(57)【要約】【課題】画像ムラ等を抑制しつつ、広画角の画像を得ることや、観察者の眼までの距離を長くすることが可能な虚像表示装置用の導光板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】２つの導光部２２ｐ，２２ｓに画像光を分離し、各導光部２２ｐ，２２ｓにそれぞれ導かれた画像光を２つの画像取出部２３ｐ，２３ｓで取り出し、取り出された画像光をつなぎ合わせて１つの虚像を形成させている。これにより、つなぎ合わせて形成される全体の虚像としては、横幅即ちＺ方向についての幅ＷＤをより広くして、画像ムラの発生等を抑制しつつ、実効的な横幅を拡げてより広画角な画像の形成することができる。あるいは、導光板２０から観察者の眼ＥＹのうち導光板に最も近い頂点ＰＫまでの距離であるアイレリーフＳをより長くすることができる。【選択図】図２
2012098324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を内部に取り込む光入射部と、
対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、前記光入射部から取り込まれた前記画像光のうち第１の画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く第１の導光部と、
対向して延びる第３及び第４の全反射面を有し、前記光入射部から取り込まれた前記画像光のうち第２の画像光を前記第３及び第４の全反射面での全反射により導く第２の導光部と、
所定の配列方向に配列される複数の第１の反射ユニットを有し、前記第１の導光部を経て入射する前記第１の画像光を前記複数の第１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第１の画像取出部と、
導光方向に関して前記第１の画像取出部と異なる位置に配置され、所定の配列方向に配列される複数の第２の反射ユニットを有し、前記第２の導光部を経て入射する前記第２の画像光を前記複数の第２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第２の画像取出部と、
前記第１及び第２の画像取出部をそれぞれ経た前記第１及び第２の画像光を外部に射出する光射出部と、
を備える導光板。
【請求項２】
前記第１の画像取出部の周辺部と前記第１の画像取出部の周辺部とは、折り曲げられた前記画像光全体としての射出方向から見て重畳し又は近接し、前記第１の導光部を経た前記第１の画像光と、前記第２の導光部を経た前記第２の画像光とが、つなぎ合わされた１つの虚像として前記光射出部から外部に射出する、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記第１の導光部と前記第２の導光部とは、近接して平行に配置され、前記第１の導光部と前記第２の導光部との間に中間層を有している、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の導光板。
【請求項４】
前記中間層は、空気層である、請求項３に記載の導光板。
【請求項５】
前記第１の導光部に入射する前記第１の画像光の全反射角度は、前記第２の導光部に入射する前記第２の画像光の全反射角度以上であり、前記第１の導光部の前記第１及び第２の全反射面に垂直な方向についての厚みは、前記第２の導光部の前記第３及び第４の全反射面に垂直な方向についての厚み以下である、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板。
【請求項６】
前記第１及び第２の画像取出部において、前記複数の第１の反射ユニット及び前記複数の第２の反射ユニットは、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、
前記第１の反射ユニットが、前記第１の導光部にて導かれた前記第１の画像光を前記第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第１の画像光をさらに反射して光路の折り曲げを行い、
前記第２の反射ユニットが、前記第２の導光部にて導かれた前記第２の画像光を前記第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第２の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５までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項７】
前記第１の導光部に入射する前記第１の画像光の全反射角度は、前記第２の導光部に入射する前記第２の画像光の全反射角度以上であり、
前記第１の画像取出部は、前記第２の画像取出部よりも前記光入射部から遠い反光入射側に位置する、請求項６に記載の導光板。
【請求項８】
前記第２の反射面は、半透過反射面である、請求項６及び請求項７のいずれか一項に記載の導光板。
【請求項９】
前記第１の導光部と前記第２の導光部との間隔を規定する保持部をさらに備える、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項１０】
対向して延びる第５及び第６の全反射面を有し、前記光入射部から取り込まれた前記画像光のうち第３の画像光を前記第５及び第６の全反射面での全反射により導く第３の導光部と、
導光方向に関して前記第１及び第２の画像取出部と異なる位置に配置され、所定の配列方向に配列される複数の第３の反射ユニットを有し、前記第３の導光部を経て入射する前記第３の画像光を前記複数の第３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第３の画像取出部と、
をさらに備え、
前記光射出部は、前記第１、第２及び第３の画像取出部をそれぞれ経た前記第１、第２及び第３の画像光を外部に射出する、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の導光板と、
前記導光板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。
【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、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複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１，２参照）。導光板に設ける複数の部分反射面は、例えば断面鋸歯状の部分に反射層を形成したものとできる（特許文献２の図５等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
近年、上記のような虚像表示装置において、より広画角な画像を得たい、あるいは、眼鏡使用者を考慮して導光板から観察者の眼までの距離をより長くしたい、といった要請がある。このような要請に対応して、横方向に配列されている複数の部分反射面を増やすことが考えられる。しかし、複数の部分反射面を増やすことによって映像光を取り出す部分の横幅を拡げると、他の部分反射面に入射すべき光の成分が増加させた部分反射面によって遮断される傾向が高まり、画像ムラが発生したり、画像が暗くなったりする可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、画像ムラ等を抑制しつつ、広画角の画像を得ることや、観察者の眼までの距離を長くすることが可能な虚像表示装置用の導光板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、本発明に係る導光板は、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）対向して延びる第１及び第２の全反射面を有し、光入射部から取り込まれた画像光のうち第１の画像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く第１の導光部と、（ｃ）対向して延びる第３及び第４の全反射面を有し、光入射部から取り込まれた画像光のうち第２の画像光を第３及び第４の全反射面での全反射により導く第２の導光部と、（ｄ）所定の配列方向に配列される複数の第１の反射ユニットを有し、第１の導光部を経て入射する第１の画像光を複数の第１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第１の画像取出部と、（ｅ）導光方向に関して第１の画像取出部と異なる位置に配置され、所定の配列方向に配列される複数の第２の反射ユニットを有し、第２の導光部を経て入射する第２の画像光を複数の第２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第２の画像取出部と、（ｆ）第１及び第２の画像取出部をそれぞれ経た第１及び第２の画像光を外部に射出する光射出部と、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】
上記導光板では、第１及び第２の導光部により画像光を第１及び第２の画像取出部にそれぞれ導き、光射出部において第１及び第２の画像光を合わせて外部に射出するので、各画像取出部の横幅即ち反射ユニットの数を増やすことなく実効的な横幅を拡げることができ、形成される画像を観察者にとってより横長のものとすることができ、あるいは、観察者の眼までの距離を長くすることができる。つまり、導光板が、画像歪み、画像ムラ等を抑制しつつ、広画角の画像を形成できるものとなる。また、導光板が、画像ムラ等を抑制しつつ、観察者の眼までの距離であるアイレリーフを長くしたものとなる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、第１の画像取出部の周辺部と第１の画像取出部の周辺部とが、折り曲げられた画像光全体としての射出方向から見て重畳し又は近接し、第１の導光部を経た第１の画像光と、第２の導光部を経た第２の画像光とが、つなぎ合わされた１つの虚像として光射出部から外部に射出する。この場合、例えば、両画像取出部の端部である周辺部を重畳又は近接させることで、第１の画像光と第２の画像光とを切れ目なくつなぎ合わせて、１つの虚像による映像として観察者に認識させることができる。なお、ここでの近接とは、第１の画像光と第２の画像光とが切れ目なくつなぎ合わされた状態が保たれるように、観察者から見た両画像取出部が接した状態又は実質的に接した状態に等しくなっていることを言う。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、第１の導光部と第２の導光部とが、近接して平行に配置され、第１の導光部と第２の導光部との間に中間層を有している。この場合、一対の導光部間に中間層を設けることで、各導光部における全反射面の全反射条件を保って各画像光を確実に導くことができる。また、各導光部が、近接して平行に配置されることで、例えば各導光部を経た各画像光をつなぎ合わせて１つの虚像として外部に射出させることが容易になる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、中間層が、空気層である。この場合、中間層の屈折率を確実に下げることで、各導光板における全反射角を小さくしつつ画角を大きくすることができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、第１の導光部に入射する第１の画像光の全反射角度が、第２の導光部に入射する第２の画像光の全反射角度以上であり、第１の導光部の第１及び第２の全反射面に垂直な方向についての厚みが、第２の導光部の第３及び第４の全反射面に垂直な方向についての厚み以下である。この場合、第２の画像光の全反射角度が比較的小さいために全反射回数が多くなり、第２の画像取出部の横幅即ち反射ユニットの横幅が比較的制限されやすい第２の導光部側において、全反射面に垂直な方向についての厚みを比較的大きくすることで、意図しない全反射回数の増加を回避しつつ反射ユニットの横幅を必要な程度に確保できる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、（ａ）第１及び第２の画像取出部において、複数の第１の反射ユニット及び複数の第２の反射ユニットが、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、（ｂ）第１の反射ユニットが、第１の導光部にて導かれた第１の画像光を第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第１の画像光をさらに反射して光路の折り曲げを行い、（ｃ）第２の反射ユニットが、第２の導光部にて導かれた第２の画像光を第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第２の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及び第２の画像取出部の第１及び第２の反射ユニットにおいて、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。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、第１の導光部に入射する第１の画像光の全反射角度が、第２の導光部に入射する第２の画像光の全反射角度以上であり、第１の画像取出部が、第２の画像取出部よりも光入射部から遠い反光入射側に位置する。この場合、全反射角度の比較的大きい第１の画像光を反光入射側において取り出すことができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、第２の反射面が、半透過反射面である。この場合、本導光板を用いた虚像表示装置をシースルータイプにすることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、第１の導光部と第２の導光部との間隔を規定する保持部をさらに備える。この場合、第１の導光部と第２の導光部との配置を安定させ、第１の画像光と第２の画像光とを確実につなぎ合わせることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、（ａ）対向して延びる第５及び第６の全反射面を有し、光入射部から取り込まれた画像光のうち第３の画像光を第５及び第６の全反射面での全反射により導く第３の導光部と、（ｂ）導光方向に関して第１及び第２の画像取出部と異なる位置に配置され、所定の配列方向に配列される複数の第３の反射ユニットを有し、第３の導光部を経て入射する第３の画像光を複数の第３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第３の画像取出部と、をさらに備え、（ｃ）光射出部が、第１、第２及び第３の画像取出部をそれぞれ経た第１、第２及び第３の画像光を外部に射出する。この場合、第１、第２及び第３の画像取出部を合わせた全体での実効的な横幅をさらに拡げることができ、より広画角な画像を形成させたり、観察者の眼までの距離をより長くさせたりすることができる。
【００１７】
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）上記いずれかに記載の導光板と、（ｂ）導光板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、上記いずれかに記載の導光板を用いることで、虚像表示装置は、画像ムラ等を抑制しつつ、広画角の画像を得ることや観察者の眼までの距離を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（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）は、導光板の正面図である。
【図２】導光板の画像取出部の構造について説明するための図である。
【図３】第２実施形態に係る導光板の構造について説明するための図である。
【図４】第３実施形態に係る導光板の構造について説明するための図である。
【図５】（Ａ）は、第４実施形態に係る導光板の構造について説明するための第１の画像取出部及びその周辺の図であり、（Ｂ）は、第２の画像取出部及びその周辺の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔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板及び導光板を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
【００２０】
〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置１０と、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００２１】
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と導光板２０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。
【００２２】
図１（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結果的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。
【００２３】
図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すように、導光板２０は、光取込分岐部２１と、導光光学系２２と、角度変換部である画像取出光学系２３と、保持部である保持具４０とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。
【００２４】
導光板２０の全体的な外観は、三角柱状のプリズム部ＰＳを有する光取込分岐部２１と、図中ＹＺ面に互いに平行に延びる２つの平板である第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂを有する導光光学系２２とによって形成されている。より具体的には、光取込分岐部２１のプリズム部ＰＳに対して、導光光学系２２を構成する第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂの長手方向の一端がそれぞれ接続されている。第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂの長手方向の他端側において、画像取出光学系２３を構成する第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓがそれぞれ埋め込まれるとともに、当該他端側の先端において、端部ＥＰａ，ＥＰｂが保持具４０の嵌め込み部ＣＰに嵌め込まれて固定されている。つまり、第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂは、プリズム部ＰＳ及び保持具４０に支持されて互いに近接した状態とされている。さらに、第１の導光部２２ｐと第２の導光部２２ｓとの間には空気層ＳＰが形成されている。
【００２５】
光取込分岐部２１の本体部であるプリズム部ＰＳは、光透過性の樹脂材料により形成される三角柱状の外形を有する。光取込分岐部２１は、プリズム部ＰＳの一側面として画像形成装置１０に対向する表側に画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳを有し、プリズム部ＰＳの他の側面として矩形の斜面ＲＳを有する。斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、例えばアルミ蒸着により形成され、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜した状態で配置され入射光を折り曲げる。また、詳しくは図２を用いて後述するが、光取込分岐部２１は、取り込んだ画像光の成分を、入射位置及び角度に応じて後段の導光光学系２２のうち第１の本体部２０ａと第２の本体部２０ｂとに分岐する。
【００２６】
導光光学系２２を構成する第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂは、プリズム部ＰＳと同一の光透過性の樹脂材料により形成され、第１の導光部２２ｐと、第２の導光部２２ｓとをそれぞれ有する。第１の導光部２２ｐは、観察者にとって手前側に配置され、第２の導光部２２ｓは、観察者にとって裏手側に配置されている。第１及び第２の導光部２２ｐ，２２ｓは、光取込分岐部２１を介してそれぞれの内部に入射させた画像光を画像取出光学系２３即ち第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓにそれぞれ導く。このうち、第１の導光部２２ｐは、両画像取出部２３ｐ，２３ｓを経た画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光射出部である光射出面ＯＳを有している。なお、光射出面ＯＳと光入射面ＩＳとが同一の平面上に形成されるように、プリズム部ＰＳと第１の本体部２０ａとが接合されている。
【００２７】
また、画像取出光学系２３を構成する第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓは、多数の微小ミラーを配列したミラーアレイによってそれぞれ形成されており、第１及び第２の導光部２２ｐ，２２ｓ内で導光された画像光を外部へ取り出す。このうち、第１の画像取出部２３ｐは、導光光学系２２の第１の本体部２０ａにおいて、上記光射出面ＯＳのうち光入射面ＩＳから遠い反光入射側即ち＋Ｚ側の半分である第１の光射出面ＯＳ１（例えば図１（Ｂ）の一部拡大図参照）の裏側の平面に沿って形成されている（図１（Ａ）参照）。一方、第２の画像取出部２３ｓは、導光光学系２２の第２の本体部２０ｂにおいて、上記光射出面ＯＳのうち光入射部側即ち−Ｚ側の半分である第２の光射出面ＯＳ２（例えば図１（Ｂ）の一部拡大図参照）に対応する面ＯＳ２'の裏側の平面に沿って形成されている（図１（Ａ）参照）。ここで、第１の画像取出部２３ｐの光入射部側即ち−Ｚ側の周辺部２３ｋと第２の画像取出部２３ｓの反光入射部側即ち＋Ｚ側の周辺部２３ｋｋとは、Ｘ方向から見ると一部重畳した状態となっている（図２参照）。これにより、各画像取出部２３ｐ，２３ｓを経た画像光は、１つにつなぎ合わされた虚像として光射出面ＯＳから射出される。なお、光射出面ＯＳにおいて、第１の光射出面ＯＳ１と第２の光射出面ＯＳ２とは、領域が重畳せず、かつ、虚像のつなぎ目が目立たないように光軸ＡＸを基準としてＺ方向について左右対称で近接した配置となっている。
【００２８】
保持具４０は、詳しくは図２に示すように、２つの凹部ＣＰａ，ＣＰｂで構成される嵌め込み部ＣＰにより第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂの反光入射側の端部ＥＰａ，ＥＰｂを保持することで、第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂを互いに近接して平行な状態で固定する保持部である。保持具（保持部）４０が第１及び第２の導光部２２ｐ，２２ｓ間の間隔のばらつきを抑えるように規定していることで、各画像取出部２３ｐ，２３ｓに向かう画像光の進行方向がばらついて画像歪み、画像ムラ等の画像品質の低下が発生することのないようにしている。なお、保持具４０を第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂ等と同一の光透過性の樹脂材料により形成することで、保持具４０においてもシースルーにできる。
【００２９】
ここで、画像光の光路について説明するために、図１（Ａ）に示すように、液晶デバイス１１の液晶表示デバイス３２の射出面３２ａ上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面３２ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬｃとし、図中一点鎖線で示す射出面３２ａの周辺のうち紙面左側（−Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中二点鎖線で示す射出面３２ａの周辺のうち紙面右側（＋Ｚ側）から射出される成分を画像光ＧＬ２とする。
【００３０】
図２に示すように、光入射面ＩＳに対向し傾斜して配置されるミラー層２１ａを有する光取込分岐部２１は、入射光である各画像光ＧＬｃ，ＧＬ１，ＧＬ２を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げる。つまり、光取込分岐部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。この際、光取込分岐部２１は、各画像光ＧＬｃ，ＧＬ１，ＧＬ２を入射角度に応じて導光光学系２２のうち、第１の本体部２０ａと第２の本体部２０ｂとに分岐させる。具体的には、各画像光ＧＬｃ，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、−Ｚ側から射出される成分である画像光ＧＬ１と、画像光ＧＬｃのうち−Ｚ側寄りの成分である画像光ＧＬ１ｃとについては、ミラー層２１ａでの反射により、第１の画像光として第１の本体部２０ａに導かれ、＋Ｚ側から射出される成分である画像光ＧＬ２と、画像光ＧＬｃのうち＋Ｚ側寄りの成分である画像光ＧＬ２ｃとについては、ミラー層２１ａでの反射により、第２の画像光として第２の本体部２０ｂに導かれる。
【００３１】
第１の導光部２２ｐは、互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、光取込分岐部２１で折り曲げられた画像光のうち第１の画像光である画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ１を全反射させる第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から遠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に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂ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。同様に、第２の導光部２２ｓは、互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、光取込分岐部２１で折り曲げられた画像光のうち第２の画像光である画像光ＧＬ２ｃ，ＧＬ２を全反射させる第３の全反射面２２ｃと第４の全反射面２２ｄとを有している。ここでは、第３の全反射面２２ｃが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第４の全反射面２２ｄが画像形成装置１０に近い側にあるものとする。
【００３２】
以上の構成により、導光光学系２２において、光取込分岐部２１で反射されて観察者に近い側の第１の導光部２２ｐに入射する第１の画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ１は、まず、第１の導光部２２ｐの第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａ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ＧＬ１ｃ，ＧＬ１は、第１の導光部２２ｐの奥側即ち第１の画像取出部２３ｐを設けた＋Ｚ側に導かれる。
【００３３】
また、導光光学系２２において、光取込分岐部２１で反射されて観察者から遠い側の第２の導光部２２ｓに入射する第２の画像光ＧＬ２ｃ，ＧＬ２は、まず、第２の導光部２２ｓの第４の全反射面２２ｄに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第３の全反射面２２ｃ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ＧＬ２ｃ，ＧＬ２は、第２の導光部２２ｓの奥側即ち第２の画像取出部２３ｓを設けた＋Ｚ側に導かれる。
【００３４】
なお、導光板２０の各本体部２０ａ，２０ｂ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、各本体部２０ａ，２０ｂ内部で画像光を導光させやすくなり、一定の画角を確保することができる。また、既述のように、導光光学系２２において、各本体部２０ａ，２０ｂが保持部である保持具４０により確実に固定されていることで、第１の本体部２０ａの第１の全反射面２２ａと、第２の本体部２０ｂの第４の全反射面２２ｄとの間には、空気層ＳＰが形成されている。これにより、各本体部２０ａ，２０ｂの全反射面２２ａ，２２ｄにおいて十分な屈折率差を生じさせ全反射条件が満たされるとともに、第１の導光部２２ｐ内に導かれる光の成分や第２の導光部２２ｓ内に導かれる光の成分が他の光路に漏れ出して互いに干渉することを回避できる。以上の結果、第１及び第２の光射出面ＯＳ１，ＯＳ２からそれぞれ取り出された全体としての画像の画角を大きくすることができる。
【００３５】
光射出面ＯＳに対向して配置される画像取出光学系２３の各画像取出部２３ｐ，２３ｓは、第１及び第２の導光部２２ｐ，２２ｓをそれぞれ経て入射してきた各画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ，ＧＬ１，ＧＬ２を、所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。第１の画像取出部２３ｐから取り出された画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ１は、光射出面ＯＳのうち第１の光射出面ＯＳ１から射出され、第２の画像取出部２３ｓから取り出された画像光ＧＬ２ｃ，ＧＬ２は、第２の導光部２２ｓの面ＯＳ２'から射出され第１の導光部２２ｐを実質的に素通りして光射出面ＯＳのうち第１の光射出面ＯＳ２から射出される。つまり、各画像取出部２３ｐ，２３ｓは、画像光の角度を変換する角度変換部としてそれぞれ機能している。
【００３６】
〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。上記のように、投射光学系１２（図１（Ａ）参照）を経た各画像光ＧＬｃ（ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ），ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射する。
【００３７】
入射した各画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、第１の本体部２０ａ側に導かれた画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ１は、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し、第２の本体部２０ｂ側に導かれた画像光ＧＬ２ｃ，ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ｃ，２２ｄにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。
【００３８】
具体的には、画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、図１（Ａ）に示す液晶デバイス１１の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬｃ即ち図２の画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃについては、平行光束として光取込分岐部２１で反射された後、標準反射角α０で第１及び第２の導光部２２ｐ，２２ｓの第２の全反射面２２ｂ及び第４の全反射面にそれぞれ入射し、全反射される。
【００３９】
第２の全反射面２２ｂで全反射された画像光ＧＬ１ｃは、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で全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１ｃは、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、第１の画像取出部２３ｐのうち最も光入射部側（−Ｚ側）である周辺部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１ｃは、この周辺部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳのうち第１の光射出面ＯＳ１からこの光射出面ＯＳを含むＹＺ面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。同様に、第４の全反射面２２ｄで全反射された画像光ＧＬ２ｃは、標準反射角α０を保った状態で、第２の画像取出部２３ｓのうち最も光入射面側から遠い反光入射側（＋Ｚ側）である周辺部２３ｋｋに入射し、所定の角度で反射され、光射出面ＯＳのうち第２の光射出面ＯＳ２からこの光射出面ＯＳを含むＹＺ面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行光束として射出される。ここで、既述のように周辺部２３ｋと周辺部２３ｋｋとは、射出方向から見て即ち観察者から見て一部重畳している。より具体的には、図示の場合、中心軸である光軸ＡＸを基準として、光軸ＡＸ及びその周辺での光の射出方向であるＸ方向から見て、周辺部２３ｋと周辺部２３ｋｋとが一部重畳して見える。これにより、画像光ＧＬ１ｃと画像光ＧＬ２ｃとは虚像として切れ目なく繋がった状態となり、画像光全体が１つの虚像として観察者の眼ＥＹに到達する。
【００４０】
次に、図１（Ａ）に示す液晶デバイス１１の射出面３２ａの一端側（−Ｚ側）から射出された第１の画像光である画像光ＧＬ１は、図２に示すように、平行光束として光取込分岐部２１で反射された後、最大反射角α＋で第１の導光部２２ｐの第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ１は、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、第１の画像取出部２３ｐのうち最も光入射面から遠い反光入射側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｍにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出方向は、光取込分岐部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。
【００４１】
最後に、図１（Ａ）に示す液晶デバイス１１の射出面３２ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された第２の画像光である画像光ＧＬ２は、図２に示すように、平行光束として光取込分岐部２１で反射された後、最小反射角α−で第２の導光部２２ｓの第４の全反射面２２ｄに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第３及び第４の全反射面２２ｃ，２２ｄにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、第２の画像取出部２３ｓのうち最も光入射側（−Ｚ側）の周辺部２３ｈにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出方向は、光取込分岐部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。
【００４２】
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ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ，ＧＬ１，ＧＬ２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、画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ，ＧＬ１，ＧＬ２は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光ＧＬ１ｃ等と同様に導かれ光射出面ＯＳから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。なお、図１（Ｂ）に示すように、縦方向即ち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。
【００４３】
〔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２を参照して、画像取出光学系２３の各画像取出部２３ｐ，２３ｓの構造及び画像取出部２３ｐ，２３ｓによる画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
【００４４】
まず、第１の画像取出部２３ｐの構造について説明する。画像取出部２３ｐは、第１の反射ユニットであるストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、画像取出部２３ｐは、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを第１の本体部２０ａの延びる方向即ちＺ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、奥側即ち光路下流側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２３ａと、入口側即ち光路上流側に配置される他の１つの反射面部分である第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即ち半透過反射面であり、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いる。より具体的には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列される配列方向であるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２３ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２３ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２に示す具体例において、各第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びているものとしている。なお、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、ここでは、全反射面２２ａ，２２ｂにおける各画像光の第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの全反射角度を第１の画像取出部２３ｐに対する入射角度即ち反射ユニット２３ｃの入射角度と呼ぶこととする。また、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して反時計方向に所定角度（相対角度）βをなす方向に延びている。ここで、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。なお、第１の画像取出部２３ｐの最も反光入射側即ち＋Ｚ側に位置する斜面部分Ｄａについては、第２の反射面２３ｂとしては機能していない。
【００４５】
また、第２の画像取出部２３ｓの構造は、第１の画像取出部２３ｐと同様の構造を有している。つまり、第２の画像取出部２３ｓも、第２の反射ユニットであるストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。具体的には、第２の画像取出部２３ｓは、第１の反射面２３ａと第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有しＹ方向に延びる多数の線状の反射ユニット２３ｃを、第２の本体部２０ｂの延びる方向即ちＺ方向に多数配列させることで構成されている。なお、第２の画像取出部２３ｓの最も反光入射側即ち＋Ｚ側に位置する斜面部分Ｄａについては、第２の反射面２３ｂとしては機能していない。
【００４６】
以下、第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓによる画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。
【００４７】
まず、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角α＋で導かれた画像光ＧＬ１は、第１の画像取出部２３ｐのうち反光入射側即ち＋Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ１は、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ１は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、光射出面ＯＳのうち第１の光射出面ＯＳ１から射出される。つまり、画像光ＧＬ１は、第１の画像取出部２３ｐでの１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００４８】
また、画像光のうち全反射角度の最も小さい反射角α−で導かれた画像光ＧＬ２は、第２の画像取出部２３ｓのうち光入射部側即ち−Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された反射ユニット２３ｃに入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、画像光ＧＬ１の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経て角度変換された画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、かつ、第２の本体部２０ｂの全反射面２２ｄ及び第１の本体部２０ａの各全反射面２２ａ，２２ｂを通過して、光射出面ＯＳのうち第２の光射出面ＯＳ２から射出される。つまり、画像取出部２３ｓでの１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００４９】
また、標準的な大きさの全反射角度である反射角α０で導かれた画像光ＧＬｃ即ち画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃは、第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓのうち周辺部２３ｋ，３ｋｋにそれぞれ配置された反射ユニット２３ｃにそれぞれ入射する。当該反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃは、画像光ＧＬ１等の場合と同様に、最初に奥側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、入口側即ち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃは、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、画像取出部２３ｐ，２３ｓでの１回だけの通過で所望の角度にそれぞれ折り曲げられ観察者側に取り出される。なお、画像光ＧＬ１ｃを反射する第２の反射面２３ｂと画像光ＧＬ２ｃを反射する第２の反射面２３ｂとがＸ方向について一部重畳した状態となっていることで、画像光ＧＬ１ｃと画像光ＧＬ２ｃとは、ともに略垂直で一部が重畳した状態で光射出面ＯＳから射出される。
【００５０】
また、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、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−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓに対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角α０，α＋，α−等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を第１の画像取出部２３ｐのうち＋Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を第２の画像取出部２３ｓのうち−Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させた場合にも、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。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光板２０は、画像光を画像取出光学系２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。
【００５１】
以上のように、虚像表示装置１００は、第１の画像取出部２３ｐにおいて画像光ＧＬ１及び画像光ＧＬ１ｃに代表される第１の画像光を取り出して、観察者の眼ＥＹにとって右半分の映像となる虚像を形成し、第２の画像取出部２３ｓにおいて画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ２ｃに代表される第２の画像光を取り出して、観察者の眼ＥＹにとって左半分の映像となる虚像を形成するとともに、これらをつなぎ合わせて１つの虚像を形成している。
【００５２】
なお、上記では、第１の画像取出部２３ｐと第２の画像取出部２３ｓとを、観察者から見て一部重畳させるものとしているが、重畳させる範囲については、シースルーとして外光透過率が落ちて外風景の見栄えにムラが生じない程度で適宜定めることができる。また、射出される画像光を１つの虚像としてつなぎ合わせた状態を保って、画像面に欠けを発生させ欠けた箇所から外光が入り込んでしまうという事態を回避できれば、両画像取出部２３ｐ，２３ｓが近接した状態即ち接しているか実質的に接している状態であってもよい。
【００５３】
また、導光光学系２２の第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂの形状や屈折率、各画像取出部２３ｐ，２３ｓを構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ１，ＧＬ２等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬｃの真ん中即ち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。ここでは、一端の画像光ＧＬ１のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ１と、他端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ２とは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。つまり、画像光は、光軸ＡＸを中心にして対称性のある状態で眼ＥＹに対して射出されている。このように、角度θ１と角度θ２との角度が等しく、光軸ＡＸに対して対称性があるとすることで、角度θ１及び角度θ２は、横画角の半分の値である横半画角θとなる。
【００５４】
以上のように、本実施形態では、２つの導光部２２ｐ，２２ｓに画像光を分離し、各導光部２２ｐ，２２ｓにそれぞれ導かれた画像光を２つの画像取出部２３ｐ，２３ｓで取り出し、取り出された画像光をつなぎ合わせて１つの虚像を形成させている。これにより、各画像取出部２３ｐ，２３ｓにおいては、反射ユニット２３ｃの数を比較的多くすることなく、つなぎ合わせて形成される全体の虚像としては、横幅即ちＺ方向についての幅ＷＤをより広くして、反射ユニット２３ｃの数を増加させることによる画像ムラの発生等を抑制しつつ、実効的な横幅を拡げてより広画角な画像の形成することができる。あるいは、導光板２０から観察者の眼ＥＹのうち導光板に最も近い頂点ＰＫまでの距離であるアイレリーフＳをより長くすることができる。アイレリーフＳをより長くすることで、例えば観察者が眼鏡を使用する場合に対応させることができる。
【００５５】
また、さらに、本実施形態では、第１の本体部２０ａの第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂに垂直な方向についての厚みＨ１と第２の本体部２０ｂの第３及び第４の全反射面２２ｃ，２２ｄに垂直な方向についての厚みＨ２とが異なっている。具体的には、全体として比較的全反射角度の小さい画像光を導光する第２の導光部２２ｓを含む第２の本体部２０ｂの厚みＨ２が、比較的全反射角度の大きい画像光を導光する第１の導光部２２ｐを含む第１の本体部２０ａの厚みＨ１よりも大きくなっている。これにより、比較的反射回数が多く意図しない画像光の反射が生じやすいため、サイズの制限されやすい第２の画像取出部２３ｐの範囲即ち画像取出部２３ｐにおける反射ユニット２３ｃのＺ方向についての横幅を必要な程度に確保でき、広画角の画像形成や、アイレリーフＳの延長に対応させることができるものとなっている。
【００５６】
なお、既に説明したように、一群の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ又は第２の反射面２３ｂは、ピッチが一定で互いに平行になっている。これにより、観察者の眼ＥＹに入射する虚像光である画像光を一様なものとでき、観察される画像の品質の低下を抑えることができる。各画像取出部２３ｐ，２３ｓを構成する各反射ユニット２３ｃの間隔であるピッチの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．２ｍｍ〜１．３ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、各画像取出部２３ｐ，２３ｓにおいて回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。
【００５７】
〔第２実施形態〕
以下、図３により、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態の虚像表示装置１００の変形例であるので、導光板１２０の画像取出光学系１２３及びその周辺についてのみ図示し、全体の図示を省略する。なお、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。
【００５８】
図示のように、本実施形態に係る導光板１２０では、導光光学系１２２において、第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂのうち、第１の本体部２０ａが第２の本体部２０ｂの背面側即ち＋Ｘ側に配置されている。これに伴い、画像取出光学系１２３を構成する第１及び第２の画像取出部２３ｐ，２３ｓについて、第１の画像取出部２３ｐが第２の画像取出部２３ｓよりも背面側即ち＋Ｘ側に位置する。つまり、図２等に示す第１実施形態の場合と比較して、第１の導光部２２ｐと第２の導光部２２ｓとの配置について、観察者にとって手前側と裏手側とが逆転したものとなっている。なお、この場合、光射出面ＯＳは、第２の本体部２０ｂ側に形成されるものとなる。
【００５９】
本実施形態の場合においても、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様に、実効的な横幅を拡げてより広画角な画像の形成することができる。あるいは、導光板１２０から観察者の眼ＥＹのうち導光板に最も近い頂点ＰＫまでの距離であるアイレリーフをより長くすることができる。
【００６０】
なお、図３の場合において、第２の画像取出部２３ｓの最も反光入射側即ち＋Ｚ側に位置する斜面部分Ｄａについては、アルミ蒸着等を施さず反射面としての機能を有しないものとすることで、背面側の第１の画像取出部２３ｐを構成する反射ユニット２３ｃのうち最も光入射側の反射ユニット２３ｃから射出される光を素通しで通過させることができる。
【００６１】
〔第３実施形態〕
以下、図４により、第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００等の変形例であるので、導光板２２０の画像取出光学系２２３及びその周辺についてのみ図示し、全体の図示を省略する。なお、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００等と同様であるものとする。
【００６２】
図示のように、本実施形態に係る導光板２２０では、導光光学系２２２が、第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂに加え、これらの中間に第３の本体部２０ｃを有する。つまり、導光光学系２２２は、３つの本体部２０ａ，２０ｂ，２０ｃが近接して平行に配列された構成となっている。なお、３つの本体部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの端部ＥＰａ，ＥＰｂ，ＥＰｃは、保持具２４０の３つの凹部ＣＰａ，ＣＰｂ，ＣＰｃにより固定されている。
【００６３】
第３の本体部２０ｃは、第３の導光部２２ｔを有し、導光部２２ｔは、第５の全反射面２２ｅと第６の全反射面２２ｆとを有している。ここでは、第５の全反射面２２ｅが画像形成装置１０（図１（Ａ）参照）から遠い側にあるものとし、第６の全反射面２２ｆが画像形成装置１０（同上）に近い表側にあるものとする。
【００６４】
各本体部２０ａ，２０ｂ，２０ｃにおいて、画像取出光学系２２３として第１、第２及び第３の画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔが埋め込まれ、これらは、導光方向即ち＋Ｚ方向について、入口側から第２の画像取出部２３ｓ、第３の画像取出部２３ｔ、第１の画像取出部２３ｐの順に配列されている。なお、各画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔには、第１、第２及び第３の反射ユニットである多数の反射ユニット２３ｃがそれぞれ配列されている。この場合、最も奥側に位置する第１の画像取出部２３ｐに最も大きな反射角度の画像光ＧＬ１，ＧＬ１'が導かれ、第２の画像取出部２３ｓに最も小さな反射角度側の画像光ＧＬ２，ＧＬ２'が導かれ、第３の画像取出部２３ｔに中間的な反射角度の画像光ＧＬ３，ＧＬ３'が導かれる。また、各本体部２０ａ，２０ｂ，２０ｃの厚みＨ１，Ｈ２，Ｈ３は、＋Ｘ側のものほど大きくなっている。
【００６５】
ここで、各画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔのＺ方向に関する有効な反射機能の領域である有効幅ＰＤ１〜ＰＤ３については、各画像光の光束が必要以上に重畳し過ぎたり間隔が開いたりすることなく設けられている。各画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔを経た画像光は、本体部２０ａに設けられた光射出面ＯＳの第１から第３の光射出面ＯＳ１〜ＯＳ３から射出される。
【００６６】
以下、各画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔでの画像光の合成について説明する。まず、各画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔの有効幅ＰＤ１〜ＰＤ３の境界について、有効幅ＰＤ１と有効幅ＰＤ３とは、Ｚ方向について長さＬ１だけ重畳しており、有効幅ＰＤ２と有効幅ＰＤ３とは、長さＬ１より短い長さＬ２だけ重畳している。このうち、有効幅ＰＤ１と有効幅ＰＤ３については、境目の光束である第１の画像取出部２３ｐのうち光入射側即ち−Ｚ側から射出される画像光ＧＬ１'と第３の画像取出部２３ｔのうち反光入射側即ち＋Ｚ側から射出される画像光ＧＬ３とが、＋Ｚ方向に対して鈍角ξ１，ξ３となる方向にそれぞれ射出される即ち光射出面ＯＳのうち＋Ｚ側から観察者の眼ＥＹに向かうべく戻されるような方向に射出される。この場合、有効幅ＰＤ１と有効幅ＰＤ３とが長さＬ１だけ重畳していることで、画像光ＧＬ１'と画像光ＧＬ３とは、一部重畳した状態又は近接した状態となっている。これにより、観察者の眼ＥＹに到達する画像としては、第１の画像取出部２３ｐと第３の画像取出部２３ｔとの境界において切れ目が発生しないものになっている。また、有効幅ＰＤ２と有効幅ＰＤ３については、境目の光束である第２の画像取出部２３ｓのうち＋Ｚ側から射出される画像光ＧＬ２'と第３の画像取出部２３ｔのうち−Ｚ側から射出される画像光ＧＬ３'とが、＋Ｚ方向に対して鋭角η２，η３となる方向にそれぞれ射出される即ち光射出面ＯＳのうち−Ｚ側から観察者の眼ＥＹに向かうように射出される。この場合、有効幅ＰＤ２と有効幅ＰＤ３とが長さＬ２だけ重畳していることで、画像光ＧＬ２'と画像光ＧＬ３'とは、一部重畳した状態又は近接した状態となっている。これにより、観察者の眼ＥＹに到達する画像としては、第２の画像取出部２３ｓと第３の画像取出部２３ｔとの境界において切れ目が発生しないものになっている。なお、有効幅ＰＤ１〜ＰＤ３を重畳させる範囲即ち長さＬ１，Ｌ２については、画像面に欠けが発生して欠けた箇所から外光が入り込むことを回避できる程度に確保されていることを前提として、シースルーとして外光透過率が落ちて外風景の見栄えにムラが生じない程度で適宜定めることができる。
【００６７】
本実施形態の場合、３つの画像取出部２３ｐ，２３ｓ，２３ｔを配列することで、実効的な横幅をより拡げてさらに広画角な画像の形成することができる。あるいは、導光板２２０から観察者の眼ＥＹのうち導光板に最も近い頂点ＰＫまでの距離であるアイレリーフをより長くすることができる。
【００６８】
〔第４実施形態〕
以下、図５（Ａ）及び５（Ｂ）により、第４実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００等の変形例であり、導光板３２０の画像取出光学系３２３及びその周辺についてのみ図示し、全体の図示を省略する。なお、特に説明しない場合、第１実施形態の虚像表示装置１００と同様であるものとする。
【００６９】
導光板３２０のうち、導光光学系３２２を構成する第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂに関して、第１の導光部２２ｐは、観察者にとって裏手側に配置され、第２の導光部２２ｓは、観察者にとって手前側に配置されている。また、第１及び第２の本体部２０ａ，２０ｂには、第１の画像取出部３２３ｐと第２の画像取出部３２３ｓとがそれぞれ埋め込まれている。
【００７０】
以下、導光板３２０の画像取出光学系３２３の詳しい構造について説明する。まず、図５（Ａ）に示すように、画像取出光学系３２３の第１の画像取出部３２３ｐは、多数の画像光反射面３２３ａで構成され、各画像光反射面３２３ａは、画像光反射面３２３ａの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向に延びている。多数の画像光反射面３２３ａは、互いに平行であり、第１の全反射面２２ａ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３２３ａ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３２３ｂによって繋がれている。結果的に、画像光反射面３２３ａ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３２３ａとこれに隣接する１つの境界部３２３ｂとを１組として反射ユニット３２３ｃと呼ぶこととする。また、同様に、図５（Ｂ）に示すように、画像取出光学系３２３の第２の画像取出部３２３ｓも、Ｙ方向に延びＺ方向に配列される多数の画像光反射面３２３ａ即ち多数の反射ユニット３２３ｃで構成されている。
【００７１】
以下、第１の画像取出部３２３ｐの反光入射側に入射する画像光ＧＬａについて説明する。図５（Ａ）に示すように、画像光ＧＬａは、最小反射角α−で第１の導光部２２ｐ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、第１の画像取出部３２３ｐに到る。画像光ＧＬａは、第１の画像取出部３２３ｐをＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、第１の画像取出部３２３ｐのうち周辺部３２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する画像光反射面３２３ａに達し、画像光反射面３２３ａ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θ１で光射出面ＯＳのうち第１の光入射面ＯＳ１から眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。
【００７２】
次に、第２の画像取出部３２３ｓの光入射側に入射する画像光ＧＬｂについて説明する。図５（Ｂ）に示すように、画像光ＧＬｂは、最大反射角α＋で第２の導光部２２ｓの第３及び第４の全反射面２２ｃ，２２ｄで全反射を繰り返して導光されて、第２の画像取出部３２３ｓに到る。画像光ＧＬｂは、第２の画像取出部３２３ｓのうち周辺部３２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する画像光反射面３２３ａに達し、画像光反射面３２３ａ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のうち第２の光入射面ＯＳ２から眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。
【００７３】
本実施形態の場合においても、第１実施形態の虚像表示装置１００等と同様に、実効的な横幅を拡げてより広画角な画像の形成することができる。あるいは、導光板３２０から観察者の眼ＥＹのうち導光板に最も近い頂点ＰＫまでの距離であるアイレリーフをより長くすることができる。
【００７４】
なお、本実施形態の場合、比較的全反射角度の小さい画像光を導光する第１の本体部２０ａの厚みＨ１が、第２の本体部２０ｂの厚みＨ２よりも大きくなっている。
〔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。
【００７５】
上記実施形態では、第１の導光部２２ｐと第２の導光部２２ｓとの間に中間層として空気層ＳＰを形成させているが、屈折率が十分小さい材料であれば、空気層ＳＰに代えて中間層として用いることが可能である。
【００７６】
また、各導光部２２ｐ，２２ｓへの画像光の分岐に対応するように、予め画像形成装置１０側で例えば、２つの液晶デバイス１１を用いて画像光を分割しておくようにすることも可能である。
【００７７】
また、画像取出部２３ｐ等を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチにある程度の差異がある場合も含むものとする。
【００７８】
例えば画像取出部２３ｐ，２３ｓ等を構成する反射ユニット２３ｃの向きは、図示のものに限らず、Ｙ軸のまわりに微小回転させて方向の調整を行うことができる。この際、すべての反射ユニット２３ｃにおける相対角度βを一致させる限りすべての反射ユニット２３ｃの向きを正確に一致させる必要はない。
【００７９】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶表示デバイス３２等を用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶表示デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス３２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。なお、自発光型素子を用いる場合、自発光型素子自体に配光特性を持たせることができる。
【００８０】
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設ける構成としているが、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。
【００８１】
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、画像取出部２３ｐ等は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、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％することが可能である。
【００８２】
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構成とすることもできる。
【００８３】
上記の説明では、光取込分岐部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等を導光板２０の光軸ＯＡに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。
【００８４】
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（丸み）を付けているものであってもよい。
【００８５】
上記の説明では、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、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。
【００８６】
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、画像光の入射角度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】
【００８７】
ＥＹ…眼、  ＧＬｃ，ＧＬ１ｃ，ＧＬ２ｃ，ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬａ，ＧＬｂ…画像光、  ＡＸ…光軸、  ＩＳ…光入射面（光入射部）、  ＯＳ…光射出面（光射出部）、  ＰＳ…プリズム部、  １０…画像形成装置、  １１…液晶デバイス、  １２…投射光学系、  ２０，１２０，２２０，３２０…導光板、  ２１…光取込分岐部、  ２２，１２２，２２２，３２２…導光光学系、  ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…第１、第２及び第３の本体部、  ２２ｐ，２２ｓ，２２ｔ…第１、第２及び第３の導光部、  ２２ａ，２２ｂ…第１、第２の全反射面、  ２２ｃ，２２ｄ…第３、第４の全反射面、  ２２ｅ，２２ｆ…第５、第６の全反射面、  ２３…画像取出光学系、  ２３ｐ，３２３ｐ…第１の画像取出部、  ２３ｓ，３２３ｓ…第２の画像取出部、２３ｔ…第３の画像取出部、  ２３ｃ…反射ユニット（第１の反射ユニット、第２の反射ユニット、第３の反射ユニット）、  ２３ａ…第１の反射面、  ２３ｂ…第２の反射面（半透過反射面）、  ２３ｋ，２３ｋｋ…周辺部、  ４０…保持具（保持部）、  １００…虚像表示装置、  Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…厚み
【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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