(57)【要約】【課題】広画角・高性能であり、かつ、小型軽量な虚像表示装置を提供すること。【解決手段】導光部材１０が３面以上の非軸対称な曲面を含む４面以上の曲面（図１の場合、第１面Ｓ１１〜第４面Ｓ１４）を有することで、十分な収差の補正が可能になり、広画角で高性能な映像の表示ができる。また、導光部材１０の内部において、計４回の映像光ＧＬの反射がなされることで、小さな光学系であっても十分な光路長が確保できるので、装置全体を小型で軽量なものとすることができる。また、中間像を形成しない発散型の光路で観察者に拡大表示させるものとなっており、中間像を形成させる場合に比べて光学の設計が容易となる。【選択図】図２
2015106012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像光を生じさせる映像素子と、
３面以上の非軸対称な曲面を含む４面以上の曲面を有する導光部材とを備え、
前記映像素子から射出され前記導光部材を経た映像光を、発散型の光路で観察者に拡大表示させる虚像表示装置であって、
前記導光部材は、前記４面以上の曲面として、第１面、第２面及び第３面の少なくとも３つの面を含み、前記導光部材の内部でそれぞれ異なる４つの面により４回の映像光の反射がなされ、当該４回の反射のうち第２回目の反射として前記第３面で全反射がなされ、第３回目の反射として前記第１面で全反射がなされ、第４回目の反射として前記第２面で反射がなされた後、前記第１面を透過して、観察者の眼に到達する、虚像表示装置。
【請求項２】
前記導光部材は、前記４面以上の曲面として、第４面をさらに含み、映像素子から発した映像光が、前記第３面に入射し、前記第４面で反射された後、前記第３面で全反射される、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
前記導光部材は、前記４面以上の曲面として、第４面と第５面とをさらに含み、映像素子から発した映像光が、前記第５面に入射し、前記第４面で反射された後、前記第３面で全反射される、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記導光部材を構成する各面の原点を基準とし、接線方向に直交座標ｘとｙとを取り、ｙを所定の対称平面に直交する方向として、ｘとｙとに対し面形状ｚの表現式を多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘｍ・ｙｎの係数をＡｋｍ，ｎとして、下記（１）の条件を満足する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
−２×１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＋  Ａ１２，０  ＜  −１０−３        及び
−２×１０−１  ＜  Ａ２０，２  ＋  Ａ２２，０  ＜  −１０−３        及び
−２×１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  −１０−３    …    （１）
【請求項５】
前記多項式の係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（２）の条件を満足する、請求項４に記載の虚像表示装置。
１０−３  ＜  ｜Ａ１２，０−Ａ１０，２｜  ＜  １０−１            及び
１０−３  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−１        …    （２）
【請求項６】
前記多項式の係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（３）の条件を満足する、請求項４及び５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
−１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＜  Ａ１２，０  ＜  ０                及び
−１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＜  Ａ３２，０  ＜  ０            …    （３）
【請求項７】
前記映像素子及び前記導光部材を含む光学系全体は、所定の対称平面に対し面対称な形状をなし、
前記映像素子の長辺が、前記対称平面に直交するように配置されている、請求項１から６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記導光部材に付随して設けられ、少なくとも１面の非球面を有し、前記映像光を導光する透過光学素子をさらに備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
前記透過光学素子は、前記導光部材の光射出側に配置され、
前記透過光学素子と協働して前記映像素子及び前記導光部材を密閉した状態で保護する保護部材をさらに有する、請求項８に記載の虚像表示装置。
【請求項１０】
前記第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、前記第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１１】
前記導光部材を含む前記光学系は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項１２】
前記映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、前記信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている（特許文献１〜５参照）。
【０００３】
ＨＭＤ等の虚像表示装置については、映像光を広画角化することと、装置重量を低減することとが望まれている。特に、観察者の視軸方向の厚みを薄くし、重心を観察者に近づけることが、装着感を向上させるために重要である。
【０００４】
光学系を小型化し、重量を軽減するには、反射面を用いて光路を折り曲げることが有利であるため、プリズムを用いた様々な光学系が開発されている。その際、反射面や屈折面を非軸対称な曲面とし、その形状の自由度を活用して効果的な収差の補正を行うことが重要である。
【０００５】
例えば特許文献１と特許文献２では、プリズム内部で４回の反射を行う光学系が示されている。このタイプの光学系は、非常に簡素な構成であり、軽量化に有利であるが、最も観察者の瞳に近い面で、２回の反射を行っており、形状の自由度が少なく、光学性能が不十分である。
【０００６】
特許文献３では、プリズムの内部で４回の反射を行う光学系が示されているが、１回と３回及び２回と４回の反射が、それぞれ同一の反射面で行われており、非軸対称面の形状自由度が生かされてなく、収差の補正が不十分である。
【０００７】
さらに、特許文献４及び特許文献５では、プリズムの内部で４回の反射を行う光学系が示されているが、ともに中間像を形成するリレー光学系を成している。このため、全体の光路が長く、厚いプリズムを使用する必要があり、重量が増加している。
【０００８】
また、中間像を形成する光学系の場合、例えば映像素子等の画像を生じさせる素子を観察者の眼の位置からある程度離れた位置に配置しても広画角な映像を作り出すことができるが、その反面、光学の設計が複雑なものとなりやすく、また、例えば中間像の付近において、ゴミや気泡等がある、或いは、経年劣化により光学部材中に局所的に変色等が生じると、これらが拡大され、表示品質を劣化させる可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１９７３３６号公報
【特許文献２】特開平９−７３０４３号公報
【特許文献３】特許４０６９８１４号公報
【特許文献４】特開２００２−９０６９０号公報
【特許文献５】特開２００４−３４１３２４号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、広画角・高性能であり、かつ、小型軽量な虚像表示装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、３面以上の非軸対称な曲面を含む４面以上の曲面を有する導光部材とを備え、映像素子から射出され導光部材を経た映像光を、発散型の光路で観察者に拡大表示させる虚像表示装置であって、導光部材は、上記４面以上の曲面として、第１面、第２面及び第３面の少なくとも３つの面を含み、導光部材の内部でそれぞれ異なる４つの面により４回の映像光の反射がなされ、当該４回の反射のうち第２回目の反射として第３面で全反射され、第３回目の反射として第１面で全反射され、第４回目の反射として第２面で反射された後、第１面を透過して、観察者の眼に到達する。
【００１２】
上記虚像表示装置では、導光部材が３面以上の非軸対称な曲面を含む４面以上の曲面を有し、映像素子からの映像光を異なる４面以上の曲面で反射又は透過させることで、十分な収差の補正が可能になり、広画角で高性能な映像の表示ができる。また、導光部材の内部において、計４回の映像光の反射がなされることで、光路が折り畳まれ、小さな光学系であっても十分な光路長が確保できるので、装置全体を小型で軽量なものとすることができる。
【００１３】
本発明の具体的な側面では、映像素子から発した映像光が、第３面に入射し、第４面で反射された後、第３面で全反射される。この場合、導光部材は、４つの曲面を有し、第３面が、映像光の反射と透過の機能を兼用しているので、小型の光学系を実現している。
【００１４】
本発明の別の側面では、映像素子から発した映像光が、第５面に入射し、第４面で反射された後、第３面で全反射される。この場合、導光部材は、５つの曲面を有し、曲面形状の自由度が高いため、収差補正が有効的に成され、高性能の光学系を実現している。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、導光部材を構成する各面の原点を基準とし、接線方向に直交座標ｘとｙとを取り、ｙを所定の対称平面に直交する方向として、ｘとｙとに対し面形状ｚの表現式を多項式展開したものとするときに、第ｋ面を表す多項式の項ｘｍ・ｙｎの係数をＡｋｍ，ｎとして、下記（１）の条件を満足する。
−２×１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＋  Ａ１２，０  ＜  −１０−３        及び
−２×１０−１  ＜  Ａ２０，２  ＋  Ａ２２，０  ＜  −１０−３        及び
−２×１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  −１０−３    …    （１）
本願発明では、導光部材を構成する面のうち３面以上を自由曲面等の非軸対称な曲面とすることにより、十分な収差の補正を施すことが可能となり、高画質の光学系を得ることに成功した。この際、曲面のはたらきを基本的に特徴付けるのは、曲面の湾曲度や曲率であり、原点近傍の曲率は、主に係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２（ｋ＝１〜３）の値によって決まるので、係数Ａｋ２，０及びＡｋ０，２の値を適切に設定することが重要である。
【００１６】
条件（１）は、原点近傍における第１面、第２面、第３面の曲率との大きさを規定している。条件（１）の上限を超えると、面形状が平面に近くなり、収差の補正が困難になる。また、条件（１）の下限を超えると、曲率が強くなり過ぎ、収差の補正が難しくなるとともに、導光部材の位置が顔に近くなってしまい、装用感を損なう。条件（１）を満足することで、収差の補正を十分に行いつつ、導光部材の形状を眼の周りに沿ったものとすることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、多項式の係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（２）の条件を満足する。
１０−３  ＜  ｜Ａ１２，０−Ａ１０，２｜  ＜  １０−１            及び
１０−３  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−１        …    （２）
条件（２）は、第１面および第３面のｘ軸方向の曲率とｙ軸方向の曲率との差を規定している。条件（２）の上限を超えると、第１面と第３面で発生する非点収差が大きくなり過ぎ、収差の補正が困難になる。条件（２）の下限を超えると、第２面等の斜面で生じる非点収差を補正することができなくなり、画質が低下する。条件（２）を満足することで、例えば第２面において発生する収差を第１面および第３面において補うことが可能になる。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、多項式の係数Ａｋｍ，ｎに対し、下記（３）の条件を満足する。
−１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＜  Ａ１２，０  ＜  ０                及び
−１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＜  Ａ３２，０  ＜  ０            …    （３）
条件（３）は、第１面および第３面のｘ軸方向の曲率とｙ軸方向の曲率との大きさについて規定している。具体的には、各係数の値は、いずれも負であり、かつ、下限が設けられており、さらに、第１面および第３面のいずれにおいてもｘ軸方向の係数のほうが０に近いすなわち絶対値が小さいものとなっている。導光部材の各面のうち、第２面には、角度のついた方向から光が入射し、かつ、屈折力が大きなものとなる傾向にあるため、収差が大きくなりやすい。これに対して、第１面および第３面に関して条件（３）を満足することで、光学系全体としての収差の補正を十分なものとすることができる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、映像素子及び導光部材を含む光学系全体は、所定の対称平面に対し面対称な形状をなし、映像素子の長辺が、対称平面に直交するように配置されている。ここで、所定の対称平面とは、導光部材等の光学系における基準面等の平面を意味し、対称平面に対し面対称な形状とは、当該基準面に対して、光学系全体のうち実質的に光学的な機能を有する部分が面対称な形状となっていることを意味する。一般に、小型軽量等の要請が厳しくなると、表示画面の大きさが制限され、これに伴い表示できる情報量も制限されることになる。例えば上記の導光部材において、視認させるべき虚像について対称平面に平行な方向に関して表示範囲を大きくするには、例えば導光部材を厚くするといった装置の大型化が必要となる。これに対して、映像素子の長辺を対称平面に直交させる、言い換えると、対称平面に沿った方向に関して映像素子の幅が短くなるように配置することで、小型化の要請に応じて導光部材を薄いものに維持しつつ、多くの情報を表示可能なものとすることができる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置は、導光部材に付随して設けられ、少なくとも１面の非球面を有し映像光を導光する透過光学素子をさらに備える。この場合、透過光学素子によりさらに良好に収差を補正することができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、透過光学素子は、導光部材の光射出側に配置され、透過光学素子と協働して映像素子及び導光部材を密閉した状態で保護する保護部材をさらに有する。この場合、透過光学素子と保護部材とによって、導光部材や映像素子を露出させることなく保護し、衝撃による損傷等を低減することができる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、第２面にハーフミラーを形成し、映像光を観察者に提示するとともに、第２面の外側に光透過部材を一体的に配置し、外界光に対する視度を略０にして、外界光と映像光とを重ねて観察者に提示する。この場合、第２面越しに観察する外界光のデフォーカスや歪みを低減できる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、導光部材を含む光学系は、装着時に観察者の眼前のうち一部を覆い、眼前が覆われていない部分を存在させる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、映像素子は、画像に対応して変調された信号光を射出する信号光形成部と、信号光形成部から入射した信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態に係る虚像表示装置の外観の様子を示す正面図である。
【図２】虚像表示装置を構成する本体部分の平面視の断面図である。
【図３】虚像表示装置中の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図４】（Ａ）は、基準面に対する映像表示素子の配置の一例を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の状態において形成される画像の様子を示す図である。
【図５】実施例１の光学系を説明する図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例１の光学系の収差を説明する図である。
【図８】実施例２の光学系を説明する図である。
【図９】実施例２の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例２の光学系の収差を説明する図である。
【図１２】実施例３の光学系を説明する図である。
【図１３】実施例３の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。
【図１５】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例３の光学系の収差を説明する図である。
【図１６】実施例４の光学系を説明する図である。
【図１７】実施例４の導光部材における光学面や光路を説明する断面図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。
【図１９】（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例４の光学系の収差を説明する図である。
【図２０】実施例３の変形例の虚像表示装置を説明する図である。
【図２１】変形例の虚像表示装置を説明する図である。
【図２２】（Ａ）は、導光装置及びこれを用いた虚像表示装置のその他の別の一例について説明する斜視図であり、（Ｂ）は、正面図である。
【図２３】虚像表示装置のさらに別の一例の外観の様子を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図１等を参照しつつ、本発明に係る虚像表示装置の一実施形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１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であり、画像光（映像光）を形成する画像表示装置８０と、画像表示装置８０から射出された映像光を導光して観察者の眼前に導く導光装置２０とを一組として備える。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。虚像表示装置１００において、画像表示装置８０と、導光装置２０とは、通常観察者の左右の眼のうちのいずれか一方に設けられるが、ここでは右眼用の場合を示し、左眼用の虚像表示装置については右眼用の虚像表示装置に関して左右逆転させるだけであるので図示及び説明を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば図１に示すように、一般の眼鏡のフレームに小型の装置を取り付けたような外観を有するものとなっている。このため、虚像表示装置１００は、画像表示装置８０及び導光装置２０のほか、観察者の眼前を透視可能に覆う導光装置２０を支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方に延びるつる部分（テンプル）１０４と、枠部１０２の左右両端からテンプル１０４にかけての部分に設けられ画像表示装置８０等を覆うカバー状の外装部材１０５ｄとを備える。なお、虚像表示装置１００は、撮像動作可能な小型のカメラＣＡを側方部分に有している。
【００２８】
以下、虚像表示装置１００の外観について説明する。図示のように、虚像表示装置１００に設けた枠部１０２は、上側に配置されるフレーム１０７と下側に配置されるプロテクター１０８とを備える。枠部１０２のうち、上側のフレーム１０７は、ＸＺ面内でＵ字状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、左右の横方向（Ｘ方向）に延びる正面部１０７ａと、前後の奥行き方向（Ｚ方向）に延びる一対の側面部１０７ｂ，１０７ｃとを備える。フレーム１０７、すなわち正面部１０７ａと側面部１０７ｂ，１０７ｃとは、アルミダイカストその他の各種金属材料で形成された金属製の一体部品である。正面部１０７ａの奥行き方向（Ｚ方向）の幅は、導光装置２０の厚み又は幅よりも十分に厚いものとなっている。枠部１０２のうち下側に配置されるプロテクター１０８は、アンダーリム状の部材であり、フレーム１０７の下方に配置されて固定されている。プロテクター１０８は、折れ曲がった細長い板状の部材であり、金属材料又は樹脂材料から一体的に形成されている。
【００２９】
フレーム１０７は、導光装置２０を支持するだけでなく、導光装置２０の一部や画像表示装置８０を覆うカバー状の外装部材１０５ｄと協働して、導光装置２０や外装部材１０５ｄの内部に収納された画像表示装置８０を保護する役割を有する。なお、フレーム１０７及びプロテクター１０８は、導光装置２０の長円状の周囲部分と離間するか又は緩く接している。このため、中央の導光装置２０と、フレーム１０７及びプロテクター１０８を含む枠部１０２との間に熱膨張率の差があっても、枠部１０２内での導光装置２０の膨張が許容され、導光装置２０に歪み、変形、破損が生じることを防止できる。
【００３０】
フレーム１０７に付随して、鼻受部４０が設けられている。鼻受部４０は、観察者の鼻に当接することによって枠部１０２を支持する役割を有する。つまり、枠部１０２は、鼻に支持される鼻受部４０と耳に支持される一対のテンプル１０４とによって、観察者の顔前に配置されることになる。鼻受部４０は、枠部１０２を構成する一方のフレーム１０７の正面部１０７ａにおいて、枠部１０２を構成する他方のプロテクター１０８の中央部に挟まれるようにして、ねじ止めによって固定されている。なお、以上のように図１を参照して示す外観は、一例であり、ねじ止めによって固定される機構等のうち、例えば光学的機構として直接関与しない箇所等については、適宜設計を変更することが可能である。
【００３１】
以下、図２を参照して、画像表示装置８０と導光装置２０とに関する機能、動作等の詳細について説明する。なお、図２は、虚像表示装置１００における光学系の光軸ＡＸを含む基準面ＳＲについての断面を示すものとなっている。
【００３２】
画像表示装置８０は、照明光を射出する照明装置８１と、透過型の空間光変調装置である映像表示素子８２と、照明装置８１及び映像表示素子８２の動作を制御する駆動制御部８４とを有する。
【００３３】
画像表示装置８０の照明装置８１は、赤、緑、及び青の３色を含む光を発生する光源８１ａと、この光源からの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部８１ｂとを有する。なお、本明細書において、光束とは、光線の集まり（光線束）を意味する。映像表示素子（映像素子）８２は、例えば液晶表示デバイスで形成され、複数の画素で構成されており、照明装置８１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。駆動制御部８４は、光源駆動回路８４ａと、液晶駆動回路８４ｂとを備える。光源駆動回路８４ａは、照明装置８１に電力を供給して安定した輝度の照明光を射出させる。液晶駆動回路８４ｂは、映像表示素子（映像素子）８２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの映像光又は画像光を形成する。なお、液晶駆動回路８４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。画像表示装置８０は、照明光ＳＬを空間的に変調した映像光ＧＬを導光装置２０の光入射面に向けて射出する。なお、画像表示装置８０における投射光軸（射出光軸）を導光装置２０に対する入射側光軸ＡＸＩとする。
【００３４】
導光装置２０は、画像表示装置８０から射出された映像光ＧＬを観察者の眼ＥＹにむけて射出するプリズム型の部材であり、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とを備える。導光装置２０の一部である導光部材１０は、平面視において顔面に沿うように湾曲した円弧状の部材である。導光部材１０は、画像表示装置８０から導光装置２０の内部に入射した映像光ＧＬの導光を行う部材であり、導光における光学的な機能を有する側面すなわち映像光ＧＬを反射する或いは透過させるといった導光に寄与する主要面として、第１面Ｓ１１と、第２面Ｓ１２と、第３面Ｓ１３と、第４面Ｓ１４とを有する。このうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが連続的に隣接する。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。
【００３５】
以下、導光部材１０を構成する各面について詳しく説明する。導光部材１０において、第１面Ｓ１１は、Ｚ軸に平行な射出側光軸ＡＸＯを中心軸とする自由曲面であり、第２面Ｓ１２は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲ（図示の断面）に含まれＺ軸に対して傾斜した光軸ＡＸ１を中心軸とする自由曲面であり、第３面Ｓ１３は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれるとともにＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ２，ＡＸ３の２等分線に平行な光軸をローカルｚ軸とする自由曲面である。第４面Ｓ１４は、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに含まれるとともにＺ軸に対して傾斜した一対の光軸ＡＸ３，ＡＸ４の２等分線に平行な光軸をローカルｚ軸とするとする自由曲面である。光軸ＡＸ４の第４面Ｓ１４側の延長上には、入射側光軸ＡＸＩが配置されている。なお、以上の第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４は、水平（又は横）に延びＸＺ面に平行で光軸ＡＸ１〜ＡＸ４等が通る基準面ＳＲを挟んで、鉛直（又は縦）のＹ軸方向に関して面対称な形状を有している。なお、導光部材１０等が基準面ＳＲについて面対称な形状を有しているとは、導光部材１０等における光学的な機能を有する部分が基準面ＳＲを対称平面として面対称となっていることを意味し、例えば図１に示す領域ＤＥが導光部材１０や画像表示装置８０の光学的な機能を有する部分の範囲を示すものであるとした場合、導光部材１０や画像表示装置８０のうち局所的な領域ＤＥに示される範囲における形状が基準面ＳＲについてＹ軸方向に関して面対称なものとなっていることに相当する。言い換えると、基準面ＳＲが光学系全体の光学的な機能を有する部分に関して対称平面となっている。
【００３６】
導光部材１０のうち本体１０ｓは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより成形する。なお、本体１０ｓの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。本体１０ｓは、一体形成品とすることができる。導光部材１０は、映像光ＧＬの導波及び射出を可能にするとともに、外界光ＨＬの透視を可能にする。
【００３７】
導光部材１０において、第１面Ｓ１１は、映像光ＧＬを外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第１面Ｓ１１は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、観察者に対し凹面形状を成している。なお、第１面Ｓ１１は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。
【００３８】
第２面Ｓ１２は、本体１０ｓの表面であり、当該表面にハーフミラー層１５が付随している。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）である。ハーフミラー層（半透過反射膜）１５は、第２面Ｓ１２の全体ではなく、第２面Ｓ１２を例えばＹ軸に沿った鉛直方向や、Ｘ軸方向に沿った横方向に関して狭めた部分領域上に形成されている（図示略）。ハーフミラー層１５は、本体１０ｓの下地面のうち部分領域上に、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＨＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層１５の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。
【００３９】
第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを内面側で全反射させる全反射面として機能する。また、第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬを導光部材１０内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第３面Ｓ１３は、外部から導光部材１０に映像光ＧＬを入射させる光入射面と、導光部材１０の内部において映像光ＧＬを伝搬させる反射面としての機能を兼用している。第３面Ｓ１３は、眼ＥＹの正面に配されるものであり、第１面Ｓ１１と同様に観察者に対し凹面形状を成しており、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３とを通過させて外界光ＨＬを見たときに、視度が略０になっている。なお、第３面Ｓ１３は、本体１０ｓの表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。
【００４０】
第４面Ｓ１４は、本体１０ｓの表面上に無機材料で形成される光反射膜ＲＭを成膜することで形成され、反射面として機能する。
【００４１】
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、映像表示素子８２からの映像光を、少なくとも２回の全反射を含む第１面Ｓ１１から第４面Ｓ１４までにおける４回の反射によって導光している。また、第１面Ｓ１１から第４面Ｓ１４までの各面はいずれも自由曲面となっている。これにより、映像光ＧＬの表示と外界光ＨＬの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。
【００４２】
光透過部材５０は、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。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）であり、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。ここで、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に第２透過面Ｓ５２が配置されている。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、当該第２面Ｓ１２に対して接着層ＣＣによっ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。このうち第２透過面Ｓ５２と導光部材１０の第２面Ｓ１２とは、薄い接着層ＣＣを介しての接合によって一体化されるため、略同じ曲率の形状を有する。
【００４３】
光透過部材（補助光学ブロック）５０は、可視域で高い光透過性を示し、光透過部材５０の本体部分は、導光部材１０の本体１０ｓと略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。なお、光透過部材５０は、本体部分を導光部材１０の本体１０ｓに接合した後、接合された状態で本体１０ｓとともにハードコートによる成膜がなされて形成されるものである。つまり、光透過部材５０は、導光部材１０と同様、本体部分の表面にハードコート層２７が施されたものとなっている。第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３とは、本体部分の表面に施されたハードコート層２７によって形成される面である。
【００４４】
以下、虚像表示装置１００における映像光ＧＬ等の光路について説明する。映像表示素子（映像素子）８２から射出された映像光ＧＬは、導光部材１０に設けた正の屈折力を有する第３面Ｓ１３に入射する。
【００４５】
導光部材１０の第３面Ｓ１３に入射してこれを通過した映像光ＧＬは、発散しつつ進み、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４で反射される。
【００４６】
第４面Ｓ１４で反射された映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３に再度入射する。ここで、第３面Ｓ１３は、映像光ＧＬに対して比較的弱い正の屈折力を有するものとなっており、映像光ＧＬを全反射する。第３面Ｓ１３において全反射された映像光ＧＬは、比較的弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１に入射して全反射される。
【００４７】
第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射するが、特にハーフミラー層１５に入射した映像光ＧＬは、このハーフミラー層１５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。なお、ハーフミラー層１５は、ここで反射される映像光ＧＬに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第１面Ｓ１１は、これを通過する映像光ＧＬに対して負の屈折力を有するものとして作用する。
【００４８】
第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹの瞳又はその等価位置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、映像表示素子（映像素子）８２上に形成された画像を観察することになる。なお、映像光ＧＬは、第３面Ｓ１３に入射して第１面Ｓ１１から射出されるまでの間において、導光部材１０中で中間像を形成することなく導光される。
【００４９】
一方、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも＋Ｘ側に入射するものは、第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、導光部材１０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。同様に、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも−Ｘ側に入射するもの、すなわち、光透過部材５０に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。さらに、外界光ＨＬのうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、正負の屈折力が相殺されるとともに収差が補正される。つまり、観察者は、光透過部材５０越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光部材１０の第２面Ｓ１２と光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層ＣＣで充填されている。つまり、導光部材１０の第２面Ｓ１２や光透過部材５０の第２透過面Ｓ５２は、外界光ＨＬに対して屈折面として作用しない。
【００５０】
ただし、ハーフミラー層１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層１５の透過率に弱められる。その一方で、ハーフミラー層１５に対応する方向からは、映像光ＧＬが入射するので、観察者は、ハーフミラー層１５の方向に映像表示素子（映像素子）８２上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。
【００５１】
導光部材１０内で伝搬されて第２面Ｓ１２に入射した映像光ＧＬのうち、ハーフミラー層１５で反射されなかったものは、光透過部材５０内に入射するが、光透過部材５０に設けた不図示の反射防止部によって導光部材１０に戻ることが防止される。つまり、第２面Ｓ１２を通過した映像光ＧＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材５０側から入射してハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬは、光透過部材５０に戻されるが、光透過部材５０に設けた上述の不図示の反射防止部によって導光部材１０に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層１５で反射された外界光ＨＬが光路上に戻されて迷光となることが防止される。
【００５２】
図３は、導光部材１０中の光軸ＡＸ１〜ＡＸ４やローカル座標を説明する図である。以下の説明では、光学系の評価や表現の便宜を考慮して、観察者の眼ＥＹから画像表示装置８０の映像表示素子８２に向けて逆進方向に関して、光学面や光路を規定する。実際の光学系では、映像表示素子８２から発した光は、導光部材１０の内部を順次通り、眼ＥＹに至るのであるが、その状態では光学系の評価がやり難い。そのため、眼ＥＹの位置にある絞りを通して無限遠の光源からの光が、導光部材１０を通って映像表示素子８２に結像するものとして、評価・設計を行なっており、以下に詳述する光学系のデータもその順で表示している。なお、導光部材１０に接合されて一体として使用される光透過部材５０については、導光部材１０の形状を延長したものであり、説明を省略している。
【００５３】
図示の導光部材１０において、第１面Ｓ１１の光軸は、射出側光軸ＡＸＯと一致しており、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、全体座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と並進関係にあって、第１面Ｓ１１上に原点を有する。つまり、ローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯ上にあって進行方向（光線の逆進方向）となっており、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。以後の各面においても、ローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。
【００５４】
第２面Ｓ１２の光軸は、射出側光軸ＡＸＯに対して適宜傾けられたものとなっており、第２面Ｓ１２のローカル座標は、全体座標に対してＹ軸の周りに適宜回転するとともに並進したものとなっており、第２面Ｓ１２上に原点を有する。第２面Ｓ１２のローカル座標のｚ方向は、射出側光軸ＡＸＯと、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１との中間方向になっている。
【００５５】
第３面Ｓ１３のローカル座標の原点は、この第３面Ｓ１３上にある。また、第３面Ｓ１３のローカル座標のｚ方向、すなわち第３面Ｓ１３の光軸は、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３との２等分線となっている。
【００５６】
以上により、第２面Ｓ１２から第１面Ｓ１１に向けての光束中心の光軸ＡＸ１と、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２との中間方向は、第１面Ｓ１１上の光束中心（光軸ＡＸ１，ＡＸ２の交点）における第１面Ｓ１１の法線方向と一致している。また、第１面Ｓ１１から第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ２と、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３との中間方向は、第３面Ｓ１３上の光束中心（光軸ＡＸ２，ＡＸ３の交点）における第３面Ｓ１３の法線方向と一致している。
【００５７】
第３面Ｓ１３から次の第４面Ｓ１４に向かう光路において、そのローカル座標は、進行方向（光線の逆進方向）に対応するものとなっている。つまり、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４にかけてのローカル座標のｚ方向は、光束中心の光軸ＡＸ３と一致しており、このローカル座標のｙ方向は、全体座標のＹ方向と平行になっている。
【００５８】
第４面Ｓ１４のローカル座標の原点は、この第４面Ｓ１４上にある。また、第４面Ｓ１４のローカル座標のｚ方向、すなわち第４面Ｓ１４の光軸は、第３面Ｓ１３から第４面Ｓ１４に向けての光束中心の光軸ＡＸ３と、第４面Ｓ１４から光入射面としての第３面Ｓ１３に向けての光束中心の光軸ＡＸ４との２等分線となっている。
【００５９】
導光部材１０の第１面Ｓ１１の形状は、第１面Ｓ１１のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ１ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝    …    （４）
ここで、Ａ１ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
ｍ，ｎは、０以上の整数
で表される。
【００６０】
導光部材１０の第２面Ｓ１２の形状は、第２面Ｓ１２のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ２ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （５）
ここで、Ａ２ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００６１】
導光部材１０の第３面Ｓ１３の形状は、第３面Ｓ１３のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ３ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （６）
ここで、Ａ３ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００６２】
本実施形態において、導光部材１０の第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３は、
−２×１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＋  Ａ１２，０  ＜  −１０−３        及び
−２×１０−１  ＜  Ａ２０，２  ＋  Ａ２２，０  ＜  −１０−３        及び
−２×１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＋  Ａ３２，０  ＜  −１０−３    …    （１）
１０−３  ＜  ｜Ａ１２，０−Ａ１０，２｜  ＜  １０−１            及び
１０−３  ＜  ｜Ａ３２，０−Ａ３０，２｜  ＜  １０−１        …    （２）
−１０−１  ＜  Ａ１０，２  ＜  Ａ１２，０  ＜  ０                及び
−１０−１  ＜  Ａ３０，２  ＜  Ａ３２，０  ＜  ０            …    （３）
の３条件を満足している。これらの３条件を満たすように第１〜第３面Ｓ１１〜Ｓ１３の形状を設定することによって、外界光ＨＬと映像光ＧＬとの双方の収差の補正が良好に行われ、優れた画質をもたらすことができる。
【００６３】
導光部材１０の第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間隔は３ｍｍ以上１５ｍｍ以下となっている。また、第１面Ｓ１１に対する第２面Ｓ１２の傾斜角が２０°以上４０°以下となっている。
【００６４】
また、導光部材１０の第４面Ｓ１４の形状は、第４面Ｓ１４のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）を利用して
ｚ＝Σ｛Ａ４ｍ，ｎ・（ｘｍ・ｙｎ）｝      …    （７）
ここで、Ａ４ｍ，ｎは、多項式展開した第ｍ・ｎ項の係数
で表される。
【００６５】
以上のように、本実施形態では、導光部材１０が、映像光ＧＬを反射する或いは透過させるといった導光に寄与する主要面として、３面以上の非軸対称な曲面を含む４面以上の曲面（図１の場合、第１面Ｓ１１〜第４面Ｓ１４の４面が非軸対称な曲面である。）を有することで、十分な収差の補正が可能になり、広画角で高性能な映像の表示ができる。また、導光部材１０の内部において、計４回の映像光ＧＬの反射がなされている。より具体的には、図１等に示す一例の場合、第１回目の反射として第４面Ｓ１４で反射がなされ、第２回目の反射として第３面Ｓ１３で全反射され、第３回目の反射として第１面Ｓ１１で全反射され、第４回目の反射として第２面Ｓ１２で反射された後、第１面を透過して、観察者の眼に到達する。これにより、小さな光学系であっても十分な光路長が確保できるので、装置全体を小型で軽量なものとすることができる。また、中間像を形成しない発散型の光路で観察者に拡大表示させるものとなっており、中間像を形成させる場合に比べて光学の設計が容易となる。
【００６６】
以下、上述した各部のうち映像素子である映像表示素子８２の構成の一例について図４を参照して説明する。図４（Ａ）は、映像表示素子８２に関する構成の一例を概念的に示す図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の構成の映像表示素子８２によって視認される虚像の様子を概念的に示す図である。なお、図４（Ａ）に示すように、映像表示素子８２は、正面視において矩形であり、ここでは、矩形の映像表示素子８２の外周のうち長手方向についての長さを長辺Ｈ１とし、短手方向についての長さを短辺Ｈ２とする。また、図４（Ａ）に示す短辺Ｈ２の延びるＸ１方向と、長辺Ｈ１の延びるＹ１方向と、Ｘ１方向及びＹ１方向に垂直なＺ１方向とは、図２を参照して分かるように、それぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に対応する方向である。なお、Ｙ１方向は、Ｙ方向に平行である。図示の例では、映像表示素子８２において、長辺Ｈ１が光学系の対称平面である基準面ＳＲに対して直交している。言い換えると、ＸＺ面に平行な基準面ＳＲに対して、映像表示素子８２の長辺Ｈ１がＹ１方向（Ｙ方向）に沿って延びるような縦長の配置となっている。この場合、図４（Ｂ）に示すように、視認される画像ＩＭも観察者の眼ＥＹの並ぶ方向に対して垂直な縦方向（Ｙ方向）の幅Ｄ１について横方向（Ｘ方向）の幅Ｄ２よりも長い縦長の形状で形成されるものとなる。一般に、装置の小型軽量等の要請が厳しくなると、映像表示素子のサイズにも制限が掛かり、表示画面の大きさすなわち画像の大きさも制限されることになる。これに伴って、表示画面に表示できる情報量も制限されることになる。特に、上記のように基準面ＳＲに平行な方向に沿って映像光ＧＬの導光を行う場合、横方向（Ｘ方向）についての制限が強くなり、横方向について表示範囲を大きくするには、例えば導光部材１０に厚みが必要となる。これに対して、本実施形態では、上記のように映像表示素子８２の長辺Ｈ１を基準面ＳＲに直交させている。言い換えると、基準面ＳＲに沿った方向に関して映像表示素子８２の幅を短くする配置となっていることで、小型化の要請に応じて導光部材１０を薄いものに維持しつつ、表示画面の大きさを確保して多くの情報を表示可能なものとすることができる。また、図４（Ｂ）に示すように、縦長の画像ＩＭを視認させた場合、より多くの文字情報等を表示させやすくなり、虚像表示装置１００を情報表示端末として機能させるのに有効となる。
【００６７】
〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像表示装置に組み込まれる導光部材の実施例について説明する。各実施例で使用する記号を以下にまとめた。
ＥＰ      ：瞳
ＦＦＳｋ  ：自由曲面（導光部材中のｋ＝面番号）
ＳＰＨ    ：球面又は平面（保護ガラス表面）
ＩＭＡＧＥ：像面  （映像素子の表面）
θ        ：各曲面の局所座標のｚ軸と全体のＺ軸との角度
Ｎｄ      ：光学材料のｄ線に対する屈折率
Ｖｄ      ：光学材料のｄ線に関するアッベ数
【００６８】
（実施例１）
実施例１の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表１に示す。ここでは、眼の位置から映像光の進行に対して逆行させた光線を追跡して、測定を行っている。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜４）は、自由曲面である第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち第ｋ面を意味する。つまり、ＦＦＳ１は、第１面Ｓ１１を意味し、ＦＦＳ２は、第２面Ｓ１２を意味し、ＦＦＳ３は、第３面Ｓ１３を意味し、ＦＦＳ４は、第４面Ｓ１４を意味する。また、記号ＥＰは、瞳の位置すなわち眼ＥＹの位置を意味する。なお、ここでは、導光部材を構成する各自由曲面に関して、瞳の位置を示す記号ＥＰを基準位置すなわち全体に対する絶対的な原点として、全体の軸であるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸についての座標（ＸＹＺ座標）によって各曲面のローカル座標の原点との相対的な位置関係を示し、また、各曲面の局所座標のｚ軸（ローカルｚ軸）と全体のＺ軸との角度を示す角度θによって各面の向きを表している。
〔表１〕
No Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  EP      0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  20.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  23.800   26.50   1.525   55.95 
4  FFS1    0.000   0.000  20.000    0.00   1.525   55.95 
5  FFS3   16.442   0.000  24.312  -15.92   1.525   55.95 
6  FFS4   19.776   0.000  19.566   10.08   1.525   55.95 
7  FFS3   16.442   0.000  24.312  -15.92         
8  SPH    20.871   0.000  23.745  -13.59   1.458   67.82 
9  IMAGE  21.153   0.000  24.911  -13.59         
【００６９】
実施例１を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表２に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。なお、表２において、記号ｍ，ｎは、係数Ａｋｍ，ｎ中の変数又は次数を意味する。また、記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜４）は、上述のように、自由曲面である第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４のうち第ｋ面を意味する。なお、各面のローカル座標については、図３に示すものに相当するため図示等を省略する。
〔表２〕
m n     FFS1        FFS2        FFS3        FFS4
2 0  -1.216E-02  -1.545E-02  -8.157E-03  -8.776E-03
0 2  -2.154E-02  -1.801E-02  -2.031E-02  -2.269E-02
3 0   5.860E-05   1.865E-04   3.684E-04   2.144E-03
1 2  -1.138E-04  -4.989E-05  -1.502E-04   4.815E-04
4 0   1.835E-05  -1.739E-05   4.592E-05   2.578E-04
2 2  -2.448E-05  -1.058E-05  -1.311E-06   9.037E-05
0 4   2.726E-05   1.822E-06   7.530E-06   1.009E-05
5 0  -1.485E-06   6.911E-07   3.290E-06  -5.592E-06
3 2  -8.809E-07   2.346E-07   4.284E-07   6.611E-06
1 4  -1.337E-06  -1.083E-06  -1.572E-06  -5.948E-06
6 0   3.496E-08  -9.389E-09   1.516E-07  -1.078E-06
4 2   3.461E-08  -7.235E-09   6.041E-08  -1.328E-06
2 4  -1.831E-07   3.073E-08  -2.111E-07  -2.688E-07
0 6   3.788E-09  -7.204E-09   8.181E-08   2.214E-07
以上の表２及び以下の表において、数値のＥ以後は１０進数の指数部を意味し、例えば「−１．２１６Ｅ−０２」とは、−１．２１６×１０−０２を意味する。
【００７０】
図５は、実施例１の虚像表示装置の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上のものだけ示している。虚像表示装置１００のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。ここで、第３面Ｓ１３は、反射面及び屈折面として機能している。具体的には、第３面Ｓ１３は、第２面Ｓ１２から逆行する光束（実際には第４面Ｓ１４からの光）に対して全反射面となっており、第４面Ｓ１４から逆行する光束（実際には映像表示素子８２からの光）に対して透過面となっている。つまり、第３面Ｓ１３は、光路の折り曲げの機能と、光束の入射に関する機能を兼ね備えている。実施例１の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１３．６°で、垂直画角が２４．０°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．１８×９．２２ｍｍで、瞳径が５．０ｍｍで、焦点距離が約２１．７ｍｍである。
【００７１】
図６（Ａ）〜６（Ｆ）及び図７（Ａ）〜７（Ｆ）は、実施例１の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図６（Ｃ）及び６（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図６（Ｅ）及び６（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図７（Ｃ）及び７（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図７（Ｅ）及び７（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００７２】
（実施例２）
実施例２の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表３に示す。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５のうち第ｋ面を意味する。なお、図８及び図９に示すように、本実施例では、導光部材１０は、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４とに隣接する第５面Ｓ１５を有している。
〔表３〕
No Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  PLANE   0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  20.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  23.800   28.00   1.525   55.95 
4  FFS1    0.000   0.000  20.000    0.00   1.525   55.95 
5  FFS3   20.951   0.000  24.378  -17.78   1.525   55.95 
6  FFS4   29.223   0.000  13.084  -19.78   1.525   55.95 
7  FFS5   34.070   0.000  14.312  -75.78         
8  PLANE  37.135   0.000  15.089  -75.78   1.458   67.82 
9  IMAGE  38.299   0.000  15.384  -75.78         
【００７３】
実施例２を構成する導光部材中の各光学面について、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表４に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。
〔表４〕
m n     FFS1        FFS2        FFS3        FFS4        FFS5
2 0  -1.166E-02  -1.040E-02  -1.025E-02  -6.611E-03   3.852E-02
0 2  -2.246E-02  -1.212E-02  -2.117E-02  -1.410E-02  -3.250E-03
3 0   4.037E-05   2.271E-04  -1.003E-04  -9.451E-04  -6.019E-03
1 2  -1.476E-04  -7.676E-05  -1.817E-04  -7.339E-04   2.510E-03
4 0   3.818E-06  -6.779E-06  -2.343E-06  -7.506E-05   3.381E-04
2 2  -1.178E-05   2.179E-05  -8.874E-06  -5.195E-05   8.523E-04
0 4  -2.213E-05  -4.541E-06  -1.588E-05  -2.891E-05   2.750E-04
5 0  -4.334E-08   2.892E-07  -9.163E-08  -3.451E-06   6.363E-05
3 2   1.438E-06  -1.081E-06  -1.960E-07  -3.434E-07   8.278E-05
1 4  -2.619E-06   4.643E-07  -6.277E-07  -6.069E-06  -2.442E-05
6 0   5.162E-10   1.444E-08  -2.654E-09  -7.572E-08  -4.376E-05
4 2  -2.188E-08   9.468E-08  -1.856E-08   5.477E-08  -2.603E-05
2 4   2.259E-07   7.496E-08  -2.385E-08  -3.116E-07  -1.548E-06
0 6   9.079E-08   1.872E-08  -2.947E-09   2.070E-08  -3.013E-06
【００７４】
図８は、実施例２の虚像表示装置の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上のものだけ示している。また、図９は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。さらに、本実施例では、既述のように、導光部材１０が第３面Ｓ１３に連続的に隣接する第５面Ｓ１５を有しているものとする。なお、図示のように、第５面Ｓ１５は、光入射面である。一方、第３面Ｓ１３は、反射面の機能のみを担っている。つまり、実施例１の第３面Ｓ１３において兼ねられていた機能が、実施例２では、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とに分担されていることになる。実施例２の光学系の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１３．６°で、垂直画角が２４．０°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．１８×９．２２ｍｍで、瞳径が５．０ｍｍで、焦点距離が約２１．７ｍｍである。
【００７５】
図１０（Ａ）〜１０（Ｆ）及び図１１（Ａ）〜１１（Ｆ）は、実施例２の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１０（Ｃ）及び１０（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１０（Ｅ）及び１０（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１１（Ｃ）及び１１（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１１（Ｅ）及び１１（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００７６】
（実施例３）
以下、実施例３の虚像表示装置について説明する。本実施例では、図１２及び図１３に示すように、導光部材１０に付随して設けられる光透過性の部材として、透過光学素子ＴＥをさらに有している。透過光学素子ＴＥは、導光部材１０の光路後段すなわち光射出面としての第１面Ｓ１１と眼ＥＹとの間に設けられ、映像光の導光に寄与する面として、第１透過面ＴＥａと、第２透過面ＴＥｂとを有しているものとする。第１透過面ＴＥａは、眼ＥＹ側の面であり、眼ＥＹに向けて光を射出する光射出面として機能する。一方、第２透過面ＴＥｂは、第１面Ｓ１１から射出された光を入射させる光入射面である。透過光学素子ＴＥを構成するこれらの面のうち、少なくとも１面が非球面（自由曲面）であることで、透過光学素子ＴＥは、通過する映像光の光路を調整して、収差の補正をすることが可能となっている。なお、第１面Ｓ１１に対向する第２透過面ＴＥｂは、第１面Ｓ１１と同一の形状を有しているものとする。
【００７７】
実施例３の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表５に示す。記号ＦＦＳｋ（ｋ＝１〜５）は、自由曲面である第１及び第２透過面ＴＥａ，ＴＥｂと、第１〜第４面Ｓ１１〜Ｓ１４とのうち第ｋ面を意味する。表５では、ＦＦＳ１は、第１透過面ＴＥａを意味し、ＦＦＳ２は、同一の形状を有する第２透過面ＴＥｂと第１面Ｓ１１との双方を意味し、ＦＦＳ３は、第２面Ｓ１２を意味し、ＦＦＳ４は、第３面Ｓ１３を意味し、ＦＦＳ５は、第４面Ｓ１４を意味する。表５において、Ｎｏ．３のＦＦＳ２は、第２透過面ＴＥｂに関する値を示し、Ｎｏ．４及びＮｏ．６のＦＦＳ２は、第１面Ｓ１１に関する値を示している。
〔表５〕
No Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  PLANE   0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  20.000    0.00   1.525   55.95 
3  FFS2    0.000   0.000  21.500    0.00         
4  FFS2    0.000   0.000  22.000    0.00   1.525   55.95 
5  FFS3    0.000   0.000  26.000   27.00   1.525   55.95 
6  FFS2    0.000   0.000  22.000    0.00   1.525   55.95 
7  FFS4   16.968   0.000  27.479  -11.83   1.525   55.95 
8  FFS5   21.137   0.000  22.362   12.17   1.525   55.95 
9  FFS4   16.968   0.000  27.479  -11.83         
10 PLANE  22.426   0.000  27.222  -14.97   1.458   67.82 
11 IMAGE  22.736   0.000  28.381  -14.97         
【００７８】
実施例３を構成する導光部材及び透過光学素子中の各光学面について、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表６に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。
〔表６〕
m n     FFS1        FFS2        FFS3        FFS4        FFS5
2 0  -1.395E-02  -7.396E-03  -1.201E-02  -8.162E-03  -1.413E-02
0 2  -2.529E-02  -1.944E-02  -1.829E-02  -1.772E-02  -1.600E-02
3 0   3.664E-04   3.042E-05   1.894E-04   1.419E-04   8.617E-04
1 2   9.239E-05  -3.655E-04  -7.439E-05  -9.157E-04  -1.633E-03
4 0  -2.261E-06   8.516E-06  -9.925E-06   2.806E-05   2.388E-04
2 2  -2.719E-04  -6.053E-05  -3.710E-05  -5.331E-05  -5.364E-05
0 4   5.962E-05   2.205E-07   4.586E-06  -1.095E-05  -6.719E-05
5 0  -1.186E-05  -8.328E-08  -8.895E-07   1.980E-06  -1.328E-06
3 2  -7.704E-06   1.224E-06   1.177E-06  -1.772E-06   2.429E-05
1 4  -2.776E-06   7.664E-07  -1.298E-06   1.040E-06   3.044E-07
6 0   5.539E-07  -9.074E-09   3.514E-08   7.478E-08  -2.139E-06
4 2   3.700E-06  -8.782E-08   7.403E-08  -1.259E-07  -3.072E-07
2 4   7.174E-07   6.110E-09   8.364E-08  -2.817E-08   1.818E-07
0 6  -1.289E-07   1.437E-07  -1.691E-09   1.115E-07   5.925E-07
【００７９】
図１２は、実施例３の虚像表示装置の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上のものだけ示している。また、図１３は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。さらに、本実施例では、既述のように、虚像表示装置１００は、第１及び第２透過面ＴＥａ，ＴＥｂを含む透過光学素子ＴＥをさらに有している。なお、透過光学素子ＴＥの各面は、表面に施されたハードコート層によって形成される面とすることができる。実施例３の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１３．６°で、垂直画角が２４．０°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．１８×９．２２ｍｍで、瞳径が５．０ｍｍで、焦点距離が約２１．７ｍｍである。
【００８０】
図１４（Ａ）〜１４（Ｆ）及び図１５（Ａ）〜１５（Ｆ）は、実施例３の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図１４（Ａ）及び１４（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１４（Ｃ）及び１４（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１４（Ｅ）及び１４（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１５（Ａ）及び１５（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１５（Ｃ）及び１５（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１５（Ｅ）及び１５（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００８１】
（実施例４）
実施例４の導光部材を構成する光学面のデータを以下の表７に示す。なお、本実施例では、図１６及び図１７に示すように、導光部材１０は、第３面Ｓ１３と第４面Ｓ１４とに隣接する第５面Ｓ１５を有している。また、虚像表示装置１００は、導光部材１０に付随して設けられる光透過性の部材として、透過光学素子ＴＥをさらに有している。
〔表７〕
No Type    X       Y       Z        θ     Nd      Vd
1  PLANE   0.000   0.000   0.000    0.00         
2  FFS1    0.000   0.000  20.000    0.00   1.5855  29.91 
3  FFS2    0.000   0.000  21.500    0.00         
4  FFS2    0.000   0.000  22.000    0.00   1.525   55.95 
5  FFS3    0.000   0.000  25.800   28.00   1.525   55.95 
6  FFS2    0.000   0.000  22.000    0.00   1.525   55.95 
7  FFS4   21.362   0.000  26.102  -18.96   1.525   55.95 
8  FFS5   29.399   0.000  14.639  -20.96   1.525   55.95 
9  FFS6   34.270   0.000  15.767  -76.96         
10 PLANE  37.318   0.000  16.472  -76.96   1.458   67.82 
11 IMAGE  38.487   0.000  16.743  -76.96         
【００８２】
実施例３を構成する導光部材及び透過光学素子中の各光学面について、自由曲面に関して多項式展開した係数Ａｋｍ，ｎを以下の表８に示す。係数Ａｋｍ，ｎは、対象とする第ｋ面を表す多項式を構成する各項ｘｍ・ｙｎの係数を意味する。
〔表８〕
m n     FFS1        FFS2        FFS3        FFS4        FFS5        FFS6
2 0  -1.170E-02  -1.302E-02  -1.033E-02  -1.054E-02  -7.507E-03   4.551E-02
0 2  -2.250E-02  -2.192E-02  -1.180E-02  -2.080E-02  -1.402E-02   1.605E-03
3 0   0.000E+00   1.108E-04   2.568E-04  -9.298E-05  -1.002E-03  -6.109E-03
1 2   0.000E+00  -9.871E-05  -3.922E-05  -1.628E-04  -7.120E-04   2.525E-03
4 0   0.000E+00   4.175E-06  -1.032E-05  -2.784E-06  -7.865E-05   4.648E-04
2 2   0.000E+00  -1.540E-05   2.557E-05  -8.728E-06  -5.395E-05   8.330E-04
0 4   0.000E+00  -2.845E-05  -1.016E-06  -1.830E-05  -3.253E-05   3.697E-04
5 0   0.000E+00  -1.687E-07   3.900E-07  -9.354E-08  -3.546E-06   6.913E-05
3 2   0.000E+00   2.286E-06  -1.452E-06  -1.700E-07  -7.857E-07   3.507E-05
1 4   0.000E+00  -2.332E-06   6.061E-07  -6.968E-07  -6.097E-06  -9.825E-06
6 0   0.000E+00   3.262E-09   1.670E-08  -2.880E-09  -7.746E-08  -4.944E-05
4 2   0.000E+00  -5.358E-08   5.229E-08  -1.556E-08   5.357E-08  -2.858E-05
2 4   0.000E+00   1.905E-07   1.634E-08  -2.405E-08  -3.170E-07  -1.062E-06
0 6   0.000E+00   1.404E-07   1.241E-08   1.609E-09   4.253E-08  -3.972E-06
【００８３】
図１６は、実施例４の虚像表示装置の断面図である。ただし、光束については、基準面ＳＲ上のものだけ示している。また、図１７は、導光部材中のローカル座標を示す図である。虚像表示装置１００のうち導光部材１０は、弱い負の屈折力を有する第１面Ｓ１１と、比較的強い正の屈折力を有する第２面Ｓ１２と、比較的弱い正の屈折力を有する第３面Ｓ１３と、負の屈折力を有する第４面Ｓ１４とを有する。さらに、本実施例では、導光部材１０が第３面Ｓ１３に連続的に隣接する第５面Ｓ１５を有しているものとする。なお、図示のように、第５面Ｓ１５は、光入射面である。一方、第３面Ｓ１３は、光路の折り曲げの機能のみを担っている。つまり、実施例１の第３面Ｓ１３において兼ねられていた機能が、実施例４では、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とに分担されていることになる。また、本実施例では、既述のように、虚像表示装置１００は、導光部材１０の光路後段すなわち光射出面としての第１面Ｓ１１と眼ＥＹとの間に透過光学素子ＴＥをさらに有している。実施例４の具体的な仕様について説明すると、水平画角が１３．６°で、垂直画角が２４．０°で、映像表示素子の表示領域の大きさが５．１８×９．２２ｍｍで、瞳径が５．０ｍｍで、焦点距離が約２１．７ｍｍである。
【００８４】
図１８（Ａ）〜１８（Ｆ）及び図１９（Ａ）〜１９（Ｆ）は、実施例４の収差を示す。各収差図において、横軸は瞳における位置を示し、縦軸は収差量をミクロン単位で示す。具体的には、図１８（Ａ）及び１８（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｃ）及び１８（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１８（Ｅ）及び１８（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に１２．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。図１９（Ａ）及び１９（Ｂ）は、Ｘ方向に６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１９（Ｃ）及び１９（Ｄ）は、Ｘ方向に０．０°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示し、図１９（Ｅ）及び１９（Ｆ）は、Ｘ方向に−６．８２°でＹ方向に０．０°の方位におけるＹ及びＸ方向の収差を示す。なお、図示の収差量は、便宜上光線を逆行させた場合の映像表示素子の像面における収差量となっている。
【００８５】
以下の表９に、各実施例１〜４について、係数Ａｋｍ，ｎに関する値から条件式（１）及び（２）に関する数値データをまとめた。なお、係数Ａｋｍ，ｎに関する値から条件式（３）についても満たされていることが分かる。
〔表９〕
2015106012.tif 000003
【００８６】
〔その他〕
以上各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。
【００８７】
上記の説明では、映像表示素子８２における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。
【００８８】
上記の説明では、実施例３及び４において、導光部材１０の光射出側に配置される透過光学素子ＴＥをさらに有するものとしているが、例えば図２０に示す実施例３の一変形例のように、透過光学素子ＴＥと協働して映像表示素子８２と導光部材１０を含む導光装置２０とを密閉した状態で保護する保護部材ＰＢを有する構造としてもよい。この場合、導光装置２０は保護部材ＰＢ等によって保護されるので、必ずしもハードコート層を施す必要がなく、例えば映像光の導光に寄与する各部材の面のうち、透過光学素子ＴＥのうち露出される面のみをハードコート層によって形成し、他の面についてはハードコート層を施さないものとすることができる。なお、図示の場合、保護部材ＰＢによって外界光が遮光された、いわゆるクローズ型（シースルーではないタイプ）の虚像表示装置となる。
【００８９】
上記の説明では、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２を用いているが、画像表示装置８０としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子８２に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置８０として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
【００９０】
上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置８０を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。
【００９１】
具体的には図２１に示すように、虚像表示装置１００は、導光装置２０と画像表示装置３８０とを備える。導光装置２０は、導光部材１０と光透過部材５０とを接合したものに相当するため、ここでは説明を省略する。画像表示装置３８０は、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光ＴＬとして射出する装置であり、信号光形成部３８１と走査光学系３８２とを有する。
【００９２】
信号光形成部３８１は、光源を備えており、不図示の制御回路からの制御信号に基づいて変調して形成した信号光ＬＬを射出する。走査光学系３８２は、信号光形成部３８１を経た信号光ＬＬを走査しつつ射出させる。ここで、走査光学系３８２は、ＭＥＭＳミラー等で構成され、信号光形成部３８１による信号光ＬＬの変調に同期させて姿勢を変化させて信号光ＬＬの光路を調整することで光線（走査光ＴＬ）の射出角度を縦横に変化させる２次元走査を行う。以上により、画像表示装置３８０は、映像光ＧＬとなるべき走査光ＴＬを導光装置２０に入射させるとともに第２面Ｓ１２のうちハーフミラー層１５が形成される部分領域の全体に対してスキャンさせる。
【００９３】
図示の虚像表示装置１００の動作について説明すると、画像表示装置３８０は、上述のようにして、信号光ＬＬを走査光ＴＬとして、導光装置２０の光入射面としての第３面Ｓ１３に向けて射出する。導光装置２０は、第３面Ｓ１３を通過した走査光ＴＬを全反射等により内部で導光させ、ハーフミラー層１５に到達させる。この際、ハーフミラー層１５の面上において走査光ＴＬが走査されることで、走査光ＴＬの軌跡としての映像光ＧＬによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼ＥＹで捉えることで、画像が認識される。
【００９４】
また、上記実施形態では、導光部材１０と補助光学ブロックである光透過部材５０とが装着者の眼ＥＹの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、例えば図２２（Ａ）及び２２（Ｂ）に示すように、ハーフミラー層１５を有する曲面形状である第２面Ｓ１２を含んだ部分が眼ＥＹの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。また、この場合、導光部材１０及び光透過部材５０を十分小さくすることで、シースルーとせず、ハーフミラー層１５に代えて全反射をするミラーを配置させた構成としても、装着者が導光部材１０及び光透過部材５０の周囲から外界を観察できる。なお、図示の場合、第２面Ｓ１２の全体又は略全体にハーフミラー層１５が形成されているが、第２面Ｓ１２の一部にのみハーフミラー層１５が形成されていてもよい。また、図２２（Ｂ）の例では、眼ＥＹの略正面にハーフミラー層１５が配置されるものとなっているが、ハーフミラー層１５を正面よりずらして配置し、視線を動かすことで映像を視認可能にするものとしてもよい。例えば、眼ＥＹの位置をやや下げる（導光部材１０及び光透過部材５０の位置をやや上げる）ものとしてもよい。この場合、例えば眼ＥＹの下半分が導光部材１０及び光透過部材５０の下から見える状態となる。
【００９５】
上記の説明では、画像を片眼視する構成にしているが、図２３に示すように、左右一対の表示装置を備える構成とすることもできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ導光装置２０及び画像表示装置８０を設けてもよい。
【００９６】
上記の説明では、ハーフミラー層１５が単なる半透過性の膜（例えば金属反射膜や誘電体多層膜）であるとしたが、ハーフミラー層１５は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。
【００９７】
上記の説明では、導光部材１０の第１面Ｓ１１及び第３面Ｓ１３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映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明の虚像表示装置１００における全反射については、第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３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、上記第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第１面Ｓ１１又は第３面Ｓ１３の全体又は一部がコートされていてもよい。
【００９８】
上記の説明では、導光部材１０等が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材１０を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、導光部材１０は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。また、図４に示す場合では、縦長の画像を視認させる構成としているが、これと異なり、横方向（Ｘ方向）を映像表示素子８２の長辺方向として横長の画像を視認させる構成とすることも可能である。例えばじっくり鑑賞する映像を表示させる用途には、横長の画像を視認させるようにするほうが良いと考えられる。横長の画像を視認させる場合に、例えば縦方向に延びる並列的に平行配置された構造とすることで、小型化の要請に応じて導光部材１０を薄いものに維持しつつ、表示画面の大きさを確保できる。
【符号の説明】
【００９９】
ＡＸ１−ＡＸ４…光軸、  ＡＸＩ…入射側光軸、  ＡＸＯ…射出側光軸、  ＥＹ…眼、  ＧＬ…映像光、  ＨＬ…外界光、  Ｓ１１−Ｓ１５…第１−第５面、  Ｓ５１−Ｓ５３…透過面、  ＳＬ…照明光、  ＳＲ…基準面（対称平面）、  １０…導光部材、  １０ｓ…本体、  １５…ハーフミラー層、  ２０…導光装置、  ５０…光透過部材、  ８０…画像表示装置、  ８１…照明装置、  ８２…映像表示素子（映像素子）、  ＯＩ…像面、  ８４…駆動制御部、  １００…虚像表示装置、  １０２…枠部、  １０４…テンプル、  １０５ｄ…外装部材、  １０７…フレーム、  １０８…プロテクター、  １５…ハーフミラー層、  ＣＣ…接着層、  Ｈ１…長辺、  Ｈ２…短辺、  ＰＢ…保護部材、  ＲＭ…光反射膜、  ＴＥ…透過光学素子
【図１】
2015106012.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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