(57)【要約】  ライトガイド（１０）の対向する平行な面（１００ａ、１００ｂ）の間反射しつつ進行する画像光はビームスプリッタである射出側反射面（１０２ａ、１０２ｂ）でそれぞれ部分的に反射される。ライトガイド（１０）から取り出された画像光は２枚のコンバイナ（１４、１５）でそれぞれ部分的に反射されて使用者の眼（Ｅ）に向かう。コンバイナ（１４、１５）の間隔Ｄは、該コンバイナ（１４、１５）への画像光の入射角θ、一つの射出側反射面により反射される画像光の光束幅Ａ1、射出側反射面全体により反射される画像光の光束幅Ａ2、に対し、Ａ1／（２cosθ・tanθ）以上、Ａ2／（２cosθ・tanθ）以下になるように定められる。これにより、使用者から見たときに形成される画像の重なりを少なくするとともに画像の部分的な抜けの発生も回避し、視認性を向上させることができる。
2019239465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の眼前に虚像を表示する画像表示装置であって、
a)２次元的な画像情報を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像出射部から入射された画像光が前記第一面及び第二面で全反射されるように前記基板の内部に案内する入射部と、前記入射部から前記基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で全反射されつつ該基板内を伝搬して来た画像光の一部を前記第一面又は第二面のいずれかを通して前記基板の外部に射出させる、該基板内の画像光の全体的な伝搬方向に沿って配置された複数の射出部と、を有するライトガイドと、
c)前記ライトガイドの複数の射出部から出射された画像光が到達する位置で且つ使用者の眼前に配置され、それぞれ前記複数の射出部から射出された画像光の一部を反射させて使用者の眼に導く複数の平板状であるコンバイナと、
を備え、前記複数のコンバイナは前記ライトガイドからの画像光の進行方向に互いに離して平行に配置され、該複数のコンバイナの離間距離は、前記ライトガイドの同一の射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像が重畳せず、前記ライトガイドの異なる射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像の縁端部が一致する又は該複数の画像の一部が重畳するような範囲に定められていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記ライトガイドから前記複数のコンバイナに向かい該コンバイナの反射面で反射されて使用者の眼に向かう画像光の光路上で該コンバイナに入射する直前の画像光の光束と前記複数のコンバイナの反射面に直交する線とがなす角度をθ、一つの射出部から射出される画像光の光束幅をＡ1、全ての射出部から射出される画像光の光束幅をＡ2としたとき、前記複数のコンバイナの離間距離は、任意のθについて、Ａ1／（２cosθ・tanθ）以上、Ａ2／（２cosθ・tanθ）以下の範囲に定められていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の画像表示装置であって、
使用者が画像を見るときの標準的な視線の方向に平行な軸をｘ軸、ｘ軸に直交し使用者の両方の眼を結ぶ線に平行な軸をｙ軸、ｘ軸及びｙ軸に共に直交する軸をｚ軸と定義したとき、前記ライトガイドは第一面及び第二面が共にｘ−ｙ平面と平行になるように配置され、前記複数のコンバイナは、ｘ−ｚ平面に直交し、ｘ−ｙ平面に対し所定の角度を有して傾斜して配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像情報を虚像として使用者の眼前に表示する画像表示装置に関し、特に、航空機等に用いられるヘッドアップディスプレイに好適である画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の航空機では、表示素子に表示された画像をコンバイナに投影して操縦士側に反射させることにより、該操縦士の眼前に、前方視野情報に重畳して虚像による表示画像を形成するヘッドアップディスプレイが広く使用されている。また、自動車や電車などにおいても、類似した構成のヘッドアップディスプレイが使用される場合がある。【０００３】
こうしたヘッドアップディスプレイ（以下、慣用に従って「ＨＵＤ」と略す）として、ライトガイド（導光板）と複数のコンバイナとを用いた装置が知られている。図５は特許文献１に開示されている従来のＨＵＤにおける光路構成を中心とする要部の概略図である。説明の便宜上、図中に示すように互いに直交するｘ、ｙ、ｚの３軸を定めている。ｘ軸は使用者が画像を見るときの標準的な視線の方向に平行な軸、ｙ軸は使用者の両方の眼を結ぶ線に平行な軸、ｚ軸はｘ軸及びｙ軸に共に直交する軸である。一般的には、ｘ軸、ｙ軸は地面に平行であり、ｚ軸は地面に垂直である。【０００４】
ＨＵＤは、光源部２１、表示素子２２、コリメート光学系２３、ライトガイド２０、及びコンバイナ２４を備え、コンバイナ２４が使用者の眼Ｅの前方に配置されている。ここでは表示素子２２は透過型液晶表示素子であり、光源部２１はいわゆる透過型液晶表示素子に対するバックライト光源である。光源部２１から出射した光は表示素子２２を背面側から照明し、表示素子２２の表示面上に形成された画像を情報として含む光（以下「画像光」という）が該表示素子２２から射出される。コリメート光学系２３は、表示素子２２の表示面の各点（画素）から射出された画像光をそれぞれ略平行な光束としてライトガイド２０に導入する。したがって、コリメート光学系２３からライトガイド２０に導入される光は、それぞれが表示素子２２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド２０に入射する平行光束の集合である。【０００５】
ライトガイド２０は、共にｘ−ｙ平面に平行で対向している第一面２００ａ及び第二面２００ｂと、共にｘ−ｚ平面に平行である図示しない第三面及び第四面と、を有する偏平立方体形状である透明な基板２００を備える。基板２００の内部に一つの入射側反射面２０１と複数（この例では３枚）の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃとが形成されている。入射側反射面２０１は第三面及び第四面に垂直であり、第一面２００ａ及び第二面２００ｂに対して傾斜している。複数の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃも同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面２００ａ及び第二面２００ｂに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。ここでは、入射側反射面２０１はミラー等による反射面であり、射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃは所定の反射率（つまりは透過率）を有する部分反射面つまりは ビームスプリッタ（又はハーフミラー）である（特許文献２等参照）。【０００６】
上述したように表示素子２２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含む画像光は平行光束として異なる角度でライトガイド２０に入射し、入射側反射面２０１で反射される。この光束が第二面２００ｂと第一面２００ａとで繰り返し反射されつつ基板２００の内部を透過し射出側反射面２０２ａに達する。射出側反射面２０２ａは到達した画像光の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した画像光は次の射出側反射面２０２ｂに到達し、その光の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面２０２ｃも同様である。したがって、ライトガイド２０の基板２００の内部を透過してきた画像光の一部は複数の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃでそれぞれ反射され、基板２００の第一面２００ａを透過して外部に射出する。【０００７】
コンバイナ２４は所定間隔離して互いに平行に配置された２枚の板状部材２４ａ、２４ｂから成り、ライトガイド２０の第一面２００ａに対し、つまりはｘ−ｙ平面に対し所定の角度を有して傾斜して配置されている。板状部材２４ａ、２４ｂはいずれもビームスプリッタ（ハーフミラー）である。そのため、上述したようにライトガイド２０の各射出側反射面２０２ａ〜２０２ｃで反射され、基板２００の第一面２００ａを透過して来た画像光はコンバイナ２４の各板状部材２４ａ、２４ｂでそれぞれ一部が反射され使用者の眼Ｅに到達する。このようにしてこのＨＵＤでは、表示素子２２の表示面に形成された画像が虚像として使用者の眼前に表示される。また、使用者の前方の風景等の前方視野情報による光の一部はコンバイナ２４を透過して使用者の眼Ｅに到達する。これにより、使用者は前方視野情報も視認することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１１８２２３号公報
【特許文献２】特許第４５０８６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、ライトガイドと複数の板状部材を含むコンバイナとを組み合わせることでＨＵＤの表示面のサイズを大型化することができる。しかしながら、コンバイナの複数の板状部材の間隔、つまりはビームスプリッタ面の間隔によっては、虚像である表示画像に抜けが生じたり、逆に、ライトガイドの異なる射出側反射面で反射した画像光が重なる領域が大きくなり過ぎたりして、画像の視認性が低下するおそれがある。こうしたことについて、上記従来のＨＵＤでは特段の考慮はなされていない。【００１０】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、ライトガイドとコンバイナとを用いた画像表示装置において、虚像である表示画像の視認性を高めることを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明は、使用者の眼前に虚像を表示する画像表示装置であって、
a)２次元的な画像情報を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像出射部から入射された画像光が前記第一面及び第二面で全反射されるように前記基板の内部に案内する入射部と、前記入射部から前記基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で全反射されつつ該基板内を伝搬して来た画像光の一部を前記第一面又は第二面のいずれかを通して前記基板の外部に射出させる、該基板内の画像光の全体的な伝搬方向に沿って配置された複数の射出部と、を有するライトガイドと、
c)前記ライトガイドの複数の射出部から出射された画像光が到達する位置で且つ使用者の眼前に配置され、それぞれ前記複数の射出部から射出された画像光の一部を反射させて使用者の眼に導く平板状である複数のコンバイナと、
を備え、前記複数のコンバイナは前記ライトガイドからの画像光の進行方向に互いに離して平行に配置され、該複数のコンバイナの離間距離は、前記ライトガイドの同一の射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像が重畳せず、前記ライトガイドの異なる射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像の縁端部が一致する又は該複数の画像の一部が重畳するような範囲に定められていることを特徴としている。【００１２】
上記本発明における複数のコンバイナの離間距離が採り得る範囲は、より厳密に数式で規定することもできる。
即ち、本発明に係る画像表示装置において、前記ライトガイドから前記複数のコンバイナに向かい該コンバイナの反射面で反射されて使用者の眼に向かう画像光の光路上で該コンバイナに入射する直前の画像光の光束と前記複数のコンバイナの反射面に直交する線とがなす角度をθ、一つの射出部から射出される画像光の光束幅をＡ1、全ての射出部から射出される画像光の光束幅をＡ2としたとき、前記複数のコンバイナの離間距離は、任意のθについて、Ａ1／（２cosθ・tanθ）以上、Ａ2／（２cosθ・tanθ）以下の範囲に定められていることを特徴としている。【００１３】
なお、本発明において、使用者が画像を見るときの標準的な視線の方向と平行な軸をｘ軸、該ｘ軸に直交し使用者の両方の眼を結ぶ線に平行な方向をｙ軸、ｘ軸及びｙ軸に共に直交する軸をｚ軸と定義したとき、
前記ライトガイドは第一面及び第二面が共にｘ−ｙ平面と平行になるように配置され、前記ライトガイドの基板内の画像光の全体的な伝搬方向はｘ軸方向であり、前記複数のコンバイナは、ｘ−ｚ平面に直交し、ｘ−ｙ平面に対し所定の角度を有して傾斜して配置されている構成とするとよい。
この構成では、使用者から見たときにコンバイナはライトガイドの上方又は下方のいずれかに配置されることになる。【００１４】
本発明において、ライトガイドの入射部は、基板の内部又は表面に設けられたミラー等である反射面、又は体積ホログラフィック回折格子等のホログラフィック素子などである。一方、複数の射出部は、基板の内部に設けられたビームスプリッタやハーフミラーなどの部分反射面、又は基板の表面に設けられた体積ホログラフィック回折格子等のホログラフィック素子などである。【００１５】
一つの態様として、射出部が二つ、コンバイナも二つであるものとする。本発明において、画像出射部から出射されてライトガイドの基板に導入された画像光は入射部により該基板の内部に案内される。そして、画像光は対向する第一面と第二面との間で反射をしながら基板の内部を進行し、例えば部分反射面である１番目の射出部に到達する。この射出部では画像光の一部が反射されて基板の外部に取り出される。残りの画像光は１番目の射出部を透過して２番目の射出部に到達し、１番目の射出部と同様に、画像光の一部が反射されて基板の外部に取り出される。二つの射出部によりライトガイドから射出された画像光は１番目のコンバイナに到達し、一部の画像光は該コンバイナの部分反射面で反射されて使用者の眼の方向に向かい、残りは該コンバイナを透過する。透過した画像光は２番目のコンバイナに到達し、その部分反射面で反射されて使用者の眼の方向に向かう。【００１６】
コンバイナがライトガイドの上方にあるものとすると、コンバイナはその上方が使用者側に倒れるように傾斜して配置されている。したがって、同一の射出部から射出された画像光の中で、上側に位置するコンバイナで反射して使用者の眼に向かう画像光による画像は下側に位置するコンバイナで反射して使用者の眼に向かう画像光による画像よりも上方に位置する。また、２番目の射出部から射出され下側に位置するコンバイナで反射して使用者の目に向かう画像光による画像の下方には１番目の射出部から射出され下側に位置するコンバイナで反射して使用者の目に向かう画像光による画像が位置する。そのため、ライトガイドの同一の射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像が重畳する状態であると、一部の領域では３系統の画像光が重なる可能性があり、視認性の大きな低下に繋がることになる。一方、ライトガイドの１番目の射出部から射出されて上側に位置するコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像と、ライトガイドの２番目の射出部から射出されて下側に位置するコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される画像とが重ならず、両画像の間に空隙が生じる状態であると、いずれの画像光による画像も形成されない横帯状の画像抜けが発生するおそれがある。【００１７】
これに対し本発明では上述したような条件が満たされるように２枚のコンバイナの離間距離が定められている。そのため、一部の領域で３系統の画像光が重なるおそれはなく、また、いずれの画像光による画像も形成されない横帯状の画像抜けが発生するおそれもない。これにより、過剰な画像の重なりや画像抜けを回避することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る画像表示装置によれば、ライトガイドと複数のコンバイナを用いて虚像を大きく拡大しつつ、使用者の眼前に表示される画像の視認性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施例である画像表示装置における光学系の概略構成図。
【図２】本発明の第２実施例である画像表示装置における光学系の概略構成図。
【図３】第１実施例の画像表示装置における使用者から見た表示画像の模式図。
【図４】第２実施例の画像表示装置における使用者から見た表示画像の模式図。
【図５】従来の画像表示装置における光学系の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の一実施例である画像表示装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は第１実施例の画像表示装置における光学系の概略構成図、図２は第２実施例の画像表示装置における光学系の概略構成図である。図２では図１で記載してある構成要素の一部を省略している。第１実施例の画像表示装置と第２実施例の画像表示装置とでは構成要素自体は同一であり、後述する２枚のコンバイナの離間距離が相違しているだけである。そのため、まず第１実施例、第２実施例に共通する構成について説明する。
【００２１】
本実施例の画像表示装置は、光源部１１、表示素子１２、コリメート光学系１３、ライトガイド１０、及び２枚のコンバイナ１４、１５を備える。光源部１１、表示素子１２及びコリメート光学系１３は本発明における画像出射部に相当し、図５に示した従来の画像表示装置における光源部２１、表示素子２２、コリメート光学系２３と同じものを用いることができるが、これに限るものではない。例えば表示素子１２としては、透過型液晶表示素子に代えて、反射型液晶表示素子や有機ＥＬディスプレイ、或いは、ＤＭＤ（デジタルマクロミラーデバイス）、ＭＥＭＳミラー、プロジェクタなどを用いることもできる。
【００２２】
表示素子１２として反射型液晶表示素子やＤＭＤが使用される場合には、光源部１１は該液晶表示素子やＤＭＤを前面側から照明するものを用いる。また表示素子１２として有機ＥＬディスプレイなどの自己発光型の表示素子が使用される場合には、該表示素子１２に光源部１１が内蔵されているとみなすことができる。また表示素子１２として角度が走査されるＭＥＭＳミラーが使用される場合には、光源部１１として該ＭＥＭＳミラーに向けて細いレーザ光を照射するレーザ光源を用い、コリメート光学系１３は省略するか、或いは平行光を微調整する目的でコリメート光学系１３を用いればよい。また、画像形成部としてプロジェクタを用いる場合には、光源部１１がプロジェクタ、表示素子１２がプロジェクタスクリーンとみなすことができる。
【００２３】
ライトガイド１０は、共にｘ−ｙ平面に平行であって対向する第一面１００ａ及び第二面１００ｂと、共にｘ−ｚ平面に平行であって対向する図示しない第三面及び第四面とを有する偏平立方体形状である基板１００を備える。基板１００は例えばポリカーボネート樹脂や石英ガラスなどの透明体である。この基板１００の内部に一つの入射側反射面１０１と複数（本例では２枚）の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂとが形成されている。
【００２４】
入射側反射面１０１は基板１００の第三面及び第四面に垂直であり、第一面１００ａに対し所定角度だけ傾斜している。また、２枚の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂも同様に、それぞれ基板１００の第三面及び第四面に垂直であり、第一面１００ａに対して所定角度だけ傾斜している。ここでは入射側反射面１０１はミラー等による反射面であり、射出側反射面１０２ａ、１０２ｂは所定の反射率を有する部分反射面である。
【００２５】
平板状である２枚のコンバイナ１４、１５はライトガイド１０の第一面１００ａ側にｚ軸方向に並べて配置されている。これらコンバイナ１４、１５はｘ−ｚ平面に垂直であり、ｘ−ｙ平面に対して鋭角である所定角度を有して傾斜している。即ち、使用者の眼Ｅから見たときに、コンバイナ１４、１５はその上部が手前側に倒れるように配置されている。２枚のコンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａ、１５ａの離間距離（部分反射面の間隔）はＤである。
【００２６】
本実施例の画像表示装置において、光源部１１からの照明光を受けて表示素子１２の表示画面から発せられた画像光は、コリメート光学系１３によって略平行光化され第二面１００ｂを通過してライトガイド１０の基板１００の内部に導入される。コリメート光学系１３からライトガイド１０に導入される画像光は、それぞれが表示素子１２の表示面上に形成される二次元的な画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド１０に入射する平行光束の集合である。
【００２７】
この画像光は基板１００の内部において入射側反射面１０１で反射されたあと、第二面１００ｂと第一面１００ａとで一又は複数回反射されながら基板１００の内部を透過し、１番目の射出側反射面１０２ａに達する。射出側反射面１０２ａは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は２番目の射出側反射面１０２ｂに到達し反射される。したがって、ライトガイド１０の基板１００の内部を透過してきた光束は２枚の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂでそれぞれ反射され、基板１００の第一面１００ａを透過して概ね上方に射出される。これにより、ライトガイド１０の基板１００に導入された光束は拡大されて該基板１００から射出される。
【００２８】
ライトガイド１０から出射した画像光は下側に位置する第２コンバイナ１５に入射し、その部分反射面１５ａで画像光の一部は反射され、残りは透過する。透過した画像光は第１コンバイナ１４に入射し、その画像光の一部はその部分反射面１４ａで反射される。各コンバイナ１４、１５で反射された画像光はともに使用者の眼Ｅに向かって進行する。これにより、使用者の眼Ｅの前には表示素子１２の表示面上に形成された画像が拡大されたものが虚像として表示される。
【００２９】
次に、第１実施例、第２実施例それぞれに特有の構成と虚像表示のための光路について説明する。
【００３０】
［１］離間距離Ｄが最小Ｄminである場合
図１に示す第１実施例の画像表示装置は、２枚のコンバイナ１４、１５の離間距離Ｄが最も小さいＤminである場合の構成である。図３は、使用者がコンバイナ１４、１５を見たときの、２枚の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂと２枚のコンバイナ１４、１５との組み合わせによる画像光により形成される画像を示す模式図である。なお、ここでは、図１（及び図２）に示すように、使用者の眼Ｅが概ねｘ軸方向にコンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａ、１５ａを向いている状況を想定している。
【００３１】
この場合、ライトガイド１０からコンバイナ１４、１５に向かい該コンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａ、１５ａで反射されて使用者の眼Ｅの方向に進行する画像光の光束の軸は、２番目の射出側反射面１０２ｂの１番目の射出側反射面１０２ａ側の端部で反射され（図１中の光線Ｌa）、上側のコンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された光線（図１中の光線Ｌa’）である。したがって、ｘ−ｚ平面上でコンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａに直交する線と光線Ｌaとが成す角度を画像光の入射角θ1と定義する。この光線は、図３中の画像４ｂの下縁端４ｂＬに相当する光線である。
【００３２】
いま、一つの射出側反射面１０２ａ（又は１０２ｂ）で反射されてライトガイド１０から出射される画像光の光束幅をＡ1とする。この光束幅がＡ1である画像光の一部が第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射し、残りは第２コンバイナ１５を透過して第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射する。即ち、同じ射出側反射面１０２ｂで反射された画像光が２枚のコンバイナ１５、１４でそれぞれ反射されて使用者の眼Ｅに向かう。
【００３３】
使用者から見たとき、上側に位置する第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像（図３中の画像４ｂ、４ａ）は、下側に位置する第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射された画像光により形成される画像（図３中の画像５ｂ、５ａ）の上方に位置する。一方、２番目の射出側反射面１０２ｂで反射された画像光が第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像４ｂは、１番目の射出側反射面１０２ａで反射された画像光が第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像４ａの上方に位置する。そのため、２枚の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂと２枚のコンバイナ１４、１５との組み合わせによる画像光により形成される四つの画像４ｂ、４ａ、５ｂ、５ａは、使用者から見たとき図３に示すようになる。
【００３４】
即ち、離間距離ＤがＤminであるとき、２番目の射出側反射面１０２ｂで反射され第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像４ｂの下縁端４ｂＬと２番目の射出側反射面１０２ｂで反射され第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射された画像光により形成される画像５ｂの上縁端５ｂＵとが接し、上下の縁端４ｂＬ、５ｂＵの間の間隙ｄ1がｄ1＝０となる。即ち、幾何学的には、Ｄmin＝Ａ1／（２cosθ1・tanθ1）となる。離間距離Ｄがこれよりも小さいと、２番目の射出側反射面１０２ｂで反射され第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像４ｂの下端領域と２番目の射出側反射面１０２ｂで反射され第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射された画像光により形成される画像５ｂの上端領域との一部が重なるため、画像の中央領域の一部では三つの異なる光路を経た画像光による画像４ａ、４ｂ、５ｂが重なり、視認性が急激に低下する。これに対し、ｄ1≧０であれば、画像の中央領域での画像の重なりは二つのみとなるため、画像の視認性は許容できる程度である。
【００３５】
［２］離間距離Ｄが最大Ｄmaxである場合
図２に示す第２実施例の画像表示装置は、２枚のコンバイナ１４、１５の離間距離Ｄが最も大きいＤmaxである場合の構成である。図４は、使用者がコンバイナ１４、１５を見たときの、２枚の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂと２枚のコンバイナ１４、１５との組み合わせによる画像光により形成される画像を示す模式図である。なお、ここでも、図１（及び図２）に示すように、使用者の眼Ｅが概ねｘ軸方向にコンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａ、１５ａを向いている状況を想定している。
【００３６】
この場合、ライトガイド１０からコンバイナ１４、１５に向かい該コンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａ、１５ａで反射されて使用者の眼Ｅの方向に進行する画像光の光束の軸は、１番目の射出側反射面１０２ａの入射側反射面１０１側の端部で反射され（図２中の光線Ｌb）、上側のコンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された光線（図２中の光線Ｌb’）である。したがって、ｘ−ｚ平面上でコンバイナ１４、１５の部分反射面１４ａに直交する線と光線Ｌbとが成す角度を画像光の入射角θ2と定義する。この光線は、図４中の画像４ａの下縁端４ａＬに相当する光線である。
【００３７】
ここでは、二つの射出側反射面１０２ａ、１０２ｂ全体で反射されてライトガイド１０から出射される画像光の光束幅をＡ2としている。この光束幅がＡ2である画像光の一部が第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射され、残りは第２コンバイナ１５を透過して第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射されて、それぞれ使用者の眼Ｅに向かう。このときに、２枚の射出側反射面１０２ａ、１０２ｂと２枚のコンバイナ１４、１５との組み合わせによる画像光により形成される四つの画像４ｂ、４ａ、５ｂ、５ａは、使用者から見たとき図４に示すようになる。
【００３８】
即ち、離間距離ＤがＤmaxであるとき、１番目の射出側反射面１０２ａで反射され第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像４ａの下縁端４ａＬと２番目の射出側反射面１０２ｂで反射され第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射された画像光により形成される画像５ｂの上縁端５ｂＵとが接し、上下の縁端４ａＬ、５ｂＵの間の間隙ｄ2がｄ2＝０となる。即ち、幾何学的には、Ｄmax＝Ａ2（２cosθ2・tanθ2）となる。離間距離Ｄがこれよりも大きいと、１番目の射出側反射面１０２ａで反射され第１コンバイナ１４の部分反射面１４ａで反射された画像光により形成される画像４ａの下縁端４ａＬと２番目の射出側反射面１０２ｂで反射され第２コンバイナ１５の部分反射面１５ａで反射された画像光により形成される画像５ｂの上縁端５ｂＵとの間に隙間ができ、画像が帯状に途切れることになる。これに対し、ｄ2≧０であれば、こうした画像の途切れが生じず、高い視認性を確保することができる。
【００３９】
上述したように本実施例の画像表示装置では、２枚のコンバイナ１４、１５の間（厳密には部分反射面１４ａ、１５ａの間）の間隔を上記条件で規定される範囲に定めることで、ライトガイド１０を通して伝搬されてきた画像光を拡大しつつ、十分に高い視認性を達成できる画像を使用者の眼前に形成することができる。
【００４０】
なお、上記実施例の装置では、コンバイナ１４、１５をライトガイド１０の上方に配置しているが、上下逆転した構成としてもよいことは明らかである。また、ライトガイド１０とコンバイナ１４、１５との位置関係を保ったまま、ｘ軸を中心に回転させてもよいことも明らかである。また、ライトガイド１０からコンバイナ１４、１５に入射する画像光の入射角θ1、θ2もその反射光が使用者の眼Ｅに向かうという条件の下で適宜に定めることができる。
【００４１】
また、ライトガイド１０は上記構成に限るものではなく、周知のライトガイドの構成に従って様々に変形が可能である。例えば、入射部や射出部としては反射型体積ホログラムグレーティングなどを用いてもよいし、入射部を透過面としてライトガイドの斜め方向から画像光を入射させてもよい。また、射出部の出射側反射面の反射率は同一であってもよいし変化させてもよい。また、基板１００の第三面及び第四面はｘ−ｚ平面に平行である必要はない。
【００４２】
また、コンバイナ１４の部分反射面１４ａは、使用者が位置する側とは反対側の面としてもよいし、同様にコンバイナ１５の部分反射面１５ａも、使用者が位置する側とは反対側の面としてもよい。
【００４３】
また、上記入射角θ1、θ2の定義から明らかなように、使用者の眼Ｅの位置が変わると入射角θ1、θ2は変化する。そのため、予め使用者の眼Ｅの位置の範囲を想定して入射角θ1、θ2を設定し、それに合わせて光学設計を行ってもよい。例えば、使用者の眼Ｅの位置の範囲で、離間距離ＤがＤminの場合には最小の入射角θ1とし、離間距離ＤがＤmaxの場合には最大の入射角θ2としてもよい。
【００４４】
また、上記実施例はあくまでも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…ライトガイド
１００…基板
１００ａ…第一面
１００ｂ…第二面
１０１…入射側反射面
１０２ａ、１０２ｂ…射出側反射面
１１…光源部
１２…表示素子
１３…コリメート光学系
１４…第１コンバイナ
１５…第２コンバイナ
１４ａ、１５ａ…部分反射面
【図１】
2019239465.tif 000003
【図２】
2019239465.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019239465.tif 000006
【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月28日(2020.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の眼前に虚像を表示する画像表示装置であって、
a)２次元的な画像情報を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像出射部から入射された画像光が前記第一面及び第二面で全反射されるように前記基板の内部に案内する入射部と、前記入射部から前記基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で全反射されつつ該基板内を伝搬して来た画像光の一部を前記第一面又は第二面のいずれかを通して前記基板の外部に射出させる、該基板内の画像光の全体的な伝搬方向に沿って配置された複数の射出部と、を有するライトガイドと、
c)前記ライトガイドの複数の射出部から出射された画像光が到達する位置で且つ使用者の眼前に配置され、それぞれ前記複数の射出部から射出された画像光の一部を反射させて使用者の眼に導く複数の平板状であるコンバイナと、
を備え、前記複数のコンバイナは前記ライトガイドからの画像光の進行方向に互いに離して平行に配置され、
該複数のコンバイナの離間距離は、前記ライトガイドの同一の射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像が重畳せず、前記ライトガイドの異なる射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像の縁端部が一致する又は該複数の画像の一部が重畳するような範囲であって、前記ライトガイドから前記複数のコンバイナに向かい該コンバイナの反射面で反射されて使用者の眼に向かう画像光の光路上で該コンバイナに入射する直前の画像光の光束と前記複数のコンバイナの反射面に直交する線とがなす角度をθ、一つの射出部から射出される画像光の光束幅をＡ1、全ての射出部から射出される画像光の光束幅をＡ2としたとき、任意のθについて、Ａ1／（２cosθ・tanθ）以上、Ａ2／（２cosθ・tanθ）以下である範囲に定められていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像表示装置であって、
使用者が画像を見るときの標準的な視線の方向に平行な軸をｘ軸、ｘ軸に直交し使用者の両方の眼を結ぶ線に平行な軸をｙ軸、ｘ軸及びｙ軸に共に直交する軸をｚ軸と定義したとき、前記ライトガイドは第一面及び第二面が共にｘ−ｙ平面と平行になるように配置され、前記複数のコンバイナは、ｘ−ｚ平面に直交し、ｘ−ｙ平面に対し所定の角度を有して傾斜して配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明は、使用者の眼前に虚像を表示する画像表示装置であって、
a)２次元的な画像情報を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像出射部から入射された画像光が前記第一面及び第二面で全反射されるように前記基板の内部に案内する入射部と、前記入射部から前記基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で全反射されつつ該基板内を伝搬して来た画像光の一部を前記第一面又は第二面のいずれかを通して前記基板の外部に射出させる、該基板内の画像光の全体的な伝搬方向に沿って配置された複数の射出部と、を有するライトガイドと、
c)前記ライトガイドの複数の射出部から出射された画像光が到達する位置で且つ使用者の眼前に配置され、それぞれ前記複数の射出部から射出された画像光の一部を反射させて使用者の眼に導く複数の平板状であるコンバイナと、
を備え、前記複数のコンバイナは前記ライトガイドからの画像光の進行方向に互いに離して平行に配置され、
該複数のコンバイナの離間距離は、前記ライトガイドの同一の射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像が重畳せず、前記ライトガイドの異なる射出部から射出され、互いに異なるコンバイナで反射されて使用者の眼に到達する画像光により形成される複数の画像の縁端部が一致する又は該複数の画像の一部が重畳するような範囲であって、前記ライトガイドから前記複数のコンバイナに向かい該コンバイナの反射面で反射されて使用者の眼に向かう画像光の光路上で該コンバイナに入射する直前の画像光の光束と前記複数のコンバイナの反射面に直交する線とがなす角度をθ、一つの射出部から射出される画像光の光束幅をＡ1、全ての射出部から射出される画像光の光束幅をＡ2としたとき、任意のθについて、Ａ1／（２cosθ・tanθ）以上、Ａ2／（２cosθ・tanθ）以下である範囲に定められていることを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記本発明における複数のコンバイナの離間距離が採り得る範囲の後半の規定は、より厳密に数式で規定したものである。
【国際調査報告】
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2019239465.tif 000009
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