特開 2023-3775 導光部材および表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023003775

(43)【公開日】2023-01-17

(54)【発明の名称】導光部材および表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20230110BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20230110BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021105053

(22)【出願日】2021-06-24

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 駿

(72)【発明者】

【氏名】中村 直樹

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】須藤 芳文

(72)【発明者】

【氏名】門馬 進

(72)【発明者】

【氏名】平野 成伸

(72)【発明者】

【氏名】片野 泰男

(72)【発明者】

【氏名】亀山 健司

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 規和

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 愛乃

(72)【発明者】

【氏名】牧 隆史

(72)【発明者】

【氏名】山田 正道

(72)【発明者】

【氏名】筒井 猛壮

【テーマコード（参考）】

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H199CA04

2H199CA06

2H199CA24

2H199CA25

2H199CA27

2H199CA42

2H199CA47

2H199CA48

2H199CA53

2H199CA54

2H199CA56

2H199CA81

(57)【要約】

【課題】画像光を発散させて射出する導光部材および表示装置を提供すること。
【解決手段】導光部材３００は、導光された画像光を外部に射出する光線射出部３０４と、画像光を光線射出部３０４に向けて反射して光線射出部３０４から射出させる第１面３０５と、を備え、第１面３０５は、画像光が導光される方向において複数配置されており、複数の第１面３０５のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第１面３０５Ｆは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導光された画像光を外部に射出する界面と、
前記画像光を前記界面に向けて反射して前記界面から射出させる反射面と、
を備え、
前記反射面は、前記画像光が導光される方向において複数配置されており、
前記複数の反射面のうち、前記画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側反射面は、前記画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側反射面に対して、前記画像光が導光される方向における下流側で前記界面との距離が大きくなる方向に傾斜する導光部材。

【請求項2】

前記下流側反射面は、前記画像光が導光される方向における上流側に隣り合って配置される前記上流側反射面に対して、前記画像光が導光される方向における下流側で前記界面との距離が大きくなる方向に傾斜する請求項１記載の導光部材。

【請求項3】

前記下流側反射面が、前記上流側反射面に対して傾斜する角度は、０．００２度より大きく、０．２１０度より小さい請求項２記載の導光部材。

【請求項4】

前記複数の反射面のそれぞれは、凸形状に形成される請求項１～３の何れか記載の導光部材。

【請求項5】

前記複数の反射面のそれぞれは、曲面形状に形成される請求項４記載の導光部材。

【請求項6】

前記複数の反射面のそれぞれの曲率半径は、８００ｍｍより大きく１００００ｍｍより小さい請求項５記載の導光部材。

【請求項7】

隣り合う２つの前記反射面の間に、前記界面に平行に対向する対向面を有する、請求項１～６の何れか記載の導光部材。

【請求項8】

前記複数の反射面が配置される方向における前記対向面の両端部を結ぶ距離が、０．１ｍｍより長く３ｍｍより小さい、請求項７記載の導光部材。

【請求項9】

前記複数の反射面が配置される方向における前記反射面の両端部を結ぶ距離が、０．１ｍｍより長く１ｍｍより小さい、請求項１～８の何れか記載の導光部材。

【請求項10】

前記複数の反射面の数は、１０から２５の範囲内である、請求項１～９の何れか記載の導光部材。

【請求項11】

前記下流側反射面に入射する入射光と、前記上流側反射面に入射する入射光は、ほぼ平行である請求項１～１０の何れか記載の導光部材。

【請求項12】

請求項１～１０の何れか記載の導光部材と、
前記画像光を射出する画像表示素子と、
前記画像光を前記導光部材に入射させる入射光学系と、を備える表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、導光部材および表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１では、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、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、導光部を経て入射する画像光を光路の折り曲げによって外部へ取出し可能にする画像取出部を有する光射出部とを備え、画像取出部は、導光部によって導光された画像光を反射するため第２の全反射面を基準として導光部の導光方向に関する奥側で導光部の内側に向かって傾斜するように延びる複数の第１要素面と、第１要素面に対して鈍角をなして延びる複数の第２要素面とを交互に配置してなる、導光板を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５７０３８７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、入射光を発散させて射出する導光部材および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】

【0005】

本発明の請求項１は、導光された画像光を外部に射出する界面と、画像光を界面に向けて反射して界面から射出させる反射面と、を備え、反射面は、画像光が導光される方向において複数配置されており、複数の反射面のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側反射面は、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側反射面に対して、画像光が導光される方向における下流側で界面との距離が大きくなる方向に傾斜する導光部材。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、入射光を発散させて射出する導光部材および表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施形態に係る導光部材３００とそれを用いた虚像表示装置１０００の一例を示す図である。

【図2】本実施形態に係る導光部材３００内を伝搬した光が出射する様子を示した図である。

【図3】本実施形態に係る導光部材３００内を伝搬する光を示す図である。

【図4】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の説明図である。

【図5】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の詳細説明図である。

【図6】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の変形例の説明図である。

【図7】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の第２の変形例の説明図である。

【図8】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の第３の変形例の説明図である。

【図9】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の第４の変形例の説明図である。

【図10】本実施形態に係る導光部材３００のパラメータの説明図である。

【図11】本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３のパラメータの説明図である。

【図12】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の光学系レイアウトを示す図である。

【図13】本実施形態に係る虚像表示装置１０００におけるスポットダイアグラムの説明図である。

【図14】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の点Ａにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。

【図15】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の点Ｂにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。

【図16】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の点Ｃにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。

【図17】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の点Ｄにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。

【図18】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の点Ｅにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。

【図19】本実施形態に係る虚像表示装置１０００の各種例の使用状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、本発明の実施形態に係る導光部材３００とそれを用いた虚像表示装置１０００の一例を示す図である。虚像表示装置１０００は、表示装置の一例であり、表示画像の画像光を射出して出力する画像表示素子１００と、画像表示素子１００からの画像光をコリメートして射出する光学系２００と、導光部材３００とを虚像表示光学系として備える。

【0009】

画像表示素子１００は、導光部材３００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１００は、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ：Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や透過型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１００として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）が適用可能である。また、画像表示素子１００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１００として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）が適用可能である。画像表示素子１００としてＯＬＥＤアレイを例にとると、画像表示領域（画素配列領域）のサイズは、例えば「３ｍｍ×４ｍｍ」であり、画素数は１万画素程度である。

【0010】

画像表示素子１００は、光源を必要とするＬＣＯＳやＤＭＤなどを用いた場合、照明光を射出して画像表示素子１００の画像表示面を照明するための光源を備える。光源は、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。

【0011】

光学系２００は、入射光学系の一例であり、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１００から出力される画像光を平行光として射出して導光部材３００に入射させる。

【0012】

導光部材３００は、光線入射部３０１、導光部３０２、画像取り出し部３０３、および光線射出部３０４を備える。光線射出部３０４は、導光された画像光を反射するとともに、外部に射出する界面（境界面）の一例である。

【0013】

図１は、水平方向の虚像表示に対応する画像表示素子１００の中心の光路図を示している。画像表示素子１００の中心から出た画像光は、コリメート光学系の機能を有する光学系２００によって画像表示素子１００の位置情報を角度情報に変換し、光線入射部３０１から導光部材３００の中に入射する。

【0014】

そして導光部材３００内に入った光は、導光光束となり、導光部３０２の平行に対向する面で全反射を繰り返しながら伝搬する。

【0015】

そして、画像取り出し部３０３に光があたると光線射出部３０４から光が射出され、ユーザの目に光が入る。ユーザは、導光部材３００の光線射出部３０４を通して前方を覗くことで、網膜に「虚像の共役像」として結像し、画像光の虚像を視認することができる。すなわち、ユーザは、画像表示素子１０と導光部材３００との間にある光学系２００の作用により、導光部材３００を介して画像表示素子１０を観察することになる。

【0016】

図２は、本実施形態に係る導光部材３００内を伝搬した光が出射する様子を示した図である。

【0017】

図２に示すように、画像取り出し部３０３は、少なくとも第１面３０５と第２面３０６をそれぞれ複数備える。

【0018】

第１面３０５は、画像光が導光される方向において、光線射出部３０４との距離が小さくなるように傾斜する第１の傾斜面の一例であり、画像光を光線射出部３０４に向けて反射して光線射出部３０４から射出させる反射面の一例である。第２面３０６は、互いに隣り合う２つの第１面３０５の間に配置され、光線射出部３０４に平行であって、光線射出部３０４に対向する対向面の一例である。第１面３０５は、画像光が導光される方向において、複数配置されている。

【0019】

導光部３０２で全反射を繰り返しながら伝搬した光は、第１面３０５にあたると、光線射出部３０４から射出され目に届くようになる。また、第２面３０６を設けることで、第１面３０５にあたるまで導光部材３００の奥の方に進むことができ、導光部材３００の奥の方でも光を光線射出部３０４の方に導くことができる。そうすることで、導光部材３００が薄くても広角表示な可能な虚像表示装置１０００を実現することができる。

【0020】

図３は、本実施形態に係る導光部材３００内を伝搬する光を示す図である。

【0021】

図３は、導光部材３００の導光部３０２の上面３０８、下面３０９で全反射で伝搬する光のうち、光線射出部３０４に対して、最も反射角が小さい角度θ１で伝搬する光２０１と最も大きい角度θ２で伝搬する光２０２を示しており、図３の紙面内における画像表示素子１００の両端の画素からの光をそれぞれ示している。すなわち、θ１を小さくするほど、およびθ２を大きくするほど、視野角を広くすることができる。

【0022】

図４は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の説明図である。

【0023】

導光部材３００から射出される画像光により虚像を視認させる場合、光学系２００から射出される光束の発散角度を調整することにより、虚像距離を調整することが考えられる。

【0024】

しかしながら、光学系２００から発散光束を射出する場合、導光部材３００内で発散光束を伝搬させることに起因して、虚像が二重に観察される画素ずれ等の問題が生じることがあった。

【0025】

一方、光学系２００から平行光束を射出する場合、導光部材３００から平行光束が射出されるため、虚像距離が無限遠となっていた。

【0026】

そこで本実施形態は、導光部材３００に入射する入射光に対する、導光部材３００から射出される画像光の発散角度を調整することにより、虚像距離を調整するものである。

【0027】

一例として、光学系２００から射出される光束が平行光の場合でも、導光部材３００から射出される画像光を発散光とすることにより、虚像距離を有限にするものである。

【0028】

図４に示す画像取り出し部３０３には、画像光が導光される方向において、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｆ、および複数の第２面３０６Ａ～３０６Ｆが配置されている。そして、第２面３０６Ｂ～３０６Ｆは、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｆのうち隣り合う２つの第１面３０５の間にそれぞれ配置されている。

【0029】

ここで、複数の第１面３０５のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第１面３０５Ｆは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第１面３０５Ｄに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜している。

【0030】

これにより、上流側第１面３０５Ｄで反射して光線射出部３０４から射出する射出光（点線）と、下流側第１面３０５Ｆで反射して光線射出部３０４から射出する射出光（実線）のなす角度を、上流側第１面３０５Ｄに入射する入射光と、下流側第１面３０５Ｆに入射する入射光のなす角度よりも大きくすることができる。

【0031】

同様に、第１面３０５Ｄは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第１面３０５Ｂに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜している。

【0032】

すなわち、下流側の第１面３０５Ｂ～３０５Ｅのそれぞれは、上流側第１面３０５Ａに対して画像光が導光される方向における下流側に配置されるほど、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する傾斜角度が大きくなるように形成される。

【0033】

なお、第１面３０５Ａ～３０５Ｅの傾斜角度は、全て異なっていなくてもよく、例えば、第１面３０５Ｂと３０５Ｄの間に配置される第１面３０５Ｃは、第１面３０５Ｂおよび３０５Ｄの何れか一方と平行になるように形成されても良い。

【0034】

また、図４に示す画像取り出し部３０３では、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに入射する入射光と、下流側第１面３０５Ｆに入射する入射光が平行である。これにより、非平行の入射光を導光することに起因する色ズレ等の問題が生じること無く、導光部材３００により、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄで反射して光線射出部３０４から射出する射出光と、下流側第１面３０５Ｆで反射して光線射出部３０４から射出する射出光を発散光にすることができる。

【0035】

さらに、下流側第１面３０５Ｆは、画像光が導光される方向における上流側に隣り合って配置される上流側第１面３０５Ｅに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する。

【0036】

これにより、隣り合って配置される上流側第１面３０５Ｅと、下流側第１面３０５Ｆでそれぞれ反射して光線射出部３０４から射出するそれぞれの射出光のなす角度を、上流側第１面３０５Ｅと、下流側第１面３０５Ｆに入射するそれぞれの入射光のなす角度よりも大きくすることができる。

【0037】

ここで、下流側第１面３０５Ｆが、上流側第１面３０５Ｅに対して傾斜する角度は、０．００２度より大きく、０．２１０度より小さい。

【0038】

これにより、隣り合って配置される上流側第１面３０５Ｅと、下流側第１面３０５Ｆでそれぞれ反射して光線射出部３０４から射出する２つの射出光により、虚像距離を０．３～２ｍ程度にできる。

【0039】

下流側第１面３０５Ｆが、上流側第１面３０５Ｅに対して傾斜する角度が、上限値である０．２１０度を超えると，虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。一方、下流側第１面３０５Ｆが、上流側第１面３０５Ｅに対して傾斜する角度が、下限値である０．００２度に満たないと、虚像距離がほぼ無限遠となる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。

【0040】

隣り合う２つの第１面３０５Ｅ、３０５Ｆの間に、光線射出部３０４に平行に対向する第２面３０６Ｆを有する。

【0041】

これにより、２つの第１面３０５Ｅ、３０５Ｆのそれぞれで反射して光線射出部３０４から射出する２つの発散光により、広画角でありながら、瞳を拡大できてアイボックスを確保できる。また、導光部材３００の奥側の第１面３０５までより多くの光を到達させることができる。

【0042】

図５は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の詳細説明図である。

【0043】

図５（ａ）は、Ｙ－Ｚ平面における画像取り出し部３０３を示す図であり、図４と同様である。図５（ｂ）は、Ｘ－Ｚ平面における画像取り出し部３０３を示す図である。

【0044】

図５において、Ｘ－Ｚ平面は光線射出部３０４に平行な面であり、Ｚ方向は画像光が導光される方向かつ複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅが配置される方向であり、Ｙ方向はＸ－Ｚ平面および光線射出部３０４に垂直な方向である。図５（ｂ）に示すように、複数の第１面３０５Ａ～３０５ＥのそれぞれのＸ－Ｚ平面に平行な断面における形状は、画像光が導光されるＺ方向において上流側（－Ｚ側）に凸形状に形成される。

【0045】

これにより、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれに入射する入射光をＸ方向に発散させて反射し光線射出部３０４から射出することができるため、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれに入射する入射光が平行光束である場合でも、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれで反射して光線射出部３０４から射出する射出光により、虚像距離を有限にすることができる．

【0046】

本実施形態では、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの形状は、Ｘ－Ｚ面に平行な断面で曲線形状となるような曲面形状に形成されるが、他の形態として、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの形状は、Ｘ－Ｚ面に平行な断面で複数の直線で形成される形状となるような多面体形状に形成されても良い。

【0047】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの曲率半径は、８００ｍｍより大きく１００００ｍｍより小さい。これにより、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれで反射して光線射出部３０４から射出する発散光により、虚像距離を０．３～２ｍ程度にできる。

【0048】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの曲率半径が、上限値である１００００ｍｍを超えると、虚像距離がほぼ無限遠となる。一方、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの曲率半径が、下限値である８００ｍｍに満たないと、虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。

【0049】

図６は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の変形例の説明図である。

【0050】

図６（ａ）は、図４および図５に示した画像取り出し部３０３の拡大図であり、図６（ｂ）は、変形例に係る画像取り出し部３０３の拡大図である。

【0051】

図６（ｂ）では図６（ａ）に対して新たに第１面３０５と異なる方向に傾斜する第３面３０７が設けられている。第３面３０７は、第１面３０５と第２面３０６の間に設けられ、画像光が導光される方向において、光線射出部３０４との距離が大きくなるように傾斜する第２の傾斜面の一例である。

【0052】

図６（ａ）、（ｂ）の実線と点線で示した光は、画像表示素子１００の同じ画素から出た光であり、コリメート光学系の機能を有する光学系２００によって同じ角度で導光部材３００内を伝搬する。

【0053】

このとき、図６（ａ）の点線で示した光は第２面３０６で反射した後に第１面３０５に直接あたり光線射出部３０４の方向に進むのに対し、図６（ｂ）では、第３面３０７を設けることで、第２面３０６で反射した後に第１面３０５に直接光があたるのを防ぐことができる。

【0054】

その結果として、導光部材３００内を全反射で伝搬する光のうち、導光部材３００の下面で全反射した光のみを第１面３０５にあてることができる。

【0055】

そのようにすることで、図６（ｂ）に示す変形例では、第３面３０７を形成するために成形の難易度は上がるが。図６（ａ）において、導光部材３００の上面、下面で全反射した光の両方向の光が第１面３０５にあたることで発生していた迷光を防ぐことができる。

【0056】

図７は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の第２の変形例の説明図である。

【0057】

図７（ａ）は、図６（ｂ）に示した変形例に係る画像取り出し部３０３の詳細説明図であり、図７（ｂ）は、第２の変形例に係る画像取り出し部３０３の詳細説明図である。

【0058】

図７（ａ）に示した変形例に係る画像取り出し部３０３には、画像光が導光される方向において、第２面３０６Ａ、第３面３０７Ａ、第１面３０５Ａ、第２面３０６Ｂ、第３面３０７Ｂ、第１面３０５Ｂ、および第２面３０６Ｃが、順番に配置されている。

【0059】

一方、図７（ｂ）に示した第２の変形例に係る画像取り出し部３０３には、画像光が導光される方向において、第２面３０６Ａ、第１面３０５Ａ、第３面３０７Ａ、第２面３０６Ｂ、第１面３０５Ｂ、第３面３０７Ｂ、および第２面３０６Ｃが、順番に配置されている。

【0060】

図７（ａ）に示した変形例に係る画像取り出し部３０３では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第２面３０６Ｂ、第３面３０７Ｂ、第１面３０５Ｂは、画像光が導光される方向において上流側に配置される第２面３０６Ａ、第３面３０７Ａ、第１面３０５Ａよりも、光線射出部３０４に近く配置される。

【0061】

一方、図７（ｂ）に示した第２の変形例に係る画像取り出し部３０３では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第２面３０６Ｂ、第１面３０５Ｂ、第３面３０７Ｂと、画像光が導光される方向において上流側に配置される第２面３０６Ａ、第１面３０５Ａ、第３面３０７Ａは、光線射出部３０４からの距離が同じである。

【0062】

図７（ｂ）に示した第２の変形例に係る導光部材３００は、図７（ａ）に示した変形例に係る導光部材３００よりも、重量化するが、成形が容易になる。

【0063】

図８は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の第３の変形例の説明図である。

【0064】

図８に示す第３の変形例に係る画像取り出し部３０３では、図７（ａ）に示した変形例に係る画像取り出し部３０３と同様に、画像光が導光される方向において、第２面３０６Ａ、第１面３０５Ａ、第３面３０７Ａ、第２面３０６Ｂ、第１面３０５Ｂ、第３面３０７Ｂ、および第２面３０６Ｃが、順番に配置されている。

【0065】

図７（ａ）に示した変形例に係る画像取り出し部３０３では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第２面３０６Ｂ、第３面３０７Ｂ、第１面３０５Ｂは、画像光が導光される方向において上流側に配置される第２面３０６Ａ、第３面３０７Ａ、第１面３０５Ａよりも、光線射出部３０４に近く配置される。

【0066】

一方、図８に示した第３の変形例に係る画像取り出し部３０３では、画像光が導光される方向において下流側に配置される第２面３０６Ｂ、第３面３０７Ｂ、第１面３０５Ｂと、画像光が導光される方向において上流側に配置される第２面３０６Ａ、第３面３０７Ａ、第１面３０５Ａは、光線射出部３０４からの距離が同じである。

【0067】

図８に示した第３の変形例に係る導光部材３００も、図７（ａ）に示した変形例に係る導光部材３００よりも、重量化するが、成形が容易になる。

【0068】

図９は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３の第４の変形例の説明図である。

【0069】

図９に示す第４の変形例に係る画像取り出し部３０３には、第２面３０６は配置されておらず、画像光が導光される方向において、第３面３０７Ａ、第１面３０５Ａ、第３面３０７Ｂ、第１面３０５Ｂ、第３面３０７Ｃ、および第１面３０５Ｃが、順番に配置されている。

【0070】

図９に示す第４の変形例に係る導光部材３００では、アイボックスや画角は小さくなるが、目に入射する各画角の光線強度むらは小さくなる。

【0071】

図１０は、本実施形態に係る導光部材３００のパラメータの説明図である。図１１は、本実施形態に係る導光部材３００における画像取り出し部３０３のパラメータの説明図である。

【0072】

■性能
・アイボックス：２．５ｍｍ以上
・アイレリーフ：１５ｍｍ
・対角画角：４０度
・虚像距離：３００ｍｍ

【0073】

導光部材３００には、平行平面の部材３１０が接合されており、導光部材３００と部材３１０の界面はハーフミラーから成る。
■部材３１０
・厚さｈｄ：０．６ｍｍ
■導光部材３００
・肉厚ｗｄ：最厚部２．５ｍｍ
・導光部材幅ｗｗ：５０ｍｍ
・第１面３０５の幅ｌ：０．２ｍｍ
・第１面３０５の数ｎｕｍ：２４
・第２面３０６の幅ｗ：０．６ｍｍ
・屈折率：１．４９３６１２ （ＰＭＭＡ）
・反射面曲率半径Ｒ：８００ｍｍ
・２４個の第１面３０５の第２面３０６に対する角度は表１に示す通りに設定した

【0074】

【表1】

【0075】

複数の第１面３０５の数ｎｕｍは、１０から２５の範囲内である。上限値である２５個を超えると、導光部材３００を通して外を見る際に第１面３０５が邪魔になる。下限値である１０個に満たないと、水平方向のアイボックスが狭くなり、視野角も狭くなる。本実施形態では、導光部材３００を通して外を見やすくしつつ、水平方向のアイボックスが広くなり、視野角も広くなる。

【0076】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｄが配置される方向における対向面の両端部を結ぶ距離Ｗは、０．１ｍｍより長く３ｍｍより小さい。これにより、広画角でありながら、アイボックスを確保できる。

【0077】

目の大きさを３ｍｍとして、上限値である３ｍｍを超えると、目に届かない画角の光が発生し、下限値である０．１ｍｍに満たないと、平面の幅が小さくなりすぎ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることが困難になる。本実施形態では、光量を確保しつつ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることができる。

【0078】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｄが配置される方向における第１面３０５Ｂの両端部を結ぶ距離ｌは、０．１ｍｍより長く１ｍｍより小さい。

【0079】

上限値である１ｍｍを超えると、導光部材３００を通して外を見る際に第１面３０５が邪魔になる。下限値である０．１ｍｍに満たないと、回折限界により解像度が低くなる。本実施形態では、導光部材３００を通して外を見やすくしつつ、解像度を高くすることができる。

【0080】

図１２は、本実施形態に係る虚像表示装置１０００の光学系レイアウトを示す図である。
図１２の光学系２００は、画像表示素子１００から出た光の中間像を一度作った後に略コリメータ光を生成し、導光部材３００に光を入射させている。このように一旦中間像を作ることで、重量のある画像表示素子１００を後方に配置できるため、虚像表示装置１０００をメガネ型とした場合に、前方重量を低減でき、着け心地の良いメガネ型虚像表示装置を実現できる。

【0081】

もちろん、中間像をつくらず、図１で示したように画像表示素子１００から略コリメータ光を生成する光学系２００で直接導光部材３００に光を入射させても良い。図１２の導光部材３００は図１０で示した形状をしており平行平面の部材３１０が接合されている。図１２では画像表示素子１００の両端から出た光が光学系２００を介して導光部材３００に入射した後に目に入る様子を示している。

【0082】

図１３は、本実施形態に係る虚像表示装置１０００におけるスポットダイアグラムの説明図である。

【0083】

図１３に示すように、スポットダイアグラムを計算した位置は、点Ａ（０，０）、点Ｂ（２．３，０）、点Ｃ（－２．３，０）、点Ｄ（０，１．５）、点Ｅ（０，－１．５）である。

【0084】

図１４～図１８は、本実施形態に係る虚像表示装置１０００の点Ａ～点Ｅにおけるスポットダイアグラムをシミュレーションした図である。

【0085】

図１９は、本実施形態に係る虚像表示装置１０００の各種例の使用状態を示す図である。
図１９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、導光部材３００を眼鏡型の虚像表示装置すなわちＨＭＤに適用した場合を例示する。

【0086】

図１９（ａ）に示す例は、一つの導光部材３００を両眼用のＨＭＤに適用した場合であり、導光部材３００の光線入射部３０１と、光線入射部３０１から入射した画像光を導光部材３００内部に導光するミラー３５０を虚像観察者すなわちユーザの右側に配置している。導光部材３００は、ユーザの耳に掛けられるツルとしての役割を担うフレーム部５００に固定される。図２６ではフレーム部を簡略化して表しているが、フレーム部５００は、導光部材３００の両端側のみならず、上側縁や下側縁を覆う形状とすることができる。

【0087】

他方、図１９（ｂ）及び（ｃ）に示す例は、一つの導光部材３００を小型化してＨＭＤに適用した場合である。図１９（ｂ）に示す例は、両眼用のＨＭＤとして二つの導光部材３００をユーザの左右各々の目の位置に対応させて配置した場合であり、各導光部材３００の光入射部８は、左右外側に配置される。また、図１９（ｃ）は単眼用のＨＭＤとして一つの導光部材３００をユーザの左右どちらかの目の位置に対応させて配置した場合である。

【0088】

なお、図１９では虚像光学系や光源の図示を省略したが、これらはフレーム部５００に取り付けることができる。すなわち、図１９（ａ）及び（ｃ）に示す例では光源５２、画像表示素子１００及び光学系２００を右目側のフレーム部に、図１９（ｂ）に示す例ではこれらを左右両方のフレーム部に取り付ければよい。

【0089】

図１９に示す例では、導光部材３００を眼鏡型のＨＭＤに適用した場合について説明した。また、上述した各実施形態の導光部材３００は、他の種類のＨＭＤにも適用可能であり、さらには、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）にも適用できる。各実施形態の導光部材は、特に、微小デバイスにより光変調された光束によって形成される原画像を虚像表示するのに適している。

【0090】

前述したように、導光部材３００を眼鏡のようにして人の顔に装着できるようにすることができる。そして、画像表示素子などの画像光を、コリメートして光線入射部３０１から入射すると、既に述べたとおり、画像表示素子などの画像を虚像として観察することができる。導光部材３００は透明体であるため、上記画像とともに周囲の情景を観察することができる。

【0091】

導光部材３００の厚みは１ｍｍ～４ｍｍ程度であり、材質は樹脂であることが望ましく、そのように構成すると十分に軽くなり、ユーザの鼻への負担が小さく、使いやすい。

【0092】

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る導光部材３００は、導光された画像光を外部に射出する界面（境界面）の一例である光線射出部３０４と、画像光を光線射出部３０４に向けて反射して光線射出部３０４から射出させる反射面の一例である第１面３０５と、を備え、第１面３０５は、画像光が導光される方向において複数配置されており、複数の第１面３０５のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第１面３０５Ｆは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する。

【0093】

これにより、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄで反射して光線射出部３０４から射出する射出光と、下流側第１面３０５Ｆで反射して光線射出部３０４から射出する射出光のなす角度を、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに入射する入射光と、下流側第１面３０５Ｆに入射する入射光のなす角度よりも大きくすることができる。

【0094】

下流側の第１面３０５Ｂ～３０５Ｅのそれぞれは、上流側第１面３０５Ａに対して画像光が導光される方向における下流側に配置されるほど、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する傾斜角度が大きくなるように形成される。

【0095】

他の形態として、第１面３０５Ａ～３０５Ｅの傾斜角度は、全て異なっていなくてもよく、例えば、第１面３０５Ｂと３０５Ｄの間に配置される第１面３０５Ｃは、第１面３０５Ｂおよび３０５Ｄの何れか一方と平行になるように形成されても良い。

【0096】

また、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに入射する入射光と、下流側第１面３０５Ｆに入射する入射光が平行の場合、非平行の入射光を導光することに起因する色ズレ等の問題が生じること無く、導光部材３００により、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄで反射して光線射出部３０４から射出する射出光と、下流側第１面３０５Ｆで反射して光線射出部３０４から射出する射出光を発散光にすることができる。

【0097】

下流側第１面３０５Ｆは、画像光が導光される方向における上流側に隣り合って配置される上流側第１面３０５Ｅに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する。

【0098】

これにより、隣り合って配置される上流側第１面３０５Ｅと、下流側第１面３０５Ｆでそれぞれ反射して光線射出部３０４から射出するそれぞれの射出光のなす角度を、上流側第１面３０５Ｅと、下流側第１面３０５Ｆに入射するそれぞれの入射光のなす角度よりも大きくすることができる。

【0099】

下流側第１面３０５Ｆが、上流側第１面３０５Ｅに対して傾斜する角度は、０．００２度より大きく、０．２１０度より小さい。

【0100】

これにより、隣り合って配置される上流側第１面３０５Ｅと、下流側第１面３０５Ｆでそれぞれ反射して光線射出部３０４から射出する２つの射出光により虚像を形成する場合には、虚像距離を０．３～２ｍ程度にできる。

【0101】

下流側第１面３０５Ｆが、上流側第１面３０５Ｅに対して傾斜する角度が、上限値である０．２１０度を超えると，虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。一方、下流側第１面３０５Ｆが、上流側第１面３０５Ｅに対して傾斜する角度が、下限値である０．００２度に満たないと、虚像距離がほぼ無限遠となる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。

【0102】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれは、凸形状に形成される。一例として、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの光線射出部３０４（Ｘ－Ｚ面）に平行な断面における形状は、画像光の導光方向であるＺ方向において、画像光の導光方向の上流側に凸形状に形成される。

【0103】

これにより、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれに入射する入射光を一例としてＸ方向に発散させて光線射出部３０４から射出することができる。複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれで反射して光線射出部３０４から射出する射出光により、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれ毎に虚像を形成する場合には、虚像距離を有限にすることができる．

【0104】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれは、曲面形状に形成される。一例として、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの形状は、Ｘ－Ｚ面に平行な断面で曲線形状となるような曲面形状に形成される。他の形態として、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの形状は、Ｘ－Ｚ面に平行な断面で複数の直線で形成される形状となるような多面体形状に形成されても良い。

【0105】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの曲率半径は、８００ｍｍより大きく１００００ｍｍより小さい。

【0106】

これにより、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれで反射して光線射出部３０４から射出する発散光により、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれ毎に虚像を形成する場合には、虚像距離を０．３～２ｍ程度にできる。

【0107】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの曲率半径が、上限値である１００００ｍｍを超えると、虚像距離がほぼ無限遠となる。一方、複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｅのそれぞれの曲率半径が、下限値である８００ｍｍに満たないと、虚像距離が近くなりすぎてユーザが虚像にピントを合わせにくくなる。これに対して、本実施形態では、虚像距離を有限にしつつ、ユーザが虚像にピントを合わせやすい。

【0108】

隣り合う２つの第１面３０５Ｅ、３０５Ｆの間に、光線射出部３０４に平行に対向する第２面３０６Ｆを有する。

【0109】

これにより、２つの第１面３０５Ｅ、３０５Ｆのそれぞれで反射して光線射出部３０４から射出する２つの発散光により虚像を形成する場合には、広画角でありながら、瞳を拡大できてアイボックスを確保できる。また、導光部材３００の奥側の第１面３０５までより多くの光を到達させることができる。

【0110】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｄが配置される方向における対向面の両端部を結ぶ距離Ｗは、０．１ｍｍより長く３ｍｍより小さい。これにより、広画角でありながら、アイボックスを確保できる。

【0111】

目の大きさを３ｍｍとして、上限値である３ｍｍを超えると、目に届かない画角の光が発生し、下限値である０．１ｍｍに満たないと、平面の幅が小さくなりすぎ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることが困難になる。これに対して、本実施形態では、光量を確保しつつ、広画角でありながらアイボックスを大きくすることができる。

【0112】

複数の第１面３０５Ａ～３０５Ｄが配置される方向における第１面３０５Ｂの両端部を結ぶ距離ｌが、０．１ｍｍより長く１ｍｍより小さい。

【0113】

上限値である１ｍｍを超えると、導光部材３００を通して外を見る際に第１面３０５が邪魔になる。下限値である０．１ｍｍに満たないと、回折限界により解像度が低くなる。これに対して、本実施形態では、導光部材３００を通して外を見やすくしつつ、解像度を高くすることができる。

【0114】

複数の第１面３０５の数ｎｕｍは、１０から２５の範囲内である。上限値である２５個を超えると、導光部材３００を通して外を見る際に第１面３０５が邪魔になる。下限値である１０個に満たないと、水平方向のアイボックスが狭くなり、視野角も狭くなる。これに対して、本実施形態では、導光部材３００を通して外を見やすくしつつ、水平方向のアイボックスが広くなり、視野角も広くなる。

【0115】

下流側第１面３０５に入射する入射光と、上流側第１面３０５に入射する入射光は、ほぼ平行である。これにより、上流側第１面３０５と下流側第１面３０５に入射する平行光を、発散光として射出することができる。

【0116】

本発明の一実施形態に係る表示装置の一例である虚像表示装置１０００は、導光部材３００と、画像光を射出する画像表示素子１００と、画像光を導光部材に入射させる入射光学系の一例である光学系２００と、を備え、導光部材３００は、導光された画像光を外部に射出する光線射出部３０４と、画像光を光線射出部３０４に向けて反射して光線射出部３０４から射出させる第１面３０５と、を備え、記第１面３０５は、画像光が導光される方向において複数配置されており、記複数の第１面３０５のうち、画像光が導光される方向における下流側に配置される下流側第１面３０５Ｆは、画像光が導光される方向における上流側に配置される上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに対して、画像光が導光される方向における下流側で光線射出部３０４との距離が大きくなる方向に傾斜する。

【0117】

これにより、導光部材３００は、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄで反射して光線射出部３０４から射出する射出光と、下流側第１面３０５Ｆで反射して光線射出部３０４から射出する射出光のなす角度を、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄに入射する入射光と、下流側第１面３０５Ｆに入射する入射光のなす角度よりも大きくすることにより、虚像距離を短くすることができる。

【0118】

また、光学系２００から導光部材３００に入射する入射光が平行の場合、非平行の入射光を導光することに起因して、虚像が二重に観察される画素ずれ等の問題が生じることが無く、導光部材３００により、上流側第１面３０５Ｂ、３０５Ｄで反射して光線射出部３０４から射出する射出光と、下流側第１面３０５Ｆで反射して光線射出部３０４から射出する射出光を発散光にして、虚像距離を有限にすることができる。

【符号の説明】

【0119】

１００ 画像表示素子
２００ 入射光学系（光学系）
２０１ 光線射出部３０４に対する反射角θの最小値θ１で伝搬する光
２０２ 光線射出部３０４に対する反射角θの最大値θ２で伝搬する光
３００ 導光部材
３０１ 光線入射部
３０２ 導光部
３０３ 画像取り出し部
３０４ 光線射出部（界面、境界面）
３０５ 第１面（反射面、第１の傾斜面）
３０６ 第２面（対向面）
３０７ 第３面（第２の傾斜面）
３１０ 平行平面の部材
１０００ 虚像表示装置（表示装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】