導光板及びこれを備える虚像表示装置
【課題】画像の解像度低下を抑制できる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】各反射ユニット２３ｃのサイズが、導光部での全反射角度の状態に関連するように画像取出部２３内でＺ方向に沿って変化している。これにより、全ての反射ユニット２３ｃにおいて、入射する画像光の有効光束幅を十分に確保することが可能となる。従って、反射ユニット２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。
【解決手段】各反射ユニット２３ｃのサイズが、導光部での全反射角度の状態に関連するように画像取出部２３内でＺ方向に沿って変化している。これにより、全ての反射ユニット２３ｃにおいて、入射する画像光の有効光束幅を十分に確保することが可能となる。従って、反射ユニット２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。
【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】
上記のように平行な複数の部分反射面を形成した導光板から光束を取り出す場合において、各光束について導光板内での全反射角度の違いから、導光板の導光方向に沿って配置される部分反射面ごとに取り出せる光束の幅に差が生じるので、画像の解像度が局所的に低下する可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、解像度の局所的低下を抑制できる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、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）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、（ｃ）所定の配列方向に配列される複数の反射ユニットを有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射ユニットでの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と、（ｄ）画像取出部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を備える導光板であって、（ｅ）複数の反射ユニットの反射面形状が、当該複数の反射ユニットで折り曲げられる画像光の導光部における全反射角度の大きさに応じて、画像光の解像度低下を抑制するように画像取出部内で所定の配列方向に沿って変化している。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。また、光射出部とは、画像取出部で光路を折り曲げられた画像光を導光板の外部に射出する光射出面又は当該光射出面を含む部分を言う。また、複数の反射ユニットの反射面形状の変化については、例えば複数の反射ユニット間でサイズが異なることが含まれる。
【０００７】
上記導光板において、各反射ユニットの反射面形状が、導光部での全反射角度の状態に応じて画像取出部内で解像度低下を抑制するように変化しているので、各反射ユニットにおいて、サイズを変化させること等の反射面形状の調整によって解像度が過度に低下することを防止できる。特に反射ユニットのサイズを配列方向に沿って変化させる場合、入射する画像光のうち最終的に観察者に認識されうる有効な成分の光束幅である有効光束幅を反射面での拡散又は散乱を前提としつつ十分に広く保つことができる。従って、特定の反射ユニットでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像について局所的な解像度低下を確実に抑制できる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、画像取出部は、全反射角度が相対的に大きい画像光に対して光路の折り曲げを行う第１の反射ユニットと、全反射角度が相対的に小さい画像光に対して光路の折り曲げを行う第２の反射ユニットとを有し、第１の反射ユニットの反射面が、第２の反射ユニットの反射面よりも大きい。この場合、有効光束幅を確保しにくいといった全反射角度が相対的に大きい画像光について、これに対応する第１の反射ユニットの反射面を比較的大きくすることで、十分な有効光束幅を確保できる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部にそれぞれ異なる角度で複数の反射ユニットのいずれかに入射する画像光の光束の入射角度をそれぞれα１、α２とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニットのピッチをそれぞれｄ１、ｄ２とすると、α１＜α２である場合に、ｄ１≦ｄ２となっている。この場合、反射ユニットがこれへの光束の入射角度の変化に対応したピッチを有することで、各画像光の有効光束幅を確保できる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットが、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の反射面とでそれぞれ構成され、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して光路の折り曲げを行う。この場合、第１の反射面と第２の反射面との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのうち光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのサイズが、光入射部側に位置する反射ユニットのサイズよりも大きい。この場合、反射ユニットのサイズの違いにより、反光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅を、光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅と同一又は近似したものにすることができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのうち光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのピッチが、光入射部側に位置する反射ユニットのピッチよりも大きい。この場合、反射ユニットのピッチを調整することで、反光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅を、光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅と同一又は近似したものにすることができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、光射出部の光射出面から画像取出部の各反射ユニットのうち折り曲げられた画像光の射出方向についての先端である射出側端までの距離が、一定である。この場合、各反射ユニットのサイズ又はピッチの選択によって、当該各反射ユニットにおいて画像光を取り込む幅を定めることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのうち、サイズの大きい反射ユニットほど、当該反射ユニットのうち折り曲げた画像光の射出方向についての先端である射出側端が、光射出部に近くなり、複数の反射ユニットが、所定の配列方向について各反射ユニットのサイズに応じて光射出部側にせり出している。この場合、サイズの大きい反射ユニットほど効率的に画像光を取り込むことができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのサイズは、各反射ユニットにそれぞれ入射する画像光の有効光束幅を所定値以上に保つように変化している。この場合、各反射ユニットにおいて画像光の有効光束幅を光束の乱れが重大とならない程度に大きくすることで、画像取出部に入射する全ての画像光の解像度を一定以上の水準に保って反射させることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのピッチが、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの間で変化する。この場合、０．５ｍｍ以上とすることで、散乱・回折等による光束の乱れを低減でき、１．３ｍｍ以下とすることで反射ユニット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。
【００１７】
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、解像度の高い虚像光を射出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】（Ａ）は、導光板内の画像取出部の中央部分の構造を説明する断面図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分の構造を説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図３】画像取出部内での反射ユニットの変化の様子を示す図である。
【図４】（Ａ）は、反射ユニットにおける有効光束幅について説明するための図であり、（Ｂ）は、比較例の図である。
【図５】（Ａ）は、変形例の導光板内の画像取出部の中央部分の構造を説明する断面図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分の構造を説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図６】（Ａ）は、第２実施形態に係る導光板内の画像取出部の画像取出部の奥側の部分の構造を説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図７】第３実施形態に係る導光板内の画像取出部の画像取出部の奥側の部分の構造を説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、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。
【００２０】
〔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。
【００２１】
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、左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。
【００２２】
図１（Ａ）に示すように、画像形成装置１０は、液晶デバイス１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、液晶デバイス１１は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、これらの間に配置される射出角調整部材３３とを有する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１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。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２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コリメートレンズである。射出角調整部材３３は、照明光の射出角度分布を画面内の位置に応じて変化させており、液晶表示デバイス３２から射出される画像光が結果的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。
【００２３】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、角度変換部である画像取出部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。
【００２４】
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に埋め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及びこれに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００２５】
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光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、そのプリズム部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に対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である画像取出部２３が形成されている。
【００２６】
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。
【００２７】
また、導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の画像取出部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。
【００２８】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向し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の奥側即ち画像取出部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。
【００２９】
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、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に略沿ってこの延長平面に近接して形成されている。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。つまり、画像取出部２３は、画像光の角度を変換する角度変換部として機能している。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。画像取出部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。
【００３０】
〔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のうち液晶表示デバイス３２の射出面３２ａ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３２ａ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３２ａ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３２ａ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。
【００３１】
投射光学系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３２ａ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α０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α０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。つまり、標準反射角α０が、画像光ＧＬ１の画像取出部２３への入射角度を決定している。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３２ａ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α＋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のうち反光入射面側（＋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３２ａ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α−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のうち最も光入射面側（−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。
【００３２】
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。なお、図１（Ｂ）に示すように、縦方向即ちＹ方向について見た画像光である画像光ＧＬｙは、光束全体として収束するように導光板２０内を通過する。
【００３３】
〔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２（Ａ）〜２（Ｃ）等を参照して、画像取出部２３の構造及び画像取出部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。なお、図２（Ａ）〜２（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す画像取出部２３の中央部２３ｋと、周辺部２３ｍ，２３ｈとをそれぞれ拡大した模式的な図である。
【００３４】
まず、画像取出部２３の構造について説明する。画像取出部２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、画像取出部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを導光部２２の延びる第１方向即ちＺ方向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、奥側即ち＋Ｚ側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２３ａと、入口側即ち−Ｚ側に配置される他の１つの反射面部分である第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、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、図１（Ａ）等に示す第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列される配列方向であるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２３ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２３ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２（Ａ）等に示す具体例において、各第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ものとしている。また、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して反時計方向に所定角度（相対角度）βをなす方向に延びている。ここで、相対角度βは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００３５】
なお、各第１の反射面２３ａは、画像光の実際の入射面となっているが、本明細書では、全反射面２２ａ，２２ｂを経て各画像光の第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂに入射する画像光の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射角度を画像取出部２３に対する入射角度即ち反射ユニット２３ｃへの入射角度と呼ぶこととする。
【００３６】
本実施形態の場合、図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、互いに断面視相似な形状を有する各反射ユニット２３ｃのサイズ、つまり、図中の破線で示す１つの反射ユニット２３ｃの縦方向（Ｘ方向）についての長さである縦サイズＨＳや横方向（Ｚ方向）についての横サイズＷＳが、各反射ユニット２３ｃで折り曲げられる画像光の導光部２２（図１（Ａ）等参照）における全反射角度、即ち反射ユニット２３ｃ又は画像取出部２３への入射角度に応じて、画像取出部２３内で配列方向即ちＺ方向に関して変化している。より具体的には、まず、図２（Ａ）に示すように、画像取出部２３を構成する多数の反射ユニット２３ｃのうち中央側即ち中央部２３ｋ側に位置する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、平均的な大きさの入射角度α０で入射する画像光ＧＬ１に対応して、中程度のものとなっている。これに対して、図２（Ｂ）に示すように、画像取出部２３の奥側即ち周辺部２３ｍ側に位置する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、比較的大きな入射角度α＋で入射する画像光ＧＬ２に対応して、図２（Ａ）に示す中央の反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳと比較して大きなものとなっている。また、図２（Ｃ）に示すように、画像取出部２３の入口側即ち周辺部２３ｈ側に位置する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、比較的小さな入射角度α−で入射する画像光ＧＬ３に対応して、図２（Ａ）に示す中央の反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳと比較して小さなものとなっている。結果として、図２（Ｃ）の画像光ＧＬ３に対応する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、図２（Ｂ）の画像光ＧＬ２に対応する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳよりも小さくなっている。以上から、画像取出部２３では、全反射角度が相対的に大きい画像光ＧＬ２に対して光路の折り曲げを行う反射ユニット２３ｃ（第１の反射ユニット）と、全反射角度が相対的に小さい画像光ＧＬ１，ＧＬ３に対して光路の折り曲げを行う反射ユニット２３ｃ（第２の反射ユニット）とを比較した場合、画像光ＧＬ２用の第１の反射ユニットの反射面が、画像光ＧＬ１（ＧＬ３）用の第２の反射ユニットの反射面よりも大きいものとなっていることになる。なお、上記では、各反射ユニット２３ｃのサイズについては、縦サイズＨＳ及び横サイズＷＳによって示しているが、各反射ユニット２３ｃの断面形状は互いに相似であるから、このうちの横サイズＷＳに相当するＺ方向についての幅である横幅ｄ（図３参照）のみをもって各反射ユニット２３ｃのサイズの基準とすることができる。
【００３７】
また、画像取出部２３全体では、図３に模式的に示すように、互いに相似な多数の反射ユニット２３ｃは、画像取出部２３の入口側即ち−Ｚ側にあるものほど小さく、奥側即ち＋Ｚ側に行くに従って大きくなり、各反射ユニット２３ｃの頂点Ｐを結んでできる曲線ＬＬ２は、＋Ｚ側に行くに従って深さ方向即ちＸ方向に徐々に増加するように傾斜している。
【００３８】
ここで、反射ユニット２３ｃのサイズを定める横幅ｄは、反射ユニット２３ｃの配列方向即ちＺ方向についての各反射ユニット２３ｃのピッチと考えることができる。具体的には、図３において、反射ユニット２３ｃのうちＺ方向について中央に位置する１つの反射ユニット２３ｃの横幅ｄ０を標準的なピッチｄ０と定めると、この標準的なピッチｄ０に対して、各反射ユニット２３ｃの横幅ｄ即ちピッチｄは、＋Ｚ側に向かって徐々に増加し（ｄ＋＞ｄ０）、−Ｚ側に向かって徐々に減少している（ｄ−＜ｄ０）。また、言い換えると、複数の反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチは、＋Ｚ側に向かって単調に増大するので、複数の反射ユニット２３ｃのうち最も光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から遠い反光入射面側即ち奥側に位置する反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチは、最も光入射面側即ち入口側に位置する反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチよりも大きいものとなっている。反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチを調整することで、各反射ユニット２３ｃに入射する各画像光の有効光束幅を同一又は近似したものにすることができる。
【００３９】
図２（Ａ）〜２（Ｃ）に戻って、画像取出部２３は、深さ方向即ちＸ方向について、一定の厚さＨを有している。つまり、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃの境界部分であり画像取出部２３の各反射ユニット２３ｃの先端即ち画像取出部２３で折り曲げられた画像光ＧＬ１等の射出方向についての射出側端である頂点Ｋを結んだ線ＬＬ１が、光射出面ＯＳに対して平行となっている。従って、導光板２０の厚さ方向（Ｘ方向）について光射出面ＯＳから第２の反射面２３ｂの頂点Ｋまでの距離ＨＴが一定となり、各反射ユニット２３ｃのサイズに応じて、各反射ユニット２３ｃが画像光を取り込める幅を正確に規定することができる。
【００４０】
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。まず、図２（Ａ）に示すように、画像光のうち基準となる中程度の入射角度α０で導かれた画像光ＧＬ１は、画像取出部２３のうち中央側の中央部２３ｋに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、最初に反光入射面側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射面側即ち−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ＧＬ１は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ１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。
【００４１】
また、図２（Ｂ）に示すように、入射角度の最も大きい角度α＋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち最も光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から遠い反光入射面側即ち＋Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、図２（Ａ）の画像光ＧＬ１の場合と同様に、最初に反光入射面側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射面側即ち−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。
【００４２】
また、図２（Ｃ）に示すように、入射角度の最も小さい角度α−で導かれた画像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち最も近い光入射面側即ち−Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、図２（Ａ）の画像光ＧＬ１等の場合と同様に、最初に反光入射面側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射面側即ち−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。
【００４３】
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２（Ａ）〜２（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ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−β）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、画像取出部２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角度α０，α＋，α−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２３ｍ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２３ｈ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。
【００４４】
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即ち光軸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θ２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ３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θ２，θ３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θ２と角度θ３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。
【００４５】
〔Ｄ．画像光の有効光束幅〕
以下、図４（Ａ）等により、画像取出部２３即ち反射ユニット２３ｃで取り出される画像光の有効光束幅を確保して画像光の解像度の局所的低下の抑制する原理について説明する。図４（Ａ）は、比較的入射角度の大きな画像光ＧＬを反射する反射ユニット２３ｃを例示するものであり、画像取出部２３の奥側即ち＋Ｚ側である周辺部２３ｍ側に位置するものの拡大図である。画像取出部２３での画像光の取り出しにおける解像度の低下は、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ上のキズ等による欠陥といった鏡面精度に起因する。このため、各反射ユニット２３ｃで最終的に取り出される画像光の有効光束幅Ｗがある程度の大きさ以上に保たれていれば、解像度低下が抑制される。しかしながら、特に、図４（Ａ）に示すような周辺部２３ｍ側にある反射ユニット２３ｃでは、画像光ＧＬを入射させる際の入射光束幅Ｘが制限されて小さくなりやすく、有効光束幅Ｗの値を確保することは、必ずしも容易でない。つまり、画像光ＧＬの入射光束幅Ｘを確保することが解像度の局所的低下の抑制のために重要な問題となる。なお、図示のように、入射光束幅Ｘで反射ユニット２３ｃに入射した画像光ＧＬは、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでその幅を保って有効光束幅Ｗとして射出される。
【００４６】
ここで、入射光束幅Ｘの値は、入射角度αと、反射ユニット２３ｃの開口ＯＰの大きさ即ち反射ユニット２３ｃのサイズを示す横幅ｄとによって定まる。より具体的に説明すると、まず、開口ＯＰの両端である頂点Ｋのうち奥側及び入口側のものをそれぞれ頂点Ｋ１，Ｋ２とすると、画像光ＧＬは、頂点Ｋ１を通る成分から頂点Ｋ２を通る成分までの範囲で取り込まれることになる。つまり、頂点Ｋ１を通る成分を示す線ＰＰ１から頂点Ｋ２を通る成分を示す線ＰＰ２までの幅が、画像光ＧＬの入射光束幅Ｘとなる。また、ここで、頂点Ｋ１から線ＰＰ２に下ろした足を交点Ｑとすると、頂点Ｋ１，Ｋ２及び交点Ｑによる直角三角形から、入射光束幅Ｘは、
Ｘ＝ｄ×ｓｉｎ（Ｒ−α）… （１）
となる。つまり、周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃのように入射角度αが大きくなる場合、入射光束幅Ｘの値をある程度大きいものとして確保するには、上式（１）に応じて横幅ｄを大きくする必要がある。本実施形態では、図３等に示すように、入射する画像光の入射角度即ち全反射角度に応じて、各反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチを変化させており、特に、画像光の入射角度が大きいものほどサイズ又はピッチを大きくすることで、いずれの反射ユニット２３ｃに入射する画像光についても、その入射光束幅を十分大きなものとすることができる。
【００４７】
例えば、比較例として図４（Ｂ）に示すように、周辺部２３ｍ側において比較的大きい入射角度αの画像光ＧＬを入射させるにもかかわらず、周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃが周辺部２３ｈ側の反射ユニット２３ｃ（図２（Ｃ）等参照）と同サイズの横幅である（即ち図４（Ｂ）の横幅ｄ'が小さいままである）と、周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃにおいて取り込むことのできる入射光束幅Ｘ'が小さくなり、結果として取り出される有効光束幅Ｗ'も小さくなり、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの反射において、画像光ＧＬの解像度が低下する可能性がある。これに対して、本実施形態では、図４（Ａ）等に示す周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃに代表されるように画像光ＧＬの有効光束幅Ｗを確保しにくい画像取出部２３の奥側において、上式（１）を考慮して横幅ｄの値を適切に大きくすることで、画像取出部２３のうち特に奥側の反射ユニット２３ｃでの反射に際して生じやすい解像度の低下（局所的低下）を抑制できる。
【００４８】
ここで、図２（Ｂ）に示す有効光束幅のうち最も確保し難い画像光ＧＬ２の有効光束幅Ｗ２について考察するために、まず、導光板２０の屈折率をｎｄとし、観察者に認識される画像の最大画角をωとする。この場合、図２（Ｂ）に示す角度の関係から、画像光ＧＬ２に対応する入射角度α＋と角度ψについて、
ｓｉｎ（α＋−ψ）×ｎｄ＝ｓｉｎω
と表される。つまり、入射角度α＋は、
α＋＝ψ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎω／ｎｄ）
＝２×（Ｒ−β）＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎω／ｎｄ）… （２）
と表される。従って、一例として、ｎｄ＝１．５、ω＝１５°とし、β＝５４．７°とすると、反射角度は、α＋≒８０°となる。この値に応じて、（１）式から画像光ＧＬ２の入射光束幅Ｘ即ち有効光束幅Ｗを一定値以上に確保するような横幅ｄ＋の値を算出することができる。つまり、以上の関係に基づいて横幅ｄ＋を適宜設定することで、画像光ＧＬ２について十分な光束幅を得ることができる。例えば図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、各反射ユニット２３ｃのサイズの単調増加を基調としつつ、周辺光である画像光ＧＬ２の有効光束幅Ｗ２と画像光ＧＬ３の有効光束幅Ｗ３とが略同じ程度となるように対応する各反射ユニット２３ｃのサイズを調整することで、全ての画像光の有効光束幅を一定の値以上にすることが考えられる。また、この際、例えば、反射ユニット２３ｃの横幅ｄの具体的な数値範囲を、０．２ｍｍ以上、より好ましい一例としては、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの範囲で変化させる。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光の有効光束幅を確保できるとともに、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。
【００４９】
以上で説明した本実施形態の導光板２０によれば、多数の反射ユニット２３ｃの反射面形状の変化の一例として、各反射ユニット２３ｃのサイズが、導光部２２での全反射角度の状態に応じて画像取出部２３内でＺ方向に沿って変化している。これにより、全ての反射ユニット２３ｃにおいて、入射する画像光の有効光束幅を十分に確保することが可能となる。従って、反射ユニット２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。
【００５０】
また、図３において各反射ユニット２３ｃの頂点Ｐを結んでできる曲線ＬＬ２つまり各反射ユニット２３ｃのサイズは、＋Ｚ側に向かって単調に増大するように変化するものとしているが、画像光の有効光束幅を一定の値以上に確保できれば、曲線ＬＬ２がこれ以外の形状の曲線や直線等となってもよい。つまり、各反射ユニット２３ｃのサイズの変化の度合いは、虚像表示装置１００の光学的な仕様に応じて適宜調整することができる。
【００５１】
上記について、例えば一変形例として図５（Ａ）〜５（Ｃ）に示すように、画像取出部２３の複数の反射ユニット２３ｃを変化させてもよい。具体的には、図５（Ａ）及び図５（Ｃ）に示すような入口側の周辺部２３ｈから中心側の中央部２３ｋにかけての各反射ユニット２３ｃについては、奥側に向けてサイズを多少増減させつつ略一定のサイズとし、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すような中心側の中央部２３ｋから奥側の周辺部２３ｍにかけての各反射ユニット２３ｃについては、奥側に向けてサイズを徐々に大きくする、という態様も可能である。この場合、図示のように、中央部２３ｋで反射される画像光ＧＬ１の有効光束幅Ｗ１を、他の有効光束幅Ｗ２，Ｗ３と略同じになるように調整できる。また、例えば、画像取出部２３の入口側に入射する画像光の成分が、反射面２３ａ，２３ｂの深い側即ち＋Ｘ側に入り込んで反射ユニット２３ｃで反射して取り出されるまでの間に一部カットされる可能性があるような態様では、入口側の反射ユニット２３ｃのサイズを大きくすることで、有効光束幅を確保してもよい。この場合、例えば、中央部２３ｋ付近の反射ユニット２３ｃのサイズを最も小さくし、周辺部２３ｍと周辺部２３ｈに向かって徐々に反射ユニット２３ｃのサイズをそれぞれ大きくしていくものとすればよい。
【００５２】
また、同一サイズの反射ユニット２３ｃを複数個配列したものを１ブロックとし、当該ブロックを多数配列される反射ユニット２３ｃ中に少なくとも１つ以上含まれるようにすることで、反射ユニット２３ｃサイズ又はピッチが段階的に変化する画像取出部２３を構成してもよい。この場合、画像光の光束の入射角度をそれぞれ角度α１、α２とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニット２３ｃのピッチをそれぞれピッチｄ１、ｄ２とすると、同一のブロック内においては、α１＜α２であっても、ｄ１＝ｄ２となり、画像取出部２３全体では、任意のα１＜α２について、ｄ１≦ｄ２とすることができる。なお、図３の場合、任意のα１＜α２について、ｄ１＜ｄ２となっている。
【００５３】
以上のように、反射ユニット２３ｃのサイズの変化の度合いについては、種々の態様が可能であり、例えば、各反射ユニット２３ｃのサイズを１つずつ調整して、各反射ユニット２３ｃから射出される画像光の有効光束幅が全て一致するようにしてもよい。
【００５４】
なお、図２（Ａ）等に示す例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、有効光束幅Ｗが確保できれば、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整可能である。例えば、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として反時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２３ｂの方向は、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として反時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して４０°から７０°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
以下、図６（Ａ）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１２０は、画像取出部の構造を除いて図１（Ａ）等に示す導光板２０と同様の構造を有するため、図６（Ａ）及び６（Ｂ）においては、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す画像取出部２３に対応する画像取出部１２３の一部及びその周辺について拡大した模式的な図のみを示し、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。
【００５６】
導光板１２０において、画像取出部１２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット１２３ｃで構成され、各反射ユニット１２３ｃは、図２（Ａ）等の各反射ユニット２３ｃと同様に、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状を形成する第１の反射面１２３ａと第２の反射面１２３ｂとを１組のものとして、Ｚ方向に配列されている。
【００５７】
ここで、図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すように、各反射ユニット１２３ｃのサイズ又はピッチは、奥側即ち＋Ｚ側のものほど大きなものとなっている。この場合、画像取出部１２３の奥側即ち周辺部１２３ｍ側に位置して画像光ＧＬ２に対応する反射ユニット１２３ｃのサイズが最も大きく、画像取出部１２３の入口側即ち周辺部１２３ｈ側に位置して画像光ＧＬ３に対応する反射ユニット１２３ｃのサイズが最も小さいものとなる。特に、ここでは、画像取出部１２３の厚さが、深さ方向即ちＸ方向について一定ではなく、反射ユニット１２３ｃのサイズに従って変化している。具体的には、サイズの大きな反射ユニット１２３ｃほどその射出側端である頂点Ｋが光射出面ＯＳ側即ち−Ｘ側にせり出して頂点Ｋが光射出面ＯＳに近づいており、図６（Ａ）に示す奥側即ち＋Ｚ側における画像取出部１２３のＸ方向についての厚さＨ２は、図６（Ｂ）に示す入口側における画像取出部１２３の厚さＨ３よりも大きくなっている。言い換えると、図６（Ａ）に示す画像光ＧＬ２に対応する反射ユニット１２３ｃの射出側端である頂点ＫＫ２から光射出面ＯＳまでの距離ＨＴ２は、図６（Ｂ）に示す画像光ＧＬ３に対応する反射ユニット１２３ｃの射出側端である頂点ＫＫ３から光射出面ＯＳまでの距離ＨＴ３よりも短くなっている。これにより、画像光の入射角度が大きく、これに応じてサイズを大きくしている反射ユニット１２３ｃほど効率的に画像光を取り込むようにしている。なお、画像取出部１２３のせり出しの度合いは、光学的な仕様に応じて種々調整できる。
【００５８】
以上説明した第２実施形態の導光板１２０によれば、各反射ユニット１２３ｃのサイズが、全反射角度即ち入射角度の状態に関連するように画像取出部１２３内でＺ方向に沿って変化しており、また、サイズの大きな反射ユニット１２３ｃほど光射出面ＯＳ側にせり出している。これにより、画像光の有効光束幅を十分に確保して、反射ユニット２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。また、画像取出部１２３において、効率的に画像光を取り込むことができる。
【００５９】
〔第３実施形態〕
以下、図７（Ａ）等により、第１実施形態等を変形した第３実施形態について説明する。本実施形態に係る導光板２２０は、画像取出部の構造を除いて図１（Ａ）等に示す導光板２０と同様の構造を有するため、図７（Ａ）及び７（Ｂ）においては、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す画像取出部２３に対応する画像取出部２２３の一部及びその周辺について拡大した模式的な図のみを示し、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。
【００６０】
以下、本実施形態に係る導光板２２０の画像取出部２２３の詳しい構造について説明する。図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示すように、画像取出部２２３は、多数の画像光反射面２２３ａで構成され、各画像光反射面２２３ａは、画像光反射面２２３ａの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向に延びている。多数の画像光反射面２２３ａは、互いに平行であり、第１の全反射面２２ａに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、各画像光反射面２２３ａ間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部２２３ｂによって繋がれている。結果的に、画像光反射面２２３ａは、Ｚ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。ここでは、１つの画像光反射面２２３ａとこれに隣接する１つの境界部２２３ｂとを１組として反射ユニット２２３ｃと呼ぶこととする。
【００６１】
以下、画像光の各成分のうち、画像取出部２２３の両端側に入射する画像光ＧＬａ及び画像光ＧＬｂについて説明する。前提として、画像光ＧＬａ，ＧＬｂを含む画像光は、図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示す導光板２０に光入射面ＩＳから入射し、入射光折曲部２１で反射され、全体として、導光部２２において−Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に進み、図７（Ａ）等に示すように導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返して導光されて、画像取出部２２３に到る。まず、図７（Ａ）に示すように、最小反射角α−で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬａは、画像取出部２２３をＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、眼ＥＹの中心軸である光軸ＡＸに対して角度θ２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。なお、ここでは、画像光ＧＬａの反射角α−を画像光反射面２２３ａに対する入射角度とする。
【００６２】
一方、図７（Ｂ）に示すように、最大反射角α＋で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬｂは、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、ここでは、画像光ＧＬｂの反射角α＋を画像光反射面２２３ａに対する入射角度とする。
【００６３】
なお、画像光ＧＬａの角度θ２と画像光ＧＬｂの角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。
【００６４】
ここで、各反射ユニット２２３ｃ即ち画像光反射面２２３ａのサイズ又はピッチは、入口側即ち−Ｚ側のものほど大きなものとなっている。具体的には、画像取出部２２３の入口側即ち周辺部２２３ｈ側に位置して画像光ＧＬｂに対応する画像光反射面２２３ａのサイズが最も大きく、画像取出部２２３の奥側即ち周辺部２２３ｍ側に位置して画像光ＧＬａに対応する画像光反射面２２３ａのサイズが最も小さいものとなっている。つまり、全反射面２２ａ，２２ｂでの反射角即ち画像取出部２２３への入射角度について大きな角度の画像光に対応する画像光反射面２２３ａほど大きなサイズとなっている。これにより、全ての画像光の有効光束幅を一定値以上となるようにすることができる。
【００６５】
以上のように、第３実施形態においても、各反射ユニット２２３ｃのサイズ又はピッチが、全反射角度即ち入射角度の状態に関連するように画像取出部２２３内でＺ方向に沿って変化している。これにより、画像光の有効光束幅を十分に確保して、反射ユニット２２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。なお、上記において、画像取出部２２３の深さ方向即ちＸ方向について厚さは一定となっているが、当該厚さを反射ユニット２２３ｃのサイズに応じて変化させてもよい。
【００６６】
〔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。
【００６７】
上記の説明では、多数の反射ユニット２３ｃの反射面形状の変化の一例として、各反射ユニット２３ｃのサイズを変化させるものとしているが、反射面形状の変化としては、上記のほか、又は上記に加えて、例えば画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの向きを変化させてもよい。つまり、反射ユニット２３ｃの向きをＹ軸のまわりに微小回転させて方向の調整を行うこともできる。この際、すべての反射ユニット２３ｃにおける相対角度β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。
【００６８】
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ー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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…投射光学系、 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、 ２３，１２３，２２３…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、 ＡＸ…光軸、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬａ，ＧＬｂ…画像光、 ＩＳ…光入射面（光入射部）、 ＯＡ…光軸、 ＯＳ…光射出面（光射出部）、 ＰＳ…プリズム部、 ｄ…横幅（ピッチ）、 α…入射角度（全反射角度）、 Ｋ，ＫＫ２，ＫＫ３…頂点（射出側端）、 ＨＳ…縦サイズ（反射ユニットのサイズ）、 ＷＳ…横サイズ（反射ユニットのサイズ）
【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】
上記のように平行な複数の部分反射面を形成した導光板から光束を取り出す場合において、各光束について導光板内での全反射角度の違いから、導光板の導光方向に沿って配置される部分反射面ごとに取り出せる光束の幅に差が生じるので、画像の解像度が局所的に低下する可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、解像度の局所的低下を抑制できる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、（ａ）画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｂ）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、（ｃ）所定の配列方向に配列される複数の反射ユニットを有し導光部を経て入射する画像光を複数の反射ユニットでの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と、（ｄ）画像取出部を経た画像光を外部に射出する光射出部と、を備える導光板であって、（ｅ）複数の反射ユニットの反射面形状が、当該複数の反射ユニットで折り曲げられる画像光の導光部における全反射角度の大きさに応じて、画像光の解像度低下を抑制するように画像取出部内で所定の配列方向に沿って変化している。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。また、光射出部とは、画像取出部で光路を折り曲げられた画像光を導光板の外部に射出する光射出面又は当該光射出面を含む部分を言う。また、複数の反射ユニットの反射面形状の変化については、例えば複数の反射ユニット間でサイズが異なることが含まれる。
【０００７】
上記導光板において、各反射ユニットの反射面形状が、導光部での全反射角度の状態に応じて画像取出部内で解像度低下を抑制するように変化しているので、各反射ユニットにおいて、サイズを変化させること等の反射面形状の調整によって解像度が過度に低下することを防止できる。特に反射ユニットのサイズを配列方向に沿って変化させる場合、入射する画像光のうち最終的に観察者に認識されうる有効な成分の光束幅である有効光束幅を反射面での拡散又は散乱を前提としつつ十分に広く保つことができる。従って、特定の反射ユニットでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像について局所的な解像度低下を確実に抑制できる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、画像取出部は、全反射角度が相対的に大きい画像光に対して光路の折り曲げを行う第１の反射ユニットと、全反射角度が相対的に小さい画像光に対して光路の折り曲げを行う第２の反射ユニットとを有し、第１の反射ユニットの反射面が、第２の反射ユニットの反射面よりも大きい。この場合、有効光束幅を確保しにくいといった全反射角度が相対的に大きい画像光について、これに対応する第１の反射ユニットの反射面を比較的大きくすることで、十分な有効光束幅を確保できる。
【０００９】
本発明のさらに別の側面では、画像取出部にそれぞれ異なる角度で複数の反射ユニットのいずれかに入射する画像光の光束の入射角度をそれぞれα１、α２とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニットのピッチをそれぞれｄ１、ｄ２とすると、α１＜α２である場合に、ｄ１≦ｄ２となっている。この場合、反射ユニットがこれへの光束の入射角度の変化に対応したピッチを有することで、各画像光の有効光束幅を確保できる。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットが、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の反射面とでそれぞれ構成され、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して光路の折り曲げを行う。この場合、第１の反射面と第２の反射面との２段階の反射で画像光の取出しが可能となる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのうち光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのサイズが、光入射部側に位置する反射ユニットのサイズよりも大きい。この場合、反射ユニットのサイズの違いにより、反光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅を、光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅と同一又は近似したものにすることができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのうち光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのピッチが、光入射部側に位置する反射ユニットのピッチよりも大きい。この場合、反射ユニットのピッチを調整することで、反光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅を、光入射部側に位置する反射ユニットから取り出される光束の有効光束幅と同一又は近似したものにすることができる。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、光射出部の光射出面から画像取出部の各反射ユニットのうち折り曲げられた画像光の射出方向についての先端である射出側端までの距離が、一定である。この場合、各反射ユニットのサイズ又はピッチの選択によって、当該各反射ユニットにおいて画像光を取り込む幅を定めることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのうち、サイズの大きい反射ユニットほど、当該反射ユニットのうち折り曲げた画像光の射出方向についての先端である射出側端が、光射出部に近くなり、複数の反射ユニットが、所定の配列方向について各反射ユニットのサイズに応じて光射出部側にせり出している。この場合、サイズの大きい反射ユニットほど効率的に画像光を取り込むことができる。
【００１５】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのサイズは、各反射ユニットにそれぞれ入射する画像光の有効光束幅を所定値以上に保つように変化している。この場合、各反射ユニットにおいて画像光の有効光束幅を光束の乱れが重大とならない程度に大きくすることで、画像取出部に入射する全ての画像光の解像度を一定以上の水準に保って反射させることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の側面では、複数の反射ユニットのピッチが、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの間で変化する。この場合、０．５ｍｍ以上とすることで、散乱・回折等による光束の乱れを低減でき、１．３ｍｍ以下とすることで反射ユニット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。
【００１７】
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、解像度の高い虚像光を射出させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】（Ａ）は、導光板内の画像取出部の中央部分の構造を説明する断面図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分の構造を説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図３】画像取出部内での反射ユニットの変化の様子を示す図である。
【図４】（Ａ）は、反射ユニットにおける有効光束幅について説明するための図であり、（Ｂ）は、比較例の図である。
【図５】（Ａ）は、変形例の導光板内の画像取出部の中央部分の構造を説明する断面図であり、（Ｂ）は、画像取出部の奥側の部分の構造を説明する断面図であり、（Ｃ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図６】（Ａ）は、第２実施形態に係る導光板内の画像取出部の画像取出部の奥側の部分の構造を説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【図７】第３実施形態に係る導光板内の画像取出部の画像取出部の奥側の部分の構造を説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の入口側の部分の構造を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、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。
【００２０】
〔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。
【００２１】
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、左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。
【００２２】
図１（Ａ）に示すように、画像形成装置１０は、液晶デバイス１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、液晶デバイス１１は、２次元的な照明光を射出する照明装置３１と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス３２と、これらの間に配置される射出角調整部材３３とを有する。液晶表示デバイス３２は、照明装置３１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。投射光学系１２は、液晶表示デバイス３２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コリメートレンズである。射出角調整部材３３は、照明光の射出角度分布を画面内の位置に応じて変化させており、液晶表示デバイス３２から射出される画像光が結果的に観察者の眼ＥＹに入射するように調整している。
【００２３】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、導光板２０は、導光板本体部２０ａと、入射光折曲部２１と、角度変換部である画像取出部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。
【００２４】
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に埋め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及びこれに付随する入射光折曲部２１を有する構造となっている。
【００２５】
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光射出部である光射出面ＯＳとを有している。導光板本体部２０ａは、そのプリズム部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に対して傾斜した状態で配置される入射光折曲部２１として機能する。また、導光板本体部２０ａにおいて、光射出面ＯＳの裏側の平面に沿って微細構造である画像取出部２３が形成されている。
【００２６】
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。
【００２７】
また、導光板本体部２０ａは、入口側の入射光折曲部２１から奥側の画像取出部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。
【００２８】
導光部２２は、平板状の導光板本体部２０ａの主面であり互いに対向し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の奥側即ち画像取出部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。
【００２９】
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、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａの延長平面に略沿ってこの延長平面に近接して形成されている。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。つまり、画像取出部２３は、画像光の角度を変換する角度変換部として機能している。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。画像取出部２３の詳しい構造については、図２（Ａ）等により後述する。
【００３０】
〔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のうち液晶表示デバイス３２の射出面３２ａ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３２ａ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３２ａ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３２ａ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。
【００３１】
投射光学系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３２ａ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α０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α０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。つまり、標準反射角α０が、画像光ＧＬ１の画像取出部２３への入射角度を決定している。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３２ａ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α＋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のうち反光入射面側（＋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３２ａ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α−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のうち最も光入射面側（−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。
【００３２】
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。なお、図１（Ｂ）に示すように、縦方向即ちＹ方向について見た画像光である画像光ＧＬｙは、光束全体として収束するように導光板２０内を通過する。
【００３３】
〔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２（Ａ）〜２（Ｃ）等を参照して、画像取出部２３の構造及び画像取出部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。なお、図２（Ａ）〜２（Ｃ）は、図１（Ａ）に示す画像取出部２３の中央部２３ｋと、周辺部２３ｍ，２３ｈとをそれぞれ拡大した模式的な図である。
【００３４】
まず、画像取出部２３の構造について説明する。画像取出部２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット２３ｃで構成される。つまり、画像取出部２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２３ｃを導光部２２の延びる第１方向即ちＺ方向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、奥側即ち＋Ｚ側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２３ａと、入口側即ち−Ｚ側に配置される他の１つの反射面部分である第２の反射面２３ｂとを１組のものとして有する。これらのうち、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、図１（Ａ）等に示す第１の全反射面２２ａに平行で反射ユニット２３ｃの配列される配列方向であるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂは、当該長手方向を軸として、第１の全反射面２２ａに対してそれぞれ異なる角度（即ちＹＺ面に対してそれぞれ異なる角度）で傾斜している。結果的に、第１の反射面２３ａは、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延び、第２の反射面２３ｂも、周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。図２（Ａ）等に示す具体例において、各第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ものとしている。また、各第２の反射面２３ｂは、対応する第１の反射面２３ａに対して反時計方向に所定角度（相対角度）βをなす方向に延びている。ここで、相対角度βは、具体例において例えば５４．７°となっているものとする。
【００３５】
なお、各第１の反射面２３ａは、画像光の実際の入射面となっているが、本明細書では、全反射面２２ａ，２２ｂを経て各画像光の第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂに入射する画像光の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射角度を画像取出部２３に対する入射角度即ち反射ユニット２３ｃへの入射角度と呼ぶこととする。
【００３６】
本実施形態の場合、図２（Ａ）〜２（Ｃ）に示すように、互いに断面視相似な形状を有する各反射ユニット２３ｃのサイズ、つまり、図中の破線で示す１つの反射ユニット２３ｃの縦方向（Ｘ方向）についての長さである縦サイズＨＳや横方向（Ｚ方向）についての横サイズＷＳが、各反射ユニット２３ｃで折り曲げられる画像光の導光部２２（図１（Ａ）等参照）における全反射角度、即ち反射ユニット２３ｃ又は画像取出部２３への入射角度に応じて、画像取出部２３内で配列方向即ちＺ方向に関して変化している。より具体的には、まず、図２（Ａ）に示すように、画像取出部２３を構成する多数の反射ユニット２３ｃのうち中央側即ち中央部２３ｋ側に位置する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、平均的な大きさの入射角度α０で入射する画像光ＧＬ１に対応して、中程度のものとなっている。これに対して、図２（Ｂ）に示すように、画像取出部２３の奥側即ち周辺部２３ｍ側に位置する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、比較的大きな入射角度α＋で入射する画像光ＧＬ２に対応して、図２（Ａ）に示す中央の反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳと比較して大きなものとなっている。また、図２（Ｃ）に示すように、画像取出部２３の入口側即ち周辺部２３ｈ側に位置する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、比較的小さな入射角度α−で入射する画像光ＧＬ３に対応して、図２（Ａ）に示す中央の反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳと比較して小さなものとなっている。結果として、図２（Ｃ）の画像光ＧＬ３に対応する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳは、図２（Ｂ）の画像光ＧＬ２に対応する反射ユニット２３ｃの縦及び横サイズＨＳ，ＷＳよりも小さくなっている。以上から、画像取出部２３では、全反射角度が相対的に大きい画像光ＧＬ２に対して光路の折り曲げを行う反射ユニット２３ｃ（第１の反射ユニット）と、全反射角度が相対的に小さい画像光ＧＬ１，ＧＬ３に対して光路の折り曲げを行う反射ユニット２３ｃ（第２の反射ユニット）とを比較した場合、画像光ＧＬ２用の第１の反射ユニットの反射面が、画像光ＧＬ１（ＧＬ３）用の第２の反射ユニットの反射面よりも大きいものとなっていることになる。なお、上記では、各反射ユニット２３ｃのサイズについては、縦サイズＨＳ及び横サイズＷＳによって示しているが、各反射ユニット２３ｃの断面形状は互いに相似であるから、このうちの横サイズＷＳに相当するＺ方向についての幅である横幅ｄ（図３参照）のみをもって各反射ユニット２３ｃのサイズの基準とすることができる。
【００３７】
また、画像取出部２３全体では、図３に模式的に示すように、互いに相似な多数の反射ユニット２３ｃは、画像取出部２３の入口側即ち−Ｚ側にあるものほど小さく、奥側即ち＋Ｚ側に行くに従って大きくなり、各反射ユニット２３ｃの頂点Ｐを結んでできる曲線ＬＬ２は、＋Ｚ側に行くに従って深さ方向即ちＸ方向に徐々に増加するように傾斜している。
【００３８】
ここで、反射ユニット２３ｃのサイズを定める横幅ｄは、反射ユニット２３ｃの配列方向即ちＺ方向についての各反射ユニット２３ｃのピッチと考えることができる。具体的には、図３において、反射ユニット２３ｃのうちＺ方向について中央に位置する１つの反射ユニット２３ｃの横幅ｄ０を標準的なピッチｄ０と定めると、この標準的なピッチｄ０に対して、各反射ユニット２３ｃの横幅ｄ即ちピッチｄは、＋Ｚ側に向かって徐々に増加し（ｄ＋＞ｄ０）、−Ｚ側に向かって徐々に減少している（ｄ−＜ｄ０）。また、言い換えると、複数の反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチは、＋Ｚ側に向かって単調に増大するので、複数の反射ユニット２３ｃのうち最も光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から遠い反光入射面側即ち奥側に位置する反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチは、最も光入射面側即ち入口側に位置する反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチよりも大きいものとなっている。反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチを調整することで、各反射ユニット２３ｃに入射する各画像光の有効光束幅を同一又は近似したものにすることができる。
【００３９】
図２（Ａ）〜２（Ｃ）に戻って、画像取出部２３は、深さ方向即ちＸ方向について、一定の厚さＨを有している。つまり、画像取出部２３を構成する各反射ユニット２３ｃの境界部分であり画像取出部２３の各反射ユニット２３ｃの先端即ち画像取出部２３で折り曲げられた画像光ＧＬ１等の射出方向についての射出側端である頂点Ｋを結んだ線ＬＬ１が、光射出面ＯＳに対して平行となっている。従って、導光板２０の厚さ方向（Ｘ方向）について光射出面ＯＳから第２の反射面２３ｂの頂点Ｋまでの距離ＨＴが一定となり、各反射ユニット２３ｃのサイズに応じて、各反射ユニット２３ｃが画像光を取り込める幅を正確に規定することができる。
【００４０】
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。まず、図２（Ａ）に示すように、画像光のうち基準となる中程度の入射角度α０で導かれた画像光ＧＬ１は、画像取出部２３のうち中央側の中央部２３ｋに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、最初に反光入射面側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射面側即ち−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ＧＬ１は、他の反射ユニット２３ｃを経ることなく光射出面ＯＳから射出される。つまり、画像光ＧＬ１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。
【００４１】
また、図２（Ｂ）に示すように、入射角度の最も大きい角度α＋で導かれた画像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち最も光入射面ＩＳ（図１（Ａ）参照）から遠い反光入射面側即ち＋Ｚ側の周辺部２３ｍに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、図２（Ａ）の画像光ＧＬ１の場合と同様に、最初に反光入射面側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射面側即ち−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。
【００４２】
また、図２（Ｃ）に示すように、入射角度の最も小さい角度α−で導かれた画像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち最も近い光入射面側即ち−Ｚ側の周辺部２３ｈに配置された１つの反射ユニット２３ｃに入射し、図２（Ａ）の画像光ＧＬ１等の場合と同様に、最初に反光入射面側即ち＋Ｚ側の第１の反射面２３ａで反射され、次に、光入射面側即ち−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。
【００４３】
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２（Ａ）〜２（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ψは、いずれもψ＝２（Ｒ−β）（Ｒ：直角）となる。つまり、折り曲げ角ψは、画像取出部２３に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角度α０，α＋，α−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２３ｍ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２３ｈ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。
【００４４】
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即ち光軸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θ２と、他端の画像光ＧＬ３のＸ方向又は光軸ＡＸに対する角度θ３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θ２，θ３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θ２と角度θ３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。
【００４５】
〔Ｄ．画像光の有効光束幅〕
以下、図４（Ａ）等により、画像取出部２３即ち反射ユニット２３ｃで取り出される画像光の有効光束幅を確保して画像光の解像度の局所的低下の抑制する原理について説明する。図４（Ａ）は、比較的入射角度の大きな画像光ＧＬを反射する反射ユニット２３ｃを例示するものであり、画像取出部２３の奥側即ち＋Ｚ側である周辺部２３ｍ側に位置するものの拡大図である。画像取出部２３での画像光の取り出しにおける解像度の低下は、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂ上のキズ等による欠陥といった鏡面精度に起因する。このため、各反射ユニット２３ｃで最終的に取り出される画像光の有効光束幅Ｗがある程度の大きさ以上に保たれていれば、解像度低下が抑制される。しかしながら、特に、図４（Ａ）に示すような周辺部２３ｍ側にある反射ユニット２３ｃでは、画像光ＧＬを入射させる際の入射光束幅Ｘが制限されて小さくなりやすく、有効光束幅Ｗの値を確保することは、必ずしも容易でない。つまり、画像光ＧＬの入射光束幅Ｘを確保することが解像度の局所的低下の抑制のために重要な問題となる。なお、図示のように、入射光束幅Ｘで反射ユニット２３ｃに入射した画像光ＧＬは、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでその幅を保って有効光束幅Ｗとして射出される。
【００４６】
ここで、入射光束幅Ｘの値は、入射角度αと、反射ユニット２３ｃの開口ＯＰの大きさ即ち反射ユニット２３ｃのサイズを示す横幅ｄとによって定まる。より具体的に説明すると、まず、開口ＯＰの両端である頂点Ｋのうち奥側及び入口側のものをそれぞれ頂点Ｋ１，Ｋ２とすると、画像光ＧＬは、頂点Ｋ１を通る成分から頂点Ｋ２を通る成分までの範囲で取り込まれることになる。つまり、頂点Ｋ１を通る成分を示す線ＰＰ１から頂点Ｋ２を通る成分を示す線ＰＰ２までの幅が、画像光ＧＬの入射光束幅Ｘとなる。また、ここで、頂点Ｋ１から線ＰＰ２に下ろした足を交点Ｑとすると、頂点Ｋ１，Ｋ２及び交点Ｑによる直角三角形から、入射光束幅Ｘは、
Ｘ＝ｄ×ｓｉｎ（Ｒ−α）… （１）
となる。つまり、周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃのように入射角度αが大きくなる場合、入射光束幅Ｘの値をある程度大きいものとして確保するには、上式（１）に応じて横幅ｄを大きくする必要がある。本実施形態では、図３等に示すように、入射する画像光の入射角度即ち全反射角度に応じて、各反射ユニット２３ｃのサイズ又はピッチを変化させており、特に、画像光の入射角度が大きいものほどサイズ又はピッチを大きくすることで、いずれの反射ユニット２３ｃに入射する画像光についても、その入射光束幅を十分大きなものとすることができる。
【００４７】
例えば、比較例として図４（Ｂ）に示すように、周辺部２３ｍ側において比較的大きい入射角度αの画像光ＧＬを入射させるにもかかわらず、周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃが周辺部２３ｈ側の反射ユニット２３ｃ（図２（Ｃ）等参照）と同サイズの横幅である（即ち図４（Ｂ）の横幅ｄ'が小さいままである）と、周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃにおいて取り込むことのできる入射光束幅Ｘ'が小さくなり、結果として取り出される有効光束幅Ｗ'も小さくなり、第１及び第２の反射面２３ａ，２３ｂでの反射において、画像光ＧＬの解像度が低下する可能性がある。これに対して、本実施形態では、図４（Ａ）等に示す周辺部２３ｍ側の反射ユニット２３ｃに代表されるように画像光ＧＬの有効光束幅Ｗを確保しにくい画像取出部２３の奥側において、上式（１）を考慮して横幅ｄの値を適切に大きくすることで、画像取出部２３のうち特に奥側の反射ユニット２３ｃでの反射に際して生じやすい解像度の低下（局所的低下）を抑制できる。
【００４８】
ここで、図２（Ｂ）に示す有効光束幅のうち最も確保し難い画像光ＧＬ２の有効光束幅Ｗ２について考察するために、まず、導光板２０の屈折率をｎｄとし、観察者に認識される画像の最大画角をωとする。この場合、図２（Ｂ）に示す角度の関係から、画像光ＧＬ２に対応する入射角度α＋と角度ψについて、
ｓｉｎ（α＋−ψ）×ｎｄ＝ｓｉｎω
と表される。つまり、入射角度α＋は、
α＋＝ψ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎω／ｎｄ）
＝２×（Ｒ−β）＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎω／ｎｄ）… （２）
と表される。従って、一例として、ｎｄ＝１．５、ω＝１５°とし、β＝５４．７°とすると、反射角度は、α＋≒８０°となる。この値に応じて、（１）式から画像光ＧＬ２の入射光束幅Ｘ即ち有効光束幅Ｗを一定値以上に確保するような横幅ｄ＋の値を算出することができる。つまり、以上の関係に基づいて横幅ｄ＋を適宜設定することで、画像光ＧＬ２について十分な光束幅を得ることができる。例えば図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、各反射ユニット２３ｃのサイズの単調増加を基調としつつ、周辺光である画像光ＧＬ２の有効光束幅Ｗ２と画像光ＧＬ３の有効光束幅Ｗ３とが略同じ程度となるように対応する各反射ユニット２３ｃのサイズを調整することで、全ての画像光の有効光束幅を一定の値以上にすることが考えられる。また、この際、例えば、反射ユニット２３ｃの横幅ｄの具体的な数値範囲を、０．２ｍｍ以上、より好ましい一例としては、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの範囲で変化させる。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光の有効光束幅を確保できるとともに、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。
【００４９】
以上で説明した本実施形態の導光板２０によれば、多数の反射ユニット２３ｃの反射面形状の変化の一例として、各反射ユニット２３ｃのサイズが、導光部２２での全反射角度の状態に応じて画像取出部２３内でＺ方向に沿って変化している。これにより、全ての反射ユニット２３ｃにおいて、入射する画像光の有効光束幅を十分に確保することが可能となる。従って、反射ユニット２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。
【００５０】
また、図３において各反射ユニット２３ｃの頂点Ｐを結んでできる曲線ＬＬ２つまり各反射ユニット２３ｃのサイズは、＋Ｚ側に向かって単調に増大するように変化するものとしているが、画像光の有効光束幅を一定の値以上に確保できれば、曲線ＬＬ２がこれ以外の形状の曲線や直線等となってもよい。つまり、各反射ユニット２３ｃのサイズの変化の度合いは、虚像表示装置１００の光学的な仕様に応じて適宜調整することができる。
【００５１】
上記について、例えば一変形例として図５（Ａ）〜５（Ｃ）に示すように、画像取出部２３の複数の反射ユニット２３ｃを変化させてもよい。具体的には、図５（Ａ）及び図５（Ｃ）に示すような入口側の周辺部２３ｈから中心側の中央部２３ｋにかけての各反射ユニット２３ｃについては、奥側に向けてサイズを多少増減させつつ略一定のサイズとし、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すような中心側の中央部２３ｋから奥側の周辺部２３ｍにかけての各反射ユニット２３ｃについては、奥側に向けてサイズを徐々に大きくする、という態様も可能である。この場合、図示のように、中央部２３ｋで反射される画像光ＧＬ１の有効光束幅Ｗ１を、他の有効光束幅Ｗ２，Ｗ３と略同じになるように調整できる。また、例えば、画像取出部２３の入口側に入射する画像光の成分が、反射面２３ａ，２３ｂの深い側即ち＋Ｘ側に入り込んで反射ユニット２３ｃで反射して取り出されるまでの間に一部カットされる可能性があるような態様では、入口側の反射ユニット２３ｃのサイズを大きくすることで、有効光束幅を確保してもよい。この場合、例えば、中央部２３ｋ付近の反射ユニット２３ｃのサイズを最も小さくし、周辺部２３ｍと周辺部２３ｈに向かって徐々に反射ユニット２３ｃのサイズをそれぞれ大きくしていくものとすればよい。
【００５２】
また、同一サイズの反射ユニット２３ｃを複数個配列したものを１ブロックとし、当該ブロックを多数配列される反射ユニット２３ｃ中に少なくとも１つ以上含まれるようにすることで、反射ユニット２３ｃサイズ又はピッチが段階的に変化する画像取出部２３を構成してもよい。この場合、画像光の光束の入射角度をそれぞれ角度α１、α２とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニット２３ｃのピッチをそれぞれピッチｄ１、ｄ２とすると、同一のブロック内においては、α１＜α２であっても、ｄ１＝ｄ２となり、画像取出部２３全体では、任意のα１＜α２について、ｄ１≦ｄ２とすることができる。なお、図３の場合、任意のα１＜α２について、ｄ１＜ｄ２となっている。
【００５３】
以上のように、反射ユニット２３ｃのサイズの変化の度合いについては、種々の態様が可能であり、例えば、各反射ユニット２３ｃのサイズを１つずつ調整して、各反射ユニット２３ｃから射出される画像光の有効光束幅が全て一致するようにしてもよい。
【００５４】
なお、図２（Ａ）等に示す例において、第１の反射面２３ａは、第１の全反射面２２ａに対して略垂直であるものとしているが、有効光束幅Ｗが確保できれば、第１の反射面２３ａの方向は、導光板２０の仕様に応じて適宜調整可能である。例えば、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として反時計回りに例えば８０°から１００°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第２の反射面２３ｂの方向は、第１の全反射面２２ａに対して−Ｚ方向を基準として反時計回りに例えば３０°から４０°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第２の反射面２３ｂは、第１の反射面２３ａに対して４０°から７０°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
以下、図６（Ａ）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１２０は、画像取出部の構造を除いて図１（Ａ）等に示す導光板２０と同様の構造を有するため、図６（Ａ）及び６（Ｂ）においては、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す画像取出部２３に対応する画像取出部１２３の一部及びその周辺について拡大した模式的な図のみを示し、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。
【００５６】
導光板１２０において、画像取出部１２３は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット１２３ｃで構成され、各反射ユニット１２３ｃは、図２（Ａ）等の各反射ユニット２３ｃと同様に、ＸＺ断面視においてＶ字又は楔状を形成する第１の反射面１２３ａと第２の反射面１２３ｂとを１組のものとして、Ｚ方向に配列されている。
【００５７】
ここで、図６（Ａ）及び６（Ｂ）に示すように、各反射ユニット１２３ｃのサイズ又はピッチは、奥側即ち＋Ｚ側のものほど大きなものとなっている。この場合、画像取出部１２３の奥側即ち周辺部１２３ｍ側に位置して画像光ＧＬ２に対応する反射ユニット１２３ｃのサイズが最も大きく、画像取出部１２３の入口側即ち周辺部１２３ｈ側に位置して画像光ＧＬ３に対応する反射ユニット１２３ｃのサイズが最も小さいものとなる。特に、ここでは、画像取出部１２３の厚さが、深さ方向即ちＸ方向について一定ではなく、反射ユニット１２３ｃのサイズに従って変化している。具体的には、サイズの大きな反射ユニット１２３ｃほどその射出側端である頂点Ｋが光射出面ＯＳ側即ち−Ｘ側にせり出して頂点Ｋが光射出面ＯＳに近づいており、図６（Ａ）に示す奥側即ち＋Ｚ側における画像取出部１２３のＸ方向についての厚さＨ２は、図６（Ｂ）に示す入口側における画像取出部１２３の厚さＨ３よりも大きくなっている。言い換えると、図６（Ａ）に示す画像光ＧＬ２に対応する反射ユニット１２３ｃの射出側端である頂点ＫＫ２から光射出面ＯＳまでの距離ＨＴ２は、図６（Ｂ）に示す画像光ＧＬ３に対応する反射ユニット１２３ｃの射出側端である頂点ＫＫ３から光射出面ＯＳまでの距離ＨＴ３よりも短くなっている。これにより、画像光の入射角度が大きく、これに応じてサイズを大きくしている反射ユニット１２３ｃほど効率的に画像光を取り込むようにしている。なお、画像取出部１２３のせり出しの度合いは、光学的な仕様に応じて種々調整できる。
【００５８】
以上説明した第２実施形態の導光板１２０によれば、各反射ユニット１２３ｃのサイズが、全反射角度即ち入射角度の状態に関連するように画像取出部１２３内でＺ方向に沿って変化しており、また、サイズの大きな反射ユニット１２３ｃほど光射出面ＯＳ側にせり出している。これにより、画像光の有効光束幅を十分に確保して、反射ユニット２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。また、画像取出部１２３において、効率的に画像光を取り込むことができる。
【００５９】
〔第３実施形態〕
以下、図７（Ａ）等により、第１実施形態等を変形した第３実施形態について説明する。本実施形態に係る導光板２２０は、画像取出部の構造を除いて図１（Ａ）等に示す導光板２０と同様の構造を有するため、図７（Ａ）及び７（Ｂ）においては、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す画像取出部２３に対応する画像取出部２２３の一部及びその周辺について拡大した模式的な図のみを示し、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。
【００６０】
以下、本実施形態に係る導光板２２０の画像取出部２２３の詳しい構造について説明する。図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示すように、画像取出部２２３は、多数の画像光反射面２２３ａで構成され、各画像光反射面２２３ａは、画像光反射面２２３ａの配列されるＺ方向に対して垂直に延びる方向即ちＹ方向に延びている。多数の画像光反射面２２３ａは、互いに平行であり、第１の全反射面２２ａに対して同一の角度をそれぞれなし画像光の光成分の一部を透過させ、残りを反射させる部分反射面となっている。なお、各画像光反射面２２３ａ間は、画像光を取り出すための反射面等としての機能を有しない境界部２２３ｂによって繋がれている。結果的に、画像光反射面２２３ａは、Ｚ方向に沿って周期的に繰り返して配列され互いに平行に延びている。ここでは、１つの画像光反射面２２３ａとこれに隣接する１つの境界部２２３ｂとを１組として反射ユニット２２３ｃと呼ぶこととする。
【００６１】
以下、画像光の各成分のうち、画像取出部２２３の両端側に入射する画像光ＧＬａ及び画像光ＧＬｂについて説明する。前提として、画像光ＧＬａ，ＧＬｂを含む画像光は、図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示す導光板２０に光入射面ＩＳから入射し、入射光折曲部２１で反射され、全体として、導光部２２において−Ｘ方向に偏った＋Ｚ方向に進み、図７（Ａ）等に示すように導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射を繰り返して導光されて、画像取出部２２３に到る。まず、図７（Ａ）に示すように、最小反射角α−で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬａは、画像取出部２２３をＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、眼ＥＹの中心軸である光軸ＡＸに対して角度θ２で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鈍角となる。なお、ここでは、画像光ＧＬａの反射角α−を画像光反射面２２３ａに対する入射角度とする。
【００６２】
一方、図７（Ｂ）に示すように、最大反射角α＋で導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される画像光ＧＬｂは、画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する画像光反射面２２３ａに達し、画像光反射面２２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ３で光射出面ＯＳから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、＋Ｚ軸に対して鋭角となる。なお、ここでは、画像光ＧＬｂの反射角α＋を画像光反射面２２３ａに対する入射角度とする。
【００６３】
なお、画像光ＧＬａの角度θ２と画像光ＧＬｂの角度θ３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、画像光による虚像の画角に相当するものとなっている。
【００６４】
ここで、各反射ユニット２２３ｃ即ち画像光反射面２２３ａのサイズ又はピッチは、入口側即ち−Ｚ側のものほど大きなものとなっている。具体的には、画像取出部２２３の入口側即ち周辺部２２３ｈ側に位置して画像光ＧＬｂに対応する画像光反射面２２３ａのサイズが最も大きく、画像取出部２２３の奥側即ち周辺部２２３ｍ側に位置して画像光ＧＬａに対応する画像光反射面２２３ａのサイズが最も小さいものとなっている。つまり、全反射面２２ａ，２２ｂでの反射角即ち画像取出部２２３への入射角度について大きな角度の画像光に対応する画像光反射面２２３ａほど大きなサイズとなっている。これにより、全ての画像光の有効光束幅を一定値以上となるようにすることができる。
【００６５】
以上のように、第３実施形態においても、各反射ユニット２２３ｃのサイズ又はピッチが、全反射角度即ち入射角度の状態に関連するように画像取出部２２３内でＺ方向に沿って変化している。これにより、画像光の有効光束幅を十分に確保して、反射ユニット２２３ｃでの反射に起因する画像光の劣化を回避でき、結果として、射出される虚像光による画像の解像度低下を抑制できる。なお、上記において、画像取出部２２３の深さ方向即ちＸ方向について厚さは一定となっているが、当該厚さを反射ユニット２２３ｃのサイズに応じて変化させてもよい。
【００６６】
〔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。
【００６７】
上記の説明では、多数の反射ユニット２３ｃの反射面形状の変化の一例として、各反射ユニット２３ｃのサイズを変化させるものとしているが、反射面形状の変化としては、上記のほか、又は上記に加えて、例えば画像取出部２３を構成する反射ユニット２３ｃの向きを変化させてもよい。つまり、反射ユニット２３ｃの向きをＹ軸のまわりに微小回転させて方向の調整を行うこともできる。この際、すべての反射ユニット２３ｃにおける相対角度β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。
【００６８】
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ー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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
１０…画像形成装置、 １１…液晶デバイス、 １２…投射光学系、 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、 ２３，１２３，２２３…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、 ＡＸ…光軸、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬａ，ＧＬｂ…画像光、 ＩＳ…光入射面（光入射部）、 ＯＡ…光軸、 ＯＳ…光射出面（光射出部）、 ＰＳ…プリズム部、 ｄ…横幅（ピッチ）、 α…入射角度（全反射角度）、 Ｋ，ＫＫ２，ＫＫ３…頂点（射出側端）、 ＨＳ…縦サイズ（反射ユニットのサイズ）、 ＷＳ…横サイズ（反射ユニットのサイズ）
【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る複数の反射ユニットを有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射ユニットでの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部と、
を備える導光板であって、
前記複数の反射ユニットの反射面形状が、当該複数の反射ユニットで折り曲げられる前記画像光の前記導光部における全反射角度の大きさに応じて、前記画像光の解像度低下を抑制するように前記画像取出部内で前記所定の配列方向に沿って変化している、導光板。
【請求項２】
前記画像取出部は、全反射角度が相対的に大きい前記画像光に対して光路の折り曲げを行う第１の反射ユニットと、全反射角度が相対的に小さい前記画像光に対して光路の折り曲げを行う第２の反射ユニットとを有し、前記第１の反射ユニットの反射面は、前記第２の反射ユニットの反射面よりも大きい、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記画像取出部にそれぞれ異なる角度で前記複数の反射ユニットのいずれかに入射する前記画像光の光束の入射角度をそれぞれα１、α２とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニットのピッチをそれぞれｄ１、ｄ２とすると、α１＜α２である場合に、ｄ１≦ｄ２となっている、請求項２に記載の導光板。
【請求項４】
前記複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットは、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の反射面とでそれぞれ構成され、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して光路の折り曲げを行う、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】
前記複数の反射ユニットのうち前記光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのサイズは、前記光入射部側に位置する反射ユニットのサイズよりも大きい、請求項４に記載の導光板。
【請求項６】
前記複数の反射ユニットのうち前記光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのピッチは、前記光入射部側に位置する反射ユニットのピッチよりも大きい、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】
前記光射出部の光射出面から前記画像取出部の各反射ユニットのうち折り曲げられた前記画像光の射出方向についての先端である射出側端までの距離は、一定である、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項８】
前記複数の反射ユニットのうち、サイズの大きい反射ユニットほど、当該反射ユニットのうち折り曲げられた前記画像光の射出方向についての先端である射出側端が、前記光射出部に近くなり、前記複数の反射ユニットは、前記所定の配列方向について各反射ユニットのサイズに応じて前記光射出部側にせり出している、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項９】
前記複数の反射ユニットのサイズは、各反射ユニットにそれぞれ入射する前記画像光の有効光束幅を所定値以上に保つように変化している、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】
前記複数の反射ユニットのピッチは、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの間で変化する、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る複数の反射ユニットを有し前記導光部を経て入射する前記画像光を前記複数の反射ユニットでの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部と、
を備える導光板であって、
前記複数の反射ユニットの反射面形状が、当該複数の反射ユニットで折り曲げられる前記画像光の前記導光部における全反射角度の大きさに応じて、前記画像光の解像度低下を抑制するように前記画像取出部内で前記所定の配列方向に沿って変化している、導光板。
【請求項２】
前記画像取出部は、全反射角度が相対的に大きい前記画像光に対して光路の折り曲げを行う第１の反射ユニットと、全反射角度が相対的に小さい前記画像光に対して光路の折り曲げを行う第２の反射ユニットとを有し、前記第１の反射ユニットの反射面は、前記第２の反射ユニットの反射面よりも大きい、請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
前記画像取出部にそれぞれ異なる角度で前記複数の反射ユニットのいずれかに入射する前記画像光の光束の入射角度をそれぞれα１、α２とし、当該画像光の光束の入射する反射ユニットのピッチをそれぞれｄ１、ｄ２とすると、α１＜α２である場合に、ｄ１≦ｄ２となっている、請求項２に記載の導光板。
【請求項４】
前記複数の反射ユニットを構成する各反射ユニットは、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の反射面とでそれぞれ構成され、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して光路の折り曲げを行う、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】
前記複数の反射ユニットのうち前記光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのサイズは、前記光入射部側に位置する反射ユニットのサイズよりも大きい、請求項４に記載の導光板。
【請求項６】
前記複数の反射ユニットのうち前記光入射部から遠い反光入射部側に位置する反射ユニットのピッチは、前記光入射部側に位置する反射ユニットのピッチよりも大きい、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】
前記光射出部の光射出面から前記画像取出部の各反射ユニットのうち折り曲げられた前記画像光の射出方向についての先端である射出側端までの距離は、一定である、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項８】
前記複数の反射ユニットのうち、サイズの大きい反射ユニットほど、当該反射ユニットのうち折り曲げられた前記画像光の射出方向についての先端である射出側端が、前記光射出部に近くなり、前記複数の反射ユニットは、前記所定の配列方向について各反射ユニットのサイズに応じて前記光射出部側にせり出している、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の導光板。
【請求項９】
前記複数の反射ユニットのサイズは、各反射ユニットにそれぞれ入射する前記画像光の有効光束幅を所定値以上に保つように変化している、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】
前記複数の反射ユニットのピッチは、０．５ｍｍ〜１．３ｍｍの間で変化する、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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−８８５８８（Ｐ２０１２−８８５８８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３６１９５（Ｐ２０１０−２３６１９５）
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【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５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【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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