(57)【要約】【課題】画像上での縦縞による斑の発生を抑制して良好な画像を形成できる虚像表示装置用の導光装置及びこれを組み込んだ虚像表示装置を提供すること。【解決手段】導光装置４０の振動装置５０が導光板２０を導光部の導光方向（±Ｚ方向）について振動させることで、導光方向に配列された多数の反射ユニットを、各反射ユニットの延びる方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｚ方向）に振動させている、すなわち往復移動させている。この振動方向のシフトによって、画像光の光束が届かなかった隙間においても画像光を存在させることができ、隙間に起因して生じ得る縦縞の斑が解消され、良好な画像が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を入射させる光入射部と、対向して延びる第１及び第２の全反射面を有して前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、前記導光部の導光方向に配列され前記導光方向に垂直な方向に延びる複数の反射ユニットを有して前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射ユニットでの光路の折り曲げによって外部へ取出す光射出部と、を有する導光板と、
前記複数の反射ユニットの延びる方向に対して垂直な前記導光方向に前記導光板を振動させる振動装置と、を備える導光装置。
【請求項２】
前記振動装置は、前記導光方向について単振動する、請求項１に記載の導光装置。
【請求項３】
前記振動装置による前記導光板の振動幅は、前記複数の反射ユニットを構成する各反射ユニット１つ分の前記導光方向についての幅以下である、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項４】
前記振動装置による振動の周波数は、２０Ｈｚ以上である、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項５】
前記複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットは、第１の反射面と前記第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とでそれぞれ構成され、前記導光部にて導かれた前記画像光を前記第１の反射面により反射するとともに前記第２の反射面により前記第１の反射面で反射された前記画像光をさらに反射して光路の折り曲げを行う、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項６】
装置を支持する支持フレームと、前記支持フレームと前記導光板との間に取り付けられて前記導光板を支持するとともに前記支持フレームから独立した状態で前記導光板を前記導光方向について振動可能にする支持案内部とをさらに有する、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項７】
前記振動装置は、モーター、電磁アクチュエーター、及びピエゾ素子のいずれかを含む、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の導光装置と、
前記導光装置に導かれる前記画像光を形成する画像形成装置と、
を備える虚像表示装置。
【請求項９】
前記導光装置は、前記導光板を前記画像形成装置から独立した状態で振動させる、請求項８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、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等に用いられる導光板を有する導光装置及びこれを組み込んだ虚像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の出口側において導光板の主面に対して所定角度をなして平行に配置される多数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
上記のように平行な多数の部分反射面を形成した導光板から光束を取り出す場合において、各光束について導光板内での全反射角度の違いや部分反射面の形状等から、導光板の導光方向に沿って配置される部分反射面ごとに取り出せる光束の幅には制限があり、光束が分離される。これにより、取り出される各光束の間に光の射出されない隙間部分が生じ、これが縦縞の斑となって観察者に認識され、画像が劣化したものとなる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１５７５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、画像上での縦縞による斑の発生を抑制して良好な画像を形成できる虚像表示装置用の導光装置及びこれを組み込んだ虚像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る導光装置は、（ａ１）画像光を入射させる光入射部と、（ａ２）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有して光入射部から取り込まれた画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、（ａ３）導光部の導光方向に配列され導光方向に垂直な方向に延びる複数の反射ユニットを有して導光部を経て入射する画像光を複数の反射ユニットでの光路の折り曲げによって外部へ取出す光射出部と、を有する（ａ）導光板と、（ｂ）複数の反射ユニットの延びる方向に対して垂直な導光方向に導光板を振動させる振動装置と、を備える。ここで、全反射とは、全ての光が内面で反射されて伝達される場合のみでなく、全反射条件が満たされる面上にミラーコートや、半透過のアルミ膜によるハーフミラー膜等を施して反射する場合等も含まれるものとする。
【０００７】
上記導光装置では、振動装置が導光板を導光方向について振動させることで、導光方向に配列された複数の反射ユニットは、各反射ユニットの延びる長手方向に対して垂直な方向に振動する。この振動により、各反射ユニットから射出された各画像光が光束幅の制限によって分離されている場合であっても、振動方向のシフトによって見かけ上隙間部分においても画像光を存在させることができ、当該隙間部分によって生じる縦縞の斑が解消され、良好な画像が形成される。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、振動装置が、導光方向について単振動する。この場合、単振動によって往復することで、振動装置での駆動動作を簡易なものとし、かつ、振動を滑らかで目立ちにくいものにできる。
【０００９】
本発明の別の側面では、振動装置による導光板の振動幅が、複数の反射ユニットを構成する各反射ユニット１つ分の導光方向についての幅以下である。この場合、画像の揺れ等を観察者が感知することを防止しつつ隣接する反射ユニット間で生じる縦縞の斑を解消することができる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、振動装置による振動の周波数が、２０Ｈｚ以上である。この場合、周波数を大きくすることで、観察者に振動が生じていることを知覚させにくくできる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットが、第１の反射面と第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とでそれぞれ構成され、導光部にて導かれた画像光を第１の反射面により反射するとともに第２の反射面により第１の反射面で反射された画像光をさらに反射して光路の折り曲げを行う。この場合、第１の反射面と第２の反射面との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、導光装置が、装置を支持する支持フレームと、支持フレームと導光板との間に取り付けられて導光板を支持するとともに支持フレームから独立した状態で導光板を導光方向について振動可能にする支持案内部とをさらに有する。この場合、支持案内部を介在させることで、導光板を支持しつつ、他の部材を振動させることなく導光板のみを振動させることができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、振動装置が、モーター、電磁アクチュエーター、及びピエゾ素子のいずれかを含む。この場合、導光板を所望の状態に振動させることができる。例えば、ピエゾ素子を用いる場合、静音性を高くでき、素子自体の振動を伝えないものとすることができるので、導光装置を組み込んだ虚像表示装置は、頭部等に接触させて使用するのに適したものになる。
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）上記いずれかの導光装置と、（ｂ）導光装置に導かれる画像光を形成する画像形成装置とを備える。この場合、上記いずれかの導光装置を用いることで、虚像表示装置は、縞状のムラの発生が抑制された良好な虚像光を射出させることができる。
【００１５】
本発明の具体的な側面では、導光装置が、導光板を画像形成装置から独立した状態で振動させる。この場合、画像形成装置からの画像光は振動させず、導光板のみを振動させることで、画像光の光路を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る導光装置を示す正面図である。
【図２】（Ａ）は、第１実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、実施形態に係る導光装置の正面図及び平面図である。
【図３】（Ａ）は、導光板内の光射出部中の画像取出部の中央部分の構造を説明する断面図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分の構造を説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図４】（Ａ）は、画像取出部における画像光の有効光束幅を示す図であり、（Ｂ）は、画像取出部と虚像の位置関係について示す図である。
【図５】導光板の振動による反射ユニットの動作について説明する図である。
【図６】第２実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図である。
【図７】（Ａ）は、第２実施形態に係る導光板内の画像取出部の画像取出部の奥側の部分の構造を説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置用の導光装置及びこれを組み込んだ虚像表示装置について説明する。
【００１８】
〔Ａ．導光装置及び虚像表示装置の構造〕
図１に示す本実施形態に係る導光装置４０は、後述のヘッドマウントディスプレイに適用される虚像表示装置１００（図２（Ａ）参照）に組み込まれるものであり、導光板２０と、支持フレーム４２と、支持案内部４１と、振動装置５０とを備える。
【００１９】
導光板２０は、観察者に向けて射出させるために画像光を取り込んで導く部材であり、平板形状を有している。導光板２０は、光束全体としての画像光を平板状に延びるＺ方向に導く。ここでは、このＺ方向を導光方向と呼ぶものとする。なお、導光板２０の光学的機能についての詳細は図２（Ａ）等を用いて後述する。
【００２０】
支持フレーム４２は、導光装置４０の機構全体を支持する部材であり、導光板２０を周囲から囲うように形成され、上側支持部材４２ａと下側支持部材４２ｂとを備える。上側支持部材４２ａと下側支持部材４２ｂとは、導光板２０のうち光学的には使用されない上方側すなわち＋Ｙ側の上端面２０ａと下方側すなわち−Ｙ側の下端面２０ｂとに沿ってそれぞれ配置されている。一対の支持部材４２ａ，４２ｂは、支持案内部４１を介して間接的に導光板２０を支持している。
【００２１】
支持案内部４１は、導光板２０を特定の方向に振動可能な状態にしつつ支持する部材であり、一対の弾性部材４１ａ，４１ｂを備える。このうち、相対的に＋Ｙ側に配置される弾性部材４１ａは、導光板２０の上端面２０ａと支持フレーム４２の支持部材４２ａとの間に配置されている。具体的には、弾性部材４１ａは、上端部Ｔａと、下端部Ｂａとを有し、上端部Ｔａが支持部材４２ａに接続され、下端部Ｂａが上端面２０ａに接続されている。また、相対的に−Ｙ側に配置される弾性部材４１ｂは、導光板２０の下端面２０ｂと支持フレーム４２の支持部材４２ｂとの間に配置されている。具体的には、弾性部材４１ｂは、上端部Ｔｂと、下端部Ｂｂとを有し、上端部Ｔｂが下端面２０ｂに接続され、下端部Ｂｂが支持部材４２ｂに接続されている。
【００２２】
以上により、支持案内部４１を構成する一対の弾性部材４１ａ，４１ｂは、導光板２０を直接的に支持している。この際、一対の弾性部材４１ａ，４１ｂは、±Ｘ方向及び±Ｚ方向については導光板２０を固定するように支持して導光板２０がこれらの方向へ動くことを抑える一方、図中矢印方向Ｚ１に示す±Ｚ方向すなわち導光方向については導光板２０が可動するように弾性を有した構造となっている。これに対して、支持フレーム４２は、一対の弾性部材４１ａ，４１ｂを介在した状態で間接的に導光板２０を支持している。つまり、導光板２０は、支持フレーム４２との間に一対の弾性部材４１ａ，４１ｂを有することで、支持フレーム４２から独立した状態で導光方向について単独で可動となっている。
【００２３】
また、支持フレーム４２のうち、上側支持部材４２ａには、振動装置５０が取付けられている。なお、支持フレーム４２は、虚像表示装置１００に組み込まれる際に、画像光を形成するとともに当該画像光を導光板２０に向けて射出する画像形成装置１０も取り付け可能としている。画像形成装置１０の構造等については、後述する。
【００２４】
振動装置５０は、例えばピエゾ素子や電磁的なアクチュエーター等で構成されており、電圧を加えること等によって振動する。振動装置５０は、振動を生じさせるための駆動機構としての本体部５０ａと、実際に振動する可動子５０ｂとを備える。つまり、可動子５０ｂは、振動可能な状態で本体部５０ａに接続され本体部５０ａからの作用を受けることで振動する素子である。なお、本体部５０ａ自体は振動せず、支持フレーム４２に固定されている。この可動子５０ｂは、導光板２０の光学的に使用されない箇所に取り付けられている。これにより、可動子５０ｂが動作することで、導光板２０は、導光方向である矢印方向Ｚ１について往復移動すなわち振動可能となっている。なお、上記のように、導光板２０は、一対の弾性部材４１ａ，４１ｂによって支持フレーム４２等から独立して変位可能になっているため、単独で振動する。
【００２５】
以下、図２（Ａ）等を参照して、本実施形態に係る虚像表示装置１００について説明する。虚像表示装置１００は、上記の導光装置４０と、画像形成装置１０とを一組として備える。なお、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。また、図２（Ｂ）等に示す導光装置４０については、図１に示した支持フレーム４２等を省略し、導光板２０に取り付けられる振動装置５０の可動子５０ｂのみ示す。
【００２６】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置１０と導光装置４０とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは左眼用のみを示し、右眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置１００は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観（不図示）を有するものとなっている。
【００２７】
図２（Ａ）に示すように、画像形成装置１０は、液晶デバイス１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、液晶デバイス１１は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、これらの間に配置される射出角調整部材３３とを有する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１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。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。射出角調整部材３３は、照明光の射出角度分布を画面内の位置に応じて変化させており、液晶表示デバイス３２から射出される画像光が効率的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。
【００２８】
図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、導光装置４０のうち、導光板２０は、光入射部Ｄ１と、導光部Ｄ２と、光射出部Ｄ３とを備える。光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳと入射光折曲面２１とを有し、画像形成装置１０からの画像光を光入射面ＩＳから取り込むとともに、取り込んだ画像光を導光部Ｄ２に向けて折り曲げる。導光部Ｄ２は、全反射面形成部２２を有し、取り込まれた画像光を光射出部Ｄ３に向けて伝播させる。なお、既述のように、導光部Ｄ２が光束を全体として導く方向であるＺ方向を導光板２０の導光方向とする。光射出部Ｄ３は、角度変換部である画像取出部２３と光射出面ＯＳとを有し、導光部Ｄ２で伝播された画像光の角度変換を行い光射出面ＯＳから画像光を射出する。
【００２９】
光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳを、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側又は観察者側の平面上に有している。また、光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、アルミ蒸着等の成膜によりミラー層２１ａが形成されている。つまり、ミラー層２１ａと斜面ＲＳとが協働することで入射光折曲面２１を形成している。入射光折曲面２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｘ方向に向かう画像光を、全体として−Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光部Ｄ２内に導く。
【００３０】
導光部Ｄ２は、入口側である光入射部Ｄ１側から奥側である光射出部Ｄ３側にかけて、内部に入射させた画像光を光射出部Ｄ３の画像取出部２３に導くための全反射面形成部２２を有している。
【００３１】
全反射面形成部２２は、導光部Ｄ２として機能するための平板状の主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０に近い側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０から遠い側にあるものとする。この場合、第１の全反射面２２ａは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。従って、光入射面ＩＳや光射出面ＯＳの一部又は全体も画像光を導く導光部Ｄ２として機能する。光入射部Ｄ１の入射光折曲面２１で反射された画像光は、まず、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板２０の奥側すなわち画像取出部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。ここで、導光部Ｄ２等に用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、例えば１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。
【００３２】
光射出部Ｄ３は、光射出面ＯＳに対向して微細構造である画像取出部２３を配置している。画像取出部２３は、全反射面形成部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第２の全反射面２２ｂの延長平面に略沿ってこの延長平面に近接して形成されており、全反射面形成部２２を経た画像光を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。画像取出部２３の詳しい構造については、図３（Ａ）等により後述する。
【００３３】
導光板２０は、図１に示す構造を有していることで、虚像表示装置１００に組み込まれた場合においても、画像形成装置１０等の虚像表示装置１００中の他の部材とは独立して振動可能となっている。また、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、可動子５０ｂは、一対の板状の部材であり、全反射面２２ａ，２２ｂ上のうち、光学的に使用されない部分に配置され導光板２０をＸ方向について挟持している。これにより、例えば振動時に導光板２０に対してＸ方向についての振動の作用を相殺することが可能である。
【００３４】
〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について説明する。図２（Ａ）に示すように、投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶デバイス１１の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、入射光折曲面２１で反射された後、標準反射角α０で全反射面形成部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、標準反射角α０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ回（Ｎは自然数）全反射された後、画像取出部２３の中央部２３ｋで反射され、光射出面ＯＳからこの面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に射出される。また、液晶デバイス１１の射出面３２ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、最大反射角α＋で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、画像取出部２３のうち反光入射面側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｍで反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に射出される。また、液晶デバイス１１の射出面３２ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、最小反射角α−で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、画像取出部２３のうち最も光入射面側（−Ｚ側）の周辺部２３ｈで反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に射出される。
【００３５】
なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射による光の反射効率は非常に高いものであるため、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、このような反射回数の差によって輝度低下が生じることは殆どない。また、図２（Ｂ）に示すように、縦方向すなわちＹ方向について見た画像光である画像光ＧＬｙは、光束全体として収束するように導光板２０内を通過する。
【００３６】
〔Ｃ．画像取出部の構造及び画像取出部による光路の折曲げ〕
以下、図３（Ａ）〜３（Ｃ）等を参照して、画像取出部２３の構造及び画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて説明する。
【００３７】
まず、図３（Ａ）に示すように、画像取出部２３は、導光方向（Ｚ方向）に垂直なＹ方向を長手方向として延びる細長い反射ユニット２３ｃを全反射面形成部２２の延びるＺ方向すなわち導光方向に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２３ｃは、奥側すなわち＋Ｚ側に配置される第１の反射面２３ａと、入口側すなわちＺ側に配置される第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっており、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。なお、第１の反射面２３ａはＺ方向に対して垂直な面であり、第１の反射面２３ａと第２の反射面２３ｂとの相対角度βは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。また、以上のような構成の画像取出部２３の作製については、まず、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂとなるべき上記所定角度の傾斜面が射出成形によって成形され、次に、当該斜面に反射面として機能させるための反射膜を成膜し、さらに、当該反射膜を樹脂材料で埋めるものとなっている。
【００３８】
以下、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、画像光のうち、画像取出部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。また、各第１の反射面２３ａは、画像光の実際の入射面となっているが、本明細書では、画像光の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射角度を画像取出部２３に対する入射角度すなわち反射ユニット２３ｃへの入射角と呼ぶこととする。
【００３９】
まず、図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい入射角α＋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図２（Ａ）参照）から最も遠い＋Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、最初に第１の反射面２３ａで反射され、次に、第２の反射面２３ｂで反射され、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図２（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ少ない損失で虚像光として観察者側に取り出される。また、図３（Ａ）及び３（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい入射角α−で導かれた画像光ＧＬ３も同様に、最初に第１の反射面２３ａで反射され、次に、第２の反射面２３ｂで反射される。
【００４０】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図３（Ｂ）及び３（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−β）（Ｒ：直角）であり、入射角α０，α＋，α−等の値によらず一定である。これにより、画像光を全体として観察者の眼ＥＹに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。
【００４１】
なお、画像光ＧＬ２の角度δ２と画像光ＧＬ３の角度δ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。
【００４２】
〔Ｄ．画像取出部における有効光束幅の制限と縦縞の発生〕
ここで、図４（Ａ）により、画像取出部２３における画像光の有効光束幅の制限について説明する。画像取出部２３すなわち反射ユニット２３ｃで取り出される画像光の有効光束幅は、反射ユニット２３ｃのサイズと、反射ユニット２３ｃに対して入射する画像光の入射角によって決まる。例えば、図示のように、周辺部２３ｍと周辺部２３ｈとを比較した場合、周辺部２３ｍにおける各反射ユニット２３ｃでの有効光束幅Ｗ２は、周辺部２３ｈにおける各反射ユニット２３ｃでの有効光束幅Ｗ３よりも小さくなっている。これら有効光束幅Ｗ２，Ｗ３に例示する画像光の各光束の有効光束幅には、各画像光の入射角αや各反射ユニット２３ｃのピッチＰＴのサイズから制限がある。例えば、画像光ＧＬ２の場合、ピッチＰＴのＺ方向についての大きさを幅ｄとすると、反射ユニット２３ｃに入射できるのは幅ｄの範囲内に限られるため、その有効光束幅Ｗ２は、
Ｗ２＝ｄ×ｓｉｎ（Ｒ−α＋）（Ｒ：直角）
となる。このような制限が、いずれの光束の有効光束幅についてもあるため、画像光の各光束間には、光が届かない隙間ＢＤが存在する。この隙間ＢＤは、画像取出部２３の置かれる観察者の眼の前数センチ程度のところにあるものとなる。一方、図４（Ｂ）に示すように、この虚像表示装置１００による画像は、例えば数メートル先にある虚像ＩＭとして観察者に認識されるものである。このため、隙間ＢＤのような部分が存在することで、画像に縦縞の斑があると観察者に認識される可能性がある。特に、本件のように２回反射で画像光の取出しを行う場合には、有効光束幅が限られることが多く、このような縦縞による斑の発生が顕著となりやすい。これに対して、本実施形態では、振動装置５０を設けて導光板２０を往復移動させることで、縦縞の発生による画像光の劣化を抑制している。
【００４３】
〔Ｅ．振動素子による導光板の振動〕
以下、導光装置４０に設けられた振動装置５０による導光板２０の振動について説明する。まず、既述のように、振動装置５０のうち可動子５０ｂが導光板２０に取り付けられていることで、導光板２０は、矢印方向Ｚ１すなわち±Ｚ方向に振動可能となっている。なお、ここでの振動は、単振動による往復移動となっている。単振動とすることで、振動装置５０での駆動動作を簡易なものとし、かつ、振動を滑らかで目立ちにくいものにできる。
【００４４】
振動装置５０による導光板２０の振動幅は、周波数２０Ｈｚ以上の高速な動きであり、かつ、各反射ユニット２３ｃの１つ分の幅すなわちピッチＰＴ以下の小刻みなものとなっている。このため、振動に起因する画像の揺れ等は、観察者に知覚されないものとなっている。なお、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴの幅ｄの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましい一例としては、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの範囲である。この範囲にあることにより、導光板２０の振動幅を十分小さいものにできるとともに、取り出されるべき画像光の有効光束幅を画像劣化しない程度に確保しつつ画像取出部２３において回折による影響を受けることがないようにしている。以上のように、導光板２０は、導光方向である矢印方向Ｚ１について高速かつ細かく振動する。この際、既述のように、導光板２０は、虚像表示装置１００の他の光学的部材から独立して動くことができる。
【００４５】
図５は、上記のようにして導光板２０が振動する場合における各反射ユニット２３ｃでの画像光の光路の変化の様子について模式的に示すものである。ここでは、導光板２０が矢印方向Ｚ１について振動する結果、１つの反射ユニット２３ｃは、図中実線の位置と図中点線で示す位置との間を単振動で往復移動可能になっているものとする。ここで、反射ユニット２３ｃが移動しても、当該反射ユニット２３ｃに入射すべき成分である画像光ＧＬｘの反射ユニット２３ｃへの入射前の光路は、変化しない。具体的には、まず、画像光ＧＬｘは、導光板２０が振動してもこれとともには振動しない画像形成装置１０（図２（Ａ）参照）から射出されるものである。また、導光板２０の導光部Ｄ２での全反射面２２ａ，２２ｂ（図２（Ａ）等参照）は、Ｚ方向に平行移動するだけなので、全反射面２２ａ，２２ｂに対する画像光ＧＬｘの入射角は維持され、全反射面２２ａ，２２ｂの全反射の機能は変化しない。以上から、反射ユニット２３ｃに入射する前の画像光ＧＬｘの光路の位置及び角度は変わらないままである。一方、反射ユニット２３ｃの位置は、実線で示す位置から点線で示す位置に変わる。このことから、反射ユニット２３ｃで反射された後の画像光ＧＬｘの光路は、反射ユニット２３ｃの移動に伴って、実線で示す状態から点線で示す状態に変化する。この際、反射ユニット２３ｃは、矢印方向Ｚ１について平行移動するだけであるため、画像光ＧＬｘの光路は、画像取出部２３における射出位置のみが変化するものであって、射出角度は維持される。従って、反射ユニット２３ｃが振動していても、観察者には、画像光ＧＬｘが同じ方向から射出される成分として捉えられることになる。
【００４６】
導光板２０すなわち多数の反射ユニット２３ｃが振動により上述のように矢印方向Ｚ１について往復することで、導光板２０を動かす前には画像光ＧＬｘの光束が届かなかった隙間ＢＤにおいても画像光ＧＬｘが存在するものとなり、かつ同じ方向からの光であるとして観察者に認識される。なお、隙間ＢＤの範囲等に応じて矢印方向Ｚ１についての移動量を各反射ユニット２３ｃの１つ分の幅以下の範囲で適宜調整することで、スリット状に並ぶ多数の反射ユニット２３ｃに沿って形成される隙間ＢＤに起因する縦縞の発生を十分に低減・抑制することができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態では、導光装置４０の振動装置５０が導光板２０を導光部Ｄ２の導光方向（±Ｚ方向）について振動させることで、導光方向に配列された多数の反射ユニット２３ｃを、各反射ユニット２３ｃの延びる方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｚ方向）に振動させている、すなわち往復移動させている。この振動方向のシフトによって、画像光の光束が届かなかった隙間ＢＤにおいても画像光を存在させることができ、隙間ＢＤに起因して生じ得る縦縞の斑が解消され、良好な画像が形成される。
【００４８】
なお、上記では、振動装置５０の可動子５０ｂを導光板２０の全反射面２２ａ，２２ｂ上に一対のものとして設置しているが、虚像表示装置１００の光学的な動作に影響を及ぼさなければ、これ以外の位置に設置してもよい。また、可動子５０ｂを一対とせず、単独の素子を配置するものとしてもよく、逆にさらに多くの可動子５０ｂを取り付けるものとしてもよい。また、振動装置５０として電磁アクチュエーターや、ピエゾ素子を用いるものとしているが、これ以外にも例えばモーター等を用いて振動装置５０を構成して導光板２０の振動を可能にするものとしてもよい。また、振動装置５０は、右眼用と左眼用とについて別個に取り付けてそれぞれ単独で或いは協働して動作させてもよく、左右に共通する振動装置５０を設置する構成としてもよい。
【００４９】
また、導光板２０については、導光板２０と支持フレーム４２との間に上下方向（Ｙ方向）から一対の弾性部材４１ａ，４１ｂを挟持するように設けることで、他の部材から独立して振動（往復移動）可能な状態で支持されているが、導光板２０を他の方法で振動可能に支持してもよい。
【００５０】
また、導光板２０の振動において、周波数を２０Ｈｚ以上の高速なものとしているが、さらに、当該周波数を画像光によって映し出される動画の切替りのタイミングと同期しないように設定して、動画に導光板２０の振動が影響を与えることを回避するようにしてもよい。
【００５１】
〔第２実施形態〕
以下、図６等により、第１実施形態等を変形した第２実施形態の虚像表示装置について説明する。図６に示すように、本実施形態に係る虚像表示装置２００は、導光板２２０のうち、画像取出部２２３の構造を除いて図２（Ａ）等に示す導光板２０と同様の構造を有する。従って、図２（Ｂ）等に対応するものについての図示や振動装置５０等（図２（Ｂ）等参照）の各部の説明を省略する。また、図７（Ａ）等においては、図３（Ａ）等に示す画像取出部２３に対応する画像取出部２２３の一部及びその周辺について拡大した模式的な図を示している。
【００５２】
以下、導光板２２０の画像取出部２２３の詳しい構造について説明する。図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示すように、画像取出部２２３は、多数の画像光反射面２２３ａで構成され、各画像光反射面２２３ａは、画像光反射面２２３ａの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向すなわちＹ方向を長手方向として延びている。多数の画像光反射面２２３ａは、互いに平行であり、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、各画像光反射面２２３ａ間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部２２３ｂによって繋がれている。結果的に、画像光反射面２２３ａは、Ｚ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。ここでは、１つの画像光反射面２２３ａとこれに隣接する１つの境界部２２３ｂとを１組として反射ユニット２２３ｃと呼ぶこととする。
【００５３】
以下、画像光の各成分のうち、画像取出部２２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について説明し、中央部に入射する画像光ＧＬ１（図６参照）等の他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。前提として、画像光ＧＬ２，ＧＬ３を含む画像光は、図６に示す導光板２２０に光入射面ＩＳから入射し、図７（Ａ）等に示すように全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返して導光されて、画像取出部２２３に到る。まず、図７（Ａ）に示すように、最小反射角α−で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬ２は、画像取出部２２３をＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、眼ＥＹの中心軸である光軸ＡＸに対して角度θ２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。なお、ここでは、画像光ＧＬ２の反射角α−を画像光反射面２２３ａに対する入射角とする。
【００５４】
一方、図７（Ｂ）に示すように、最大反射角α＋で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬ３は、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。なお、ここでは、画像光ＧＬ３の反射角α＋を画像光反射面２２３ａに対する入射角とする。
【００５５】
また、画像光ＧＬ２の角度θ２と画像光ＧＬ３の角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。
【００５６】
第２実施形態においても、第１実施形態等の場合と同様に、導光板２２０を導光方向すなわち矢印方向Ｚ１について振動させることで、各反射ユニット２２３ｃ間で生じる縦縞の斑を解消し、良好な画像を形成できる。
【００５７】
〔その他〕
以上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。
【００５８】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス１１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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。なお、液晶デバイス１１やその光源において、画像取出部２３の光取出特性を考慮して輝度パターンの調整を行うこともできる。
【００５９】
上記の説明では、虚像表示装置１００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置１０及び導光板２０を備えるとしているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置１０と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００６０】
上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％にすることが可能である。
【００６１】
上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置することもできる。
【００６２】
上記の説明では、入射光折曲面２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等の光軸ＯＡに対する角度を用途や仕様に応じて様々な値とすることができる。
【００６３】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲを付けているものであってもよい。
【００６４】
上記の説明では、実施形態の虚像表示装置１００がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置１００は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。
【００６５】
上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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、画像光の入射角が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂ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全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１０…画像形成装置、  １１…液晶デバイス、  １２…投射光学系、  ２０，２２０…導光板、  ２１…入射光折曲面、  ２２…全反射面形成部、  ２２ａ…第１の全反射面、  ２２ｂ…第２の全反射面、  ２３，２２３…画像取出部、  ２３ａ…第１の反射面、  ２３ｂ…第２の反射面、  ２３ｃ…反射ユニット、  ４０…導光装置、  ４１…支持案内部、  ４２…支持フレーム、  ５０…振動装置、  １００…虚像表示装置、  ＡＸ…光軸、  Ｄ１…光入射部、  Ｄ２…導光部、  Ｄ３…光射出部、  ＥＹ…眼、  ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬｘ，ＧＬｙ…画像光、  ＩＳ…光入射面、  ＯＡ…光軸、  ＯＳ…光射出面、  Ｚ１…矢印方向（導光方向）
【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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