(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-16
(45)【発行日】2022-12-26
(54)【発明の名称】映像表示装置、及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20221219BHJP
G02B 5/04 20060101ALI20221219BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20221219BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/04 A
H04N5/64 511A
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2019153574
(22)【出願日】2019-08-26
(65)【公開番号】P2021033076
(43)【公開日】2021-03-01
【審査請求日】2021-12-23
(73)【特許権者】
【識別番号】501009849
【氏名又は名称】株式会社日立エルジーデータストレージ
(74)【代理人】
【識別番号】110001689
【氏名又は名称】青稜弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】久野 拓馬
(72)【発明者】
【氏名】鵜飼 竜志
(72)【発明者】
【氏名】中村 俊輝
(72)【発明者】
【氏名】内山 允史
(72)【発明者】
【氏名】毛利 考宏
【審査官】近藤 幸浩
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－１０９７１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１１６２６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０８７５７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１６５８１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１２０８１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４０８１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０９０５６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－１６６２５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５０４３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０９２３９９２６（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０２
Ｇ０２Ｂ ２７／０１
Ｇ０２Ｂ ５／０４
Ｈ０４Ｎ ５／６４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、該映像表示装置は、
映像光を生成する映像生成部と、
該映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、
該投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、
該映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、
前記投射光学部は少なくとも１個の投射レンズを備え、
前記映像光複製部が映像光を複製する間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は入射する映像光の一部を反射し一部を透過する複数の部分反射面を有し、該複数の部分反射面は前記入射する映像光の光軸に対して斜めに配置されており、
前記映像光複製部は、映像光が入射する入射面と、前記複数の部分反射面と、複製した映像光を出射する出射面を備えたプリズムからなり、前記複数の部分反射面の間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は、前記入射面に近い第１の部分反射面と次に近い第２の部分反射面を有し、前記第２の部分反射面での反射光が全て前記第１の部分反射面を透過することを特徴とする映像表示装置。
【請求項2】
ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、
該映像表示装置は、
映像光を生成する映像生成部と、
該映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、
該投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、
該映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、
前記投射光学部は少なくとも１個の投射レンズを備え、
前記映像光複製部が映像光を複製する間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は入射する映像光の一部を反射し一部を透過する複数の部分反射面を有し、該複数の部分反射面は前記入射する映像光の光軸に対して斜めに配置されており、
前記映像光複製部は、映像光が入射する入射面と、前記複数の部分反射面と、複製した映像光を出射する出射面を備えたプリズムからなり、前記複数の部分反射面の間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記投射レンズの光軸が前記プリズムの中心軸に対して前記プリズムの出射方向とは逆方向に偏心して配置されていることを特徴とする映像表示装置。
【請求項3】
ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、
該映像表示装置は、
映像光を生成する映像生成部と、
該映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、
該投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、
該映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、
前記投射光学部は少なくとも１個の投射レンズを備え、
前記映像光複製部が映像光を複製する間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は入射する映像光の一部を反射し一部を透過する複数の部分反射面を有し、該複数の部分反射面は前記入射する映像光の光軸に対して斜めに配置されており、
前記映像光複製部は、映像光が入射する入射面と、該入射面から入射した映像光を反射する反射面と、該反射面で反射した映像光を複製するための複数の部分反射面と、該複製した映像光を出射する出射面を備えたプリズムからなり、
前記複数の部分反射面の間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記投射光学部と前記プリズムは、前記投射レンズの中心軸を通る光が前記反射面で反射した光軸が前記プリズムの中心軸に対して該プリズムの出射方向とは逆方向に偏心するように配置されていることを特徴とする映像表示装置。
【請求項4】
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムが映像光を複製する方向を第一の方向とし、
前記複数の部分反射面のそれぞれの反射率は前記入射面側から第一の方向に行くにつれて高くなることを特徴とする映像表示装置。
【請求項5】
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは、前記複数の部分反射面の間隔が１ｍｍから１５ｍｍの範囲にあることを特徴とする映像表示装置。
【請求項6】
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは、前記部分反射面の前記出射面と直行する面からの角度が４５度より大きいことを特徴とする映像表示装置。
【請求項7】
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは、前記部分反射面をオプティカルコンタクトにより接合したことを特徴とする映像表示装置。
【請求項8】
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは映像歪み補正機能を有することを特徴とする映像表示装置。
【請求項9】
請求項８に記載の映像表示装置であって、
前記映像歪み補正機能は、前記プリズムが映像光を出射する際、所定の角度に屈折して出射することを特徴とする映像表示装置。
【請求項10】
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記投射光学部の射出瞳は、前記投射光学部よりも前記映像光複製部に近い位置にあることを特徴とする映像表示装置。
【請求項11】
請求項１０に記載の映像表示装置であって、前記投射光学部の射出瞳は、前記投射光学部の内部にあることを特徴とする映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はヘッドマウントディスプレイなどに用いる導光板を利用した映像表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）やヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head up Display）などの映像表示装置では、投射光学部から出射された映像光をユーザの目まで伝搬させるための光学系として、導光板が用いられる。
【0003】
ＨＭＤやＨＵＤに用いられる映像表示装置は、目が移動しても映像を視認可能な領域であるアイボックスの広さが、視認性や装着性といった観点から重要である。またＨＭＤでは、日常生活での補助や保守点検などの作業支援を行うことを想定しており、映像表示装置は長時間駆動実現のために高い光利用効率が求められる。
【0004】
本技術分野における先行技術文献として特許文献１や特許文献２がある。特許文献１では、複数の部分反射面を用いて垂直方向に射出瞳を複製し、導光板を用いて水平方向に射出瞳を複製することでアイボックスを拡大する映像表示装置が開示されている。また、特許文献２では回折格子を備えた２個の導光板を用いることで２次元に射出瞳を複製してアイボックスを拡大する画像表示装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１３－２１０６３３号公報
【文献】特開２０１１－２４８３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１では、複製された複数の射出瞳の関係について記載されていない。このため射出瞳の複製の仕方によっては、複数の射出瞳に輝度ムラが生じ、結果として表示映像に輝度ムラが発生することがある。
【0007】
また、特許文献２では、回折格子を用いた射出瞳の複製は導光板に入射した光をすべて利用できないため光利用効率が低く、高い光利用効率の映像表示装置を実現できない。
【0008】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、アイボックスが広く、高い光利用効率で輝度ムラなく映像を表示可能な映像表示装置及びそれを用いたＨＭＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、その一例を挙げるならば、ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、映像表示装置は、映像光を生成する映像生成部と、映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、投射光学部は少なくとも１個の投射レンズを備え、映像光複製部が映像光を複製する間隔は投射レンズの外径よりも小さい構成とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、アイボックスが広く、高い光利用効率で輝度ムラを低減し均一な映像を表示可能な映像表示装置及びそれを用いたＨＭＤを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施例１におけるＨＭＤの使用形態を示す図である。
【図2】実施例１における映像表示装置を搭載したＨＭＤの機能構成ブロック図である。
【図3】実施例１における映像表示装置の機能ブロック構成図である。
【図4】実施例１における映像表示装置の構成図である。
【図5】実施例１における導光板の構成を説明する図である。
【図6】実施例１における部分反射面アレイの面間隔を説明する図である。
【図7】実施例１における導光板内部および導光板から出射される映像光の光路を示す図である。
【図8】実施例１における瞳拡大プリズムの構成を説明する図である。
【図9】実施例１における投射光学ユニットを説明する図である。
【図10】実施例１における瞳拡大プリズムが複製する射出瞳を説明する図である。
【図11】実施例１における瞳拡大プリズムにおいて、1つの部分反射面によって反射し出射される射出瞳を模式的に表した図である。
【図12】実施例１における導光板への入射光と映像歪みの関係を説明する図である。
【図13】実施例１における導光板に入射する映像光の結合方法を説明するための図である。
【図14】実施例１における導光板において、部分反射面の角度を導光板面に対して１８０度異ならせた構成図である。
【図15】実施例１における瞳拡大プリズムに入射する映像光の光路を説明する図である。
【図16】実施例１における瞳拡大プリズムの形状を説明する図である。
【図17】実施例２における映像表示装置の構成図である。
【図18】実施例２における瞳拡大プリズムの構成を説明する図である。
【図19】実施例２における瞳拡大プリズムが複製する射出瞳を説明する図である。
【図20】実施例３における映像表示装置の構成図である。
【図21】実施例３における瞳拡大プリズムの構成を説明する図である。
【図22】実施例４における映像表示装置の構成図である。
【図23】実施例４における映像表示装置の他の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例1】
【0013】
＜ＨＭＤについて＞
図１は本実施例におけるＨＭＤの使用形態を示す図である。図１に示すように、ＨＭＤ１０１はユーザ２の頭部に装着され、外界が視認可能な状態でユーザ２は図示しない映像表示装置からの映像をユーザの瞳１５を介して虚像３として視認できる。なお、図１では片眼に映像を表示する場合を図示したが、両眼の構成としてもよい。
図１は本実施例におけるＨＭＤの使用形態を示す図である。図１に示すように、ＨＭＤ１０１はユーザ２の頭部に装着され、外界が視認可能な状態でユーザ２は図示しない映像表示装置からの映像をユーザの瞳１５を介して虚像３として視認できる。なお、図１では片眼に映像を表示する場合を図示したが、両眼の構成としてもよい。
【0014】
図２は、本実施例における映像表示装置１を搭載したＨＭＤ１０１の機能構成ブロック図である。図２において、ＨＭＤ１０１には映像表示装置１の他に、ＨＭＤ１０１全体を制御するコントローラ１０６、外部情報１０２を取得するセンシング手段１０５、外部サーバ１０３と通信する通信手段１０４、電力供給手段１０８、記憶媒体１０７、操作入力手段１０９などが具備されている。なお制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。
【0015】
外部情報１０２、例えばユーザ２の体勢、向き、動きや外界の明るさ、音、空間情報をなどである。
【0016】
ユーザ２の体勢、向き、動きを検出するためのセンシング手段として一例を挙げるならば、傾斜センサ、加速度センサやＧＰＳセンサなどが挙げられる。外界の明るさ、音、空間情報を検出するためのセンシング手段としては、照度センサ、音センサ、赤外線センサなどの撮像素子が搭載可能である。
【0017】
通信手段１０４は、ターネット上の情報や、スマートフォン、タブレット、ＰＣなどの電子機器などの外部サーバ１０３とアクセスできる通信装置であり、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉｆｉ（登録商標）などで実現できる。
【0018】
ユーザ２は、操作入力手段１０９によりＨＭＤ１０１を操作するための入力を行う。操作入力手段１０９は、例えば音センサを用いた音声認識や、感圧センサあるいは静電容量センサを用いたタッチパネル入力や、赤外線センサを使用したジェスチャ入力などで実現できる。
【0019】
＜映像表示装置について＞
図３は、本実施例における映像表示装置の機能ブロック構成図である。映像示装置１は、映像生成部４と、投射光学部５と、映像光複製部６と、導光部７とを有する。
図３は、本実施例における映像表示装置の機能ブロック構成図である。映像示装置１は、映像生成部４と、投射光学部５と、映像光複製部６と、導光部７とを有する。
【0020】
映像生成部４は、光源と照明光学部と映像を生成する映像生成装置で構成されている。光源としてはＲＧＢのＬＥＤ(Light Emitting Diode)またはＲＧＢのＬＤ(Laser Diode)が挙げられる。もちろん光源として白色のＬＥＤを用いてもよい。この場合は、映像生成素子にカラーフィルタを具備する必要がある。照明光学部は、光源の光を均一にして映像生成装置に照明する。映像生成装置には液晶またはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等を用いればよい。また、映像生成装置として有機ＥＬやμＬＥＤなどの自発光映像生成素子を用いてもよい。この場合、光源および照明光学部が不要となり、映像生成部４の小型軽量化が可能となる。
【0021】
投射光学部５は、１枚または複数のレンズからなる投射レンズを備えており、映像生成部４で生成された映像を投射する。
【0022】
映像光複製部６は、投射光学部５の投射レンズの射出瞳を複製しながら、映像光を導光部７に伝達する。
【0023】
導光部７は、例えば回折格子や、体積ホログラムや、複数の部分反射面を備えた導光板を用いて、シースルー性を備えた映像表示装置１及びそれを備えたＨＭＤとすることができる。
【0024】
図４は、本実施例における映像表示装置の構成図である。図４において、（ａ）は、導光板８の正面側から見た図を示し、（ｂ）は、導光板８の上側から見た図を示す。図３における映像光複製部６は、瞳拡大プリズム９からなり、導光部７は、透明基板内部に複数の部分反射面を有した導光板８からなる。投射光学部５は、一例として２枚のレンズからなる投射光学ユニット１０で構成される。
【0025】
前述したように投射光学ユニット１０は、映像生成部４で生成された映像光を瞳拡大プリズム９に出射する。瞳拡大プリズム９は、内部に配置された部分反射面によって、図４のｙ方向に瞳を複製し映像光をｘ方向の導光板８に出射する。導光板８に入射した映像光は、導光板内部を全反射により伝搬しながら、内部に配置された部分反射面アレイ１４によって映像光の伝播方向に瞳を複製し、ユーザに映像光を投射する。瞳拡大プリズム９と導光板８により、２次元に瞳を拡大することで、広いアイボックスを持つ映像表示装置が実現できる。
【0026】
【0027】
図５において、導光板８は、入射面１６と、互いに略平行な第１の内面反射面１１と第２の内面反射面１２とを備え、内部に複数の互いに平行な部分反射面１３が配列された部分反射面アレイ１４を備える。第１の内面反射面１１と第２の内面反射面１２とによる全反射により、瞳複拡大プリズム９から出射された映像光は図の横方向（水平方向）に伝搬する。また、部分反射面アレイ１４により、全反射で導光する映像光の一部を反射して進行方向を変え、第１の内面反射面１１を透過して導光板８の外部に出射させる。部分反射面アレイ１４で反射し映像光が複製されるので水平方向のアイボックスが拡大する。導光板８の外部に出射された映像光の一部はユーザの瞳１５に入射する。これにより、ユーザは映像表示装置１が表示する映像を視認できる。
【0028】
＜導光板面間隔について＞
次に部分反射面アレイ１４の反射面間隔について説明する。図６は、本実施例における導光板８の一部分を示した図であり、部分反射面アレイの面間隔を説明する図である。
次に部分反射面アレイ１４の反射面間隔について説明する。図６は、本実施例における導光板８の一部分を示した図であり、部分反射面アレイの面間隔を説明する図である。
【0029】
図６において、（ａ）は導光板正面から見たときに部分反射面１３が離れて配置された場合、（ｂ）は部分反射面１３が重なりを持って配置された場合、（ｃ）は部分反射面１３が重なりを持たず、かつ隙間なく配置された場合を示している。
【0030】
【0031】
【0032】
そのため、部分反射面１３の間隔は図６（ｃ）のように部分反射面１３が略重なりを持たずかつ略隙間なく配置されていることが好ましい。部分反射面１３が重なりを持たずかつ隙間なく配置された導光板とすることで、輝度ムラが少ない映像をユーザに投射することができる。
【0033】
＜部分反射面の角度について＞
次に、部分反射面アレイ１４の第２の内面反射面１２に対する角度θについて説明する。図７は、本実施例における導光板内部および導光板から出射される映像光の光路を示す図である。
次に、部分反射面アレイ１４の第２の内面反射面１２に対する角度θについて説明する。図７は、本実施例における導光板内部および導光板から出射される映像光の光路を示す図である。
【0034】
図７（ａ）は導光板内部を全反射により伝播する映像光が、部分反射面１３によって反射し、導光板８から出射されるまでの光路を示したものである。角度θは全反射によって映像光が導光板内部を伝搬可能な角度にする必要がある。導光板内部を全反射する画角中心の光１９が導光板内部を伝搬するときの導光板表面に対する入射角は２θと表せる。また画角中心に対してαの角度でユーザに投射される光２０が、導光板内部において導光板表面に入射する角度θｒは導光板屈折率ｎを用いて式（１）で表すことができる。
θｒ＝２θ－ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎα÷ｎ） …（１）
θｒで入射する光が全反射する条件は、導光板８の屈折率で決まる臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（１÷ｎ）を用いて式（２）のように書ける。
θｒ＝２θ－ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎα÷ｎ）＞θｃ …（２）
θｒ＝２θ－ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎα÷ｎ） …（１）
θｒで入射する光が全反射する条件は、導光板８の屈折率で決まる臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（１÷ｎ）を用いて式（２）のように書ける。
θｒ＝２θ－ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎα÷ｎ）＞θｃ …（２）
【0035】
導光板８が映像光を伝播するためには、映像光の全ての画角において上式を満たす必要がある。映像光の水平方向のＦＯＶ（画角：Field of View）をＦＯＶ＿Ｈで表すと上式から部分反射面の角度θは式（３）を満たす必要がある。
θ＞０．５×（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｈ÷２）÷ｎ）＋θｃ） …（３）
θ＞０．５×（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｈ÷２）÷ｎ）＋θｃ） …（３）
【0036】
次に、図７（ｂ）のように映像光が部分反射面１３の裏面で入射する場合を考える。光線２１のように部分反射面１３の裏面で反射する光は映像光として使用できない。そのため光線２１は光損失となる。加えて射出瞳の所定の画角成分が暗くなるため、表示映像に輝度ムラが生じる。部分反射面アレイ１４によって複数回、裏面反射が起こりうるため、光線２１のように部分反射面１３に対して大きな角度で入射するときの反射率は可能な限り小さいことが望ましい。角度θｒで導光板内部を全反射伝搬する光が部分反射面に入射する角度θｂは式（４）で表すことができる。
θｂ＝θ＋θｒ＝３θ－ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎα÷ｎ） …（４）
θｂ＝θ＋θｒ＝３θ－ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎα÷ｎ） …（４）
【0037】
通常、部分反射面を成す反射膜と導光板は屈折率差があるため、裏面反射は入射角度θｂが９０度に近づくにつれて急激に高くなる。そのため、すべての映像光でθｂを９０度以下、好ましくは８６度以下、より好ましくは８３度以下にする必要がある。
よって少なくとも式（５）を満たす必要がある。
３θ＋ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｈ÷２）÷ｎ）＜９０ …（５）
θの条件に直すと、
θ＜３０－（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｈ÷２）÷ｎ）÷３ …（６）
式（３）、（６）から、望ましい部分反射面の角度θの範囲が導光板屈折率ｎと映像光の水平画角ＦＯＶ＿Ｈで求まる。
よって少なくとも式（５）を満たす必要がある。
３θ＋ａｒｃｓｉｎ（（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｈ÷２）÷ｎ）＜９０ …（５）
θの条件に直すと、
θ＜３０－（ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｈ÷２）÷ｎ）÷３ …（６）
式（３）、（６）から、望ましい部分反射面の角度θの範囲が導光板屈折率ｎと映像光の水平画角ＦＯＶ＿Ｈで求まる。
【0038】
一般的なガラスまたは樹脂の屈折率ｎ＝１．５～１．７、ＨＭＤの水平方向の画角（ＦＯＶ＿Ｈ）１０度～４０度のとき、式（３）、（６）から部分反射面角度θは１８度～３０度の範囲とすればよい。
【0039】
＜部分反射面の反射率について＞
部分反射面アレイ１４の反射率は、部分反射面１３の反射率をそれぞれ異ならせた構成も考えることができるが、複数のコーティングの設計や実装等が必要なためコストが増加する。そのため、コスト面から略等反射率を持つ部分反射面で部分反射面アレイを構成することが望ましい。
部分反射面アレイ１４の反射率は、部分反射面１３の反射率をそれぞれ異ならせた構成も考えることができるが、複数のコーティングの設計や実装等が必要なためコストが増加する。そのため、コスト面から略等反射率を持つ部分反射面で部分反射面アレイを構成することが望ましい。
【0040】
また、部分反射面アレイ１４は反射率が高いほどユーザに投射される映像の輝度が高まるため、映像表示装置の光利用効率を高めることができる。しかし、部分反射面アレイ１４は反射率が高いほど、ユーザが導光板越しに視認する外界からの光の透過率が低下するため、シースルー性が低下する。そのため、シースルー性の観点からは部分反射面アレイ１４の反射率は少なくとも３０％以下にすることが望ましい。
【0041】
図７（ｂ）における光線２１のような部分反射面の裏面で反射する裏面反射は、光損失や輝度ムラの原因となるため、極力裏面反射率を抑えることが望ましい。導光板基板の接合には、接着剤で接合してもよいし、オプティカルコンタクトで接合してもよい。基板の接合に接着剤を使用すると導光板と接着剤の屈折率差のために、裏面反射率が高くなる。裏面反射をおさえるために、オプティカルコンタクトで接合することが効果的である。その場合、加えて接着剤で起こりうる光の散乱も抑制できるため、コントラスト向上やシースルー性も向上することが可能になる。
【0042】
また、部分反射面１３の反射率を高くすると裏面での裏面反射率も高くなり、裏面反射による光損失や輝度ムラの影響が大きくなる。そのため、裏面反射による光損失や輝度ムラの影響を考慮すると部分反射面１３の反射率は１５％以下にすることが望ましい。
【0043】
＜瞳拡大プリズム機能について＞
図８は、本実施例における瞳拡大プリズムの構成を説明する図である。図８において、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ瞳拡大プリズム９の側面図、正面図及び平面図を示している。図８において、瞳拡大プリズム９は、入射面２２と、出射面２３を有し、複数の部分反射面２４を有する。部分反射面２４は、互いに略平行である。図８では一例として４枚の部分反射面２４を備えた瞳拡大プリズム９を示しているが、部分反射面の枚数は４枚より少なくて多くても構わない。以降、部分反射面２４は、入射面２２に近い側から順に第一の部分反射面、第二の部分反射面のように称する。
図８は、本実施例における瞳拡大プリズムの構成を説明する図である。図８において、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ瞳拡大プリズム９の側面図、正面図及び平面図を示している。図８において、瞳拡大プリズム９は、入射面２２と、出射面２３を有し、複数の部分反射面２４を有する。部分反射面２４は、互いに略平行である。図８では一例として４枚の部分反射面２４を備えた瞳拡大プリズム９を示しているが、部分反射面の枚数は４枚より少なくて多くても構わない。以降、部分反射面２４は、入射面２２に近い側から順に第一の部分反射面、第二の部分反射面のように称する。
【0044】
図８において、投射光学部５が出射した映像光は、瞳拡大プリズム９に入射面２２から入射する。瞳拡大プリズム９は透明度が高い媒質で構成されており、入射面２２から入射した光は、瞳拡大プリズム９の内部を伝搬する。瞳拡大プリズム９の材質は、例えばガラスでも樹脂でもよい。また、映像が多重に表示されることを防ぐため、瞳拡大プリズム９の材質は複屈折性を有さないか少ないとよい。
【0045】
瞳拡大プリズム９に入射した映像光は、瞳拡大プリズム９の内部を伝搬し、複数の部分反射面２４によって反射され、出射面２３から出射される。投射光学部５が出射した映像光は、瞳拡大プリズム９の出射面２３、側面２５、２６、２７で全反射せずに伝播するように構成するとよい。映像光が全反射すると、映像の反転や迷光が生じる場合があり、本構成によって映像の解像度低下を防ぐことができる。
【0046】
＜瞳拡大プリズムと投射レンズ＞
図９は、本実施例における投射光学部５の一例である投射光学ユニット１０を示す図である。図９では、投射光学ユニット１０は２枚のレンズ２８Ａ、２８Ｂ、を有している例を示す。図９において、２９は投射光学ユニット１０の射出瞳を示し、３０は投射光学ユニット１０の射出瞳径を、４６は投射レンズ径を表している。なお、投射レンズ径といった場合、最も映像光複製部６に近いレンズの外径を指す。投射光学ユニット１０を出射した映像光は、映像光複製部６によって複製されて複数映像光となった後、導光板８に入射する。射出瞳２９が導光板入射面位置から大きくはなれていると、導光板入射時に射出瞳２９が欠けることになり、輝度をムラが生じる。また、映像光の導光板８へのカップリング効率が低下する。そのため、投射光学部５の射出瞳２９の位置は映像投射部よりも映像光複製部６に近い位置にある方がよく、映像光複製部６の内部にあるとなおよい。また投射光学部５の射出瞳２９の位置は導光板８の入射面１６の位置と略等しいとよい。これにより射出瞳欠けによる輝度ムラを低減し、映像光複製部６が出射した映像光の導光板８へのカップリング効率を高め、映像表示装置全体の光利用効率を高めることができる。
図９は、本実施例における投射光学部５の一例である投射光学ユニット１０を示す図である。図９では、投射光学ユニット１０は２枚のレンズ２８Ａ、２８Ｂ、を有している例を示す。図９において、２９は投射光学ユニット１０の射出瞳を示し、３０は投射光学ユニット１０の射出瞳径を、４６は投射レンズ径を表している。なお、投射レンズ径といった場合、最も映像光複製部６に近いレンズの外径を指す。投射光学ユニット１０を出射した映像光は、映像光複製部６によって複製されて複数映像光となった後、導光板８に入射する。射出瞳２９が導光板入射面位置から大きくはなれていると、導光板入射時に射出瞳２９が欠けることになり、輝度をムラが生じる。また、映像光の導光板８へのカップリング効率が低下する。そのため、投射光学部５の射出瞳２９の位置は映像投射部よりも映像光複製部６に近い位置にある方がよく、映像光複製部６の内部にあるとなおよい。また投射光学部５の射出瞳２９の位置は導光板８の入射面１６の位置と略等しいとよい。これにより射出瞳欠けによる輝度ムラを低減し、映像光複製部６が出射した映像光の導光板８へのカップリング効率を高め、映像表示装置全体の光利用効率を高めることができる。
【0047】
本実施例の別の観点では、投射光学部５の射出瞳２９の位置は、映像光複製部６の内部に位置すると、投射光学部５から出射する映像光は、射出瞳の位置で光学有効直径が最も小さくなるため、投射光学部５の射出瞳が映像光複製部６の内部に位置するように構成することで、映像光複製部６を小型化できる。
【0048】
＜瞳拡大プリズムによる均一な瞳の複製＞
次に、瞳拡大プリズムが射出瞳を複製する際、輝度ムラが生じないための構成について説明する。
次に、瞳拡大プリズムが射出瞳を複製する際、輝度ムラが生じないための構成について説明する。
【0049】
図１０は、本実施例における瞳拡大プリズム９が複製する射出瞳２９を模式的に表したものであり、投射光学ユニット１０の主光線と瞳拡大プリズム９によって複製される射出瞳２９の位置関係を表している。実際には部分反射面で２回以上反射する光路も考えられるが、図１０に示した光路が光利用効率の観点からも映像光の主成分であり、部分反射面で２回以上反射する光路は省略している。
【0050】
図１０（ａ）は一例として３枚の部分反射面２４を備える瞳拡大プリズム９を示している。図１０（ａ）に示すように、瞳拡大プリズム９が複製する複数の射出瞳２９の間隔が射出瞳径３０よりも大きい場合、瞳拡大プリズム９が複製した複数の射出瞳２９間で隙間が生じる。射出瞳２９間で隙間があると、導光板８から出射する映像光の間にも隙間があるようになり、該隙間の付近から利用者が映像を見ると、ユーザは映像の一部が顕著に暗い映像を視認することになる。
【0051】
図１０（ｂ）は一例として４枚の部分反射面２４を備える瞳拡大プリズム９を示している。なお、部分反射面の枚数は４枚よりも少なくても多くても構わない。図１０（ｂ）に示すように、瞳拡大プリズム９が複製する複数の射出瞳２９の間隔を射出瞳径３０よりも小さくすることで、複数の射出瞳２９が重なり、導光板から投射した映像に上述した映像の一部が顕著に暗い領域が無くなる。つまり、部分反射面２４の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が射出瞳径３０よりも小さいとよい。言い換えれば、投射レンズ径４６は射出瞳径３０よりも大きく、入射幅３０２は投射レンズ径４６よりも大きいので、部分反射面２４の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、投射レンズ径４６よりも小さくする必要があり、また、入射幅３０２よりも小さくする必要がある。このような構成とすることで、導光板８から出射する映像光に映像の欠けや、暗線を防ぐことができる。
【0052】
ここで、ＨＭＤに搭載される投射レンズは小型であることが望ましく、通常投射レンズ径４６は１５ｍｍ以下である。極端に小型な投射レンズは射出瞳径が小さく、射出瞳を重ねての複製が困難となる。そのため投射レンズ径４６は１ｍｍ以上であることが望ましい。よって部分反射面間隔は１ｍｍから１５ｍｍの範囲にあることが望ましい。
【0053】
次に、均一な射出瞳を出射するための瞳拡大プリズム９と投射光学ユニット１０の構成について説明する。
【0054】
図１１は、一例として第２の部分反射面２４によって反射し、出射される射出瞳２９を模式的に表したものである。図１１（ａ）に示す場合、第２の部分反射面によって反射し出射される射出瞳２９のなかで、第１の部分反射面を透過して出射される領域Ａと、第１の部分反射面を透過せずにそのまま出射される領域Ｂに分かれる。部分反射面２４は所定の透過率を持つため、部分反射面２４をより多く通過する領域Ａは領域Ｂよりも暗くなり、領域Ａと領域Ｂで輝度差が生じ、射出瞳２９のなかの点線を境に射出瞳分布に輝度ムラ生じ、導光板で投射する映像に輝度ムラが生じる。
【0055】
よって、均一な射出瞳を出射するためには第Ｎの部分反射面で反射した光はすべて第Ｎ－１の部分反射面を透過するように部分反射面をオーバーラップさせる必要がある。（Ｎは２以上の整数）。そこで、図１１（ｂ）のＥに示すように、投射光学ユニット１０の中心軸を、瞳拡大プリズム９の中心軸Ｄに対して、瞳拡大プリズム９の出射方向とは逆方向に偏心させて配置することで、第２の部分反射面によって反射し出射される射出瞳はすべて第１の部分反射面を透過させることができる。このような構成とすることで射出瞳２９を輝度ムラなく出射させることができる。同様に第３の部分反射面によって反射し出射される射出瞳はすべて第２の部分反射面を透過し、第４の部分反射面によって反射し出射される射出瞳はすべて第３の部分反射面を透過する。そのため瞳拡大プリズム９は均一に射出瞳を出射することができる。
【0056】
以上のように瞳拡大プリズム９の部分反射面２４および投射光学ユニット１０を構成することで、均一に射出瞳を複製でき、導光板が投射する映像光に輝度ムラがなく広いアイボックスを実現できる。
【0057】
＜瞳拡大プリズムの反射率＞
瞳拡大プリズム９に入射した映像光は、瞳拡大プリズム９の内部を伝搬する間に、複数の部分反射面２４で反射または透過するごとに強度が減衰する。そこで、部分反射面の反射率を入射面側から離れていくに従って次第に大きくすることによって、瞳拡大プリズム９が出力する映像光の強度密度を略一定にでき、利用者が視認する映像の輝度ムラを低減できる。特に瞳拡大プリズム９の部分反射面２４のうちで最上部に配置された（最も入射面から離れた部分反射面）部分反射面２４はアルミニウムや銀によるミラーコートが望ましい。このような構成とすることで瞳拡大プリズム９に入射した映像光の略すべてを出射し利用することができる。
瞳拡大プリズム９に入射した映像光は、瞳拡大プリズム９の内部を伝搬する間に、複数の部分反射面２４で反射または透過するごとに強度が減衰する。そこで、部分反射面の反射率を入射面側から離れていくに従って次第に大きくすることによって、瞳拡大プリズム９が出力する映像光の強度密度を略一定にでき、利用者が視認する映像の輝度ムラを低減できる。特に瞳拡大プリズム９の部分反射面２４のうちで最上部に配置された（最も入射面から離れた部分反射面）部分反射面２４はアルミニウムや銀によるミラーコートが望ましい。このような構成とすることで瞳拡大プリズム９に入射した映像光の略すべてを出射し利用することができる。
【0058】
また、瞳拡大プリズム９の部分反射面２４において、所定の反射率を得るために、部分反射面２４はアルミニウムや銀による金属膜コートを有してもよい。これにより、金属膜は反射率や透過率の偏光依存性が少ないため、映像表示装置１は投射光学部５が出力する映像光の偏光によらず、均一な輝度の映像を表示できる。なお、同様に、導光板８の部分反射面１３において、所定の反射率を得るために、部分反射面アレイ１４はアルミニウムや銀による金属膜コートを有してもよい。
【0059】
本実施例における別の観点では、導光板８の部分反射面アレイ１４及び瞳拡大プリズム９の部分反射面２４において所定の反射率を得るために、誘電体多層膜のコートを有してもよい。誘電体多層膜コートの反射率及び透過率特性は、入射する偏光に依存し、通常Ｓ偏光の反射率はＰ偏光の反射率より高くなる。本実施例において、瞳拡大プリズム９が有する部分反射面２４の法線ベクトルはｘｙ平面内に位置し、導光板８が有する部分反射面アレイ１４の法線ベクトルはｘｚ平面内に位置するように、瞳拡大プリズム９及び導光板８を配置する構成としている。そのため、瞳拡大プリズム９の部分反射面２４に対してＳ偏光として入射した映像光は、導光板８の部分反射面アレイ１４に対して略Ｐ偏光として入射する。また、瞳拡大プリズム９の部分反射面２４に対してＰ偏光として入射した映像光は、導光板８の部分反射面アレイ１４に対して略Ｓ偏光として入射する。
【0060】
このため、本実施例の映像光複製部６及び導光板８は以下のように構成してもよい。すなわち、映像光複製部６は、偏光板及び波長板の一方又は両方と、瞳拡大プリズム９とを有する。導光板８の部分反射面アレイ１４及び瞳拡大プリズム９の部分反射面２４において所定の反射率を得るために、部分反射面アレイ１４及び部分反射面２４は誘電体多層膜のコートを有する。投射光学部５が出射した映像光は偏光板及び波長板のいずれか又は両方を通過し、瞳拡大プリズム９に入射する。瞳拡大プリズム９に入射する光の偏光は、部分反射面２４に対してＳ偏光及びＰ偏光以外の偏光（例えば、＋４５度偏光、－４５度偏光、右回り偏光、左回り偏光など）である。
【0061】
Ｓ偏光及びＰ偏光の反射率をＲＳ及びＲＰとする。一例として、４枚の部分反射面２４を備えた瞳拡大プリズムの場合に均一に射出瞳を複製するための部分反射面２４の反射率の一例を示すと、例えば第１の部分反射面においてＲＳ＝３０～５０％及びＲＰ＝５～１５％、第２の部分反射面においてＲＳ＝４５～６０％及びＲＰ＝１５～２５％、第３の部分反射面においてＲＳ＝７５～８５％及びＲＰ＝３０～４０％、第４の部分反射面においてＲＳ、ＲＰは９０％以上である。これにより、部分反射面２４で反射して導光板８から出射する映像光の光束量が互いに略等しくなり、利用者が視認する映像の輝度を略均一にできる。
【0062】
以上のように複数の部分反射面２４の反射率を調節することで均一に射出瞳を複製できる。また、瞳拡大プリズム９に入射した映像光の略すべてが導光部に向かって出射し利用でき、高い光利用効率で射出瞳を複製し広いアイボックスを実現できる。
【0063】
また、部分反射面の接合を接着材でなくオプティカルコンタクトで接合しても良い。オプティカルコンタクトで接合することにより、接着剤で起こりうる光の散乱を抑制できるため、コントラスト向上やシースルー性も向上することが可能になる。
【0064】
＜瞳拡大プリズムと導光板の結合手法および映像歪み補正＞
次に、瞳拡大プリズム９と導光板８の結合方法について説明する。まず前提として、導光板８への入射光と映像歪みの関係について説明する。図１２は、本実施例における導光板への入射光と映像歪みの関係を説明する図である。図１２においては、簡略化のため瞳拡大プリズム９及びその光路は省略している。図１２（ａ）は画角中心の主光線が導光板８の入射面１６から入射し、部分反射面１３で反射し、導光板８の正面から出射されるまでの光路を示している。図１２（ａ）に示すように導光板の頂角１８の角度αが部分反射面角度θの２倍の２θでないと、入射面１６で画角中心の主光線が屈折するため、映像の歪みが発生する。そのため図１２（ｂ）のように導光板の頂角１８を２θとすることで、画角中心の主光線が屈折せず、導光板から出射されるため映像歪みを無くすことができる。
次に、瞳拡大プリズム９と導光板８の結合方法について説明する。まず前提として、導光板８への入射光と映像歪みの関係について説明する。図１２は、本実施例における導光板への入射光と映像歪みの関係を説明する図である。図１２においては、簡略化のため瞳拡大プリズム９及びその光路は省略している。図１２（ａ）は画角中心の主光線が導光板８の入射面１６から入射し、部分反射面１３で反射し、導光板８の正面から出射されるまでの光路を示している。図１２（ａ）に示すように導光板の頂角１８の角度αが部分反射面角度θの２倍の２θでないと、入射面１６で画角中心の主光線が屈折するため、映像の歪みが発生する。そのため図１２（ｂ）のように導光板の頂角１８を２θとすることで、画角中心の主光線が屈折せず、導光板から出射されるため映像歪みを無くすことができる。
【0065】
また、図１２（ｃ）のように映像歪みを補正する三角プリズム３２を配置させてもよい。映像光は、三角プリズム入射面５５に対して垂直に入射し、三角プリズム出射面５４で映像光を所定の角度γだけ屈折させて出射させることで、導光板の入射面１６での屈折による映像歪みを補正する。角度γは、導光板の頂角１８の角度α、部分反射面角度θのとき、導光板の屈折率をｎとして、ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ（２θ－α））とすれば映像歪みを補正できる。角度ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ（２θ－α））で屈折して映像光を出射させるには、三角プリズム３２を導光板８と同一の媒質であるか、または屈折率が略等しい媒質から形成し、頂角３１の角度βがβ＝２θ－αを満たす三角プリズム３２とすればよい。
【0066】
図１２（ｃ）の構成では図１２（ｂ）の構成よりも導光板の入射面１６が広くなるので、導光板に入射する光量を増加させることができ、映像表示装置全体の光利用効率を向上することができる。基板から切断して導光板を製造する場合、頂角１８角度αがθと略等しい形状は、入射面をカットする工程が減るので、製造面で有利である。そのため製造面の観点からα＝β＝θとすることが望ましい。
【0067】
次に、瞳拡大プリズム９を配置する場合、図１３（ａ）のように瞳拡大プリズム９の出射後に三角プリズム３２を配置すればよい。前述したように、角度ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ（２θ－α））で屈折して映像光を出射させるために三角プリズム３２は導光板８と同一の媒質であるか、または屈折率が略等しい媒質から形成し、頂角３１の角度βをβ＝２θ－αとすればよい。
【0068】
また、図１３（ｂ）に示すように、三角プリズム３２でなく、瞳拡大プリズム９に映像歪み補正の機能をもたせることもできる。すなわち、映像光を、瞳拡大プリズム９の出射面２３で所定の角度γだけ屈折させて出射させることで、導光板の入射面１６での屈折による映像歪みを補正する。角度γは、導光板の頂角１８の角度α、部分反射面角度θのとき、導光板の屈折率をｎとして、ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ（２θ－α））とすれば映像歪みを補正できる。角度ａｒｃｓｉｎ（ｎｓｉｎ（２θ－α））で屈折して映像光を出射させるための、瞳拡大プリズム９の一例を述べると、瞳拡大プリズム９を導光板と同一の媒質であるか、または屈折率が略等しい媒質から形成し、瞳拡大プリズム角度３３の角度δを鈍角として、δ＝２θ＋９０度を満たせばよい。
【0069】
図１３（ｃ）は図１３（ａ）の点線Ｆでの断面図を示し、図１３（ｄ）は図１３（ｂ）の点線Ｇでの断面図を示している。図１３（ｄ）と図１３（ｃ）を比較してわかるように、瞳拡大プリズム９に映像歪み補正の機能をもたせることで部分反射面が長くなり、前述したオーバーラップし、均一な射出瞳を出射するという観点から効果的である。また瞳拡大プリズム９に映像歪み補正の機能をもたせることで、映像表示装置１の部品点数を減らすことができ、コストの低減、質量の低減、サイズの低減を行うことが可能となる。
【0070】
【0071】
＜瞳拡大プリズムの迷光＞
図１５は、本実施例における瞳拡大プリズムに入射する映像光の光路を説明する図である。すなわち、投射光学ユニット１０から出射して瞳拡大プリズム９に入射し、瞳拡大プリズム９の内部を伝搬する映像光の光線の一例を示す図である。
図１５は、本実施例における瞳拡大プリズムに入射する映像光の光路を説明する図である。すなわち、投射光学ユニット１０から出射して瞳拡大プリズム９に入射し、瞳拡大プリズム９の内部を伝搬する映像光の光線の一例を示す図である。
【0072】
図１５において、映像が歪まないためには光線５６で示した画角中心の主光線が瞳拡大プリズムの入射面２２および出射面２３に垂直に入射する必要がある。瞳拡大プリズムの入射面と出射面がなす角５７が直角の場合、部分反射面２４の出射面２３と直行する面からの角度Ψは４５度とすればよい。
【0073】
光線３４は、図１５（ａ）において投射光学ユニット１０から出射する光線の角度が最も右向きとなる光線である。光線３４のような角度で入射した光は光線３５のように出射面２３または側面３７で全反射して光線３６のように出射されると反転した映像がユーザに投射されることとなる。
【0074】
これを防ぐために図１５（ｂ）のように投射光学ユニット１０を傾けて瞳拡大プリズム９に入射させることが有効である。このとき投射光学部を傾けた角度Φだけ瞳拡大プリズム９の瞳拡大プリズムの入射面と出射面がなす角５７を傾斜させ、部分反射面の角度Ψを４５度より大きくΨ＝４５度＋Φ÷２とすることで、全反射して光線３６のように出射される光が無くすことができる。加えて画角中心の主光線は瞳拡大プリズムの入射面２２および出射面２３に垂直に入射するので映像の歪みも生じない。上記のように全反射迷光を無くすためには角度瞳拡大プリズム９の屈折率をｎ、垂直方向の画角をＦＯＶ＿Ｖとしたとき、必要な傾き角度Φはａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｖ÷２）÷ｎ）以上必要である。
【0075】
また、瞳拡大プリズム９の側面２５、２６、２７、３７は砂すり及び黒塗りのいずれか又は両方の処理が施されていることが好ましい。これにより側面２５、２６、２７、３７に入射した光に起因する反転画像の迷光の発生を防止できる。
【0076】
＜瞳拡大プリズムのカット＞
次に、小型化の観点から瞳拡大プリズム９の外形について説明する。図１６は瞳拡大プリズム９を上側から見た図であり、光束径３８は投射光学部から出射される映像光のうち最も光束が大きくなる径を示している。図１６（ａ）で示した瞳拡大プリズム９において光束径３８が無い領域をカットすることができる。一例を図１６（ｂ）、（ｃ）に示した。図１６（ｂ）は側面３７が側面２５と平行になるようにカットした瞳拡大プリズム９である。図１６（ｃ）は光束径３８が削れないように小型化のため図１６（ｂ）をさらにカットした瞳拡大プリズム９である。図１６（ｂ）、（ｃ）は図１６（ａ）と比較して小型であるが、外形を成す辺が１個増加しており、図１６（ａ）の瞳拡大プリズム９と比較して、カットのための工程が加わる。また、図１６（ｂ）と（ｃ）を比較すると、側面３７が側面２５と平行である図１６（ｂ）の瞳拡大プリズム９の方がカットのための治具が減るため、安価に製造可能である。以上、光束径３８が削れないような一例を示したが、小型化に重点をおいて、光束径３８を削るようなカットをしてもよい。
次に、小型化の観点から瞳拡大プリズム９の外形について説明する。図１６は瞳拡大プリズム９を上側から見た図であり、光束径３８は投射光学部から出射される映像光のうち最も光束が大きくなる径を示している。図１６（ａ）で示した瞳拡大プリズム９において光束径３８が無い領域をカットすることができる。一例を図１６（ｂ）、（ｃ）に示した。図１６（ｂ）は側面３７が側面２５と平行になるようにカットした瞳拡大プリズム９である。図１６（ｃ）は光束径３８が削れないように小型化のため図１６（ｂ）をさらにカットした瞳拡大プリズム９である。図１６（ｂ）、（ｃ）は図１６（ａ）と比較して小型であるが、外形を成す辺が１個増加しており、図１６（ａ）の瞳拡大プリズム９と比較して、カットのための工程が加わる。また、図１６（ｂ）と（ｃ）を比較すると、側面３７が側面２５と平行である図１６（ｂ）の瞳拡大プリズム９の方がカットのための治具が減るため、安価に製造可能である。以上、光束径３８が削れないような一例を示したが、小型化に重点をおいて、光束径３８を削るようなカットをしてもよい。
【0077】
以上のように、本実施例によれば、アイボックスが広く、高い光利用効率で輝度ムラを低減し均一な映像を表示可能な映像表示装置及びそれを用いたＨＭＤを提供できる。
【実施例2】
【0078】
図１７は、本実施例における映像表示装置の構成図である。図１７において、（ａ）は、導光板８の正面側から見た図を示し、（ｂ）は、導光板８の上側から見た図を示す。図１７において、図４と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図１７において、図４と異なる点は、瞳拡大プリズム９に替えて瞳拡大プリズム３９を有し、映像生成部４および投射光学ユニット１０を瞳拡大プリズム３９の紙面横方向に配置した点である。
【0079】
【0080】
図１８において、瞳拡大プリズム３９は、入射面４１と、出射面２３を有し、複数の部分反射面２４と映像光を結合するための反射面４０を有する。本実施例の瞳拡大プリズム３９は射出瞳複製のための部分反射面２４に加えて、投射光学部からの映像光を結合するための反射面４０を備える点が図４とは異なる。
【0081】
複数の部分反射面２４と結合するための反射面４０は互いに略平行である。図１８では一例として４枚の部分反射面２４を備えた瞳拡大プリズム３９を示しているが、部分反射面の枚数は４枚よりも少なくても多くてもなんら構わない。
【0082】
投射光学部である投射光学ユニット１０から出射した映像光は、瞳拡大プリズム３９に入射面４１から入射し、結合のための反射面４０で反射して複数の部分反射面２４で反射または透過し、出射される。
【0083】
図１９は、本実施例における瞳拡大プリズムが複製する射出瞳を説明する図である。すなわち、投射光学ユニット１０の主光線と瞳拡大プリズム３９によって複製される射出瞳２９の位置関係を模式的に表している。実際には部分反射面２４で２回以上反射する光路も考えられるが、図１９に示した光路が光利用効率の観点からも映像光の主成分であり、２回以上反射する光路は省略している。
【0084】
図１９は一例として４枚の部分反射面２４を備える瞳拡大プリズム３９を示している。部分反射面の枚数は４枚よりも少なくても多くてもなんら構わない。実施例１で述べたように、映像の欠けや、暗線が生じることなく、射出瞳を複製するためには複製された複数の射出瞳２９が重なる必要がある。つまり、部分反射面２４の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を射出瞳径よりも小さくするとよい。言い換えれば、部分反射面２４の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を投射レンズ径４６よりも小さくするとよい。このような構成とすることで、瞳拡大プリズム３９は映像の欠けや、暗線が生じることなく、射出瞳を複製することができる。
【0085】
次に、均一な射出瞳を出射するための瞳拡大プリズム３９と投射光学ユニット１０の構成について説明する。
【0086】
均一な射出瞳を出射するためには第Ｎの部分反射面２４で反射した光はすべて第Ｎ－１の部分反射面２４を透過するように部分反射面２４をオーバーラップさせる必要がある。（Ｎは２以上の整数）。また、図１９に示すように、投射光学ユニット１０の中心軸を通る光が反射面４０で反射した光軸Ｈを、瞳拡大プリズム３９の中心軸Ｄに対して、瞳拡大プリズム３９の出射方向とは逆方向にＥで示すように偏心させて配置することで、第Ｎの部分反射面２４によって反射し出射される射出瞳はすべて第Ｎ－１の部分反射面２４を透過させることができる。このような構成とすることで射出瞳２９を輝度ムラなく出射させることができる。
【0087】
また、実施例１で述べたように、瞳拡大プリズムの側面や出射面での全反射による映像反転を防ぐために、部分反射面２４および反射面４０の角度Ψは４５度より大きくΨ＝４５度＋Φ÷２とすればよい。上記のように全反射迷光を無くすためには瞳拡大プリズム３９の屈折率をｎ、垂直方向の画角をＦＯＶ＿Ｖとしたとき、必要な傾き角度Φはａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ＦＯＶ＿Ｖ÷２）÷ｎ）以上必要である。
【0088】
このように、本実施例によれば、映像光を結合するための反射面４０を瞳拡大プリズム３９の内部に設けているため、映像生成部４および投射光学ユニット１０を瞳拡大プリズム３９の横方向に配置することができ、映像表示装置１のデザインの自由度を高くできる。
【実施例3】
【0089】
図２０は、本実施例における映像表示装置の構成図である。図２０において、（ａ）は、導光板８の正面側から見た図を示し、（ｂ）は、導光板８の上側から見た図を示す。図２０において、図４と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図２０において、図４と異なる点は、瞳拡大プリズム９に替えて瞳拡大プリズム４２を有し、映像生成部４および投射光学ユニット１０を瞳拡大プリズム４２の紙面横方向に配置した点である。図２１（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、それぞれ、本実施例における瞳拡大プリズム４２の側面図、正面図及び平面図である。
【0090】
図２１において、瞳拡大プリズ４２は、入射面４３と、出射面２３を有し、少なくとも２以上の略平行な部分反射面４４と、少なくとも２以上の略平行な部分反射面４５とを有する。部分反射面４４と部分反射面４５とは平行ではなく、部分反射面４４と部分反射面４５がなす角は、略９０度でもよいし、９０度以外でもよい。
【0091】
投射光学部である投射光学ユニット１０から出射した映像光は、瞳拡大プリズム４２に入射面４３から入射する。瞳拡大プリズム４２に入射した映像光は、部分反射面４４または部分反射面４５で反射または透過することで投射光学部の射出瞳を複製し、瞳拡大プリズム４２の出射面２３から出射する。
【0092】
本実施例によれば、部分反射面４４と部分反射面４５によって射出瞳を上下方向に複製し、出射するので、投射光学部である投射光学ユニット１０を導光板８の中央部に配置することができる。そのため映像表示装置のデザインの自由度を高くできる。加えて実施例１と実施例２の瞳拡大プリズムと比較をして入射面４３から出射面２３までの距離が短くなっており、投射光学部の射出瞳を導光板入射面に近づけやすい構成となっている。そのため導光板のカップリング効率を向上させ、導光板入射時の射出瞳の欠けを低減させることができる。
【実施例4】
【0093】
図２２は、本実施例における映像表示装置の構成図である。図２２において、（ａ）は、導光板８の正面側から見た図を示し、（ｂ）は、導光板８の上側から見た図を示す。図２２において、図４と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。図２２において、図４と異なる点は、瞳拡大プリズム９に替えて映像光複製部４７を有し、映像光複製部４７は複数の回折領域４８，４９を有する点である。
【0094】
図２２において、投射光学部である投射光学ユニット１０から出射した映像光は回折領域４８に入射すると映像光は回折し、映像光複製部４７の内部に取り込まれ、映像光複製部４７の内部を全反射により図の垂直方向に伝搬する。全反射導光する過程で映像光は回折領域４９に到達するごとに一部の光が回折し、映像光が複製され、映像光複製部４７から出射する。
【0095】
図２２では一例として映像光複製部４７により垂直方向に射出瞳が４個複製されている場合を示している。実施例１で述べたように、映像の欠けや、暗線が生じることなく、射出瞳を複製するためには複製された複数の射出瞳が重なる必要がある。つまり図２２に示した複製間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を射出瞳径よりも小さくするとよく、投射レンズ径４６よりも小さくする必要がある。このような構成とすることで、映像光複製部４７は映像の欠けや、暗線が生じることなく、射出瞳を複製することができる。
【0096】
また、図２３に示すように導光板５１に複数の回折領域５２、５３を備えてもよく、導光板５１が映像光複製部４７を備える構成としてもよい。この場合、回折領域を構成する回折格子は例えば反射型の体積ホログラムや透過型の体積ホログラムにより実現できる。同様に、像の欠けや、暗線が生じることなく、射出瞳を複製するためには射出瞳が重なる必要があり、複製間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を射出瞳径よりも小さくするとよく、投射レンズ径４６よりも小さくする必要がある。このような構成とすることで、映像光複製部４７は映像の欠けや、暗線が生じることなく、射出瞳を複製することができる。
【0097】
本実施例によれば、内部の部分反射面により射出瞳を複製する瞳拡大プリズム９と比較して、回折格子あるいは反射型の体積ホログラムや透過型の体積ホログラムを用いることで映像複製部を小型にすることができる。
【0098】
以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0099】
１：映像表示装置、２：ユーザ、４：映像生成部、５：投射光学部、６：映像光複製部、７：導光部、８、５１：導光板、９、３９、４２：瞳拡大プリズム、１０：投射光学ユニット、１１：第１の内部反射面、１２：第２の内部反射面、１３：部分反射面、１４：部分反射面アレイ、１６、２２、４１、４３：入射面、１８、３１：頂角、２３：出射面、２４、４４、４５：部分反射面、２５、２６、２７：側面、２８：レンズ、２９：射出瞳、３０：射出瞳径、３２：三角プリズム、３３：瞳拡大プリズム角度、３８：光束径、４０：反射面、４４、４５：部分反射面、４６：投射レンズ径、４７：映像光複製部、４８、４９、５２、５３：回折領域、５４：三角プリズム出射面、５５：三角プリズム入射面、５７：瞳拡大プリズムの入射面と出射面がなす角、１０１：ＨＭＤ
【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】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】