(57)【要約】  ライトガイド（１００ａ）は、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面（１２Ａ）と、第１受光面（１２Ａ）から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部（２０Ａ）と、第１導光部（２０Ａ）内を伝搬する光ビームを第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面（２９Ａ）とを有する第１導光体（１Ａ）と、第１出射面（２９Ａ）から出射された光ビームを受ける第２受光面（３１Ａ）と、第２受光面（３１Ａ）から入射した光ビームを第２の方向に伝搬させる第２導光部（３０Ａ）と、第２導光部（３０Ａ）内を伝搬する光ビームを第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面（３９Ａ）とを有する第２導光体（３０Ａ）とを備える。
2015076335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリメートされた光ビームを受ける第１受光面と、前記第１受光面から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部と、前記第１導光部内を伝搬する光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面とを有する第１導光体と、
前記第１出射面から出射された光ビームを受ける第２受光面と、前記第２受光面から入射した光ビームを前記第２の方向に伝搬させる第２導光部と、前記第２導光部内を伝搬する光ビームを前記第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面とを有する第２導光体と
を備える、ライトガイド。
【請求項２】
前記第１導光体は、前記第１受光面を有するカップリング部を有し、
前記第１受光面は、前記第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している、請求項１に記載のライトガイド。
【請求項３】
前記第１導光体は、前記第１の方向に傾斜した複数の第１斜面を有し、
前記複数の第１斜面は、前記第１導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第２の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第１の方向に拡大する、請求項１または２に記載のライトガイド。
【請求項４】
前記第２導光体は、前記第２の方向に傾斜した複数の第２斜面を有し、
前記複数の第２斜面は、前記第２導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第３の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第２の方向に拡大する、請求項３に記載のライトガイド。
【請求項５】
前記複数の第１斜面は、前記第１および第３の方向を含む平面Ｐ13に対して、角α1をなし、前記複数の第２斜面は、前記第１および第２の方向を含む平面Ｐ12に対して、角α2をなし、前記角α1および角α2は、それぞれ独立に４５°以下である、請求項４に記載のライトガイド。
【請求項６】
前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ23に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ23を前記第３の方向を中心に（９０−２・α1）度だけ回転した平面Ｐ’23において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす、請求項５に記載のライトガイド。
【請求項７】
前記第１受光面は、前記第１導光部の平面Ｐ23に平行な断面の前記第２の方向の長さの２倍以上の長さの辺と、前記第１導光部の平面Ｐ13に平行な断面の前記第３の方向の長さの２倍以上の長さの辺とを有する、請求項５または６に記載のライトガイド。
【請求項８】
前記第１導光部は、前記第１の方向に長い棒状部分を有し、前記第２導光部は、前記第１および第２の方向を含む平面に平行な平板状部分を有する、請求項１から７のいずれかに記載のライトガイド。
【請求項９】
唯一の前記第１導光体に対して、前記第１の方向に並列に配列された２つの前記第２導光体を有する、請求項１から８のいずれかに記載のライトガイド。
【請求項１０】
表示パネルと、
前記表示パネルから出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系と、
請求項１から９のいずれかに記載のライトガイドと
を有し、
前記ライトガイドは、前記第１受光面が前記コリメート光学系でコリメートされた前記光ビームを受光するように配置されている、ヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイに関する。本発明によるライトガイドは、ヘッドマウントディスプレイに好適に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ヘッドマウントディスプレイに適した光ビーム拡大器が開示されている。特許文献１の図１６に記載の光ビーム拡大器は、コリメートされた表示光ビームを受ける、導光板（光を透過する基板）を有している。導光板には、反射面と、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面とが設けられている。【０００３】
導光板に入射した光ビームは、反射面によって、第１の方向に反射され、導光板内を第１の方向に伝搬する。第１の方向に沿って複数の第１部分反射面が互いに平行に配列されており、第１の方向に伝搬する光ビームの一部は、複数の第１部分反射面で、第１の方向に直交する第２の方向に向けて反射される。このとき、光ビームは、第１の方向に拡大される。第２の方向に沿って複数の第２部分反射面が互いに平行に配列されており、第２の方向に伝搬する光ビームの一部は、複数の第２部分反射面で、第１および第２の方向に直交する第３の方向に向けて反射される。このとき、光ビームは、第２の方向に拡大される。複数の第２部分反射面で反射された光ビームは、導光板から出射される。導光板から出射された光ビームは、第１および第２の方向に拡大されているので、虚像を観察できる眼の位置の範囲が広い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報（米国特許明細書６８２９０９５号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献１に記載の光ビーム拡大器を用いると、観察される虚像の明るさが、周辺部において中央部よりも低いという問題がある。【０００６】
特許文献１に記載の光ビーム拡大器を用いて観察される虚像の大きさ（視野角）は、コリメートされた表示光ビームが光ビーム拡大器を経て観察者の目に入射する際の角度範囲によって決まる。例えば、表示パネルから出射された表示光ビームは、光ビームが出射された位置（画素の位置）に応じて異なる方向にコリメートされる。すなわち、表示パネルの周辺の画素から出射された光ビームがコリメートされる方向は、表示パネルの中央の画素から出射された光ビームがコリメートされる方向と所定の角度をなす。この角度差が、視野角（虚像の画角）を決めることになる。【０００７】
ここで、表示パネルの中央の画素から出射された光ビームは、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面の中央に入射するが、表示パネルの周辺の画素から出射された光ビームは、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面の中央に入射するのに対し、表示パネルの周辺の画素から出射された光ビームの一部は、複数の第１部分反射面および複数の第２部分反射面の周辺部に入射するものの、一部は、複数の第１部分反射面または複数の第２部分反射面に入射することができない。したがって、観察される虚像の明るさが、周辺部において中央部よりも低いという問題が生じる。【０００８】
これを抑制する方法として、コリメートされた表示光ビームの直径を小さくする、あるいは逆に、第１および第２部分反射面を大きくすることが考えられる。しかしながら、表示光ビームの直径を小さくすると光の利用効率が低下するという欠点があり、また、第１および第２部分反射面を大きくすると、光ビーム拡大器が大きくなるという欠点がある。コリメートされた表示光ビームの方向の角度差を小さくすることも考えられるが、そうすると、視野角（虚像の画角）が小さくなるという欠点がある。【０００９】
本発明は、上記の欠点の発生を抑制しつつ、観察される虚像の明るさのむらを抑制することが可能なライトガイドを提供することを主な目的とする。また、本発明の他の目的は、そのようなライトガイドを備えるヘッドマウントディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態によるライトガイドは、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面と、前記第１受光面から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部と、前記第１導光部内を伝搬する光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面とを有する第１導光体と、前記第１出射面から出射された光ビームを受ける第２受光面と、前記第２受光面から入射した光ビームを前記第２の方向に伝搬させる第２導光部と、前記第２導光部内を伝搬する光ビームを前記第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面とを有する第２導光体とを備える。【００１１】
ある実施形態において、前記第１導光体は、前記第１受光面を有するカップリング部を有し、前記第１受光面は、前記第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している。【００１２】
ある実施形態において、前記第１導光体は、前記第１の方向に傾斜した複数の第１斜面を有し、前記複数の第１斜面は、前記第１導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第２の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第１の方向に拡大する。【００１３】
ある実施形態において、前記第２導光体は、前記第２の方向に傾斜した複数の第２斜面を有し、前記複数の第２斜面は、前記第２導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第３の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第２の方向に拡大する。【００１４】
ある実施形態において、前記複数の第１斜面は、前記第１および第３の方向を含む平面Ｐ13に対して、角α1をなし、前記複数の第２斜面は、前記第１および第２の方向を含む平面Ｐ12に対して、角α2をなし、前記角α1および角α2は、それぞれ独立に４５°以下である。【００１５】
ある実施形態において、前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ23に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ23を前記第３の方向を中心に（９０−２・α1）度だけ回転した平面Ｐ’23において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす。例えば、α1は１以上３０以下が好ましい。【００１６】
ある実施形態において、前記第１受光面は、前記第１導光部の平面Ｐ23に平行な断面の前記第２の方向の長さの２倍以上の長さの辺と、前記第１導光部の平面Ｐ13に平行な断面の前記第３の方向の長さの２倍以上の長さの辺とを有する。【００１７】
ある実施形態において、前記第１導光部は、前記第１の方向に長い棒状部分を有し、前記第２導光部は、前記第１および第２の方向を含む平面に平行な平板状部分を有する。【００１８】
ある実施形態において、唯一の前記第１導光体に対して、前記第１の方向に並列に配列された２つの前記第２導光体を有する。【００１９】
本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイは、表示パネルと、前記表示パネルから出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系と、上記のいずれかに記載のライトガイドとを有し、前記ライトガイドは、前記第１受光面が前記コリメート光学系でコリメートされた前記光ビームを受光するように配置されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の実施形態によると、観察される虚像の明るさのむらを抑制することが可能なライトガイドが提供される。また、本発明の他の実施形態によると、そのようなライトガイドを備えるヘッドマウントディスプレイが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａの第２導光体（第２導光部）３０Ａが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、（ｂ）は、表示領域の下端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、（ｃ）は、表示領域の上端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示し、（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示し、（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示している。
【図４】（ａ）は、第１導光体１ＡをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ａのプリズム領域２２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。
【図５】（ａ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの入射角を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、（ｃ）は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａにおける光ビームの光路を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、第２導光体３０Ａ、開口部を有する反射層３６ａおよび透明樹脂層３８の製造方法の例を説明するための模式図である。
【図７】（ａ）は、カップリング部１０Ａがない場合の第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビーム（中心方向）の光路を示す図であり、（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図であり、（ｃ）は、カップリング部１０Ａの形状を説明する図である。
【図８】（ａ）は、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂの第２導光体（第２導光部）３０Ｂが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。
【図１０】（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示す。
【図１１】（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の下端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示す。
【図１２】（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の上端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示す。
【図１３】（ａ）は、第１導光体１ＢをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ｂのプリズム領域２２Ｂにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。
【図１４】ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。
【図１５】（ａ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂにおける光ビームの光路を示す模式図である。
【図１６】（ａ）は、カップリング部１０Ｂに入射した光ビーム（中心方向および左右方向）の光路を示す図であり、（ｂ）は、カップリング部１０Ｂの形状を説明する図である。
【図１７】（ａ）および（ｂ）は、コリメート光学系６０による収差を説明するための図であり、（ａ）は左右方向の収差を、（ｂ）は上下方向の収差をそれぞれ示し、（ｃ）は、虚像５０’におけるボケの様子を示す図である。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は、表示パネル５０およびコリメート光学系６０と、第１受光面１２Ａまたは１２Ｂとの配置関係を示す図である。
【図１９】本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｃの模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」という。）を説明する。ここでは、ＨＭＤ用のライトガイドを説明するが、本発明の実施形態によるライトガイドは、これに限られず、ヘッドアップディスプレイ（「ＨＵＤ」ということがある。）や他の虚像ディスプレイ等に用いることができる。
【００２３】
図１〜図７を参照して、本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの構造と機能を説明する。
【００２４】
図１（ａ）に本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの模式的な斜視図を示す。ＨＭＤ１００Ａは、本発明の実施形態によるライトガイド１００ａを備える。図１（ｂ）にライトガイド１００ａの第２導光体（第２導光部）３０Ａが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図を示す。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、ＨＭＤ１００Ａは、ライトガイド１００ａと、表示パネル５０と、表示パネル５０から出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系６０とを有し、ライトガイド１００ａは、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームを所定の面で受光するように配置されている。
【００２６】
ライトガイド１００ａは、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面１２Ａと、第１受光面１２Ａから入射した光ビームを第１の方向（Ｙ方向）に伝搬させる第１導光部２０Ａと、第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビームを第１の方向と交差する第２の方向（Ｘ方向）に向けて出射させる第１出射面２９Ａとを有する第１導光体１Ａと、第１出射面２９Ａから出射された光ビームを受ける第２受光面３１Ａと、第２受光面３１Ａから入射した光ビームを第２の方向（Ｘ方向）に伝搬させる第２導光部３０Ａと、第２導光部３０Ａ内を伝搬する光ビームを第１および第２の方向と交差する第３の方向（Ｚ方向）に向けて出射する第２出射面３９Ａとを有する第２導光体３０Ａとを備える。なお、第２導光部と第２導光体とには、同じ参照符号３０Ａを付す。第１出射面２９Ａ、第２受光面３１Ａについては、図２（ａ）〜（ｃ）を、第２出射面３９Ａについては、図１（ｂ）を参照されたい。
【００２７】
第１導光体１Ａおよび第２導光体３０Ａを有するライトガイド１００ａは、観察される虚像の明るさのむらを抑制することができる。第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａに入射した光ビームは、それぞれの出射面に対して臨界角以上の角度で入射し、全反射を繰り返しながら、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａ内を伝搬する。したがって、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａ内を伝搬する光ビームの直径は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａの断面積に依存しない。すなわち、ライトガイド１００ａを用いて得られる虚像の明るさは、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａの断面における位置に依存しないので、上述の虚像の明るさのむらを抑制することができる。
【００２８】
第１導光部２０Ａは、第１の方向（Ｙ方向）に長い棒状部分を有し、第２導光部３０Ａは、第１および第２の方向を含む平面Ｐ12（ＸＹ平面）に平行な平板状部分を有する。
【００２９】
第１導光体１Ａは、第１受光面１２Ａを有するカップリング部１０Ａを有し、第１受光面１２Ａは、第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している。すなわち、第１受光面１２Ａの法線は、第１、第２および第３の方向のいずれの方向とも平行でない。カップリング部１０Ａと第１導光部２０Ａとは、一体に形成されてもよいし、カップリング部１０Ａと第１導光部２０Ａとを別々に作製した後、カップリング部１０Ａと第１導光部２０Ａとを互いに接着してもよい。後に詳述するように、カップリング部１０Ａを設けることによって、光の利用効率を高めることができる。なお、カップリング部１０Ａは、省略してもよい。
【００３０】
ここでは、第１の方向をＹ方向、第２の方向をＸ方向、第３の方向をＺ方向とした例を示しているが、第２の方向を−Ｘ方向としてもよい。すなわち、カップリング部１０Ａを図１中の左側に設けてもよい。また、第１の方向を−Ｙ方向としてしてもよい。すなわち、カップリング部１０Ａを図１中の下側に設けてもよい。
【００３１】
ＨＭＤ１００Ａの動作を説明する。
【００３２】
表示パネル５０から出射された表示光は、コリメート光学系６０によってコリメートされ、コリメートされた光ビームは、第１導光体１Ａの第１受光面１２Ａに入射する。コリメート光学系６０は、表示パネル５０の各画素からの表示光をコリメートし、各画素の位置に応じた方向に、所定の直径を有する光ビームを出射する。表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射される表示光がコリメートされる方向を中心方向とすると、表示領域の端（上端、下端、左端および右端）の画素から出射される表示光がコリメートされる方向は中心方向と所定の角度をなす。コリメート光学系６０から出射される光ビームの直径は、コリメート光学系６０によって調整される。後述するように、カップリング部１０Ａのサイズを調整することによって、光ビームの直径を大きくすることができる。
【００３３】
表示パネル５０とコリメート光学系６０は、公知のものを広く用いることができる。例えば、表示パネル５０として、透過型液晶表示パネルまたは有機ＥＬ表示パネルを用い、コリメート光学系６０として、例えば、特開２００４−１５７５２０号公報に記載のレンズ系を用いることができる。また、表示パネル５０として、反射型液晶表示パネル（ＬＣＯＳ）を用い、コリメート光学系６０として、例えば、特開２０１０−２８２２３１号公報に記載の凹面鏡やレンズ群を用いることができる。参考のために特開２００４−１５７５２０号公報および特開２０１０−２８２２３１号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。表示パネル５０の大きさは、例えば、対角約０．２インチ〜約０．５インチである。
【００３４】
第１導光体１Ａの第１導光部２０Ａは、例えば、プリズム領域２２Ａを有しており、プリズム領域２２Ａには、第１の方向（Ｙ方向）に傾斜した複数の第１斜面が形成されている。プリズム領域２２Ａは、いわゆる、プリズム面が形成されている領域である。なお、斜面が傾斜する方向とは、斜面に対する法線が傾いている方向を意味する。第１斜面は、第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビームを第２の方向（Ｘ方向）に反射するとともに、光ビームを第１の方向（Ｙ方向）に拡大する。なお、図１（ａ）中のプリズム領域２２Ａから第２導光部３０Ａに向く矢印は、表示パネル５０の異なる位置から出射された光（３種類）を模式的に示している。
【００３５】
第２導光体（第２導光部）３０Ａは、例えば、プリズム領域３２Ａを有し、プリズム領域３２Ａには、第２の方向（Ｘ方向）に傾斜した複数の第２斜面が形成されている。第２導光部３０Ａが有するプリズム領域３２Ａは、例えば、図１（ｂ）に示すように、第２斜面３４ａが、第１の方向および第２の方向を含む面内（ＸＹ平面内）にマトリクス状に配列されており、市松模様状に開口部を有する反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａの開口部には、第２導光部３０Ａのプリズム面が露出されており、観察者は、第２導光部３０Ａを透過する光を見ることもできる（シースルータイプ）。開口部を有しない半反射層を形成してもよい。もちろん、シースルータイプでない場合には、開口部のない反射層を設けてもよい。
【００３６】
第２斜面は、第２導光部３０Ａ内を伝搬する光ビームを第３の方向（Ｚ方向）に反射するとともに、光ビームを第２の方向（Ｘ方向）に拡大する。観察者（眼）は、第２導光体３０ＡのＺ方向にあり、第２導光体３０Ａから出射された光ビームによって形成される、表示パネル５０に表示された画像の虚像を見られる。このとき、観察者の眼に入る光ビームの直径は、第１導光部２０Ａと第２導光部３０Ａによって、第１の方向（Ｙ方向）および第２の方向（Ｘ方向）に拡大されているので、虚像を観察できる範囲が広い。
【００３７】
次に、ライトガイド１００ａの個々の構成要素の構造と作用を詳細に説明する。
【００３８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。図２（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、図２（ｂ）は、表示領域の下端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、図２（ｃ）は、表示領域の上端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。光ビームは、コリメート光学系６０によってコリメートされた光ビームである。
【００３９】
図２（ｂ）に示すように、表示領域の下端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中央の画素から出射された光がコリメートされた光の進行方向（以下、「中心方向」ということがある。図２（ａ）の光ビームの進行方向）と＋θｙの角度をなす。また、図２（ｃ）に示すように、表示領域の上端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と−θｙの角度をなす。
【００４０】
第１導光部２０Ａに入射した光ビームは、第１導光部２０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＡにＹ方向に配列された複数の第１斜面２４でＸ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ａから第１導光部２０Ａを出射する。このとき、光ビームはＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層２６が形成されている。反射層２６は、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層２６を設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。
【００４１】
なお、第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａと第２導光部３０Ａの第２受光面３１Ａとの間には空気（または、低屈折率媒体：第１導光部２０Ａよりも屈折率が低い媒体）が存在しており、第１導光部２０Ａを伝搬する光ビームは、第１出射面２９Ａの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の上下方向（Ｙ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第１導光部２０Ａの臨界角によってのみ制限される。
【００４２】
また、各画素から出射された光ビームが一様に第１斜面２４に到達するように、第１導光部２０Ａを構成することができる。例えば、図２（ａ）〜（ｃ）に模式的に示したように、第１斜面２４の密度を第１受光面１２Ａから遠ざかるほど大きくすることによって、第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームの直径をＹ方向に一様に拡大することができる。
【００４３】
すなわち、上述の構造を有する第１導光体１Ａを用いることによって、下記の利点がさらに得られる。
【００４４】
（１）第１導光体１Ａを大きくすることなく、コリメート光学系６０でコリメートする光ビームの直径を大きくできるので、光の利用効率を向上させることができる。
【００４５】
（２）第１導光部２０Ａを出射する光ビームの直径は、第１導光部２０Ａの断面積に依存しないので、特許文献１の構成を採用する場合に比べて、断面積の小さい第１導光部２０Ａを用いることができる。すなわち、第１導光体１Ａを小型化することができる。
【００４６】
（３）虚像の画角（画面サイズ）は、光ビームの角度差で決まり、光ビームの角度差は、第１導光部２０Ａの臨界角に基づいて決められるので、第１導光部２０Ａの断面積を大きくすることなく、虚像の画角（画面サイズ）をＹ方向に大きくすることができる。
【００４７】
なお、Ｙ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(Y)とすると、第１導光部２０Ａの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
θ0(Y)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０−θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
【００４８】
次に、図３（ａ）〜（ｃ）を参照する。図３（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。図３（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示し、図３（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示し、図３（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示している。光ビームは、コリメート光学系６０によってコリメートされた光ビームである。
【００４９】
図３（ｂ）に示すように、表示領域の右端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向（図３（ａ）の光ビームの進行方向）と−θｘの角度をなす。また、図３（ｃ）に示すように、表示領域の左端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と＋θｘの角度をなす。
【００５０】
第１導光部２０Ａに入射した光ビームは、第１導光部２０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＡにＹ方向に配列された複数の第１斜面２４でＸ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ａから第１導光部２０Ａを出射する。このとき、光ビームの径はＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘ）は保持される。
【００５１】
第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａから出射された光ビームは、第２導光体（第２導光部）３０Ａの第２受光面３１Ａに入射する。第２導光部３０Ａに入射した光ビームは、第２導光部３０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域３２ＡにＸ方向に配列された複数の第２斜面３４ａでＺ方向に反射されて、第２斜面３４ａが形成されている面（プリズム面）に対向する第２出射面３９Ａから第２導光部３０Ａを出射する。このとき、光ビームはＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙおよび上記±θｘ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａは、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層３６ａを設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。さらに、反射層３６ａ上にオプショナルな透明樹脂層３８が形成されている。反射層３６ａが開口部を有する場合、第２導体部３０Ａと屈折率が同じまたは十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。
【００５２】
第２導光部３０Ａの第２出射面３９Ａは空気（または、低屈折率媒体：第２導光部３０Ａよりも屈折率が低い媒体）に接しており、第２導光部３０Ａを伝搬する光ビームは、第２出射面３９Ａの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の左右方向（Ｘ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第２導光部３０Ａの臨界角によってのみ制限される。
【００５３】
また、各画素から出射された光ビームが一様に第２斜面３４ａに到達するように、第２導光部３０Ａを構成することができる。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に模式的に示したように、第２斜面３４ａの密度を第２受光面３１Ａから遠ざかるほど大きくすることによって、第２導光部３０Ａの第２出射面３９Ａから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームをＸ方向に一様に拡大することできる。
【００５４】
すなわち、上述の構造を有する第２導光体３０Ａを用いることによって、第１導光体１Ａを用いることによって得られる上記の利点（１）〜（３）と同様の利点が得られる。但し、上記（３）における虚像の画角は、Ｘ方向に拡大される。
【００５５】
なお、Ｘ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(X)とすると、第２導光部３０Ａの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
θ0(X)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０−θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
【００５６】
次に、図４（ａ）および（ｂ）および図５（ａ）〜（ｃ）を参照して、ライトガイド１００ａの構造の例を詳細に説明する。図４（ａ）は、第１導光体１ＡをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図４（ｂ）は、第１導光部２０Ａのプリズム領域２２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。図５（ａ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの入射角を示す模式的な図であり、図５（ｂ）は、第２導光部３０Ａのプリズム領域３２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図であり、図５（ｃ）は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａにおける光ビームの光路を示す模式図である。
【００５７】
まず、図４（ａ）および（ｂ）を参照する。第１導光部２０Ａは、Ｙ方向に延びた断面が長方形（ａ1×ｂ1）の棒状部分を有し、ＹＺ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｙ方向の長さがｃ1のプリズムがＹ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＸ方向に反射する第１斜面２４を有している。第１斜面２４は、Ｙ方向に傾斜しており、ＹＺ平面に対してα1（０°超４５°以下）の角度をなす。
【００５８】
プリズムは、第１斜面２４と対をなす斜面（ＹＺ平面に対してβ1の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光を生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β1＞２・α1−θｙの関係を満足するように、β1を設定する。
【００５９】
プリズム（第１斜面２４）の配列ピッチｐ1は、各画素からの光ビームが一様な強度で第１斜面２４に到達するように、第１受光面１２Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第１導光部２０Ａの厚さを、第１受光面１２Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第１斜面２４を有する第１導光部２０Ａを用いることが好ましい。
【００６０】
図４（ａ）に示すように、カップリング部１０Ａの第１受光面１２Ａは、ＸＹ平面において、ＹＺ平面に対して２・α1の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ａに略垂直になるように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ａに入射する各画素から出射された光ビームは、ＸＹ平面において、第１導光部２０Ａのプリズム面（ＹＺ平面に平行）の法線（Ｘ軸）に対して、２・α1±θｙの角度をなし、第１導光部２０Ａの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する（図４（ｂ）参照）。第１導光部２０Ａを伝搬する光ビームの一部は第１斜面２４に入射し、Ｘ方向に反射されて第１導光部２０Ａの出射面（プリズム面に対向する面）から出射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｙ方向に拡大される。
【００６１】
第１導光体１Ａは、例えば、透明樹脂を用いて、射出成型によって作製される。具体的な構成の例を以下に示す。
画面上下方向（Ｙ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0（ｙ）＝±９度
材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
θｙ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｙ））／ｎ）≒５．８９度
θｙは、第１受光面１２Ａに入射角θ0（ｙ）で入射した光ビームの屈折角
α1＝２６度
β1＝７５度
第１導光部２０Ａの断面形状：ａ1（Ｘ方向）×ｂ1（Ｚ方向）＝２．０ｍｍ×１．０ｍｍ
プリズムの幅：ｃ1＝０．１ｍｍ
プリズムのピッチ：ｐ1＝０．８ｍｍ〜０．１５ｍｍ
【００６２】
必要に応じて、第１導光部２０Ａのプリズム面上に反射層２６を形成すればよい。反射層２６は、例えば、アルミニウムを蒸着することによって形成される。反射層２６の厚さは、例えば、数十〜数百ｎｍである。
【００６３】
なお、第１導光体１Ａの第１導光部２０Ａとカップリング部１０Ａとは一体に形成してもよいし、別々に形成し、接着剤を用いて貼り合わせてもよい。このとき、第１導光部２０Ａ、カップリング部１０Ａおよび接着剤の屈折率はできるだけ一致させることが好ましい。
【００６４】
次に、図５（ａ）〜（ｃ）を参照する。第２導光体３０Ａは、Ｘ軸方向に延びた断面が長方形（ａ2×ｂ2）の形状を有し、ＸＹ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｘ方向の長さがｃ2のプリズムがＸ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＺ方向に反射する第２斜面３４ａを有している。第２斜面３４ａは、Ｘ方向に傾斜しており、ＸＹ平面に対してα2（０°超４５°以下）の角度をなす。これと対になるβ2の角度をなす第２斜面を有する。
【００６５】
プリズムは、第２斜面３４ａと対をなす斜面（ＸＹ平面に対してβ2の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光が生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β2＞２・α2−θｘの関係を満足するように、β2を設定する。迷光を生じると、観察者（眼）が見る虚像に悪影響を与える。
【００６６】
プリズム（第２斜面３４ａ）の配列ピッチｐ2は、各画素からの光ビームが一様の強度で第２斜面３４ａに到達するように、第２受光面３１Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第２導光部３０Ａの厚さを、第２受光面３１Ａから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第２斜面３４ａを有する第２導光部３０Ａを用いることが好ましい。
【００６７】
図５（ａ）に示すように、カップリング部１０Ａの第１受光面１２Ａは、ＹＺ平面をＺ軸中心に（９０−２・α1）だけ回転したＹ’Ｚ平面において、ＸＹ平面に対して２・α2の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ａに略垂直で入射するように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ａに入射する各画素から出射された光ビームは、第１導光部２０Ａを伝搬する過程で第１斜面２４でＸ方向に反射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は維持され、ＸＺ平面で見ると、第１導光部２０ＡのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α2±θｘの角度をなす（図５（ｃ）参照）。同様に、第２導光体３０Ａに入射した各画素からの光ビームは、ＸＺ平面で見ると、第２導光部３０ＡのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α2±θｘの角度をなし、第２導光部３０Ａの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する。この過程でプリズムミラーの第２斜面３４ａに到達し、Ｚ方向に反射されて第２導光体３０Ａを第２出射面３９Ａから出射する。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｘ方向に拡大される。
【００６８】
次に、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、第２導光体３０Ａ、開口部を有する反射層３６ａおよび透明樹脂層３８の製造方法の例を説明する。
【００６９】
図６（ａ）に示すように、用意した第２導光体３０Ａに、例えば、市松模様状に配列された開口部７２ａを有するマスク７０を介して、Ａｌ（アルミニウム）を堆積する。このようにして、図１（ｂ）を参照して説明した、市松模様状に開口部を有する反射層３６ａが形成される。反射層３６ａの開口部には、第２斜面３４ａが露出されている。開口部を有する反射層３６ａを用いると、実像（外界）に重ねて虚像を観察することができるシースルータイプのＨＭＤを構成することができる。なお、第２導光体３０Ａは、第１導光体１Ａと同様に、例えば、透明樹脂を用いて、射出成型によって作製される。
【００７０】
次に、図６（ｂ）に示すように、反射層３６ａ上に、例えば、紫外線硬化性樹脂を付与し、これに紫外線を照射することによって、表面が平坦化な透明樹脂層３８を形成する。第２導体部３０Ａと屈折率が同じ、または十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。透明樹脂層３８を形成する材料は、紫外線硬化性樹脂に限られず、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることもできる。
【００７１】
第２導光体３０Ａの具体的な構成の例を以下に示す。
画面左右方向（Ｘ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0ｘ＝±１６度
材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
θｘ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｘ））／ｎ）≒１０．３８度
θｘは、第１受光面１２Ａに入射角θ0（ｘ）で入射した光ビームの屈折角
α2＝３４度
β2＝４５度
第２導光部３０Ａの断面形状：ａ2（Ｚ方向）×ｂ2（Ｙ方向）＝１．０ｍｍ×４０ｍｍ
プリズムの幅：ｃ2＝０．１ｍｍ
プリズムのピッチ：ｐ2＝０．８ｍｍ〜０．３ｍｍ
反射層３６ａ：Ａｌ（アルミニウム）層、厚さ数十〜数百ｎｍ
透明樹脂層３８：紫外線硬化性樹脂、厚さ数十〜数百μｍ
【００７２】
次に、図７（ａ）〜（ｃ）を参照して、カップリング部１０Ａの具体的な構成の例を以下に説明する。図７（ａ）は、カップリング部１０Ａがない場合の第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビーム（中心方向）の光路を示す図であり、図７（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図であり、図７（ｃ）は、カップリング部１０Ａの形状を説明する図である。
【００７３】
第１受光面１２Ａは所定の傾きを有するだけでなく、十分なサイズを有することが好ましい。第１受光面１２Ａのサイズが不十分な場合、第１導光部２０Ａおよび／または第２導光体３０Ａの内部を光ビームが伝搬する際、光ビームが存在しえない領域が存在し、結果的に、出射光が存在しえない領域が発生する（虚像が欠ける）ためである。図７（ａ）において、濃い影で示される領域が光ビームが存在しえない領域を表す。虚像の欠けが発生する位置は、眼の位置に依存する。
【００７４】
第１受光面１２Ａに入射するコリメートされた光ビームの画面の上下方向の差±θｙ、および画面の左右方向の差±θｘを考慮し、これらの光ビームが第１導光部２０Ａ、および第２導光部３０Ａの内部で一様に存在し得るように、第１受光面１２Ａのサイズを設定する。第１受光面１２Ａのサイズは、作図によって求めることができる。
【００７５】
上述した第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａのサイズの場合、図７（ｃ）に示すように、ｄ1≒６．４ｍｍ、ｄ2≒３．９ｍｍ、ｄ3≒５．７ｍｍ、ｄ4≒３．９ｍｍの台形とする。これは、第１導光部２０Ａの断面サイズａ1に対応して、ｄ1およびｄ3をａ1の２倍以上、概ね３倍とし、第２導光部３０Ａの断面サイズａ2に対応して、ｄ2およびｄ4をａ2の２倍以上、概ね４倍とした例である。このように、ｄ1およびｄ3をａ1の２倍以上とし、ｄ2およびｄ4をａ2の２倍以上とすれば、上述の問題の発生を抑制し、欠けのない虚像を形成することができる。
【００７６】
図８〜図１６を参照して、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの構造と機能を説明する。先のＨＭＤ１００Ａの構成要素と実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、説明を省略することがある。
【００７７】
図８（ａ）は、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの模式的な斜視図であり、図８（ｂ）は、ライトガイド１００ｂの第２導光体（第２導光部）３０Ｂが有するプリズム領域３２Ｂの模式的な拡大図である。
【００７８】
図８（ａ）に示すように、ＨＭＤ１００Ｂは、ライトガイド１００ｂと、表示パネル５０と、表示パネル５０から出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系６０とを有し、ライトガイド１００ｂは、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームを所定の面で受光するように配置されている。
【００７９】
ライトガイド１００ｂは、コリメートされた光ビームを受ける第１受光面１２Ｂと、第１受光面１２Ｂから入射した光ビームを第１の方向（Ｘ方向）に伝搬させる第１導光部２０Ｂと、第１導光部２０Ｂ内を伝搬する光ビームを第１の方向と交差する第２の方向（Ｙ方向）に向けて出射させる第１出射面２９Ｂとを有する第１導光体１Ｂと、第１出射面２９Ｂから出射された光ビームを受ける第２受光面３１Ｂと、第２受光面３１Ｂから入射した光ビームを第２の方向（Ｙ方向）に伝搬させる第２導光部３０Ｂと、第２導光部３０Ｂ内を伝搬する光ビームを第１および第２の方向と交差する第３の方向（Ｚ方向）に向けて出射する第２出射面３９Ｂとを有する第２導光体３０Ｂとを備える。なお、第２導光部と第２導光体とには、同じ参照符号３０Ｂを付す。第１出射面２９Ｂ、第２受光面３１Ｂについては、図９（ａ）〜（ｃ）を、第２出射面３９Ｂについては、図８（ｂ）を参照されたい。
【００８０】
第１導光体１Ｂおよび第２導光体３０Ｂを有するライトガイド１００ｂは、観察される虚像の明るさのむらを抑制することができる。第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂに入射した光ビームは、それぞれの出射面に対して臨界角以上の角度で入射し、全反射を繰り返しながら、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂ内を伝搬する。したがって、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂ内を伝搬する光ビームの直径は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂの断面積に依存しない。すなわち、ライトガイド１００ｂを用いて得られる虚像の明るさは、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂの断面における位置に依存しないので、上述の虚像の明るさのむらを抑制することができる。
【００８１】
第１導光部２０Ｂは、第１の方向（Ｘ方向）に長い棒状部分を有し、第２導光部３０Ｂは、第１および第２の方向を含む平面Ｐ12（ＸＹ平面）に平行な平板状部分を有する。
【００８２】
第１導光体１Ｂは、第１受光面１２Ｂを有するカップリング部１０Ｂを有し、第１受光面１２Ｂは、第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している。すなわち、第１受光面１２Ｂの法線は、第１、第２および第３の方向のいずれの方向とも平行でない。カップリング部１０Ｂと第１導光部２０Ｂとは、一体に形成されてもよいし、カップリング部１０Ｂと第１導光部２０Ｂとを別々に作製した後、カップリング部１０Ｂと第１導光部２０Ｂとを互いに接着してもよい。上述したように、カップリング部１０Ｂを設けることによって、光の利用効率を高めることができる。なお、カップリング部１０Ｂは、省略してもよい。
【００８３】
ここでは、第１の方向をＸ方向、第２の方向をＹ方向、第３の方向をＺ方向とした例を示しているが、第１の方向を−Ｘ方向としてもよい。すなわち、カップリング部１０Ｂを図８（ａ）中の左側に設けてもよい。また、第２の方向を−Ｙ方向としてもよい。すなわち、カップリング部１０Ｂを図１（ａ）中の下側に設けてもよい。
【００８４】
ＨＭＤ１００Ｂは、第１導光体１ＢがＸ方向（または−Ｘ方向）に光ビームを伝搬させ、第２導光体３０ＢがＹ方向（または−Ｙ方向）に光ビームを伝搬させるように構成されており、上述のＨＭＤ１００Ａが、第１導光体１ＡがＹ方向（または−Ｙ方向）に光ビームを伝搬させ、第２導光体３０ＡがＸ方向（または−Ｘ方向）に光ビームを伝搬させるように構成されている点と異なる。
【００８５】
ＨＭＤ１００Ｂの動作を説明する。
【００８６】
表示パネル５０から出射された表示光は、コリメート光学系６０によってコリメートされ、コリメートされた光ビームは、第１導光体１Ｂの第１受光面１２Ｂに入射する。コリメート光学系６０は、表示パネル５０の各画素からの表示光をコリメートし、各画素の位置に応じた方向に、所定の直径を有する光ビームを出射する。表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射される表示光がコリメートされる方向を中心方向とすると、表示領域の端（上端、下端、左端および右端）の画素から出射される表示光がコリメートされる方向は中心方向と所定の角度をなす。コリメート光学系６０から出射される光ビームの直径は、コリメート光学系６０によって調整される。カップリング部１０Ａのサイズを調整することによって、光ビームの直径を大きくすることができる。
【００８７】
表示パネル５０とコリメート光学系６０は、ＨＭＤ１００Ａについて上述したように、公知のものを広く用いることができる。
【００８８】
第１導光体１Ｂの第１導光部２０Ｂは、例えば、プリズム領域２２Ｂを有しており、プリズム領域２２Ｂには、第１の方向（Ｘ方向）に傾斜した複数の第１斜面が形成されている。プリズム領域２２Ｂは、いわゆる、プリズム面が形成されている領域である。なお、斜面が傾斜する方向とは、斜面に対する法線が傾いている方向を意味する。第１斜面は、第１導光部２０Ｂ内を伝搬する光ビームを第２の方向（Ｙ方向）に反射するとともに、光ビームを第１の方向（Ｘ方向）に拡大する。なお、図８（ａ）中のプリズム領域３２Ａから第２導光部３０Ｂに向く矢印は、表示パネル５０の異なる位置から出射された光（３種類）を模式的に示している。
【００８９】
第２導光体（第２導光部）３０Ｂは、例えば、プリズム領域３２Ｂを有し、プリズム領域３２Ｂには、第２の方向（Ｙ方向）に傾斜した複数の第２斜面が形成されている。第２導光部３０Ｂが有するプリズム領域３２Ａは、例えば、図８（ｂ）に示すように、第２斜面３４ａが、第１の方向および第２の方向を含む面内（ＸＹ平面内）にマトリクス状に配列されており、市松模様状に開口部を有する反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａの開口部には、第２導光部３０Ｂのプリズム面が露出されており、観察者は、第２導光部３０Ｂを透過する光を見ることもできる（シースルータイプ）。開口部を有しない半反射層を形成してもよい。もちろん、シースルータイプでない場合には、開口部のない反射層を設けてもよい。
【００９０】
第２斜面は、第２導光部３０Ｂ内を伝搬する光ビームを第３の方向（Ｚ方向）に反射するとともに、光ビームを第２の方向（Ｙ方向）に拡大する。観察者（眼）は、第２導光体３０ＢのＺ方向にあり、第２導光体３０Ｂから出射された光ビームによって形成される、表示パネル５０に表示された画像の虚像を見られる。このとき、観察者の眼に入る光ビームの直径は、第１導光部２０Ｂと第２導光部３０Ｂによって、第１の方向（Ｘ方向）および第２の方向（Ｙ方向）に拡大されているので、虚像を観察できる範囲が広い。
【００９１】
次に、ライトガイド１００ｂの個々の構成要素の構造と作用を詳細に説明する。
【００９２】
図９（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図９（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、図９（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、図９（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。光ビームは、コリメート光学系６０によってコリメートされた光ビームである。
【００９３】
図９（ｂ）に示すように、表示領域の右端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中央の画素から出射された光がコリメートされた光の進行方向（中心方向、図９（ａ）の光ビームの進行方向）と−θｘの角度をなす。また、図９（ｃ）に示すように、表示領域の右端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と−θｘの角度をなす。
【００９４】
第１導光部２０Ｂに入射した光ビームは、第１導光部２０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＢにＸ方向に配列された複数の第１斜面２４でＸ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ｂから第１導光部２０Ｂを出射する。このとき、光ビームはＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層２６が形成されている。反射層２６は、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層２６を設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。
【００９５】
なお、第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂと第２導光部３０Ｂの第２受光面３１Ａとの間には空気（または、低屈折率媒体：第１導光部２０Ｂよりも屈折率が低い媒体）が存在しており、第１導光部２０Ｂを伝搬する光ビームは、第１出射面２９Ｂの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の左右方向（Ｘ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第１導光部２０Ｂの臨界角によってのみ制限される。
【００９６】
また、各画素から出射された光ビームが一様に第１斜面２４に到達するように、第１導光部２０Ｂを構成することができる。例えば、図９（ａ）〜（ｃ）に模式的に示したように、第１斜面２４の密度を第１受光面１２Ｂから遠ざかるほど大きくすることによって、第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームの直径をＸ方向に一様に拡大することできる。
【００９７】
すなわち、上述の構造を有する第１導光体１Ｂを用いることによって、下記の利点が得られる。
【００９８】
（１）第１導光体１Ｂを大きくすることなく、コリメート光学系６０でコリメートする光ビームの直径を大きくできるので、光の利用効率を向上させることができる。
【００９９】
（２）第１導光部２０Ｂを出射する光ビームの直径は、第１導光部２０Ｂの断面積に依存しないので、特許文献１の構成を採用する場合に比べて、断面積の小さい第１導光部２０Ｂを用いることできる。すなわち、第１導光体１Ｂを小型化することができる。
【０１００】
（３）虚像の画角（画面サイズ）は、光ビームの角度差で決まり、光ビームの角度差は、第１導光部２０Ｂの臨界角に基づいて決められるので、第１導光部２０Ｂの断面積を大きくすることなく、虚像の画角（画面サイズ）をＸ方向に大きくすることができる。
【０１０１】
なお、Ｘ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(X)とすると、第１導光部２０Ｂの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
θ0(X)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０−θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
【０１０２】
次に、図１０〜図１２を参照する。図１０（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１０（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示す。図１１（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１１（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の下端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示す。図１２（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１２（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の上端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示す。
【０１０３】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、表示領域の下端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向（図１０（ａ）、（ｂ）の光ビームの進行方向）と−θｙの角度をなす。また、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、表示領域の上端の画素から出射された光がコリメートされた光ビームの進行方向は、中心方向と＋θｙの角度をなす。
【０１０４】
第１導光部２０Ｂに入射した光ビームは、第１導光部２０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域２２ＢにＸ方向に配列された複数の第１斜面２４でＹ方向に反射されて、第１斜面２４が形成されている面（プリズム面）に対向する第１出射面２９Ｂから第１導光部２０Ｂを出射する。このとき、光ビームの径はＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙ）は保持される。
【０１０５】
第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂから出射された光ビームは、第２導光体（第２導光部）３０Ｂの第２受光面３１Ｂに入射する。第２導光部３０Ｂに入射した光ビームは、第２導光部３０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域３２ＢにＹ方向に配列された複数の第２斜面３４ａでＺ方向に反射されて、第２斜面３４ａが形成されている面（プリズム面）に対向する第２出射面３９Ｂから第２導光部３０Ｂを出射する。このとき、光ビームはＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘおよび上記±θｙ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａは、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層３６ａを設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。さらに、反射層３６ａ上にオプショナルな透明樹脂層３８が形成されている。反射層３６ａが開口部を有する場合、第２導体部３０Ａと屈折率が同じまたは十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。
【０１０６】
第２導光部３０Ｂの第２出射面３９Ｂは空気（または、低屈折率媒体：第２導光部３０Ｂよりも屈折率が低い媒体）に接しており、第２導光部３０Ｂを伝搬する光ビームは、第２出射面３９Ｂの内側の面に臨界角以上で入射した場合に全反射される。その結果、表示される画像の上下方向（Ｙ方向）の光ビームの角度差（虚像の画角）は、第２導光部３０Ｂの臨界角によってのみ制限される。
【０１０７】
また、各画素から出射された光ビームが一様に第２斜面３４ａに到達するように、第２導光部３０Ｂを構成することができる。例えば、図１０〜図１２に模式的に示したように、第２斜面３４ａの密度を第２受光面３１Ｂから遠ざかるほど大きくすることによって、第２導光部３０Ｂの第２出射面３９Ｂから出射される光ビームの強度分布を均一にすることができ、また、各光ビームをＹ方向に一様に拡大することができる。
【０１０８】
すなわち、上述の構造を有する第２導光体３０Ｂを用いることによって、第１導光体１Ｂを用いることによって得られる上記の利点（１）〜（３）と同様の利点が得られる。但し、上記（３）における虚像の画角は、Ｙ方向に拡大される。
【０１０９】
なお、Ｙ方向における光ビームの角度差（虚像の画角）を±θ0(Y)とすると、第２導光部３０Ｂの屈折率ｎと臨界角θｃから、下記の関係式が導き出される。
θ0(Y)＜ｓｉｎ-1（ｎ・ｓｉｎ（（９０−θｃ）／２））、θｃ＝ｓｉｎ-1（１／ｎ）
【０１１０】
次に、図１３〜図１５を参照して、ライトガイド１００ａの構造の例を詳細に説明する。図１３（ａ）は、第１導光体１ＢをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、図１３（ｂ）は、第１導光部２０Ｂのプリズム領域２２Ｂにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。図１４は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。図１５（ａ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、図１５（ｂ）は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂにおける光ビームの光路を示す模式図である。
【０１１１】
まず、図１３（ａ）および（ｂ）を参照する。第１導光部２０Ｂは、Ｘ方向に延びた断面が長方形（ａ21×ｂ21）の棒状部分を有し、ＸＺ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｘ方向の長さがｃ21のプリズムがＸ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＹ方向に反射する第１斜面２４を有している。第１斜面２４は、Ｘ方向に傾斜しており、ＸＺ平面に対してα21（０°超４５°以下）の角度をなす。
【０１１２】
プリズムは、第１斜面２４と対をなす斜面（ＸＺ平面に対してβ21の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光を生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β21＞２・α21−θｘの関係を満足するように、β21を設定する。
【０１１３】
プリズム（第１斜面２４）の配列ピッチｐ21は、各画素からの光ビームが一様な強度で第１斜面２４に到達するように、第１受光面１２Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第１導光部２０Ｂの厚さを、第１受光面１２Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第１斜面２４を有する第１導光部２０Ｂを用いることが好ましい。
【０１１４】
図１３（ａ）に示すように、カップリング部１０Ｂの第１受光面１２Ｂは、ＸＹ平面において、ＸＺ平面に対して２・α21の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ｂに略垂直になるように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ｂに入射する各画素から出射された光ビームは、ＸＹ平面において、第１導光部２０Ｂのプリズム面（ＸＺ平面に平行）の法線（Ｙ軸）に対して、２・α21±θｘの角度をなし、第１導光部２０Ｂの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する（図１３（ｂ）参照）。第１導光部２０Ｂを伝搬する光ビームの一部は第１斜面２４に入射し、Ｘ方向に反射されて第１導光部２０Ｂの出射面（プリズム面に対向する面）から出射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｘ方向に拡大される。
【０１１５】
第１導光体１Ｂは、例えば、透明樹脂を用いて、射出成型によって作製される。具体的な構成の例を以下に示す。
画面左右方向（Ｘ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0（ｘ）＝±１６度
材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
θｘ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｘ））／ｎ）≒１０．３８度
θｘは、第１受光面１２Ｂに入射角θ0（ｘ）で入射した光ビームの屈折角
α21＝２８度
β21＝７５度
第１導光部２０Ｂの断面形状：ａ21（Ｙ方向）×ｂ21（Ｚ方向）＝２．０ｍｍ×１．０ｍｍ
プリズムの幅：ｃ21＝０．１ｍｍ
プリズムのピッチ：ｐ21＝０．８ｍｍ〜０．１５ｍｍ
【０１１６】
必要に応じて、第１導光部２０Ｂのプリズム面上に反射層２６を形成すればよい。反射層２６は、例えば、アルミニウムを蒸着することによって形成される。反射層２６の厚さは、例えば、数十〜数百ｎｍである。
【０１１７】
なお、第１導光体１Ｂの第１導光部２０Ｂとカップリング部１０Ｂとは一体に形成してもよいし、別々に形成し、接着剤を用いて貼り合わせてもよい。このとき、第１導光部２０Ｂ、カップリング部１０Ｂおよび接着剤の屈折率はできるだけ一致させることが好ましい。
【０１１８】
次に、図１４および図１５（ａ）、（ｂ）を参照する。
【０１１９】
第２導光体３０Ａは、Ｘ軸方向に延びた断面が長方形（ａ2×ｂ2）の形状を有し、ＸＹ平面に平行な面（プリズム面）には、Ｘ方向の長さがｃ2のプリズムがＸ方向に配列されている。個々のプリズムは、光ビームをＺ方向に反射する第２斜面３４ａを有している。第２斜面３４ａは、Ｘ方向に傾斜しており、ＸＹ平面に対してα22（０°超４５°以下）の角度をなす。これと対になるβ22の角度をなす第２斜面を有する。
【０１２０】
プリズムは、第２斜面３４ａと対をなす斜面（ＸＹ平面に対してβ22の角度をなす斜面）を有するが、この斜面に光ビームが入射すると迷光が生じるので、光ビームがこの斜面に入射しないように、β22＞２・α22−θｘの関係を満足するように、β22を設定する。迷光を生じると、観察者（眼）が見る虚像に悪影響を与える。
【０１２１】
プリズム（第２斜面３４ａ）の配列ピッチｐ2は、各画素からの光ビームが一様の強度で第２斜面３４ａに到達するように、第２受光面３１Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定される。これに加えて、あるいは、これに代えて、第２導光部３０Ａの厚さを、第２受光面３１Ｂから遠ざかるほど小さくなるように設定してもよい。導光体の構成は、種々知られており、公知の構成を広く利用することができるが、表示品位の観点から、上述の第２斜面３４ａを有する第２導光部３０Ａを用いることが好ましい。
【０１２２】
図１４に示すように、カップリング部１０Ｂの第１受光面１２Ｂは、ＸＺ平面をＺ軸中心に（９０−２・α22）だけ回転したＸ’Ｚ平面において、ＸＹ平面に対して２・α22の角度をなすように配置される。このとき、コリメート光学系６０でコリメートされた光ビームの中心方向が、第１受光面１２Ｂに略垂直で入射するように配置する。このように配置すると、第１受光面１２Ｂに入射する各画素から出射された光ビームは、第１導光部２０Ｂを伝搬する過程で第１斜面２４でＹ方向に反射される。このとき、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は維持され、ＹＺ平面で見ると、第１導光部２０ＢのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α22±θｙの角度をなす（図１５（ｂ）参照）。同様に、第２導光体３０Ｂに入射した各画素からの光ビームは、ＹＺ平面で見ると、第２導光部３０ＢのＸＹ平面の法線（Ｚ軸）に対して２・α22±θｙの角度をなし、第２導光部３０Ｂの内部を全反射（total internal reflection）を繰り返しながら伝搬する。この過程でプリズムミラーの第２斜面３４ａに到達し、Ｚ方向に反射されて第２導光体３０Ｂを第２出射面３９Ｂから出射する。このと、各画素から出射された光ビームの進行方向と、中央方向との角度差は、維持される。但し、各光ビームの広がり（直径）は、Ｙ方向に拡大される。
【０１２３】
第２導光体３０Ｂの具体的な構成の例を以下に示す。
画面上下方向（Ｙ方向）における光ビームの角度差（虚像の画角）：±θ0（ｙ）＝±９度
材料：シクロオレフィン樹脂、例えば、日本ゼオン社製のゼオノア樹脂（屈折率ｎ≒１．５３）
θｙ＝ｓｉｎ-1（ｓｉｎ（θ0（ｙ））／ｎ）≒５．８９度
θｙは、第１受光面１２Ｂに入射角θ0（ｙ）で入射した光ビームの屈折角
α22＝３３度
β22＝４５度
第２導光部３０Ａの断面形状：ａ2s（Ｚ方向）×ｂ22（Ｘ方向）＝１．０ｍｍ×５０ｍｍ
プリズムの幅：ｃ22＝０．１ｍｍ
プリズムのピッチ：ｐ22＝０．８ｍｍ〜０．３ｍｍ
反射層３６ａ：Ａｌ（アルミニウム）層、厚さ数十〜数百ｎｍ
透明樹脂層３８：紫外線硬化性樹脂、厚さ数十〜数百μｍ
【０１２４】
次に、図１６（ａ）および（ｂ）を参照して、カップリング部１０Ｂの具体的な構成の例を以下に説明する。図１６（ａ）は、カップリング部１０Ｂに入射した光ビーム（中心方向および左右方向）の光路を示す図であり、図１６（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図である。
【０１２５】
第１受光面１２Ｂは所定の傾きを有するだけでなく、十分なサイズを有することが好ましい。図７（ａ）を参照して説明したように、第１受光面１２Ｂのサイズが不十分な場合、第１導光部２０Ｂおよび／または第２導光体３０Ｂの内部を光ビームが伝搬する際、光ビームが存在しえない領域が存在し、結果的に、出射光が存在しえない領域が発生する（虚像が欠ける）ためである。
【０１２６】
第１受光面１２Ｂに入射するコリメートされた光ビームの画面の上下方向の差±θｙ、および画面の左右方向の差±θｘを考慮し、これらの光ビームが第１導光部２０Ｂ、および第２導光部３０Ｂの内部で一様に存在し得るように、第１受光面１２Ｂのサイズを設定する。第１受光面１２Ｂのサイズは、作図によって求めることができる。
【０１２７】
上述した第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂのサイズの場合、図１６（ｂ）に示すように、ｄ21≒５．６ｍｍ、ｄ22≒３．４ｍｍ、ｄ23≒４．４ｍｍ、ｄ24≒３．４ｍｍの台形とする。これは、第１導光部２０Ｂの断面サイズａ21に対応して、ｄ21およびｄ23をａ21の２倍以上、概ね３倍とし、第２導光部３０Ｂの断面サイズａ22に対応して、ｄ22およびｄ24をａ22の２倍以上、概ね４倍とした例である。このように、ｄ21およびｄ23をａ21の２倍以上とし、ｄ22およびｄ24をａ22の２倍以上とすれば、上述の問題の発生を抑制し、欠けのない虚像を形成することができる。
【０１２８】
次に、図１７（ａ）〜（ｃ）を参照する。図１７（ａ）および（ｂ）は、コリメート光学系６０による収差を説明するための図であり、図１７（ａ）は左右方向の収差を、図１７（ｂ）は上下方向の収差をそれぞれ示し、図１７（ｃ）は、虚像５０’におけるボケの様子を示す図である。
【０１２９】
一般に、コリメート光学系６０には収差があり、コリメート光学系６０の光軸上に配置された表示パネル５０の画面中央から出射された表示光は、コリメートされ、比較的精度のよい（平行度が高い）光ビームとなるが、画面中央から離れるにつれて、光ビームの平行度が低下する。言い換えると、コリメートされた光ビームのなかに、所定の画素に隣接する画素から出射された表示光が混入する。したがって、光ビームの平行度低下は、最終的に観察される虚像のぼけとなる（図１７（ｃ）の虚像５０’中のボケを参照）。
【０１３０】
また、表示パネル５０は横長（アスペクト比４：３または１６：９など）であることが多いため、表示領域の中央の上下端、中央左右端の順に平行度が低下し、表示領域の４隅で最も平行度が低い。
【０１３１】
図１７（ａ）〜（ｃ）にコリメート光学系６０の一般的な収差の様子の一例を図示する。この例は、光軸上の画面中央から離れるにしたがって、所定の画素からの平行光に、同心円方向に隣接する画素の表示光が多く混入し、同心円に垂直方向に隣接する画素の表示光の混入が比較的少ない場合である。ここで、所定の画素からの平行光に混入する隣接画素からの表示光はコリメート光学系６０の外周部を通過する。
【０１３２】
したがって、コリメート光学系６０にこのような収差がある場合、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光が虚像の画面隅、および左右端で大きなぼけを引き起こす。逆に、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光を第１導光部２０Ａに入射させなければ虚像のぼけを低減できる。
【０１３３】
図１８（ａ）および（ｂ）を参照して、表示パネル５０およびコリメート光学系６０と、第１受光面１２Ａまたは１２Ｂとの配置関係を説明する。
【０１３４】
ＨＭＤ１００Ａにおいては、図１８（ａ）に示すように、カップリング部１０Ａの第１受光面１２Ａは、表示パネル５０の左右方向に短く、上下方向に長い。したがって、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光を受けて、虚像の画面隅および左右端で大きなぼけが発生しやすい。
【０１３５】
これに対し、ＨＭＤ１００Ｂにおいては、図１８（ｂ）に示すように、カップリング部１０Ｂの第１受光面１２Ｂは、表示パネル５０の左右方向に長く、上下方向に短い。したがって、コリメート光学系６０の上下領域から出射する光を受けず、虚像の画面隅、および左右端でぼけを抑制することができる。
【０１３６】
したがって、図１７に例示したような収差を持つコリメート光学系６０では、ＨＭＤ１００Ｂのように、第１受光面１２Ｂを配置することが好ましい。
【０１３７】
なお、コリメート光学系６０の収差は様々な特性を持ちえるので、その特性に応じて、ＨＭＤ１００ＡまたはＨＭＤ１００Ｂの構成を適宜選択すればよい。
【０１３８】
図１９に、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｃの模式的な斜視図を示す。上述のＨＭＤ１００Ａおよび１００Ｂは、単眼（片目）で虚像を見られる構成であるのに対し、ＨＭＤ１００Ｃは、両眼で虚像をみることができる構成を有している。
【０１３９】
ＨＭＤ１００Ｃは、唯一の第１導光体１Ｃに対して、第１の方向（Ｘ方向）に並列に配列された２つの第２導光体３０Ｂを有している。第１導光体１Ｃは、第１導光体１Ｂと類似の構成を有しており、２つの第１導光部２０Ｂを連結する連結導光部２０ｃを有している点で、第１導光体１Ｂと異なる。２つの第１導光部２０Ｂの間の距離（連結導光部２０ｃの長さ）は、両眼の間隔に合わせて調整され得る。このような構成を作用すると、片目ずつＨＭＤ１００ＡまたはＨＭＤ１００Ｂを用意するよりも、部品点数を削減できる。もちろん、第１導光体１Ｃは、２つの第１導光部２０Ｂと連結導光部２０ｃとを一体に形成したものを用いることもできる。
【０１４０】
本明細書は、以下の項目に記載のライトガイドおよびヘッドマウントディスプレイを開示している。
【０１４１】
［項目１］
コリメートされた光ビームを受ける第１受光面と、前記第１受光面から入射した光ビームを第１の方向に伝搬させる第１導光部と、前記第１導光部内を伝搬する光ビームを前記第１の方向と交差する第２の方向に向けて出射させる第１出射面とを有する第１導光体と、
前記第１出射面から出射された光ビームを受ける第２受光面と、前記第２受光面から入射した光ビームを前記第２の方向に伝搬させる第２導光部と、前記第２導光部内を伝搬する光ビームを前記第１および第２の方向と交差する第３の方向に向けて出射する第２出射面とを有する第２導光体と
を備える、ライトガイド。
項目１のライトガイドは、観察される虚像の明るさのむらを抑制することができる。
【０１４２】
［項目２］
前記第１導光体は、前記第１受光面を有するカップリング部を有し、
前記第１受光面は、前記第１、第２および第３の方向に対して、所定の角度で傾斜している、項目１に記載のライトガイド。
項目２のライトガイドは、光の利用効率を効果的に高めることができる。
【０１４３】
［項目３］
前記第１導光体は、前記第１の方向に傾斜した複数の第１斜面を有し、
前記複数の第１斜面は、前記第１導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第２の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第１の方向に拡大する、項目１または２に記載のライトガイド。
項目３のライトガイドを用いると、虚像を観察できる範囲（視野角）が第１の方向に拡大される。
【０１４４】
［項目４］
前記第２導光体は、前記第２の方向に傾斜した複数の第２斜面を有し、
前記複数の第２斜面は、前記第２導光部内を伝搬する前記光ビームを前記第３の方向に反射するとともに、前記光ビームを前記第２の方向に拡大する、項目３に記載のライトガイド。
項目４のライトガイドを用いると、虚像を観察できる範囲（視野角）が第２の方向にも拡大される。
【０１４５】
［項目５］
前記複数の第１斜面は、前記第１および第３の方向を含む平面Ｐ13に対して、角α1をなし、前記複数の第２斜面は、前記第１および第２の方向を含む平面Ｐ12に対して、角α2をなし、前記角α1および角α2は、それぞれ独立に４５°以下である、項目４に記載のライトガイド。
項目５のライトガイドを用いると、表示品位の高い虚像を得ることができる。
【０１４６】
［項目６］
前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ23に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ23を前記第３の方向を中心に（９０−２・α1）度だけ回転した平面Ｐ’23において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす、項目５に記載のライトガイド。
項目６のライトガイドを用いると、効率よく光ビームを第１導光部に導くことができる。
【０１４７】
［項目７］
前記第１受光面は、前記第１導光部の平面Ｐ23に平行な断面の前記第２の方向の長さの２倍以上の長さの辺と、前記第１導光部の平面Ｐ13に平行な断面の前記第３の方向の長さの２倍以上の長さの辺とを有する、項目５または６に記載のライトガイド。
項目７のライトガイドを用いると、欠けのない虚像を形成することができる。
【０１４８】
［項目８］
前記第１導光部は、前記第１の方向に長い棒状部分を有し、前記第２導光部は、前記第１および第２の方向を含む平面に平行な平板状部分を有する、項目１から７のいずれかに記載のライトガイド。
項目８のライトガイドは、ＨＭＤに好適に用いられる形状を備えている。
【０１４９】
［項目９］
唯一の前記第１導光体に対して、前記第１の方向に並列に配列された２つの前記第２導光体を有する、項目１から８のいずれかに記載のライトガイド。
項目９のライトガイドは、両眼で虚像をみることができるＨＭＤに用いられる。
【０１５０】
［項目１０］
表示パネルと、
前記表示パネルから出射された表示光をコリメートし、コリメートされた光ビームを出射するコリメート光学系と、
項目１から９のいずれかに記載のライトガイドと
を有し、
前記ライトガイドは、前記第１受光面が前記コリメート光学系でコリメートされた前記光ビームを受光するように配置されている、ヘッドマウントディスプレイ。
項目１０のＨＭＤは、明るさのむらが抑制された虚像を観察することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明によるライトガイドは、ＨＭＤ、ＨＵＤや他の虚像ディスプレイ等に用いることができる。
【符号の説明】
【０１５２】
１Ａ      第１導光体
１２Ａ    第１受光面
２０Ａ    第１導光部
２９Ａ    第１出射面
３０Ａ    第２導光部（第２導光体）
３１Ａ    第２受光面
３９Ａ    第２出射面
１００ａ  ライトガイド
１００Ａ  ＨＭＤ
【図１】
2015076335.tif 000003
【図２】
2015076335.tif 000004
【図３】
2015076335.tif 000005
【図４】
2015076335.tif 000006
【図５】
2015076335.tif 000007
【図６】
2015076335.tif 000008
【図７】
2015076335.tif 000009
【図８】
2015076335.tif 000010
【図９】
2015076335.tif 000011
【図１０】
2015076335.tif 000012
【図１１】
2015076335.tif 000013
【図１２】
2015076335.tif 000014
【図１３】
2015076335.tif 000015
【図１４】
2015076335.tif 000016
【図１５】
2015076335.tif 000017
【図１６】
2015076335.tif 000018
【図１７】
2015076335.tif 000019
【図１８】
2015076335.tif 000020
【図１９】
2015076335.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月20日(2016.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ13に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ13を前記第３の方向を中心に（９０−２・α1）度だけ回転した平面Ｐ'13において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす、請求項５に記載のライトガイド。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ある実施形態において、前記第１受光面は、平面Ｐ12において、平面Ｐ13に対して２・α1の角度をなし、かつ、平面Ｐ13を前記第３の方向を中心に（９０−２・α1）度だけ回転した平面Ｐ'13において、平面Ｐ12に対して２・α2の角度をなす。例えば、α1は１以上３０以下が好ましい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態によるヘッドマウントディスプレイ１００Ａの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａの第２導光体（第２導光部）３０Ａが有するプリズム領域３２Ａの模式的な拡大図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、（ｂ）は、表示領域の下端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、（ｃ）は、表示領域の上端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示し、（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示し、（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示している。
【図４】（ａ）は、第１導光体１ＡをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ａのプリズム領域２２Ａにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。
【図５】（ａ）は、ライトガイド１００ａをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの入射角を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、（ｃ）は、第１導光部２０Ａおよび第２導光部３０Ａにおける光ビームの光路を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、第２導光体３０Ａ、開口部を有する反射層３６ａおよび透明樹脂層３８の製造方法の例を説明するための模式図である。
【図７】（ａ）は、カップリング部１０Ａがない場合の第１導光部２０Ａ内を伝搬する光ビーム（中心方向）の光路を示す図であり、（ｂ）は、カップリング部１０Ａに入射した光ビーム（中心方向および上下方向）の光路を示す図であり、（ｃ）は、カップリング部１０Ａの形状を説明する図である。
【図８】（ａ）は、本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｂの模式的な斜視図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂの第２導光体（第２導光部）３０Ｂが有するプリズム領域３２Ｂの模式的な拡大図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ａ）は、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビーム（破線）の光路を示し、（ｂ）は、表示領域の右端の画素から出射された光ビーム（一点鎖線）の光路を示し、（ｃ）は、表示領域の左端の画素から出射された光ビーム（実線）の光路を示している。
【図１０】（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ａをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の中央の画素から出射された光ビームの光路（破線）を示す。
【図１１】（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の下端の画素から出射された光ビームの光路（一点鎖線）を示す。
【図１２】（ａ）は、カップリング部１０ＢをＸＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、表示パネル５０の表示領域の上端の画素から出射された光ビームの光路（実線）を示す。
【図１３】（ａ）は、第１導光体１ＢをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ｂのプリズム領域２２Ｂにおける光ビームの光路を示す模式的な図である。
【図１４】ライトガイド１００ｂをＸＹ平面に垂直な方向から見たときの構造と、光ビームの光路を示す模式的な図である。
【図１５】（ａ）は、ライトガイド１００ｂをＹＺ平面に垂直な方向から見たときの構造を示す模式的な図であり、（ｂ）は、第１導光部２０Ｂおよび第２導光部３０Ｂにおける光ビームの光路を示す模式図である。
【図１６】（ａ）は、カップリング部１０Ｂに入射した光ビーム（中心方向および左右方向）の光路を示す図であり、（ｂ）は、カップリング部１０Ｂの形状を説明する図である。
【図１７】（ａ）および（ｂ）は、コリメート光学系６０による収差を説明するための図であり、（ａ）は左右方向の収差を、（ｂ）は上下方向の収差をそれぞれ示し、（ｃ）は、虚像５０'におけるボケの様子を示す図である。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は、表示パネル５０およびコリメート光学系６０と、第１受光面１２Ａまたは１２Ｂとの配置関係を示す図である。
【図１９】本発明の他の実施形態によるＨＭＤ１００Ｃの模式的な斜視図である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
第１導光部２０Ａの第１出射面２９Ａから出射された光ビームは、第２導光体（第２導光部）３０Ａの第２受光面３１Ａに入射する。第２導光部３０Ａに入射した光ビームは、第２導光部３０Ａの内部を伝搬する過程で、プリズム領域３２ＡにＸ方向に配列された複数の第２斜面３４ａでＺ方向に反射されて、第２斜面３４ａが形成されている面（プリズム面）に対向する第２出射面３９Ａから第２導光部３０Ａを出射する。このとき、光ビームはＸ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｙおよび上記±θｘ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａは、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層３６ａを設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。さらに、反射層３６ａ上にオプショナルな透明樹脂層３８が形成されている。反射層３６ａが開口部を有する場合、第２導光部３０Ａと屈折率が同じまたは十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
次に、図６（ｂ）に示すように、反射層３６ａ上に、例えば、紫外線硬化性樹脂を付与し、これに紫外線を照射することによって、表面が平坦化な透明樹脂層３８を形成する。第２導光部３０Ａと屈折率が同じ、または十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。透明樹脂層３８を形成する材料は、紫外線硬化性樹脂に限られず、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることもできる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０５】
第１導光部２０Ｂの第１出射面２９Ｂから出射された光ビームは、第２導光体（第２導光部）３０Ｂの第２受光面３１Ｂに入射する。第２導光部３０Ｂに入射した光ビームは、第２導光部３０Ｂの内部を伝搬する過程で、プリズム領域３２ＢにＹ方向に配列された複数の第２斜面３４ａでＺ方向に反射されて、第２斜面３４ａが形成されている面（プリズム面）に対向する第２出射面３９Ｂから第２導光部３０Ｂを出射する。このとき、光ビームはＹ方向に拡大される。なお、各画素からの光ビームと中央画素からの光ビームとの角度差（上記±θｘおよび上記±θｙ）は保持される。なお、プリズム面の上には、オプショナルな反射層３６ａが形成されている。反射層３６ａは、例えば、アルミなどの金属で形成される。反射層３６ａを設けることによって、プリズム面に臨界角よりも小さい角度で入射する光ビームをも反射することができるので、光の利用効率を高めることができる。さらに、反射層３６ａ上にオプショナルな透明樹脂層３８が形成されている。反射層３６ａが開口部を有する場合、第２導光部３０Ａと屈折率が同じまたは十分に近い透明樹脂層３８を設けることによって、開口部を透過する光によって形成される像が二重に見えることを抑制することができる。
【国際調査報告】
2015076335.tif 000022
2015076335.tif 000023
2015076335.tif 000024
2015076335.tif 000025