導光板及びこれを備える虚像表示装置
【課題】光の利用効率を高めた虚像表示装置用の導光板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】画像取出部２３から光射出面ＯＳまでの距離が反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関して光路上流側よりも光路下流側で短いので、反射ユニット２３ｃに入射することなく画像取出部２３と光射出面ＯＳとの間を通過するように伝搬するため外部に取り出すことができなくなってしまう画像光を減少させることができる。つまり、導光板２０内での全反射角が大きな画像光を画像取出部２３に確実に入射させ光射出面ＯＳから効率的に取り出すことができるので、結像に際しての光利用効率を高めることができる。これにより、明るく高性能の虚像表示装置１００を提供することができる。
【解決手段】画像取出部２３から光射出面ＯＳまでの距離が反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関して光路上流側よりも光路下流側で短いので、反射ユニット２３ｃに入射することなく画像取出部２３と光射出面ＯＳとの間を通過するように伝搬するため外部に取り出すことができなくなってしまう画像光を減少させることができる。つまり、導光板２０内での全反射角が大きな画像光を画像取出部２３に確実に入射させ光射出面ＯＳから効率的に取り出すことができるので、結像に際しての光利用効率を高めることができる。これにより、明るく高性能の虚像表示装置１００を提供することができる。
【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板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。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１，２参照）。導光板に設ける複数の部分反射面は、例えば断面鋸歯状の部分に反射層を形成したものとできる（特許文献２の図５等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように断面鋸歯状の部分に反射層を形成した導光板では、導光板内での全反射角がある程度以上大きな光束が反射層に入射することなくこれを通過する場合があるため、結像に利用されない光束が生じ、光の利用効率が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、光の利用効率を高めた虚像表示装置用の導光板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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る導光板は、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、所定の配列方向に配列され、第１の反射面と第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とを有して成る複数の反射ユニットで構成され、当該反射ユニットにおいて、導光部にて導かれた画像光を第１の反射面により反射するとともに第２の反射面により第１の反射面で反射された画像光をさらに反射する光路の折り曲げによって、画像光を外部へ取出し可能にする画像取出部と、画像取出部を経た画像光を外部に射出する光射出面を有する光射出部とを備える導光板であって、画像取出部の反射ユニットの第１及び第２の反射面と光射出面との間隔は、光入射部側で相対的に広い。ここで、全反射とは、全ての光が内面で反射されて伝達される場合のみでなく、全反射条件が満たされる面上にミラーコートや、半透過のアルミ膜によるハーフミラー膜等を施して反射する場合等も含まれるものとする。
【０００７】
上記導光板において、画像取出部を構成する反射ユニットの第１及び第２の反射面から光射出面までの距離が上記所定の配列方向に関して光入射部側で相対的に広いので、反射ユニットの第１及び第２の反射面から光射出面までの距離が反光入射部側で相対的に狭くなり、画像取出部を構成する反射ユニットに入射することなく画像取出部と光射出面との間を通過するように伝搬するため外部に取り出すことができなくなってしまう画像光を減少させることができる。つまり、導光板内での全反射角が大きな画像光をより多く画像取出部に入射させ光射出部から効率的に取り出すことができるので、結像に際しての光利用効率を高めることができる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、画像取出部のうち少なくとも１つ以上の反射ユニットの第１及び第２の反射面は、上記少なくとも１つ以上の反射ユニットよりも光入射部側に配置される他の反射ユニットの第１及び第２の反射面に比較して、画像光を多く光射出部側に反射するように、光射出面に近い位置に配置されている。言い換えれば、画像光の光路の通過幅又は導光幅が、反光入射部側に配置される上記少なくとも１つ以上の反射ユニット側で相対的に狭くなっている。この場合、反光入射部側にあって光射出面に近い位置に配置される反射ユニットによって、導光板内での全反射角が大きな画像光を光射出面に向けて折り曲げることができ、導光板に導かれた画像光を効率的に回収して結像に利用することができる。なお、反射ユニットから光射出面までの距離を短くすることで、反光入射部側の反射ユニットに入射した画像光を目のある方向に集中させる効果を高めることができる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち最も反光入射部側に配置される反射ユニットの第１及び第２の反射面は、画像取出部のうち最も光入射部側に配置される反射ユニットの第１及び第２の反射面よりも光射出面に近い位置に配置されている。この場合、最も反光入射部側に配置される反射ユニットによって、導光板内での全反射角が大きな画像光を光射出面延いては目に向けて折り曲げることができ、導光板に導かれた画像光を効率的に回収して結像に利用することができる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち所定の配列方向に関する反光入射部側の部分領域において、反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、反光入射部側に位置するほど光射出面に近い位置に配置されている。この場合、画像取出部を構成する各反射ユニットの前記第１及び第２の反射面に画像光を確実に入射させることができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち部分領域よりも光入射部側の基本領域において、反射ユニットの第１及び第２の反射面は、光射出面との間隔を一定に保つように配置されている。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、部分領域における反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に対して平行な状態から所定の傾斜方向に関して所定角度だけ傾斜している傾斜平面に沿って配置されている。この場合、傾斜平面に沿って配置されている反射ユニットに入射した画像光は、比較的一様な状態で光射出部に向けられて回収され結像に利用される。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、部分領域における反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に対して平行な状態から所定の傾斜方向に関して傾斜するとともに傾斜角が変化している曲面に沿って配置されている。この場合、曲面に沿って配置されている反射ユニットの第１及び第２の反射面に入射した画像光は、乱れの少ない状態で光射出部に向けられて回収され結像に利用される。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、部分領域における反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に対する傾斜角が所定の配列方向に関する反光入射部側で大きくなる曲面に沿って配置されている。この場合、曲面に沿って配置された各反射ユニットの第１及び第２の反射面に画像光を確実に入射させることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち反光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの第１及び第２の反射面は、光射出面に近接して配置されている。この場合、導光板に導かれた画像光を有効に活用することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に近接して配置されている。この場合、導光板に導かれた画像光を有効に活用することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、各反射ユニットにおいて、第１の反射面は、第２の反射面よりも反光入射部側に隣接して位置し、導光部の第１の全反射面に対して略直交する方向に延びる。この場合、各反射ユニットへの入射光を無駄なく反射して光射出部の先に位置する眼球に確実に導くことができる。
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）上記いずれかに記載の導光板と、（ｂ）導光板に導かれる画像光を形成する画像形成装置とを備える。この場合、上記いずれかに記載の導光板を用いることで、虚像表示装置は、輝度ムラを防止しつつ高い光利用効率で虚像光を射出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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）及び（Ｃ）は、実施形態に係る導光板の正面図及び平面図である。
【図２】導光板内の画像取出部の配置を説明する断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、画像取出部における画像光の光路について説明するための模式的な図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、画像取出部の設けた基本領域及び部分領域における光利用効率を比較する図である。
【図５】（Ａ）、（Ｃ）は、第１実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図であり、（Ｂ）、（Ｄ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、導光板の変形例を説明する断面図である。
【図７】第２実施形態に係る虚像表示装置の要部を説明する断面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｃ）は、第２実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図であり、（Ｂ）、（Ｄ）は、第１実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置用の導光板及び導光板を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
【００２１】
〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置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、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００２２】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光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。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼およ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。
【００２３】
画像形成装置１０は、画像表示素子である液晶デバイス１１と、光束形成用のコリメートレンズ１２とを備える。液晶デバイス１１は、背後に設けた光源（不図示）からの照明光を空間的に変調して、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。コリメートレンズ１２は、液晶デバイス１１上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にする。なお、コリメートレンズ１２のレンズ材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。
【００２４】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。
【００２５】
導光板２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端において導光板本体部２０ａに組み込まれた多数の微小ミラーによって構成される画像取出部２３を有し、長手方向の他端において導光板本体部２０ａを拡張するように形成されたプリズム部ＰＳに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００２６】
導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させるための光射出部として光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、その一端に設けたプリズム部ＰＳの側面として光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜した反射面である入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａの裏面側において、光射出面ＯＳに沿って対向するように、微細構造である画像取出部２３が形成されている。
【００２７】
導光板本体部２０ａの光入射面ＩＳに対向し傾斜して配置されるミラー層２１ａとしての入射光折曲部２１は、導光板本体部２０ａの上記斜面ＲＳ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｘ方向に向かう画像光を、全体として−Ｘ方向に多少偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。
【００２８】
また、導光板本体部２０ａは、入口側（すなわち光入射部側）の入射光折曲部２１から奥側（すなわち反光入射部側）の画像取出部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を画像取出部２３に導くための導光部２２を有している。
【００２９】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面に相当し互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射光折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板２０の反光入射部側すなわち画像取出部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。ここで、導光板本体部２０ａに用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、例えば１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。
【００３０】
導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される画像取出部２３は、ＹＺ面に略沿って２次元的な広がりを有するが、画像取出部２３から光射出面ＯＳまでの距離は、後に詳述するように一様でなく光入射部側よりも反光入射部側で短くなっている。画像取出部２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、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、画像取出部２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。つまり、導光板本体部２０ａに導かれた画像光は、画像取出部２３に１回だけ入射することで適当な方向に折り曲げられて光射出面ＯＳを通過する。
【００３１】
図２に示すように、画像取出部２３は、ストライプ状に配列された多数の細い線状の反射ユニット２３ｃで構成される。より具体的には、画像取出部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチで導光部２２の延びる方向すなわちＺ方向に略沿って周期的に多数配列させることで構成されている。つまり、Ｚ方向は、反射ユニット２３ｃの配列方向となっている。
【００３２】
画像取出部２３は、完全に一様ではなく、光入射部側に配置される基本領域Ａ１と、反光入射部側に配置される部分領域Ａ２とに分かれている。基本領域Ａ１は、平坦な層状の部分であり、第１の全反射面２２ａの延長平面に近接して平行に延びる。また、部分領域Ａ２は、平坦な層状の部分であり、第１の全反射面２２ａの延長平面から反光入射部側で離間するように傾斜する傾斜平面ＴＰに沿って延びる。つまり、基本領域Ａ１では、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃから光射出面ＯＳまでの距離が、光軸ＯＡの延びるＺ方向の位置に関わらず同一に保たれている。一方、部分領域Ａ２では、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃから光射出面ＯＳまでの距離が、光入射部側すなわち−Ｚ側の端部Ａ２１から反光入射部側すなわち＋Ｚ側の端部Ａ２２に向かって漸次大きくなっている。結果的に、画像取出部２３のうち最も反光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃは、最も光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃよりも光射出面ＯＳに近い位置に配置されている。見方を変えれば、最も反光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃと光射出面ＯＳとの間隔は相対的に狭く、最も光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃ光射出面ＯＳとの間隔は相対的に広い。ここで、画像取出部２３のうち最も光路下流又は上流側の反射ユニット２３ｃとは、画像取出部２３の有効領域で考えるものとする。つまり、画像取出部２３の最も＋Ｚ側の反射ユニット２３ｃよりも何個か−Ｚ側に設けた反射ユニット２３ｃが有効領域内で最も反光入射部側にあるとされる場合もある。以上のように、部分領域Ａ２を設けて最も反光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃが光射出面ＯＳに対して比較的近い位置に配置されている場合、後に詳述するが、画像取出部２３で折り曲げられないでその周辺部２３ｈよりも反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。
【００３３】
なお、部分領域Ａ２のＺ方向の幅ＳＷ２は、図示の例において画像取出部２３のＺ方向の全幅ＳＷ０の半分以下になっているが、全幅ＳＷ０又はこれに近い値とすることもできる。この場合、基本領域Ａ１が実質的に存在しない状態となる。また、部分領域Ａ２を配置する傾斜平面ＴＰのＺ方向に関する傾斜角をεとした場合、部分領域Ａ２の奥行きＤ２は、Ｄ２＝ＳＷ２×ｔａｎεとなり、導光板本体部２０ａのＸ方向の厚みをＤ０とした場合に、ＳＷ２×ｔａｎε＜Ｄ０の関係が成り立つ。
【００３４】
〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。図１（Ａ）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画像光のうち図中点線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ１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側）から射出される成分を画像光ＧＬ２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側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。
【００３５】
コリメートレンズ１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面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、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶デバイス１１の射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角θ０で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角θ０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、画像取出部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳを含むＹＺ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。液晶デバイス１１の射出面１１ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角θ＋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、画像取出部２３のうち最も反光入射部側（＋Ｚ側）の周辺部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。この際の射出方向は、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。液晶デバイス１１の射出面１１ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角θ−で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、画像取出部２３のうち最も光入射部側（−Ｚ側）の周辺部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。この際の射出方向は、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。
【００３６】
なお、第１及び第２の全反射面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、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、このような反射回数の差によって輝度低下が生じることは殆どない。また、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光ＧＬ１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。
【００３７】
〔Ｃ．画像取出部の構造及び画像取出部による光路の折曲げ〕
以下、図３（Ａ）等を参照して、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
【００３８】
画像取出部２３は、光入射部側の基本領域Ａ１と反光入射部側の部分領域Ａ２との双方において、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴでＺ方向に周期的に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２３ｃは、奥側すなわち反光入射部側に配置される第１の反射面２３ａと、入口側すなわち光入射部側に配置される第２の反射面２３ｂとを有する。ここで、少なくとも第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。より具体的には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、互いに鋭角をなし、全体としての反射ユニット２３ｃと同様に、第１の全反射面２２ａに平行で全体的光路に沿ったＺ方向に対して垂直に延びるＹ方向を長手方向として、細長い線状に延びている。
【００３９】
なお、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．３ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、画像取出部２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。
【００４０】
以下、反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ及び第２の反射面２３ｂの傾斜について詳しく説明する。
【００４１】
まず、光入射部側の基本領域Ａ１において、各反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びている。また、同反射ユニット２３ｃにおいて、第１の反射面２３ａに隣接する第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、反射ユニット２３ｃによる画像光の取り出し効率を考慮して設定されており、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００４２】
反光入射部側の部分領域Ａ２においても、各反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びている。また、同反射ユニット２３ｃにおいて、第１の反射面２３ａに隣接する第２の反射面２３ｂは、基本領域Ａ１の反射ユニット２３ｃと同様に、第１の反射面２３ａに対して相対角度α（具体的には例えば５４．７°）をなす方向に延びている。
【００４３】
ここで、部分領域Ａ２では、反光入射部側で反射ユニット２３ｃが第１の全反射面２２ａから離れるように傾斜して配置されているので、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから第１の全反射面２２ａまでの距離は、＋Ｚ方向の位置に応じて徐々に増加する。このため、部分領域Ａ２における反射ユニット２３ｃの場合、第１の反射面２３ａの長さｄ２は、段差を補償する分だけ基本領域Ａ１の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａの長さｄ１よりも長くなっている。つまり、部分領域Ａ２では、第１の反射面２３ａの面積が相対的に広くなっている。
【００４４】
以下、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、画像取出部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。
【００４５】
まず、図３（Ａ）及びその一部拡大図である図３（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角θ＋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い反光入射部側すなわち＋Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射する。図３（Ｂ）に示す反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、最初に反光入射部側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射部側すなわち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００４６】
また、図３（Ａ）及びその一部拡大図である図３（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角θ−で導かれた画像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い光入射部側すなわち−Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射する。図３（Ｃ）に示す反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ３は、図３（Ｂ）の画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に反光入射部側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射部側すなわち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００４７】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角βは、いずれもβ＝２（Ｒ−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角βは、画像取出部２３に対する入射角度すなわち各画像光の全反射角度である反射角θ０，θ＋，θ−等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を画像取出部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を画像取出部２３のうち−Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光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画像光を取出す構成であるため、導光板２０は、画像光を画像取出部２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光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、導光部２２の形状や屈折率、画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ１すなわち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。つまり、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度δ２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度δ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっている。なお、画像光ＧＬ２，ＧＬ３の角度δ２，δ３は、光射出面ＯＳ又は第２の全反射面２２ｂに対して比較的垂直に近いものとなっており、光射出面ＯＳを十分な透過率で通過する。また、角度δ２と角度δ３とは、厳密には光射出面ＯＳ又は第２の全反射面２２ｂを通過する際の屈折を考慮する必要があるが、画像形成装置１０から射出される画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。
【００４９】
ここで、図３（Ａ）を参照して、反射ユニット２３ｃの詳細な配置について説明する。図面左側すなわち光入射部側の基本領域Ａ１において、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａに近接して配置されており、結果的に、図２に示す光射出面ＯＳから最も離れている。一方、図面右側すなわち反光入射部側の部分領域Ａ２において、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａから徐々に離れるように配置されており、結果的に、反光入射部側で図２に示す光射出面ＯＳに徐々に近づく。本明細書において、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと第１の全反射面２２ａとの間隔とは、各反射面２３ａ，２３ｂのうち画像光ＧＬ２，ＧＬ３が入射する光路上の位置を基準としてＸ方向で考えるものとする。つまり、くさび形の断面を有する反射ユニット２３ｃのうち開口側に近い部分のＸ方向に関する位置が基準となる。なお、両反射面２３ａ，２３ｂにおいて画像光ＧＬ２，ＧＬ３が入射するＸ方向の位置が異なる場合、両者の平均値で考えるものとする。同様に、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳ（図２参照）との間隔とは、各反射面２３ａ，２３ｂのうち画像光ＧＬ２，ＧＬ３が入射する光路上の位置を基準としてＸ方向で考えるものとする。
【００５０】
図４（Ａ）に示すように、画像取出部２３のうち中央部２３ｋに入射する光束すなわち画像光ＧＬ１は、基本領域Ａ１に設けた特定の複数の反射ユニット２３ｃに入射し、これら反射ユニット２３ｃで光路を折り曲げられて、両全反射面２２ａ，２２ｂの法線ＮＬの略平行な状態で光射出面ＯＳを通過する。この際、光束幅ｗ１を有する画像光ＧＬ１は、画像取出部２３での反射によって光束幅ｗ１'の状態で射出される。この場合、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳとの間隔は、相対的に広い。つまり、反射後の画像光ＧＬ１の光路のＸ方向に関する通過幅（Ｘ方向の導光幅）は、導光板本体部２０ａの厚みＤ０に近く相対的に広くなっている。
【００５１】
また、図４（Ｂ）に示すように、画像取出部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈに入射する光束すなわち画像光ＧＬ２は、部分領域Ａ２に設けた特定の複数の反射ユニット２３ｃに入射し、これら反射ユニット２３ｃで光路を折り曲げられて、両全反射面２２ａ，２２ｂの法線ＮＬに対して傾斜した状態で光射出面ＯＳを通過する。この際、光束幅ｗ２を有する画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での反射によって光束幅ｗ２'の状態で射出される。この場合、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳとの間隔は、相対的に狭く、反光入射部側に向かって徐々に狭くなっている。つまり、反射後の画像光ＧＬ２の光路のＸ方向に関する通過幅（Ｘ方向の導光幅）は、反光入射部側で導光板本体部２０ａの厚みＤ０に比較して徐々に狭くなっている。
【００５２】
以上において、中央部２３ｋの反射ユニット２３ｃが存在する基本領域Ａ１は、第１の全反射面２２ａの延長平面に近接して平行に延びており、周辺部２３ｈの反射ユニット２３ｃが存在する部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対して反光入射部側で離間するように傾斜して延びている。つまり、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの法線ＮＬの方向（Ｘ方向）と各反射ユニット２３ｃの配列方向（Ｚ方向）との双方に垂直な方向であるＹ方向を回転の軸方向として、第１の全反射面２２ａに対して平行な状態から傾斜角εだけ時計方向に回転している。結果的に、比較的大きな全反射角θ＋で伝搬する画像光ＧＬ２が部分領域Ａ２に入射する入射角θ＋−εは、比較的小さな全反射角θ０で伝搬する画像光ＧＬ１が基本領域Ａ１に入射する入射角θ０に近づいて、画像光ＧＬ２の入射側の光束幅ｗ２は、画像光ＧＬ１の入射側の光束幅ｗ１に近いものとなる。よって、画像光ＧＬ２の出射側の光束幅ｗ２'も、画像光ＧＬ１の出射側の光束幅ｗ１'に匹敵する程度に広くなって、画像が高輝度で観察されることになる。なお、部分領域Ａ２が傾斜しておらず基本領域Ａ１と同一平面上にあるとした場合、画像光ＧＬ２の光束幅ｗ２は、画像光ＧＬ１の光束幅ｗ１に比較してかなり小さなものとなるので、画像光ＧＬ２の出射側の光束幅ｗ２'も、画像光ＧＬ１の出射側の光束幅ｗ１'に比較してかなり小さくなって、画像が低輝度で観察され輝度ムラ発生の原因となる。
【００５３】
第１の全反射面２２ａの延長平面から反光入射部側で離間するように傾斜する部分領域Ａ２を設けることで、導光部２２を伝搬する画像光ＧＬ２に代表される全反射角の大きな画像光を幅広の光束として光射出面ＯＳ側に入射させて回収でき、観察者の眼ＥＹに集める効果を高めることができる。これにより、全反射角の大きな画像光すなわち画像取出部２３の反光入射部側の部分で反射されて光射出面ＯＳを介して観察者の眼ＥＹに入射する光束を十分な輝度とすることができ、虚像表示装置１００によって形成される虚像の輝度を位置に関して均一度の高いものとすることができる。見方を変えると、反光入射部側で光射出面ＯＳに近接するように傾斜する部分領域Ａ２を設けることで、画像取出部２３と光射出面ＯＳとの間を通過して虚像形成に活用されなくなる画像光を低減することができる。つまり、導光板本体部２０ａの内部に導かれても、画像取出部２３によって光射出面ＯＳ側に取り出されることなく画像取出部２３の反光入射部側に伝搬して利用されなくなるという光ロスを低減することができるので、画像取出部２３の特に反光入射部側の部分における光利用効率を高めて、虚像表示装置１００によって形成される虚像の輝度の均一度を高めることができる。
【００５４】
図５（Ａ）は、実施形態の虚像表示装置１００によって形成される虚像型の画像光の２次元輝度分布を説明する図であり、図５（Ｂ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される虚像型の画像光の２次元輝度分布を説明する図である。両図を比較すれば明らかように、実施形態の虚像表示装置１００の場合、輝度ムラの発生が大幅に低減されている。なお、比較例の虚像表示装置は、実施形態の虚像表示装置１００と同様の構造を有するが、画像取出部２３が全体として第１の全反射面２２ａに近接して平行に延びている点で異なる。
【００５５】
図５（Ｃ）は、実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフであり、図５（Ｄ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフである。両グラフを比較すれば明らかように、実施形態の虚像表示装置１００の場合、Ｚ方向の輝度分布が比較的一様になっている。
【００５６】
〔Ｄ．導光板の製造方法〕
ここで、図２を参照して、導光板２０の要部の製造方法について簡単に説明する。まず、導光部２２や画像取出部２３の下地等となるべき母材部分を光透過性の樹脂材で一体的に形成する。母材部分には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂの形状に対応する鋸歯状の表面が形成される。次に、この母材部分の鋸歯状の表面上に、アルミ蒸着により、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂを形成するための反射膜を形成する。その後、紫外線硬化性樹脂を反射膜の上方から塗布することで凹部ＲＥを埋めて平坦化し、このような紫外線硬化性樹脂に紫外線を照射して硬化させる。このようにして、内部に画像取出部２３を埋め込んだ導光板２０が作製される。
【００５７】
〔Ｅ．導光板の変形例〕
図６（Ａ）は、第１変形例の導光板２０を説明する図であり、図２に相当するものとなっている。この場合、部分領域Ａ２に設けた最も光入射部側の反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａに近接して形成されており、部分領域Ａ２に設けた最も反光入射部側の反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂは、第２の全反射面２２ｂに近接して形成されている。つまり、部分領域Ａ２を配置している傾斜平面ＴＰの傾斜角εが最も大きくなっている。
【００５８】
図６（Ｂ）は、第２変形例の導光板２０を説明する図である。この場合、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対する傾斜角が反光入射部側で大きくなる曲面ＣＰに沿って延びている。つまり、図示の部分領域Ａ２では、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離が光入射部側すなわち−Ｚ側の端部Ａ２１から反光入射部側すなわち＋Ｚ側の端部Ａ２２に向かって漸次増加しており、その増加程度が反光入射部側で増している。この場合、部分領域Ａ２の光入射部側の端部Ａ２１は、基本領域Ａ１の反光入射部側の端部と滑らかに接続されている。このような導光板２０によっても、画像取出部２３で折り曲げられないでその反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。
【００５９】
図６（Ｃ）は、第３変形例の導光板２０を説明する図である。この場合、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対する傾斜角が異なる２つの傾斜平面ＴＰ１，ＴＰ２に沿って延びている。図示の部分領域Ａ２でも、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離が光入射部側すなわち−Ｚ側の端部Ａ２１から反光入射部側すなわち＋Ｚ側の端部Ａ２２に向かって漸次増加している。このような導光板２０によっても、画像取出部２３で折り曲げられないでその反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。なお、部分領域Ａ２は、２つの傾斜平面ＴＰ１，ＴＰ２に限らず３つ以上の傾斜平面に沿って折れ曲がるように延びるものとすることができる。
【００６０】
以上で説明した本実施形態の導光板２０によれば、画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳとの間隔が反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関して光入射部側よりも反光入射部側で相対的に狭いので、反射ユニット２３ｃに入射することなく画像取出部２３と光射出面ＯＳとの間を通過するように伝搬するため外部に取り出すことができなくなってしまう画像光を減少させることができる。つまり、導光板２０内での全反射角が大きな画像光を画像取出部２３に確実に入射させ光射出面ＯＳから効率的に取り出すことができるので、結像に際しての光利用効率を高めることができる。これにより、明るく高性能の虚像表示装置１００を提供することができる。
【００６１】
〔第２実施形態〕
以下、図７等により、第１実施形態を変形した第２実施形態について説明する。本実施形態に係る導光板は、画像取出部の構造を除いて図２等に示す導光板２０と同様の構造を有するため、図７においては、画像取出部及びその周辺のみを図示し、導光板及び虚像表示装置全体の構造については図示及び説明を省略する。なお、図７に示す第２実施形態において、図２等の導光板２０と同符号のものについては、特に説明をしない限り、第１実施形態で説明したものと同等のものを示す。
【００６２】
図７に示す第２実施形態の導光板２０において、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対して平行に延びる複数の分割領域Ｂ２１，Ｂ２２を有する。各分割領域Ｂ２１，Ｂ２２は、第１の全反射面２２ａに近接して平行に延びるが、反光入射部側の分割領域Ｂ２２を構成する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離は、光入射部側の分割領域Ｂ２１を構成する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離よりも短くなっている。結果的に、画像取出部２３の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離は、反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関して光入射部側よりも反光入射部側で短い。このような導光板２０によっても、画像取出部２３で折り曲げられないでその反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。
【００６３】
図８（Ａ）は、第２実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光の２次元輝度分布を説明する図であり、図８（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応し第１実施形態による画像光の２次元輝度分布を説明する図である。また、図８（Ｃ）は、第２実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフであり、図８（Ｄ）は、図５（Ｃ）に対応し第１実施形態による画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフである。第２実施形態の実施形態の虚像表示装置１００の場合も、第１実施形態の実施形態の虚像表示装置１００に匹敵する程度に輝度ムラの発生が低減されていることが分かる。
【００６４】
以上説明した第２実施形態の導光板２０は、分割領域Ｂ２１，Ｂ２２間等に段差が形成されるため、第１実施形態に比較して輝度ムラの点で不利であるが、分割領域Ｂ２１，Ｂ２２が光射出面ＯＳに平行に配置され段差を調節するだけであるため、導光板２０の製造が比較的簡易になるといえる。
〔その他〕
以上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。
【００６５】
まず、画像取出部２３のうち光入射部側に配置される基本領域Ａ１は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対して平行に延びるものに限らず、第１の全反射面２２ａの延長平面から反光入射部側で僅かに離間するように微小傾斜するものとできる。
【００６６】
また、以上の説明では、画像取出部２３を構成する特定の反射ユニット２３ｃの反光入射部側に隣接する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂは、上記特定の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと比較して光射出面ＯＳに対して等しい距離となるか、より近接している。このような配列が基本的には望ましいが、局所的な一部の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂについては、より光入射部側の特定の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂよりも光射出面ＯＳから多少離間した状態となっていてもよい。
【００６７】
画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。
【００６８】
画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの向きは、図示のものに限らず、Ｙ軸のまわりに微小回転させて方向の調整を行うことができる。この際、すべての反射ユニット２３ｃにおける相対角度αを一致させる限りすべての反射ユニット２３ｃの向きを正確に一致させる必要はない。
【００６９】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）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ーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。なお、液晶デバイス１１やその光源において、画像取出部２３の光取出特性を考慮して輝度パターンの調整を行うこともできる。
【００７０】
上記の説明では、虚像表示装置１００は、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及び導光板２０を備えるとしているが、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と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００７１】
上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％にすることが可能である。
【００７２】
上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置することもできる。
【００７３】
上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等の光軸ＯＡに対する角度を用途や仕様に応じて様々な値とすることができる。
【００７４】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲを付けているものであってもよい。
【００７５】
上記の説明では、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に改変することもできる。
【００７６】
上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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画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、第１及び第２の全反射面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、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…コリメートレンズ、 ２０…導光板、 ２０ａ…導光板本体部、 ２１…入射光折曲部、 ２２…導光部、 ２２ａ…第1の全反射面、 ２２ｂ…第２の全反射面、 ２３…画像取出部、 ２３ａ…第１の反射面、 ２３ｂ…第２の反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 １００…虚像表示装置、 Ａ１，Ａ２…部分領域、 ＡＸ…光軸、 ＣＰ…曲面、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 ＩＳ…光入射面、 ＯＡ…光軸、 ＯＳ…光射出面（光射出部）、 ＰＳ…プリズム部、 ＴＰ…傾斜平面
【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板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。このような虚像表示装置用の導光板として、全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている（特許文献１，２参照）。導光板に設ける複数の部分反射面は、例えば断面鋸歯状の部分に反射層を形成したものとできる（特許文献２の図５等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５７５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように断面鋸歯状の部分に反射層を形成した導光板では、導光板内での全反射角がある程度以上大きな光束が反射層に入射することなくこれを通過する場合があるため、結像に利用されない光束が生じ、光の利用効率が低下する。
【０００５】
そこで、本発明は、光の利用効率を高めた虚像表示装置用の導光板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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る導光板は、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、所定の配列方向に配列され、第１の反射面と第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とを有して成る複数の反射ユニットで構成され、当該反射ユニットにおいて、導光部にて導かれた画像光を第１の反射面により反射するとともに第２の反射面により第１の反射面で反射された画像光をさらに反射する光路の折り曲げによって、画像光を外部へ取出し可能にする画像取出部と、画像取出部を経た画像光を外部に射出する光射出面を有する光射出部とを備える導光板であって、画像取出部の反射ユニットの第１及び第２の反射面と光射出面との間隔は、光入射部側で相対的に広い。ここで、全反射とは、全ての光が内面で反射されて伝達される場合のみでなく、全反射条件が満たされる面上にミラーコートや、半透過のアルミ膜によるハーフミラー膜等を施して反射する場合等も含まれるものとする。
【０００７】
上記導光板において、画像取出部を構成する反射ユニットの第１及び第２の反射面から光射出面までの距離が上記所定の配列方向に関して光入射部側で相対的に広いので、反射ユニットの第１及び第２の反射面から光射出面までの距離が反光入射部側で相対的に狭くなり、画像取出部を構成する反射ユニットに入射することなく画像取出部と光射出面との間を通過するように伝搬するため外部に取り出すことができなくなってしまう画像光を減少させることができる。つまり、導光板内での全反射角が大きな画像光をより多く画像取出部に入射させ光射出部から効率的に取り出すことができるので、結像に際しての光利用効率を高めることができる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、画像取出部のうち少なくとも１つ以上の反射ユニットの第１及び第２の反射面は、上記少なくとも１つ以上の反射ユニットよりも光入射部側に配置される他の反射ユニットの第１及び第２の反射面に比較して、画像光を多く光射出部側に反射するように、光射出面に近い位置に配置されている。言い換えれば、画像光の光路の通過幅又は導光幅が、反光入射部側に配置される上記少なくとも１つ以上の反射ユニット側で相対的に狭くなっている。この場合、反光入射部側にあって光射出面に近い位置に配置される反射ユニットによって、導光板内での全反射角が大きな画像光を光射出面に向けて折り曲げることができ、導光板に導かれた画像光を効率的に回収して結像に利用することができる。なお、反射ユニットから光射出面までの距離を短くすることで、反光入射部側の反射ユニットに入射した画像光を目のある方向に集中させる効果を高めることができる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち最も反光入射部側に配置される反射ユニットの第１及び第２の反射面は、画像取出部のうち最も光入射部側に配置される反射ユニットの第１及び第２の反射面よりも光射出面に近い位置に配置されている。この場合、最も反光入射部側に配置される反射ユニットによって、導光板内での全反射角が大きな画像光を光射出面延いては目に向けて折り曲げることができ、導光板に導かれた画像光を効率的に回収して結像に利用することができる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち所定の配列方向に関する反光入射部側の部分領域において、反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、反光入射部側に位置するほど光射出面に近い位置に配置されている。この場合、画像取出部を構成する各反射ユニットの前記第１及び第２の反射面に画像光を確実に入射させることができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち部分領域よりも光入射部側の基本領域において、反射ユニットの第１及び第２の反射面は、光射出面との間隔を一定に保つように配置されている。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、部分領域における反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に対して平行な状態から所定の傾斜方向に関して所定角度だけ傾斜している傾斜平面に沿って配置されている。この場合、傾斜平面に沿って配置されている反射ユニットに入射した画像光は、比較的一様な状態で光射出部に向けられて回収され結像に利用される。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、部分領域における反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に対して平行な状態から所定の傾斜方向に関して傾斜するとともに傾斜角が変化している曲面に沿って配置されている。この場合、曲面に沿って配置されている反射ユニットの第１及び第２の反射面に入射した画像光は、乱れの少ない状態で光射出部に向けられて回収され結像に利用される。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、部分領域における反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に対する傾斜角が所定の配列方向に関する反光入射部側で大きくなる曲面に沿って配置されている。この場合、曲面に沿って配置された各反射ユニットの第１及び第２の反射面に画像光を確実に入射させることができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち反光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの第１及び第２の反射面は、光射出面に近接して配置されている。この場合、導光板に導かれた画像光を有効に活用することができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部のうち光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの第１及び第２の反射面は、第１の全反射面に近接して配置されている。この場合、導光板に導かれた画像光を有効に活用することができる。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、各反射ユニットにおいて、第１の反射面は、第２の反射面よりも反光入射部側に隣接して位置し、導光部の第１の全反射面に対して略直交する方向に延びる。この場合、各反射ユニットへの入射光を無駄なく反射して光射出部の先に位置する眼球に確実に導くことができる。
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、（ａ）上記いずれかに記載の導光板と、（ｂ）導光板に導かれる画像光を形成する画像形成装置とを備える。この場合、上記いずれかに記載の導光板を用いることで、虚像表示装置は、輝度ムラを防止しつつ高い光利用効率で虚像光を射出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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）及び（Ｃ）は、実施形態に係る導光板の正面図及び平面図である。
【図２】導光板内の画像取出部の配置を説明する断面図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、画像取出部における画像光の光路について説明するための模式的な図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、画像取出部の設けた基本領域及び部分領域における光利用効率を比較する図である。
【図５】（Ａ）、（Ｃ）は、第１実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図であり、（Ｂ）、（Ｄ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、導光板の変形例を説明する断面図である。
【図７】第２実施形態に係る虚像表示装置の要部を説明する断面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｃ）は、第２実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図であり、（Ｂ）、（Ｄ）は、第１実施形態の虚像表示装置によって形成される像の２次元輝度分布及び断面輝度分布を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置用の導光板及び導光板を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
【００２１】
〔Ａ．導光板及び虚像表示装置の構造〕
図１（Ａ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置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、導光板２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光板２０のＡ−Ａ断面に対応する。
【００２２】
虚像表示装置１００は、観察者に虚像による画像光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。画像形成装置１０と導光板２０とは、通常観察者の右眼およ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。
【００２３】
画像形成装置１０は、画像表示素子である液晶デバイス１１と、光束形成用のコリメートレンズ１２とを備える。液晶デバイス１１は、背後に設けた光源（不図示）からの照明光を空間的に変調して、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。コリメートレンズ１２は、液晶デバイス１１上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にする。なお、コリメートレンズ１２のレンズ材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。
【００２４】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、画像取出部２３とを備える。導光板２０は、画像形成装置１０で形成された画像光を虚像光として観察者の眼ＥＹに向けて射出し、画像として認識させるものである。
【００２５】
導光板２０の全体的な外観は、図中ＹＺ面に平行に延びる平板である導光板本体部２０ａによって形成されている。また、導光板２０は、長手方向の一端において導光板本体部２０ａに組み込まれた多数の微小ミラーによって構成される画像取出部２３を有し、長手方向の他端において導光板本体部２０ａを拡張するように形成されたプリズム部ＰＳに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００２６】
導光板本体部２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成装置１０に対向する表側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ＩＳと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させるための光射出部として光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、その一端に設けたプリズム部ＰＳの側面として光入射面ＩＳの他に矩形の斜面ＲＳを有し、当該斜面ＲＳ上には、これを被覆するようにミラー層２１ａが形成されている。ここで、ミラー層２１ａは、斜面ＲＳと協働することにより、光入射面ＩＳに対して傾斜した反射面である入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａの裏面側において、光射出面ＯＳに沿って対向するように、微細構造である画像取出部２３が形成されている。
【００２７】
導光板本体部２０ａの光入射面ＩＳに対向し傾斜して配置されるミラー層２１ａとしての入射光折曲部２１は、導光板本体部２０ａの上記斜面ＲＳ上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、入射光折曲部２１は、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｘ方向に向かう画像光を、全体として−Ｘ方向に多少偏った＋Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部２０ａ内に確実に結合させる。
【００２８】
また、導光板本体部２０ａは、入口側（すなわち光入射部側）の入射光折曲部２１から奥側（すなわち反光入射部側）の画像取出部２３にかけて、入射光折曲部２１を介して内部に入射させた画像光を画像取出部２３に導くための導光部２２を有している。
【００２９】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面に相当し互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、入射光折曲部２１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと第２の全反射面２２ｂとを有している。ここでは、第１の全反射面２２ａが画像形成装置１０から遠い裏側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが画像形成装置１０に近い表側にあるものとする。この場合、第２の全反射面２２ｂは、光入射面ＩＳ及び光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。入射光折曲部２１で反射された画像光は、まず、第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板２０の反光入射部側すなわち画像取出部２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。ここで、導光板本体部２０ａに用いる透明樹脂材料の屈折率ｎは、例えば１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光板２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板２０内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板２０内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。
【００３０】
導光板本体部２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される画像取出部２３は、ＹＺ面に略沿って２次元的な広がりを有するが、画像取出部２３から光射出面ＯＳまでの距離は、後に詳述するように一様でなく光入射部側よりも反光入射部側で短くなっている。画像取出部２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、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、画像取出部２３に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。つまり、導光板本体部２０ａに導かれた画像光は、画像取出部２３に１回だけ入射することで適当な方向に折り曲げられて光射出面ＯＳを通過する。
【００３１】
図２に示すように、画像取出部２３は、ストライプ状に配列された多数の細い線状の反射ユニット２３ｃで構成される。より具体的には、画像取出部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチで導光部２２の延びる方向すなわちＺ方向に略沿って周期的に多数配列させることで構成されている。つまり、Ｚ方向は、反射ユニット２３ｃの配列方向となっている。
【００３２】
画像取出部２３は、完全に一様ではなく、光入射部側に配置される基本領域Ａ１と、反光入射部側に配置される部分領域Ａ２とに分かれている。基本領域Ａ１は、平坦な層状の部分であり、第１の全反射面２２ａの延長平面に近接して平行に延びる。また、部分領域Ａ２は、平坦な層状の部分であり、第１の全反射面２２ａの延長平面から反光入射部側で離間するように傾斜する傾斜平面ＴＰに沿って延びる。つまり、基本領域Ａ１では、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃから光射出面ＯＳまでの距離が、光軸ＯＡの延びるＺ方向の位置に関わらず同一に保たれている。一方、部分領域Ａ２では、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃから光射出面ＯＳまでの距離が、光入射部側すなわち−Ｚ側の端部Ａ２１から反光入射部側すなわち＋Ｚ側の端部Ａ２２に向かって漸次大きくなっている。結果的に、画像取出部２３のうち最も反光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃは、最も光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃよりも光射出面ＯＳに近い位置に配置されている。見方を変えれば、最も反光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃと光射出面ＯＳとの間隔は相対的に狭く、最も光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃ光射出面ＯＳとの間隔は相対的に広い。ここで、画像取出部２３のうち最も光路下流又は上流側の反射ユニット２３ｃとは、画像取出部２３の有効領域で考えるものとする。つまり、画像取出部２３の最も＋Ｚ側の反射ユニット２３ｃよりも何個か−Ｚ側に設けた反射ユニット２３ｃが有効領域内で最も反光入射部側にあるとされる場合もある。以上のように、部分領域Ａ２を設けて最も反光入射部側の端に配置される反射ユニット２３ｃが光射出面ＯＳに対して比較的近い位置に配置されている場合、後に詳述するが、画像取出部２３で折り曲げられないでその周辺部２３ｈよりも反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。
【００３３】
なお、部分領域Ａ２のＺ方向の幅ＳＷ２は、図示の例において画像取出部２３のＺ方向の全幅ＳＷ０の半分以下になっているが、全幅ＳＷ０又はこれに近い値とすることもできる。この場合、基本領域Ａ１が実質的に存在しない状態となる。また、部分領域Ａ２を配置する傾斜平面ＴＰのＺ方向に関する傾斜角をεとした場合、部分領域Ａ２の奥行きＤ２は、Ｄ２＝ＳＷ２×ｔａｎεとなり、導光板本体部２０ａのＸ方向の厚みをＤ０とした場合に、ＳＷ２×ｔａｎε＜Ｄ０の関係が成り立つ。
【００３４】
〔Ｂ．画像光の光路〕
以下、画像光の光路について詳しく説明する。図１（Ａ）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画像光のうち図中点線で示す射出面１１ａの中央部分から射出される成分を画像光ＧＬ１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側）から射出される成分を画像光ＧＬ２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側）から射出される成分を画像光ＧＬ３とする。
【００３５】
コリメートレンズ１２を経た各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光板２０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２の全反射面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、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶デバイス１１の射出面１１ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ１は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、標準反射角θ０で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角θ０を保った状態で、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ１は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、画像取出部２３の中央部２３ｋに入射する。画像光ＧＬ１は、この中央部２３ｋにおいて所定の角度で反射され、光射出面ＯＳからこの光射出面ＯＳを含むＹＺ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。液晶デバイス１１の射出面１１ａの一端側（−Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ２は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最大反射角θ＋で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ２は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、画像取出部２３のうち最も反光入射部側（＋Ｚ側）の周辺部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。この際の射出方向は、入射光折曲部２１側に戻されるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。液晶デバイス１１の射出面１１ａの他端側（＋Ｚ側）から射出された画像光ＧＬ３は、平行光束として入射光折曲部２１で反射された後、最小反射角θ−で導光部２２の第２の全反射面２２ｂに入射し、全反射される。画像光ＧＬ３は、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、画像取出部２３のうち最も光入射部側（−Ｚ側）の周辺部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。この際の射出方向は、入射光折曲部２１側から離れるようなものになっており、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。
【００３６】
なお、第１及び第２の全反射面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、上記のように画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３間で反射回数が異なっていても、このような反射回数の差によって輝度低下が生じることは殆どない。また、画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３は、画像光の光束全体の一部を代表して説明したものであるが、他の画像光を構成する光束成分についても画像光ＧＬ１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。
【００３７】
〔Ｃ．画像取出部の構造及び画像取出部による光路の折曲げ〕
以下、図３（Ａ）等を参照して、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
【００３８】
画像取出部２３は、光入射部側の基本領域Ａ１と反光入射部側の部分領域Ａ２との双方において、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを所定のピッチＰＴでＺ方向に周期的に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２３ｃは、奥側すなわち反光入射部側に配置される第１の反射面２３ａと、入口側すなわち光入射部側に配置される第２の反射面２３ｂとを有する。ここで、少なくとも第２の反射面２３ｂは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット２３ｃは、隣接する第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂにより、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状となっている。より具体的には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、互いに鋭角をなし、全体としての反射ユニット２３ｃと同様に、第１の全反射面２２ａに平行で全体的光路に沿ったＺ方向に対して垂直に延びるＹ方向を長手方向として、細長い線状に延びている。
【００３９】
なお、反射ユニット２３ｃのピッチＰＴの具体的な数値範囲は、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．５ｍｍ〜１．３ｍｍとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、画像取出部２３において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット２３ｃによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。
【００４０】
以下、反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａ及び第２の反射面２３ｂの傾斜について詳しく説明する。
【００４１】
まず、光入射部側の基本領域Ａ１において、各反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びている。また、同反射ユニット２３ｃにおいて、第１の反射面２３ａに隣接する第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して所定角度（相対角度）αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、反射ユニット２３ｃによる画像光の取り出し効率を考慮して設定されており、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００４２】
反光入射部側の部分領域Ａ２においても、各反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直な方向（Ｘ方向）に沿って延びている。また、同反射ユニット２３ｃにおいて、第１の反射面２３ａに隣接する第２の反射面２３ｂは、基本領域Ａ１の反射ユニット２３ｃと同様に、第１の反射面２３ａに対して相対角度α（具体的には例えば５４．７°）をなす方向に延びている。
【００４３】
ここで、部分領域Ａ２では、反光入射部側で反射ユニット２３ｃが第１の全反射面２２ａから離れるように傾斜して配置されているので、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから第１の全反射面２２ａまでの距離は、＋Ｚ方向の位置に応じて徐々に増加する。このため、部分領域Ａ２における反射ユニット２３ｃの場合、第１の反射面２３ａの長さｄ２は、段差を補償する分だけ基本領域Ａ１の反射ユニット２３ｃを構成する第１の反射面２３ａの長さｄ１よりも長くなっている。つまり、部分領域Ａ２では、第１の反射面２３ａの面積が相対的に広くなっている。
【００４４】
以下、画像取出部２３による画像光の光路の折曲げについて詳しく説明する。ここでは、画像光のうち、画像取出部２３の両端側に入射する画像光ＧＬ２及び画像光ＧＬ３について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。
【００４５】
まず、図３（Ａ）及びその一部拡大図である図３（Ｂ）に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角θ＋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から最も遠い反光入射部側すなわち＋Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射する。図３（Ｂ）に示す反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ２は、最初に反光入射部側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射部側すなわち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ２は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、図１（Ａ）等に示す光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００４６】
また、図３（Ａ）及びその一部拡大図である図３（Ｃ）に示すように、全反射角度の最も小さい反射角θ−で導かれた画像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）に最も近い光入射部側すなわち−Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射する。図３（Ｃ）に示す反射ユニット２３ｃにおいて、画像光ＧＬ３は、図３（Ｂ）の画像光ＧＬ２の場合と同様に、最初に反光入射部側すなわち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射部側すなわち−Ｚ側の第２の反射面２３ｂで反射される。当該反射ユニット２３ｃを経た画像光ＧＬ３は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく、画像取出部２３での１回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。
【００４７】
ここで、上記のような第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの２段階での反射の場合、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角βは、いずれもβ＝２（Ｒ−α）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角βは、画像取出部２３に対する入射角度すなわち各画像光の全反射角度である反射角θ０，θ＋，θ−等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を画像取出部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈ側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を画像取出部２３のうち−Ｚ側の周辺部２３ｍ側に入射させた場合にも、画像光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画像光を取出す構成であるため、導光板２０は、画像光を画像取出部２３において複数回通過させず、１回だけ通過させることができ、画像光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、導光部２２の形状や屈折率、画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの形状等の光学的な設計において、画像光ＧＬ２，ＧＬ３等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面ＯＳから射出される画像光を、基本の画像光ＧＬ１すなわち光軸ＡＸを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼ＥＹに入射させることができる。つまり、一端の画像光ＧＬ２のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度δ２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度δ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっている。なお、画像光ＧＬ２，ＧＬ３の角度δ２，δ３は、光射出面ＯＳ又は第２の全反射面２２ｂに対して比較的垂直に近いものとなっており、光射出面ＯＳを十分な透過率で通過する。また、角度δ２と角度δ３とは、厳密には光射出面ＯＳ又は第２の全反射面２２ｂを通過する際の屈折を考慮する必要があるが、画像形成装置１０から射出される画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。
【００４９】
ここで、図３（Ａ）を参照して、反射ユニット２３ｃの詳細な配置について説明する。図面左側すなわち光入射部側の基本領域Ａ１において、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａに近接して配置されており、結果的に、図２に示す光射出面ＯＳから最も離れている。一方、図面右側すなわち反光入射部側の部分領域Ａ２において、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａから徐々に離れるように配置されており、結果的に、反光入射部側で図２に示す光射出面ＯＳに徐々に近づく。本明細書において、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと第１の全反射面２２ａとの間隔とは、各反射面２３ａ，２３ｂのうち画像光ＧＬ２，ＧＬ３が入射する光路上の位置を基準としてＸ方向で考えるものとする。つまり、くさび形の断面を有する反射ユニット２３ｃのうち開口側に近い部分のＸ方向に関する位置が基準となる。なお、両反射面２３ａ，２３ｂにおいて画像光ＧＬ２，ＧＬ３が入射するＸ方向の位置が異なる場合、両者の平均値で考えるものとする。同様に、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳ（図２参照）との間隔とは、各反射面２３ａ，２３ｂのうち画像光ＧＬ２，ＧＬ３が入射する光路上の位置を基準としてＸ方向で考えるものとする。
【００５０】
図４（Ａ）に示すように、画像取出部２３のうち中央部２３ｋに入射する光束すなわち画像光ＧＬ１は、基本領域Ａ１に設けた特定の複数の反射ユニット２３ｃに入射し、これら反射ユニット２３ｃで光路を折り曲げられて、両全反射面２２ａ，２２ｂの法線ＮＬの略平行な状態で光射出面ＯＳを通過する。この際、光束幅ｗ１を有する画像光ＧＬ１は、画像取出部２３での反射によって光束幅ｗ１'の状態で射出される。この場合、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳとの間隔は、相対的に広い。つまり、反射後の画像光ＧＬ１の光路のＸ方向に関する通過幅（Ｘ方向の導光幅）は、導光板本体部２０ａの厚みＤ０に近く相対的に広くなっている。
【００５１】
また、図４（Ｂ）に示すように、画像取出部２３のうち＋Ｚ側の周辺部２３ｈに入射する光束すなわち画像光ＧＬ２は、部分領域Ａ２に設けた特定の複数の反射ユニット２３ｃに入射し、これら反射ユニット２３ｃで光路を折り曲げられて、両全反射面２２ａ，２２ｂの法線ＮＬに対して傾斜した状態で光射出面ＯＳを通過する。この際、光束幅ｗ２を有する画像光ＧＬ２は、画像取出部２３での反射によって光束幅ｗ２'の状態で射出される。この場合、反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳとの間隔は、相対的に狭く、反光入射部側に向かって徐々に狭くなっている。つまり、反射後の画像光ＧＬ２の光路のＸ方向に関する通過幅（Ｘ方向の導光幅）は、反光入射部側で導光板本体部２０ａの厚みＤ０に比較して徐々に狭くなっている。
【００５２】
以上において、中央部２３ｋの反射ユニット２３ｃが存在する基本領域Ａ１は、第１の全反射面２２ａの延長平面に近接して平行に延びており、周辺部２３ｈの反射ユニット２３ｃが存在する部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対して反光入射部側で離間するように傾斜して延びている。つまり、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの法線ＮＬの方向（Ｘ方向）と各反射ユニット２３ｃの配列方向（Ｚ方向）との双方に垂直な方向であるＹ方向を回転の軸方向として、第１の全反射面２２ａに対して平行な状態から傾斜角εだけ時計方向に回転している。結果的に、比較的大きな全反射角θ＋で伝搬する画像光ＧＬ２が部分領域Ａ２に入射する入射角θ＋−εは、比較的小さな全反射角θ０で伝搬する画像光ＧＬ１が基本領域Ａ１に入射する入射角θ０に近づいて、画像光ＧＬ２の入射側の光束幅ｗ２は、画像光ＧＬ１の入射側の光束幅ｗ１に近いものとなる。よって、画像光ＧＬ２の出射側の光束幅ｗ２'も、画像光ＧＬ１の出射側の光束幅ｗ１'に匹敵する程度に広くなって、画像が高輝度で観察されることになる。なお、部分領域Ａ２が傾斜しておらず基本領域Ａ１と同一平面上にあるとした場合、画像光ＧＬ２の光束幅ｗ２は、画像光ＧＬ１の光束幅ｗ１に比較してかなり小さなものとなるので、画像光ＧＬ２の出射側の光束幅ｗ２'も、画像光ＧＬ１の出射側の光束幅ｗ１'に比較してかなり小さくなって、画像が低輝度で観察され輝度ムラ発生の原因となる。
【００５３】
第１の全反射面２２ａの延長平面から反光入射部側で離間するように傾斜する部分領域Ａ２を設けることで、導光部２２を伝搬する画像光ＧＬ２に代表される全反射角の大きな画像光を幅広の光束として光射出面ＯＳ側に入射させて回収でき、観察者の眼ＥＹに集める効果を高めることができる。これにより、全反射角の大きな画像光すなわち画像取出部２３の反光入射部側の部分で反射されて光射出面ＯＳを介して観察者の眼ＥＹに入射する光束を十分な輝度とすることができ、虚像表示装置１００によって形成される虚像の輝度を位置に関して均一度の高いものとすることができる。見方を変えると、反光入射部側で光射出面ＯＳに近接するように傾斜する部分領域Ａ２を設けることで、画像取出部２３と光射出面ＯＳとの間を通過して虚像形成に活用されなくなる画像光を低減することができる。つまり、導光板本体部２０ａの内部に導かれても、画像取出部２３によって光射出面ＯＳ側に取り出されることなく画像取出部２３の反光入射部側に伝搬して利用されなくなるという光ロスを低減することができるので、画像取出部２３の特に反光入射部側の部分における光利用効率を高めて、虚像表示装置１００によって形成される虚像の輝度の均一度を高めることができる。
【００５４】
図５（Ａ）は、実施形態の虚像表示装置１００によって形成される虚像型の画像光の２次元輝度分布を説明する図であり、図５（Ｂ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される虚像型の画像光の２次元輝度分布を説明する図である。両図を比較すれば明らかように、実施形態の虚像表示装置１００の場合、輝度ムラの発生が大幅に低減されている。なお、比較例の虚像表示装置は、実施形態の虚像表示装置１００と同様の構造を有するが、画像取出部２３が全体として第１の全反射面２２ａに近接して平行に延びている点で異なる。
【００５５】
図５（Ｃ）は、実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフであり、図５（Ｄ）は、比較例の虚像表示装置によって形成される画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフである。両グラフを比較すれば明らかように、実施形態の虚像表示装置１００の場合、Ｚ方向の輝度分布が比較的一様になっている。
【００５６】
〔Ｄ．導光板の製造方法〕
ここで、図２を参照して、導光板２０の要部の製造方法について簡単に説明する。まず、導光部２２や画像取出部２３の下地等となるべき母材部分を光透過性の樹脂材で一体的に形成する。母材部分には、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂの形状に対応する鋸歯状の表面が形成される。次に、この母材部分の鋸歯状の表面上に、アルミ蒸着により、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂを形成するための反射膜を形成する。その後、紫外線硬化性樹脂を反射膜の上方から塗布することで凹部ＲＥを埋めて平坦化し、このような紫外線硬化性樹脂に紫外線を照射して硬化させる。このようにして、内部に画像取出部２３を埋め込んだ導光板２０が作製される。
【００５７】
〔Ｅ．導光板の変形例〕
図６（Ａ）は、第１変形例の導光板２０を説明する図であり、図２に相当するものとなっている。この場合、部分領域Ａ２に設けた最も光入射部側の反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂは、第１の全反射面２２ａに近接して形成されており、部分領域Ａ２に設けた最も反光入射部側の反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂは、第２の全反射面２２ｂに近接して形成されている。つまり、部分領域Ａ２を配置している傾斜平面ＴＰの傾斜角εが最も大きくなっている。
【００５８】
図６（Ｂ）は、第２変形例の導光板２０を説明する図である。この場合、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対する傾斜角が反光入射部側で大きくなる曲面ＣＰに沿って延びている。つまり、図示の部分領域Ａ２では、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離が光入射部側すなわち−Ｚ側の端部Ａ２１から反光入射部側すなわち＋Ｚ側の端部Ａ２２に向かって漸次増加しており、その増加程度が反光入射部側で増している。この場合、部分領域Ａ２の光入射部側の端部Ａ２１は、基本領域Ａ１の反光入射部側の端部と滑らかに接続されている。このような導光板２０によっても、画像取出部２３で折り曲げられないでその反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。
【００５９】
図６（Ｃ）は、第３変形例の導光板２０を説明する図である。この場合、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対する傾斜角が異なる２つの傾斜平面ＴＰ１，ＴＰ２に沿って延びている。図示の部分領域Ａ２でも、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃすなわちその反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離が光入射部側すなわち−Ｚ側の端部Ａ２１から反光入射部側すなわち＋Ｚ側の端部Ａ２２に向かって漸次増加している。このような導光板２０によっても、画像取出部２３で折り曲げられないでその反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。なお、部分領域Ａ２は、２つの傾斜平面ＴＰ１，ＴＰ２に限らず３つ以上の傾斜平面に沿って折れ曲がるように延びるものとすることができる。
【００６０】
以上で説明した本実施形態の導光板２０によれば、画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと光射出面ＯＳとの間隔が反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関して光入射部側よりも反光入射部側で相対的に狭いので、反射ユニット２３ｃに入射することなく画像取出部２３と光射出面ＯＳとの間を通過するように伝搬するため外部に取り出すことができなくなってしまう画像光を減少させることができる。つまり、導光板２０内での全反射角が大きな画像光を画像取出部２３に確実に入射させ光射出面ＯＳから効率的に取り出すことができるので、結像に際しての光利用効率を高めることができる。これにより、明るく高性能の虚像表示装置１００を提供することができる。
【００６１】
〔第２実施形態〕
以下、図７等により、第１実施形態を変形した第２実施形態について説明する。本実施形態に係る導光板は、画像取出部の構造を除いて図２等に示す導光板２０と同様の構造を有するため、図７においては、画像取出部及びその周辺のみを図示し、導光板及び虚像表示装置全体の構造については図示及び説明を省略する。なお、図７に示す第２実施形態において、図２等の導光板２０と同符号のものについては、特に説明をしない限り、第１実施形態で説明したものと同等のものを示す。
【００６２】
図７に示す第２実施形態の導光板２０において、部分領域Ａ２は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対して平行に延びる複数の分割領域Ｂ２１，Ｂ２２を有する。各分割領域Ｂ２１，Ｂ２２は、第１の全反射面２２ａに近接して平行に延びるが、反光入射部側の分割領域Ｂ２２を構成する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離は、光入射部側の分割領域Ｂ２１を構成する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離よりも短くなっている。結果的に、画像取出部２３の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂから光射出面ＯＳまでの距離は、反射ユニット２３ｃの配列方向であるＺ方向に関して光入射部側よりも反光入射部側で短い。このような導光板２０によっても、画像取出部２３で折り曲げられないでその反光入射部側に漏れ出す光束を少なくすることができる。
【００６３】
図８（Ａ）は、第２実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光の２次元輝度分布を説明する図であり、図８（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応し第１実施形態による画像光の２次元輝度分布を説明する図である。また、図８（Ｃ）は、第２実施形態の虚像表示装置１００によって形成される画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフであり、図８（Ｄ）は、図５（Ｃ）に対応し第１実施形態による画像光の光軸ＯＡに沿ったＺ方向の輝度分布を示すグラフである。第２実施形態の実施形態の虚像表示装置１００の場合も、第１実施形態の実施形態の虚像表示装置１００に匹敵する程度に輝度ムラの発生が低減されていることが分かる。
【００６４】
以上説明した第２実施形態の導光板２０は、分割領域Ｂ２１，Ｂ２２間等に段差が形成されるため、第１実施形態に比較して輝度ムラの点で不利であるが、分割領域Ｂ２１，Ｂ２２が光射出面ＯＳに平行に配置され段差を調節するだけであるため、導光板２０の製造が比較的簡易になるといえる。
〔その他〕
以上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。
【００６５】
まず、画像取出部２３のうち光入射部側に配置される基本領域Ａ１は、第１の全反射面２２ａの延長平面に対して平行に延びるものに限らず、第１の全反射面２２ａの延長平面から反光入射部側で僅かに離間するように微小傾斜するものとできる。
【００６６】
また、以上の説明では、画像取出部２３を構成する特定の反射ユニット２３ｃの反光入射部側に隣接する反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂは、上記特定の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂと比較して光射出面ＯＳに対して等しい距離となるか、より近接している。このような配列が基本的には望ましいが、局所的な一部の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂについては、より光入射部側の特定の反射ユニット２３ｃの反射面２３ａ，２３ｂよりも光射出面ＯＳから多少離間した状態となっていてもよい。
【００６７】
画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの配列のピッチＰＴについては、各第１の反射面２３ａ間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチＰＴにある程度の差異がある場合も含むものとする。
【００６８】
画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの向きは、図示のものに限らず、Ｙ軸のまわりに微小回転させて方向の調整を行うことができる。この際、すべての反射ユニット２３ｃにおける相対角度αを一致させる限りすべての反射ユニット２３ｃの向きを正確に一致させる必要はない。
【００６９】
上記の説明では、画像表示素子として、透過型の液晶デバイス１１を用いているが、画像表示素子としては、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、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）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ーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。なお、液晶デバイス１１やその光源において、画像取出部２３の光取出特性を考慮して輝度パターンの調整を行うこともできる。
【００７０】
上記の説明では、虚像表示装置１００は、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及び導光板２０を備えるとしているが、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と導光板２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
【００７１】
上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、外界像を観察させる必要がない場合、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ双方の光反射率を略１００％にすることが可能である。
【００７２】
上記の説明では、光入射面ＩＳと光射出面ＯＳとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ＩＳを第１の全反射面２２ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２の全反射面２２ｂと同一の平面上に配置することもできる。
【００７３】
上記の説明では、入射光折曲部２１を構成するミラー層２１ａや斜面ＲＳの角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層２１ａ等の光軸ＯＡに対する角度を用途や仕様に応じて様々な値とすることができる。
【００７４】
上記の説明では、反射ユニット２３ｃによるＶ字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、Ｖ字状の溝の形状については、これに限らず、先端を平らにカットしているものや先端にＲを付けているものであってもよい。
【００７５】
上記の説明では、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に改変することもできる。
【００７６】
上記の説明では、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ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画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、第１及び第２の全反射面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、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面２２ａ，２２ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…コリメートレンズ、 ２０…導光板、 ２０ａ…導光板本体部、 ２１…入射光折曲部、 ２２…導光部、 ２２ａ…第1の全反射面、 ２２ｂ…第２の全反射面、 ２３…画像取出部、 ２３ａ…第１の反射面、 ２３ｂ…第２の反射面、 ２３ｃ…反射ユニット、 １００…虚像表示装置、 Ａ１，Ａ２…部分領域、 ＡＸ…光軸、 ＣＰ…曲面、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 ＩＳ…光入射面、 ＯＡ…光軸、 ＯＳ…光射出面（光射出部）、 ＰＳ…プリズム部、 ＴＰ…傾斜平面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、
所定の配列方向に配列され、第１の反射面と前記第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とを有して成る複数の反射ユニットで構成され、当該反射ユニットにおいて、前記導光部にて導かれた前記画像光を前記第１の反射面により反射するとともに前記第２の反射面により前記第１の反射面で反射された前記画像光をさらに反射する光路の折り曲げによって、前記画像光を外部へ取出し可能にする画像取出部と、
前記画像取出部を経た前記画像光を外部に射出する光射出面を有する光出射部と、
を備える導光板であって、
前記画像取出部の前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面と前記光射出面との間隔は、前記光入射部側で相対的に広い、導光板。
【請求項２】
前記画像取出部のうち少なくとも１つ以上の反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記少なくとも１つ以上の反射ユニットよりも前記光入射部側に配置される他の反射ユニットの前記第１及び第２の反射面に比較して、前記画像光を多く前記光射出部側に反射するように、前記光射出面に近い位置に配置されている、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記画像取出部のうち最も反光入射部側に配置される反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記画像取出部のうち最も前記光入射部側に配置される反射ユニットの前記第１及び第２の反射面よりも前記光射出面に近い位置に配置されている、請求項１に記載の導光板。
【請求項４】
前記画像取出部のうち前記所定の配列方向に関する反光入射部側の部分領域において、前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、反光入射部側に位置するほど前記光射出面に近い位置に配置されている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項５】
前記画像取出部のうち前記部分領域よりも前記光入射部側の基本領域において、前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記光射出面との間隔を一定に保つように配置されている、請求項４に記載の導光板。
【請求項６】
前記部分領域における前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に対して平行な状態から前記所定の傾斜方向に関して所定角度だけ傾斜している傾斜平面に沿って配置されている、請求項４及び請求項５のいずれか一項に記載の導光板。
【請求項７】
前記部分領域における前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に対して平行な状態から前記所定の傾斜方向に関して傾斜するとともに傾斜角が変化している曲面に沿って配置されている、請求項４及び請求項５のいずれか一項に記載の導光板。
【請求項８】
前記部分領域における前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に対する傾斜角が前記所定の配列方向に関する反光入射部側で大きくなる曲面に沿って配置されている、請求項７に記載の導光板。
【請求項９】
前記画像取出部のうち反光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記光射出面に近接して配置されている、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項１０】
前記画像取出部のうち前記光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に近接して配置されている、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の導光板と、
前記導光板に導かれる前記画像光を形成する画像形成装置と、
を備える虚像表示装置。
【請求項１】
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、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を前記第１及び第２の全反射面での全反射により導く導光部と、
所定の配列方向に配列され、第１の反射面と前記第１の反射面に対して所定角度をなす第２の反射面とを有して成る複数の反射ユニットで構成され、当該反射ユニットにおいて、前記導光部にて導かれた前記画像光を前記第１の反射面により反射するとともに前記第２の反射面により前記第１の反射面で反射された前記画像光をさらに反射する光路の折り曲げによって、前記画像光を外部へ取出し可能にする画像取出部と、
前記画像取出部を経た前記画像光を外部に射出する光射出面を有する光出射部と、
を備える導光板であって、
前記画像取出部の前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面と前記光射出面との間隔は、前記光入射部側で相対的に広い、導光板。
【請求項２】
前記画像取出部のうち少なくとも１つ以上の反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記少なくとも１つ以上の反射ユニットよりも前記光入射部側に配置される他の反射ユニットの前記第１及び第２の反射面に比較して、前記画像光を多く前記光射出部側に反射するように、前記光射出面に近い位置に配置されている、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記画像取出部のうち最も反光入射部側に配置される反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記画像取出部のうち最も前記光入射部側に配置される反射ユニットの前記第１及び第２の反射面よりも前記光射出面に近い位置に配置されている、請求項１に記載の導光板。
【請求項４】
前記画像取出部のうち前記所定の配列方向に関する反光入射部側の部分領域において、前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、反光入射部側に位置するほど前記光射出面に近い位置に配置されている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項５】
前記画像取出部のうち前記部分領域よりも前記光入射部側の基本領域において、前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記光射出面との間隔を一定に保つように配置されている、請求項４に記載の導光板。
【請求項６】
前記部分領域における前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に対して平行な状態から前記所定の傾斜方向に関して所定角度だけ傾斜している傾斜平面に沿って配置されている、請求項４及び請求項５のいずれか一項に記載の導光板。
【請求項７】
前記部分領域における前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に対して平行な状態から前記所定の傾斜方向に関して傾斜するとともに傾斜角が変化している曲面に沿って配置されている、請求項４及び請求項５のいずれか一項に記載の導光板。
【請求項８】
前記部分領域における前記反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に対する傾斜角が前記所定の配列方向に関する反光入射部側で大きくなる曲面に沿って配置されている、請求項７に記載の導光板。
【請求項９】
前記画像取出部のうち反光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記光射出面に近接して配置されている、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項１０】
前記画像取出部のうち前記光入射部側の少なくとも１つの反射ユニットの前記第１及び第２の反射面は、前記第１の全反射面に近接して配置されている、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の導光板と、
前記導光板に導かれる前記画像光を形成する画像形成装置と、
を備える虚像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−５３３７９（Ｐ２０１２−５３３７９Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９７４３７（Ｐ２０１０−１９７４３７）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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