JP6623614B2 - 導光装置及び虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば画像表示装置によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に適用可能な導光装置及び導光装置を用いた虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置に組み込まれる映像光を導光するための光学系として様々なものが提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

このような虚像表示装置あるいは虚像表示装置に好適な導光装置として、例えば、平坦な小さい反射面を有する複数のプリズム状の部材を平面状に並べて配置させてフレネルレンズのような形状（以下、このような形状をフレネル形状というものとする。）を有する反射部材を適用するものが知られている（特許文献１参照）。

ＨＭＤ等においては、光学的精度を維持しつつ、さらなる小型化の要請があり、上記のようなフレネル形状の部材を導光に際して適用することで、導光の光学系の薄型化、延いては装置の小型化を図ることができる。しかしながら、例えばこのようなフレネル形状を有する部材を通過するに際して（例えば特許文献１の図７〜図９参照）、当該部材と空気の層との間あるいは接合する他の部材との間での屈折率差に起因して光の分散が生じ、画像を劣化させる可能性がある。

特表２００３−５２０９８４号公報

本発明は、薄型でありつつ、波長帯域ごとの分散（色収差）に起因する画像の劣化を抑制して良好な映像光の導光が可能な導光装置及びこれを用いた虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る導光装置は、映像光を入射させる光入射部と、対向して平行に延びる反射面を有して光入射部から取り込まれた映像光を反射により導く導光部と、導光部によって導かれた映像光を射出する光射出部と、光射出部に設けられ導光部からの映像光を折り曲げて外部へ取り出すフレネル形状の反射面を含む画像取出部と、画像取出部に対応して設けられ画像取出部での波長分散を解消する分散解消部とを備える。ここで、波長分散を解消するとは、分散に起因する波長帯域ごとの光路の角度変化を相殺することを意味し、例えば波長帯域ごとの光路を完全に一致させて元に戻すといったことまでは必ずしも要しない。

上記導光装置では、画像取出部がフレネル形状の反射面を含むことで、装置の薄型化を図ることができる。また、当該画像取出部に対応して波長分散を解消するための分散解消部を有していることで、波長帯域ごとの分散（色収差）に起因する画像の劣化を抑制して良好な映像光の導光を可能にしている。この際、導光部において対向して平行に延びる反射面によって映像光の導光を行っていることにより、画像取出部側と分散解消部側とで映像光について角度の関係に変化が生じないように維持して、分散解消部による波長分散の解消を確実に行うことができる。

本発明の具体的な側面では、分散解消部は、画像取出部と同一屈折率材料で形成され、映像光の入射面に対して画像取出部のフレネル形状の反射面と同一角度で傾斜する反射面を有する。この場合、画像取出部と分散解消部とが構造的な対称性を有することで、画像取出部と分散解消部とにおいて発生し得る光の分散に起因する波長帯域ごとの光路の角度変化を両者間において相殺するように作用させ、結果的に波長分散を解消させることが可能になる。

本発明の別の側面では、分散解消部は、同一屈折率材料として、画像取出部を形成する材料との屈折率差が０．０１未満であるものにより形成される。この場合、材料の屈折率差に起因して波長分散の解消に支障が生じてしまう、ということのないようにすることができる。

本発明のさらに別の側面では、光入射部と光射出部とは、導光部を形成する板状部材の一端側と他端側とに設けられ、分散解消部は、光射出部側に設けられる画像取出部に対して対称な配置で光入射部側に設けられる。この場合、画像取出部と分散解消部とが、光射出部側と光入射部側にそれぞれ設けられた対称な配置とすることで、全体として波長分散を解消させることができる。

本発明のさらに別の側面では、分散解消部は、光入射部のうち映像光を入射させる光入射面に対向して設けられ、画像取出部は、光射出部のうち映像光を射出させる光射出面に対向して設けられ、分散解消部と画像取出部とは、導光部において対向して平行に延びる反射面のうちの一側面を延長した面上に配置されている。この場合、分散解消部と画像取出部との配置に関して高い対称性を維持でき、波長分散の解消を効率的に行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、画像取出部において、フレネル形状の反射面は、複数のプリズムによって形成される。

本発明のさらに別の側面では、画像取出部は、導光部を形成する板状部材の面上に貼り付けられたプリズムシートにより構成される。この場合、プリズムシートを面上に貼り付ける簡易な構成で、画像取出部を作製できる。

本発明のさらに別の側面では、分散解消部は、画像取出部と同一膜厚のプリズムシートにより構成される。この場合、分散解消部での映像光の通過と画像取出部での映像光の通過とについて、対称性をもたせることができる。

本発明のさらに別の側面では、分散解消部は、単数又は複数のプリズムによって形成される。この場合、種々のサイズのプリズムを分散解消部の作製に適用できる。

本発明のさらに別の側面では、分散解消部は、画像取出部と同一部材で構成される。この場合、分散解消部及び画像取出部の作製が容易となる。例えば、大きなプリズムシートを作製し、作製した当該プリズムシートから２枚のシートを切り出して、反射面が対象となるように板状部材の面上に貼り付けることで、分散解消部と画像取出部とを形成させることができる。

本発明のさらに別の側面では、分散解消部は、画像取出部と同一の屈折率を有し、分散解消部の反射面は、画像取出部の反射面と傾斜角度が対称で大きさが異なる。この場合、傾斜角度の対称性により波長分散の解消を保持しつつ、分散解消部において種々のサイズの反射面を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、画像取出部は、フレネル形状の反射面に入射した１つの映像光成分を複数回反射させ、分散解消部は、画像取出部と同一の回数映像光成分を反射させる。この場合、複数回反射により、映像光の光路調整を行うことができる。また、分散解消部において、画像取出部と同一の回数映像光成分を反射させるものとしておくことで、分散解消部での反射と画像取出部での反射とについて対象性を維持することができる。

本発明のさらに別の側面では、画像取出部は、入射光の少なくとも一部を透過させる複数の半透過反射面を有し、複数の半透過反射面において映像光の少なくとも一部を１回以上通過させる。この場合、画像取出部に入射する角度によって、映像光は、複数の半透過反射面を１回以上通過することになるが、画像取出部に入射する角度に応じて映像光の各成分を適正な位置から観察者に対して射出させることができる。

本発明のさらに別の側面では、光射出部は、平行化された状態で光入射部に入射した映像光を、平行化した状態で射出する。この場合、導光装置において、映像光について平行化された状態を、入射から射出まで維持できる。

本発明のさらに別の側面では、導光部は、光入射部から取り込まれた映像光を、対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面での全反射により導く。この場合、第１及び第２の全反射面での全反射により高効率に映像光を導光できる。

本発明のさらに別の側面では、画像取出部において、フレネル形状の反射面は、映像素子からの映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行う半透過反射面である。この場合、映像光による画像に外界を重畳して視認させるシースルーの状態とすることができる。

本発明に係る虚像表示装置は、上記いずれかの導光装置と、映像光を生じさせる映像素子と、映像素子からの映像光を導光装置に入射させる投射レンズとを備える。この場合、上記いずれかの導光装置を用いることで、虚像表示装置は、良好な画像を表示させることができる。

本発明の具体的な側面では、投射レンズは、映像素子からの映像光を平行化して導光装置に入射させる。この場合、導光装置は、平行化された映像光を導光させる。

本発明の別の側面では、映像素子は、カラーの映像光を生じさせる。この場合、虚像表示装置は、カラーの画像を良好に表示させることができる。

（Ａ）は、第１実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図であり、（Ｂ）は、虚像表示装置に組み込まれる導光装置の正面図である。 導光装置の構造について説明するための断面図である。 分散の発生について説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、波長分散の解消について説明するための概念的な図である。 （Ａ）は、検証実験のための一構成例を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の一部拡大図であり、（Ｃ）は、（Ａ）の構成を用いた虚像表示装置を概念的に示す図であり、（Ｄ）は、（Ａ）に示す一例での波長分散の解消の様子を示す図である。 （Ａ）は、図５（Ａ）との比較のための一構成例を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す一例での波長分散に起因する色分離（色割れ）の様子を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、画像取出部の一変形例について説明するための図である。 （Ａ）は、分散解消部の一変形例について説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の別の一変形例について説明するための図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置を示す平面図である。 （Ａ）は、分散解消部の構造について説明するための図であり、（Ｂ）は、画像取出部の構造について説明するための図である。

〔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装置及びこれを組み込んだ虚像表示装置について説明する。

図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示す本実施形態に係る虚像表示装置１００に組み込まれる導光装置２０は、映像光（画像光）を取り込んで導くとともに観察者に射出させるための部材であり、全体として一方に延びる平板状の外形を有している。導光装置２０は、光束全体としての映像光を平板の延びるＺ方向に導く。ここでは、このＺ方向を導光方向と呼ぶものとする。

以下、図１（Ａ）等を参照して、本実施形態に係る虚像表示装置１００について説明する。虚像表示装置１００は、映像表示装置（映像素子）１０と、投射レンズ４０と、導光装置２０とを一組として備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光装置２０のＡ−Ａ断面に対応する。

虚像表示装置１００は、観察者に虚像による映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。映像表示装置１０と、投射レンズ４０と、導光装置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。

図１（Ａ）に示すように、映像表示装置１０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カラーの映像光、すなわち複数の波長帯域の成分を含む光を形成する。

投射レンズ４０は、映像表示装置１０の液晶表示デバイス３２上の各点から射出された映像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。

以下、導光装置２０の構造について説明する。図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すように、導光装置２０は、光透過性の板状部材ＰＬを本体部分として有するとともに、例えばプリズムシート等を板状部材ＰＬの面上に貼り付けることで構成される分散解消部２１及び画像取出部２３とを有して形成されるものである。

図１（Ａ）に示すように、導光装置２０は、光学的な機能を有する部分として、光入射部Ｄ１と、導光部Ｄ２と、光射出部Ｄ３とを備える。光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＦと分散解消部２１とを有し、映像表示装置１０からの映像光を光入射面ＩＦから取り込むとともに、取り込んだ映像光を導光部Ｄ２に向けて折り曲げる。つまり、光入射部Ｄ１は、映像光を取り込むという光学的な意味での機能を有する部分である。導光部Ｄ２は、全反射面形成部２２を有し、取り込まれた映像光を光射出部Ｄ３に向けて伝播させる。つまり、導光部Ｄ２は、映像光を伝播させるという光学的な意味での機能を有する部分である。なお、既述のように、導光部Ｄ２が光束全体として導く方向を導光方向（図示の場合、Ｚ方向）とする。光射出部Ｄ３は、角度変換部である画像取出部２３と光射出面ＯＦとを有し、導光部Ｄ２で導光方向に伝播された映像光の角度変換を行い光射出面ＯＦから映像光を射出する。つまり、光射出部Ｄ３は、映像光を取り出すという光学的な意味での機能を有する部分である。以上のように、光入射部Ｄ１、導光部Ｄ２及び光射出部Ｄ３は、導光装置２０において光学的な面から見た場合の機能的な部分である。

光入射部Ｄ１は、光入射面ＩＦを、ＹＺ面に平行で映像表示装置１０に対向する側の平面上に有している。また、光入射部Ｄ１は、分散解消部２１を、光入射面ＩＦに対向する反対側の面上に有している。分散解消部２１は、既述のように、多数の反射面を有するシート状の部材である。この分散解消部２１は、後述するように、画像取出部２３において生じる光の分散に対して対応すべき位置に設けられている点において分散を解消する部材として機能するが、光入射部Ｄ１の一部としては、光入射面ＩＦから入射し全体として＋Ｘ方向に向かう映像光を、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、映像光を導光部Ｄ２内に導く角度変換部（あるいは入射光折曲部）として機能する部材である。

導光部Ｄ２は、入口側である光入射部Ｄ１側から奥側である光射出部Ｄ３側にかけて、内部に入射させた映像光を光射出部Ｄ３の画像取出部２３に導くための全反射面形成部２２を有している。

全反射面形成部２２は、導光部Ｄ２として機能するための平板状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、映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。見方を変えると、全反射面形成部２２は、導光装置２０の本体部分である板状部材ＰＬの主要な一部である。ここでは、第１の全反射面２２ａが映像表示装置１０に近い側にあるものとし、第２の全反射面２２ｂが映像表示装置１０から遠い側にあるものとする。

光射出部Ｄ３は、光射出面ＯＦを、ＹＺ面に平行で映像表示装置１０に対向する側の平面上すなわち光入射部Ｄ１の光入射面ＩＦと同一の面内上に有している。また、光射出部Ｄ３は、微細構造である画像取出部２３を、光射出面ＯＦに対向する反対側の面上に有している。言い換えると、画像取出部２３は、全反射面形成部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第２の全反射面２２ｂの延長平面に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、既述のように、多数の反射面を有するシート状の部材であり、全反射面形成部２２を経た映像光を、所定角度で反射して平行化された状態を維持して光射出面ＯＦ側へ折り曲げる。

以上のような構成の導光装置２０の場合、導光部Ｄ２において、第１の全反射面２２ａは、光入射面ＩＦ及び光射出面ＯＦと共通の面部分となっているため、光入射面ＩＦや光射出面ＯＦの一部又は全体も映像光を導く導光部Ｄ２として機能する。つまり、導光部Ｄ２の機能は、主として全反射面形成部２２により実現されているが、光入射部Ｄ１の光入射面ＩＦや光射出部Ｄ３の光射出面ＯＦも導光部Ｄ２の一部である。光入射部Ｄ１の入射光折曲部として機能する分散解消部２１で反射された映像光ＧＬは、導光部Ｄ２のうち、まず、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。次に、当該映像光は、第２の全反射面２２ｂ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、映像光ＧＬは、導光装置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、導光部Ｄ２に用いる透明樹脂材料すなわち板状部材ＰＬの屈折率ｎ_ａは、例えば１．５以上の高屈折率材料であるものとする。導光装置２０に比較的屈折率の高い透明樹脂材料又はガラス材料を用いることで、導光装置２０内部で映像光を導光させやすくなり、かつ、導光装置２０内部での映像光の画角を比較的小さくすることができる。

ここで、分散解消部２１と画像取出部２３とは、板状部材ＰＬの一端側（−Ｚ側）と他端側（＋Ｚ側）とに設けられ、同一の屈折率材料（屈折率ｎ_ｂとする。）で、かつ、同一の膜厚（Ｘ方向に関する厚さ）で作製されている。さらに、分散解消部２１と画像取出部２３とにおいて設けられる複数の反射面の傾斜角度は、対称な配置関係になっている。分散解消部２１と画像取出部２３とが、配置や屈折率、さらには反射面の傾斜角度について対称性を有する構造となっていることで、映像光ＧＬの導光装置２０内での通過に際して、板状部材ＰＬと分散解消部２１及び画像取出部２３との間での屈折に伴って生じ得る光の分散による画像劣化の影響を回避又は抑制している。また、以上の構成での分散解消部２１と画像取出部２３との配置に関して、分散解消部２１は、光入射部Ｄ１のうち光入射面ＩＦに対向して設けられ、画像取出部２３は、光射出部Ｄ３のうち光射出面ＯＦに対向して設けられている。さらに、この結果、上記の場合、分散解消部２１と画像取出部２３とは、導光部Ｄ２において対向して平行に延びる反射面のうちの一側面（第２の全反射面２２ｂ）を延長した面上に配置されるものとなっている。このように、分散解消部２１と画像取出部２３とは、対称性のある配置関係となっている。

以下、図２等を参照して、本実施形態に係る導光装置２０のうち、分散解消部２１及び画像取出部２３の詳しい構造について説明する。

まず、画像取出部２３の構造について説明する。図２に示すように、画像取出部２３は、複数のプリズム状の部材を平面状に並べて配置させてフレネルレンズのような形状（以下、このような形状をフレネル形状というものとする。）を有し、当該フレネル形状の部分に複数の反射面を有するものとなっている。言い換えると、画像取出部２３は、フレネル形状を有する第１部材２３ｐと、第１部材２３ｐに対応する形状の第２部材２３ｑとを有し、この間に多数の傾斜面部分２３ｃを挟持して全体として平らなシート状の部材（プリズムシート）となっている。第１部材２３ｐと第２部材２３ｑとの間の多数の傾斜面部分２３ｃは、映像光ＧＬを取り出すための反射面として機能する多数の映像光反射面２３ａと、映像光ＧＬを取り出すための反射面等としての機能を有さず各映像光反射面２３ａ間を繋ぐ境界部２３ｂとによって構成されている。なお、映像光反射面２３ａの配列される方向は、全反射面形成部２２の延びるＺ方向となっている。また、各映像光反射面２３ａは、Ｚ方向に対して垂直な縦方向すなわちＹ方向について互いに平行に延びる細長い面（図１（Ｂ）参照）である。また、多数の映像光反射面２３ａは、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂに対して同一の角度φをそれぞれなしている。さらに、各映像光反射面２３ａは、映像光ＧＬの光成分の一部を透過させ、残りを反射させる半透過反射面となっている。これにより、画像取出部２３は、映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行い、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。なお、以上について見方を変えると、画像取出部２３は、１つの映像光反射面２３ａとこれに隣接する１つの境界部２３ｂとを１組の反射ユニットとし、これをＹ方向を長手方向としてＺ方向に沿って周期的に繰り返した多数の反射ユニット全体で、１つの断面鋸歯状の部分を形成するものとなっている、とみることもできる。なお、この場合、１つの傾斜面部分２３ｃが１つの反射ユニットに相当するので、傾斜面部分２３ｃを反射ユニット２３ｃとも記載することとする。

次に、分散解消部２１の構造について説明する。図２に示すように、分散解消部２１は、画像取出部２３と同一で対称な形状の部材を対象に配置したものとなっている。具体的に説明すると、分散解消部２１は、複数のプリズム状の部材を平面状に並べて配置させてフレネル形状の部分に複数の反射面を有するものとなっている。言い換えると、分散解消部２１は、フレネル形状を有する第１部材２１ｐと、第１部材２１ｐに対応する形状の第２部材２１ｑとを有し、この間に多数の傾斜面部分（反射ユニット）２１ｃを挟持して全体として平らなシート状の部材となっている。第１部材２１ｐと第２部材２１ｑとの間の多数の傾斜面部分２１ｃは、映像光ＧＬを折り曲げるための反射面として機能する多数の映像光反射面２１ａと、映像光ＧＬを折り曲げるための反射面等としての機能を有さず各映像光反射面２１ａ間を繋ぐ境界部２１ｂとによって構成されている。なお、映像光反射面２１ａの配列される方向は、全反射面形成部２２の延びるＺ方向となっている。また、各映像光反射面２１ａは、Ｚ方向に対して垂直な縦方向すなわちＹ方向について互いに平行に延びる細長い面（図１（Ｂ）参照）である。また、多数の映像光反射面２１ａは、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂに対して同一の角度φをそれぞれなしている。すなわち、各映像光反射面２１ａは、画像取出部２３の映像光反射面２３ａと同一の度合で第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂに対して傾斜している。ただし、傾斜の向きは、図示のように、画像取出部２３の映像光反射面２３ａとは反対、すなわちＸＹ面を基準にして面対称なものとなっている。ここでは、上記のような状態をもって、映像光反射面２１ａが、フレネル形状の反射面である映像光反射面２３ａと同一角度で傾斜している、と表現する。また、各映像光反射面２１ａは、各映像光反射面２３ａと異なり、半透過反射面ではなく、映像光ＧＬの光成分を鏡面反射する反射面となっている。

ここで、以上のような構成の画像取出部２３の作製の一例について説明する。まず、映像光反射面２３ａ及び境界部２３ｂとなるべきフレネル形状（断面鋸歯状の傾斜面）を有する第１部材２１ｐが射出成形により成形される。次に、第１部材２１ｐの当該傾斜面に反射面として機能させるための反射膜（例えば、誘電体多層膜や金属膜等で構成されるハーフミラー膜）を成膜する。最後に、当該反射膜を第１部材２１ｐと同一屈折率の樹脂材料で埋めることで第２部材２１ｑを形成し、画像取出部２３となるべきシート状の部材が作製される。この場合、第１部材２１ｐと第２部材２１ｑとを同一屈折率のものとすることで、映像光反射面２３ａでの映像光の透過・反射において意図しない屈折作用によって画像が劣化することを回避している。なお、上記により形成されるシート状の部材については、様々な態様を取ることができるが、例えば大きなシートで作製し、適切な大きさにカットして板状部材ＰＬに貼り付けることで画像取出部２３として機能させることが考えらえる。なお、分散解消部２１についても同様の工程で作製できる。ただし、上記の構成の場合、映像光反射面２１ａとなるべき膜の成膜については、例えばアルミ蒸着等により鏡面のミラー膜を成膜することになる。

なお、上述のように、画像取出部２３や分散解消部２１は、フレネル形状の反射面である複数の映像光反射面２３ａ，２１ａを有することで、導光装置２０を薄型（Ｘ方向の厚みを抑える構成）にでき、延いては、虚像表示装置１００の薄型化・小型化を図ることができる。

以下、映像光ＧＬの光路について説明する。図１（Ａ）に戻って、映像表示装置１０から射出された映像光ＧＬを構成する部分光線束について、投射レンズ４０を経てそれぞれ平行化された部分光線束である各映像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＦ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。映像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３のうち、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの中央部分から射出された映像光ＧＬ１は、分散解消部２１の中央部２１ｋで反射された後、全反射面形成部２２を経て画像取出部２３の中央部２３ｋで反射され、光射出面ＯＦからこの面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に平行化された状態を維持して射出される。また、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの一端側（＋Ｚ側）から射出された映像光ＧＬ２は、光軸ＡＸに対して角度θ_２で光入射面ＩＦに入射し、分散解消部２１の周辺部２１ｍ（＋Ｚ側）で反射された後、全反射面形成部２２を経て画像取出部２３のうち反光入射面側（＋Ｚ側）の周辺部２３ｍで反射され、光射出面ＯＦから所定の角度方向（光軸ＡＸに対して角度θ_２傾いた方向）に平行化された状態を維持して射出される。また、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの他端側（−Ｚ側）から射出された映像光ＧＬ３は、光軸ＡＸに対して角度θ_３で光入射面ＩＦに入射し、分散解消部２１の周辺部２１ｈ（−Ｚ側）で反射された後、全反射面形成部２２を経て画像取出部２３のうち最も光入射面側（−Ｚ側）の周辺部２３ｈで反射され、光射出面ＯＦから所定の角度方向（光軸ＡＸに対して角度θ_３傾いた方向）に平行化された状態を維持して射出される。なお、この場合、各映像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の全反射の角度について、映像光ＧＬ２の角度が最小であり、映像光ＧＬ３の角度が最大であり、その他の映像光の角度については、これらの中間の値となる。

また、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、画像取出部２３に至るまでは、輝度低下が生じることは殆どない。また、図１（Ｂ）に示すように、縦方向すなわちＹ方向について見た映像光である映像光ＧＬｙは、光束全体として収束するように導光装置２０内を通過する。

各映像光の成分のうち、最小反射角で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される映像光ＧＬ２は、画像取出部２３のうち周辺部２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する映像光反射面２３ａに達し、映像光反射面２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ_２で光射出面ＯＦから眼ＥＹに向けて平行光束として射出され、観察者に認識される。

一方、最大反射角で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される映像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち周辺部２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する映像光反射面２３ａに達し、映像光反射面２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ_３で光射出面ＯＦから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。

なお、映像光ＧＬ２の角度θ_２と映像光ＧＬ３の角度θ_３とは、大きさが略等しく逆向きとなっており、映像光による虚像の画角に相当するものとなっている。また、本構成の虚像表示装置１００のように平行化した光により虚像を認識させる場合、観察者は、眼ＥＹに対して入射する光の角度によって虚像の位置を認識するものとなる。すなわち、映像光ＧＬ１〜ＧＬ３等の各映像光の成分においては、角度が所望の状態に維持されていることが非常に重要となる。眼ＥＹに入射する角度が変化してしまうことは、画像の位置がずれて認識されることに相当するからである。

しかしながら、上述した導光装置２０のような構成による映像光の導光において、１つの部材とこれに接する他の部材との間で屈折率差があると、当該屈折率差に起因して、映像光ＧＬの分散（あるいは色収差）が生じる可能性がある。

図３は、分散の発生についての一例を説明するための図である。図示のように、画像取出部２３（屈折率ｎ_ｂ）と板状部材ＰＬ（屈折率ｎ_ａ）との境界において、仮に、異なる波長帯域の成分を含む平行光ＬＬが、第２の全反射面２２ｂの延長面であり画像取出部２３と板状部材ＰＬとの境界である境界面ＢＳに対して入射角度αで入射する（つまり境界面ＢＳは映像光の入射面となっている）と、屈折率の差（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）に応じて分散（色分散）が生じる。すなわち、入射位置ＰＰにおいて短い波長帯域の成分ほど屈折し、色分離（色割れ）が生じる。言い換えると、例えばカラーの画像を投影するために複数の波長帯域を含むカラーの映像光ＧＬを導光すると、映像光ＧＬに含まれる色成分（例えば図示では、赤色光Ｒｐ、緑色光Ｇｐ、青色光Ｂｐ）の間で光路の角度変化に差異が生じる。このような角度の変化の違いは、観察者の眼に入射する角度の違いとなり、観察者に位置のずれとして認識されるものとなってしまう。すなわち、色斑等が生じることになる。なお、図示の例では、平行光ＬＬは、反射面２３ａでの反射後、境界面ＢＳに対して略垂直に射出されるため、境界面ＢＳの射出位置ＱＱにおいては、屈折率差に起因する分散がほとんど生じないが、射出位置ＱＱにおいても境界面ＢＳに対して傾斜している場合、さらに光路の角度変化が生じ得る。本実施形態では、上記のように、画像取出部２３に対応した分散解消部２１を設けることにより、図３に例示したような波長帯域ごとの分散（色収差）に起因する画像の劣化を抑制して良好な映像光の導光が可能なものとなっている。

以下、図４等を参照して、本実施形態における導光装置２０による波長分散の解消について説明する。図４（Ａ）は、導光装置２０の様子を概念的に示したものであり、特に、分散解消部２１及び画像取出部２３において反射面２１ａ，２３ａを拡大して示した図である。図示のように、映像光ＧＬ（例えば映像光ＧＬ１の一部）は、光入射面ＩＦから入射して板状部材を通過し第２の全反射面２２ｂの延長面であり分散解消部２１と板状部材ＰＬとの境界である境界面ＢＳを経て分散解消部２１に入射し（つまり境界面ＢＳは映像光の入射面となっている）、分散解消部２１の映像光反射面２１ａで反射され再び境界面ＢＳを経て板状部材ＰＬ（全反射面形成部２２）に入射する。この間において、上記図３を参照して説明した場合と同様に、分散解消部２１（屈折率ｎ_ｂ）と板状部材ＰＬ（屈折率ｎ_ａ）との屈折率の差（ｎ_ａ−ｎ_ｂ）に起因して、映像光ＧＬについて光の分散が生じる。すなわち、各色光Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐの間で光路の角度変化に差異が生じる。さらに、同様のことが、画像取出部２３（屈折率ｎ_ｂ）と板状部材ＰＬ（屈折率ｎ_ａ）との間においても生じるおそれがある。これに対して、本実施形態においては、上記のように、分散解消部２１と画像取出部２３とが対称に配置され、同一の屈折率（屈折率ｎ_ｂ）であり、かつ、各反射面２１ａ，２３ａの第２の全反射面２２ｂに対する傾斜角度が同一の角度φに保持されている。さらに、全反射面形成部２２での導光においては、対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂでの全反射を利用しているため、角度の関係が維持される。したがって、分散解消部２１及び画像取出部２３の双方を経た映像光ＧＬは、分散に起因する波長帯域ごとの光路の角度変化を相殺されたものとなっている。すなわち、同じ角度で入射した映像光ＧＬの成分は、分散の影響で波長帯域ごとに光路が完全には一致しないものとなるが、例示した映像光ＧＬ１のように、光の射出角度は保持され波長分散が解消されたものとなっている。例えば図４（Ａ）に示す場合では、光入射面ＩＦの同じ位置ＰＦ１から同じ角度で入射した映像光ＧＬの成分光の色光Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐについて見ているため、各色光Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ位置は多少ずれているが、例えば図４（Ｂ）に示すように、平行化された光（平行光束）である映像光ＧＬ１は、ある程度の幅を有して光入射面ＩＦの異なる位置から同じ角度（垂直）で入射した成分のうち、ある成分については、画像取出部２３と板状部材ＰＬとの境界面ＢＳの同じ位置ＰＦ２に入射するものが生じ場合がある。この場合については、上記のことから入射後の角度関係が一致して光射出面ＯＦから眼ＥＹに向けて平行光束として射出されることになる。

また、導光装置２０の構成について、見方を変えると、分散解消部２１が、画像取出部２３において生じ得る光の分散を予め解消するものとして機能していると言える。

以上のように、本実施形態では、画像取出部２３がフレネル形状の反射面である複数の映像光反射面２３ａを有することで、導光装置２０の薄型延いては、虚像表示装置１００の薄型化・小型化を図ることができる。この際、特に、画像取出部２３に対応して波長分散を解消するための分散解消部２１を有していることで、波長帯域ごとの分散（色収差）に起因する画像の劣化を抑制して良好な映像光の導光を可能にしている。具体的には、導光装置２０の導光部Ｄ２において対向して平行に延びる反射面（第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂ）によって映像光ＧＬの導光を行っていることにより、画像取出部２３側と分散解消部２１側とで映像光ＧＬについて角度の関係に変化が生じないように維持して、分散解消部２１による波長分散の解消を確実に行うことができるものとなっている。

なお、以上では、平行化されて光入射面ＩＦから入射する映像光ＧＬのうち、垂直入射する映像光ＧＬ１について説明し他の成分については説明を省略しているが、本実施形態の導光装置２０では、映像光ＧＬ１以外の光入射面ＩＦに対して傾斜して入射する成分（例えば映像光ＧＬ２，ＧＬ３等）についても、同様に、分散解消部２１による波長分散の解消を確実に行うことができる。既述のように、例えば、映像光ＧＬ２は、光入射面ＩＦに垂直な光軸ＡＸに対して角度θ_２で入射し、光射出面ＯＦに垂直な光軸ＡＸに対して角度θ_２で射出される。したがって、光入射面ＩＦへの入射の際に生じる屈折作用（空気層から板状部材ＰＬ（屈折率ｎ_ａ）への入射時の屈折）と光射出面ＯＦからの射出の際に生じる屈折作用（板状部材ＰＬ（屈折率ｎ_ａ）から空気層への入射時の屈折）とが相殺される。同様のことが他の全ての成分（映像光ＧＬ３等）についても言える。すなわち、映像光ＧＬの全体について分散解消部２１による波長分散の解消を確実に行うことができるものとなっている。

以下、本実施形態に関する検証実験の一例に関して簡単に説明する。図５（Ａ）は、検証実験のための一構成例を示す図であり、５（Ｂ）は、５（Ａ）の一部拡大図である。また、図５（Ｃ）は、５（Ａ）の構成を用いた虚像表示装置を概念的に示す図である。また、図５（Ｄ）は、５（Ａ）に示す一例での波長分散の解消の様子を示す図である。ここで、図５（Ａ）に示す実験用装置１００Ａは、図１等に示す虚像表示装置１００を構成する映像表示装置１０、投射レンズ４０及び導光装置２０と同様の機能をそれぞれ有する映像表示装置１０Ａと、投射レンズ４０Ａと、導光装置２０Ａとを有し、映像光ＧＬの発生、導光等を行う。導光装置２０Ａには、導光装置２０と同様の構造を有する分散解消部２１及び画像取出部２３を有している。分散解消部２１と画像取出部２３との対称性により、図５（Ｂ）に一部拡大して示すように、発生し得る波長分散が平行化されることで解消されて、最終的に視認されるべき画像光として取り出される。さらに、実験用装置１００Ａは、導光装置２０Ａから射出される映像光ＧＬを結像させるための結像光学系ＩＯを有する。なお、図５（Ｃ）に例示するように、実験用装置１００Ａのうち、結像光学系ＩＯを取り除いたものは、眼ＥＹの網膜において結像する虚像表示装置として機能する。すなわち、図５（Ａ）に示す結像光学系ＩＯは、いわば人間の眼（水晶体）に相当するものであり、人間の網膜に相当する結像位置ＩＰに像を結ぶ。図５（Ｄ）は、結像位置ＩＰにおいて結ばれた実像の様子を示すものであり、図５（Ｃ）に示す構成例の場合において観察者に視認されるべき虚像の状態に相当する。この場合、色斑等をほとんど生じることなく結像がされている（網膜で結像される）ことが分かる。

一方、図６（Ａ）は、図５（Ａ）との比較のための一構成例を示す図であり、６（Ｂ）は、６（Ａ）に示す一例での波長分散に起因する色分離（色割れ）の様子を示す図である。図６（Ａ）の実験用装置１００Ｂは、映像表示装置１０Ｂと、投射レンズ４０Ｂと、導光装置２０Ｂと、結像光学系ＩＯとを有するが、導光装置２０Ｂにおいて、分散解消部に相当するものを有さず画像取出部２３のみを有している点が異なっている。この場合、図６（Ｂ）に示すように、結像位置ＩＰにおいて結ばれた実像が、色斑等を生じていることが分かる。

以上の検証から、分散解消部２１によって画像取出部２３での色分散が解消されることが分かる。

以下、図７を参照して、第１実施形態の一変形例について説明する。ここでは、画像取出部２３の一変形例を示す。すなわち、本変形例において、導光装置２０は、画像取出部２３を除いて図１（Ａ）等に示す導光装置２０と同様の構造を有するため、画像取出部２３以外の各要素については説明等を省略する。図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示すように、本変形例の画像取出部２３は、半透過反射面である多数の映像光反射面２３ａ及びこれを繋ぐ境界部２３ｂを含む多数の反射ユニット２３ｃにおいて、入射した映像光ＧＬの少なくとも一部を１回以上通過（透過）させている。

以下、画像取出部２３による映像光の光路の折曲げについてより詳細に説明する。ここでは、映像光ＧＬのうち、左右の周辺側の成分である映像光ＧＬ２及び映像光ＧＬ３についてのみ説明し、これらの中間の他の成分については、どちらかの場合と同様であるので省略する。

まず、図７（Ａ）に示すように、最小反射角α₋で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される映像光ＧＬ２は、画像取出部２３をＮ回（Ｎは１より大きい自然数）通過した後、画像取出部２３のうち周辺部２３ｍの最も奥側（＋Ｚ側）に位置する映像光反射面２３ａに達し、映像光反射面２３ａ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θ_２で光射出面ＯＦから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。すなわち、映像光ＧＬ２のように、画像取出部２３の奥側で反射する成分は、多数の映像光反射面２３ａを１回以上のＮ回通過した後、眼ＥＹに向わせる所定の映像光反射面２３ａに達し、ここで反射された成分が有効な成分となって観察者に認識される。

一方、図７（Ｂ）に示すように、最大反射角α_＋で全反射面形成部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂで全反射される映像光ＧＬ３は、画像取出部２３のうち周辺部２３ｈの最も入口側（−Ｚ側）に位置する映像光反射面２３ａに達し、映像光反射面２３ａでの反射により、光軸ＡＸに対して角度θ_３で光射出面ＯＦから眼ＥＹに向けて平行光束として射出される。

本変形例の場合も、映像光ＧＬについて角度の関係に変化が生じないように維持しつつ、波長分散の解消を確実に行うことができる。また、この場合、画像取出部２３での映像光ＧＬの１回以上の通過（半透過反射面の透過）を許容することで、比較的小さな反射角度で導光されるにもかかわらず、導光の奥側（＋Ｚ側）に位置する映像光反射面２３ａで反射する場合であっても、比較的装置の薄型化を維持しつつ画角を大きくとることが可能になっている。

以下、図８（Ａ）を参照して、第１実施形態の別の一変形例について説明する。ここでは、分散解消部２１及び画像取出部２３の一変形例を示す。なお、本変形例において、導光装置２０は、画像取出部２３と分散解消部２１との相対的な構造における違いを除いて図１（Ａ）等に示す導光装置２０と同様の構造を有するため、分散解消部２１及び画像取出部２３以外の各要素については説明等を省略する。図８（Ａ）に示すように、本変形例の導光装置２０において、分散解消部２１の映像光反射面２１ａは、画像取出部２３の映像光反射面２３ａと比較して、傾斜角度が対称で大きさが異なっている。言い換えると、各反射面２１ａ，２３ａの第２の全反射面２２ｂに対する傾斜角度は、同一の角度φに保持されている一方、各反射面２１ａの大きさは各反射面２３ａと異なっている。図示の例では、各反射面２１ａの大きさを示す各反射ユニット２１ｃの横幅ＰＡが各反射面２３ａの大きさを示す各反射ユニット２３ｃの横幅ＰＢよりも大きくなっている。この場合も、映像光の光路の対称性については保持され、波長分散の解消を確実に行うことができる。

また、図８（Ｂ）を参照して、さらに別の一変形例を示すように、画像取出部２３の中で、複数の反射面２３ａの傾斜角度については同一の角度φを維持しつつ、大きさを変えるものとしてもよい。図示の例では、導光の奥側（＋Ｚ側）に行くほど反射面２３ａ（反射ユニット２３ｃの横幅ＰＢ）が大きくなるものを例示している。図示を省略するが、分散解消部２１についても、同様に複数の反射面２１ａの大きさを変えるものとしてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、図９を参照して、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。本実施形態に係る虚像表示装置１００に組み込まれる導光装置１２０は、分散解消部１２１を１つ（単数）のプリズムで構成している。なお、導光装置１２０延いては虚像表示装置１００のうち分散解消部１２１以外の構造については、図１（Ａ）等に示す導光装置２０さらには虚像表示装置１００と同様の構造を有するため、各要素については説明等を省略する。

本実施形態に係る導光装置１２０において、分散解消部１２１は、Ｙ方向に延びる三角柱状の単体プリズムＰＲによって構成されている。より具体的に説明すると、まず、単体プリズムＰＲは、画像取出部２３と同一屈折率の材料で作製されている。さらに、図示のように、三角柱状の単体プリズムＰＲの一側面が、第２の全反射面２２ｂの延長面上に貼り付けられることで、境界面ＢＳが形成されており、単体プリズムＰＲの当該一側面に対して角度φで傾斜して対向する傾斜面に、鏡面ミラーが成膜されている。以上により、映像光反射面１２１ａが形成されている。分散解消部１２１は、以上のような構成であることにより、画像取出部２３と映像光の光路変更に関して対称性を有し、分散を解消する部材として機能するとともに映像光を導光部に向けて折り曲げる（導く）角度変換部（あるいは入射光折曲部）として機能する。

本実施形態においても、映像光の光路の対称性については保持されることで、波長分散の解消を確実に行うことができる。

〔第３実施形態〕
以下、図１０等を参照して、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。本実施形態に係る虚像表示装置１００に組み込まれる導光装置２２０において、分散解消部２２１及び画像取出部２２３は、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）に示すように、フレネル形状の反射面に入射した１つの映像光成分をそれぞれ２回（複数回）ずつ反射させる構造となっている。なお、導光装置２２０延いては虚像表示装置１００のうち分散解消部１２１及び画像取出部２２３以外の構造については、図１（Ａ）等に示す導光装置２０さらには虚像表示装置１００と同様の構造を有するため、各要素については説明等を省略する。

以下、映像光の光路について説明する。図１０に示すように、投射レンズ４０を経た各映像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光装置２０の光入射面ＩＦ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。映像光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映像光ＧＬ１は、分散解消部２２１の中央部２２１ｋで反射された後、全反射面形成部２２を経て画像取出部２２３の中央部２２３ｋで反射され、光射出面ＯＦからこの面に対して垂直な光軸ＡＸ方向に射出される。液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの一端側（＋Ｚ側）から射出された映像光ＧＬ２は、光軸ＡＸに対して角度θ_２で光入射面ＩＦに入射し、分散解消部２２１の周辺部２２１ｍ（＋Ｚ側）で反射された後、全反射面形成部２２を経て画像取出部２３のうち反光入射面側（＋Ｚ側）の周辺部２２３ｍで反射され、光射出面ＯＦから所定の角度方向（光軸ＡＸに対して角度θ_２傾いた方向）に射出される。また、液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの他端側（−Ｚ側）から射出された映像光ＧＬ３は、光軸ＡＸに対して角度θ_３で光入射面ＩＦに入射し、分散解消部２２１の周辺部２２１ｈ（−Ｚ側）で反射された後、全反射面形成部２２を経て画像取出部２３のうち最も光入射面側（−Ｚ側）の周辺部２２３ｈで反射され、光射出面ＯＦから所定の角度方向（光軸ＡＸに対して角度θ_３傾いた方向）に射出される。ここで、本実施形態の場合、図１を参照して説明した第１実施形態等の場合と異なり、各映像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の全反射の角度について、映像光ＧＬ２の角度が最大であり、映像光ＧＬ３の角度が最小であり、その他の映像光の角度については、これらの中間の値となっている。これは、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）を参照して後述するように、分散解消部２２１及び画像取出部２２３における反射回数がそれぞれ２回となっており、第１実施形態の分散解消部２１及び画像取出部２３の場合（１回反射）とは異なっているためである。

以下、図１１（Ａ）及び１１（Ｂ）を参照して、分散解消部２２１及び画像取出部２２３の構造と、分散解消部２２１及び画像取出部２２３による映像光の光路の折曲げについて説明する。

まず、分散解消部２２１の構造について説明する。図１１（Ａ）に示すように、分散解消部２２１は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２２１ｃを全反射面形成部２２の延びる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２２１ｃは、奥側即ち＋Ｚ側に配置される第１の反射面２２１ａと、入口側即ち−Ｚ側に配置される第２の反射面２２１ｂとを１組のものとして有する。なお、第１の反射面２２１ａと第２の反射面２２１ｂとの相対角度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。また、ここでは、第２の反射面２２１ｂが第２の全反射面２２ｂの延長面である境界面ＢＳに対して垂直であり、第１の反射面２２１ａは、第２の反射面２２１ｂに対して角度βで傾斜しているものとする。

以下、分散解消部２２１による映像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、映像光のうち、画像取出部２２３の両端側に入射する映像光ＧＬ２及び映像光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。

まず、映像光ＧＬ２は、境界面ＢＳから分散解消部２２１のうち周辺部２２１ｍ（＋Ｚ側）に入射すると、まず、第１の反射面２２１ａで反射され、次に、第２の反射面２２１ｂで反射され、他の反射ユニット２２１ｃを経ることなく、全反射面形成部２２での全反射により導光される。映像光ＧＬ３は、境界面ＢＳから分散解消部２２１のうち周辺部２２１ｈ（−Ｚ側）に入射すると、映像光ＧＬ２と同様に、まず、第１の反射面２２１ａで反射され、次に、第２の反射面２２１ｂで反射され、他の反射ユニット２２１ｃを経ることなく、全反射面形成部２２での全反射により導光される。ここで、同一の角度で傾斜する第１の反射面２２１ａに対して、映像光ＧＬ２は最も入射角度が大きく、映像光ＧＬ３は最も入射角度が小さい。これは、２回反射の構造となっているため、第１実施形態の場合と比べて傾斜方向が異なっている（逆になっている）からである。以上のような反射角度となっていることから、境界面ＢＳから射出された後においても、全反射面形成部２２での全反射の角度について、映像光ＧＬ２の角度が最大であり、映像光ＧＬ３の角度が最小となる。

次に、画像取出部２２３の構造について説明する。図１１（Ｂ）に示すように、画像取出部２２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２２３ｃを全反射面形成部２２の延びる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２２３ｃは、奥側即ち＋Ｚ側に配置される第１の反射面２２３ａと、入口側即ち−Ｚ側に配置される第２の反射面２２３ｂとを１組のものとして有する。なお、第１の反射面２２３ａと第２の反射面２２３ｂとの相対角度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。また、ここでは、第１の反射面２２３ａが第２の全反射面２２ｂの延長面である境界面ＢＳに対して垂直であり、第２の反射面２２３ｂは、第１の反射面２２３ａに対して角度βで傾斜しているものとする。また、これらのうち、少なくとも第２の反射面２２３ｂは、一部の光を透過可能な半透過反射面であり、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。

以下、画像取出部２２３による映像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、映像光ＧＬのうち、画像取出部２２３の両端側に入射する映像光ＧＬ２及び映像光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。

まず、映像光ＧＬ２は、境界面ＢＳから画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｍ（＋Ｚ側）に入射すると、まず、第１の反射面２２３ａで反射され、次に、第２の反射面２２３ｂで反射され、他の反射ユニット２２３ｃを経ることなく、光射出面ＯＦから射出される。映像光ＧＬ３は、境界面ＢＳから画像取出部２２３のうち周辺部２２３ｈ（−Ｚ側）に入射すると、映像光ＧＬ２と同様に、まず、第１の反射面２２３ａで反射され、次に、第２の反射面２２３ｂで反射され、他の反射ユニット２２３ｃを経ることなく、全反射面形成部２２での全反射により導光される。ここで、同一の角度で傾斜する第２の反射面２２３ｂに対して、映像光ＧＬ２は最も入射角度が大きく、映像光ＧＬ３は最も入射角度が小さい。これは、２回反射の構造となっているため、第１実施形態の場合と比べて傾斜方向が異なっている（逆になっている）からである。

本実施形態においても、分散解消部２２１及び画像取出部２２３は、映像光をそれぞれ２回（複数回）ずつ反射させるが、ともに同一の回数（２回）だけ映像光成分を反射させ、映像光の光路の対称性について保持したものとなっていることで、波長分散の解消を確実に行うことができる。

〔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。

上記の説明では、画像取出部をシート状の部材としているが、これに限らず、例えば複数のプリズムを並べて形成されるものとしてもよい。

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、映像光反射面２３ａ，１２３ａや、第１及び第２の反射面２２３ａ，２２３ｂを光反射率を略１００％にすることが可能である。

また、分散解消部と画像取出部とを同一部材で構成するものとしてもよい。例えばシースルーとしない構成であれば、分散解消部２１及び画像取出部２３の反射面２１ａ，２３ａをともにアルミ蒸着等により成膜される鏡面ミラーとする同一部材としてもよい。同一部材とすることで、分散解消部及び画像取出部の作製が容易となる。より具体的には、例えば、大きなプリズムシートを作製し、作製した当該プリズムシートから切り出した２枚のシートを、反射面が対称となるように板状部材（板状部材ＰＬとなるべき部材）の面上に貼り付けることで、分散解消部と画像取出部とを形成させることができる。また、フレネル形状の部分のみ共通の材料を用いる等、部分的に同一部材を用いるものとしてもよい。より具体的には、例えば、第１部材２１ｐ，２３ｐの作製及び第２部材２３ｐ，２３ｐの作製においては、共通に行い、反射膜の成膜（反射面の形成）過程のみ個別に行うものとしてもよい。これにより、例えば樹脂成形で作製する場合において製品ごとの屈折率差を極力抑え、かつ、シート状部材のうち分散解消部として利用する部分については、ミラー反射面を形成させ、画像取出部として利用する部分については、半透過反射面を形成させることができる。

また、上記のうち、分散解消部２１と画像取出部２３とに関して、屈折率が同一であることについては、求められる解像度にもよるが、厳密に全く同一ものとなるもののほか、例えば小数点以下２ケタ程度まで揃っているもの（屈折率差が０．０１未満）であれば屈折率が同一であるものとして含むものとしてもよい。この場合、例えば一方の材料の屈折率ｎの値がｎ＝１．５１７８である場合、他方の材料の屈折率の値が、小数点以下２ケタ（１．５１）まで合っていれば屈折率が同一であるものと考えることができる。さらに望ましくは、小数点以下３ケタまで合っている（上記の場合、１．５１７まで合っている）構成（屈折率差が０．００１未満）としておく態様とすることも考えられる。

また、分散解消部２１と画像取出部２３とに関して、プリズムシート状の部材を接着剤で貼り付けることで画像取出部２３や分散解消部２１を作製する場合、接着剤についても屈折率があまり違わないものを利用することが望ましく、例えば上記した各部の材料の場合と同程度（小数点以下２ケタさらには３ケタ）の屈折率差の接着剤を適用することが好ましい。また、プリズムシートの厚さについては、分散の発生を抑えるという観点では、あまり厚過ぎないことが好ましいが、薄すぎると貼付け時にしわが入ってしまう等のおそれがあり、例えば数十μｍ（２０μｍ）程度以上であることが望ましい。

上記の説明では、映像表示素子として、透過型の液晶表示デバイス３２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、液晶表示デバイス３２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、液晶表示デバイス３２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。

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、一組ずつ映像表示装置１０及び導光装置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映像表示装置１０と導光装置２０とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。 上記の説明では、実施形態の導光装置２０は、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をヘッドアップディスプレイとし、これに適用することもできる。

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映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、映像光の入射角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、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの映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。

１０…映像表示装置、 １１…液晶デバイス、 ２０，１２０，２２０…導光装置、 ２１，１２１，２２１…分散解消部、 ２１ａ，１２１ａ…映像光反射面、 ２１ｂ…境界部、 ２１ｃ…反射ユニット（傾斜面部分）、 ２１ｈ…周辺部、 ２１ｋ…中央部、 ２１ｍ…周辺部、 ２１ｐ…第１部材、 ２１ｑ…第２部材、 ２２…全反射面形成部、 ２２ａ…第１の全反射面、 ２２ｂ…第２の全反射面、 ２３，２２３…画像取出部、 ２３ａ，１２３ａ…映像光反射面、 ２３ｂ…境界部、 ２３ｃ…傾斜面部分、 ２３ｃ…反射ユニット、 ２３ｈ…周辺部、 ２３ｋ…中央部、 ２３ｍ…周辺部、 ２３ｐ…第１部材、 ２３ｑ…第２部材、 ３１…照明装置、 ３２…液晶表示デバイス、 ３２ａ…射出面、 ４０…投射レンズ、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…実験用装置、 ２２１ａ，２２１ｂ…反射面、 ２２１ｃ…反射ユニット、 ２２１ｈ…周辺部、 ２２１ｋ…中央部、 ２２１ｍ…周辺部、 ２２３ａ，２２３ｂ…反射面、 ２２３ｃ…反射ユニット、 ２２３ｈ…周辺部、 ２２３ｋ…中央部、 ２２３ｍ…周辺部、 ＡＸ…光軸、 ＢＳ…境界面、 Ｄ１…光入射部、 Ｄ２…導光部、 Ｄ３…光射出部、 ＥＹ…眼、 ＧＬ，ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３，ＧＬｙ…映像光、 ＩＦ…光入射面、 ＩＯ…結像光学系、 ＩＰ…結像位置、 ＬＬ…平行光、 ｎａ…屈折率、 ｎｂ…屈折率、 ＯＦ…光射出面、 ＰＡ，ＰＢ…横幅、 ＰＦ１，ＰＦ２…位置、 ＰＬ…板状部材、 ＰＰ…入射位置、 ＰＲ…単体プリズム、 ＱＱ…射出位置、 Ｒｐ，Ｇｐ，Ｂｐ…色光、 α₋…最小反射角、 α_＋…最大反射角、 α…入射角度、 β…角度、 θ_２，θ_３…角度、 φ…角度

Claims (17)

1. 映像光を入射させる光入射部と、
   対向して平行に延びる反射面を有して前記光入射部から取り込まれた映像光を反射により導く導光部と、
   前記導光部によって導かれた映像光を射出する光射出部と、
   前記光射出部に設けられ、前記導光部からの映像光を折り曲げて外部へ取り出すフレネル形状の反射面を含む画像取出部と、
   前記光入射部に設けられ、前記画像取出部での波長分散を解消する分散解消部と、を備える導光装置。
2. 前記分散解消部は、前記画像取出部を形成する材料との屈折率差が０．０１未満であるものにより形成され、映像光の入射面に対して前記画像取出部のフレネル形状の反射面と反対向きに同一角度で傾斜する反射面を有する、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記光入射部と前記光射出部とは、前記導光部を形成する板状部材の一端側と他端側とに設けられ、
   前記分散解消部は、前記光射出部側に設けられる前記画像取出部に対して対称な配置で前記光入射部側に設けられる、請求項１または２のいずれか一項に記載の導光装置。
4. 前記分散解消部は、前記光入射部のうち映像光を入射させる光入射面に対向して設けられ、
   前記画像取出部は、前記光射出部のうち映像光を射出させる光射出面に対向して設けられ、
   前記分散解消部と前記画像取出部とは、前記導光部において対向して平行に延びる反射面のうちの一側面を延長した面上に配置されている、請求項３に記載の導光装置。
5. 前記画像取出部において、前記フレネル形状の反射面は、複数のプリズムによって形成される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の導光装置。
6. 前記画像取出部は、前記導光部を形成する板状部材の面上に貼り付けられたプリズムシートにより構成される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の導光装置。
7. 前記分散解消部は、前記画像取出部と同一膜厚のプリズムシートにより構成される、請求項６に記載の導光装置。
8. 前記分散解消部は、前記画像取出部と同一部材で構成される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の導光装置。
9. 前記分散解消部は、前記画像取出部と同一の屈折率を有し、
   前記分散解消部の反射面は、前記画像取出部の反射面と傾斜角度が対称で大きさが異なる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の導光装置。
10. 前記画像取出部は、前記フレネル形状の反射面に入射した１つの映像光成分を複数回反射させ、
    前記分散解消部は、前記画像取出部と同一の回数映像光成分を反射させる、請求項１から９までのいずれか一項に記載の導光装置。
11. 前記画像取出部は、入射光の少なくとも一部を透過させる複数の半透過反射面を有し、前記複数の半透過反射面において前記映像光の少なくとも一部を１回以上通過させる、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の導光装置。
12. 前記光射出部は、平行化された状態で前記光入射部に入射した映像光を、平行化した状態で射出する、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の導光装置。
13. 前記導光部は、前記光入射部から取り込まれた映像光を、対向して平行に延びる第１及び第２の全反射面での全反射により導く、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の導光装置。
14. 前記画像取出部において、前記フレネル形状の反射面は、映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行う半透過反射面である、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の導光装置。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の導光装置と、
    映像光を生じさせる映像素子と、
    前記映像素子からの映像光を前記導光装置に入射させる投射レンズと、を備える虚像表示装置。
16. 前記投射レンズは、前記映像素子からの映像光を平行化して前記導光装置に入射させる、請求項１５に記載の虚像表示装置。
17. 前記映像素子は、カラーの映像光を生じさせる、請求項１５及び１６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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