）による反射により取り出されて光線６２２となる。光線６２２は、光線射出部１０５から導光部材１００ｃの外部の眼５００の方向に射出される。
【００７１】
また、図８に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射された画像光の光線である。例えば、図８に示す破線の光線のうち、光線６２６は、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射されて、光線入射部１０２ｃから入射する。導光部材１００ｃ内に入射した光線６２６は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部１０４に達し、取り出し部１０４の第１面１０７ａ（図２参照）による反射により取り出されて光線６２７となる。光線６２７は、光線射出部１０５から導光部材１００ｃの外部の眼５００の方向に射出される。
【００７２】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４に当たる画像光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４に当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４の第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４の第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【００７３】
なお、反射光学系２００、コリメート光学系３００および画像表示素子４００を、本変形例のように、光線入射部１０２ｃ側に設けるか、または、第１の実施の形態のように導光部材１００の光線入射部１０１側に設けるかによって、虚像表示装置としての性能の差異は特になく、虚像表示装置の構成の違いに伴い、いずれかを選択するものとすればよい。
【００７４】
＜第１の実施の形態の変形例４＞
図９は、第１の実施の形態の変形例４に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図９を参照しながら、本実施の形態の変形例４に係る虚像表示装置１ｄについて説明する。
【００７５】
図９に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ｄは、虚像光学系２ｄと、画像表示素子４００と、を有する。本変形例に係る虚像光学系２ｄは、第１の実施の形態に係る虚像光学系２の構成のうち、導光部材１００の取り出し部１０４を、取り出し部１０４ｄで置換して導光部材１００ｄとした構成を有する。すなわち、虚像光学系２ｄは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｄと、を有する。
【００７６】
導光部材１００ｄは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼５００に射出させるライトガイドである。導光部材１００ｄは、光線入射部１０１と、反射部１０２と、導光部１０３と、取り出し部１０４ｄと、光線射出部１０５と、を有する。なお、光線入射部１０１、反射部１０２、導光部１０３、および光線射出部１０５の構成および機能は、上述の第１の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
【００７７】
取り出し部１０４ｄは、導光部１０３により導光された光線を、導光部材１００ｄの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。取り出し部１０４ｄの詳細は、図１０で後述する。
【００７８】
図１０は、第１の実施の形態の変形例４に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図１０を参照しながら、導光部材１００ｄの取り出し部１０４ｄおよび光線射出部１０５について説明する。
【００７９】
図１０に示すように、導光部材１００ｄの取り出し部１０４ｄは、光線射出部１０５の面（後面）に対して所定の角度（例えば、角度θ）だけ反射部１０２とは逆に傾斜した第１面１０７ａと、第１面１０７ａに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に対して垂直に光線射出部１０５から離れる方向に形成された第３面１０７ｃと、第３面１０７ｃに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に平行な第２面１０７ｂと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第１面１０７ａおよび第３面１０７ｃは、第２面１０７ｂに対して凹陥するように形成されている。また、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されている。また、第１面１０７ａ、第２面１０７ｂおよび第３面１０７ｃは、取り出し部１０４ｄにおいて、それぞれ少なくとも１以上が形成されている。
【００８０】
なお、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されているものとしたが、必ずしもすべての第２面１０７ｂが同一平面上に形成される必要はない。
【００８１】
また、第３面１０７ｃは、光線射出部１０５の面に対して垂直に形成されるものとしているが、必ずしも垂直である必要はなく、第１面１０７ａから、光線射出部１０５と離れる方向に向かって形成されているものとすればよい。
【００８２】
次に、図９を参照しながら、本実施の形態の導光部材１００ｄに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
【００８３】
図９では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、導光部材１００ｄ内で導光される状態を示している。図９に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー２０１を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系２００がない場合と同等の光路を示している。例えば、図９に示す実線の光線のうち、光線６３１は、反射ミラー２０１を透過して、光線入射部１０１から入射して、反射部１０２により反射されて、光線６３２となる。光線６３２は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部１０４ｄに達し、取り出し部１０４の第１面１０７ａ（図１０参照）による反射により取り出されて光線６３３となる。光線６３３は、光線射出部１０５から導光部材１００ｄの外部の眼５００の方向に射出される。
【００８４】
また、図９に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射された画像光の光線である。例えば、図９に示す破線の光線のうち、光線６３６は、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射されて、光線入射部１０１から入射し、反射部１０２により反射されて光線６３７となる。光線６３７は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、取り出し部１０４ｄに達し、取り出し部１０４ｄの第１面１０７ａ（図１０参照）による反射により取り出されて光線６３８となる。光線６３８は、光線射出部１０５から導光部材１００ｄの外部の眼５００の方向に射出される。
【００８５】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４ｄに当たる画像光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４ｄに当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４ｄの第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４ｄの第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【００８６】
＜第１の実施の形態の変形例５＞
図１１は、第１の実施の形態の変形例５に係る虚像光学系の反射光学系の構成、ならびに、反射および透過動作を説明する図である。図１１を参照しながら、本実施の形態の変形例５に係る虚像表示装置について説明する。
【００８７】
本変形例に係る虚像表示装置の虚像光学系は、第１の実施の形態に係る虚像光学系２の構成のうち、反射光学系２００を反射光学系２００ｅで置換した構成を有する。反射光学系２００ｅは、図１１に示すように、３枚の反射ミラー２０１ｅ〜２０３ｅを含んで構成されている。
【００８８】
反射ミラー２０１ｅ（第１反射面の一例）は、コリメート光学系３００から出射した画像光が最初に当たるミラーであり、画像光の一部を透過させ、残りを反射させる機能を有するミラーである。反射ミラー２０１ｅを透過した画像光の一部の光束は、導光部材１００の光線入射部１０１（図１参照）に入射する。
【００８９】
反射ミラー２０２ｅ（第１反射面の一例）は、反射ミラー２０１ｅにより反射された画像光（分岐された画像光）が当たるミラーであり、この画像光の一部を透過させ、残りを反射させる機能を有するミラーである。反射ミラー２０２ｅにより反射された画像光の一部の光束は、導光部材１００の光線入射部１０１（図１参照）に入射する。
【００９０】
反射ミラー２０３ｅ（第２反射面の一例）は、反射ミラー２０２ｅを透過した画像光（分岐された画像光）を略１００％反射させるミラーである。反射ミラー２０３ｅにより反射された画像光の光束は、導光部材１００の光線入射部１０１（図１参照）に入射する。
【００９１】
以上のように、反射光学系２００の反射ミラー２０１ｅ〜２０３ｅの透過および反射動作によって、コリメート光学系３００から出射して、光線入射部１０１に入射する画像光が、複数の光束に分岐されるので、光線入射部１０１に入射する画像光の光束の幅を、第１の実施の形態よりもさらに太くすることができる。
【００９２】
なお、反射ミラー２０１ｅ、２０２ｅにおいて、画像光の光量のうちどれだけの光量を透過させるかについては、取り出し部１０４の第１面１０７ａの配置および間隔等に基づいて、光量ムラが発生しにくいように適宜設計するものとすればよい。
【００９３】
また、反射光学系２００ｅは、３枚の反射ミラー２０１ｅ〜２０３ｅによって構成されているものとしたが、これに限定されるものではなく、４枚以上の反射ミラーによって構成されるものとしてもよい。
【００９４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る虚像表示装置について、第１の実施の形態に係る虚像表示装置１と相違する点を中心に説明する。第１の実施の形態では、複数の第２面１０７ｂが同一平面上にあり、導光部１０３から導光方向に向かうにしたがって肉厚とならない構成について説明した。本実施の形態では、導光部１０３から導光方向に向かうにしたがって厚さが薄くなる構成について説明する。
【００９５】
＜虚像表示装置の全体構成＞
図１２は、第２の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図１２を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置１ｆの全体構成について説明する。
【００９６】
図１２に示すように、本実施の形態に係る虚像表示装置１ｆは、虚像光学系２ｆと、画像表示素子４００と、を有する。
【００９７】
虚像光学系２ｆは、画像表示素子４００から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系３００を介して、導光部材１００ｆに導光させ、光線射出部１０５から人間の眼５００に向けて出射させる光学系である。虚像光学系２ｆは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｆと、を有する。
【００９８】
導光部材１００ｆは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼５００に射出させるライトガイドである。導光部材１００ｆは、光線入射部１０１と、反射部１０２と、導光部１０３と、取り出し部１０４ｆと、光線射出部１０５と、を有する。なお、光線入射部１０１、反射部１０２、導光部１０３、および光線射出部１０５の構成および機能は、上述の第１の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
【００９９】
取り出し部１０４ｆは、導光部１０３により導光された光線を、導光部材１００ｆの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。また、取り出し部１０４ｆと光線射出部１０５との間の部材は、導光部１０３から導光方向に向かうにしたがって厚さが薄くなる。取り出し部１０４ｆの詳細は、図１３で後述する。
【０１００】
＜取り出し部および光線射出部について＞
図１３は、第２の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図１３を参照しながら、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆおよび光線射出部１０５について説明する。
【０１０１】
図１３に示すように、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆは、光線射出部１０５の面（後面）に対して所定の角度θだけ反射部１０２とは逆に傾斜した第１面１０７ａと、第１面１０７ａに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に平行な第２面１０７ｂとが、交互に並んで形成されている。したがって、図１３に示すように、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆおよび光線射出部１０５に対応する部分は、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に向かうにしたがって、薄くなる構造となっている。
【０１０２】
第１面１０７ａは、導光部材１００ｆの内部に入射して導光された画像光を、光線射出部１０５に向かう方向に反射することによって、光線射出部１０５から射出させる機能を担う平面である。第１面１０７ａの光線射出部１０５に対する傾斜角は、上述した光線入射部１０１と反射部１０２とがなす角度θと同一であり、例えば、２０度〜３５度の範囲に設定することが好ましい。このように、第１面１０７ａの傾斜角を、光線入射部１０１と反射部１０２とがなす角度θと同一とすることによって、コリメート光学系３００の配置の調整等が容易となる。ただし、第１面１０７ａは、光線射出部１０５に対して、反射部１０２の光線入射部１０１に対する傾斜とは逆に傾斜している。また、第１面１０７ａには、第１の実施の形態と同様の反射コートが施されている。
【０１０３】
第２面１０７ｂは、導光部材１００ｆの内部に入射して、導光部１０３を導光された画像光を、さらに、取り出し部１０４ｆと光線射出部１０５とに挟まれる部位内を導光させるための反射面としての機能を担う面である。また、第２面１０７ｂは、光線射出部１０５の面（後面）と平行な平面となっている。これによって、導光部材１００ｆの前面および後面からの外部の光を透過させる透過面として機能するので、シースルー性が確保される。
【０１０４】
また、取り出し部１０４ｆに形成された複数の第１面１０７ａの間隔は、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成されることが望ましい。これによって、画像光がバランスよく第１面１０７ａによって反射され、光線射出部１０５から射出されるので、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
【０１０５】
なお、上述のように、第１面１０７ａの間隔を、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に粗から密となるように形成するものとしたが、これに限定されるものではなく、複数の第１面１０７ａの間隔のうち、少なくとも１つの間隔が異なる長さであるものとしてもよい。すなわち、導光部１０３で導光される画像光の性質によって、第１面１０７ａのそれぞれの間隔を設定することによって、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
【０１０６】
＜光線入射部に入射する光束および画像光の光路について＞
次に、図１２を参照しながら、本実施の形態の導光部材１００ｆに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
【０１０７】
図１２では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、導光部材１００ｆ内で導光される状態を示している。図１２に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー２０１を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系２００がない場合と同等の光路を示している。また、図１２に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射された画像光の光線である。
【０１０８】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４ｆに当たる画像光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４ｆに当たる光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４ｆの第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４ｆの第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【０１０９】
また、上述のように、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆおよび光線射出部１０５に対応する部分は、導光部１０３で導光される画像光の導光方向に向かうにしたがって、薄くなる構造となっている。このようにすることで、導光部材１００ｆの中を全反射する画像光の反射の間隔は導光部材１００ｆ内を伝播するにつれて徐々に狭くなる。そのため、画像光が取り出し部１０４ｆにあたる頻度が高くなり、光線射出部１０５からより多くの光を射出させることができる。特に、広角の虚像を形成しようとした場合は、導光部材１００ｆ内での全反射の間隔が長くなるため、取り出し部１０４ｆと光線射出部１０５の間隔が画像光の導光方向に狭くなっていない場合は、取り出し部１０４ｆに当たる頻度が低くなり、光線射出部１０５から射出される画像光が少なくなるため、虚像を観察したときの虚像の隙間になりやすい。しかし、上述の構造とすることで、虚像を観察したときの隙間をより低減することができる。
【０１１０】
＜第２の実施の形態の変形例＞
図１４〜図１６を参照しながら、本実施の形態の変形例に係る虚像表示装置１ｇについて説明する。
【０１１１】
＜＜虚像表示装置の全体構成＞＞
図１４は、第２の実施の形態の変形例に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図１４を参照しながら、本変形例に係る虚像表示装置１ｇの全体構成について説明する。
【０１１２】
図１４に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ｇは、虚像光学系２ｇと、画像表示素子４００と、を有する。
【０１１３】
虚像光学系２ｇは、画像表示素子４００から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系３００を介して、導光部材１００ｆに導光させ、光線射出部１０５から人間の眼５００に向けて出射させる光学系である。虚像光学系２ｇは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｆと、光学部材１０８と、を有する。すなわち、虚像光学系２ｇは、第２の実施の形態に係る虚像光学系２ｆに対して、光学部材１０８を追加した構成と同一である。
【０１１４】
光学部材１０８は、導光部材１００ｆの光線射出部１０５と平行な前面１０９と、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆの面に対向配置される傾斜部と、を有する部材である。
【０１１５】
＜＜取り出し部および光線射出部について＞＞
図１５は、第２の実施の形態の変形例に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図１６は、第２の実施の形態の変形例に係る虚像光学系のシースルー性を説明する図である。図１５および図１６を参照しながら、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆ、光線射出部１０５、および取り出し部１０４ｆに対向配置される光学部材１０８について説明する。
【０１１６】
図１５に示すように、光学部材１０８は、傾斜部が、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆに空気層、すなわち、エアギャップ３を介して近接配置されている。本変形例では、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆの端縁と、光学部材１０８の傾斜部の端縁とを、マイクロボール型の接着剤等を用いて接着している。このようにすることで、取り出し部１０４ｆと、光学部材１０８の傾斜部とのエアギャップ３を等間隔とすることが可能となり、シースルー性をより高めることができる。
【０１１７】
光学部材１０８の傾斜部は、導光部材１００ｆの取り出し部１０４ｆに対向した部位に、前面１０９に対して角度θ’を有する第４面１１０ａと、前面１０９に平行な第５面１１０ｂと、が交互に配置されている。
【０１１８】
前面１０９は、導光部材１００ｆの光線射出部１０５と平行な面である。また、第５面１１０ｂは、前面１０９と平行である。したがって、第５面１１０ｂは、導光部材１００ｆの光線射出部１０５、および取り出し部１０４ｆの第２面１０７ｂそれぞれと平行である。このような設定とすることで、虚像光学系２ｇのシースルー性を高めることができる。
【０１１９】
また、前面１０９に対する第４面１１０ａの角度θ’を、上述した角度θ、すなわち、光線射出部１０５に対する第１面１０７ａの角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材１０８の第４面１１０ａが導光部材１００ｆの第１面１０７ａと平行となり、虚像光学系２ｇのシースルー性をより高めることが可能になる。また、虚像光学系２ｇのシースルー性を確保するために、導光部材１００ｆと光学部材１０８とを、同一の材料（すなわち、同じ屈折率）で作られていることが望ましい。
【０１２０】
ここで、図１６を参照しながら、前面１０９に対する第４面１１０ａの角度θ’を、上述した角度θとし、かつ、導光部材１００ｆと光学部材１０８とが、同一の材料（すなわち、同じ屈折率）で作られている場合において、虚像光学系２ｇの外部から光学部材１０８に入射した光線の挙動について説明する。なお、図１６では、説明を簡便にするため、光学部材１０８の前面１０９に対して垂直な光線６４１が光学部材１０８に入射した場合の挙動について説明する。
【０１２１】
図１６に示すように、虚像光学系２ｇの外部から、前面１０９に対して垂直な光線６４１が、前面１０９から光学部材１０８内に入射し、光学部材１０８の第４面１１０ａに達したものとする。ここで、光学ガラス等で形成された光学部材１０８の屈折率と、エアギャップ３、すなわち、空気の屈折率とは異なるので、光線６４１は、第４面１１０ａにおいてスネルの法則に基づき屈折されて、光線６４２となる。光線６４２は、エアギャップ３を進行して、導光部材１００ｆの第１面１０７ａに達する。ここで、エアギャップ３、すなわち、空気の屈折率と、導光部材１００ｆの屈折率（＝光学部材１０８の屈折率）とは異なるので、光線６４２は、第１面１０７ａにおいてスネルの法則に基づき屈折されて、光線６４３となる。光線６４３は、導光部材１００ｆ内を進行して、光線射出部１０５から射出され、眼５００に入る。この場合、上述のように、光学部材１０８の屈折率と、導光部材１００ｆの屈折率とは同一なので、光線６４１と光線６４３とは平行な光線となる。これによって、虚像光学系２ｇのシースルー性が確保される。
【０１２２】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る虚像表示装置について、第１の実施の形態に係る虚像表示装置１と相違する点を中心に説明する。第１の実施の形態では、導光部１０３により導光された画像光を、直接、取り出し部１０４で取り出して、光線射出部１０５から射出させる構成について説明した。本実施の形態では、導光部１０３により導光された画像光を再帰反射部により反射させ、再帰光を取り出し部１０４によって取り出して、光線射出部１０５から射出させる構成について説明する。
【０１２３】
＜虚像表示装置の全体構成＞
図１７は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図１７を参照しながら、本実施の形態に係る虚像表示装置１ｈの全体構成について説明する。
【０１２４】
図１７に示すように、本実施の形態に係る虚像表示装置１ｈは、虚像光学系２ｈと、画像表示素子４００と、を有する。
【０１２５】
虚像光学系２ｈは、画像表示素子４００から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系３００を介して、導光部材１００ｈに導光させ、光線射出部１０５から人間の眼５００に向けて出射させる光学系である。虚像光学系２ｈは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｈと、を有する。
【０１２６】
導光部材１００ｈは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼５００に射出させるライトガイドである。導光部材１００ｈは、光線入射部１０１と、反射部１０２と、導光部１０３と、取り出し部１０４ｈと、光線射出部１０５と、再帰反射部１０６と、を有する。なお、光線入射部１０１、反射部１０２、導光部１０３、および光線射出部１０５の構成および機能は、上述の第１の実施の形態で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
【０１２７】
取り出し部１０４ｈは、導光部１０３により導光された光線を、導光部材１００ｈの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。取り出し部１０４ｈの詳細は、図１８で後述する。
【０１２８】
再帰反射部１０６は、図１７に示すように、導光部１０３とは反対側の取り出し部１０４ｈの端部に形成され、導光部１０３により導光された光線を反射して進行方向を反転させる部位である。以下、再帰反射部１０６により反射された光を「再帰光」と称する場合がある。再帰反射部１０６の詳細は、図１９〜図２１で後述する。
【０１２９】
＜取り出し部および光線射出部について＞
図１８は、第３の実施の形態に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図１８を参照しながら、導光部材１００ｈの取り出し部１０４ｈおよび光線射出部１０５について説明する。
【０１３０】
図１８に示すように、導光部材１００ｈの取り出し部１０４ｈは、光線射出部１０５の面（後面）に対して所定の角度（例えば、角度θ）に傾斜した第１面１０７ａと、第１面１０７ａに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に対して垂直に光線射出部１０５に向かって形成された第３面１０７ｃと、第３面１０７ｃに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に平行な第２面１０７ｂと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第１面１０７ａおよび第３面１０７ｃは、第２面１０７ｂに対して突起するように形成されている。また、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されている。また、第１面１０７ａ、第２面１０７ｂおよび第３面１０７ｃは、取り出し部１０４ｈにおいて、それぞれ少なくとも１以上が形成されている。
【０１３１】
第１面１０７ａは、導光部材１００ｈの内部に入射して導光され、再帰反射部１０６により反射された再帰光を、光線射出部１０５に向かう方向に反射することによって、光線射出部１０５から射出させる機能を担う平面である。第１面１０７ａの光線射出部１０５に対する傾斜角は、上述した光線入射部１０１と反射部１０２とがなす角度θと同一であり、例えば、２０度〜３５度の範囲に設定することが好ましい。このように、第１面１０７ａの傾斜角を、光線入射部１０１と反射部１０２とがなす角度θと同一とすることによって、コリメート光学系３００の配置の調整等が容易となる。また、第１面１０７ａには、第１の実施の形態と同様の反射コートが施されている。
【０１３２】
第２面１０７ｂは、導光部材１００ｈの内部に入射して、導光部１０３を導光された画像光を、さらに再帰反射部１０６へ向かう方向に導光させるための反射面としての機能を担う面である。また、第２面１０７ｂは、光線射出部１０５の面（後面）と平行な平面となっている。これによって、導光部材１００ｈの前面および後面からの外部の光を透過させる透過面として機能するので、シースルー性が確保される。
【０１３３】
また、取り出し部１０４ｈに形成された複数の第１面１０７ａの間隔は、導光部１０３から再帰反射部１０６へ向かう方向に密から粗となるように形成されることが望ましい。第１面１０７ａによる反射対象となる光線は、上述のように再帰反射部１０６で反射された再帰光であるので、再帰反射部１０６で反射されたばかりの再帰光は、まだ、第１面１０７ａにより反射されておらず、再帰反射部１０６近傍の再帰光の光量は大きい。したがって、再帰反射部１０６近傍の第１面１０７ａでは、再帰光の光線が反射される確率が高い。一方、再帰反射部１０６から離れた、すなわち、導光部１０３に近い第１面１０７ａでは、再帰反射部１０６に反射された再帰光のうち多くは、再帰反射部１０６近傍の第１面１０７ａによって反射され光線射出部１０５から射出されているので、再帰反射部１０６から離れた場所の再帰光の光量は小さい。したがって、再帰反射部１０６から離れた第１面１０７ａでは、再帰光の光線が反射される確率が、再帰反射部１０６近傍の第１面１０７ａよりも低い。よって、上述のように、第１面１０７ａの間隔を、導光部１０３から再帰反射部１０６へ向かう方向に密から粗となるように形成することによって、再帰光がバランスよく第１面１０７ａによって反射され、光線射出部１０５から射出されるので、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
【０１３４】
なお、上述のように、第１面１０７ａの間隔を、導光部１０３から再帰反射部１０６へ向かう方向に密から粗となるように形成するものとしたが、これに限定されるものではなく、複数の第１面１０７ａの間隔のうち、少なくとも１つの間隔が異なる長さであるものとしてもよい。すなわち、導光部１０３で導光される画像光の性質によって、第１面１０７ａのそれぞれの間隔を設定することによって、光量ムラの少ない虚像を形成することができる。
【０１３５】
＜再帰反射部について＞
図１９は、再帰反射部が設けられていない導光部材における光線の発散動作を説明する図である。図２０は、第３の実施の形態に係る虚像表示装置の導光部材の再帰光の収束動作を説明する図である。図２１は、再帰反射部での光線の反射動作を説明する図である。図１９〜図２１を参照しながら、導光部材１００ｈの再帰反射部１０６について説明する。
【０１３６】
図２０に示すように、再帰反射部１０６は、導光部１０３とは反対側の取り出し部１０４ｈの端部に形成された部位であり、導光部材１００ｈの一の側面に対して角度θｓで傾斜する第１傾斜面１０６ａと、第１傾斜面１０６ａに対して角度θｐで傾斜する第２傾斜面１０６ｂと、が連続して形成された部位である。すなわち、再帰反射部１０６は、導光部１０３とは反対側の取り出し部１０４ｈの端部に、複数の屋根形の形状物（全反射面）が連続して形成された部位である。第１傾斜面１０６ａおよび第２傾斜面１０６ｂは、互いに略等しい形状および面積を有する平面である。
【０１３７】
また、導光部材１００ｈの側面と第１傾斜面１０６ａとのなす角度θｓは、１３５度であり、第１傾斜面１０６ａと第２傾斜面１０６ｂとのなす角度θｐは、９０度となるように形成されている。したがって、再帰反射部１０６は、頂角が９０度である屋根形の複数の形状物（全反射面）で構成されている。
【０１３８】
再帰反射部１０６に到達した画像光を良好に反射させるために、第１傾斜面１０６ａおよび第２傾斜面１０６ｂには、反射率の高い反射コートを施すことが好ましい。また、この反射コートの反射率は、７０％以上であることが望ましい。
【０１３９】
次に、導光部材内で導光される画像光の進行状態の詳細について、図１９〜図２１を参照しながら説明する。図１９では、再帰反射部１０６が設けられていない参考例としての導光部材に画像光が入射されている状態を示している。この参考例としての導光部材は、再帰反射部１０６を有しない点、および、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａが逆向き、すなわち、光線入射部１０１と対向する向きに形成されている点で、本実施の形態の導光部材１００ｈの構成とは異なっている。
【０１４０】
画像表示素子４００から出射された画像光は、コリメート光学系３００を通過することにより平行光とされた状態で、図１９に示すように、導光部材の光線入射部１０１から入射して、導光部材内を進行する。光線入射部１０１から入射した画像光は、導光部材内を全反射することにより、図１９に示すように、発散光となって導光部材内を進行する。この画像光の発散の度合いは、導光部材内を進行した光になるほど顕著になる。したがって、導光部材内を進行する画像光は、垂直視野方向に広がって進行する。
【０１４１】
図１９に示す導光部材では、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａから画像光を取り出そうとすると、発散光のまま取り出すことになるので、光線射出部１０５から射出されユーザの眼に入ってゆく画像光は、垂直視野方向に発散するものとなる。このため、発散角度の大きい画像周辺部等の画像光がユーザの眼に入らず、観察される虚像が欠けることになる。
【０１４２】
次に、本実施の形態の導光部材１００ｈ内で画像光が導光される状態を図２０および図２１に示す。ここで、図２０は、導光部材１００ｈの前面側（正面）から表した図であり、図２１は、再帰反射部１０６における画像光の反射動作を説明するために再帰反射部１０６を拡大して示した図である。また、図２０および図２１では、説明を簡潔にするため、画像表示素子４００から出射された１本の光線６６０のみを抽出して示している。
【０１４３】
画像表示素子４００から出射された画像光は、コリメート光学系３００を通過して平行光とされた状態で、図２０に示すように、導光部材１００ｈの光線入射部１０１から入射して導光部材１００ｈ内を進行する。導光部材１００ｈの光線入射部１０１から入射した画像光（光線６６０）は、導光部材１００ｈ内を全反射することにより、発散光となって導光部材１００ｈ内を進行する。すなわち、光線入射部１０１から入射した画像光は、再帰反射部１０６に達するまでは、図１９で上述した例と同様に、発散光として導光部材１００ｈ内を進行する。
【０１４４】
そして、導光部材１００ｈ内を進行する画像光は、再帰反射部１０６で反射することにより、進行方向すなわち導光する方向が反転する。ここで、画像光（光線６６０）は、図２１に示すように、再帰反射部１０６を構成する第１傾斜面１０６ａおよび第２傾斜面１０６ｂの両面で反射して、前面側から見た入射光と反射光（再帰光）とが平行になると共に、収束光となって導光部材１００ｈ内を、反射前とは逆方向に進行する。さらに、再帰光は、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａで反射して、収束光として光線射出部１０５から射出され、ユーザの眼５００の方向に導かれる。このように、本実施の形態の導光部材１００ｈによれば、画像光が収束光として射出され、ユーザの眼５００に導かれるので、広角でも虚像が欠けずに良好に観察することができる。
【０１４５】
＜光線入射部に入射する光束および画像光の光路について＞
次に、図１７を参照しながら、本実施の形態の導光部材１００ｈに入射する画像光の光束、および、画像光の光路について説明する。
【０１４６】
図１７では、画像表示素子４００の中心から出射した画像光が、導光部材１００ｈ内で導光される状態を示している。図１７に示す光線のうち、実線の光線が、最初に当たるミラーである反射ミラー２０１を透過した画像光の光線である。すなわち、実線の光線の光路は、反射光学系２００がない場合と同等の光路を示している。例えば、図１７に示す実線の光線のうち、光線６５１は、反射ミラー２０１を透過して、光線入射部１０１から入射して、反射部１０２により反射されて、光線６５２となる。光線６５２は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、再帰反射部１０６に達し、再帰反射部１０６により進行方向が反転されて、再帰光である光線６５３となる。そして、光線６５３は、取り出し部１０４ｈに達し、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａ（図１８参照）による反射により取り出されて光線６５４となる。光線６５４は、光線射出部１０５から導光部材１００ｈの外部の眼５００の方向に射出される。
【０１４７】
また、図１７に示す光線のうち、破線の光線が、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射された画像光の光線である。例えば、図１７に示す破線の光線のうち、光線６５６は、反射ミラー２０１により反射され、その後、反射ミラー２０２により反射されて、光線入射部１０１から入射し、反射部１０２により反射されて光線６５７となる。光線６５７は、導光部１０３内で全反射を繰り返しながら導光され、再帰反射部１０６に達し、再帰反射部１０６により進行方向が反転されて、再帰光である光線６５８となる。そして、光線６５８は、取り出し部１０４ｈに達し、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａ（図１８参照）による反射により取り出されて光線６５９となる。光線６５９は、光線射出部１０５から導光部材１００ｈの外部の眼５００の方向に射出される。
【０１４８】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４ｈに当たる再帰光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４ｈに当たる再帰光の光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光（再帰光）の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４ｈの第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【０１４９】
＜第３の実施の形態の変形例１＞
図２２および図２３を参照しながら、本実施の形態の変形例１に係る虚像表示装置１ｉについて説明する。
【０１５０】
＜＜虚像表示装置の全体構成＞＞
図２２は、第３の実施の形態の変形例１に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図２２を参照しながら、本変形例に係る虚像表示装置１ｉの全体構成について説明する。
【０１５１】
図２２に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ｉは、虚像光学系２ｉと、画像表示素子４００と、を有する。
【０１５２】
虚像光学系２ｉは、画像表示素子４００から出射される画像情報を含む画像光を、コリメート光学系３００を介して、導光部材１００ｉに導光させ、光線射出部１０５から人間の眼５００に向けて出射させる光学系である。虚像光学系２ｉは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｉと、を有する。
【０１５３】
導光部材１００ｉは、光線入射部１０１と、反射部１０２と、導光部１０３と、取り出し部１０４ｉと、光線射出部１０５と、再帰反射部１０６と、を有する。なお、光線入射部１０１、反射部１０２、導光部１０３、光線射出部１０５、および再帰反射部１０６の構成および機能は、上述の第３の実施の形態の図１７で説明した構成および機能とそれぞれ同様である。
【０１５４】
取り出し部１０４ｉは、導光部１０３により導光された光線を、導光部材１００ｉの外側に取り出すために反射させる前面側の部位である。取り出し部１０４ｉの詳細は、図２３で後述する。
【０１５５】
＜＜取り出し部および光線射出部について＞＞
図２３は、第３の実施の形態の変形例１に係る虚像光学系の導光部材の取り出し部の拡大図である。図２３を参照しながら、導光部材１００ｉの取り出し部１０４ｉおよび光線射出部１０５について説明する。
【０１５６】
図２３に示すように、導光部材１００ｉの取り出し部１０４ｉは、光線射出部１０５の面（後面）に対して所定の角度（例えば、角度θ）に傾斜した第１面１０７ａと、第１面１０７ａに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に平行な第２面１０７ｂと、第２面１０７ｂに対して導光方向に連続し、かつ、光線射出部１０５の面に対して垂直に光線射出部１０５に向かって形成された第３面１０７ｃと、が繰り返し並んで形成されている。すなわち、第１面１０７ａおよび第３面１０７ｃは、第２面１０７ｂに対して凹陥するように形成されている。また、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されている。また、第１面１０７ａ、第２面１０７ｂおよび第３面１０７ｃは、取り出し部１０４ｉにおいて、それぞれ少なくとも１以上が形成されている。このような取り出し部１０４ｉの構成によって、第３の実施の形態の取り出し部１０４ｈと同様に、第１面１０７ａにおける反射によって再帰光を取り出し、光線射出部１０５から射出させることができる。
【０１５７】
なお、複数の第２面１０７ｂは、同一平面上に形成されているものとしたが、必ずしもすべての第２面１０７ｂが同一平面上に形成される必要はない。
【０１５８】
また、第３面１０７ｃは、光線射出部１０５の面に対して垂直に形成されるものとしているが、必ずしも垂直である必要はなく、第１面１０７ａから、光線射出部１０５と離れる方向に向かって形成されているものとすればよい。
【０１５９】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４ｉに当たる再帰光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４ｉに当たる再帰光の光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４ｉの第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光（再帰光）の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４ｉの第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【０１６０】
＜第３の実施の形態の変形例２＞
図２４は、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置の全体構成の一例を示す図である。図２４を参照しながら、本実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置１ｊについて説明する。
【０１６１】
図２４に示すように、本変形例に係る虚像表示装置１ｊは、虚像光学系２ｊと、画像表示素子４００と、を有する。虚像光学系２ｊは、コリメート光学系３００と、反射光学系２００と、導光部材１００ｊと、を有する。本変形例では、画像表示素子４００、コリメート光学系３００および反射光学系２００が、第３の実施の形態の変形例１の導光部材１００ｉの光線入射部１０１に相当する面１０１ｊ（後述）側ではなく、導光部材１００ｉの反射部１０２に相当する光線入射部１０２ｊ（後述）側に配置されている。
【０１６２】
導光部材１００ｊは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅を太くされた画像光を導光して、人間の眼５００に射出させるライトガイドである。導光部材１００ｊは、面１０１ｊと、光線入射部１０２ｊと、導光部１０３と、取り出し部１０４ｊと、光線射出部１０５と、再帰反射部１０６と、を有する。なお、導光部１０３、取り出し部１０４ｊ、光線射出部１０５および再帰反射部１０６の構成および機能は、上述の第３の実施の形態の変形例１で説明した導光部１０３、取り出し部１０４ｉ、光線射出部１０５および再帰反射部１０６の構成および機能とそれぞれ同様である。
【０１６３】
面１０１ｊは、第３の実施の形態の変形例１の導光部材１００ｉの光線入射部１０１とは異なり、コリメート光学系３００からの画像光が入射されず、後述するように、光線入射部１０２ｊから入射した画像光を全反射させる面である。
【０１６４】
光線入射部１０２ｊは、コリメート光学系３００により平行化され、反射光学系２００により光束の幅が太くされた画像光が入射する部位（面）である。光線入射部１０２ｊは、図２４に示すように、面１０１ｊに対して、角度２θの面となるように形成されている。このように角度２θで形成されている点は、上述の第１の実施の形態の変形例３で説明した内容と同様である。
【０１６５】
このように、反射光学系２００がない場合の光線と同等の実線の光線の光束に対して、反射光学系２００により分岐された破線の光線の光束が加わるため、取り出し部１０４ｊに当たる再帰光の光束が多くなり、眼５００に入る光線の頻度も高くなる。また、画像表示素子４００の他の位置から出射される画像光も同様に、反射光学系２００により分岐されるため、取り出し部１０４ｊに当たる再帰光の光束が多くなる。すなわち、取り出し部１０４ｊの第１面１０７ａの位置によっては当たりにくかった画像光（再帰光）の光線が、反射光学系２００によって画像光の光束の幅が太くなるため、取り出し部１０４ｊの第１面１０７ａに当たりやすくなる。したがって、虚像の表示領域において、第１面１０７ａに当たらずに眼５００に光が導かれなかったことによる虚像の隙間の発生を抑制することができ、良好な虚像を形成することができる。
【０１６６】
なお、反射光学系２００、コリメート光学系３００および画像表示素子４００を、本変形例のように、光線入射部１０２ｊ側に設けるか、または、第３の実施の形態の変形例１のように導光部材１００の光線入射部１０１側に設けるかによって、虚像表示装置としての性能の差異は特になく、虚像表示装置の構成の違いに伴い、いずれかを選択するものとすればよい。
【実施例】
【０１６７】
図２５は、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置の構成のうち反射光学系がない場合の網膜上の照度分布を示す図である。図２６は、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像表示装置における網膜上の照度分布を示す図である。すなわち、図２５（ａ）および図２５（ｂ）は、図２４に示す虚像表示装置１ｊの構成のうち、画像表示素子４００から出射される画像光を、反射光学系２００を介さないで、導光部材１００ｊの光線入射部１０２ｊに入射させた場合の網膜上での照度分布のシミュレーション結果を示す。また、図２６（ａ）および図２６（ｂ）は、図２４に示す虚像表示装置１ｊの構成において、画像表示素子４００から出射される画像光を、反射光学系２００を介して、導光部材１００ｊの光線入射部１０２ｊに入射させた場合の網膜上での照度分布のシミュレーション結果を示す。本実施例には、第３の実施の形態の変形例２に係る虚像光学系２ｊについての寸法、角度および屈折率等を、以下の数値に設定した。
【０１６８】
・画像表示素子４００
・表示領域：５．１ｍｍ×２．９ｍｍ
・コリメート光学系３００
・水平視野角：４０度
・垂直視野角：２３度
・コリメートレンズ焦点距離：７．５ｍｍ
・ＦＮＯ：３．７
・反射光学系２００
・ミラー間距離：２．４ｍｍ
・導光部材１００ｊ
・屈折率（Ｎｄ）：１．５３（材質：プラスチック）
・肉厚：４ｍｍ
・長さ：５０ｍｍ
・幅：３３ｍｍ
・取り出し部１０４ｊ
・斜面部（第１面１０７ａ）：０．１ｍｍ
・寸法（第２面１０７ｂ）：１．１ｍｍ
・間隔：１．３ｍｍ
・角度：３１．５度
【０１６９】
ユーザは、網膜上の照度分布に対応した虚像を観察することになる。図２５および図２６を比較すると明らかなように、反射光学系２００を介さない図２５では、明らかに虚像の隙間が認められるが、反射光学系２００を介した図２６では、隙間が低減されていることが分かる。
【符号の説明】
【０１７０】
１、１ａ〜１ｄ、１ｆ〜１ｊ  虚像表示装置
２、２ａ〜２ｄ、２ｆ〜２ｊ  虚像光学系
３  エアギャップ
１００、１００ｃ、１００ｄ、１００ｆ、１００ｈ〜１００ｊ  導光部材
１０１  光線入射部
１０１ｃ、１０１ｊ  面
１０２  反射部
１０２ｃ、１０２ｊ  光線入射部
１０３  導光部
１０４、１０４ｄ、１０４ｆ、１０４ｈ〜１０４ｊ  取り出し部
１０５  光線射出部
１０６  再帰反射部
１０６ａ  第１傾斜面
１０６ｂ  第２傾斜面
１０７ａ  第１面
１０７ｂ  第２面
１０７ｃ  第３面
１０８  光学部材
１０９  前面
１１０ａ  第４面
１１０ｂ  第５面
２００、２００ａ、２００ｅ  反射光学系
２０１、２０１ｅ  反射ミラー
２０２、２０２ｅ  反射ミラー
２０３ｅ  反射ミラー
２１１  プリズム
２１１ａ  反射面
２１２  プリズム
２１２ａ  反射面
２１３  光学部材
３００  コリメート光学系
４００  画像表示素子
５００  眼
６０１〜６０３、６０６〜６０８  光線
６１１〜６１３  光線
６２１、６２２、６２６、６２７  光線
６３１〜６３３、６３６〜６３８  光線
６４１〜６４３  光線
６５１〜６５４、６５６〜６５９  光線
６６０  光線
７００  フレーム部
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１７１】
【特許文献１】特許第５６９８２９７号公報
【特許文献２】特許第５４２１２８５号公報
【特許文献３】特許第５７０３８７５号公報
【図１】
2018132603.tif 000003
【図２】
2018132603.tif 000004
【図３】
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【図４】
2018132603.tif 000006
【図５】
2018132603.tif 000007
【図６】
2018132603.tif 000008
【図７】
2018132603.tif 000009
【図８】
2018132603.tif 000010
【図９】
2018132603.tif 000011
【図１０】
2018132603.tif 000012
【図１１】
2018132603.tif 000013
【図１２】
2018132603.tif 000014
【図１３】
2018132603.tif 000015
【図１４】
2018132603.tif 000016
【図１５】
2018132603.tif 000017
【図１６】
2018132603.tif 000018
【図１７】
2018132603.tif 000019
【図１８】
2018132603.tif 000020
【図１９】
2018132603.tif 000021
【図２０】
2018132603.tif 000022
【図２１】
2018132603.tif 000023
【図２２】
2018132603.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2018132603.tif 000026
【図２５】
2018132603.tif 000027
【図２６】
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