(57)【要約】【課題】映像を良好な画質で観察可能な表示装置を提供する。【解決手段】映像光を全反射させながら伝播する導光部３３と、導光部３３に映像光を導入する光学系２４と、導光部３３内を伝播する映像光を伝播方向に亘って導光部３３の観察者側表面Ｓ９から射出させる光束取出し部３４、３６と、を備える表示装置１０において、導光部３３の観察者側表面Ｓ９と空隙５１を介して対向する窓部材５０を備える。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像光を全反射させながら伝播する導光部と、該導光部に前記映像光を導入する光学系と、前記導光部内を伝播する前記映像光を伝播方向に亘って前記導光部の観察者側表面から射出させる光束取出し部と、を備える表示装置において、
前記導光部の前記観察者側表面と空隙を介して対向する窓部材を備える、ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記空隙は、７００ｎｍ以上、１ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記窓部材は平行平板からなる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記窓部材は屈折力を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
【請求項５】
前記窓部材はＡＲ膜を備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表示装置。
【請求項６】
前記窓部材は指紋付着防止膜を備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表示装置。
【請求項７】
前記窓部材は撥水膜を備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表示装置。
【請求項８】
前記導光部の周囲において前記窓部材との間に介在された複数のスペーサを有し、
前記導光部は、前記スペーサに弾性的に押圧される、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の表示装置。
【請求項９】
前記スペーサは、前記導光部に部分的に点接触又は線接触する、ことを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１０】
前記スペーサは、前記導光部側の面粗度Ｒｖが０．６μｍ以上である、ことを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１１】
前記スペーサは金属からなる、ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の表示装置。
【請求項１２】
前記スペーサはプラスチックからなる、ことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出瞳を拡大して映像を表示する表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の表示装置として、例えば、観察者が様々な位置において映像を観察可能にするために、投影光学系の射出瞳を拡大するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の表示装置は、表示すべき映像光をライトガイドに導入し、ライトガイド内で映像光を繰り返し全反射させながら導光している。ここで、全反射とは、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に光が入るときに、入射光が境界面を透過せず、すべて反射する現象を指す。そして、ライトガイド内を映像光が導光中に、ライトガイド内に設けられた複数のビームスプリッタ面で映像光を順次反射させて、各ビームスプリッタ面で反射される映像光をライトガイドの表面から射出させている。これにより、ライトガイドの表面のほぼ全域から映像光を射出させてライトガイドに入射する映像光の射出瞳を拡大し、ライトガイドの表面の任意の位置において映像を観察可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２１８４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の開示の表示装置は、ライトガイドの表面及び裏面を空気と接触させることで、ライトガイド内に入射された映像光をライトガイドの表面及び裏面で確実に全反射させるようにしている。そのため、このような表示装置では、ライトガイドの表面や裏面に指紋等の油脂や水滴等が付着すると、その付着部分で映像光が全反射されずに一部が外部に漏れて、観察される映像に欠けが生じるなどの画質の劣化を招くことが想定される。特に、表示装置が携帯電子機器のモニタとして構成される場合、ライトガイドは、表面が露出して装置筐体に保持されることから、ライトガイドの表面にユーザの手に触れやすく、また、雨などの屋外での使用においては雨滴が付着しやすい。
【０００５】
したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明は、映像光を全反射させながら伝播する導光部と、該導光部に前記映像光を導入する光学系と、前記導光部内を伝播する前記映像光を伝播方向に亘って前記導光部の観察者側表面から射出させる光束取出し部と、を備える表示装置において、
前記導光部の前記観察者側表面と空隙を介して対向する窓部材を備える、ことを特徴とするものである。
【０００７】
前記空隙は、７００ｎｍ以上、１ｍｍ以下とするとよい。
【０００８】
前記窓部材は、平行平板とすることができる。
【０００９】
前記窓部材は、屈折力を有していてもよい。
【００１０】
前記窓部材は、ＡＲ膜を備えてもよい。
【００１１】
前記窓部材は、指紋付着防止膜を備えてもよい。
【００１２】
前記窓部材は、撥水膜を備えてもよい。
【００１３】
前記導光部の周囲において前記窓部材との間に介在された複数のスペーサを有し、
前記導光部は、前記スペーサに弾性的に押圧するとよい。
【００１４】
前記スペーサは、前記導光部に部分的に点接触又は線接触させるとよい。
【００１５】
前記スペーサは、前記導光部側の面粗度Ｒｖが０．６μｍ以上であるとよい。
【００１６】
前記スペーサは金属からなるとよい。
【００１７】
前記スペーサはプラスチックからなるとよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、映像を良好な画質で観察可能な表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施の形態に係る表示装置の斜視図である。
【図２】図１の映像投影光学系の構成を概略的に示す構成図である。
【図３】図１の瞳拡大光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。
【図４】図３の第１の伝播光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。
【図５】第１の伝播光学系の側面図である。
【図６】入射角により薄膜の分光曲線が波長方向に沿ってシフトする性質を説明するための、薄膜の波長に対する反射率を示すグラフである。
【図７】第１の偏光ビームスプリット膜の入射領域からの距離に応じた透過率を示すグラフである。
【図８】図３の第２の伝播光学系の各構成要素を離間して表示した斜視図である。
【図９】図１の窓部材である平行平板の配置を説明するための図である。
【図１０】図９の空隙と第２の導光部の入射角θとの関係を説明するための部分拡大図である。
【図１１】図１０の空隙の間隔ｄに対する入射角θでの反射率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】図９の平行平板の保持態様の一例を示す部分概要図である。
【図１３】第２実施の形態に係る表示装置の要部の構成を示す図である。
【図１４】第３実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【図１５】第４実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００２１】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る表示装置の斜視図である。図１に示す表示装置１０は、映像投影光学系１１、瞳拡大光学系１２、及び窓部材である平行平板５０を含んで構成される。本実施の形態において、映像投影光学系１１の光軸に沿った方向をｚ方向、ｚ方向に垂直且つ互いに垂直な２方向をｘ方向（第１の方向）及びｙ方向（第２の方向）とする。図１においては、上方向をｘ方向とする。また、図１において、瞳拡大光学系１２近傍においては、右斜め下方をｙ方向、左斜め下方をｚ方向とする。
【００２２】
映像投影光学系１１は、任意の映像に対応する映像光を無限遠に投影する。瞳拡大光学系１２は、映像投影光学系１１が投影する映像光を入射し、射出瞳を拡大して射出する。拡大された射出瞳の投影領域ＰＡ内の任意の位置に目を合わせることにより、観察者は映像を観察可能である。
【００２３】
次に、映像投影光学系１１の構成について説明する。映像投影光学系１１は、光源１３、照明光学系１４、透過型チャート１５、及び投影光学系１６を含んで構成される。光源１３は、光源ドライバ（図示せず）に駆動され、バッテリ（図示せず）から供給される電力を用いて、照明光としてレーザを射出する。レーザの波長は、可視光領域の波長で、例えば５３２ｎｍである。
【００２４】
照明光学系１４は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１７、第１のレンチキュラレンズ１８、第２のレンチキュラレンズ１９、第１のレンズ２０、拡散板２１及び第２のレンズ２２を含んで構成される。コリメートレンズ１７、第１のレンチキュラレンズ１８、第２のレンチキュラレンズ１９、第１のレンズ２０、拡散板２１及び第２のレンズ２２は、光学的に結合される。コリメートレンズ１７は、光源１３から射出された照明光を平行光に変換する。
【００２５】
第１のレンチキュラレンズ１８は、コリメートレンズ１７から射出される照明光の光束の幅よりも短いレンズピッチ、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍで複数のレンズ要素を有し、入射する平行光束が複数のレンズ要素にまたがって照射されるように構成される。第１のレンチキュラレンズ１８はｘ方向に屈折力を有し、平行光束に変換された照明光をｘ方向に沿って発散させる。
【００２６】
第２のレンチキュラレンズ１９は、第１のレンチキュラレンズ１８より短い焦点距離を有する。例えば、第１のレンチキュラレンズ１８及び第２のレンチキュラレンズ１９の焦点距離は、１．６ｍｍ及び０．８ｍｍである。第２のレンチキュラレンズ１９は、第１のレンチキュラレンズ１８及び第２のレンチキュラレンズ１９の後側焦点位置が実質的に一致するように配置される。また、第２のレンチキュラレンズ１９は、コリメートレンズ１７からの照明光の光束の幅よりも短いレンズピッチ、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍで複数のレンズ要素を有し、入射する平行光束が複数のレンズ要素にまたがって照射されるように構成される。第２のレンチキュラレンズ１９は、ｙ方向に屈折力を有し、ｘ方向に発散された照明光をｙ方向に沿って発散させる。ｙ方向への発散角度が第１のレンチキュラレンズ１８のｘ方向への発散角度より大きなレンチキュラレンズが、第２のレンチキュラレンズ１９として用いられる。
【００２７】
第１のレンズ２０は、第１のレンズ２０の前側焦点位置が第１のレンチキュラレンズ１８及び第２のレンチキュラレンズ１９の後側焦点位置が実質的に一致するように、配置される。第１のレンズ２０の焦点距離は、例えば５０ｍｍである。したがって、第１のレンズ２０は、第２のレンチキュラレンズ１９の複数のレンズ要素から射出した各照明光成分を、それぞれ異なる射出角度の平行光束に変換して射出する。
【００２８】
拡散板２１は、第１のレンズ２０の後側焦点位置に実質的に一致するように配置される。したがって、第１のレンズ２０から射出する複数の平行光束は、拡散板２１上に畳み込まれる態様で照射される。その結果、拡散板２１上には、ガウシアン強度分布を有するレーザが、略均一化された強度分布を有し、ｘ方向よりｙ方向の光束幅が長い矩形の照明光として照射される。拡散板２１は、拡散板駆動機構（図示せず）に駆動され、光軸ＯＸに垂直な平面に沿って振動し、スペックルの視認性を低減化する。拡散板２１は、例えば拡散角度を矩形に設計したホログラフィックディフューザであり、拡散板２１から射出する照明光を、均一な強度且つ過不足無く、後述する矩形の透過型チャート１５の全領域に照射する。
【００２９】
第２のレンズ２２は、第２のレンズ２２の前側焦点位置が拡散板２１の位置と実質的に一致するように配置される。第２のレンズ２２の焦点距離は、例えば２６ｍｍである。第２のレンズ２２は、多様な角度で入射する照明光を角度毎に集光させる。
【００３０】
透過型チャート１５は、空間光変調素子を構成するもので、第２のレンズ２２の後側焦点位置に配置される。透過型チャート１５は、例えばｘ方向に４．５ｍｍ、ｙ方向に５．６ｍｍの長さを有する矩形である。透過型チャート１５は、チャート駆動部（図示せず）により駆動され、表示装置１０で表示すべき任意の映像を形成する。透過型チャート１５の映像を構成する各画素には角度毎に集光した各平行光束が照射される。したがって、各画素を透過した光が映像光を構成する。
【００３１】
投影光学系１６は、投影光学系１６の射出瞳と拡散板２１とが光学的に共役となるように、配置される。したがって、射出瞳の形状はｘ方向よりｙ方向に長い矩形となる。投影光学系１６はたとえば焦点距離が２８ｍｍであり、透過型チャート１５を投影した映像光を無限遠に投影する。なお、投影光学系１６は、透過型チャート１５の各画素のｘ方向及びｙ方向の位置、すなわち光軸ＯＸからの物体高に応じたｘ方向及びｙ方向の角度成分を有する平行光束の群を映像光として射出する。本実施の形態においては、例えばｘ方向に±４．６°、ｙ方向に±５．７°の角度範囲で射出される。投影光学系１６が投影する映像光は、瞳拡大光学系１２に入射する。
【００３２】
次に、瞳拡大光学系１２の構成について、図３を用いて説明する。瞳拡大光学系１２は、偏光子２３、第１の伝播光学系２４、１／２波長板２５、及び第２の伝播光学系２６を含んで構成される。図３においては、説明のために、偏光子２３、第１の伝播光学系２４、１／２波長板２５、及び第２の伝播光学系２６を大きく離間させた状態で表示されるが、実際には、図１に示すように、近接して配置される。
【００３３】
偏光子２３は、投影光学系１６の射出瞳及び第１の伝播光学系２４の間に配置され、投影光学系１６からの映像光を入射して、Ｓ偏光を射出する。第１の伝播光学系２４は、後述する第１の導光部（図３において図示せず）の第２の平面（図３において図示せず）の入射領域（図３において図示せず）と投影光学系１６の射出瞳が合わさるように配置され、偏光子２３によりＳ偏光として投影される射出瞳をｘ方向に拡大して射出する（符号“Ｅｘ”参照）。１／２波長板２５は、ｘ方向に拡大された映像光の偏光面を９０°回転させる。偏光面を９０°回転させることにより、第２の伝播光学系２６の第１の偏光ビームスプリット膜（図３において図示せず）に映像光をＳ偏光で入射させることが可能である。第２の伝播光学系２６は、１／２波長板２５により偏光面が回転した映像光をｙ方向に拡大して射出する（符号“Ｅｙ”参照）。
【００３４】
次に、第１の伝播光学系２４による射出瞳の拡大機能について、第１の伝播光学系２４の構成とともに説明する。図４に示すように、第１の伝播光学系２４は、第１の導光部２７、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の入力偏向部２９、及び第１の出力偏向部３０を含んで構成される。なお、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、後述するように、第１の導光部２７に蒸着されており、互いに分離できないが、図４においては、模式的に分離して示している。
【００３５】
第１の導光部２７は、互いに平行且つ対向する第１の平面Ｓ１及び第２の平面Ｓ２を有し、透過性を有する平板である。第１の入力偏向部２９はプリズムであり、平面状の入力側接合面Ｓ３及び入力側接合面Ｓ３に対して傾斜した傾斜面Ｓ４を有する。第１の出力偏向部３０は出力側接合面Ｓ５と裏側において三角プリズムアレイが形成された三角プリズムアレイ面Ｓ６とを板面とする透過性を有する板状部材である。
【００３６】
第１の導光部２７の第１の平面Ｓ１の一部の領域には、第１の出力偏向部３０の出力側接合面Ｓ５と実質的に同じ大きさの第１の偏光ビームスプリット膜２８が蒸着により形成される。第１の平面Ｓ１における第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された領域には、透明接着剤により、出力側接合面Ｓ５において第１の出力偏向部３０が接合される。また、第１の平面Ｓ１における第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成された領域以外の領域には、透明接着剤により、入力側接合面Ｓ３において第１の入力偏向部２９が接合される。第１の導光部２７と第１の出力偏向部３０及び第１の入力偏向部２９との接合により、第１の伝播光学系２４は一体化される。以下、第１の伝播光学系２４の長手方向（図４における“ｘ方向”）において、第１の入力偏向部２９が設けられる領域を入射領域、第１の出力偏向部３０が設けられる領域を射出領域と呼ぶ（図５参照）。なお、後述するように、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、入射領域側に僅かに進入するように形成されることが好ましい。
【００３７】
一体化された第１の伝播光学系２４は平板状であり、第１の伝播光学系２４及び第１の導光部２７の長さ方向（図４における“ｘ方向”）及び幅方向（図４における“ｙ方向”）の長さＷｘ１、Ｗｙ１は、例えば６０ｍｍ、２０ｍｍである。また、第１の偏光ビームスプリット膜２８の長手方向の長さＷｘ１ｅは、例えば５０ｍｍである。また、第１の入力偏向部２９の長手方向の長さＷｘ１ｉは、例えば７ｍｍである。なお、図４に示すように、第１の入力偏向部２９は、入力側接合面Ｓ３と対向する面として、傾斜面Ｓ４以外の面を有する部位を含み得るが、第１の入力偏向部２９の長手方向の長さＷｘ１ｉは、傾斜面Ｓ４の長手方向に沿った長さである。
【００３８】
第１の偏光ビームスプリット膜２８は、実質的に垂直な方向から入射する光を透過し、斜方から入射する光の大部分を反射し、残りを透過するように設計された多層膜である。このような特性を、ローパス型またはバンドパス型の分光反射特性を有する薄膜は有し得る。
【００３９】
従来知られているように、薄膜において入射角に応じて分光曲線が波長方向にシフトする。図６に示すように、略垂直入射光に対する分光曲線（破線参照）は、斜入射光に対する分光曲線（実線参照）から、長波長側にシフトする。斜入射光に対する分光曲線と、略垂直入射光に対する分光曲線との両者のカットオフ波長に挟まれ、斜入射光に対して反射率が９５％、略垂直入射光に対して反射率が０％となるように、入射光束Ｌｘの波長及び薄膜の設定を組み合わせることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を形成可能となる。
【００４０】
また、第１の偏光ビームスプリット膜２８は、ｘ方向に沿った位置に応じて変動する斜入射光に対する透過率を有する。例えば、第１の偏光ビームスプリット膜２８の、第１の入力偏向部２９側の一端からの距離に応じて等比級数的に透過率が増加するように（図７参照）、第１の偏光ビームスプリット膜２８が形成される。蒸着によってこのような膜を形成するには、例えば蒸着源からの距離が第１の入力偏向部２９からの平面上の距離に応じて変化するように配置し、その距離の差（成膜される膜厚の差）によるそれぞれの位置において所望の反射特性をもつように予め設計することにより、成膜可能である。
【００４１】
第１の導光部２７は、例えば２ｍｍの厚み、すなわちｚ方向の長さを有する合成石英（透明媒質）が用いられる（図４参照）。第１の導光部２７に合成石英を用いることにより、第１の偏光ビームスプリット膜２８を蒸着させるときの加熱に対して耐熱性を有し、硬質であるため膜応力に対して反りにくくなる利点を有する。
【００４２】
第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２には、ＡＲ（反射防止）膜３１が形成される。ＡＲ膜３１は垂直な方向から入射する映像光の反射を抑制する。ＡＲ膜３１は、膜応力が第１の偏光ビームスプリット膜２８の膜応力とつり合うように設計され、形成される。膜応力をつりあわせることにより、第１の伝播光学系２４の歪みを抑制し、映像光の良好な伝播に寄与可能である。
【００４３】
第１の入力偏向部２９は、例えば合成石英により形成される。第１の入力偏向部２９を、第１の導光部２７と同一な材質である合成石英を用いて形成することにより、入力側接合面Ｓ３及び第１の平面Ｓ１間の界面における反射を理想的に低減可能である。
【００４４】
第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。図５に示すように、傾斜面Ｓ４の法線は、第１の導光部２７の射出領域側に延びる。したがって、入射領域において第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２に垂直に入射する光束が、第１の入力偏向部２９の内部において傾斜面Ｓ４で反射され、射出領域に向かって伝播される。入力側接合面Ｓ３及び傾斜面Ｓ４のなす頂角については、後述する。また、第１の入力偏向部２９の第１の出力偏向部３０との界面は黒色に色付けられ、入射する光束を反射すること無く、吸収する。
【００４５】
第１の出力偏向部３０は、例えば３ｍｍの厚さを有するアクリルによって形成される。第１の出力偏向部３０に形成される三角プリズムアレイは微細であり、射出成型により形成される。それゆえ、射出成型可能な透明媒体としてアクリルが例として選択される。三角プリズムアレイ面Ｓ６にはアルミが蒸着され、反射膜として機能する。本実施の形態において、第１の出力偏向部３０は、アクリルによって形成される構成であるが、アクリル樹脂に限定されない。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８のように一方向の偏光方向に特性を有する膜と平面において接合する場合、材料内部で複屈折の発生を抑制可能な材料及び成形条件を考慮することが好ましい。
【００４６】
第１の出力偏向部３０における三角プリズムアレイ面Ｓ６には、ｙ方向に延びる複数の三角プリズム３２が形成される。複数の三角プリズム３２は、ｘ方向に沿って、例えば０．９ｍｍのピッチで鋸歯状に並べられる。
【００４７】
各三角プリズム３２の、出力側接合面Ｓ５に対する各三角プリズム３２の傾斜面Ｓ７の傾斜角は、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４とは反対向き、すなわち傾斜面Ｓ７の法線は第１の導光部２７の入射領域側に延びる。また、各三角プリズム３２の傾斜角の絶対値は傾斜面Ｓ４の傾斜角と実質的に同じ、あるいは第１の入力偏向部２９、第１の導光部２７、及び第１の出力偏向部３０に採用する材料の組み合わせに応じて数度の範囲で異なる。なお、三角プリズムアレイ面Ｓ６内の隣り合うプリズムの角度差は、０．０１°（０．５分）程度以下である。
【００４８】
第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３及び傾斜面Ｓ４のなす頂角及び三角プリズム３２の傾斜角は、以下に説明するように、第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２における臨界角に基づいて定められる。
【００４９】
第１の伝播光学系２４は、映像投影光学系１１の光軸ＯＸに平行な光束Ｌｘが、第２の平面Ｓ２における入射領域に外部から垂直に入射するように配置される。入射領域に垂直に入射した当該光束Ｌｘは、第１の導光部２７から第１の入力偏向部２９に入射し、傾斜面Ｓ４により斜方に反射される。斜方に反射された光束Ｌｘは、第１の導光部２７内を透過して第２の平面Ｓ２に入射する。第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２に入射する当該光束Ｌｘが全反射するように、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３及び傾斜面Ｓ４のなす頂角及び三角プリズム３２の傾斜角が定められる。
【００５０】
したがって、第１の導光部２７内部での第２の平面Ｓ２に対する入射角度θが臨界角を超える、すなわち、θ＞臨界角＝ｓｉｎ−１（１／ｎ）（ｎは第１の導光部２７の屈折率）であることが必要である。本実施の形態においては、上述のように第１の導光部２７は合成石英によって形成されるので、臨界角は４３．６°である。
【００５１】
映像投影光学系１１から垂直に入射する物体高の光束に関して、第１の導光部２７内での第２の平面Ｓ２への入射角度θは、第１の入力偏向部２９の入力側接合面Ｓ３に対する傾斜面Ｓ４の傾斜角度の倍角なので、当該傾斜角度は２１．８°以上であることが必要である。本実施の形態では、当該傾斜角度は、例えば、２５．８°であって、２１．８°以上である。また、各三角プリズム３２の傾斜角度は、例えば２５°である。
【００５２】
ここで、透過型チャート１５のサイズと、投影光学系１６の焦点距離とに基づいて、第２の平面Ｓ２の入射領域に入射する光線の角度を制限可能である。例えば、入射する光線の角度を、空気側でｘ方向に±４．６°、ｙ方向に±５．７°、合成石英により形成された第１の導光部２７の媒質中でｘ方向に±３．１°、ｙ方向に３．９°の範囲内に制限することができる。このような角度に制限することにより、上述の第１の伝播光学系２４において、全ての物体高に応じた映像光の角度の光束を、第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２において全反射させることが可能である。
【００５３】
上述のように構成及び配置した第１の伝播光学系２４において、第２の平面Ｓ２の入射領域に垂直に入射した光束Ｌｘは、第１の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４で反射され、第１の導光部２７の内部で第２の平面Ｓ２の射出領域に斜方から入射する。斜方から入射した光束Ｌｘは第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射して全反射される。すなわち、光束Ｌｘは、屈折率が大きい媒質から小さい媒質に臨界角を超える入射角で入射することにより、境界面の第２の平面Ｓ２を透過せず、すべて反射される。全反射された光束Ｌｘは、第１の偏光ビームスプリット膜２８に斜方から入射し、所定の割合の光量だけ透過し、残りの光量は反射する。第１の偏光ビームスプリット膜２８で反射された光束Ｌｘは、再び第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射して全反射される。以後、第１の偏光ビームスプリット膜２８における一部反射と、第２の平面Ｓ２における全反射とを繰返しながら、光束Ｌｘは第１の導光部２７のｘ方向に伝播される。ただし、第１の偏光ビームスプリット膜２８に入射するたびに、所定の割合で透過して、第１の出力偏向部３０に入射する。
【００５４】
第１の出力偏向部３０に入射された光束Ｌｘは、三角プリズム３２の傾斜面Ｓ７の反射膜により再び第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２に垂直な方向に偏向される。垂直な方向に偏向された光束Ｌｘは、第１の偏光ビームスプリット膜２８を実質的に１００％の透過率で透過し、第２の平面Ｓ２から外部に射出される。したがって、第１の伝播光学系２４において、光束取出し部は、第１の偏光ビームスプリット膜２８及び第１の出力偏向部３０を含んで構成される。
【００５５】
１／２波長板２５（図３参照）は、第２の平面Ｓ２の射出領域と実質的に同じサイズの形状に形成される。１／２波長板２５は、第２の平面Ｓ２の射出領域と対向する位置において、空隙を介して配置される。したがって、第１の導光部２７内で第２の平面Ｓ２に斜め入射する光束は、第２の平面Ｓ２を透過すること無く、全反射が保証される。前述のように、１／２波長板２５は、第１の伝播光学系２４から射出される光束の偏光面を９０°回転させる。
【００５６】
第２の伝播光学系２６は、そのサイズ及び配置を除いて、第１の伝播光学系２４と同じ構成である。図８に示すように、第２の伝播光学系２６は、第２の導光部３３、第２の偏光ビームスプリット膜３４、第２の入力偏向部３５、及び第２の出力偏向部３６を含んで構成される。第１の伝播光学系２４と同様に、これらの構成部材は一体化された平板状であり、第２の伝播光学系２６及び第２の導光部３３の幅方向（図８における“ｘ方向”）及び長さ方向（図８における“ｙ方向”）の長さＷｘ２、Ｗｙ２は、例えば５０ｍｍ、１１０ｍｍである。また、第２の伝播光学系２６における第２の偏光ビームスプリット膜３４の長手方向の長さＷｙ２ｅは、例えば１００ｍｍである。また、第２の入力偏向部３５の長手方向の長さＷｙ２ｉは、例えば１０ｍｍである。第２の導光部３３、第２の偏光ビームスプリット膜３４、第２の入力偏向部３５、及び第２の出力偏向部３６の機能は、それぞれ第１の導光部２７、第１の偏光ビームスプリット膜２８、第１の入力偏向部２９、及び第１の出力偏向部３０と同様である。
【００５７】
第２の導光部３３は、第２の偏光ビームスプリット膜３４が蒸着される第３の平面Ｓ８及び第３の平面Ｓ８に対向する第４の平面Ｓ９を有する。第４の平面Ｓ９は、観察者側表面である。第２の伝播光学系２６は、第１の伝播光学系２４の第２の平面Ｓ２の射出領域と第２の伝播光学系２６の第４の平面Ｓ９の入射領域とが対向し、第２の伝播光学系２６を第１の伝播光学系２４に対してｚ方向に平行な直線を軸に９０°回転させた姿勢で、配置される（図３参照）。したがって、第２の伝播光学系２６において、光束取出し部は、第２の偏光ビームスプリット膜３４及び第２の出力偏向部３６を含んで構成される。そして、第２の伝播光学系２６は、第１の伝播光学系２４から射出される映像光の射出瞳をｙ方向に拡大して、第２の導光部３３の観察者側表面である第４の平面Ｓ９の投影領域ＰＡから映像光を射出する。
【００５８】
なお、第１の伝播光学系２４において、第１の導光部２７の第２の平面Ｓ２上のＡＲ膜３１は省略されてもよい。同様に、第２の伝播光学系２６において、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９上のＡＲ膜は省略されてもよい。
【００５９】
図１において、映像投影光学系１１及び瞳拡大光学系１２は、投影領域ＰＡが外部から観察可能に表示装置１０の筐体内に収納される。この場合、投影領域ＰＡすなわち第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９が外部に直接露出していると、第２の導光部３３への指紋等の付着や水滴等の付着によって、上述したように観察される映像の画質が低下することになる。そこで、本実施の形態に係る表示装置１０は、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９と対向して配置された平行平板５０を備えている。
【００６０】
平行平板５０は、窓部材を構成するもので、図９に示すように空隙５１を介して第２の導光部３３に対向して配置される。平行平板５０は、合成石英、ガラス、強化ガラス、アクリル等のプラスチック等の可視光に対して透明又は半透明の材料で、厚さは強度等を考慮して例えば１ｍｍ程度に構成される。
【００６１】
空隙５１は、空気層、窒素等の気体、あるいは真空とすることができる。空隙５１の間隔ｄ、つまり第２の導光部３３と平行平板５０との間隔ｄは、狭すぎると平行平板５０への光の染み出し（エバネッセント光）が生じて第２の導光部３３内での全反射条件での反射率が低くなり、広すぎると装置の大型化を招くことから、これらを考慮して決定するとよい。例えば、図１０に示すように、第２の導光部３３内での第４の平面Ｓ９への映像光の入射角θが５１．６°、映像光の波長が７００ｎｍ、第２の導光部３３の屈折率が１．４５、空隙５１が空気層の場合、間隔ｄによる反射率のシミュレーション結果は、図１１に示すようになる。
【００６２】
図１１から明らかなように、間隔ｄが７００ｎｍ以上であれば、Ｐ偏光及びＳ偏光ともに反射率が１００％に達することがわかる。つまり、反射率が１００％に達する間隔ｄは、波長７００ｎｍの光の１波長分以上となる。したがって、可視光の場合、波長７００ｎｍの光は、使用される最も長い波長帯域の光であるので、間隔ｄは７００ｎｍ以上あけることが望ましい。一方、間隔を広げすぎると、厚みが厚くなり、装置の大型化を招くことになるので、間隔ｄは１ｍｍ以下であることが望ましい。なお、平行平板５０は第４の平面Ｓ９と平行である必要は無い。平行でない場合、間隔ｄは平行平板５０上の位置により異なる。
【００６３】
本実施の形態に係る表示装置１０によれば、第２の導光部３３と空隙５１を介して対向して平行平板５０からなる窓部材を配置したので、第２の導光部３３の観察者側表面である第４の平面Ｓ９への手の接触による指紋等の油脂の付着や、雨などの屋外での使用の場合の雨滴等の水滴の付着を確実に防止でき、透過型チャート１５による映像を良好な画質で観察することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態において、平行平板５０は、例えば表示装置１０の筐体の窓枠部材に保持され、この平行平板５０と第２の導光部３３とが間隔ｄの空隙５１を介して対向して第２の伝播光学系２６が筐体内に固定される。
【００６５】
あるいは、平行平板５０は、例えば図１２に部分概要図を示すように、周囲の複数個所において間隔ｄの空隙５１を形成するスペーサ７０を介して第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９上に保持される。図１２において、好ましくは、スペーサ７０は、例えば真鍮等の金属や、ポリアセタール等のプラスチックにより構成して、平行平板５０側に接着等により固定する。また、スペーサ７０の第２の導光部３３側の面は、第２の導光部３３に一又は複数の点又は線で点接触又は線接触するように形成する。あるいは、スペーサ７０の第２の導光部３３側の面は、粗い面精度、例えば粗さ曲線の最大谷深さＲｖが人の目の感度の高い緑色の波長を包含する０．６μｍ以上、好ましくは可視光領域の波長を包含する０．７μｍ以上に形成する。
【００６６】
平行平板５０は、観察者側表面の周囲を、例えば装置筐体の窓枠部材７１に接着等により固定する。また、第２の伝播光学系２６の第２の出力偏向部３６と固定部材７２との間には、スプリング、板バネ、ゴム、スポンジ等の弾性部材７３を介在させて、第２の伝播光学系２６を平行平板５０側に弾性的に押圧する。これにより、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９をスペーサ７０に弾性的に押圧接触させて、第２の導光部３３の第４の平面Ｓ９と平行平板５０とを間隔ｄの空隙５１を介して対向配置する。平行平板５０は自重による変形や、観察者の指などが触れた際に大きく変形しないように、剛性率が１．０ＧＰａ以上であることが望ましい。また、スペーサ７０は、第４の平面Ｓ９に対する接触面積が小さいため、やわらかい素材であると、変形してしまい、間隔ｄが変化してしまうおそれがある。このためスペーサ７０は、ロックウェル硬度がＲ１００以上であることが望ましい。
【００６７】
このように構成すれば、スペーサ７０は、第２の導光部３３に部分的に接触することになる。したがって、スペーサ７０の第２の導光部３３と接触しない部分における第２の導光部３３との間隔を、例えば映像光の波長以上とすることで、第２の導光部３３におけるスペーサ７０の部分での映像光の反射率の低下を押さえることができる。これにより、映像の欠け等をより確実に防止でき、より良好な画質で映像を観察することが可能となる。また、第２の導光部３３の投影領域内に位置させたスペーサ７０により空隙５１を確保して平行平板５０を配置するので、第２の導光部３３及び平行平板５０の小型化も図れ、ひいては装置全体の小型化も図れる。
【００６８】
（第２実施の形態）
図１３は、本発明の第２実施の形態に係る表示装置の要部の構成を示す図である。本実施の形態に係る表示装置６０は、第１実施の形態に係る表示装置１０において、窓部材が屈折力を有するフレネルレンズ５２により構成されている。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
【００６９】
フレネルレンズ５２は、例えばアクリル等のプラスチックからなり、平面側が第２の導光部３３と対向するように、第１実施の形態で説明したと同様に保持される。また、第２の導光部３３とフレネルレンズ５２との間の空隙５１の間隔ｄは、第１実施の形態の場合と同様に、７００ｎｍ以上、１ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００７０】
本実施の形態に係る表示装置６０によると、第１実施の形態の効果に加えて、窓部材がフレネルレンズ５２により構成されているので、窓部材の厚さの増大、ひいては装置の大型化を最小限に抑えて、観察者の視度調整が可能となる利点がある。
【００７１】
（第３実施の形態）
図１４は、本発明の第３実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。本実施の形態に係る表示装置６１は、第１実施の形態に係る表示装置１０において、瞳拡大光学系１２が、偏光子２３、１／２波長板２５及び第２の伝播光学系２６を省略した第１の伝播光学系２４からなる。以下、第１実施の形態と異なる点について説明する。なお、以下の説明では、第１の伝播光学系２４を単に伝播光学系２４と称する。同様に、伝播光学系２４の構成要素についても、単に、導光部２７、偏光ビームスプリット膜２８、入力偏向部２９、及び出力偏向部３０と称する。
【００７２】
また、映像投影光学系１１は、伝播光学系２４の入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４に、映像光を外部から直接入射させる。したがって、本実施の形態において、傾斜面Ｓ４には、当然のことながら反射膜は形成されていない。傾斜面Ｓ４に入射された映像光は、導光部２７内の第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射される。導光部２７に入射された映像光は、導光部２７内で全反射を繰り返しながらｘ方向に伝播され、光束取出し部を構成する偏光ビームスプリット膜２８及び出力偏向部３０の作用により、観察者側表面である第２の平面Ｓ２から射出される。これにより、映像投影光学系１１の射出瞳がｘ方向に拡大されて、導光部２７の第２の平面Ｓ２の投影領域から映像光が射出される。なお、図１４において、映像投影光学系１１は、照明光学系１４及び投影光学系１６を簡略化して示している。
【００７３】
本実施の形態に係る表示装置６１は、導光部２７の第２の平面Ｓ２と空隙５１を介して対向配置された平行平板５３を備える。平行平板５３は、窓部材を構成するもので、第１実施の形態の平行平板５０と同様に、合成石英、ガラス、強化ガラス、アクリル等のプラスチック等の可視光に対して透明又は半透明の材料で、厚さが例えば１ｍｍ程度に構成される。平行平板５３は、映像投影光学系１１及び瞳拡大光学系１２を、導光部２７の投影領域が外部から観察可能に収納保持する表示装置６１の筐体に、第１実施の形態で説明した平行平板５０と同様に保持される。
【００７４】
したがって、本実施の形態に係る表示装置６１においても、第１実施の形態の表示装置１０と同様に、平行平板５０によって導光部２７の投影領域への手の接触による指紋等の油脂の付着や、雨などの屋外での使用の場合の雨滴等の水滴の付着を確実に防止できるので、透過型チャート１５による映像を良好な画質で観察することができる。
【００７５】
（第４実施の形態）
図１５は、本発明の第４実施の形態に係る表示装置の要部の構成を模式的に示す図である。本実施の形態に係る表示装置６２は、第３実施の形態に係る表示装置６１において、伝播光学系２４の光束取出し部の構成が異なるものである。以下、第３実施の形態と異なる点について説明する。
【００７６】
すなわち、光束取出し部は、第３実施の形態においては偏光ビームスプリット膜２８及び第１の出力偏向部３０を含んで構成されているが、本実施の形態では導光部２７にｘ方向に複数設けられたビームスプリット膜５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、・・・によって構成される。以下、ビームスプリット膜５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、・・・を総称して、ビームスプリット膜５４とも称する。各ビームスプリット膜５４は、導光部２７の第１の平面Ｓ１及び第２の平面Ｓ２に対して２５°傾斜して形成されている。
【００７７】
図１５において、入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４から導光部２７内の第２の平面Ｓ２に臨界角を超える角度で入射された映像光は、第２の平面Ｓ２で全反射されてビームスプリット膜５４ａに入射される。ビームスプリット膜５４ａに入射した映像光は、一部が反射されて残りが透過する。ビームスプリット膜５４ａで反射された映像光は、第２の平面Ｓ２から射出されて平行平板５３を透過する。ビームスプリット膜５４ａを透過した映像光は、第１の平面Ｓ１で全反射された後、第２の平面Ｓ２で全反射されてビームスプリット膜５４ｂに入射される。以後、同様にして、映像光は、順次のビームスプリット膜５４で透過光と反射光とに分離されながら、ビームスプリット膜５４での透過光が第１の平面Ｓ１及び第２の平面Ｓ２で全反射を繰り返して導光部２７内を伝播し、ビームスプリット膜５４での反射光が第２の平面Ｓ２から射出されて平行平板５３を透過する。
【００７８】
したがって、本実施の形態に係る表示装置６２においても、第３実施の形態の表示装置６１と同様に、平行平板５３によって導光部２７の投影領域への手の接触による指紋等の油脂の付着や、雨などの屋外での使用の場合の雨滴等の水滴の付着を確実に防止できるので、透過型チャート１５による映像を良好な画質で観察することができる。
【００７９】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第３実施の形態及び第４実施の形態においては、平行平板５３に代えて、第２実施の形態と同様のフレネルレンズを窓部材としてもよい。また、フレネルレンズに代えて、平板形状の液晶レンズを窓部材として用いて、瞳拡大光学系１２の投影領域の保護と視度調整とを兼ねてもよい。液晶レンズを用いれば、印加電圧によって連続的な視度調整が可能となる利点がある。
【００８０】
また、窓部材には、その表面（観察者側）に、ＡＲ膜、指紋付着防止膜、撥水膜のいずれかを設けるとよい。例えば、ＡＲ膜を設けた場合は外光の反射を防止でき、指紋付着防止膜を設けた場合は指紋等の油脂の付着を防止でき、撥水膜を設けた場合は雨等の水滴の付着を防止できるので、それぞれ視認性を向上することができる。
【００８１】
また、第３実施の形態及び第４実施の形態において、映像投影光学系１１は、装置の小型化を考慮して、任意のレイアウトで配置することができる。例えば、図１４及び図１５において、光源１３、照明光学系１４、透過型チャート１５及び投影光学系１６を、出力偏向部３０の下方で、伝播光学系２４の延在方向すなわちｘ方向に配置し、投影光学系１６から射出される映像光を適当な反射部材で反射させて、入力偏向部２９の傾斜面Ｓ４に入射させてもよい。また、上述した各実施の形態において、映像投影光学系１１は、例えばレーザ光源からの光束をスキャンミラーによりラスタ走査して映像光を瞳拡大光学系１２に入射させるように構成してもよい。また、第１〜３実施の形態において、光束取出し部は、三角プリズムアレイに代えてグレーティングを用いて構成してもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１０、６０、６１、６２  表示装置
１１  映像投影光学系
１２  瞳拡大光学系
１３  光源
１４  照明光学系
１５  透過型チャート
１６  投影光学系
２４  第１の伝播光学系
２５  １／２波長板
２６  第２の伝播光学系
２７  第１の導光部
２８  第１の偏光ビームスプリット膜
２９  第１の入力偏向部
３０  第１の出力偏向部
３１  ＡＲ膜
３２  三角プリズム
３３  第２の導光部
３４  第２の偏向ビームスプリッタ
３５  第２の入力偏向部
３６  第２の出力偏向部
５０、５３  平行平板
５１  空隙
５２  フレネルレンズ
５４  ビームスプリット膜
７０  スペーサ
７１  窓枠部材
７２  固定部材
７３  弾性部材
【図１】
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【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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