(57)【要約】      （修正有）【課題】広視野角を確保しつつ輝度むらを抑制できる虚像表示装置用ライトガイドユニットの提供。【解決手段】ライトガイドユニット１０００は近接配置した第１，２のライトガイド５０，６０を有し、各ライトガイドは光線入射部１０１，５０１と光線射出部１０４，５０４を備えた導光部材１００，５００と、導光部材と一体化された光学部材２００，６００を有し、各導光部材は入射画像光を内部に導光させる反射部１０２，５０２と、光線射出部に対し傾斜する第１面と光線射出部に平行な第２面が交互に配置され画像光を第１面から光線射出部に取出す画像取り出し部１０３，５０３を備え、各光学部材は対応する導光部材の光線射出部に平行な平行面２１０，５１０と、各平行面に対して傾斜し画像取り出し部に対向配置された傾斜部２０３，６０３を有し、第１のライトガイドの光線射出部に対向する面と第２のライトガイドの画像射出部は空気層を介し近接配置する。【選択図】図１
2017122784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドユニットであって、
近接配置された第１のライトガイド及び第２のライトガイドを有し、
前記第１及び第２のライトガイドは、それぞれ、
前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、
前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部、と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と前記光線射出部に平行な第２面とが交互に配置され前記画像光を前記第１面から前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、
前記光学部材は、対応する前記導光部材の前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し前記画像取り出し部に対向して配置される傾斜部とを有し、
前記第１及び第２のライトガイドは、前記第１のライトガイドにおける前記光線射出部に対向する面と前記第２のライトガイドの前記画像射出部とが、空気層を介して近接配置されていること
を特徴とするライトガイドユニット。
【請求項２】
前記光学部材の前記傾斜部は、対応する前記導光部材の画像取り出し部において、空気層を介して近接配置されている請求項１記載のライトガイドユニット。
【請求項３】
前記第１のライトガイドの画像取り出し部において、前記第１面は、反射率が略１００％のコートを有する請求項１又は２に記載のライトガイドユニット。
【請求項４】
前記第２のライトガイドの画像取り出し部において、前記第１面は、反射率が略１００％のコートを有する請求項１又は２に記載のライトガイドユニット。
【請求項５】
前記第１のライトガイドの画像取り出し部の領域と、前記第２のライトガイドの画像取り出し部の領域とは、前記画像光の伝播方向に沿って互いにずれた位置に配置されている請求項１乃至４のいずれかに記載のライトガイドユニット。
【請求項６】
前記第１及び第２のライトガイドは、前記光学部材及び対応する前記導光部材が、それぞれ、同一の材料で形成されている請求項１乃至５のいずれかに記載のライトガイドユニット。
【請求項７】
前記第１及び第２のライトガイドは、それぞれ、前記光線入射部に対する前記反射部の傾斜角と、前記光線入射部に対する前記第１面の傾斜角とが等しい角度である請求項１乃至６のいずれかに記載のライトガイドユニット。
【請求項８】
照明光を射出する光源と、
前記光源からの照明光を受けて虚像表示のための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コリメートして射出するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系からの画像光を導光して射出する請求項１乃至７のいずれかに記載のライトガイドユニットと、
を備える虚像表示光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライトガイドユニット及びこのライトガイドユニットを用いた虚像表示光学系に関する。
【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。
【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】
近年、透過型のものにおいても、ユーザーニーズから、薄肉化、小型化、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ものとして、例えば特許文献１乃至３が知られている。
【０００５】
特許文献１の装置は、ライトガイド内に、ある特定の反射率のコートを施した幾つものミラーを配置し、光線の入射角度によって光線の反射と透過とを振り分けて、画像を取り出す方式としている。
【０００６】
特許文献２の装置は、全反射を利用して、ライトガイドを通じて画像光を導くと共に、ライトガイドの画像取り出し側において、ライトガイドの主面に平行な外光透過面を設けることで、画像光に外光と重ね合わせて観察可能にする透過機能を持たせている。
【０００７】
特許文献３の装置は、対向して延びる全反射部と、傾斜するように延びる複数の第一要素面と、その第一要素面に対して、鈍角をなして延びる複数の第二要素面とを交互して配置してなる導光板を組み合わせた方式としている。
【０００８】
これらの方式では、ライトガイド内の光の伝播に関して全反射を利用しているため、視野角を広く確保しようとすると、輝度むらが発生しやすいことやアイボックスが確保しにくいなどの技術的課題がある。すなわち、上述の方式では、視野角を広く確保しようとすると、ライトガイド内の光線の反射による伝播の間隔が長くなり、ライトガイド内の複数のミラー或いはライトガイド側面の微細構造によって取り出した画像光の間隔が大きくなるため、輝度の均一性やアイボックスを確保しにくい問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、広視野角を確保しつつ観察される虚像の輝度むらを抑制できる虚像表示装置用のライトガイドユニット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】
本発明に係るライトガイドユニットは、画像表示素子からの画像光を導光して虚像を表示するために射出する虚像表示装置用のライトガイドユニットであって、近接配置された第１のライトガイド及び第２のライトガイドを有し、前記第１及び第２のライトガイドは、それぞれ、前記画像光が入射される光線入射部と前記画像光を外部に射出するための光線射出部とを備えた導光部材と、前記導光部材に一体的に設けられる光学部材と、を有し、前記導光部材は、前記光線入射部に対して傾斜し前記光線入射部で入射した画像光をライトガイド内部に導光させる反射部と、前記光線射出部に対して傾斜する第１面と前記光線射出部に平行な第２面とが交互に配置され前記画像光を前記第１面から前記光線射出部に導光して取り出す画像取り出し部を備え、前記光学部材は、対応する前記導光部材の前記光線射出部に平行な平行面と、前記平行面に対して傾斜し前記画像取り出し部に対向して配置される傾斜部とを有し、前記第１及び第２のライトガイドは、前記第１のライトガイドにおける前記光線射出部に対向する面と前記第２のライトガイドの前記画像射出部とが、空気層を介して近接配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広視野角を確保しつつ観察される虚像の輝度むらを抑制できる虚像表示装置用のライトガイドユニットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したライトガイドユニットの実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のライトガイドユニットの斜視図である。
【図３】図１のライトガイドユニットの各ライトガイドにおける光線入射部と反射部を説明するための部分拡大平面図である。
【図４】各々の導光部材における画像取り出し部と光線射出部を説明するための部分拡大平面図である。
【図５】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６】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５の導光部材と光学部材の場合、（ｂ）は図５の導光部材と他の構成例の光学部材の場合である。
【図７】図１のライトガイドユニットを用いた虚像表示装置を示す平面図である。
【図８】第１のライトガイドのみを使用した場合の光線のむらを説明するための光路図であり、画像表示素子の画像表示面の中央部から射出された画像光の光路を示す。
【図９】図１のライトガイドユニットを用いた場合の光線むらの改善を説明するための光路図であり、画像表示素子の画像表示面の中央部から射出された画像光の光路を示す。
【図１０】第１のライトガイドのみを使用した場合の光線のむらを説明するための光路図であり、画像表示素子の画像表示面の中央以外の部位から射出された画像光の光路を示す。
【図１１】図１のライトガイドユニットを用いた場合の光線むらの改善を説明するための光路図であり、画像表示素子の画像表示面の中央以外の部位から射出された画像光の光路を示す。
【図１２】図１のライトガイドユニットを用いた虚像表示装置の実施例を説明するための光路図である。
【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、２つの透過型のライトガイドを備えたライトガイドユニット及びかかるライトガイドユニット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る。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本実施形態による虚像表示装置用のライトガイドユニット１０００は、第１のライトガイド５０と第２のライトガイド６０とが近接配置されて一体化されたものとなっている。以下、これらライトガイド５０，６０の面に関し、観察者から見て手前側（図１乃至図１２において下側）の面を「後面」とし、奥側（同図において上側）の面を「前面」として説明する。
【００１５】
ライトガイドユニット１０００は、第１のライトガイド５０の前面１０５と第２のライトガイド６０の後面５０５が近接配置され、これら前面１０５及び後面５０５が空気層を介して接合されることで、２つのライトガイド５０及び６０が一体化されている。第１のライトガイド５０の前面１０５と第２のライトガイド６０の後面５０５の接合態様として、この例では、これら前面１０５及び後面５０５の外周縁同士を接着剤を用いて固定している。
【００１６】
第１のライトガイド５０は、画像表示素子及び光学レンズを含む虚像光学系から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導光部材１００と、導光部材１００に一体に設けられる光学部材２００を備える。第２のライトガイド６０も同様に、画像光を内部に導光して虚像表示のために外部に向けて射出する導光部材５００と、導光部材５００に一体に設けられる光学部材６００を備える。
【００１７】
第１のライトガイド５０の導光部材１００及び光学部材２００と、第２のライトガイド６０の導光部材５００及び光学部材６００とは、光学的な機能という点では基本的に等価である。したがって、以下は、特に差異点を言及しない限り、第１のライトガイド５０の導光部材１００及び光学部材２００に関する説明は、第２のライトガイド６０の導光部材５００及び光学部材６００についても同様に当てはまる。
【００１８】
導光部材１００は、光学系からの画像光を内部に入射する光線入射部１０１、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、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための画像取り出し部１０３及び光線射出部１０４を備える。同様に、第２のライトガイド６０の導光部材５００は、光学系からの画像光を内部に入射する光線入射部５０１、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５０２、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための画像取り出し部５０３及び光線射出部５０４を備える。他方、第２のライトガイド６０は、光学系からの画像光を第１のライトガイド５０を介して内部に入射し、内部に導光した画像光を取り出して第１のライトガイド５０を介して外部に射出する点が第１のライトガイド５０と異なっている。
【００１９】
以下は、第１のライトガイド５０の各部の構成を説明し、第２のライトガイド６０の各部の構成は、基本的に第１のライトガイド５０と同等の機能を有していることから、主に第１のライトガイド５０と異なる点について説明する。
【００２０】
導光部材１００は、平面視で台形状の外形を有している。導光部材１００において、光線入射部１０１及び光線射出部１０４が設けられた後面と、後面の反対側にある前面１０５は、それぞれ平面であり、互いに平行に形成されている。画像取り出し部１０３は、光線射出部１０４及び後面に対して傾斜して設けられ、後面と平行な前面１０５に連続する。反射部１０２は、導光部材１００の前面側に設けられ、光線入射部１０１及び導光部材１００の後面に連続する面であり、光線入射部１０１及び後面に対して傾斜して設けられている。
【００２１】
光線入射部１０１及び光線射出部１０４は、いずれも導光部材１００の後面に設けられている。したがって、光線入射部１０１と光線射出部１０４とは、同一面上に配置されている。このように光線入射部１０１及び光線射出部１０４を同一面上に配置することで、導光部材１００さらにはライトガイド５０の生産性を向上させ、また、導光部材１００及びライトガイド５０全体をシンプルな構成にすることができる。
【００２２】
第１のライトガイド５０の導光部材１００は、後述する光学系から射出された画像光の内の一部を光線入射部１０１で入射し、反射部１０２で反射して内部に導光するとともに、画像光の残りの一部を前面１０５で透過して第２のライトガイド６０の導光部材５００に供給する（図７参照）。このため、光学系から射出される画像光の光束は、反射部１０２よりも幅方向（図１の左右方向）に広いサイズのものが用いられる。
【００２３】
導光部材１００の材質は、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。
【００２４】
導光部材１００の反射部１０２は、光線入射部１０１で入射した画像光を反射して導光部材１００の内部に導光させるために、図３に示すように、光線入射部１０１に対して角度θ0で傾斜している。かかる傾斜角θ0は、光線入射部１０１から入射された画像光を全反射で導光させるための角度であり、導光部材１００の内部に画像光を良好に導光するために、１５度から７５度までの角度とすることが望ましい。さらに、後述する画像取り出し部１０３の第１面１０３ａと光線射出部１０４とのなす角度θaの好適範囲を考慮すると、傾斜角θ0は、２０度から４０度までの範囲に設定することがより好ましい。
【００２５】
また、反射部１０２には任意のコートを施すことができる。導光部材１００の内部に画像光を導光させるためには、反射部１０２は、アルミニウムや銀、誘電コートなどの反射率が高いミラーコートを施すことが望ましい。
【００２６】
導光部材１００の画像取り出し部１０３は、内部に導光される画像光を光線射出部１０４に向けて反射させる役割を有し、光線射出部１０４は、画像取り出し部１０３から導かれた画像光を虚像観察者の目に向けて外部に射出させる役割を有する。
【００２７】
画像取り出し部１０３は、図４に示すように、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４中、光線射出部１０４と平行な基準面を点線で表し、第２面１０３ｂの幅をｗで表している。
【００２８】
画像取り出し部１０３の第１面１０３ａは、導光部材１００の内部に入射及び導光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。ここで、光線射出部１０４に対する第１面１０３ａの傾斜の向きは、光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜の向きと逆である。第１面１０３ａが光線射出部１０４に対して傾斜する角度θaの値は、導光部材１００の材質の屈折率にもよるが、２０度から４０度までの範囲に設定することが好ましい。また、角度θaの値は、上述した光線入射部１０１に対する反射部１０２の傾斜角θ0の値と同一に設定することがより好ましく、かかる設定とすることで、後述するコリメート光学系３００の配置の調整等が容易になる。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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４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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
2017122784.tif 000003
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。光学部材２００は、平面視で三角形状の外形を有し、導光部材１００の画像取り出し部１０３に対向して設けられることで、主に光線射出部１０４及び画像取り出し部１０３の光線透過性すなわちシースルー性を確保する役割を有する。さらに、第１のライトガイド５０の光学部材２００は、第２のライトガイド６０の導光部材５００から射出される画像光を透過して自身の導光部材１００に提供する役割を有する。
【００４２】
光学部材２００は、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、かかる前面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に対して近接設置される部位であり、本実施形態では図５に示すように、導光部材１００の画像取り出し部１０３の形状に対応した形状を有している。
【００４３】
図５は、導光部材１００と光学部材２００の境界面を拡大して示している。図５（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６（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。
【００４４】
まず、図５に示す本実施形態の構成から説明する。なお、図５（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５（ｂ）参照）。
【００４５】
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（６０）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。
【００４６】
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２０３ａは導光部材１００の第１面１０３ａと平行となり、ライトガイド５０（６０）のシースルー性をより高めることが可能になる。
【００４７】
ライトガイド５０（６０）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５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。
【００４８】
ライトガイド５０（６０）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。
【００４９】
また、図５に示すように、導光部材１００と光学部材２００をエアギャップ１４０を介して接合する場合は、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａに、反射率が略１００％のコートを施すことが望ましい。このような構成とすることで、光量のロスの少ない良好な画像を観察することが出来る。
【００５０】
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６（ａ）は、図５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５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、ライトガイド５０（６０）のシースルー性を保持することが可能となる。
【００５１】
接着剤１５０の屈折率は、導光部材１００の材質の屈折率と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（６０）のシースルー性を高めることが可能となる。
【００５２】
図６（ｂ）は、図６（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。他方、図６（ｂ）の例は、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６（ａ）の例と異なっている。すなわち、図６（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にすることにより、高いシースルー性を保つことができる。
【００５３】
導光部材１００と光学部材２００を接着剤１５０を用いて接合する場合は、画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂで光線が全反射しなくなり光が伝播しなくなるため、第１面１０３ａとともに第２面１０３ｂに反射透過特性を有するコートを施すのが望ましい。このような構成とすることで、外界からの光が第１面１０３ａで屈折しなくなるため、外界の景色を良好に視認することが出来る。
【００５４】
導光部材１００と光学部材２００の接合例として、図５ではエアギャップ１４０を介して接合する場合、図６では接着剤１５０を介して接合する場合を示した。他の接合例として、導光部材１００と光学部材２００を直接に接合する構成とすることもできる。この場合も、画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂで光線が全反射しなくなり光が伝播しなくなるため、接着剤１５０を介して接合する場合と同様に、第１面１０３ａと第２面１０３ｂの両方に反射透過特性を有するコートを施すのが望ましい。このような構成とすることで、外界からの光が第１面１０３ａで屈折しなくなり、外界の景色を良好に視認することが出来る。
【００５５】
次に、第２のライトガイド６０の構成について、第１のライトガイド５０と異なる点を中心に説明する。第２のライトガイド６０の導光部材５００は、光学系からの画像光を内部に入射する光線入射部５０１、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５０２、導光した画像光を取り出して外部に射出させるための画像取り出し部５０３及び光線射出部５０４を備える。
【００５６】
第２のライトガイド６０の導光部材５００は、第１のライトガイド５０の導光部材１００と同様に、平面視で台形状の外形を有している。本実施形態では、導光部材５００における光線入射部５０１に対する反射部５０２の傾斜角θ0は、第１のライトガイド５０の導光部材１００と同一に設定されている（図３参照）。この変形例として、光線入射部５０１に対する反射部５０２の傾斜角θ0を、第１のライトガイド５０のそれとは異なる角度に設定することもできる。
【００５７】
図１、図２及び図７に示すように、第２のライトガイド６０は、光学系からの画像光を入射する光路上の位置が第１のライトガイド５０よりも後段にあることから、導光部材及び光学部材の長手方向すなわち光路に沿った方向のサイズが、第１のライトガイド５０と異なっている。すなわち、第２のライトガイド６０の導光部材５００は、その長手方向のサイズが、第１のライトガイド５０の導光部材１００よりも短い。また、第２のライトガイド６０の光学部材６００は、その長手方向のサイズが、第１のライトガイド５０の光学部材２００よりも長く、平面視で台形状の外形を有している。
【００５８】
より具体的には、第２のライトガイド６０の導光部材５００は、その反射部５０２が第１のライトガイド５０の反射部１０２と略面一になる位置に配置されている。換言すると、第２のライトガイド６０の導光部材５００は、光線入射部５０１と反射部５０２で形成される傾斜角θ0の角部が、第１のライトガイド５０の反射部１０２と前面１０５で形成される傾斜角１８０−θ0の角部（図３参照）に近接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、第１のライトガイド５０の前面１０５を通過した画像光を第２のライトガイド６０の光線入射部５０１から入射させることができる。
【００５９】
また、第２のライトガイド６０の導光部材５００は、その画像取り出し部５０３が、第１のライトガイド５０の画像取り出し部１０３に対して、長手方向すなわち画像光の伝搬方向に沿って互いにずれた位置に配置されている。このような配置とすることで、ライトガイドユニット１０００全体から射出される画像光の光線のむら及び視認される虚像の輝度むらを補正するように調整することができる。かかる輝度むらの補正に関しては、図８等で後述する。
【００６０】
この実施形態では、第２のライトガイド６０の画像取り出し部５０３の長手方向のサイズは、第１のライトガイド５０の画像取り出し部１０３の長手方向のサイズと略同一に設定されている。この変形例として、画像取り出し部１０３及び５０３の内の一方の長手方向のサイズを、他方よりも長く構成することもできる。
【００６１】
また、この実施形態では、第２のライトガイド６０の画像取り出し部５０３は、第１のライトガイド５０の画像取り出し部１０３よりも、長手方向すなわち画像光の伝搬方向における手前側（図１における左側）に配置されている。この変形例として、この逆の構成すなわち第１のライトガイド５０の画像取り出し部１０３を、第２のライトガイド６０の画像取り出し部５０３よりも、画像光の伝搬方向における手前側に配置することもできる。この場合には、第２のライトガイド６０の光学部材６００は、その長手方向のサイズが、第１のライトガイド５０の光学部材２００よりも短くなる。
【００６２】
以下、図７を参照して、ライトガイドユニット１０００を用いた虚像表示装置について説明する。図７中に加えた矢印は、画像表示素子１０の画像表示面の中心から射出された画像光の光路を示している。
【００６３】
図７に示す実施形態の虚像表示装置は、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からの画像光をコリメートして射出するコリメート光学系３００と、上述したライトガイドユニット１０００とを虚像表示光学系として備える。
【００６４】
画像表示素子１０は、ライトガイドユニット１０００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。
【００６５】
図７では、画像表示素子１０として、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどを用いた例を示しており、画像表示素子１０を照明するための光源ＬＳを加えている。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。
【００６６】
コリメート光学系３００は、複数の光学レンズや絞りなどから構成され、画像表示素子１０から出力される各画素の画像光を平行光として射出する。
【００６７】
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、コリメート光学系３００で平行光にされてライトガイドユニット１０００の第１のライトガイド５０及び第２のライトガイド６０に入射する。すなわち、コリメート光学系３００で平行光にされた画像光は、第１のライトガイド５０における導光部材１００の光線入射部１０１から入射する。ここで、第１のライトガイド５０に入射された画像光は、その一部が反射部１０２で反射して導光部材１００の内部に導光され、他の一部は導光部材１００を介して第２のライトガイド６０に入射する。すなわち、第１のライトガイド５０内に入射された画像光の他の一部（図７では右側の光束）は、反射部１０２で反射されることなく、導光部材１００の前面１０５を通過して第２のライトガイド６０の光線入射部５０１から入射する。
【００６８】
そして、第１のライトガイド５０の反射部１０２で反射して導光部材１００の内部に導光された画像光は、画像取り出し部１０３の上述した第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。また、第２のライトガイド６０の光線入射部５０１から入射された画像光は、反射部５０２で反射して導光部材５００の内部に導光され、画像取り出し部５０３の第１面１０３ａで反射され、光線射出部５０４から外部に射出される。
【００６９】
ここで、第２のライトガイド６０の光線射出部５０４から外部に射出される画像光は、第１のライトガイド５０を通過することで、第１のライトガイド５０の光線射出部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。図７の構成例では、第２のライトガイド６０の光線射出部５０４から第１のライトガイド５０を通過する画像光は、その一部が第１のライトガイド５０の導光部材１００のみを通過し、他の一部は光学部材２００と導光部材１００の両方を通過する。画像光が光線射出部５０４から第１のライトガイド５０の光学部材２００と導光部材１００の両方を通過する場合、かかる画像光は、光学部材２００の傾斜部２０３から画像取り出し部１０３の第２面１０３ｂを通過して光線射出部１０４から射出される。
【００７０】
かくして、ユーザは、ライトガイドユニット１０００の光線射出部１０４，５０４及び光学部材２００，６００を通して前方を覗くことで、画像光の虚像を視認することができる。
【００７１】
以下、図８乃至図１１を参照して、単一のライトガイドのみを用いた場合の輝度むらの発生、及び本実施形態による輝度むらの補正方法について説明する。
【００７２】
図８は、第１のライトガイド５０のみを使用した場合に、上述した画像表示素子１０の画像表示面の中央部から射出された画像光の光路を示している。かかる画像光は、上述したように、導光部材１００の光線入射部１０１から入射し、その一部が反射部１０２で反射して内部に導光され、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射され、光線射出部１０４からユーザの目に向けて画像情報として射出される。このとき、光線射出部１０４から射出される画像光は、図８に示すように、光線同士の間隔が大きいため、かかる画像光により視認される虚像は、観察する位置により輝度むらの原因となる。
【００７３】
図９は、本実施形態のライトガイドユニット１０００を使用した場合の画像表示素子１０の画像表示面の中央部から射出された画像光の光路を示している。かかる画像光は、上述したように、その一部が第１のライトガイド５０内で導光されて画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射され、他の一部が第２のライトガイド６０内で導光されて画像取り出し部５０３の第１面１０３ａで反射される。反射された各画像光は、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４からユーザの目に向けて画像情報として例えば図９に示すような反射状態で射出される。ここで、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４から最終的に射出される画像光は、図８と比較して明らかなように、光線の数が増える。
【００７４】
また、本実施形態では、上述のように、第１のライトガイド５０、第２のライトガイド６０のそれぞれの画像取り出し部１０３，５０３の位置が、光路に沿った方向において相互にずれた位置に配置されている。このため、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４から最終的に射出される画像光は、図８と比較して分かるように、光線同士の間隔が小さくなる。
【００７５】
図１０は、第１のライトガイド５０のみを使用した場合に、上述した画像表示素子１０の画像表示面の中央以外の部位から射出された画像光の光路を示している。かかる画像光も、同様に、導光部材１００の光線入射部１０１から入射し、その一部が反射部１０２で反射して内部に導光され、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射され、光線射出部１０４からユーザの目に向けて画像情報として射出される。このとき、光線射出部１０４から射出される画像光は、視野角を広くする程、言い換えると画像表示素子１０から射出される画像光のうちの画像表示面の端側の画像光になる程、導光部材１００内での反射角が大きくなり、次の反射までの伝播距離が長くなる。このため、かかる画像光は、画像表示面の中央から射出される画像光（図８参照）と比較して、画像取り出し部１０３の第１面１０３ａに当たる間隔が大きくなり、眼球に入射する光線の間隔がまばらになる。したがって、かかる画像光により視認される虚像は、輝度むらの原因となる。
【００７６】
図１１は、本実施形態のライトガイドユニット１０００を使用した場合に、画像表示素子１０の画像表示面の中央以外の部位から射出された画像光の光路を示している。かかる画像光も、上述と同様に、その一部が第１のライトガイド５０内で導光されて画像取り出し部１０３の第１面１０３ａで反射され、他の一部が第２のライトガイド６０内で導光されて画像取り出し部５０３の第１面１０３ａで反射される。反射された各画像光は、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４からユーザの目に向けて画像情報として例えば図１１に示すような形態で射出される。ここで、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４から最終的に射出される画像光は、図１０と比較して明らかなように、光線の数が増える。
【００７７】
また、本実施形態では、上述のように、第１のライトガイド５０、第２のライトガイド６０のそれぞれの画像取り出し部１０３，５０３の位置が、光路に沿った方向において相互にずれた位置に配置されている。このため、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４から最終的に射出される画像光は、図１０と比較して分かるように、光線同士の間隔が小さくなる。
【００７８】
このように、ライトガイドユニット１０００では、画像取り出し部の位置が異なる２つのライトガイド５０，６０を用いてそれぞれ画像光を入射及び導光し、第１のライトガイド５０の光線射出部１０４から射出される画像光がユーザの目に画像情報として提供される。したがって、ライトガイドユニット１０００によれば、ライトガイド５０，６０からそれぞれ射出される画像光によって、光線間の隙間を補完し合うことが可能になり、ユーザの目の位置による輝度むらの改善が達成される。また、本実施形態では、ライトガイド５０，６０における画像取り出し部１０３，５０３の位置が画像光の伝搬方向において相互に異なることから、射出される画像光の幅が相対的に広くなり、アイボックスの拡大に寄与する。
【００７９】
上述の実施形態では、虚像観察者の左側にライトガイドユニット１０００の光線入射部１０１，５０１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光線入射部１０１，５０１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。
【００８０】
また、上述の実施形態によれば、広視野角のライトガイドユニット１０００が実現できることから、虚像観察方式として、両眼用のものとすることができ、或いは小型にして単眼用のものとすることもできる。
【００８１】
（実施例）
上述した実施形態のライトガイドユニット１０００を用いて製作した虚像表示装置のより具体的な実施例を、図１２を参照して説明する。図１２は、実施例のライトガイドユニットでの画像光の射出状態を表し、寸法に関する符号を加えており、他方、画像表示素子１０やコリメート光学系３００などの図示を省略している。また、以下に示す各角度は絶対値表示である。
【００８２】
この実施例では、ライトガイドユニット１０００全体の厚み（肉厚）ｔｌ＝３mm、長手方向の長さＬｌ＝５０mm、幅＝３０mmとした。また、ライトガイドユニット１０００を構成する各ライトガイド５０，６０として、それぞれ、光線射出部１０４（５０４）に対する第１面１０３ａの傾斜角θa＝３０度に設定し、屈折率（Ｎｄ）＝１．５３のプラスチックで製作した。さらに、ライトガイドユニットの水平視野角＝４０度とし、アイレリーフ１５mm以上においてアイボックス５mm以上を達成するように、各ライトガイド５０，６０の第２面１０３の幅を設定した。
【００８３】
本実施例では、光線射出部１０４から最終的に射出される画像光の各光線、特に直線方向すなわち画像表示素子１０の画像表示面の中央部から射出された画像光の光線のむらが低減されており、視認された虚像の画質も輝度むらが少ない極めて良好なものであった。
【００８４】
以上のように、上述した実施形態及び実施例によれば、広視野角を確保しつつ観察される虚像の輝度むらを抑制できる虚像表示装置用のライトガイドユニット及び虚像表示光学系を提供することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０  画像表示素子
３００  コリメート光学系
ＬＳ  光源
１０００  ライトガイドユニット
５０  第１のライトガイド
６０  第２のライトガイド
１００，５００  導光部材
１０１，５０１  光線入射部
１０２，５０２  反射部
１０３，５０３  画像取り出し部
１０３ａ  第１面
１０３ｂ  第２面
１０４，５０４  光線射出部
１０５  前面
５０５  後面
１５０  接着剤
２００，６００  光学部材
２１０，５１０  前面（平行面）
２０３，６０３  傾斜部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８６】
【特許文献１】特開２０１３−２１０６３３号
【特許文献２】特許４５２１２８５号
【特許文献３】特許５７０３８７５号
【図１】
2017122784.tif 000004
【図２】
2017122784.tif 000005
【図３】
2017122784.tif 000006
【図４】
2017122784.tif 000007
【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】
2017122784.tif 000012
【図１０】
2017122784.tif 000013
【図１１】
2017122784.tif 000014
【図１２】
2017122784.tif 000015