JP2016177231A - 導光装置、頭部搭載型ディスプレイ、及び導光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な強度を確保することができ、外形形状の自由度を高めることができる導光装置を提供すること。
【解決手段】導光装置１０は、画像光を内部に取り込む光入射部２０と、光入射部２０から取り込まれた画像光を対向して延びる導光面での全反射により導く導光部３０と、導光部３０を経た画像光を外部へ取り出す光射出部４０と、少なくとも光射出部４０に付随して設けられて光射出部４０の破断を抑制する保護層１２，１４とを備える。この導光装置１０によれば、光射出部４０等に付随して保護層１２，１４が設けられているので、光射出部４０等が保護されており、加工時や使用時に簡単に破損することを防止できる。
【選択図】図１

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への組み込みに適する導光装置、頭部搭載型ディスプレイ、導光装置の製造方法に関する。

近年、虚像の形成及び観察を可能にする頭部搭載型ディスプレイ又はヘッドマウントディスプレイとして、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いる。

頭部搭載型ディスプレイとして、例えば反射層を施した複数のガラス板を積層・切断して画像取り出し部とした導光板を備えるものが公知となっている（特許文献１〜３等参照）。この場合、ガラス板を切り出したブロック間に誘電体多層膜やハーフミラーが挟まれた構造となる。

しかしながら、上記のような導光板は、ガラス板を切り出したブロックを接合したものであることから、接合部が複数個所に並んで存在する構造となり、強度を確保することが容易でない。また、上記導光板の場合、導光板の作製後に所望の外形にカットすることが容易でなく、外形形状の自由度が低いものとなっている。

特開２０１３−０７６８４７号公報 特開２０１０−１６４９８８号公報 特開２０１０−１４５８５９号公報

本発明は、十分な強度を確保することができ、外形形状の自由度を高めることができる導光装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記のような導光装置を備える頭部搭載型ディスプレイ及びかかる導光装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る導光装置は、画像光を内部に取り込む光入射部と、光入射部から取り込まれた画像光を対向して延びる第１及び第２導光面での全反射により導く導光部と、導光部を経た画像光を外部へ取り出す光射出部と、少なくとも光射出部に付随して設けられて光射出部の破断を抑制する保護層とを備える。

上記導光装置では、少なくとも光射出部に付随して光射出部の破断を抑制する保護層が設けられているので、光射出部等が保護されて簡単に破損することを防止できる。これにより、導光装置を薄くしつつその強度を十分に高め、結果として、保護層を設けた後の加工を容易にして形状の自由度を高めることにもなる。

本発明の具体的な側面では、保護層は、シート状又は板状である。この場合、保護層は比較的厚くなり、保護層の強度延いては光射出部の強度を向上させることができる。

本発明の別の側面では、光射出部は、画像光を反射する複数の反射素子を配列したマルチスリット状の反射部を有する。この場合、反射素子を配置した境界部で破断が生じやすくなるが、上記の保護層が境界部での破断を防止する。

本発明のさらに別の側面では、反射部は、複数のプリズム状の光透過部材間に反射素子を配置することによって形成された平板状部材であり、保護層は、平板状部材に貼り付けられている。この場合、保護層が光透過部材間の接合を補強する役割を有し、簡易に光射出部等を保護することができる。

本発明のさらに別の側面では、保護層は、光射出部の観察者側及び外界側の表面のうち少なくとも片方に設けられている。例えば外界側の表面に保護層を設けた場合、外界側の物体に対する光射出部等の保護が確実なものとなり、観察側の表面に保護層を設けた場合、眼や顔面の保護が確実なものとなる。

本発明のさらに別の側面では、保護層は、光入射部を除いた領域に設けられている。この場合、保護層によって導光部等を保護することにもなる。

本発明のさらに別の側面では、保護層は、光射出部側の端面にも設けられている。この場合、保護層によって端面の露出を防止して端部を保護することができる。

本発明のさらに別の側面では、保護層は、光透過性を有する本体と、当該本体の表面を覆う表面処理層とを有する。この場合、表面処理層に強度向上、反射防止等の機能を持たせることができる。

本発明のさらに別の側面では、保護層は、透過率を調整した樹脂材料で形成され、均一な厚みを有する。この場合、保護層にフィルター機能を持たせることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る頭部搭載型ディスプレイは、上述した導光装置と、導光装置に入射させるための画像光を形成する画像形成装置と、を備える。

上記頭部搭載型ディスプレイでは、上記導光装置を組み込んでいるので、導光装置の光射出部等において強度や加工性を向上させることができ、導光装置の簡単な破損を防止して導光装置の形状の自由度を高めることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る導光装置の製造方法は、画像光を内部に取り込む光入射部と、光入射部から取り込まれた画像光を対向して延びる第１及び第２導光面での全反射により導く導光部と、導光部を経た画像光を外部へ取り出す光射出部と、を備える導光装置の製造方法であって、少なくとも光射出部を含む部分に保護層を形成する。保護層は、例えば光射出部等とは別体で形成されるものとでき、その後光射出部等に貼り付けることができる。

上記導光装置の製造方法では、少なくとも光射出部を含む部分に保護層を形成するので、光射出部等を保護してその破損を抑制することができる。これにより、導光装置を薄くしつつその強度を十分に高め、結果として、保護層を設けた後の加工を容易にして形状の自由度を高めることにもなる。

本発明の具体的な側面では、光射出部を、複数のガラス板に反射膜を設け、複数のガラスを重ね合わせて斜めに切断することによって形成する。この場合、複数の反射素子を配列したマルチスリット状の反射部や光射出部を簡易かつ高精度で形成することができる。

本発明の別の具体的な側面では、保護層を設けた光射出部を保護層とともに外形加工する。この場合、光射出部の破損を防止しつつ光射出部の外形加工が可能になり、光射出部の加工が容易になるとともにその形状の自由度が増す。

本発明の別の具体的な側面では、保護層は、光射出部を含む部分に貼り付けされたフィルムまたは光射出部を含む部分に接合されたプラスチック板として設けられる。この場合、保護層の作製が比較的簡易なものとなる。

本発明の別の具体的な側面では、保護層は、光射出部を位置決めして型に入れた後に型に樹脂を注入するインサート成形することによって設けられる。この場合、導光装置を多様な外形を有するものとでき、光射出部等の強度を高める効果も確実なものとなる。

（Ａ）は、第１実施形態に係る導光装置及び頭部搭載型ディスプレイを説明する断面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、導光装置の正面図及び平面図である。 ハーフミラー層又は反射部を含む光射出部を説明する断面図である。 保護層の構造等を説明する拡大断面図である。 図１（Ａ）等に示す導光装置を組み込んだ頭部搭載型ディスプレイを示す斜視図である。 第２実施形態に係る導光装置を説明する断面図である。 図５の導光装置の製造方法を説明する概念図である。 第３実施形態に係る導光装置等を説明する断面図である。 図７の導光装置の反射部又は光射出部を説明する拡大断断面図である。 図７の導光装置の変形例を説明する断面図である。 図７の導光装置の別の変形例を説明する断面図である。 図７の導光装置のさらに別の変形例を説明する断面図である。 第４実施形態に係る導光装置を説明する断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る導光装置及び頭部搭載型ディスプレイについて詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の導光装置１０は、図中のＸＹ面に平行に延びる平板状の外観を有し、板状の本体部材１１と、本体部材１１を挟む一対の保護層１２，１４とを備える。なお、図１（Ａ）は、図１（Ｂ）に示す導光装置１０のＡ−Ａ断面に対応する。

導光装置１０の光入射側には、不図示の光学フレームを介して画像形成装置８０が固定されている。これら導光装置１０と画像形成装置８０とによって、単独で使用可能な片眼用の虚像表示装置である頭部搭載型ディスプレイ１００が構成され、この頭部搭載型ディスプレイ１００によって、観察者に対して動画や静止画としての虚像が提供される。なお、頭部搭載型ディスプレイ１００は、ヘッドマウントディスプレイとも呼ばれる。

導光装置１０において、薄板状の本体部材１１は、光透過性の材料、具体的にはガラスを基材として形成されている。本体部材１１は、観察者側の第１主面１１ａと、外界側の第２主面１１ｂと、上端部１１ｅと、下端部１１ｆと、横端部１１ｇ，１１ｈとを有する。第１主面１１ａと第２主面１１ｂとは、互いに平行な平面でありＸＹ面に沿って延びている。本体部材１１は、一体的な部材であるが、機能的にみて、画像光を内部に取り込む光入射部２０と、画像光を一端から他端に導く導光部３０と、画像光を外部へ取り出す光射出部４０とを備える。本体部材１１は、画像形成装置８０からの画像光を光入射部２０を介して内部に取り込み、取り込んだ画像光を導光部３０を介して光射出部４０に導き、光射出部４０から射出させた画像光を観察者の眼ＥＹに入射させるように虚像を形成する。

光入射部２０は、本体部材１１の一方の横端部１１ｇにおいて、導光部３０を長手方向に拡張するように導光部３０と一体的に形成された部分である。光入射部２０は、導光部３０と一体化されたプリズム部２１と、これに付随する反射面２２とを有する。プリズム部２１は、側面として、光入射面ＩＳと斜面ＲＳとを有する。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反射面２２として機能する。この反射面２２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、画像光を導光部３０内に結合させる。なお、光入射面ＩＳは、第１主面１１ａの一部となっている。

導光部３０は、第１主面１１ａの一部である第１導光面３０ａと、第２主面１１ｂの一部である第２導光面３０ｂとを有する。第１及び第２導光面３０ａ，３０ｂは、互いに対向しＸＹ面に対して平行に延びる２平面として、光入射部２０の反射面２２で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。すなわち、光入射部２０の反射面２２で反射された画像光は、まず、第１導光面３０ａに入射して全反射される。次に、当該画像光は、第２導光面３０ｂに入射して全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、本体部材１１の奥側すなわち光射出部４０を設けた−Ｘ側に導かれる。なお、導光部３０のうち画像光が通過する有効領域ＥＡ（図１（Ｂ）参照）は、光入射部２０側で上下方向に比較的幅広になっている。

光射出部４０は、導光部３０を−Ｘ側すなわち光入射部２０の反対側に拡張するように導光部３０と一体的に形成された平板状部材である。光射出部（平板状部材）４０は、画像光の角度情報を保ったままで画像光を保観察者側に向けるマルチスリット状の角度変換部すなわち反射部４０ｒとして、第１及び第２導光面３０ａ，３０ｂ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４１を有する。ハーフミラー層４１は、画像光を反射するための反射素子であり、互いに平行に延びる光射出面ＥＳと外側面ＯＳとの間に挟まれている。図示の例では、ハーフミラー層４１又は反射部４０ｒは、上下に関する中央領域ＰＡのみに形成されているが（図１（Ｂ）参照）、光射出部４０の全体に形成されてもよい。

光射出部（平板状部材）４０において、各ハーフミラー層（反射素子）４１は、本体部材１１の観察者側よりも外界側で光入射部２０側に近づくように傾斜しており、光射出面ＥＳよりも外側面ＯＳで光入射部２０側に近づくように傾斜している。具体的には、各ハーフミラー層４１は、＋Ｘ側で＋Ｚ側に傾くような配置となっている。換言すれば、各ハーフミラー層４１は、その長手方向（Ｙ軸方向）を軸として、主面１１ａ，１１ｂ又はＸＹ面に対して入射側端（＋Ｘ側）が時計方向に回転するように傾斜している。この際の回転角は、導光部３０を伝搬する画像光の角度状態に適合するように設定されている。光射出部４０又は反射部４０ｒは、導光部３０の第１及び第２導光面３０ａ，３０ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して折り曲げることにより光射出面ＥＳを介して観察者の眼ＥＹ側へ射出させる。つまり、光射出部４０は、導光部３０内を伝搬してきた画像光の角度を変換している。なお、光射出面ＥＳは、第１主面１１ａの一部となっており、外側面ＯＳは、第２主面１１ｂの一部となっている。

図２に拡大して示すように、光射出部４０又は反射部４０ｒは、複数の光透過部材４４を所定のピッチでＸ方向に多数配列した構造を有するマルチスリット状の光学系である。各光透過部材４４は、光入射側又は入口側に第１接合面４４ｉを有し、光射出側又は奥側に第２接合面４４ｊを有する。光射出部４０の第２接合面４４ｊ上と、導光部３０の端部を兼ねる入口側の導光プリズム１４４の接合面１４４ｊ上とには、局所的な部分領域上に半透過反射膜であるハーフミラー層（反射素子）４１が形成され、或いは光射出部４０の第１接合面４４ｉ上と、奥側の光透過部材２４４の接合面２４４ｉ上とには、局所的な部分領域上に半透過反射膜であるハーフミラー層（反射素子）４１が形成されている。ハーフミラー層４１の画像光に対する反射率は、シースルーによる外界光の観察を容易にする観点で、想定される画像光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４１の画像光に対する反射率は、例えば２０％に設定され、画像光に対する透過率は、例えば８０％に設定されるが、複数のハーフミラー層４１は、相互に異なる反射率又は透過率に設定可能である。出口側の導光プリズム１４４の接合面１４４ｊと光射出部４０の最も入口側又は入射側の接合面４４ｉとは、接着層ＣＣによって互いに接合されている。また、光射出部４０中の隣接する一対の光透過部材４４の接合面４４ｉ，４４ｊは、接着層ＣＣによって互いに接合されている。さらに、光射出部４０の最も奥側又は反入射側の接合面４４ｊと奥側の光透過部材２４４の接合面２４４ｉとは、接着層ＣＣによって互いに接合されている。

光入射部２０のプリズム部２１と、導光部３０とは、光射出部４０の光透過部材４４、導光プリズム１４４等と同一の材料で形成され、同一の屈折率を有する。このため、本体部材１１内に入射した画像光は、第１主面１１ａと第２主面１１ｂとの間で一様に伝搬する。

一対の保護層１２，１４は、図示の例において、ある程度の厚みを有しプラスチック板状（つまり板状）であるが、フィルム状（つまりシート状）とすることもできる。ただし、保護層１２，１４は、単独で形状を維持できず基材の存在を前提とする薄膜のようなものではない。保護層１２，１４は、本体部材１１の第１及び第２主面１１ａ，１１ｂを覆うように、第１及び第２主面１１ａ，１１ｂにそれぞれ貼り付けられている。保護層１２，１４は、光入射部２０を除いた領域に設けられているといえる。具体的には、一方の保護層１２は、第１導光面３０ａ、光射出面ＥＳ等を覆うが光入射面ＩＳを露出させるように、接着剤等を利用して本体部材１１に固定されている。他方の保護層１４は、第２導光面３０ｂ、外側面ＯＳ等を覆うように、接着剤等を利用して本体部材１１に固定されている。両保護層１２，１４は、均一な厚みを有する部材であり、光入射部２０等と同様に光透過性を有する。両保護層１２，１４は、導光部３０及び光射出部４０を保護しており、特に平板状部材である反射部４０ｒを挟むよう反射部４０ｒに貼り付けられている。この結果、両保護層１２，１４は、導光部３０や光射出部４０が破損することを防止しており、導光装置１０を薄くしつつその強度を高めている。

図３に示すように、保護層１２は、光透過性及び可撓性を有する樹脂材料製の本体１２ａと、当該本体１２ａの表面を覆う表面処理層１２ｂとを有する。保護層１２は、光透過性の光硬化性樹脂等からなる接着剤１６によって本体部材１１の第１主面１１ａに接着されている。ここで、表面処理層１２ｂは、ハードコート層であり、例えば熱硬化型のシリコーン系の材料からなる。表面処理層１２ｂがハードコート層である場合、ガラスに近い表面硬度を実現でき、保護層１２の損傷を防止できるだけでなく、保護層１２の耐候性を高めることもできる。表面処理層１２ｂは、反射防止コート層とすることもでき、例えば誘電体多層膜で形成される。表面処理層１２ｂが反射防止コート層である場合、ゴーストの発生を抑制でき、外界の観察に際しての減光を抑制することもできる。表面処理層１２ｂは、ブルーライトカット等を可能にする波長選択透過性のフィルターとすることもできる。表面処理層１２ｂや接着剤１６の屈折率は、本体部材１１の屈折率よりも十分に低くなっており、第１主面１１ａ内面での画像光の全反射が確保されるようにしている。

なお、説明を省略するが、外界側の保護層１４も、上記した観察者側の保護層１２の構造及び機能を有する。保護層１２には、外界側の物体に対して光射出部４０等を保護する役割を持たせることができ、保護層１４には、眼ＥＹや顔面を保護する役割を持たせることができる。
用い方にもよるが、観察者側の保護層１２又は外界側の保護層１４は、いずれか一方を省略することができる。つまり、観察者側の保護層１２を省略して保護層１４を残すことができ、逆に、保護層１２を残して保護層１４を省略することもできる。

保護層１２，１４については、可視域で均一な高い透過率分布を有するものとなっているが、赤外域や紫外域を遮光するものとできる。つまり、保護層１２，１４は、透過率を調整した樹脂材料で形成されるものとでき、表面処理層１２ｂや保護層１２の本体１２ａ自体が波長選択透過性のフィルターとして機能するものであってもよい。さらに、保護層１２，１４については、透過率に空間的な分布をもたせることもできる。例えば、光射出部４０の中央領域ＰＡに対応する領域のみを高透過率とすることができ、この場合、中央領域ＰＡ越しに観察する外界光が周辺よりも暗くなる現象を抑制できる。

画像形成装置８０は、画像表示装置８１と投射光学系８２とを有する。このうち、画像表示装置８１は、２次元的な照明光を射出する照明装置８１ａと、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス８１ｂと、照明装置８１ａ及び液晶表示デバイス８１ｂの動作を制御する駆動制御部８２ｃとを有する。

照明装置８１ａは、赤、緑、青の３色を含む照明光を発生する。液晶表示デバイス８１ｂは、照明装置８１ａ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。駆動制御部８２ｃは、照明装置８１ａに電力を供給することにより安定した輝度の照明光を射出させるとともに、液晶表示デバイス８１ｂに対して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。

投射光学系８２は、液晶表示デバイス８１ｂ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。つまり、投射光学系８２は、虚像の形成に寄与する画像光を結像しない平行光として射出する。

以下、導光装置１０中における画像光の光路について説明する。投射光学系８２から射出された各画像光ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３の主要成分は、導光装置１０の光入射面ＩＳからそれぞれ入射した後、第１及び第２主面１１ａ，１１ｂ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、液晶表示デバイス８１の中心点から射出された画像光ＧＬ１は、投射光学系８２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し反射面２２で反射された後、標準反射角γ０で導光装置１０の第１主面１１ａに入射し、全反射される。その後、画像光ＧＬ１は、標準反射角γ０を保った状態で、第１及び第２主面１１ａ，１１ｂで全反射を繰り返した後、光射出部４０の中央部４０ｋに達する。この中央部４０ｋで反射された画像光ＧＬ１は、光射出面ＥＳから当該光射出面ＥＳ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。また、液晶表示デバイス８１の一端側（＋Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ２は、投射光学系８２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し反射面２２で反射された後、最大反射角γ＋（＞γ０）で導光装置１０の第１主面１１ａに入射し、第１及び第２主面１１ａ，１１ｂで全反射を繰り返しつつ、光射出部４０のうち最も入口側（＋Ｘ側）の周辺部４０ａに入射する。この周辺部４０ａで反射された画像光ＧＬ２は、光入射部２０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θ１２だけ傾斜した方向に射出される。さらに、液晶表示デバイス８１の他端側（−Ｘ側）から射出された画像光ＧＬ３は、投射光学系８２を通過後に平行光束として光入射面ＩＳに入射し反射面２２で反射された後、最小反射角γ−（＜γ０）で導光装置１０の第１主面１１ａに入射し、第１及び第２主面１１ａ，１１ｂで全反射を繰り返しつつ、光射出部４０のうち最も奥側（−Ｘ側）の周辺部４０ｂに入射する。この周辺部４０ｂで反射された画像光ＧＬ２は、光入射部２０に戻されるように＋Ｘ軸に対して鈍角をなし、光軸ＡＸに対して角度θ１３だけ傾斜した方向に射出される。

以下、導光装置１０の製造方法の一例について説明する。予め、ガラス製の平行平板である多数のガラスを準備し、それらの一面に金属反射膜や誘電体多層膜である反射膜を成膜することによって、多数の要素板を準備する。その後、形成された多数の要素板を接着剤で接合しつつ積層することでこれらを重ね合わせ、全体を斜めに切断する。これにより、平行平板を斜めに分割した細長いプリズム片である光透過部材４４の間に、金属反射膜や誘電体多層膜からなるハーフミラー層４１を挟んだ構造の板状部材すなわち反射ユニットを得ることができる。この反射ユニットの対向する一対の主面を研磨することで光射出面ＥＳと外側面ＯＳとが形成され、光射出部４０が得られる。その後、この光射出部４０にガラス製の導光部３０等が接合され本体部材１１が完成する。
これと並行して、保護層１２の基材である本体１２ａを準備し、その片面に表面処理層１２ｂを形成する。表面処理層１２ｂは、例えば本体１２ａの片面をシールしてのディップによりコートされ、熱処理等によって硬化させる。詳細な説明を省略するが、保護層１４も保護層１２と同様に準備する。
その後、本体部材１１の第１及び第２主面１１ａ，１１ｂを覆うように、一対の保護層１２，１４を、第１及び第２主面１１ａ，１１ｂにそれぞれ貼り付ける。さらに、本体部材１１の外周を保護層１２，１４とともに切削等によって所望の形状に外形加工することにより、導光装置１０が完成する。なお、導光装置１０は、画像形成装置８０とともに不図示のフレームに組み付けられる。

上記実施形態の導光装置１０によれば、光射出部４０及び導光部３０に付随して保護層１２，１４が設けられているので、光射出部４０等が保護されており、加工時や使用時に簡単に破損することを防止できる。特に、反射部４０ｒにおいてハーフミラー層４１を配置した境界部での破断を防止する効果が大きい。これにより、導光装置１０を薄くしつつその強度を十分に高め、結果として、保護層１２，１４を設けた後の加工を容易にして形状の自由度を高めることにもなる。

図４は、図１（Ａ）〜（Ｃ）等に示す導光装置１０を組み込んだ頭部搭載型ディスプレイ２００の外観を説明する斜視図である。頭部搭載型ディスプレイ２００は、眼鏡のような外観を有し、この頭部搭載型ディスプレイ２００を装着した観察者の両眼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、観察者の両眼に対して外界像をシースルーで観察させることができる。頭部搭載型ディスプレイ２００は、観察者の眼前を覆う一対の導光装置１０Ａ，１０Ｂと、これら導光装置１０Ａ，１０Ｂを支持するフレーム１７１と、フレーム１７１のうち前方のカバー部分から後方のつる部分（テンプル）にかけての部分に付加された第１及び第２画像形成装置８０Ａ，８０Ｂとを備える。図面上で右側の第１導光装置１０Ａと第１画像形成装置８０Ａ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、図１（Ａ）に示す頭部搭載型ディスプレイ１００に相当する。また、図面上で左側の第２導光装置１０Ｂと第２画像形成装置８０Ｂ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、図１（Ａ）に示す頭部搭載型ディスプレイ１００を左右反転させた構造を有する。導光装置１０Ａ，１０Ｂは、用途や好みに応じて様々な輪郭とする必要があり、予め破断を抑制する保護層１２，１４を設けておくことで、外形加工が容易となる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイについて説明する。なお、本実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイは、第１実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイ１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１頭部搭載型ディスプレイ１００と同様である。

図５に示すように、第２実施形態の導光装置１０の場合、保護層１１２が、本体部材１１の第１及び第２主面１１ａ，１１ｂを覆うとともに、光射出部４０側の横端部１１ｈにおいて端面１１ｋを覆っている。これにより、保護層１１２によって端面１１ｋの露出を防止して横端部１１ｈを保護することができる。

図６は、図５に示す導光装置１０の製造方法の一工程を例示する図である。本体部材１１の製造までは、第１実施形態の導光装置１０の場合と同様であり、本体部材１１の製造後が説明されている。第２実施形態の導光装置１０の場合、保護層１１２を射出成形よって具体的にはインサート成形によって形成する。射出成形に際して、本体部材１１は、金型９０内に固定されており、インサート成形が行われる。金型９０は、一対の転写型９１，９２を備え、転写型９１，９２を閉じ合わせることによって成形空間９３が形成される。成形空間９３内には、本体部材１１を収納するスペースが設けられ、成形空間９３を形成する転写面９１ａ，９２ａには、本体部材１１を位置決めしつつ支持する複数の突起９４が形成されている。溶融樹脂９５を成形空間９３内に注入することにより、成形空間９３が溶融樹脂９５で充填され、溶融樹脂９５の冷却・硬化によって保護層１１２が形成される。金型９０から取り出された本体部材１１のうち、導光部３０や光射出部４０の表面、つまり第１及び第２導光面３０ａ，３０ｂ、光射出面ＥＳ、外側面ＯＳ等は、保護層１１２で覆われ、横端部１１ｈも保護層１１２で覆われている（図５参照）。保護層１１２の内面は、成形時の熱によって本体部材１１と密着し接着されたような状態となる。保護層１１２の形成後においては、保護層１１２の表面に、ハードコート層や反射防止コート層を設けることもできる。

なお、第２実施形態の場合、保護層１１２の形成後に本体部材１１等の外周をカットする工程を設けないことを前提としているが、得られた導光装置１０の外周を所望の形状にカットすることもできる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイについて説明する。なお、本実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイは、第１実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイ１００の変形例であり、特に説明しない場合、第１頭部搭載型ディスプレイ１００と同様である。

図７に示すように、第３実施形態の導光装置１０の場合、光射出部４０において、マルチスリット状の光学系を構成する一群のハーフミラー層４１が外側面ＯＳ側に偏って形成されている。一群の細長いハーフミラー層４１が並ぶ矩形層状の反射領域を反射部４０ｒと呼ぶものとし、この反射部４０ｒは、外側面ＯＳに沿って形成されている。反射部４０ｒにおいて、多数のハーフミラー層４１は、Ｙ方向に延びるとともにＸ方向に殆ど隙間なく配列されている。各ハーフミラー層４１は、本体部材１１の観察者側よりも外界側で光入射部２０側に近づくように傾斜している。具体的には、各ハーフミラー層４１は、＋Ｘ側で＋Ｚ側に傾くような配置となっている。

図８を参照して、光射出部４０の製造方法の一例について説明する。まず、光射出部４０を構成する平板ガラス４９を準備する。次に、平板ガラス４９の表面４９ａ側に、切削、研磨等により、Ｙ方向に延びＸ方向に隙間なく配列された多数のＶ字状の溝５１を形成する。各溝５１は、直立面５１ａと斜面５１ｂとを有し、斜面５１ｂに対してのみハーフミラー層４１を形成する。このため、多数の溝５１を形成した平板ガラス４９の表面４９ａ側に、例えばマスクを配置して蒸着等を行うことにより、多数の溝５１のうち斜面５１ｂにのみハーフミラー層４１を選択的に形成することができる。ハーフミラー層４１は、マスクに代えて平板ガラス４９を傾斜させることによっても、斜面５１ｂにのみ選択的に形成可能である。その後、多数の溝５１に平板ガラス４９の屈折率と一致させた液体樹脂を流し込み、熱や紫外光で硬化させて充填部５２とする。これにより、多数の溝５１を埋めた板状の部材であって多数のハーフミラー層４１を内蔵した光射出部４０やこれから延びる導光部３０等を含む本体部材１１を得ることができる。なお、多数の溝５１を樹脂で充填する際に、保護層１４を利用して蓋をすることもできる。これにより、保護層１４の接着を一括して行うことになる。
なお、反射部４０ｒを構成する多数のハーフミラー層４１のサイズや間隔は、必ずしも一致させる必要がなく、位置に応じてこれらを調整することができる。
また、図７に示す導光装置１０においても、横端部１１ｈにおいて保護層によって端面１１ｋを覆うことができる。このような端面用の保護層は、保護層１２，１４とは別に作製して後で固定することができるが、図６に示すものと同様の手法で保護層１２，１４と一括で一体的に形成することもできる。

図９は、図７に示す導光装置１０の変形例を示す。この場合、反射部４０ｒが光射出面ＥＳ側に偏って形成されている。

図１０は、図７に示す導光装置１０の別の変形例を示す。この場合、反射部４０ｒが本体部材１１の外側に外付けされている。反射部４０ｒは、第１実施形態で説明した光射出部４０又は反射部４０ｒの製造方法と同様の手法で作製される。ただし、図１０に示す反射部４０ｒは、第１実施形態に示すものよりさらに薄板状であり、光射出部４０の位置まで延びる導光部３０の光射出面ＥＳ側の面に貼り付けられている。この場合、反射部４０ｒの表面すなわち光射出面ＥＳにのみ、保護層１２を設けているが、導光部３０を覆うように、つまり光入射面ＩＳを除く第１主面１１ａ全体を覆うように保護層１２を形成することができる。

図１１は、図７に示す導光装置１０の別の変形例を示す。この場合、反射部４０ｒが本体部材１１内に埋め込むように形成されている。反射部４０ｒは、導光部３０から延びる第１光学部材１４９ａと、これに嵌合させる第２光学部材１４９ｂとを組み合わせて接合したものである。第１光学部材１４９ａは、例えばガラスからなり、第２光学部材１４９ｂは、第１光学部材１４９ａと略等しい屈折率を有するガラス又はプラスチックからなる。第１光学部材１４９ａには、図８に示す手法と同様の手法を用いて、鋸歯状の断面を有する多数の溝５１やこれに付随するハーフミラー層４１が形成されている。一方、第２光学部材１４９ｂには、第１光学部材１４９ａの多数の溝５１に対応する形状の多数の溝１５１が形成されている。第１光学部材１４９ａと第２光学部材１４９ｂとを、これらと略等しい屈折率を有する接着剤で接合することにより、反射部４０ｒが形成される。
図１１に示す導光装置１０において、保護層１２，１４とは別体又は一体の保護層によって、横端部１１ｈの端面１１ｋを覆うことができる。この場合、保護層によって光学部材１４９ａ，１４９ｂ間の接合面が覆われ、反射部４０ｒの強度が増す。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイについて説明する。なお、本実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイは、第２実施形態に係る頭部搭載型ディスプレイ１００の変形例であり、特に説明しない場合、第２の頭部搭載型ディスプレイ１００と同様である。

図１２に示すように、第４実施形態の導光装置１０の場合、保護層１１２が、一様な厚みを有しておらず、凸又は凹に湾曲している。つまり、インサート成形によって、本体部材１１の機能を維持しつつ、導光装置１０に、湾曲した外観を実現したりレンズ効果を持させたりすることができる。
以上各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。

上記実施形態では、画像表示装置８０として、透過型の液晶表示デバイス８１ｂ等を用いているが、画像表示装置８０としては、透過型の液晶表示デバイス８１ｂ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８１ｂ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、画像表示装置８０として、ＬＥＤアレイやＯＬＥＤ（有機ＥＬ）などに代表される自発光型素子を用いることもできる。

上記実施形態では、保護層１２，１４，１１２に導光機能を持たせていないが、屈折率の調整により、保護層１２，１４，１１２に導光機能を持たせることができる。この場合、保護層１２，１４，１１２の表面が本体部材１１の主面１１ａ，１１ｂ又は導光部３０の導光面３０ａ，３０ｂとして機能する。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…導光装置、 １１…本体部材、 １１ａ，１１ｂ…主面、 １１ｇ，１１ｈ…横端部、 １１ｋ…端面、 １２，１４…保護層、 １２ａ…本体、 １２ｂ…表面処理層、 １６…接着剤、 ２０…光入射部、 ２１…プリズム部、 ２２…反射面、 ２５…ミラー層（反射素子）、 ３０…導光部、 ３０ａ，３０ｂ…導光面、 ４０…光射出部（平板状部材）、 ４０ｒ…反射部、 ４１…ハーフミラー層、 ４８…反射ユニット、 ５２…充填部、 ８０，８０Ａ，８０Ｂ…画像形成装置、 ８１…画像表示装置、 ８１ｂ…液晶表示デバイス、 ８１ａ…照明装置、 ８２ｃ…駆動制御部、 ８２…投射光学系、 １００…頭部搭載型ディスプレイ、 １００Ａ，１００Ｂ…表示装置、 ２００…頭部搭載型ディスプレイ、 ＡＸ…光軸、 ＥＳ…光射出面、 ＥＹ…眼、 ＧＬ１，ＧＬ２，ＧＬ３…画像光、 ＩＳ…光入射面、 ＯＳ…外側面、 ＰＡ…中央領域、 ＲＳ…斜面

Claims (15)

1. 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対向して延びる第１及び第２導光面での全反射により導く導光部と、
   前記導光部を経た画像光を外部へ取り出す光射出部と、
   少なくとも前記光射出部に付随して設けられて前記光射出部の破断を抑制する保護層と、を備える導光装置。
2. 前記保護層は、シート状又は板状である、請求項１に記載の導光装置。
3. 前記光射出部は、画像光を反射する複数の反射素子を配列したマルチスリット状の反射部を有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の導光装置。
4. 前記反射部は、複数のプリズム状の光透過部材間に前記反射素子を配置することによって形成された平板状部材であり、前記保護層は、前記平板状部材に貼り付けられている、請求項３に記載の導光装置。
5. 前記保護層は、前記光射出部の観察者側及び外界側の表面のうち少なくとも片方に設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の導光装置。
6. 前記保護層は、前記光入射部を除いた領域に設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の導光装置。
7. 前記保護層は、前記光射出部側の端面にも設けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の導光装置。
8. 前記保護層は、光透過性を有する本体と、当該本体の表面を覆う表面処理層とを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の導光装置。
9. 前記保護層は、透過率を調整した樹脂材料で形成され、均一な厚みを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の導光装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の導光装置と、
    前記導光装置に入射させるための画像光を形成する画像表示装置と、を備える頭部搭載型ディスプレイ。
11. 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対向して延びる第１及び第２導光面での全反射により導く導光部と、前記導光部を経た前記画像光を外部へ取り出す光射出部と、を備える導光装置の製造方法であって、
    少なくとも前記光射出部を含む部分に保護層を形成する、導光装置の製造方法。
12. 光射出部を、複数のガラス板に反射膜を設け、前記複数のガラスを重ね合わせて斜めに切断することによって形成する、請求項１１記載の導光装置の製造方法。
13. 前記保護層を設けた前記光射出部を前記保護層とともに外形加工する、請求項１１及び１２のいずれか一項に記載の導光装置の製造方法。
14. 前記保護層は、前記光射出部を含む部分に貼り付けされたフィルムまたは前記光射出部を含む部分に接合されたプラスチック板として設けられる、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の導光装置の製造方法。
15. 保護層は、前記光射出部を位置決めして型に入れた後に型に樹脂を注入するインサート成形することによって設けられる、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の導光装置の製造方法。

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