(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、前記画像表示素子からの画像光を拡大して射出する拡大光学系と、前記拡大光学系からの画像光を導光して虚像表示のために射出するライトガイドと、を備える虚像光学系であって、
前記ライトガイドは、前記画像光が入射される凹面形状を有する光線入射部と、入射された前記画像光を導光して取り出す画像取り出し部と、取り出された前記画像光を外部に射出する光線射出部とが設けられた導光部材を有し、
前記拡大光学系の焦点距離をＣｆ、前記ライトガイドの焦点距離をＬｆ、虚像光学系全系の焦点距離をｆとし、以下の条件（１）または条件（２）のいずれかを満足することを特徴とする虚像光学系。
０．５＜Ｃｆ／ｆ＜３．０ ・・・条件（１）
Ｌｆ＜０ ・・・条件（２）
【請求項２】
前記光線入射部は、曲率を有する形状で構成されている
請求項１記載の虚像光学系。
【請求項３】
前記光線入射部は、前記導光部材に当接される部品である
請求項１又は２に記載の虚像光学系。 
【請求項４】
前記導光部材の前記画像取り出し部は、前記光線射出部に対して傾斜し前記画像光を前記光線射出部に導光して取り出す第１面を備える
請求項１乃至３のいずれかに記載の虚像光学系。
【請求項５】
前記導光部材の前記画像取り出し部は、前記光線射出部と平行な第２面を有し、前記第１面と前記第２面が階段状に交互に配置されている
請求項４に記載の虚像光学系。
【請求項６】
前記導光部材の前記画像取り出し部は、前記第１面と前記第２面との間に設けられ、前記第２面に向かって傾斜する傾斜面をさらに備える
請求項５に記載の虚像光学系。
【請求項７】
前記拡大光学系は、複数のレンズからなり、前記画像表示素子に最も近いレンズは、均一な肉厚のうねった形状のレンズ面を有する
請求項１乃至６のいずれかに記載の虚像光学系。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の虚像光学系と、
前記虚像光学系の画像表示素子を照明する光源と、を備えた
虚像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライトガイドを用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元の画像を虚像光学系により拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する装置として、ライトガイドを用いた虚像表示装置が知られている。かかる虚像表示装置で用いられるライトガイドの一形態として、近年、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ、以下「ＨＭＤ」と称する。）が普及し始めている。ＨＭＤは、シースルーである透過型と非透過型に分類される。透過型のＨＭＤは、例えばＧｏｏｇｌｅ ＬＴＤ．（米国）のＧｏｏｇｌｅｇｌａｓｓ（商標登録）がある。非透過型のＨＭＤに関しても、その没入感から、各社から種々の提案がなされている。
【０００３】
透過型のＨＭＤは、情報端末と組み合わせて使用したりＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）等の提供用として使用するため、小型で携帯性が良いものが望まれている。非透過型のＨＭＤは、映画鑑賞やゲームやＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）等の提供用として使用するため、没入感が得られる広視野角であることが望まれている。
【０００４】
ＨＭＤの外形や大きさに関しては、本体サイズの小型化、薄肉化を重視すると視野角が狭くなる傾向にあり、逆に、表示エリアを広視野角にすると本体サイズが大型化、厚肉化する傾向にある。
【０００５】
近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉、小型、かつ、広視野角であることが要請されるようになり、かかる要請を考慮した透過型の虚像表示装置として、例えば特許文献１乃至３が知られている。
【０００６】
特許文献１の虚像表示装置は、導光板の光線入射部と光線射出部とを同一面上に位置させ、コリメート光学系の投射レンズの主光線を導光板に対して垂直に入射するように配置し、光透過性基板に２つ以上の主要面及びエッジを設ける。この虚像表示装置では、全反射によって光透過性基板に光を結像させる手段及び光透過性基板に設けられる１つ以上の部分的反射面を備える。
【０００７】
特許文献２の虚像表示装置は、２つの面を備えた光導波路において、光ビームを光導波路内に入射させるための注入部分を有し、光導波路の２つの面による連続反射によって光導波路中を伝搬して光ビームを射出させる。この虚像表示装置では、光導波路の２つの面の内の一の面上の平らな表面に微細構造を有し、光導波路の２つの面を平行にすることによって、透過する像と虚像とを重ね合わせる。
【０００８】
特許文献３の虚像表示装置は、自由曲面を有する導光板を使用し、投射レンズを導光板に対して傾斜して配置し、投射レンズから射出される光線で導光板内に中間像を形成させ、導光板の画像取り出し部で導光板内に形成された中間像を拡大化して虚像を表示するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ライトガイドを小型に実現できる虚像光学系及び虚像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る虚像光学系は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子と、前記画像表示素子からの画像光を拡大して射出する拡大光学系と、前記拡大光学系からの画像光を導光して虚像表示のために射出するライトガイドと、を備え、前記ライトガイドは、前記画像光が入射される凹面形状を有する光線入射部と、入射された前記画像光を導光して取り出す画像取り出し部と、取り出された前記画像光を外部に射出する光線射出部とが設けられた導光部材を有し、前記拡大光学系の焦点距離をＣｆ、前記ライトガイドの焦点距離をＬｆ、虚像光学系全系の焦点距離をｆとし、以下の条件（１）または条件（２）のいずれかを満足する。
０．５＜Ｃｆ／ｆ＜３．０ ・・・条件（１）
Ｌｆ＜０ ・・・条件（２）
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ライトガイドを小型に実現できる虚像光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用した虚像光学系の第１の実施形態を示す平面図であり、画像表示素子、拡大光学系、及びライトガイドの位置関係を示す。
【図２】上記虚像光学系の光路図である。
【図３】上記虚像光学系の光路等を説明するための斜視図である。
【図４】虚像光学系の第２の実施形態を示す平面図である。
【図５】虚像光学系の第３の実施形態を示す平面図である。
【図６】虚像光学系の第４の実施形態を示す平面図である。
【図７】ライトガイドの導光部材の部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。
【図８】光学部材の一の構成例、及び、導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。
【図９】導光部材と光学部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は図８の導光部材と光学部材の場合、（ｂ）は図８の導光部材と他の構成例の光学部材の場合である。
【図１０】導光部材の他の実施形態を説明する部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。
【図１１】図１０の導光部材と光学部材の配置状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は画像取り出し部を拡大して示す図、（ｂ）は画像取り出し部をさらに拡大して示す図である。
【図１２】導光部材と光学部材を接着剤で接合した状態を示す部分拡大平面図であり、（ａ）は図１０の導光部材と光学部材の場合、（ｂ）は図１０の導光部材と他の構成例の光学部材の場合である。
【図１３】虚像光学系で用いられる光学系の一例を示す光学配置図である。
【図１４】図１３の光学系の収差図である。
【図１５】虚像光学系で用いられる光学系の他の一例を示す光学配置図である。
【図１６】図１５の光学系の収差図である。
【図１７】第１の実施形態の虚像光学系を備えた虚像表示装置を示す平面図である。
【図１８】各実施形態のライトガイドを眼鏡型のＨＭＤに適用した例を表す模式図であり、（ａ）はライトガイドを両眼一体型とした場合、（ｂ）及び（ｃ）は、ライトガイドを単眼型とし、左右の目に各々適用した場合及び片方の目に適用した場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態を説明する。以下の実施形態は、透過型のライトガイドを用いた虚像光学系及び虚像表示装置に関するものであり、最初に、虚像表示装置用の虚像光学系の構成を説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１乃至図３に示す第１の実施形態の虚像光学系は、表示画像の画像光を出力する画像表示素子１０と、画像表示素子１０からの画像光を拡大して射出する拡大光学系３００と、ライトガイド５０と、を備える。ライトガイド５０は、拡大光学系３００から拡大して射出される画像光を内部に導光し、虚像表示のために外部すなわち観察者の目に向けて射出する役割を担うものである。図２は、かかる虚像光学系の光路を矢印で示すとともに、観察者の目を模式的に描いている。以下、ライトガイド５０の面に関し、観察者から見て手前側（図２において下側）の面を「後面」とし、奥側（図２において上側）の面を「前面」として説明する。
【００１５】
画像表示素子１０は、ライトガイド５０を通じて表示する虚像の基となる表示画像の画像光を出力するデバイスである。画像表示素子１０は、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や液晶表示素子が好適であるが、他にも種々の表示方式のものが適用できる。例えば、画像表示素子１０として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）が適用可能である。また、画像表示素子１０として、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）が適用可能である。さらに、画像表示素子１０として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が適用可能である。
【００１６】
拡大光学系３００は、画像表示素子１０から出力される上述の画像光を拡大し平行光として射出する。図１乃至図３に示すように、第１の実施形態では、拡大光学系３００は、その射出光の中心軸（光軸）が、ライトガイド５０の後述する光線射出部１０４に対して傾きを有するように配置される。拡大光学系３００の構成例については後述する。
【００１７】
（ライトガイド）
ライトガイド５０は、拡大光学系３００から入射される画像光を内部に導光し、外部すなわち観察者の目に向けて射出することで、画像光を観察者に虚像として提供するものである。ライトガイド５０は、図２に示すように、画像光の入射、導光及び射出を行うための導光部材１００と、ライトガイド５０のシースルー性を確保するため導光部材１００と一体をなすように設けられる光学部材２００と、を備える。
【００１８】
（導光部材）
ライトガイド５０の導光部材１００は、拡大光学系３００からの画像光が入射される光線入射部１０１と、画像光を外部に射出する光線射出部１０４と、を有する。導光部材１００の光線射出部１０４は、平面となっている。また、シースルー性を良好にするために、導光部材１００は、光線射出部１０４が設けられた後面と、奥側（図１において上側）の前面１０５とが、互いに平行に形成されている。
【００１９】
導光部材１００は、光線入射部１０１から入射された画像光を光線射出部１０４に導光して取り出すための画像取り出し部１０３を備える。画像取り出し部１０３の具体的な構成は後述する。導光部材１００の材質としては、シースルー性を考慮すると透過性の高い材質が好ましく、さらに、後述する画像取り出し部１０３の加工を考慮すると、樹脂で成形することが好ましい。
【００２０】
導光部材１００の光線入射部１０１は、図１乃至図３に示すように、光線入射部１０１が設けられる面すなわち光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１に対して凸状に盛り上がる形状を有し、拡大光学系３００からの画像光が入射される面が、曲率を有する凹面Ｓ２となっている。このように、光線が入射される面を凹面にすることで、拡大光学系３００からの画像光を導光部材１００の内部に効果的に取り込むことが可能となる。
【００２１】
すなわち、光線入射部１０１の光線入射面を凹面形状とすることで、ライトガイド５０は、負の屈折力を有することになる。そして、ライトガイド５０は、光線入射部１０１に入射した拡大光学系３００からの画像光の光線を効果的に発散させることができ、広視野角の実現を容易にすることができる。
【００２２】
この実施形態では、光線入射部１０１が設けられる面すなわち光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１は、図３に示すように、光線射出部１０４に対して所定の角度、この例では鈍角で傾斜している平面になっている。
【００２３】
拡大光学系３００と導光板の光線入射部分１０１の光軸を合わせるために、光線入射部１０１における凹面Ｓ２の周囲の部位は、光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１に対して凸状に盛り上がる形状となっている。このように、光線入射部１０１における凹面Ｓ２の周囲の部位を凸形状にしておくことにより、拡大光学系３００の機構部と接続して一体化する際に、かかる機構部の枠を凹面Ｓ２の周囲の凸形状の部位と当接させることが可能となる。ライトガイド５０と拡大光学系３００との位置合わせは、生産の安定性を図る上では重要な要素であり、上述の様な形状とすることが望ましい。また、このような形状とすることによって、部品点数を減らし、虚像光学系全体の大きさをコンパクトにすることが可能となる。
【００２４】
この実施形態では、図３に示すように、光線入射部１０１における凹面Ｓ２の周囲の部位は、凹面Ｓ２を平面視で正方形状に取り囲むように、角柱状に突起した形状となっている。凹面Ｓ２を取り囲む突起形状は、これに限られず、例えば、凹面Ｓ２を平面視で円形状に取り囲むように、円柱状に突起した形状としてもよい。或いは、凹面Ｓ２を平面視で多角形状に取り囲むように、角柱状に突起した形状としてもよい。
【００２５】
図１乃至図３では、光線入射部１０１を導光部材５０と一体成形した構成例を示している。他の構成例として、光線入射部１０１を導光部材５０とは別体の部品とし、導光部材に対して当接する構成とすることもできる（図３参照）。
【００２６】
光線入射部１０１から入射した画像光はライトガイド５０内を全反射して導光され、画像取り出し部１０３で反射した光線は、全反射角以上の角度で光線射出部１０４に導かれ、光線射出部１０４から外部に射出される。ユーザは、光線射出部１０４からの射出光を覗くことで、虚像を確認することができる。
【００２７】
（虚像光学系の変形例）
図４乃至図６を参照して、虚像光学系の他の実施形態について説明する。
【００２８】
（虚像光学系の第２の実施形態）
虚像光学系の第２の実施形態を図４に示す。第２の実施形態は、ライトガイド５０の導光部材１００の構造が上述した第１の実施形態とは異なっている。すなわち、第１の実施形態では、導光部材１００の光線入射部１０１は、光線射出部１０４に対して傾斜した方向に位置している。これに対して、第２の実施形態では、図４に示すように、導光部材１００は、光線入射部１０１が光線射出部１０４の面に対して平行な位置に配置されている。すなわち、光線入射部１０１の周囲の面Ｓ１と光線射出部１０４とは、いずれも導光部材１００の同一面である後面に設けられている。また、本実施形態の導光部材１００は、光線入射部１０１から入射した画像光を反射して内部に導光させるための反射部１０２を備えている。反射部１０２は、光線射出部１０４の面に対し傾斜して形成されている。
【００２９】
このような構造のライトガイド５０は、光線入射部１０１から入射した光線を、反射部１０２で反射させて、導光部材１００内を全反射しながら導光し、光線射出部１０４から射出することができる。
【００３０】
なお、光線入射部１０１と前記反射部１０２とのなす角θは、２０°から３０°の範囲に設定することが望ましい。光線入射部１０１と前記反射部１０２とのなす角θが２０°に満たない場合は、反射部１０２からの光線が光線入射部１０１に再度入射してしまうので望ましくない。光線入射部１０１と前記反射部１０２とのなす角θが３０°を超える場合は、ライトガイド５０の肉厚が厚くなり、重量が嵩むので望ましくない。
【００３１】
（虚像光学系の第３の実施形態）
虚像光学系の第３の実施形態を図５に示す。第３の実施形態は、拡大光学系３００のレンズ構成が第１及び第２の実施形態とは異なっている。また、第３の実施形態における拡大光学系３００を構成する各レンズは、第１及び第２の実施形態と比較して、径方向に大きくなっている。このような構成の拡大光学系３００とすることにより、ライトガイド５０の光線入射部１０１の凹面Ｓ２の径を小さくすることができ、かつ、凹面Ｓ２のサグ量を小さくすることができる。
【００３２】
（虚像光学系の第４の実施形態）
虚像光学系の第４の実施形態を図６に示す。第４の実施形態は、拡大光学系３００を図５で上述した第３の実施形態と同様に各レンズを径方向に大きくし、ライトガイド５０の光線入射部１０１の配置を第１の実施形態と同様にした例である。このように、光線射出部１０４に対して角度を付けて光線入射部１０１を設ける場合には、光線入射部１０１の配置を最適化することにより虚像光学系の全体のサイズを小型に実現することが可能となる。
【００３３】
図１乃至図６で上述した拡大光学系３００のレンズ構成の詳細等については、後述する。
【００３４】
（光学部材）
図１に戻り、ライトガイド５０の光学部材２００を説明する。光学部材２００は、平面テーパー状をなし、導光部材１００の光線射出部１０４に平行な平行面としての前面２１０と、前面２１０に対して傾斜し、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向配置される傾斜部２０３を有する。光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対して近接設置または接合される部位であり、かかる部位の詳細については後述する。
【００３５】
ライトガイド５０は、導光部材１００の前面１０５と光学部材２００の前面２１０とが同一平面になるように面位置を合わせて配置されており、これにより、ライトガイド全体として、前面と後面が平行を保つ形状をなしている。なお、ライトガイドの変形例として、光学部材２００の前面２１０が導光部材１００の前面１０５の位置から前方に出ている或いは後方に引っ込んでいる形状とすることもあり得る。シースルー性を考慮すると、導光部材１００の前面と光学部材２００の前面２１０の面位置は、一致していることが望ましいが、携帯性や用途などを考慮して、かかる両面の面位置をずらす形態としてもよい。但し、導光部材１００の画像取り出し部１０３を外部に露出しないようにすることが望ましい。
【００３６】
ライトガイド５０は、導光部材１００の光線射出部１０４の平面と、光学部材２００の前面２１０とが平行とされる。かかる構成によって、光線射出部１０４を通じてのシースルー性が良好になる。導光部材１００の光線射出部１０４の面と、光学部材２００の前面２１０とが平行でない場合、プリズム効果によりシースルー性が低下するので望ましくない。
【００３７】
（導光部材の画像取り出し部）
次に、図７（ａ）及び（ｂ）の部分拡大平面図を参照して、導光部材１００の画像取り出し部１０３の構成を説明する。図７（ａ）は、導光部材１００の画像取り出し部１０３と光線射出部１０４の各一部を拡大して表し、図７（ｂ）は、画像取り出し部１０３の一部をさらに拡大して表している。また、図７（ｂ）中、光線射出部１０４と平行な仮想面を点線で表している。
【００３８】
画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂとが、交互に配置されており、略階段状の形状をなしている（図７（ｂ）参照）。
【００３９】
ここで、第１面１０３ａは、入射された画像光を光線射出部１０４に導いて光線射出部１０４から射出させる役割を担う面であり、光線射出部１０４に対して傾斜する平面となっている。第１面１０３ａが光線射出部１０４に対して傾斜するθaの角度は、導光部材１００の材質の屈折率にもよるが、２０度から３５度までの範囲に設定することが好ましい。
【００４０】
他方、第２面１０３ｂは、入射された画像光を導光部材１００の内部に導光させる反射面としての役割を担う面であり、光線射出部１０４と平行な平面となっている。したがって、角度θb＝０°である。さらに、第２面１０３ｂは、シースルー性を確保するため、ライトガイド５０の前面及び後面からの外部の光を入射させる透過面としての役割も担っている。
【００４１】
ここで、第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して傾斜させる、すなわち角度θb≠０°に設定すると、導光部材１００内で導光される画像光が、第２面１０３ｂで反射される反射角と、光線射出部１０４で反射される反射角とで一致せずに変化することになる。この場合、光線入射部１０１から入射される光線と光線入射部１０１の法線とのなす角で定義される入射角θinと、光線射出部１０４から射出される光線と光線射出部１０４の法線とのなす角で定義される射出角θoutとが同角度とならない。さらに、画像光が第１面１０３ａ及び光線射出部１０４を通じてライトガイド５０の外部に射出される際に、異なった方向に射出されてしまい、虚像としては思わしくないものとなってしまう。したがって、本実施形態では、角度θb＝０°とし、第２面１０３ｂを光線射出部１０４に対して平行に形成している。
【００４２】
導光部材１００における画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅（図８の左右方向における幅）をｗとすると、ｗの値は、
０．５[ｍｍ]  ＜  ｗ  ＜  ３．０[ｍｍ]
の条件を満たすように設定される。
【００４３】
以下、第２面１０３ｂの幅ｗの設定条件について詳細に説明する。
【００４４】
虚像として確認できる視野の幅を「アイボックス」と称し、虚像が確認できる光線射出部１０４から眼球までの距離を「アイレリーフ」と称する。そして、アイボックスの径をφ、アイレリーフをＬ、ライトガイドの厚みをｔｌ、画像取り出し部１０３が有する光線射出部１０４と平行な面すなわち第２面１０３ｂの数をｎとすると、第２面１０３ｂの幅ｗは、次式で表される。
【００４５】
0006687885.tif 000002
【００４６】
ここで、アイボックスの幅が広いほど見える範囲も広くなるため、通常、アイボックスは広いほうが望ましい。他方、アイボックスを広くすると、ライトガイドの厚みが厚くなり、ライトガイドの設計難易度が高くなりがちとなる。
【００４７】
一般的には、目の瞳の直径は５mm程度であるが、個人差に応じてライトガイド５０の適切な位置設定が必要となるため、アイボックス径φを大きく設定する方が良い。また、後述のようにライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置に適用することを考慮すると、アイレリーフＬは１５mm以上とすることが好ましい。
【００４８】
したがって、例えばアイレリーフを２０mmに設定し、アイボックスを５mm以上１０mm以下に設定すると、第２面１０３ｂの幅ｗは、上記の
０．５[ｍｍ]  ＜  ｗ  ＜  ３．０[ｍｍ]
の条件を満たす必要がある。
【００４９】
画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗが０．５ｍｍに満たない場合、第１面１０３ａの幅が短くなり、入射された画像光の回折現象が生じやすくなるため、望ましくない。
【００５０】
一方、第２面１０３ｂの幅ｗが３．０ｍｍを超える場合、入射された画像光につき、第１面１０３ａを反射して光線射出部１０４から射出される光線の密度が低下し、目の位置における光量が低下するため、望ましくない。したがって、画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂの幅ｗは、０．５[ｍｍ]  ＜  ｗ  ＜  ３．０[ｍｍ]の条件を満たすことが望ましい。
【００５１】
第２面１０３ｂの幅ｗは、各々の第２面１０３ｂで異なる値としてもよい。これにより光量ムラを低減させることが可能となる。
【００５２】
ライトガイド５０の厚みは、１ｍｍから８ｍｍの範囲とすることが望ましい。ライトガイド５０の厚みが１ｍｍに満たないと、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状を形成することが困難となる。他方、ライトガイド５０の厚みが８ｍｍを超えると、広視野角を得るには有利であるが、部材の重量が大きくなることから、好ましくない。
【００５３】
（光学部材）
次に、光学部材２００の構成及び導光部材１００に対する光学部材２００の配置について説明する。図８に、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図８（ａ），（ｂ）に示す例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気層すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。図９（ａ）及び（ｂ）に示す他の例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に接着剤１５０を用いて接合されている。
【００５４】
まず、図８に示す形態から説明する。なお、図８（ｂ）中、前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。光学部材２００の傾斜部２０３は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向した部位に、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが、交互に配置されている（図８（ｂ）参照）。
【００５５】
前面２１０は、導光部材１００の光線射出部１０４と平行な面である。また、第４面２０３ｂは、前面２１０と平行であり、角度θb’＝０°である。したがって、第４面２０３ｂは導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂとも平行であり、θb＝θb’＝０°である。このような設定とすることで、ライトガイド５０のシースルー性を高めることができる。なお、第４面２０３ｂが前面２１０、導光部材１００の光線射出部１０４、第２面１０３ｂに対して平行な面でない場合は、プリズム効果によりシースルー性が低下するので好ましくない。
【００５６】
さらに、２１０に対する第３面２０３ａの角度θa’を、上述した角度θaすなわち光線射出部１０４に対する画像取り出し部１０３の角度と等しい角度に設定することが好ましい。この場合、光学部材２００の第３面２０３は導光部材１００の第１面１０３ａと平行となり、ライトガイド５０のシースルー性をより高めることが可能になる。
【００５７】
ライトガイド５０のシースルー性について最大の効果を得るためには、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向（図８における上方向）に平行移動させたときに、対向する第３面２０３ａとの間のずれを最小限にすることである。組立上、多少のずれが発生するが、目安としては、１０μｍ程度のずれの場合は、シースルー性は保持できる。かかるずれを最小限に留めるには、一例として、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔すなわちエアギャップ１４０を調整する調整機構を取り付けるとよい。
【００５８】
ライトガイド５０のシースルー性を確保するために、導光部材１００と光学部材２００は、相互に同一の材料で作られていることが望ましい。
【００５９】
次に、導光部材１００と光学部材２００が接着剤を介して固定される形態について説明する。図９（ａ）は、図８に示す導光部材１００及び光学部材２００を、接着剤１５０を介して固定した例を示す。導光部材１００及び光学部材２００の対向する各部位は、図８で説明した例と同様に、導光部材１００の各第１面１０３ａと、対向する各第３面２０３ａとの位置が一致するように配置されている。このような配置とすることで、導光部材１００の第２面１０３ｂでの全反射が保持され、かつ、ライトガイド５０のシースルー性を保持することが可能となる。
【００６０】
接着剤１５０の屈折率は、導光部材１００の材質の屈折率よりも低い、または同等であることが望ましい。導光部材１００の材質の屈折率と接着剤１５０の屈折率を同等とする場合は、接着界面にハーフミラー等のコートを施すことで、界面での画像光の反射を確保しつつ、ライトガイド５０のシースルー性を高めることが可能となる。なお、接着剤１５０の屈折率が導光部材１００の材質の屈折率よりも高い場合は、画像光が全反射せずに接着剤１５０の部位で屈折してしまうため、虚像を表示することが困難になる。
【００６１】
図９（ｂ）は、図９（ａ）と同様に、導光部材１００と光学部材２００が接着剤１５０を介して固定されている形態を示しているが、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向する光学部材２００の傾斜部２０３の構成が図９（ａ）の例と異なっている。すなわち、図９（ｂ）に示す例では、光学部材２００の傾斜部２０３は、均一な面すなわち凹凸のない平面になっている。このように傾斜部２０３を平面とした場合でも、接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。
【００６２】
（導光部材の変形例）
次に、導光部材１００の他の構成例について、図１０乃至図１２を参照して説明する。なお、図１０（ｂ）では光線射出部１０４と平行な仮想面を点線で表しており、図１１（ｂ）では、前面２１０と平行な仮想面を点線で表している。
【００６３】
図７乃至図９で説明した上述の実施形態では、画像取り出し部１０３は、第１面１０３ａ及び第２面１０３ｂの２つの平面で構成されている。すなわち、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθb（＝０°）の角度を有する第２面１０３ｂとが交互配置された、略階段状の形状をなすものである。
【００６４】
これに対し、図１０に示す変形例では、画像取り出し部１０３は、４つの平面で構成しており、鋸歯状の形状をなしている。具体的には、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθａの角度を有する第１面１０３ａと、θｂの角度を有する第２面１０３ｂと、θｃの角度を有する傾斜面１０３ｃと、θｄの角度を有する平面１０３ｄが、この順で配された形状となっている。
【００６５】
上記の４つの面の内、第１面１０３ａと第２面１０３ｂの機能や最適範囲等は、上述した実施形態と同様であり、詳述を省略する。
【００６６】
傾斜面１０３ｃは、第１面１０３ａの面積を広く確保する役割、及び導光部材１００の曲げ強度を向上させる役割を有する。傾斜面１０３ｃは、図１０（ｂ）に示すように、平面１０３ｄに向かって傾斜している。言い換えると、傾斜面１０３ｃは、第１面１０３ａとは逆向きに傾斜する。
【００６７】
光線射出部１０４に対する傾斜面１０３ｃの角度θｃは、０°よりも大きく９０°の範囲とされる。角度θｃが０°になると、傾斜面１０３ｃは、第２面１０２ｂと同一面すなわち第２面１０２ｂの一部になるため、上述した実施形態と同じ構成になる。また、角度θｃは、生産性を考慮すると４５°から９０°の範囲とすることが望ましい。さらには、傾斜面１０３ｃは、画像表示素子１０からの画像光が当たると乱反射等の現象が生じるため、出来るだけ画像表示素子１０からの画像光が当たらないような角度範囲とすることが好ましい。
【００６８】
平面１０３ｄは、主にシースルー性を保持するための部位であり、光線射出部１０４に対する角度θｄ＝０°とする、すなわち光線射出部１０４と平行とすることが望ましい。角度θｄ＝０°とする場合には、第２面１０２ｂと同様に、画像表示素子１０からの画像光を平面１０３ｄで反射させる構成とすることもできる。
【００６９】
さらに、図１０の形態のさらなる変形例として、第１面１０３ａ及び傾斜面１０３ｃを図の上方向に伸ばすように拡張することで、画像取り出し部１０３を、平面１０３ｄを有しない３平面構成としてもよい。この場合、画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４に対してθaの角度を有する第１面１０３ａと、光線射出部１０４に対してθbの角度を有する第２面１０３ｂと、光線射出部１０４に対してθｃの角度を有する傾斜面１０３ｃとが連続して配置される。
【００７０】
このように、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とすることで、図７等に示す実施形態と比較して複雑な形状となるが、かかる形状とすることで、第１面１０３ａの面積を相対的に広く取ることができる。したがって、光線射出部１０４から射出される画像光の光量を相対的に多く確保することが可能となる。また、かかる形状とすることで、導光部材１００の曲げ強度の向上を図ることができ、特に導光部材１００が樹脂製の場合に有利になる。すなわち、導光部材１００を樹脂で形成する場合、導光部材１００の厚みが薄くなる先端側で曲げ強度が弱くなるが、傾斜面１０３ｃを追加することによって、曲げ強度を向上させることができる。
【００７１】
図１１及び図１２に、画像取り出し部１０３を４平面構成とした場合の導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示す。図１１（ａ），（ｂ）に示す例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に空気すなわちエアギャップ１４０を介して近接配置されている。図１２に示す他の例では、光学部材２００は、導光部材１００の画像取り出し部１０３に接着剤１５０を用いて接合されている。
【００７２】
また、図１１及び図１２（ａ）に示す例では、光学部材２００は、図８で説明した形状の傾斜部２０３を有する。すなわち、光学部材２００の傾斜部２０３は、前面２１０に対してθa’の角度を有する第３面２０３ａと、前面２１０に対してθb’の角度を有する第４面２０３ｂとが交互に配置された２面構成となっている。角度θa’及びθb’の好適値については上述と同様であり、また、この例でも角度θa＝θa’、角度θb＝θb’となっている。接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる点も上述と同様である。
【００７３】
図１２（ｂ）に示す例は、図９（ｂ）と同様に光学部材２００の傾斜部２０３を凹凸の無い平面とした場合であり、この場合も、接着剤１５０の屈折率を導光部材１００の材質の屈折率と同等かそれ以下とすることにより、高いシースルー性を保つことができる。
【００７４】
傾斜面１０３ｃや平面１０３ｄを追加して画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成とする変形例は、画像取り出し部１０３の全体に施す構成に限られず、画像取り出し部１０３の一部に施してもよい。すなわち、第１面１０３ａと第２面１０３ｂとが交互に配置される図７に示す画像取り出し部１０３の構成を基本としつつ、光量を確保したい部位や曲げ強度を確保したい部位に傾斜面１０３ｃさらには平面１０３ｄを個別に追加することができる。
【００７５】
さらに、画像取り出し部１０３を３平面構成や４平面構成の形状とした場合、対向配置される光学部材２００の傾斜部２０３をかかる３平面や４平面の変形形状に対応した形状とすることもできる。この場合、上述したように、導光部材１００の第１面１０３ａを光線射出部１０４の法線方向に平行移動させたときに、対向する光学部材２００の第３面２０３ａとの間のずれが生じない形状とすることにより、ライトガイド５０のシースルー性が良好となる。かかるずれを無くすために、光学部材２００に、導光部材１００との間の間隔を調整する調整機構を取り付けることができる。
【００７６】
このように、上述した種々の実施形態により、コンパクトで４０度以上の広視野角を実現可能な虚像表示装置用のライトガイド及び虚像光学系が実現される。
【００７７】
（拡大光学系）
以下、拡大光学系３００の構成のさらなる詳細な構成や数値条件等について説明する。上述した各種実施形態において更なる高性能を達成するために、拡大光学系３００及びライトガイド５０に関し、以下の条件（１）または条件（２）のいずれかを満足することが好ましい。
【００７８】
０．５＜Ｃｆ／ｆ＜３．０              ・・・条件（１）
Ｌｆ＜０                              ・・・条件（２）
但し、Ｃｆは拡大光学系３００の焦点距離、ｆは虚像光学系全系の焦点距離、Ｌｆはライトガイド５０の焦点距離である。
【００７９】
条件（１）は、拡大光学系３００の焦点距離Ｃｆと、虚像光学系全系の焦点距離ｆとの比率を表わしている。条件（１）の下限を超える場合、すなわちＣｆ／ｆの値が０．５以下の場合、Ｃｆの焦点距離が小さくなる（屈折力が大きくなる）またはｆの焦点距離が大きくなる（屈折力が小さくなる）ことから、虚像光学系全系が大きくなる傾向となり、コンパクト化には不利になる。他方、条件（１）の上限を超える、すなわちＣｆ／ｆの値が３．０以上の場合、拡大光学系３００の焦点距離が大きくなる（屈折力が小さくなる）または虚像光学系全系の焦点距離が短くなることから、小型化や広視野角化には有利になるが、高性能化を達成しにくくなる。
【００８０】
したがって、拡大光学系３００の焦点距離Ｃｆと、虚像光学系全系の焦点距離ｆとの比率は、０．５＜Ｃｆ／ｆ＜３．０の範囲に設定されることが望ましい。
【００８１】
条件（２）は、ライトガイド５０の焦点距離を示している。ライトガイド５０は、光線入射部１０１が負の屈折力を有しているが、画像取り出し部１０３と画像射出部１０４は屈折力が無いため、シースルー性は保たれており、虚像光学系として成立できる。
【００８２】
以下、拡大光学系３００の具体的構成例として、２つの実施例を説明する。図１、図２及び図４で説明した光学系３００と光線入射部１０１の詳細な構成を図１３に示し、実施例１として説明する。また、図５及び図６の光学系３００と光線入射部１０１の詳細な構成を図１５に示し、実施例２として説明する。
【００８３】
実施例１：
図１３に示す実施例１の拡大光学系３００は、射出側すなわちライトガイド５０側から順に、開口絞り、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５が配置された、４群５枚のレンズ構成となっている。図１３では第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２がそれぞれ正メニスカスレンズのように見えるが、実際はこれらレンズＬ１及びＬ２は、ともに両面が非球面であり、周辺部が変曲点を持つ形状を有する両面凸レンズでとなっている。また、第３レンズＬ３は両側が凸面の正レンズ、第４レンズＬ４は両側が凹面の負レンズ、第５レンズＬ５は両面凸の正レンズである。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は接合されており、接合レンズとしては負の屈折力を有する。
【００８４】
実施例１の拡大光学系３００では、
ライトガイドから第５レンズＬ５までの焦点距離：6.0ｍｍ
Ｆナンバー：2.5
射出角    ：最大37度
とした。
【００８５】
また、
Ｒ：曲率半径
Ｄ：間隔・肉厚
Ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：アッベ数
として、拡大光学系３００の実施例１の数値データを表１に示す。
【００８６】
（表１）
0006687885.tif 000003
【００８７】
表１において、面番号Ｓ１乃至Ｓ１４は、図１３に対応させて射出側から付けており、Ｓ１は光線入射部１０１の外側に位置する平面（図１３参照）、Ｓ２はライトガイド５０の光線入射部１０１の凹面を表す。また、Ｓ３は開口絞り、Ｓ８は第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間に設けられた絞り、Ｓ１４は表示素子１０の表面すなわち画像表示面を表す。表示素子１０からの光線情報はテレセントリックとなっている。
【００８８】
かかる実施例１において、ライトガイド５０の光軸上の光路の長さは、目安として、ライトガイドの肉厚がｔ＝２ｍｍの場合は２５ｍｍ程度、ライトガイドの肉厚がｔ＝４ｍｍの場合は４４ｍｍ程度となる。
【００８９】
表１において、面番号に付加したアスタリスク（＊）は、非球面を表している。すなわち、本実施例では、面番号Ｓ２に対応するライトガイド５０の光線入射部１０１、面番号Ｓ４〜Ｓ７に対応する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の両側の面は非球面である。また、面番号Ｓ８〜Ｓ１３に対応する第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５は、それぞれ、両側とも球面である。
【００９０】
上述の非球面の数値データを表２に示す。
【００９１】
（表２）
0006687885.tif 000004
【００９２】
表２において、上欄のＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７は、上述した非球面の面番号である。また、Ｋは円錐係数であり、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０は、非球面係数である。
【００９３】
上記の円錐係数及び非球面係数を用いて非球面を表すと、周知の次式となる。
Ｘ＝(Ｈ２／Ｒ)／[１＋{１−Ｋ(Ｈ／ｒ)２}１／２］
＋Ｃ４・Ｈ４＋Ｃ６・Ｈ６＋Ｃ８・Ｈ８＋Ｃ１０・Ｈ１０＋・・・
【００９４】
この式において、Ｘは「面頂点を基準としたときの光軸からの高さＨの位置での光軸方向の変位」であり、非球面係数はＣ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０・・・で表される。
【００９５】
上述した条件（１）及び条件（２）について、この実施例１では、
Ｃｆ／ｆ＝２．７３            ・・・条件（１）
｜Ｌｆ｜  ＝  ７．１７             ・・・条件（２）
と設定した場合に最も良い結果が得られた。
【００９６】
実施例１の光学性能を図１４に示す。図１４の上段には、左側から、実施例１の球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれグラフで示す。また、図１４の下段は、コマ収差及び横収差を示し、左側にＴａｎｇｅｎｔｉａｌのグラフを、右側にＳａｇｉｔｔａｌのグラフをそれぞれ示す。球面収差と横収差のグラフに示した３本の線は、各々、Ｒ、Ｇ、Ｂの収差曲線を示しており、Ｒは６５６ｎｍ、Ｇは５４６ｎｍ、Ｂは４３５ｎｍの波長の光線の特性を示している。各々の収差は、図１４に示すように、高度に収差補正されていることが分かる。
【００９７】
実施例２：
図１５に示す実施例２の拡大光学系３００は、４群５枚のレンズ構成となっており、この点では上述した実施例１と同様である。すなわち、実施例２の拡大光学系３００は、ライトガイド５０側から順に、開口絞り、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５が配置されている。この例では、第１レンズＬ１は画像表示素子１０側に対して凸面となる正メニスカスレンズ、第２レンズＬ２は両面非球面であり、面Ｓ６の周辺部分は変曲点を有する面形状であるが、画像表示素子１０側に対して凸面となる正メニスカスレンズである。また、第３レンズＬ３は両側が凸面の正レンズ、第４レンズＬ４は両側が凹面の負レンズである。第３レンズＬ３と第４レンズＬ４は接合されており、接合レンズとしては負の屈折力を有する。第５レンズＬ５は、均肉の波状にうねった形状を有し、負の屈折力を有するレンズである。
【００９８】
実施例２の拡大光学系３００では、
ライトガイドから第５レンズＬ５までの焦点距離：6.0ｍｍ
Ｆナンバー：2.5
射出角    ：最大36度
とした。
【００９９】
また、
Ｒ：曲率半径
Ｄ：間隔・肉厚
Ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：アッベ数
として、実施例２の拡大光学系３００の数値データを表３に示す。
【０１００】
（表３）
0006687885.tif 000005
【０１０１】
表３において、面番号Ｓ１乃至Ｓ１４は、図１５に対応させて射出側から付けており、Ｓ１は光線入射部１０１の外側に位置する平面（図１５参照）、Ｓ２はライトガイド５０の光線入射部１０１の凹面を表す。また、Ｓ３は開口絞り、Ｓ８は第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間に設けられた絞り、Ｓ１４は表示素子１０の表面すなわち画像表示面を表す。表示素子１０からの光線情報はテレセントリックとなっている。
【０１０２】
かかる実施例２において、ライトガイド５０の光軸上の光路の長さの目安は、実施例１と同様であり、ライトガイドの肉厚がｔ＝２ｍｍの場合は２５ｍｍ程度、ライトガイドの肉厚がｔ＝４ｍｍの場合は４４ｍｍ程度である。
【０１０３】
表３において、面番号に付加したアスタリスク（＊）は、非球面を表している。すなわち、実施例２では、面番号Ｓ２に対応するライトガイド５０の光線入射部１０１は非球面である。また、面番号Ｓ８〜Ｓ１３に対応する第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、及び第５レンズＬ５は、それぞれ、両側とも球面である。
【０１０４】
実施例２の上述の非球面の数値データを表４に示す。
【０１０５】
（表４）
0006687885.tif 000006
【０１０６】
表４において、上欄のＳ２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ１２，Ｓ１３は、上述した非球面の面番号である。また、Ｋは円錐係数であり、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、Ｃ１０は、非球面係数である。
【０１０７】
条件（１）及び条件（２）について、この実施例２では、
Ｃｆ／ｆ  ＝  ２．７３            ・・・条件（１）
｜Ｌｆ｜    ＝  ８．２３              ・・・条件（２）
に設定した場合に最も良い結果が得られた。
【０１０８】
実施例２の光学性能を図１６に示す。図１６の上段には、左側から、実施例２の球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれグラフで示す。また、図１６の下段は、コマ収差及び横収差を示し、左側にＴａｎｇｅｎｔｉａｌのグラフを、右側にＳａｇｉｔｔａｌのグラフをそれぞれ示す。球面収差と横収差のグラフに示した３本の線は、各々、Ｒ、Ｇ、Ｂの収差曲線を示しており、Ｒは６５６ｎｍ、Ｇは５４６ｎｍ、Ｂは４３５ｎｍの波長の光線の特性を示している。各々の収差は、図１６に示すように、高度に収差補正されていることが分かる。
【０１０９】
また、本実施例では、表示素子１０に最も近い側のレンズを均肉のうねったレンズ形状のものとすることで、コンパクトでより高性能の虚像光学系が実現できた。すなわち、第５レンズＬ５を均肉のうねったレンズ形状とした本実施例による虚像光学系は、実施例１と比較して光学系３００自体のレンズ全長を短く構成でき、より高性能となった。
【０１１０】
（ライトガイドの実施例）
次に、ライトガイドの具体的な実施例の数値を述べる。
【０１１１】
以下の実施例３及び実施例４では、ライトガイド５０すなわち導光部材１００及び光学部材２００を、屈折率（Ｎｄ）＝１．５４のプラスチック材料としている。また、導光部材１００の画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの角度θａ＝３０度とした。
【０１１２】
実施例３：
導光部材１００の肉厚ｔ＝１mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０ｍｍとした。
【０１１３】
実施例４：
導光部材１００の肉厚ｔ＝４mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０ｍｍとした。
【０１１４】
実施例３は主に軽量化に主眼を置き、実施例４は主に光量を追及したものであり、いずれの実施例でも、水平視野角が４０度で、アイレリーフ１９mm、アイボックス５mmを達成できる。なお、上記の各角度は、絶対値表示である。
【０１１５】
実施例４では、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗを実施例３よりも狭くしている。実施例４では、第２面１０３ｂの幅ｗを狭くした分、画像取り出し部１０３における第１面１０３ａの面の幅を狭くすることができ、光線射出部１０４から射出される光線の密度を高くし、瞳位置における光量の低下を防止することが可能となる。
【０１１６】
なお、変形例として、実施例３と実施例４を掛け合わせた形態としてもよい。具体的には、導光部材１００の肉厚ｔ＝１mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝０．９０ｍｍとすることができる。或いは、導光部材１００の肉厚ｔ＝４mmとし、画像取り出し部１０３における第２面１０３ｂの幅ｗ＝２．２０ｍｍとすることができる。
【０１１７】
上述した実施例によれば、画像表示素子１０から出力される画像光は、その位置情報が拡大光学系３００において角度情報に変換されてライトガイド５０の光線入射部１０１に入射される。そして、かかる画像光が光線射出部１０４から外部に射出される際は、拡大光学系３００からの入射角度が保存された状態で射出されるので、高品質な虚像を表示することができる。また、優れたシースルー性を備え、４０度以上の広い視野角を有する小型のライトガイド５０を実現することができる。
【０１１８】
（虚像表示装置）
上述したライトガイド５０及び虚像光学系を用いた虚像表示装置の構成を図１７に示す。図中、画像光の光線経路を矢印で示すとともに、観察者すなわちユーザの目を模式的に描いている。図１７に示す虚像表示装置は、図１及び図２に示す虚像光学系に対して画像表示素子１０を照明するための光源ＬＳを加えたものであり、同一部分についての説明を省略する。画像表示素子１０は、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどが用いられる。光源ＬＳは、種々のものが適用でき、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、放電ランプなどを用いることができる。
【０１１９】
かかる虚像表示装置によれば、光源ＬＳで照明された画像表示素子１０の画像光は、拡大光学系３００で拡大されてライトガイド５０に入射する。すなわち、拡大光学系３００で拡大された画像光は、ライトガイド５０における導光部材１００の光線入射部１０１から入射して導光部材１００の内部に導光される。導光された画像光は、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射され、光線射出部１０４からユーザの両目に向けて画像情報として射出される。ユーザは、導光部材１００の光線射出部１０４及び光学部材２００を通して前方を覗くことで、画像情報の虚像を視認することができる。
【０１２０】
上述の図１から図１７に示す実施形態では、虚像観察者の左側に導光部材１００の光線入射部１０１を配置して、画像光を虚像観察者の左側から入射する例について説明した。かかる配置を左右逆にする場合、すなわち虚像観察者の右側に導光部材１００の光線入射部１０１を配置して、画像光を虚像観察者の右側から入射する場合も、上述と同一の効果が得られる。
【０１２１】
上述したライトガイド５０を眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を図１８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に例示する。
【０１２２】
図１８（ａ）に示す例は、一つのライトガイド５０を両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、導光部材１００の光線入射部１０１を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。ライトガイド５０は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部４００に固定される。図１８ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部４００は、ライトガイド５０の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。
【０１２３】
他方、図１８（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つのライトガイド５０を小型化して単眼用のＨＭＤに適用した場合である。図１８（ｂ）に示す例は、二つのライトガイド５０，５０をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各ライトガイドの光線入射部１０１は、左右外側に配置される。
【０１２４】
なお、図１８では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部４００に取り付けることができる。すなわち、図１８（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源ＬＳ、画像表示素子１０及び拡大光学系３００を右目側のフレーム部に、図１８（ｂ）に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。
【０１２５】
上述した実施形態では、ライトガイド５０を眼鏡型のＨＭＤに適用した場合について説明した。他方、上述したライトガイド５０は、他の種類のＨＭＤにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）にも適用できる。ライトガイド５０は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。
【０１２６】
以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、小型で４０度以上の広い視野角を有する透過型のライトガイドが実現され、また、ライトガイドを小型に実現できる虚像光学系及び虚像表示装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１０  画像表示素子
３００  拡大光学系
ＬＳ  光源
５０  ライトガイド
１００  導光部材
１０１  光線入射部
Ｌ２  凹面
１０２  反射部
１０３  画像取り出し部
１０３ａ  第１面
１０３ｂ  第２面
１０３ｃ  傾斜面
１０３ｄ  平面
１０４  光線射出部
１５０  接着剤
２００  光学部材
２１０  前面（平行面）
２０３  傾斜部
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２８】
【特許文献１】特許４５０８６５５号公報
【特許文献２】特許５４２１２８５号公報
【特許文献３】特開２０１４−１５３６４４号公報
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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