JP6010889B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

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の虚像表示装置に関する。

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画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おり、例えば画像光と外界光とを重畳させるために、シースルー光学系を用いたものが提案されている（特許文献１等参照）。

しかし、特に特許文献１等のようなシースルー光学系の場合、ヘッドマウントディスプレイを構成する光学部材が外界光に含まれる紫外線を受けることにより、次第に当該光学部材において短波長の光の透過率が低下する黄変という現象が生じることがある。このような黄変が光学部材の内部のように画像光を導く部分で生じると、外界光のみならず光学部材を通過する画像光までもが着色して、映し出される画像の色バランスが崩れたり、画像光の透過率が低下したりしてしまう。

上記のような黄変が光学部材の内部で生じることを防ぐため、紫外光を吸収する材料を混入し、かつ、黄変しにくいプラスチックレンズ（特許文献２〜４等参照）の材料を用いて導光板の基材や表面コート層であるハードコート層を構成することも考えられる。しかし、この場合、紫外線の基材の内部への侵入を防げるとしても、比較的紫外線を多く受けることになる基材の表面側や表面コート自体が黄変してしまうと、その黄変した表面側の箇所を画像光が通過する場合には、画像光の着色や透過率低下といった経年劣化が著しくなる可能性がある。

特開２０１０−２２４４７３号公報 特開２００２−１８２００１号公報 特開２００４−３４５１２３号公報 特開２００８−９０３２７号公報

本発明は、紫外線の影響による経年劣化を抑制して、良好な画像を形成できる虚像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の虚像表示装置は、（ａ）画像光を形成する画像表示装置と、（ｂ）画像表示装置から射出された画像光による虚像を形成する投射光学系と、（ｃ１）投射光学系を通過した画像光を内部に取り込む光入射部と、（ｃ２）光入射部から取り込まれた画像光を導く導光部と、（ｃ３）導光部を経た画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する（ｃ）導光装置と、を備え、（ｄ）導光装置の表面を覆うように配置されて、外界から導光装置に向かう光に含まれる紫外光の成分を吸収する紫外光吸収材をさらに有する。

上記虚像表示装置では、導光装置が紫外光吸収材によって表面側を覆われており、当該紫外光吸収材が導光装置に向かう外界光のうち紫外光成分を予め吸収することで、導光装置に対する当該紫外光成分の影響を抑制できる。つまり、虚像表示装置は、紫外線の影響による着色、透明率の低下等の経年劣化を抑制して、良好な画像を形成できる。ここで、紫外線吸収材については、導光装置と別体で設けられたものに含ませる場合のほか、例えば導光装置の表面に貼り付けるフィルム部材に混入させて紫外線吸収性を持たせる場合や、導光部の表面をコートするコート材に含まれる場合等種々の態様が可能である。

本発明の具体的な側面では、光射出部が、導光部を経た画像光を反射させて外部へ取出すとともに、外界光を通過させて外界光の観察を可能にする半透過反射膜を有する。この場合、半透過反射膜を有することで、画像光と外界光とを重畳させるシースルー観察が可能となる。

本発明の別の側面では、導光部が、対向して延び全反射により画像光を導く第１及び第２の全反射面を有し、導光装置が、少なくとも第１及び第２の全反射面を含む画像光の導光に寄与する導光面に付随して設けられるハードコート層を有する。この場合、ハードコート層によって、導光面を損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりして、映像の解像度低下を防止することができる。また、このハードコート層は、紫外光吸収材によって保護され、劣化が抑制される。

本発明のさらに別の側面では、導光装置を表面側から覆って入射する外界光の透過量を調整するとともに、紫外光吸収材を含むシェード部材をさらに有する。ここで、シェード部材については、紫外光成分を吸収することで遮断するものであればよく、可視光成分の透過率の比較的高いものに限られず、必要に応じて適宜定められる種々のものが含まれ、例えば可視光成分の透過率を略１００％とするものであってもよいものとする。この場合、導光装置に向かう外界光に含まれる紫外光成分を、シェード部材において吸収し、導光装置に到達させないようにすることができる。なお、シェード部材は、導光装置に対して着脱可能とすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光装置が、紫外光を吸収することで硬化した紫外線硬化部材を含む。この場合、導光装置を構成する光透過性の光学部材を、光重合等によって比較的低温で高精度に形成することができる。また、これらの光学部材は、紫外光吸収材によって保護され、劣化を抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、紫外光吸収材が、通過する光のうち、紫外光よりも長い波長帯に属する可視光を略一定の透過率で透過させる。この場合、紫外光吸収材によって外界光のうち可視光の成分の色バランスを崩すことなく観察者に認識させることができる。

本発明のさらに別の側面では、紫外光吸収材が、紫外光の透過率を、可視光波長領域帯の光の透過率よりも小さくしている。この場合、紫外光を除去して導光装置を保護し併せて観察者の眼を保護するものとなるだけでなく、観察者が可視光を認識しやすいものとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、導光装置が、光入射部、導光部及び光射出部を含む導光部材と、導光部材と接合することによって外界光の観察を可能にする透視部を構成するとともに紫外光吸収材によって表面側が覆われている光透過部材と、を有する。この場合、導光部材とともにシースルーのための透視部を構成する光透過部材についても、紫外線の影響による着色、透明率の低下等の経年劣化を抑制して、良好な画像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、導光部が、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第１反射面と第２反射面とを有し、光入射部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、光射出部が、第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有する。光入射部の第３反射面で反射された画像光が導光部の第１及び第２反射面で全反射されつつ伝搬され、光射出部の第４反射面で反射されて虚像として観察者の眼に入射する。なお、光入射部と導光部と光射出部とを一体的なブロック状部材とすることにより、射出成形技術を利用して導光装置を高精度で形成することができ、このブロック状部材を紫外光吸収材によって紫外光成分から保護できる。

第１実施形態の虚像表示装置を示す斜視図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の本体部分の平面図であり、（Ｂ）は、本体部分の正面図である。 （Ａ）は、シェード部材の構造及び取付けを示す図であり、（Ｂ）は、シェード部材による紫外線吸収について説明するための図である。（Ｃ）は、変形例のシェード部材の取付けを示す図であり、（Ｄ）は、変形例のシェード部材による紫外線吸収について説明するための図である。 紫外光吸収材の透過率特性を示すグラフである。 （Ａ）は、第２実施形態の虚像表示装置のシェード部材の構造及び取付けを示す図であり、（Ｂ）は、変形例のシェード部材による紫外線吸収について説明するための図である。 （Ａ）は、第３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、導光装置の正面図及び平面図である。 画像光の光路について説明する模式的な図である。 ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。 （Ａ）は、第４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、導光装置の正面図及び平面図である。 画像光の光路について説明する模式的な図である。 ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。 ハーフミラー層を含む接合部の他の例を説明する断面図である。 （Ａ）は、虚像表示装置を構成する第１表示装置の変形例を示す図であり、（Ｂ）は、第１表示装置の別の変形例を示す図である。 虚像表示装置を構成する第１表示装置のさらに別の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

〔Ａ．虚像表示装置の外観〕
図１に示す実施形態の虚像表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置１００を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させることができる。虚像表示装置１００は、観察者の眼前を覆う光学パネル１１０と、光学パネル１１０を支持するフレーム１２１と、光学パネル１１０を前方側から着脱可能に覆う保護部材であるシェード部材２９と、フレーム１２１のうちシェード部材２９に隣接する前方側のカバー部分から後方側のつる部分（テンプル）にかけての部分に付加された第１及び第２駆動部１３１，１３２とを備える。ここで、光学パネル１１０は、第１パネル部分１１１と第２パネル部分１１２とを有し、両パネル部分１１１，１１２は、中央で一体的に連結された板状の部品となっている。図面上で左側の第１パネル部分１１１と第１駆動部１３１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第２パネル部分１１２と第２駆動部１３２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。なお、シェード部材２９は、外界光の透過量を調整する部材であり、着脱可能であり、シェード部材２９を取り外した状態でも虚像表示装置１００の使用は可能となっている。

〔Ｂ．表示装置の構造〕
図２（Ａ）等に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成装置１０と、導光装置２０とを備える。ここで、画像形成装置１０は、図１における第１駆動部１３１に相当し、導光装置２０は、図１における第１パネル部分１１１に相当する。なお、図１に示す第２表示装置１００Ｂは、第１表示装置１００Ａと同様の構造を有し左右を反転させただけであるので、第２表示装置１００Ｂの詳細な説明は省略する。

画像形成装置１０は、画像表示装置１１と、投射光学系１２とを有する。このうち、画像表示装置１１は、２次元的な照明光ＳＬ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、照明装置３１及び液晶表示デバイス３２の動作を制御する駆動制御部３４とを有する。

照明装置３１は、赤、緑、青の３色を含む光を発生する光源３１ａと、光源３１ａからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部３１ｂ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ＳＬ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。駆動制御部３４は、光源駆動回路３４ａと、液晶駆動回路３４ｂとを備える。光源駆動回路３４ａは、照明装置３１の光源３１ａに電力を供給して安定した輝度の照明光ＳＬを射出させる。液晶駆動回路３４ｂは、液晶表示デバイス３２に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの画像光を形成する。なお、液晶駆動回路３４ｂに画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。

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。

導光装置２０は、導光部材２１と光透過部材２３とを接合したものであり、全体としてＸＹ面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。

導光装置２０のうち、導光部材２１は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃと、第４反射面２１ｄとを有する。また、導光部材２１は、第１、第２、第３反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃ及び第４反射面２１ｄに隣接するとともに互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有する。ここで、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、ＸＹ面に沿って延び、導光部材２１の厚みｔだけ離間する。また、第３反射面２１ｃは、ＸＹ面に対して４５°以下の鋭角αで傾斜しており、第４反射面２１ｄは、ＸＹ面に対して例えば４５°以下の鋭角βで傾斜している。第３反射面２１ｃを通る第１光軸ＡＸ１と第４反射面２１ｄを通る第２光軸ＡＸ２とは平行に配置され距離Ｄだけ離間している。なお、第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとの間には、稜を除去するように端面２１ｈが設けられている。導光部材２１は、この端面２１ｈも含めると、７面の多面体状の外形を有するものとなっている。

導光部材２１は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材２１は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を本体部分２０ａとし、本体部分（ブロック状部材）２０ａは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。このように導光部材２１は、基材としての本体部分２０ａを一体形成品とするが、機能的に、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とに分けて考えることができる。

光入射部Ｂ１は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光入射面ＩＳと、光入射面ＩＳに対向する第３反射面２１ｃとを有する。光入射面ＩＳは、画像形成装置１０からの画像光ＧＬを取り込むための裏側又は観察者側の平面であり、投射光学系１２に対向してその第１光軸ＡＸ１に垂直に延びている。第３反射面２１ｃは、矩形の輪郭を有し、その矩形領域全体に、光入射面ＩＳを通過した画像光ＧＬを反射して導光部Ｂ２内に導くための全反射ミラーであるミラー層２５を有する。このミラー層２５は、導光部材２１の本体部分２０ａの斜面ＲＳ上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第３反射面２１ｃは、投射光学系１２の第１光軸ＡＸ１又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光ＧＬを、全体として−Ｚ方向寄りの−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光ＧＬを導光部Ｂ２内に確実に結合させる。

導光部Ｂ２は、互いに対向しＸＹ面に平行に延びる２平面として、光入射部Ｂ１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１反射面２１ａと第２反射面２１ｂとを有している。第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの間隔すなわち導光部材２１の厚みｔは、例えば９ｍｍ程度とされている。ここでは、第１反射面２１ａが画像形成装置１０に近い裏側又は観察者側にあるものとし、第２反射面２１ｂが画像形成装置１０から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第１反射面２１ａは、上記の光入射面ＩＳや後述する光射出面ＯＳと共通の面部分となっている。第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、屈折率差を利用する全反射面であり、ミラー層等の反射コートが施されていないが、本実施形態の場合、本体部分２０ａの表面上に表面コート層であるハードコート層２７を成膜することで形成されている。ハードコート層２７は、虚像表示装置１００の露出部分に形成されるものであり、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを形成するとともに、当該露出部分を損傷から防いだり汚れの除去を容易にしたりして、映像の解像度低下を防止する。このハードコート層２７は、本体部分２０ａの平坦面上に例えば紫外線硬化性のコート剤をディップ処理等によって表面に塗布した後、紫外線照射によりコート材を硬化させることで形成できる。つまり、ハードコート層２７を、コート材を硬化させた紫外線硬化部材で構成することができる。

ここで、図２（Ａ）に一部拡大して示すように、例えば第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂでの全反射を、ハードコート層２７の表面側で生じさせる場合、１回の全反射において、画像光ＧＬの成分がハードコート層２７を２度通過することになる。従って、このような構成とする場合には、画像光の劣化を防ぐため、ハードコート層２７の黄変を抑制することが特に重要となる。

光入射部Ｂ１の第３反射面２１ｃで反射された画像光ＧＬは、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光ＧＬは、第２反射面２１ｂ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、全体として導光装置２０の奥側の主導光方向すなわち光射出部Ｂ３を設けた＋Ｚ側に導かれる。なお、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂには反射コートが施されていないため、外界側から第２反射面２１ｂに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部Ｂ２を通過する。つまり、導光部Ｂ２は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。

光射出部Ｂ３は、三角プリズム状の部分であり、第１反射面２１ａの一部である光射出面ＯＳと、光射出面ＯＳに対向する第４反射面２１ｄとを有する。光射出面ＯＳは、画像光ＧＬを観察者の眼ＥＹに向けて射出するための裏側の平面であり、光入射面ＩＳと同様に第１反射面２１ａの一部となっており、第２光軸ＡＸ２に垂直に延びている。光射出部Ｂ３を通る第２光軸ＡＸ２と光入射部Ｂ１を通る第１光軸ＡＸ１との距離Ｄは、観察者の頭部の幅等を考慮して例えば５０ｍｍに設定されている。第４反射面２１ｄは、矩形の平坦面であり、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを反射して光射出部Ｂ３外に射出させるとともに外界光ＧＬ’を透過させるためのハーフミラー層２８を、第４反射面２１ｄの中央に配置された矩形の部分領域に有する。このハーフミラー層２８は、光透過性を有する半透過反射膜である。ハーフミラー層（半透過反射膜）２８は、導光部材２１のうち第４反射面２１ｄを構成する斜面ＲＲ上に例えば銀等による金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層２８の画像光ＧＬに対する反射率は、シースルーによる外界光ＧＬ’の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において１０％以上５０％以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層２８の画像光ＧＬに対する反射率は、例えば２０％に設定され、画像光ＧＬに対する透過率は、例えば８０％に設定される。

第４反射面２１ｄは、第１反射面２１ａに垂直な第２光軸ＡＸ２又はＸＹ面に対して例えば鋭角α＝２５°〜２７°で傾斜しており、上記ハーフミラー層２８により、導光部Ｂ２の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを経て入射してきた画像光ＧＬを部分的に反射して全体として−Ｚ方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面ＯＳを通過させる。なお、第４反射面２１ｄを透過した画像光ＧＬｘの成分は、光透過部材２３に入射し、映像の形成には利用されない。

光透過部材２３は、導光部材２１の本体部分２０ａと同一の屈折率を有する本体部分２３ｓで構成され、第１面２３ａと、第２面２３ｂと、第３面２３ｃとを有する。第１及び第２面２３ａ，２３ｂは、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂと同様、本体部分２３ｓの表面上に表面コート層であるハードコート層２７を成膜することで形成されており、ＸＹ面に沿って延びている。また、第３面２３ｃは、ＸＹ面に対して傾斜しており、導光部材２１の第４反射面２１ｄに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材２３は、第２面２３ｂと第３面２３ｃとに挟まれた楔状の部材を有するものとなっている。光透過部材２３は、導光部材２１と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材２３は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を本体部分２３ｓとするものであり、本体部分２３ｓは、例えば熱又は光重合型の樹脂材料を成型金型内に射出させ熱硬化又は光硬化させることで形成されている。

光透過部材２３において、第１面２３ａは、導光部材２１に設けた第１反射面２１ａの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹに近い裏側にあり、第２面２３ｂは、導光部材２１に設けた第２反射面２１ｂの延長平面上に配置され、観察者の眼ＥＹから遠い表側にある。第３面２３ｃは、接着剤によって導光部材２１の第４反射面２１ｄに接合される矩形の光透過面である。以上の第１面２３ａと第３面２３ｃとなす角度は、導光部材２１の第２反射面２１ｂと第４反射面２１ｄとのなす角度εと等しくなっており、第２面２３ｂと第３面２３ｃとのなす角度は、導光部材２１の第１反射面２１ａと第３反射面２１ｃとのなす角度βと等しくなっている。

光透過部材２３と導光部材２１とは、両者の接合部分及びその近傍において、透視部Ｂ４を構成している。すなわち、第１及び第２面２３ａ，２３ｂには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材２１の導光部Ｂ２と同様に外界光ＧＬ’を高い透過率で透過させる。第３面２３ｃも、外界光ＧＬ’を高い透過率で透過可能であるが、導光部材２１の第４反射面２１ｄがハーフミラー層２８を有していることから、第３面２３ｃの中央領域を通過する外界光ＧＬ’は、例えば２０％減光される。つまり、観察者は、２０％に減光された画像光ＧＬと８０％に減光された外界光ＧＬ’とを重畳させたものを観察することになる。なお、シェード部材２９を装着した状態では、外界光ＧＬ’は、光透過部材２３や導光部材２１を通過する前に予め減光された状態となっており、観察者は、例えば８０％の数分の１に減光された外界光ＧＬ’を観察することになる。

〔Ｃ．画像光の光路の概要〕
図３（Ａ）は、液晶表示デバイス３２の縦断面ＣＳ１に対応する第１方向Ｄ１又は非閉じ込め方向ＤＷ１の光路を説明する図である。第１方向Ｄ１に沿った縦断面すなわちＹＺ面（展開後のＹ’Ｚ’面）において、液晶表示デバイス３２から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂの上端側（＋Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬａとし、図中二点差線で示す表示領域３２ｂの下端側（−Ｙ側）から射出される成分を画像光ＧＬｂとする。

上側の画像光ＧＬａは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ’に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度φ_１の上方向から傾いて入射する。一方、下側の画像光ＧＬｂは、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ’に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度φ_２（｜φ_２｜＝｜φ_１｜）の下方向から傾いて入射する。以上の角度φ_１，φ_２は、上下の半画角に相当し、例えば６．５°に設定される。

図３（Ｂ）は、液晶表示デバイス３２の横断面ＣＳ２に対応する第２方向Ｄ２又は閉じ込め方向ＤＷ２の光路を説明する図である。第２方向Ｄ２に沿った横断面ＣＳ２すなわちＸＺ面（展開後のＸ’Ｚ’面）において、液晶表示デバイス３２から射出された画像光のうち、図中一点鎖線で示す表示領域３２ｂに向かって右端側（＋Ｘ側）の第１表示点Ｐ１から射出される成分を画像光ＧＬ１とし、図中二点差線で示す表示領域３２ｂに向かって左端側（−Ｘ側）の第２表示点Ｐ２から射出される成分を画像光ＧＬ２とする。

右側の第１表示点Ｐ１からの画像光ＧＬ１は、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ’に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度θ_１の右方向から傾いて入射する。一方、左側の第２表示点Ｐ２からの画像光ＧＬ２は、投射光学系１２によって平行光束化され、展開された光軸ＡＸ’に沿って、導光部材２１の光入射部Ｂ１、導光部Ｂ２、及び光射出部Ｂ３を通り、観察者の眼ＥＹに対して平行光束状態で、角度θ_２（｜θ_２｜＝｜θ_１｜）の左方向から傾いて入射する。以上の角度θ_１，θ_２は、左右の半画角に相当し、例えば１０°に設定される。

なお、第２方向Ｄ２又は閉じ込め方向ＤＷ２、すなわち横方向に関しては、導光部材２１中で画像光ＧＬ１，ＧＬ２が反射によって折り返され、反射の回数も異なることから、各画像光ＧＬ１，ＧＬ２が導光部材２１中で不連続に表現されている。また、観察者の眼ＥＹについては、図２（Ａ）の場合と比較して見ている方向が上下反対となっている。結果的に、横方向に関しては、全体として画面が左右反転するが、後に詳述するように導光部材２１を高精度に加工することで、液晶表示デバイス３２の右半分の画像と液晶表示デバイス３２の左半分の画像とが切れ目なく連続してズレなくつなぎ合わされたものとなる。なお、両画像光ＧＬ１，ＧＬ２の導光部材２１内での反射回数が互いに異なることを考慮して、右側の画像光ＧＬ１の射出角度θ_１’と左側の画像光ＧＬ２の射出角度θ_２’とは異なるものに設定されている。

以上により、観察者の眼ＥＹに入射する画像光ＧＬａ，ＧＬｂ，ＧＬ１，ＧＬ２は、無限遠からの虚像となっており、縦の第１方向Ｄ１又は非閉じ込め方向ＤＷ１に関しては、液晶表示デバイス３２に形成された映像が正立し、横の第２方向Ｄ２又は閉じ込め方向ＤＷ２に関しては、液晶表示デバイス３２に形成された映像が反転する。

以上のようなシースルー型の構成を有する虚像表示装置１００では、外界光を透過させる露出部分が多くなるため、虚像表示装置１００を構成する導光部材２１その他の光透過性の光学部材が、外界光ＧＬ’に含まれる紫外光成分を通過させることによって、年を経るとともに黄変して光の透過率が低下してしまう可能性がある。例えば虚像表示装置１００を構成するハードコート層２７は、導光部材２１や光透過部材２３の表面においてシースルーを良好な状態に保つために重要な光学部材であるが、既述のように、コート剤をディップ処理によって成膜することで形成されるものである。従って、これらの部材２１，２３のコート剤として紫外線硬化性のもので形成される紫外線硬化材を用いることが考えられる。また、導光部材２１の本体部分２０ａや光透過部材２３の本体部分２３ｓも紫外線硬化材を原料としこれを硬化して形成される紫外線硬化部材で構成される場合がある。紫外線硬化部材は、原料である紫外線硬化材が紫外線を吸収することで硬化する性質を有する以上、経年とともに黄変が進む可能性がある。以上のことから、ハードコート層２７や本体部分２０ａ等の虚像表示装置１００を構成する光透過性の光学部材を紫外光成分から保護することは、非常に重要な課題である。本実施形態では、図１に示すシェード部材２９が紫外光成分を吸収する紫外光吸収材を含むことによって、ハードコート層２７や本体部分２０ａ等の虚像表示装置１００を構成する光透過性の光学部材を紫外光から的確に保護している。

〔Ｄ．シェード部材の構造と導光部材への取付け〕
以下、図３（Ａ）等により、シェード部材２９の構造や導光部材２１すなわち光学パネル１１０への取付けについて説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の側断面図に示すように、シェード部材２９は、断面視Ｕ字形状を有している。シェード部材２９は、既述のように、図１の光学パネル１１０すなわち図３（Ａ）等の導光装置２０を第２反射面２１ｂ側から覆うことで、外界光の透過量を調整する部材であり、ある程度の光透過性を有して、かつ、着脱可能となっている。虚像表示装置１００は、シェード部材２９を装着した状態でも、取り外した状態でも使用が可能である。シェード部材２９の具体的な使用態様としては、例えばシェード部材２９がある程度の遮光性を有することで、虚像表示装置１００の使用環境が明るい場合と暗い場合や、画像光による映像と外界の状況とのどちらを重視するかといった観察者の要請に応じて装着したり外したりすることができるものとなっている。本実施形態では、特に、シェード部材２９が紫外光吸収性の材料又はこれを混ぜ込んだ材料（紫外光吸収材）で形成された紫外光吸収部材ＵＡで構成されている。また、シェード部材２９は、交換可能であり、劣化した場合は、新品に交換することができ、用途に応じて透過率の異なるものに交換することも可能である。

ここで、シェード部材２９の紫外光吸収部材ＵＡに用いる紫外光吸収性の材料すなわち紫外光吸収部材ＵＡの原料である紫外光吸収材としては、種々のものが考えられる。具体的には、例えば特開２００２−１８２００１号公報（特許文献２）に開示されている樹脂組成物、つまりエポキシ（メタ）アクリレート、特定のポリブチレングリコールジ（メタ）アクリレート、芳香環を有する特定構造のモノ（メタ）アクリレート、その他の重合性モノマーを主成分とする原料モノマーと、特定構造のベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤と、可視光領域に吸収特性を有する光重合開始剤とを含有するものを、紫外光吸収部材ＵＡの材料として用いることができる。また、例えば、特開２００４−３４５１２３号公報（特許文献３）に開示されている原料組成物、つまりエピスルフィド等化合物やポリイソシアネート化合物等を含む重合性モノマーを主成分として含有するモノマー組成物に対して紫外線吸収剤として５００μｍ以下の粒径のベンゾトリアゾール系紫外線吸収剤を溶解させた後重合させた樹脂組成物を、紫外光吸収部材ＵＡの材料として用いることもできる。これらのような材料を用いることで、紫外光吸収部材ＵＡを、十分な紫外線吸収性を有し、かつ、比較的黄変しにくいものとすることができる。

図４に、シェード部材２９に紫外線吸収剤を混入させた場合の透過率を示す。この例では、可視光の波長範囲（４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）で、外界光ＧＬ’の強度を低下させ、映像光すなわち画像光ＧＬを見易くする為に、１０％程度の透過率としている。なお、この例では、シェード部材２９の外界光ＧＬ’の透過方向についての厚さを２ｍｍとしている。曲線Ｃ１は、紫外線吸収剤を含まない場合で、紫外領域（３５０ｎｍ〜４００ｎｍ）の透過率が、可視光領域の透過率より高くなっている。この材料に、紫外線吸収剤を導入することにより、曲線Ｃ２に示す通り、可視光領域での透過率を変えず、かつ、紫外領域の透過率を２０％以下に低減させ、曲線Ｃ１の場合に比べて３／４程度とすることができる。

以下、図３（Ａ）等に戻って、シェード部材２９の取付け構造について説明する。シェード部材２９は、図３（Ａ）に示すように、導光部材２１の第２反射面２１ｂ側を覆うことでカバーとして主体的に機能する部分である主部２９ｘと、主部２９ｘの上下端から延びて導光部材２１の上面２１ｅ及び下面２１ｆ側を覆う一対の壁部２９ｙ，２９ｙと、壁部２９ｙ，２９ｙの先端に形成される一対の爪部２９ａ，２９ａと、壁部２９ｙ，２９ｙの根本側に形成される一対の凸部２９ｂ，２９ｂと、を有している。

シェード部材２９は、図３（Ａ）に示すように、導光部材２１のうち観察者の眼ＥＹ側と反対側すなわち第２反射面２１ｂ側である矢印ＡＷの方向から押し付けて、可撓性の壁部２９ｙの先端に設けた爪部２９ａを導光部材２１に引っかけるように係止させることで、導光部材２１へ取付け可能となっている。つまり、シェード部材２９は、図３（Ｂ）に示すように、導光部材２１のうち観察者の眼ＥＹ側に位置する第１反射面２１ａの光学的には使用されない周辺部分ＳＳに、爪部２９ａを引っかけて係止される。これにより、シェード部材２９は、導光部材２１のうち眼ＥＹの反対側に位置する第２反射面２１ｂ全体を覆った状態となり、観察者の眼ＥＹと反対側から導光部材２１に向かう外界光ＧＬ’のうち、一定の割合の可視光成分ＶＲを通過させる一方、紫外光成分ＵＶを吸収する。つまり、シェード部材２９は、紫外光成分ＵＶを導光部材２１に到達させる前に吸収して、導光部材２１を構成する本体部分２０ａやハードコート層２７を、紫外光成分ＵＶから保護するものとなっている。

また、可撓性の壁部２９ｙの先端に設けた爪部２９ａによる係止を外すことで、図３（Ａ）に示すシェード部材２９が導光部材２１から外された状態に戻すことができる。つまり、シェード部材２９は、導光部材２１に対して着脱自在であり、導光部材２１を含む光学パネル１１０に装着されて光学パネル１１０を保護しつつ、例えばシェード部材２９が経年とともに黄変してもシェード部材２９のみを取り換えることができるものとなっている。

なお、一対の凸部２９ｂ，２９ｂは、シェード部材２９の主部２９ｘと第２反射面２１ｂ側のハードコート層２７との間に空間ＧＰを設けるための位置決め部である。凸部２９ｂ，２９ｂによって、主部２９ｘが導光部材２１のハードコート層２７に直接接しない状態を確保でき、導光部材２１の表面の損傷を防ぐ等、導光部材２１にシェード部材２９が影響を及ぼさないものにできる。

また、シェード部材２９による可視光成分ＶＲの透過率或いは遮光率については、必要に応じて適宜定められ、透過率を略１００％とする遮光性のほとんどないものとしてもよい。つまり、シェード部材２９は、紫外光成分ＵＶを吸収することで遮断するものであればよく、可視光成分ＶＲの透過率の高低を問わない。

以上のように、本実施形態では、導光装置２０が紫外光吸収部材ＵＡを含むシェード部材２９によって表面側である第２反射面２１ｂ側を覆われており、シェード部材２９が導光装置２０に向かう外界光のうち紫外光成分ＵＶを予め吸収することで、導光装置２０に対する紫外光成分ＵＶの影響を抑制できる。つまり、虚像表示装置１００は、導光部材２１等を含む光学パネル１１０において紫外線の影響による経年劣化を抑制して、良好な画像を形成できる。また、以上の場合、シェード部材２９は、紫外光成分ＵＶを吸収することで、結果として観察者の眼ＥＹについても紫外光成分ＵＶから保護するものとなっている。

図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）は、本実施形態に係る虚像表示装置の他の一例を示す図である。この例では、シェード部材２９が紫外光吸収部材ＵＡを内部に有するのではなく、シェード部材本体２９ｍのうち導光装置２０の反対側に位置する表面２９ｎ上に紫外光吸収部材ＵＡを設ける構成としている。この場合も、紫外光吸収部材ＵＡによって紫外光成分ＵＶを吸収することで、導光装置２０の各光学部品の黄変を防ぐことができる。なお、例えば紫外光吸収部材ＵＡを付け外し可能なフィルム状の部材とすることで、紫外光吸収部材ＵＡが経年劣化した場合には、新しいものに取り換えるものとしてもよい。また、導光装置２０の各光学部品の黄変を防ぐことができるのであれば、上記以外の場所に紫外光吸収部材ＵＡを設けてもよく、例えば、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）において、紫外光吸収部材ＵＡをシェード部材本体２９ｍのうち導光装置２０の第２反射面２１ｂに対向する側すなわちシェード部材２９の裏側に設けてもよい。また、導光装置２０の各光学部品の黄変に大きく関与する部分のみに紫外光吸収部材ＵＡを設けて、黄変の影響がない又は少ない箇所には紫外光吸収部材ＵＡを設けない構成としてもよい。

また、紫外光吸収部材ＵＡを積層膜等で構成することも可能である。つまり、例えばシェード部材２９の表面を多層膜で構成することによってこれを紫外光吸収部材ＵＡとすることができる。なお、この場合、積層膜の各層を構成する材料が、紫外光吸収部材ＵＡの原料である紫外光吸収材となる。

また、上記のシェード部材２９のように可撓性の壁部２９ｙ及びその先端に設けた爪部２９ａを有する構成に代えて、紫外線吸収材入りの薄いプラスチックシートで構成される保護シートのようなものを貼り付ける、あるいは装着する構成としてもよい。つまり、例えば導光装置２０の側面にネジ、溝、爪等を配置することで固定されて導光装置２０の前面を覆うようなプラスチックシートを設けることで、紫外線を吸収するものとしてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、第２実施形態に係る虚像表示装置の一例を示す図であり、第１実施形態の図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に対応する側断面図である。この例では、シェード部材２９が紫外光吸収部材ＵＡを含まず、紫外光吸収部材ＵＡが第２反射面２１ｂ全体を覆うように別途設けられている。

この場合、着脱可能なシェード部材２９の有無にかかわらず、紫外光吸収部材ＵＡによって外界光ＧＬ’に含まれる紫外光成分ＵＶを吸収することで、導光装置２０の各光学部品の黄変を防ぐことができる。一方、外界光ＧＬ’のうち可視光成分ＶＲについては、一定量通過させることで、観察者の眼ＥＹに到達するものとなっている。

なお、上記のような紫外光吸収部材ＵＡの構成については、例えば原料である紫外光吸収材を混入させた紫外線吸収フィルム部材を紫外光吸収部材ＵＡとして導光装置２０の表面に貼り付けるというものが考えられる。また、導光装置２０の表面を原料である紫外光吸収材によって直接コートして紫外光吸収部材ＵＡとするものでもよく、種々の態様が可能である。また、以上のような紫外光吸収部材ＵＡを設けることで、シェード部材２９を有しない構成としてもよい。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図６（Ａ）〜６（Ｃ）に示す虚像表示装置１００は、画像形成装置１０と、導光装置４２０とを一組として備える。導光装置４２０は、導光部材２１と、角度変換部４２３と、光透過部材２３とを備える。なお、図６（Ａ）は、図６（Ｂ）に示す導光装置４２０のＡ−Ａ断面に対応する。

導光部材２１の全体的な外観は、図中ＸＹ面に平行に延びる平板である本体部分２０ａによって形成されている。また、導光部材２１は、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃとを有する。また、導光部材２１は、第１、第２及び第３反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃに隣接するとともに互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有する。さらに、導光部材２１は、長手方向の一端において本体部分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第３反射面２１ｃを有し、長手方向の他端において多数のミラーによって構成される角度変換部４２３につながる構造となっている。

本体部分２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＸＹ面に平行で画像形成装置１０に対向する裏側の平面上に、画像形成装置１０からの画像光を取り込む光入射面ＩＳを有している。本体部分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２５が形成されている。ここで、ミラー層２５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第３反射面２１ｃとして機能する。この第３反射面２１ｃは、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光を、全体として−Ｚ方向に偏った−Ｘ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分２０ａ内に確実に結合させる。

導光部材２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、平板状の本体部分２０ａの主面であり互いに対向しＸＹ面に対して平行に延びる２平面として、プリズム部ＰＳで折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第３反射面２１ｃで反射された画像光は、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２反射面２１ｂ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、導光部材２１の奥側即ち角度変換部４２３を設けた−Ｘ側に導かれる。

図６（Ｃ）に示すように、導光部材２１において、第３反射面２１ｃと後述する光入射面ＩＳとは、光入射部Ｂ１として機能する。また、導光部材２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに挟まれた本体部分２０ａと、後述する角度変換部４２３とは、導光部Ｂ２として機能する。なお、角度変換部４２３は、光射出部Ｂ３として機能する。

角度変換部４２３は、導光部材２１の奥側（−Ｘ側）において、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの延長平面に沿って形成されている。ここで、本体部分２０ａの奥側端部は、角度変換部４２３の一部となっている。角度変換部４２３は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂに対して傾斜し互いに平行に等間隔で配列される多数のハーフミラー層２８を有する。角度変換部４２３は、導光部材４２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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を介して観察者の眼ＥＹ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部４２３は、画像光の角度を変換している。

光透過部材２３は、角度変換部４２３を奥側（−Ｘ側）に延長した部分であり、導光部材４２１の本体部分２０ａと同様に平板状の部材となっている。

以上において、角度変換部４２３の全部又は入口側の一部は、導光部材２１と組み合わせることで導光部Ｂ２の一部としても機能している。また、角度変換部４２３の全部又は奥側の一部は、光透過部材２３と組み合わせることで透視部Ｂ４として機能している。

画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光部材２１に入射した画像光は、第３反射面２１ｃで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＡＸに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部４２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に角度変換部４２３に付随する光射出面ＯＳから外部に射出される。光射出面ＯＳから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。

以下、導光装置４２０中の画像光の光路について説明する。なお、第３実施形態における導光装置４２０は、縦の第１方向Ｄ１（Ｙ方向）に関して、図１（Ａ）の導光装置２０と同様に機能する。一方、導光装置４２０は、横の第２方向Ｄ２（Ｘ方向）に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、２つの伝搬モードの画像光を導光させる図２（Ａ）の導光装置２０と異なっている。

図６（Ａ）に示すように、画像表示装置１１の液晶表示デバイス（画像光形成部）３２から射出される画像光のうち、射出面３２ａの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光ＧＬ４１とし、射出面３２ａの紙面右側（＋Ｘ側）から射出される一点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ４２とし、射出面３２ａの紙面左側（−Ｘ側）から射出される二点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ４３とする。

投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ４１，ＧＬ４２，ＧＬ４３の主要成分は、導光部材２１の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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ＧＬ４１，ＧＬ４２，ＧＬ４３のうち、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ４１は、投射光学系１２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、標準反射角γ_０で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ４１は、標準反射角γ_０を保った状態で、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ４１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部４２３の中央部２３ｋに達する。この中央部２３ｋで反射された画像光ＧＬ４１は、光射出面ＯＳから当該光射出面ＯＳ又はＸＹ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。

液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの一端側（＋Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ４２は、投射光学系１２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、最大反射角γ_＋で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。画像光ＧＬ４２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、角度変換部４２３のうち最も入口側（＋Ｘ側）の周辺部２３ｍに達する。この周辺部２３ｍで反射された画像光ＧＬ４２は、入口の第３反射面２１ｃ側から離れるように＋Ｘ軸に対して鈍角をなし、光軸ＡＸに対して角度θ_１２（導光装置４２０内ではθ_１２’）だけ傾斜した方向に射出される（図７参照）。

液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの他端側（−Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ４３は、投射光学系１２の通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、最小反射角γ₋で導光部材２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。画像光ＧＬ４３は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部４２３のうち最も奥側（−Ｘ側）の周辺部２３ｈに入射する。この周辺部２３ｈで反射された画像光ＧＬ４３は、第３反射面２１ｃ側に戻されるように＋Ｘ軸に対して鋭角をなし、光軸ＡＸに対して角度θ_１３（導光装置４２０内ではθ_１３’）だけ傾斜した方向に射出される（図７参照）。

図８に示すように、角度変換部４２３は、複数のプリズム４２４を所定のピッチでＸ方向に多数配列した構造を有する。各プリズム４２４は、光射出側に第１接合面４２４ｊを有し、光入射側に第２接合面４２４ｃを有する。本体部分２０ａの第１接合面２１ｊ上又は各プリズム４２４の第１接合面４２４ｊ上には、半透過反射膜であるハーフミラー層２８が形成されている。

本実施形態においても、第１及び第２実施形態の場合と同様に、紫外光吸収部材ＵＡ（図３（Ａ）、図５（Ａ）等参照）を設けることによって導光装置２０の表面側である第２反射面２１ｂ側を覆うことで、導光装置２０に向かう外界光のうち紫外光成分ＵＶを予め吸収し、導光装置２０に対する紫外光成分の影響を抑制できる。また、観察者の眼ＥＹについても紫外光成分ＵＶから保護するものとなっている。これにより、例えば角度変換部４２３を構成するハーフミラー層２８や、これを接着する接着層ＣＣといった光透過性の各光学部材を保護することができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第１実施形態に係る虚像表示装置１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１の虚像表示装置１００と同様であるものとする。

図９（Ａ）〜９（Ｃ）に示す虚像表示装置１００は、画像形成装置１０と、導光装置５２０とを一組として備える。導光装置５２０は、その一部として導光部材５２１を有している。導光部材５２１は、本体部分２０ａと、画像取出部である角度変換部５２３とを備える。なお、図９（Ａ）は、図９（Ｂ）に示す導光部材５２１のＡ−Ａ断面に対応する。

導光部材５２１の全体的な外観は、図中ＸＹ面に平行に延びる平板である本体部分２０ａによって形成されている。また、導光部材５２１は、側面として、第１反射面２１ａと、第２反射面２１ｂと、第３反射面２１ｃとを有する。また、導光部材５２１は、第１、第２及び第３反射面２１ａ，２１ｂ，２１ｃに隣接するとともに互いに対向する上面２１ｅと下面２１ｆとを有する。さらに、導光部材５２１は、長手方向の一端において本体部分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第３反射面２１ｃを有し、長手方向の他端において本体部分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角度変換部５２３を有する構造となっている。導光部材５２１は、一体的な部品であるが、第１実施形態の場合と同様に、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とに分けて考えることができ（図９（Ｃ）参照）、このうち光入射部Ｂ１は、第３反射面２１ｃと後述する光入射面ＩＳとを有する部分であり、光入射部Ｂ１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂを有する部分であり、導光部Ｂ２は、角度変換部５２３と後述する光射出面ＯＳとを有する部分である。

本体部分２０ａは、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＸＹ面に平行で画像形成装置１０に対向する裏側又は観察者側の平面上に、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面ＯＳとを有している。本体部分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２５が形成されている。ここで、ミラー層２５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である第３反射面２１ｃとして機能する。この第３反射面２１ｃは、光入射面ＩＳから入射し全体として＋Ｚ方向に向かう画像光を、全体として−Ｚ方向に偏った−ＸＺ方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分２０ａ内に確実に結合させる。また、本体部分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角度変換部５２３が形成されている。本体部分２０ａは、入口側の第３反射面２１ｃから奥側の角度変換部５２３にかけて延在し、プリズム部ＰＳを介して内部に入射させた画像光を角度変換部５２３に導く。

導光部材５２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂは、平板状の本体部分２０ａの主面であり互いに対向しＸＹ面に対して平行に延びる２平面として、プリズム部ＰＳ又は光入射部Ｂ１で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第３反射面２１ｃで反射された画像光は、まず、第１反射面２１ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２反射面２１ｂ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、導光装置５２０の奥側即ち角度変換部５２３を設けた−Ｘ側に導かれる。

本体部分２０ａの光射出面ＯＳに対向して配置される角度変換部５２３は、導光部材５２１の奥側（−Ｘ側）において、第２反射面２１ｂ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。角度変換部５２３は、導光部材５２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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、角度変換部５２３は、画像光の角度を変換している。

画像形成装置１０から射出され光入射面ＩＳから導光部材５２１に入射した画像光は、第３反射面２１ｃで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材５２１の第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸ＡＸに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部５２３において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面ＯＳから外部に射出される。光射出面ＯＳから外部に射出された画像光は、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。

以下、導光装置５２０中の画像光の光路について説明する。なお、第４実施形態における導光装置５２０は、縦の第１方向Ｄ１（Ｙ方向）に関して、図１（Ａ）の導光装置２０と同様に機能する。一方、導光装置５２０は、横の第２方向Ｄ２（Ｘ方向）に関して、多数の伝搬モードの画像光を導光させるものとなっており、２つの伝搬モードの画像光を導光させる図２（Ａ）の導光装置２０と異なっている。

図９（Ａ）に示すように、画像表示装置１１の液晶表示デバイス（画像光形成部）３２から射出される画像光のうち、射出面３２ａの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光ＧＬ５１とし、射出面３２ａの紙面右側（＋Ｘ側）から射出される一点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ５２とし、射出面３２ａの紙面左側（−Ｘ側）から射出される二点鎖線で示す成分を画像光ＧＬ５３とする。

投射光学系１２を経た各画像光ＧＬ５１，ＧＬ５２，ＧＬ５３の主要成分は、導光部材５２１の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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ＧＬ５１，ＧＬ５２，ＧＬ５３のうち、液晶表示デバイス（画像光形成部）３２の射出面３２ａの中央部分から射出された画像光ＧＬ５１は、投射光学系１２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、標準反射角γ_０で導光部材５２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ５１は、標準反射角γ_０を保った状態で、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂで全反射を繰り返す。画像光ＧＬ５１は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいてＮ回（Ｎは自然数）全反射され、角度変換部５２３の中央部２３ｋに達する。この中央部２３ｋで反射された画像光ＧＬ５１は、光射出面ＯＳから当該光射出面ＯＳ又はＸＹ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。

液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの一端側（＋Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ５２は、投射光学系１２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、最小反射角γ_＋で導光部材５２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。画像光ＧＬ５２は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて例えばＮ−Ｍ回（Ｍは自然数）全反射され、角度変換部５２３のうち最も奥側（−Ｘ側）の周辺部２３ｈに達する。この周辺部２３ｈで反射された画像光ＧＬ５２は、入口の第３反射面２１ｃ側に戻されるように＋Ｘ軸に対して鋭角をなし、光軸ＡＸに対して角度θ_１２（導光装置５２０内ではθ_１２’）だけ傾斜した方向に射出される（図１０参照）。

液晶表示デバイス３２の射出面３２ａの他端側（−Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ５３は、投射光学系１２の通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し第３反射面２１ｃで反射された後、最小反射角γ₋で導光部材５２１の第１反射面２１ａに入射し、全反射される。画像光ＧＬ５３は、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂにおいて例えばＮ＋Ｍ回全反射され、角度変換部５２３のうち最も入口側（＋Ｘ側）の周辺部２３ｍに入射する。この周辺部２３ｍで反射された画像光ＧＬ５３は、第３反射面２１ｃ側から離れるように＋Ｘ軸に対して鈍角をなし、光軸ＡＸに対して角度θ_１３（導光装置５２０内ではθ_１３’）だけ傾斜した方向に射出される（図１０参照）。

なお、図１０に示すように、角度変換部５２３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２ｃで構成される。つまり、角度変換部５２３は、Ｙ方向に延びる細長い反射ユニット２ｃを所定のピッチＰＴで角度変換部５２３の延びる主導光方向すなわち−Ｘ方向に沿って多数配列させることで構成されている。各反射ユニット２ｃは、奥側即ち光路下流側に配置される１つの反射面部分である第１の反射面２ａと、入口側即ち光路上流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２ｂとを１組のものとして有し、両反射面２ａ，２ｂは、一定の楔角δをなしている。これらのうち、少なくとも第２の反射面２ｂ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。当該反射ユニット２ｃにおいて、画像光ＧＬ５２，５３は、最初に奥側即ち−Ｘ側の第１の反射面２ａで反射され、次に、入口側即ち＋Ｘ側の第２の反射面２ｂで反射される。当該反射ユニット２ｃを経た画像光ＧＬ５２，５３は、他の反射ユニット２ｃを経ることなく、角度変換部５２３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。

図１１に示すように、角度変換部５２３は、導光部材５２１から延びる比較的厚い板状の接合部材５２１ｎと、光透過部材２３から延びる比較的薄い板状の接合部材５２３ｎとを接合した構造を有する。接合部材５２１ｎの第１接合面２１ｊ上には、ハーフミラー層２８が形成されている。

また、このほかの一例として、図１２に示すように、角度変換部６２３は、導光部材６２１の一部に反射ユニット２ｃを形成するための微細構造の凹凸部６２１ｎを設け、凹凸部６２１ｎ上にハーフミラー層２８を形成した後、ハーフミラー層２８を樹脂材料６２３ｎで凹凸部６２１ｎを埋めることで形成されるものであってもよい。この場合、樹脂材料６２３ｎとして、例えば紫外線硬化性の材料を用いることで、微細構造を有する凹凸部６２１ｎに隙間なく当該材料を充填させた後、紫外線照射によって硬化させて角度変換部６２３を作製することができる。つまり、角度変換部６２３を紫外線硬化部材で構成することができる。紫外線硬化部材で構成される角度変換部６２３は、紫外光吸収部材ＵＡ（図３（Ａ）等参照）によって外界光ＧＬ’に含まれる紫外光成分ＵＶから保護される。

本実施形態においても、第１及び第２実施形態の場合と同様に、紫外光吸収部材ＵＡ（図３（Ａ）、図５（Ａ）等参照）を設けることによって導光装置２０の表面側である第２反射面２１ｂ側を覆うことで、導光装置２０に向かう外界光のうち紫外光成分ＵＶを予め吸収し、導光装置２０に対する紫外光成分の影響を抑制できる。また、観察者の眼ＥＹについても紫外光成分ＵＶから保護するものとなっている。これにより、例えば角度変換部５２３，６２３を構成するハーフミラー層２８や、これを接着する接着層ＣＣといった光透過性の各光学部材を保護することができる。

〔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、導光装置２０は、ハードコート層２７を有する構成としているが、ハードコート層２７を有しないものであってもよい。また、シェード部材２９を着脱可能としているが、シェード部材２９が常に装着された固定的なものとしてもよい。例えば、シェード部材２９を固定的なものとする場合には、導光装置２０のうち少なくともシェード部材２９側にはハードコート層２７を設けない構成とすることが考えられる。

上記実施形態では、半透過反射部であるハーフミラー層２８を、例えば銀等による金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される半透過反射膜としているが、これに限らず、半透過反射性を有する半透過部材や、半透過性のシート等によって半透過反射部を構成するものとしてもよい。また、例えば図１３（Ａ）に示すように、ミラー層２５やハーフミラー層２８（図２（Ａ）等参照）に代えて、ホログラム素子ＨＥ１，ＨＥ２によって第３反射面２１ｃや第４反射面２１ｄを形成するものとしてもよい。つまり、画像光を折り曲げるとともに外界光を透過させる半透過反射部をホログラム素子ＨＥ２で構成するものとしてもよい。この場合、画像表示装置１１は、光源として、例えば３色の光束を発生するＬＥＤ光源を有し、ホログラム素子ＨＥ１，ＨＥ２は、当該３色に応じた３層構造のホログラム層を有するものとする。これにより、ホログラム素子ＨＥ１，ＨＥ２は、第３反射面２１ｃや第４反射面２１ｄの近辺に形成された仮想的なミラーとして、画像表示装置１１からの各色光を所望の方向に反射させる機能を有するものとなる。つまり、ホログラム素子ＨＥ１，ＨＥ２は、画像光の反射方向の調整を可能とする。また、ホログラム素子ＨＥ１，ＨＥ２を用いる場合、各色光を所望の方向に反射できる。従って、例えば図１３（Ｂ）に示すように、第３及び第４反射面２１ｃ，２１ｄを第１反射面２１ａに対して傾斜させることなく、第２反射面２１ｂを延長した第１反射面２１ａに平行な面上にホログラム素子ＨＥ１，ＨＥ２を形成する構成とすることもできる。なお、ホログラム素子ＨＥ２は、特定波長帯の光に対してのみ作用し他の波長帯の光を透過させるため、外界光を通過させてシースルー観察が可能となっている。

上記の説明では、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とを備える導光装置２０を用いたが、光入射部Ｂ１や光射出部Ｂ３において、平面ミラーを用いる必要はなく、球面又は非球面の曲面ミラーによってレンズ的な機能を持たせることもできる。さらに、図１４に示すように、光入射部Ｂ１として、導光部Ｂ２から分離したプリズム又はブロック状のリレー部材１１２５を用いることができ、このリレー部材１１２５の入射出射面や反射内面にレンズ的な機能を持たせることもできる。なお、導光部Ｂ２を構成する導光体２６には、画像光ＧＬを反射によって伝搬させる第１及び第２の面である第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂが設けられているが、これらの反射面２１ａ，２１ｂは、互いに平行である必要はなく、曲面とすることもできる。

上記の説明では、画像光形成部として、透過型の液晶表示デバイス３２等を用いているが、画像光形成部としては、透過型の液晶表示デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイス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。さらに、液晶表示デバイス３２に代えて有機ＥＬ等の自発光型の表示デバイスを用いることができる。

上記実施形態では、照明装置３１からの照明光ＳＬに特に指向性を持たせていないが、照明光ＳＬに液晶表示デバイス３２の位置に応じた指向性を持たせることができる。これにより、液晶表示デバイス３２を効率的に照明することができ、画像光ＧＬの位置による輝度ムラを低減できる。

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反射面２１ａと同一の平面上に配置し、光射出面ＯＳを第２反射面２１ｂと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。この場合、第１反射面２１ａと第４反射面２１ｄとが鈍角をなすことになる。

上記の説明では、導光部材２１が眼ＥＹの並ぶ横方向に延びているが、導光部材２１は、縦方向に延びるものとできる。この場合、図１の光学パネル１１０すなわち導光部材２１，４２１，５２１は、直列的ではなく並列的に平行配置されることになる。

上記の説明では、光入射部Ｂ１と導光部Ｂ２と光射出部Ｂ３とを備える導光装置２０を用いたが、光入射部Ｂ１や光射出部Ｂ３において、平面ミラーを用いる必要はなく、球面又は非球面の曲面ミラーによってレンズ的な機能を持たせることもできる。さらに、光入射部Ｂ１として、導光部Ｂ２から分離したプリズム又はブロック状のリレー部材を用いることができ、このリレー部材の入射出射面や反射内面にレンズ的な機能を持たせることもできる。

上記の説明では、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、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。

上記実施形態の虚像表示装置１００では、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ表示装置１００Ａ，１００Ｂ（具体的には画像形成装置１０、導光装置２０等）設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ例えば画像形成装置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。

また、図２（Ｂ）に示す導光部材２１の光射出面ＯＳに対向してレンズその他の光学素子を配置することもできる。或いは、ハーフミラー層２８は、保護層で被覆されたホログラムシートに置き換えることができる。この場合、照明装置３１として可干渉性の高いものを使用し、ホログラムシートとして液晶表示デバイス３２で形成された例えば３色の画像を個別に処理する積層型の回折シートを用いる。

上記実施形態では、光入射面ＩＳを通る第１光軸ＡＸ１と光入射面ＩＳを通る第２光軸ＡＸ２とが平行であるとしたが、これらの光軸ＡＸ１，ＡＸ２を非平行とすることもできる。

上記実施形態では、液晶表示デバイス３２の表示輝度を特に調整していないが、図５（Ｂ）に示すような投射像ＩＭ１，ＩＭ２の範囲や重複に応じて表示輝度の調整を行うことができる。

上記実施形態では、導光部材２１の第４反射面２１ｄに設けたハーフミラー層２８の反射率を２０％としてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層２８の反射率を５０％以上として画像光を優先することもできる。

上記の説明では、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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反射面２１ａ，２１ｂ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、第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂ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第１及び第２反射面２１ａ，２１ｂの全体又は一部がコートされていてもよい。

２ｃ…反射ユニット、 １０…画像形成装置、 １１…画像表示装置、 １２…投射光学系、 ２０，４２０，５２０…導光装置、 ２０ａ…本体部分、 ２１，４２１，５２１…導光部材、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…第１-第４反射面、 ２３…光透過部材、 ２３ｓ…本体部分、 ２３ａ…第１面、 ２３ｂ…第２面、 ２５…ミラー層、 ２７…ハードコート層（紫外線硬化部材）、 ２８…ハーフミラー層（半透過反射膜）、 ３１…照明装置、 ２９…シェード部材、 ３２…液晶表示デバイス、 ３４…駆動制御部、 １００…虚像表示装置、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 １１０…光学パネル、 ４２３，５２３，６２３…角度変換部、 ４２４…プリズム、 ＵＡ…紫外光吸収部材、 ＡＸ，ＡＸ１，ＡＸ２…光軸、 Ｂ１…光入射部、 Ｂ２…導光部、 Ｂ３…光射出部、 Ｂ４…透視部、 ＣＣ…接着層、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…画像光、 ＧＬ’…外界光、 ＧＬ１，ＧＬ２…画像光、 ＩＭ１，ＩＭ２…投射像（虚像）、 ＩＳ…光入射面、 ＯＳ…光射出面、 ＳＬ…照明光、 ＵＶ…紫外光成分、 ＶＲ…可視光成分

Claims (15)

1. 画像光を形成する画像表示装置と、
   前記画像表示装置から射出された前記画像光による虚像を形成する投射光学系と、
   前記投射光学系を通過した前記画像光を内部に取り込む光入射部と、前記光入射部から取り込まれた前記画像光を導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取出す光射出部と、を有する導光装置と、
   を備え、
   前記導光装置の表面を覆うように配置されて、外界から前記導光装置に向かう光に含まれる紫外光の成分を吸収する紫外光吸収材をさらに有し、
   前記導光装置は、前記画像光の導光に寄与する導光面に付随して設けられるハードコート層を有し、
   前記紫外光吸収材は、前記導光面のうち少なくとも外界側の前記ハードコート層を覆うように配置される、虚像表示装置。
2. 前記導光部は、対向して延び全反射により前記画像光を導く第１及び第２の全反射面を有し、
   前記ハードコート層は、少なくとも前記第１及び前記第２の全反射面に設けられている、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記光射出部は、前記導光部を経た前記画像光を反射させて外部へ取出すとともに、外界光を通過させて外界光の観察を可能にする半透過反射膜を有する、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記導光装置を外界側から覆って入射する外界光の透過量を調整するとともに、前記紫外光吸収材を含むシェード部材をさらに有する、請求項２に記載の虚像表示装置。
5. 前記シェード部材は、着脱可能であり、前記導光装置の表面に対して空間を設けて配置される、請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記シェード部材は、前記導光装置の表面と空間を設けるための位置決め部を有する、請求項５に記載の虚像表示装置。
7. 前記シェード部材は、外界側に設けられた前記第２の全反射面の面積よりも広い面積を有し、前記導光装置を覆う、請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記導光装置は、前記第１及び前記第２の全反射面に隣接する上面と下面とを有し、
   前記シェード部材は、前記導光装置を外界側から覆うとともに前記上面と前記下面とを覆う、請求項４から請求項６までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記紫外光吸収材は、紫外光吸収性の材料又は前記紫外光吸収性の材料を混ぜ込んだ材料で形成された前記シェード部材である、請求項４から請求項８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記紫外光吸収材は、前記シェード部材の表面に設けられた付け外し可能なフィルム状の部材又は積層膜である、請求項４から請求項９までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記導光装置は、紫外光を吸収することで硬化した紫外線硬化部材を含む、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記紫外光吸収材は、通過する光のうち、前記紫外光よりも長い波長帯に属する可視光を略一定の透過率で透過させる、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 前記紫外光吸収材は、前記紫外光の波長帯域のうちの所定の波長帯域の透過率を、可視光波長領域帯の光の透過率よりも小さくしている、請求項１２に記載の虚像表示装置。
14. 前記導光装置は、前記光入射部、前記導光部及び前記光射出部を含む導光部材と、前記導光部材と接合することによって外界光の観察を可能にする透視部を構成するとともに前記紫外光吸収材によって外界側が覆われている光透過部材と、を有する、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
15. 前記導光部は、互いに平行に配置され全反射による導光を可能にする第１反射面と第２反射面とを有し、
    前記光入射部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第３反射面を有し、
    前記光射出部は、前記第１反射面に対して所定の角度をなす第４反射面を有する、請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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