(57)【要約】【課題】映像光及び外光にムラが生じにくく、ゴーストが形成されにくい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２０は、平行導光体２２と、入射部２１と、射出部２３とを備える。ここで、複数のハーフミラー３１の配列間隔ＳＰが、入射部２１に近い入射側から反入射側にかけてアイポイントＥＰ又は視線ＥＬを基準として複数のハーフミラー３１が略連続して繋がるように変化するので、反射ユニット３０を構成する複数のハーフミラー３１がアイポイントＥＰ又は視線ＥＬの前方において重ならない状態で略一様に配置されることになる。これにより、外界光ＯＬを観察する際にハーフミラー３１に沿って延びる筋状のムラが観察されることを防止できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者側及び外界側に対応して対向し略平行に延びる一対の面を有する導光体と、
前記導光体の一端側に設けられた入射部と、
前記導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、
前記射出部は、前記導光体の外界側で反射された映像光を反射することによって観察者側にそれぞれ向かわせる複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、
前記複数のミラーは、外界側に向かって前記入射部側に傾斜し、
前記複数のミラーの配列間隔が、前記入射部に近い入射側から反入射側にかけて、アイポイントを基準として前記複数のミラーが略連続して繋がるように変化する、導光装置。
【請求項２】
前記反射ユニットの配列間隔は、前記入射部に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加する、請求項１に記載の導光装置。
【請求項３】
前記入射部は、観察者の耳側に配置され、前記射出部は、観察者の鼻側に配置される、請求項２に記載の導光装置。
【請求項４】
前記複数のミラーは、前記アイポイントを基準として隙間無く配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項５】
全ての画角の映像光は、前記導光体の内部において、同一回数反射された後に前記複数のミラーで反射されて前記アイポイントに至る、請求項１〜４のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項６】
前記入射部は、曲面の入射面及び反射面の少なくとも一方を有する、請求項５のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項７】
前記複数のミラーは、平行に配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項８】
前記複数のミラーは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの間隔で配置されている、請求項１〜７までのいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項９】
映像光のうち像形成に用いられる光が前記反射ユニットの前記ミラーに入射する角度は、入射側から反入射側にかけて徐々に減少する、請求項１〜８までのいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１０】
像形成に用いられる光線束は、前記導光体の外界側の所定面領域で反射されて前記反射ユニットに入射し、光軸を含む断面において、当該所定面領域で反射される前後の直進光路のいずれかで幅が絞られる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１１】
光軸を含む断面において、像形成に用いられる光線束が前記反射ユニットに入射する入射幅は、像形成に用いられる光線束が前記所定面領域に入射する入射幅よりも広い、請求項１０に記載の導光装置。
【請求項１２】
前記複数のミラーは、ハーフミラーで構成されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１３】
前記反射ユニットは、前記導光体の観察者側に設けられた面に沿うように配置されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１４】
前記反射ユニットの配列間隔をＳＰとし、ミラーの占有幅をＭＷとし、ミラーの間隔調整量をｇとし、前記反射ユニットの厚みをＴＩとし、前記導光体及び前記反射ユニットの傾斜角をσとし、前記アイポイントから前記反射ユニットの任意の着目点まで延ばした光路の光軸に対する角度をεとし、前記反射ユニットの屈折率をｎとしたとき、以下の関係
ＳＰ＝ＭＷ＋ｇ
ｇ≒ＴＩ×｛ｓｉｎ（σ−ε）／√［ｎ２−ｓｉｎ２（σ−ε）］｝
を満たす、請求項１３に記載の導光装置。
【請求項１５】
前記反射ユニットは、反入射側の部分が入射側の部分よりも相対的に外界寄りとなるように傾斜して配置されている、請求項１〜１２いずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１６】
前記導光体は、前記一対の対向する面として平行に延びる第１及び第２の全反射面を有し、前記入射部から取り込まれた映像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１７】
前記入射部に在る面は、非軸対称曲面である、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の導光装置。
【請求項１８】
映像光を生じさせる映像素子と、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の導光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。
【０００３】
例えば、視準像等を観察者の視野に導入する装置として、平行平面状の導光板の中に多数のハーフミラー（以下、「ＨＭ」とも呼ぶ）を配列し、このＨＭで映像光を反射して、観察者に提示するものが公知となっている（特許文献１〜６参照）。
特許文献１の装置では、導光板の一端側から導入された映像光が、導光板を斜めに横切る複数のＨＭを次々と透過しつつ反射されて観察者に届く。特許文献２の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、外側の表面で反射された後に、導光板を斜めに横切る複数のＨＭで反射されて観察者に向かう。特許文献３、４の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、観察者側の表面で反射された後に、導光板を斜めに横切る複数のＨＭで反射されて観察者に向かう。この際、例えば効率を上げるため、ＨＭに入射する光のうち、大きな入射角度（５０度〜７０度）の光線については反射率をほぼゼロにし、小さな角度（４０度以下）の光線については、所定の反射率となる様に設定される。特許文献５の図１に示す装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、外界側の表面で反射された後、ＨＭで反射され、観察者に向かう。ここで、ＨＭを設けた領域は、導光板と同じ厚みがあり、ディスプレイから離れるに従って、ＨＭの反射率が順次高くなることが特徴となっている。特許文献６の装置では、導光板に導入された映像光が、導光板の中を全反射しながら伝搬し、観察者側の表面で反射された後に、複数のＨＭで反射されて観察者に向かう。ここで、ＨＭを設けた領域又は層の厚さは、導光板より薄く設定されており、ＨＭを透過させることなく映像光を観察することができる。
【０００４】
別の表示装置として、平行平板状の導光板の片側に、薄いマイクロミラーアレイを貼り付けるように付加したものが存在する（特許文献７参照）。この装置では、画像を形成するため、走査ビームイメージ源を使用しており、縦方向にも瞳拡大をしている。導光板に導入された走査光は、導光板及びハーフミラーアレイの中を伝搬し、外界側の表面で反射され後、観察者側のハーフミラーアレイのＨＭで反射され、観察者に向かう。
【０００５】
上記特許文献１〜５に記載の装置では、映像光がＨＭを透過する度に輝度が減るため、視野の中でムラが生じ、これを解消又は抑制することは容易でない。このような輝度ムラを解消するために、例えば奥側又は反光源側のＨＭの反射率を順次上げると、これに対応してＨＭの透過率が下がり外光（シースルー光）にムラが生じてしまう。なお、特許文献４には、ＨＭ間の隙間や重複を回避する方法について開示があるが（Ｆｉｇ．１５等参照）、これらの手法も、映像光がＨＭを他数回通過することに起因して映像光の輝度ムラや外光のムラが発生するといった深刻な問題を解決できてこそ、意義があると言える。
上記特許文献６に記載の装置では、ＨＭを配列して成る反射ユニットの厚みが、導光体よりも薄いので、奥側のＨＭにも他のＨＭを透過せずに光が到達するため、光量ムラが生じない。しかし、反射ユニットの中で、２つの小面を一組とするＨＭ部が配置されており、映像光はＨＭで２回反射されるため、反射効率が下がる傾向がある。
上記特許文献７に記載の装置でも、光線束の横幅を広げる為、ＨＭで光線束を分割しており、映像光が、奥側に伝搬するにつれ、輝度が下がり、視野の中でムラが生じ、これを解消又は抑制することは容易でない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３‐１５８１５号公報
【特許文献２】特開２０１３‐２１０６３３号公報
【特許文献３】特開２０１０‐１６４９８８号公報
【特許文献４】米国特許第７，７２４，４４３号
【特許文献５】国際公開ＷＯ２００７／０６２０９８号
【特許文献６】特開２０１２‐８８５８８号公報
【特許文献７】国際公開ＷＯ２００９／００９２６８号
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、映像光の輝度を確保しながら映像光及び外光にムラが生じにくい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。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る導光装置は、観察者側及び外界側に対応して対向し略平行に延びる一対の面を有する導光体と、導光体の一端側に設けられた入射部と、導光体の他端側に設けられた射出部とを備え、射出部は、導光体の外界側で反射された映像光を反射することによって観察者側にそれぞれ向かわせる複数のミラーを配列してなる反射ユニットを有し、複数のミラーは、外界側に向かって入射部側に傾斜し、複数のミラーの配列間隔が、入射部に近い入射側から反入射側にかけて、アイポイントを基準として複数のミラーが略連続して繋がるように変化する。ここで、アイポイントは、導光装置に設定された射出瞳の位置を意味し、射出瞳は、観察者の眼を想定したものであり、射出部から射出された様々な画角の映像光が集まる箇所を意味する。アイポイントが広がりを有する場合、アイポイントの中心を基準とすればよい。
【０００９】
上記導光装置によれば、複数のミラーの配列間隔が、入射側から反入射側にかけて、アイポイントを基準として複数のミラーが略連続して繋がるように変化するので、反射ユニットを構成する複数のミラーがアイポイントの前方において略切れ目のない状態で略一様に配置される。つまり、反射ユニットを構成する複数のミラーは、アイポイントに観察者の眼を配置した場合、その視線の前方において略切れ目のない状態で略一様に配置されることになる。これにより、外光等を観察する際にミラーに沿って延びる筋状のムラが観察されることを防止できる。
なお、上記導光装置では、導光体の外界側で反射された映像光を反射することによって反射ユニットに入射した映像光を観察者側に向わせるように設定しているので、映像光が、導光体と反射ユニットとの境界面で反射されることなく射出部に入射する位置又はその近傍のミラーのみを経由する構成とできる。これにより、観察されるべき映像光がミラーを経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、その一方で、意図しない映像光の射出を防止してゴースト光の発生を抑えることができる。
【００１０】
本発明の具体的な側面では、上記導光装置において、反射ユニットの配列間隔は、入射部に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加する。複数のミラーが外界側に向かって入射部側に一様に傾斜している場合、ミラーに対してアイポイントから延ばした視線又は逆進光路のミラーへの入射角が反入射側で相対的に小さくなるので、配列間隔を反入射側で増加させることにより、複数のミラーが連続して繋がる状態を確保することができる。
【００１１】
本発明の別の側面では、入射部は、観察者の耳側に配置され、射出部は、観察者の鼻側に配置される。この場合、映像光の供給源を目尻から耳にかけての部分又はその周辺に配置することができ、導光装置を組み込んだ虚像表示装置を顔面にフィットするデザインとしやすくなる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、アイポイントを基準として隙間無く配置されている。外光のムラへの影響は、ミラーに若干の隙間が生じるよりもミラーに同程度の重複が生じる方が抑えられる。この観点で、複数のミラーをアイポイント基準で隙間無く配置することが望ましい。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、全ての画角の映像光は、導光体の内部において、同一回数反射された後に複数のミラーで反射されてアイポイントに至る。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、入射部は、曲面の入射面及び反射面の少なくとも一方を有する。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、平行に配置されている。この場合、反射ユニットにおける入射位置によらず角度情報が保持され、映像光の形成が容易になり、高精度の画像を表示することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの間隔又はピッチで配置されている。複数のミラーを上記のような間隔で配置することにより、ミラーの間隔を比較的狭くした際の映像光の干渉による波長分散や、ミラーの幅を比較的広くした際の光の透過量の違いによる黒スジの発生を抑える効果がある。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、映像光のうち像形成に用いられる光が反射ユニットのミラーに入射する角度は、入射側から反入射側にかけて徐々に減少する。つまり、映像光源に近い入射側又は入口側で、観察される映像光がミラーに入射する角度が大きくなり、映像光源から離れた反入射側又は奥側で、観察される映像光がミラーに入射する角度が小さくなる。見方を変えれば、アイポイントからミラーへ延ばした視線（導光装置を適正に装着した観察者の実際の視線に相当）のミラーへの入射角は、入射側から反入射側にかけて徐々に減少する。
【００１８】
本発明のさらに別の側面では、像形成に用いられる光線束は、導光体の外界側の所定面領域で反射されて反射ユニットに入射し、光軸を含む断面において、当該所定面領域で反射される前後の直進光路のいずれかで幅が絞られる。この場合、像形成に用いられる光線束を所定面領域の周辺で一旦絞るので、視野角を比較的広くすることが容易になる。また、光軸を含む断面方向に関して、導光体を薄くして入射部を小さくできるとともに、導光体に映像光を入射させる投射レンズを小型化することができ、投射レンズを製造しやすくすることができる。
【００１９】
本発明のさらに別の側面では、光軸を含む断面において、像形成に用いられる光線束が反射ユニットに入射する入射幅は、像形成に用いられる光線束が上記所定面領域に入射する入射幅よりも広い。このように、像形成に用いられる光線束が所定面領域に入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、導光体と反射ユニットとの境界面において映像光を反射させないで反射ユニットに直接的に入射させ、その入射位置から映像光を取り出すことが容易になる。
【００２０】
本発明のさらに別の側面では、複数のミラーは、ハーフミラーで構成されている。この場合、外界光の透過性を高めてシースルー視を容易にすることができる。
【００２１】
本発明のさらに別の側面では、反射ユニットは、導光体の観察者側に設けられた面に沿うように配置されている。この場合、導光体の外界側の面で反射された映像光を複数のミラーで反射させることが容易となる。
【００２２】
本発明のさらに別の側面では、反射ユニットの配列間隔をＳＰとし、ミラーの占有幅をＭＷとし、ミラーの間隔調整量をｇとし、反射ユニットの厚みをＴＩとし、導光体及び反射ユニットの傾斜角をσとし、アイポイントから反射ユニットの任意の着目点まで延ばした光路の光軸に対する角度をεとし、反射ユニットの屈折率をｎとしたとき、以下の関係
ＳＰ＝ＭＷ＋ｇ
ｇ≒ＴＩ×｛ｓｉｎ（σ−ε）／√［ｎ２−ｓｉｎ２（σ−ε）］｝
を満たす。この場合、ミラー傾斜角や配置に応じて反射ユニットの配列間隔を適正に設定することができる。
【００２３】
本発明のさらに別の側面では、反射ユニットは、反入射側の部分が入射側の部分よりも相対的に外界寄りとなるように傾斜して配置されている。この場合、導光体の外界側の面で反射された映像光を複数のミラーで観察者側に反射させることが容易になる。
【００２４】
本発明のさらに別の側面では、導光体は、一対の対向する面として平行に延びる第１及び第２の全反射面を有し、入射部から取り込まれた映像光を第１及び第２の全反射面での全反射により導く。
【００２５】
本発明のさらに別の側面では、入射部に在る面は、非軸対称曲面である。このように非軸対称曲面とすることで、設計上の自由度が増し、良好な光学性能を実現できる。
【００２６】
上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる映像素子と、上述した導光装置とを備える。
【００２７】
上記虚像表示装置によれば、上述した導光装置を用いることにより、観察される映像や外光のムラを防止し、高品位の画像を観察可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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、導光装置の裏面図である。
【図２】導光装置等における映像光の光路を光軸を含む断面で説明する図である。
【図３】反射ユニットにおけるミラーの配置や光路の変化を説明する部分拡大図であり、眼の正面方向に対応する。
【図４】反射ユニットにおけるミラーの配置や光路の変化を説明する部分拡大図であり、眼の正面に対して耳寄り方向に対応する。
【図５】反射ユニットの一作製例を説明する図である。
【図６】映像光の光路の射出側における変形例を説明する断面図である。
【図７】（Ａ）は、映像光の光路の射出側における別の変形例を説明する断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の一部を拡大した説明図である。
【図８】第２実施形態に係る虚像表示装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
【００３０】
〔１Ａ．導光装置及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す虚像表示装置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、導光装置２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光装置２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００３１】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像としての映像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。虚像表示装置１００において、画像形成装置１０と導光装置２０とは、通常観察者の右眼及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。
【００３２】
画像形成装置１０は、映像素子である液晶デバイス１１と、光結合用の投射レンズ１２とを備える。液晶デバイス（映像素子）１１は、光源１４からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき映像光ＧＬを形成する。投射レンズ１２は、縦のｙ方向に関して液晶デバイス１１上の各点から射出された映像光ＧＬを略平行光線にするコリメートレンズとして機能し、横のｘｚ断面に関して導光装置２０の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。なお、投射レンズ１２は、ガラス又はプラスチックで形成され、１枚に限らず複数枚の構成とすることができる。投射レンズ１２は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等とすることができる。
【００３３】
導光装置２０は、平板状の部分を有し、画像形成装置１０で形成された映像光ＧＬを虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光ＯＬを実質的にそのまま透過させる。導光装置２０は、映像光を取り込む入射部２１と、導光用の平行導光体２２と、映像光を取り出すための射出部２３とを備える。本実施形態の場合、入射部２１は、観察者の耳側に配置され、射出部２３は、観察者の鼻側に配置される。平行導光体２２と入射部２１の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品である。第１実施形態の場合、導光装置２０を通す映像光ＧＬの光路は、同一回数反射される１種類の光路からなり、複数種類の光路を合成するタイプとなっていない。
なお、平行導光体２２は、観察者の眼ＥＹを基準とする光軸ＡＸに対して傾けて配置されており、その法線方向Ｚは、光軸ＡＸに対して角σだけ傾いている。この場合、平行導光体２２を顔の曲線に沿って配置できるが、平行導光体２２の法線は、光軸ＡＸに対して傾きを有するものとなる。このように、平行導光体２２の法線を光軸ＡＸに平行なｘ方向に対して角度σだけ傾ける場合、反射ユニット３０から射出させる光軸ＡＸ上及びその近傍の映像光ＧＬ０は、光射出面ＯＳの法線に対して角度σを成すものとなる。
【００３４】
入射部２１は、画像形成装置１０からの映像光ＧＬを取り込む光入射面ＩＳと、取り込んだ映像光ＧＬを反射して平行導光体２２内に導く反射面ＲＳとを有する。光入射面ＩＳは、投射レンズ１２側に凹の曲面２１ｂから形成されており、この曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された映像光ＧＬを内面側で全反射する機能も有する。反射面ＲＳは、投射レンズ１２側に凹の曲面２１ａから形成されている。すなわち、反射面ＲＳは、曲面２１ａ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面ＩＳから入射した映像光ＧＬを反射し光路を所定方向に折り曲げ、曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された映像光ＧＬを内側で全反射し光路を所定方向に折り曲げる。つまり、入射部２１は、光入射面ＩＳから入射した映像光ＧＬを２回の反射によって折り曲げることで、映像光ＧＬを平行導光体２２内に確実に結合させる。
なお、曲面２１ｂや曲面２１ａは、球面又は非球面に限らず、非軸対称曲面とすることができる。これにより、導光装置２０の光学性能を向上させることができる。
【００３５】
平行導光体２２は、ｙ軸に平行でｚ軸に対して傾斜した平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体（導光体）２２は、光透過性の樹脂材料等により形成され、平行な一対の平面２２ａ，２２ｂを有する。両平面２２ａ，２２ｂは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、＋ｚ側又はＺ側の一方の平面２２ａは、入射部２１からの映像光を全反射させる全反射面として機能し、映像光を少ない損失で射出部２３に導く役割を有する。＋ｚ側の平面２２ａは、平行導光体２２の外界側に配置されて第１の全反射面として機能し、本明細書中では外界側面とも呼ぶ。また、−ｚ側の平面２２ｂは、本明細書中では観察者側面とも呼ぶ。裏側の平面（観察者側面）２２ｂは、射出部２３の一端まで延びている。ここで、裏側の平面２２ｂの延長平面は、平行導光体２２と射出部２３との境界面ＩＦとなっている。
平行導光体２２において、入射部２１の反射面ＲＳや光入射面ＩＳの内側で反射された映像光ＧＬは、全反射面である平面２２ａに入射し、ここで全反射され、導光装置２０の奥側すなわち射出部２３を設けた＋ｘ側又はＸ側に導かれる。
なお、平行導光体２２は、導光装置２０の外形のうち＋ｘ側又はＸ側の端面を画成する側面として終端面ＥＳを有する。また、平行導光体２２は、±ｙ側の端面を画成する上面及び底面として上端面ＴＰと下端面ＢＰとをそれぞれ有している。
【００３６】
図２に示すように、射出部２３は、平行導光体２２の奥側（＋Ｘ側）において、裏側の平面２２ｂに沿ってその延長上に層状に形成され、或いは境界面ＩＦに沿うように層状に形成されている。射出部２３は、平行導光体２２の外界側の平面（全反射面）２２ａにおいて所定面領域ＦＲで全反射された映像光ＧＬを通過させる際に、入射した映像光ＧＬを所定角度で反射して光射出面ＯＳ側へ折り曲げる。ここでは、射出部２３にこれまで射出部２３を透過することなく最初に入射する映像光ＧＬが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部２３において光射出面ＯＳの内面や境界面ＩＦで反射される光があっても、これは映像光として利用されない。射出部２３は、透過性を有する複数のミラー（すなわち複数のハーフミラー）を配列してなる反射ユニット３０を有するが、その詳しい構造については、図３等を参照して後に詳述する。
【００３７】
導光装置２０が以上のような構造を有することから、画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光装置２０に入射した映像光ＧＬは、入射部２１で複数回の反射によって折り曲げられ、平行導光体２２の平面２２ａの所定面領域ＦＲにおいて全反射されて光軸ＡＸに略沿って進む。＋ｚ側又は＋Ｚ側の平面２２ａの所定面領域ＦＲで反射された映像光ＧＬは、射出部２３に入射する。この際、ＸＹ面内において、所定面領域ＦＲの長手方向の幅は、射出部２３の長手方向の幅よりも狭くなっている。つまり、映像光ＧＬの光線束が射出部２３（又は反射ユニット３０）に入射する入射幅は、映像光ＧＬの光線束が所定面領域ＦＲに入射する入射幅よりも広い。このように、映像光ＧＬの光線束が所定面領域ＦＲに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面ＩＦを導光に利用しないで（つまり、境界面ＩＦで映像光ＧＬを反射させずに）、所定面領域ＦＲからの映像光ＧＬを射出部２３又は反射ユニット３０に直接的に入射させることが容易になる。射出部２３に入射した映像光ＧＬは、射出部２３又は反射ユニット３０において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから射出される。光射出面ＯＳから射出された映像光ＧＬは、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光ＧＬを認識することができる。
ここで、像形成に用いられる映像光ＧＬが射出部２３に入射する角度は、光源側の入射部２１から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部２３の奥側には、外界側の平面２２ａに平行なＺ方向又は光軸ＡＸに対して傾きの大きな映像光ＧＬが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部２３の前側には、Ｚ方向又は光軸ＡＸに対して傾きの小さな映像光ＧＬが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。
【００３８】
〔１Ｂ．映像光の光路〕
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図２に示すように、液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を映像光ＧＬ０とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（＋ｚ寄りの−ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ１とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（−ｚ寄りの＋ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ２とする。これらのうち映像光ＧＬ０の光路は光軸ＡＸに沿って延びるものとなっている。
【００３９】
投射レンズ１２を経た各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、入射部２１を経て平行導光体２２内を通過して射出部２３に至る。
具体的には、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された映像光ＧＬ０は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、標準反射角θ０で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（又は反射ユニット３０）との境界面ＩＦで反射されないでこれを通過し、射出部２３の中央の部分２３ｋに直接的に入射する。映像光ＧＬ０は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むＸＹ面に対して傾いた光軸ＡＸ方向（Ｚ方向に対して角σの方向）に平行光束として射出される。
また、射出面１１ａの一端側（−ｘ側）から射出された映像光ＧＬ１は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最大反射角θ１で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（又は反射ユニット３０）との境界面ＩＦで反射されないでこれを通過し、射出部２３のうち奥側（＋Ｘ側）の部分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。この際の射出角（光軸ＡＸを基準とした場合の角γ１に対応）は、入射部２１側に戻される程度が相対的に大きくなっている。
一方、射出面１１ａの他端側（＋ｘ側）から射出された映像光ＧＬ２は、入射部２１で折り曲げられて平行導光体２２内に結合された後、最小反射角θ２で一方の平面２２ａの所定面領域ＦＲに入射して全反射され、平行導光体２２と射出部２３（又は反射ユニット３０）との境界面ＩＦで反射されないでこれを通過し、射出部２３のうち入口側（−Ｘ側）の部分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。この際の射出角（光軸ＡＸを基準とした場合の角γ２に対応）は、入射部２１側に戻される程度が相対的に小さくなっている。
つまり、様々な画角の映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、観察者の眼ＥＹを想定したアイポイントＥＰに集まる。アイポイントＥＰは、導光装置２０に設定された射出瞳の位置を意味し、ここに眼ＥＹを置けば明るい欠けの無い画像が得られる。
なお、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、映像光ＧＬの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光ＧＬを構成する光線成分についても映像光ＧＬ０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。
【００４０】
ここで、入射部２１及び平行導光体２２に用いられる透明樹脂材料の屈折率ｎの値の一例として、ｎ＝１．４とすると、その臨界角θｃの値はθｃ≒４５．６°となる。各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の反射角θ０，θ１，θ２のうち最小である反射角θ２を臨界角θｃよりも大きな値とすることで、必要な映像光について平行導光体２２内での平面２２ａにおける全反射条件を満たすものにできる。
なお、中央向けの映像光ＧＬ０は、仰角φ０（＝９０°−θ０）で射出部２３の部分２３ｋに入射し、周辺向け映像光ＧＬ１は、仰角φ１（＝９０°−θ１）で射出部２３の部分２３ｈに入射し、周辺向け映像光ＧＬ２は、仰角φ２（＝９０°−θ２）で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角φ０，φ１，φ２間には、反射角θ０，θ１，θ２の大小関係を反映してφ２＞φ０＞φ１の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット３０のハーフミラー３１への入射角ι（図３及び４参照）は、仰角φ２に対応する部分２３ｍ、仰角φ０に対応する部分２３ｋ、仰角φ１に対応する部分２３ｈの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ハーフミラー３１への入射角ι又はハーフミラー３１での反射角（逆進光路を考えた場合には視線の入射角でもある）は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。
【００４１】
平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射されて射出部２３に向かう映像光ＧＬの光線束の全体的な挙動について説明する。映像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、平行導光体２２の外界側の所定面領域ＦＲで反射される前後の直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれかで幅が絞られる。具体的には、映像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含むＸＺ断面において、所定面領域ＦＲ近辺、つまり直進光路Ｐ１，Ｐ２の境界付近で両直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。これにより、映像光ＧＬの光線束を射出部２３の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。
なお、図示の例では、映像光ＧＬの光線束が両直進光路Ｐ１，Ｐ２に跨るような位置で幅が絞られてビーム幅が細くなっているが、直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれか片側のみで幅が絞られてビーム幅が細くなってもよい。
【００４２】
〔１Ｃ．射出部の構造及び射出部による光路の折曲げ〕
以下、図２〜４等を参照して、射出部２３の構造及び射出部２３による映像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。なお、図３は、眼ＥＹの正面方向における射出部２３の拡大図であり、図４は、眼ＥＹの正面よりも耳寄りに傾いた方向における射出部２３の拡大図である。
【００４３】
まず、射出部２３の構造について説明する。射出部２３は、映像光ＧＬをそれぞれ反射する複数のハーフミラー３１を配列してなる反射ユニット３０を有する。反射ユニット３０は、光軸ＡＸに対して角σだけ傾いたＸＹ平面に沿って延びる矩形板状の部材であり、細い帯状のハーフミラー３１をストライプパターンとなるように多数埋め込んだ構造を有する。つまり、反射ユニット３０は、ｙ方向又はＹ方向に延びる細長いハーフミラー３１を平行導光体２２の延びる方向すなわちＸ方向に多数配列させることで構成されている。より具体的には、ハーフミラー３１は、図２等に示す平行導光体２２の平面２２ａ，２２ｂに平行でハーフミラー３１の配列されるＸ方向に対して垂直に延びる方向のうち、上下のｙ方向又はＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、ハーフミラー３１は、平行導光体２２の観察者側よりも外界側に向かって入射部２１側に傾斜している。より具体的には、ハーフミラー３１は、その長手方向（Ｙ方向）を軸として、平面２２ａ，２２ｂに直交するＹＺ面を基準として上端（＋Ｚ側）が反時計方向に回転するように傾斜している。つまり、各ハーフミラー３１は、ＸＺ断面で見て−Ｘ方向及び＋Ｚ方向の間の方向に延びている。さらに、全ハーフミラー３１は、精密に互いに平行に配置されている。
【００４４】
反射ユニット３０は、多数のブロック部材３２を接合した構造を有し、ハーフミラー３１は、隣接する一対のブロック部材３２間に挟まれた薄膜状のものとなっている。ここで、ブロック部材３２の屈折率は、平行導光体２２の屈折率と略等しくなっているが、両者の屈折率を相違させることもできる。両者の屈折率を相違させる場合、ハーフミラー３１を傾斜させる角度δを調整又は修正する必要がある。ハーフミラー３１の映像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＯＬの観察を容易にする観点で、想定される映像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー３１の映像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、映像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。
【００４５】
ここで、反射ユニット３０の厚みＴＩ（すなわちハーフミラー３１のＺ軸方向の幅）は、０．７ｍｍ〜３．０ｍｍ程度に設定される。なお、反射ユニット３０を支持する平行導光体２２の厚みは、例えば数ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは４ｍｍ〜６ｍｍ程度となっている。平行導光体２２の厚みが反射ユニット３０の厚みに比較して十分大きいと、反射ユニット３０又は境界面ＩＦへの映像光ＧＬの入射角を小さくしやすく、映像光ＧＬが眼ＥＹに取り込まれない位置にあるハーフミラー３１での反射を抑えやすい。一方、平行導光体２２の厚みを比較的薄くすると、平行導光体２２や導光装置２０の軽量化を図りやすくなる。
【００４６】
ハーフミラー３１は、すべて同一の傾きに設定され、平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂを基準として時計回りで例えば４８°〜７０°程度の傾斜角度δをなすものとでき、具体的には例えば６０°の傾斜角度δをなしている。ここで、映像光ＧＬ０の仰角φ０が例えば３０°に設定され、映像光ＧＬ１の仰角φ１が例えば２２°に設定され、映像光ＧＬ２の仰角φ２が例えば３８°に設定されているものとする。この場合、映像光ＧＬ１と映像光ＧＬ２とは、光軸ＡＸを基準として角度γ１＝γ２≒１２．５°をなして観察者の眼ＥＹに入射する。
【００４７】
これにより、上記映像光ＧＬのうち全反射角度の比較的大きい成分（映像光ＧＬ１）を反射ユニット３０のうち反入射側である＋Ｘ側の部分２３ｈ側に主に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分（映像光ＧＬ２）を射出部２３のうち入射側である−Ｘ側の部分２３ｍ側に主に入射させた場合において、映像光ＧＬ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映像光ＧＬを取り出す構成であるため、導光装置２０は、映像光ＧＬを反射ユニット３０において原則として複数回経由させず、１回だけ経由させることができ、映像光ＧＬ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。
【００４８】
なお、反射ユニット３０のハーフミラー３１を通過する非利用光は、外界側の平面２２ａに再度入射する可能性があるが、ここで全反射された場合、多くは反射ユニット３０の奥側の部分２３ｈ又はさらに奧側であって有効領域外に入射させることができ、眼ＥＹに入射する可能性が低減される。
【００４９】
また、反射ユニット３０の中央側や奥側の部分２３ｋ，２３ｈ等において、映像光ＧＬの一部は、ハーフミラー３１を複数回経由（具体的には、１回の反射と１回以上の透過を含む通過）している。この場合、ハーフミラー３１の経由回数が複数になるが、複数のハーフミラー３１からの反射光が、映像光ＧＬとして観察者の眼ＥＹにそれぞれ入射するので、光量の損失はあまり大きくはならない。
【００５０】
以下、図３、４等を参照して、反射ユニット３０を構成する複数のハーフミラー３１の配列間隔について説明する。
複数のハーフミラー３１の配列方向又は反射ユニット３０が延びるＺ方向に関する配列間隔ＳＰは、入射部２１に近い入射側から終端面ＥＳに近い反入射側にかけて、観察者の眼ＥＹを想定して設定されたアイポイントＥＰの中心ＥＰａ（図２参照）から任意の着目点に延びる視線ＥＬを基準として複数のハーフミラー３１が略連続して繋がるように変化している。結果的に、反射ユニット３０における複数のハーフミラー３１の配列間隔ＳＰは、入射部２１に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加している。具体的には、図３に示すように正面方向に視線ＥＬが延びる正面位置（反射ユニット３０のうち中央側の部分２３ｋ）における配列間隔ＳＰは、図４に示すように耳寄りに傾いた方向に視線ＥＬが延びる入射側位置（反射ユニット３０のうち入口側の部分２３ｍ）における配列間隔ＳＰよりも、相対的に広くなっている。ハーフミラー３１の具体的な配列間隔ＳＰは、反射ユニット３０内で大小の差があるものの、各部で０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の範囲内となっている。
なお、以上で説明した視線ＥＬは、虚像表示装置１００を装着した観察者の実際の視線に相当するものであるが、実際の観察者を必要としない一種仮想的なものであることは言うまでもない。また、アイポイントＥＰは実用上光軸ＡＸに垂直な方向に関して眼ＥＹの瞳の直径以上の広がり有するが、このようにアイポイントＥＰが広がりを有する場合、アイポイントＥＰの中心ＥＰａを基準とすればよい。つまり、視線ＥＬは、アイポイントＥＰの中心ＥＰａから任意のハーフミラー３１上の点（着目点）へ向けて延ばした線（映像光ＧＬを逆進させた光路）となる。
【００５１】
図４を参照してハーフミラー３１の配列間隔ＳＰについて詳細に考察する。上述のように反射ユニット３０の厚みがＴＩで、反射ユニット３０の傾斜角がσである場合において、アイポイントＥＰから反射ユニット３０における任意の着目点まで延ばした光路の光軸ＡＸに対する角度（つまり視線ＥＬの角度）をεとし、ハーフミラー３１の占有幅をＭＷとし、ハーフミラー３１の間隔調整量をｇとし、反射ユニット３０の屈折率をｎとする。ここで、視線ＥＬの角度εは、光軸ＡＸに平行な光軸方向線ＡＸ'に対する視線ＥＬの角度と同じになっており、眼ＥＹが正面方向よりも耳寄りを向いて着目点が光軸ＡＸよりも−ｘ側にあれば正の値となり（図示の場合）、眼ＥＹが正面方向よりも鼻寄りを向いて着目点が光軸ＡＸよりも＋ｘ側にあれば負の値となるとする。ハーフミラー３１の占有幅をＭＷは、ハーフミラー３１を反射ユニット３０の法線方向から見た場合のハーフミラー３１の幅を意味する。また、ハーフミラー３１の間隔調整量ｇは、視線ＥＬが反射ユニット３０の法線方向に対して傾いている場合に、入射側に隣接するハーフミラー３１の観察者端ｅ２と着目するハーフミラー３１の外界端ｅ１とが一致するための値である。つまり、ハーフミラー３１の配列間隔ＳＰは、以下の関係式（１）
ＳＰ＝ＭＷ＋ｇ    …    （１）
で与えられる。図４に示すように、視線ＥＬが反射ユニット３０の法線方向を基準（正面）として相対的に若干鼻寄りに向かう場合、間隔調整量ｇは正の値となる。なお、詳細な図示を省略するが、反射ユニット３０の中央側の部分２３ｋ（図３に対応）では、間隔調整量ｇが比較的大きな正の値となり、反射ユニット３０の奥側の部分２３ｈでは、間隔調整量ｇがさらに大きな正の値となる。
【００５２】
眼ＥＹを基準とした光路について考えると、視線ＥＬが着目するハーフミラー３１の外界端ｅ１と入射側に隣接するハーフミラー３１の観察者端ｅ２とを通る場合、両ハーフミラー３１が連続して繋がるように見える。視線ＥＬの観察側から光射出面ＯＳへの入射角をν１とし、視線ＥＬの光射出面ＯＳから外界側への射出角をν２とすると、両角ν１，ν２は、光射出面ＯＳの法線に対して視線ＥＬの成す角である。入射角ν１は、反射ユニット３０の傾斜角σと視線ＥＬの傾き角度εとの差σ−εで表される。射出角ν２は、スネルの法則によって入射角ν１を用いてｎ×ｓｉｎ（ν２）＝ｓｉｎ（ν１）で与えられる。つまり、角ν２は以下のように表現することができる。
2017049511.tif 000003
ここで、幾何的な関係からｇ＝ＴＩ×ｔａｎ（ν２）なる関係が成り立っており、間隔調整量ｇは、以下の関係式（２）
ｇ＝ＴＩ×ｔａｎ（ν２）    …    （２）
で与えられ、以下の関係式（２）'に置き換えることができる。
ｇ＝ＴＩ×｛ｓｉｎ（σ−ε）／√［ｎ２−ｓｉｎ２（σ−ε）］｝
…    （２）'
【００５３】
以上は、反射ユニット３０を構成する複数のハーフミラー３１がＸ方向に関して視線ＥＬを基準として全く重なりも切れ目もない場合、つまり複数のハーフミラー３１が視線ＥＬを基準として重複も隙間もない状態で配置されている場合を説明しているが、目立たない範囲内での僅かな重複や隙間であれば、複数のハーフミラー３１が略連続して繋がる状態と言える。つまり、以下の関係式（３）
ｇ≒ＴＩ×｛ｓｉｎ（σ−ε）／√［ｎ２−ｓｉｎ２（σ−ε）］｝
…    （３）
又は以下の関係式（４）
ＳＰ≒ＭＷ＋ＴＩ×ｔａｎ（ν２）
ＭＷ＋ＴＩ×｛ｓｉｎ（σ−ε）／√［ｎ２−ｓｉｎ２（σ−ε）］｝
…    （４）
を満たされれば足る。特に、視線ＥＬの方向を基準として隣接するハーフミラー３１間に重複があっても隙間が無ければ外界光ＯＬに関して観察されるムラを比較的少なく抑えることができる。一方、視線ＥＬの方向を基準として隣接するハーフミラー３１間に隙間がある場合、この隙間を極力狭くすることがムラ発生を防止する観点で望ましい。
【００５４】
図５を参照して、反射ユニット３０の製造方法の一例について説明する。予め、ガラス製の平行平板である多数のガラス板９１を準備する。各ガラス板９１の厚みは、ハーフミラー３１の配列間隔ＳＰを考慮したものとなっており、反射ユニット３０のうち中央側の部分２３ｋに対応するガラス板９１の厚みを標準として、入射側又は入口側の部分２３ｍに対応するガラス板９１は相対的に薄く、反入射側又は奥側の部分２３ｈに対応するガラス板９１は相対的に厚くなっている。図５の場合、下側のガラス板９１が薄く上側のガラス板９１が厚くなっている。その後、準備した多数のガラス板９１の一面に金属反射膜や誘電体多層膜である反射膜９２を成膜することにより多数の要素板９０を準備する。その後、形成された多数の要素板９０を厚みの順に接着剤で接合しつつ積層し、切断線Ｃ１、Ｃ２に沿って全体を斜めにカットする。これにより、平行平板を斜めに分割した細長いプリズム片であるブロック部材３２の間に金属反射膜や誘電体多層膜からなるハーフミラー３１を挟んだ構造の反射ユニット３０であって、一端側でハーフミラー３１の配置間隔が狭く他端側でハーフミラー３１の配置間隔が広くなったものを得ることができる。この反射ユニット３０を、平行導光体２２の観察者側の適所に接着剤を介して貼り付け、接着剤を硬化させることによって固定する。
【００５５】
〔１Ｄ．第１実施形態のまとめ〕
以上で説明した第１実施形態の導光装置２０によれば、複数のハーフミラー３１の配列間隔ＳＰが、入射部２１に近い入射側から反入射側にかけてアイポイントＥＰを基準として複数のハーフミラー３１が略連続して繋がるように変化するので、反射ユニット３０を構成する複数のハーフミラー３１がアイポイントＥＰの前方において略切れ目も重なりもない状態で略一様に配置されることになる。つまり、複数のハーフミラー３１は、アイポイントＥＰに観察者の眼ＥＹを配置した場合、その視線ＥＬの前方において略切れ目も重なりもない状態で略一様に配置されることになる。これにより、外界光ＯＬを観察する際にハーフミラー３１に沿って延びる筋状のムラが観察されることを防止できる。
なお、本実施形態の導光装置２０では、平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射された映像光ＧＬを反射することによって反射ユニット３０に入射した映像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向わせるように設定しているので、映像光ＧＬは、平行導光体２２と反射ユニット３０との境界面ＩＦで反射されることなく射出部２３又は反射ユニット３０に入射する位置又はその近傍のハーフミラー３１を経由するのみとなる。見方を変えれば、本実施形態の導光装置２０では、反射ユニット３０が光軸ＡＸ方向に関して平行導光体２２の半分程度以下に薄く、反射ユニット３０を構成するハーフミラー３１が平行導光体２２の観察者側よりも外界側で入射部２１に近づくように傾斜するとともに、反射ユニット３０のうち少なくとも入射部２１に近い部分が平行導光体２２の観察者側に配置されている。これにより、反射ユニット３０のうち入射部２１から離れた奥側において、観察されるべき映像光ＧＬの光軸ＡＸに対する傾きを比較的大きくして、入射部２１からの映像光ＧＬを反射ユニット３０の目標箇所に直接的に入射させることが容易となる。これにより、観察されるべき映像光ＧＬがハーフミラー３１を経由する回数を減らして輝度ムラや減光を防止でき、その一方で、意図しない映像光ＧＬの射出を防止してゴースト光の発生を抑えることができる。
【００５６】
図６は、上記第１実施形態に係る導光装置２０のうち射出部２３の構造等に関する変形例を説明する図である。この場合、反射ユニット３０の厚みが、入射部２１に近い入射側で厚く入射部２１から遠い反入射側で薄くなっている。入射部２１から遠い側では、映像光ＧＬ２の仰角φ２が小さくなっており、反射ユニット３０を薄くすることで、ハーフミラー３１を経由する回数が増加することを抑制できる。ここで、反射ユニット３０の観察側の光射出面ＯＳと、平行導光体２２の外界側の平面２２ａとは平行であることが望ましい。つまり、平行導光体２２のうち反射ユニット３０に隣接する部分は原則として僅かな楔角を有することになる。
なお、上記のように反射ユニット３０の厚みがＸ方向の位置によって変化する場合も、ハーフミラー３１に関する間隔調整量ｇの関係式（２）やハーフミラー３１に関する配列間隔ＳＰの関係式（４）がそのまま当てはまる。つまり、関係式（２）〜（４）中における反射ユニット３０の厚みＴＩが位置Ｘに応じて例えば線形的に増加する変数であるとして扱えばよい。
【００５７】
図７（Ａ）は、上記第１実施形態に係る導光装置２０のうち射出部２３の構造等に関する別の変形例を説明する図である。この場合、射出部２３に設けた反射ユニット３０が傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、反射ユニット３０は、入射部２１から遠い奥側の部分２３ｈが入射部２１に近い前側の部分２３ｍよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、反射ユニット３０の入射面３０ａ及び出射面３０ｂは、平行導光体２２の平面２２ｂを基準として、反時計回りに９０°未満で適宜傾斜したものとなっている。
なお、射出部２３は、反射ユニット３０を挟んで平行導光体２２の反対側に、反射ユニット３０の出射面３０ｂに接合される断面楔状のプリズム部材２３ｆを有する。これにより、平行導光体２２の外界側の平面２２ａと、この平面２２ａに対向する光射出面ＯＳとが平行になって、外界光ＯＬの自然な観察が可能になる。反射ユニット３０が傾斜した状態で配置されていても、角度条件を図２〜４に示す例と同様とすれば、平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射された映像光ＧＬを複数のハーフミラー３１で反射させて、観察側の光射出面ＯＳを通過させることでき、図２等の場合と同様に虚像を形成することができる。
【００５８】
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す一部を拡大したものである。この場合、反射ユニット３０が平行導光体２２に対して傾いて配置されているので角度関係が変化しており、ハーフミラー３１の配列間隔ＳＰは、図２〜４に示す場合を修正したものとする必要がある。ここで、反射ユニット３０の厚みをＴＩとし、平行導光体２２の傾斜角をσとし、プリズム部材２３ｆの楔角をρとして、アイポイントＥＰから任意の着目点まで延ばした光路の光軸ＡＸに対する角度（つまり視線ＥＬの角度）をεとし、ハーフミラー３１の占有幅をＭＷとし、ハーフミラー３１の間隔調整量をｇとする。さらに、反射ユニット３０の屈折率をｎとし、プリズム部材２３ｆの屈折率をｎ１とする。この場合、ハーフミラー３１の配列間隔ＳＰは、反射ユニット３０が傾斜していない場合と同じ関係式（１）
ＳＰ＝ＭＷ＋ｇ    …    （１）
で与えられる。光射出面ＯＳを挟んでの視線ＥＬの入射角をν３とし射出角をν４とするとともに、出射面３０ｂを挟んでの視線ＥＬの入射角をν１とし射出角をν２とすると、角ν３，ν４間と角ν１，ν２間とにスネルの法則が成り立つ。つまり、角ν２は、詳細な説明を省略するが、以下のように表現することができる。
2017049511.tif 000004
この角ν２を利用すれば、間隔調整量ｇは、既述の関係式（２）
ｇ＝ＴＩ×ｔａｎ（ν２）    …    （２）
で与えられる。
【００５９】
以上は、反射ユニット３０を構成する複数のハーフミラー３１がＸ方向に関してアイポイントＥＰ又は視線ＥＬを基準として全く重なりも切れ目もない場合、つまり複数のハーフミラー３１がアイポイントＥＰ又は視線ＥＬを基準として重複も隙間もない状態で配置されている場合を説明しているが、目立たない範囲内での僅かな重複や隙間であれば許容される。つまり、以下の関係式（４）'
ＳＰ≒ＭＷ＋ＴＩ×ｔａｎ（ν２）    …    （４）'
が満たされれば足る。
【００６０】
以上で説明した第１実施形態やその変形例において、入射部２１を曲面２１ａ，２１ｂで構成しているが、その一方又は双方を平面で構成することもできる。この場合、曲面２１ｂに対応する部分を平行導光体２２の平面２２ｂを延長した平面とすることができる。
また、入射部２１において、光入射面ＩＳから入射させた映像光ＧＬを内面で反射させないで、そのまま平行導光体２２に結合する構成とすることもできる。
さらに、平行導光体２２は、完全な平行平板に限らず、若干の湾曲や楔角を持たせることができる。つまり、平行導光体２２の平面２２ａ，２２ｂを非球面その他の湾曲面としたり、相互に傾き角を形成したりすることができる。ただし、平面２２ａ，２２ｂを湾曲させた場合、視度や倍率変化が発生するので、湾曲は少ない方が良い。また、平面２２ａ，２２ｂ間に傾きを設けた場合、色分散が生じるので、傾き角は小さい方が望ましい。
反射ユニット３０の製造方法は、図５に例示するものに限定されない。鋸歯状の断面を設けた樹脂基板であって、鋸歯の斜面に対応して平行に延びる多数の斜面を有するものを準備し、その多数の斜面にハーフミラー３１を形成し、樹脂基板の斜面を含む溝を硬化可能な液体又は固体の樹脂で充填することによっても、図３等に示される光学的な構造を得ることができる。
【００６１】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態に係る導光装置は、第１実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
【００６２】
図８に示すように、本実施形態の導光装置２０は、映像光を取り込む入射部２１と、導光用の平行導光体２２と、映像光を取り出すための射出部２３とを備える点で、第１実施形態の導光装置２０と基本的に同一の構造を有する。ただし、第２実施形態の場合、導光装置２０を通す映像光ＧＬの光路は、反射回数が異なる複数種類の光路を含んでおり、これら複数種類の光路を合成するタイプとなっている。また、第２実施形態の場合、平行導光体２２を傾けないでｘｙ面に平行に配置している。
【００６３】
なお、射出部２３を構成する反射ユニット３０は、詳細な説明を省略するが、第１実施形態の場合と同様の構造を有しており、多数のブロック部材３２を接合した構造を有し、ハーフミラー３１は、隣接する一対のブロック部材３２間に挟まれた薄膜状のものとなっている。そして、複数のハーフミラー３１の配列間隔ＳＰは、入射部２１に近い入射側から終端面ＥＳに近い反入射側にかけて、観察者のアイポイントＥＰ又は視線ＥＬを基準として複数のハーフミラー３１が略連続して繋がるように変化している。結果的に、反射ユニット３０における複数のハーフミラー３１の配列間隔ＳＰは、入射部２１に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加している。
【００６４】
以下、映像光の光路について説明する。液晶デバイス１１の射出面１１ａ上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を映像光ＧＬ０とし、図中一点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面左側（−ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ１とし、図中二点鎖線で示す射出面１１ａの周辺のうち紙面右側（＋ｘ側）から射出される成分を映像光ＧＬ２とする。
【００６５】
投射レンズ１２を経た各映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、これに対向する反射面ＲＳで反射され、第１及び第２の全反射面に対応する平面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、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２のうち、射出面１１ａの中央部分から射出された映像光ＧＬ０は、平行光束として入射部２１の反射面ＲＳで反射された後、標準反射角θ０で平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに入射し、全反射される。その後、映像光ＧＬ０は、標準反射角θ０を保った状態で、一対の平面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。映像光ＧＬ０は、平面２２ａ，２２ｂにおいて偶数回全反射され、平行導光体２２と射出部２３又は反射ユニット３０との境界面ＩＦでは反射されないでこれを通過し、射出部２３の中央の部分２３ｋに入射する。映像光ＧＬ０は、部分２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳから光射出面ＯＳを含むｘｙ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。
また、射出面１１ａの一端側（−ｘ側）から射出された映像光ＧＬ１は、平行光束として入射部２１の反射面ＲＳで反射された後、最大反射角θ１で平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに入射し、全反射される。映像光ＧＬ１は、平面２２ａ，２２ｂにおいて複数回全反射され、平行導光体２２と射出部２３又は反射ユニット３０との境界面ＩＦでは反射されないでこれを通過し、射出部２３のうち奥側（＋ｘ側）の部分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。この際の射出角γ１は、入射部２１側に戻されるようなものになっており、＋ｘ軸に対して鋭角の光線となる。
一方、射出面１１ａの他端側（＋ｘ側）から射出された映像光ＧＬ２は、平行光束として入射部２１の反射面ＲＳで反射された後、最小反射角θ２で平行導光体２２の観察者側の平面２２ｂに入射し、全反射される。映像光ＧＬ２は、平面２２ａ，２２ｂにおいて複数回全反射され、平行導光体２２と射出部２３又は反射ユニット３０との境界面ＩＦでは反射されないでこれを通過し、射出部２３のうち入口側（−ｘ側）の部分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。この際の射出角γ２は、入射部２１側から離れるようなものになっており、＋ｘ軸に対して鈍角の光線となる。
以上において、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２が射出部２３に達するまでの全反射回数は、必ずしも一致していない。つまり、図示の例では、映像光ＧＬ２との全反射回数が映像光ＧＬ１の全反射回数よりも１回以上多くなっており、映像光ＧＬ０の全反射回数は、両映像光ＧＬ１，ＧＬ２の全反射回数と一致する場合を含む。ただし、平面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、上記のように映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２間で反射回数が異なっていても、これによって輝度ムラが生じることは殆どない。また、映像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２は、映像光ＧＬの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光ＧＬを構成する光線成分についても映像光ＧＬ０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。
【００６６】
なお、中央向けの映像光ＧＬ０は、仰角φ０（＝９０°−θ０）で射出部２３の部分２３ｋに入射し、周辺向け映像光ＧＬ１は、仰角φ１（＝９０°−θ１）で射出部２３の部分２３ｈに入射し、周辺向け映像光ＧＬ２は、仰角φ２（＝９０°−θ２）で射出部２３の部分２３ｍに入射する。ここで、仰角φ０，φ１，φ２間には、反射角θ０，θ１，θ２の大小関係を反映してφ２＞φ０＞φ１の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット３０のハーフミラー３１への入射角は、仰角φ２に対応する部分２３ｍ、仰角φ０に対応する部分２３ｋ、仰角φ１に対応する部分２３ｈの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ハーフミラー３１への入射角又はハーフミラー３１での反射角は、入射部２１から離れるに従って小さくなる。
【００６７】
平行導光体２２の外界側の平面２２ａで反射されて射出部２３に向かう映像光ＧＬの光線束の全体的な挙動について説明する。映像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、平行導光体２２の外界側の所定面領域ＦＲで反射される前後の直進光路Ｐ１，Ｐ２のいずれかで幅が絞られる。具体的には、映像光ＧＬの光線束は、光軸ＡＸを含む断面において、所定面領域ＦＲでの反射後の直進光路Ｐ２で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなる。これにより、映像光ＧＬの光線束を射出部２３の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。
【００６８】
〔その他〕
以上各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。
【００６９】
反射ユニット３０に設けた多数のハーフミラー３１の反射率は、原則として一致させるが、これらハーフミラー３１の反射率を入射部２１に近い入射側から反入射側にかけて徐々に変化させることもできる。
【００７０】
以上の説明では、映像素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、映像素子としては、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、有機ＥＬ、ＬＥＤアレイや有機ＬＥＤ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とを組みあわせたレーザスキャナを用いた構成も可能である。
【００７１】
以上の説明では、虚像表示装置１００として、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及び導光装置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と導光装置２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００７２】
以上の説明では、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、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。
【００７３】
以上の説明では、平行導光体２２の平面２２ａ，２２ｂ又は曲面２１ｂ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映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、平面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、映像光ＧＬの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面２２ａ，２２ｂの一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。
【００７４】
以上の説明では、平行導光体２２をＸ方向又はｘ方向に横長とし、光入射面ＩＳを眼の横方向外側に位置するように形成しているが、映像光ＧＬを導光装置２０内に適切に導くことができれば、光入射面ＩＳの位置はこれに限らず、例えば導光装置２０の上下にある上端面ＴＰや下端面ＢＰの一部等に設けることも可能である。この場合、反射ユニット３０は、眼前の光軸ＡＸのまわりに９０°回転させる。
【００７５】
以上では触れていないが、平行導光体２２において外形を画定する外周部のうち上端面ＴＰや下端面ＢＰ等を黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面とすることができる。さらに、上端面ＴＰや下端面ＢＰ以外の箇所に黒色塗装塗布やサンドブラスト加工を施してもよい。上端面ＴＰや下端面ＢＰ等の一部にのみ黒色塗装やサンドブラスト加工を施すものとしてもよい。
【００７６】
また、反射ユニット３０を構成するハーフミラー３１としては、反射率を適宜低下させるものに限らず、ホログラムミラーを用いることができる。この際のホログラムミラーは、ＲＧＢの各色を一括処理する多層型とできるが、各色用の単層膜とすることもできる。
【符号の説明】
【００７７】
１０…画像形成装置、  １１…液晶デバイス、  １１ａ…射出面、  １２…投射レンズ、  １４…光源、  ２０…導光装置、  ２１…入射部、  ２２…平行導光体、  ２２ａ，２２ｂ…平面（全反射面）、  ２３…射出部、  ２３ｈ，２３ｋ，２３ｍ…部分、  ３０…反射ユニット、  ３１…ハーフミラー、  ３２…ブロック部材、  １００…虚像表示装置、  ＡＸ…光軸、  ＥＹ…眼、  ＧＬ…映像光、  ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２…映像光、  ＩＳ…光入射面、  ＯＳ…光射出面、  ＲＳ…反射面、  ＩＦ…境界面、  ＦＲ…所定面領域
【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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