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JP7424396B2 - 表示装置及び該表示装置で用いる光学素子 - Google Patents

表示装置及び該表示装置で用いる光学素子 Download PDF

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JP7424396B2 JP2021575544A JP2021575544A JP7424396B2 JP 7424396 B2 JP7424396 B2 JP 7424396B2 JP 2021575544 A JP2021575544 A JP 2021575544A JP 2021575544 A JP2021575544 A JP 2021575544A JP 7424396 B2 JP7424396 B2 JP 7424396B2
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Description

本発明は、表示装置及び該表示装置で用いる光学素子に関する。
近年、文字や画像（以下、これらをまとめて「画像」と呼ぶ）をスクリーンに投影し、コンバイナを含む虚像光学系を介して、航空機の操縦者や自動車の運転者の眼前に虚像を形成する、ヘッドアップディスプレイと呼ばれる表示装置が提案されている。こうした表示装置では一般に、装置をコンパクトに構成するために、画像表示素子の各点からそれぞれ拡がりをもって出射する光をコリメータにより平行光に変換することにより光束を形成し、その光束をライトガイドに導入して拡大表示する。
そのような装置の一例として、特許文献１には、ガラス製の平板内に、コリメータから入射する光を所定の方向に反射させる反射面と、可視光に関して半透明な複数個のビームスプリッタを備えたライトガイドを有する表示装置が記載されている。この表示装置では、ライトガイド内に導入される光束は、前記平板と外部との界面では全反射の条件を満たす方向に反射するように設定されている。これにより、光束はライトガイド内で繰り返し全反射しながらジグザグ状に進行し、ビームスプリッタのうちの1つに入射する。該ビームスプリッタでは、入射した光束のうちの一部は前記平板と外部との界面で全反射が生じない方向に反射されることによって前記平板と外部との界面から前記平板の外に出射し、それ以外は該ビームスプリッタを透過する。1つ目のビームスプリッタを透過した光束は2つ目のビームスプリッタに入射し、その一部は1つ目のビームスプリッタで反射した光束と同じ方向に反射して前記平板の外に出射し、それ以外は該ビームスプリッタを透過する。このような光束の前記平板からの出射が全てのビームスプリッタの箇所で生じることにより、画像上の各点からの光束はライトガイドに入射したときよりも大きい光束となってライトガイドから出射する。これらの光束が観察者の眼に入射することにより、観察者が画像を視認できる範囲が拡大する。
米国特許第10,133,067号公報
特許文献１に記載の表示装置では、画像形成部で生成された画像の光だけでなく、ライトガイドの外部から前記平板と外部との界面に入射する光も、該界面からライトガイド内に入射した後に再度ライトガイド外へ出射し、迷光として観察者の眼に入射してしまう。
本発明が解決しようとする課題は、観察者の眼に入射する迷光を抑えることができる表示装置、及び該表示装置で用いる光学素子を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明に係る表示装置は、
表示対象の画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子に表示された画像上の各点から出射する光を平行光の光束に変換するコリメータと、
前記光束に関して透明な第１の材料製の平板から成る第１ライトガイドと、
前記光束に関して透明な第２の材料製である板状部材から成り、一方の面が前記平板の一方の面に接する平坦面であり、他方の面が鋸歯状面である第２ライトガイドと、
前記第１ライトガイドと前記第２ライトガイドの前記平坦面の境界に形成された、前記光束の一部を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタと
を備え、
前記鋸歯状面は、前記境界を透過して前記第２ライトガイドを進行する前記光束の進行方向に対して非平行であって該光束を透過する第１面と、該進行方向に対して略平行である第２面とを交互に組み合わせて成る。
本発明に係る表示装置用光学素子は、画像表示素子に表示された画像上の各点から出射する光をコリメータで平行光に変換した光束に基づいて画像を拡大して表示する表示装置で用いる光学素子であって、
前記光束に関して透明な第１の材料製の平板から成る第１ライトガイドと、
前記光束に関して透明な第２の材料製である板状部材から成り、一方の面が前記平板の一方の面に接する平坦面であり、他方の面が鋸歯状面である第２ライトガイドと、
前記第１ライトガイドと前記第２ライトガイドの前記平坦面の境界に形成された、前記光束の一部を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタと
を備え、
前記鋸歯状面は、前記境界を透過して前記第２ライトガイドを進行する前記光束の進行方向に対して非平行であって該光束を透過する第１面と、該進行方向に対して略平行である第２面とを交互に組み合わせて成る。
なお、前記第２の材料は前記第１の材料と同じであってもよい。
光束の「進行方向に対して略平行」とは、該進行方向に対して厳密に平行であることには限らず、平行から多少（例えば±１５°）傾斜していてもよい。
本発明に係る表示装置及び表示装置用光学素子では、画像表示素子に表示された画像上の各点から出射してコリメータで平行光に変換された光束はビームスプリッタに入射し、その一部がビームスプリッタを透過して第２ライトガイドの第１面から出射する。その残りの、ビームスプリッタを透過することなく反射した光束は、第１ライトガイドの平板の、ビームスプリッタとは反対側の面で反射されてビームスプリッタの別の位置に入射し、その一部がビームスプリッタを透過して第２ライトガイドの第１面の、最初に光束が出射した位置とは異なる位置から出射する。このようにビームスプリッタにおいて繰り返し光束の一部の透過及び残りの反射が生じて、第１面を透過した光束が出射することにより、画像上の各点からの光束は第１ライトガイドに入射したときよりも大きくなる。これにより観察者が画像を視認できる範囲が拡大する。なお、第２面が光束の進行方向に対して略平行であることから、光束が第２面によって遮られることが抑えられ、それにより第１面を透過して観察者の眼に到達する光束に部分的な影が発生することを抑えることができる。
一方、表示装置の外部から第２ライトガイドの鋸歯状面に入射する光（外光）は、少なくともその一部が第２面に直接入射するか、又は第１面で反射された後に第２面に入射し、第２面において光の吸収、反射、拡散、減光等が生じるため、ライトガイド内に入射することを抑えることができる。そのため、外光がライトガイド内に入射した後に再度ライトガイド外へ出射する光である迷光が観察者の眼に入射することを抑えることができる。
本発明に係る表示装置の第１実施形態を示す概略構成図。 本発明に係る表示装置の第２実施形態を示す概略構成図。 第１実施形態の表示装置の変形例を示す概略構成図。 第１実施形態の表示装置の他の変形例を示す概略構成図。
図１～図４を用いて、本発明に係る表示装置及び表示装置用光学素子の実施形態を説明する。
(1) 第１実施形態の表示装置及び表示装置用光学素子の構成
図１に、第１実施形態の表示装置１０の概略構成図を示す。この表示装置１０は、画像表示素子１１と、コリメータ１２と、表示装置用光学素子１３と、コンバイナ１４とを有する。表示装置用光学素子１３は、第１ライトガイド１３１と、第２ライトガイド１３２と、ビームスプリッタ１３３とを有する。以下、表示装置１０のこれらの構成要素について説明する。
画像表示素子１１は、第１実施形態の表示装置１０に表示させる画像の元となる、拡大される前の画像（「元画像」と呼ぶ）を表示する素子である。画像表示素子１１には、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）、有機EL表示素子、マイクロLED表示素子等を用いることができる。
コリメータ１２は、画像表示素子１１で表示される元画像の各点からそれぞれ拡がりをもって出射する光を平行光の光束に変換する光学素子であり、レンズやミラー等で構成される。
第１ライトガイド１３１は、コリメータ１２で変換された光束に関して透明な第１の材料製の、長方形の平板から成る。第１の材料には、各種の光学ガラスや樹脂等を用いることができる。前記長方形の長辺方向に関する一端１３１１付近の第１ライトガイド１３１内には、前記平板に対して所定の角度で傾斜した反射面１３５１が形成されている。コリメータ１２は、それを出射した光束が反射面１３５１に入射するように配置されている。前記所定の角度は、反射面１３５１で反射された光束が、前記平板と外部（空気）との境界において全反射条件を満たす角度となるように設定されている。反射面１３５１は、例えば前記平板を該反射面１３５１と同じ切断面となるように切断し、前記光束を反射する材料から成るコーティングを該切断面に施したうえで再接合することにより形成することができる。
第２ライトガイド１３２は、前記光束に関して透明な第２の材料製の板材であって、第１ライトガイド１３１の平板のうち、反射面１３５１よりも前記一端１３１１の反対側において該平板の表面の一部と接触する平坦面１３２３と、該平坦面１３２３に対向する鋸歯状面１３２０とを有する。第２の材料には、第１の材料と同様に光学ガラスや樹脂等を用いることができる。第１の材料と第２の材料は同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。但し、第１ライトガイド１３１と第２ライトガイド１３２の境界に、前記平板と外部（空気）との境界において全反射条件を満たす角度で前記光束が入射したときに、該平坦面１３２３では全反射が生じない条件を満たす屈折率を有するように、第１の材料と第２の材料を選択する。
第１ライトガイド１３１と第２ライトガイド１３２が接触している境界には、光束を一部通過させ、残りを反射させるビームスプリッタ１３３が設けられている。本実施形態では、光束を所定の透過率で透過させるために、該境界に光学コーティングを施している。なお、このような光学コーティングを施す代わりに、第１ライトガイドと第２ライトガイドに屈折率が異なる材料を組合せ、その屈折率差による反射を利用することで、第１ライトガイド１３１と第２ライトガイド１３２を接合するだけでも、該接合面をビームスプリッタとして機能させることができる。
このように第１ライトガイド１３１、第２ライトガイド１３２及びビームスプリッタ１３３が設けられていることにより、反射面１３５１で反射された光束は、第１ライトガイド１３１のうち第２ライトガイド１３２と接触していない部分１３５２において平板の両面で全反射しながら前記他端側に進行し、ビームスプリッタ１３３に入射する。このように、ビームスプリッタ１３３に光束を入射させる光学系に相当する、反射面１３５１、及び第１ライトガイド１３１のうち第２ライトガイド１３２と接触していない部分１３５２を合わせて、第１実施形態では「導入光学系１３５」と呼ぶ。
鋸歯状面１３２０は、互いに非平行且つ共に前記平坦面１３２３に対して非平行である第１面１３２１と第２面１３２２を交互に組み合わせて、前記長辺方向に複数組並ぶように配置することによって構成されている。第１面１３２１は、前記平板と外部（空気）との境界において全反射条件を満たす角度でビームスプリッタ１３３を透過して第２ライトガイド１３２内を進行する前記光束に対して非平行（本実施形態では略垂直）な面である。一方、第２面１３２２は、同様に第２ライトガイド１３２内を進行する前記光束に対して略平行な面である。このように第１面１３２１及び第２面１３２２が構成されていることにより、第２ライトガイド１３２内を進行する前記光束は、第２面１３２２ではほとんど（入射及び）透過することなく、第１面１３２１のみを透過して外部に出射する。
本実施形態では、第２面１３２２には、可視光を吸収する光吸収剤である黒色の塗料が塗布されている。これにより、外部から第２面に入射した外光（図１中に一点鎖線で示す）、又は第１面で反射された後に第２面に入射した外光（同・二点鎖線）は第２面１３２２で遮光される。すなわち、このような外光は、第２面１３２２を透過して第２ライトガイド１３２内に入射することなく、光吸収剤に吸収される。なお、第１面１３２１には光吸収剤は塗布されていない。
本実施形態では同一の形状及び大きさを有する鋸歯状面１３２０を略等間隔に配置したが、形状及び／又は大きさが互いに異なる鋸歯状面を用いたり、鋸歯状面を非等間隔に配置してもよい。
なお、第２ライトガイド１３２は、一見すると回折格子に類似した形状を有するが、鋸歯状面１３２０の間隔が可視光の波長（0.4～0.7μm）よりも十分（例えば10倍以上）長いため、回折格子として機能するものではない。
ビームスプリッタ１３３で反射される光束は、第１ライトガイド１３１の平板のビームスプリッタ１３３とは反対側の面１３４に入射するが、該面１３４では全反射条件を満たしているため該光束は全反射される。
コンバイナ１４は、可視光の一部を透過し残りを反射する板材である。このコンバイナ１４は、鋸歯状面１３２０に対向し、第１面１３２１から出射する前記光束の光路上に、該光束に対して非平行に配置されている。これにより、第１面１３２１から出射する前記光束の一部はコンバイナ１４で反射され、該光束が反射した方向（図１の右方）からコンバイナ１４を見る観察者に視認される。それと共に、観察者はコンバイナ１４の反対側の領域を、コンバイナ１４を介して視認することができる。
(2) 第１実施形態の表示装置及び表示装置用光学素子の動作
第１実施形態の表示装置１０及び表示装置用光学素子１３の動作を説明する。
画像表示素子１１では元画像が表示され、その画像上の各点からそれぞれ拡がりをもって光が出射する。それらの光は、コリメータ１２で平行光の光束に変換される。この光束は、第１ライトガイド１３１に導入され、反射面１３５１で反射される。その後、光束は第１ライトガイド１３１のうち第２ライトガイド１３２と接触していない部分１３５２において平板の両面で全反射しながら、第２ライトガイド１３２側に進行し、ビームスプリッタ１３３に入射する。
ビームスプリッタ１３３では、入射した光束の一部が透過し、残りが反射する。ビームスプリッタ１３３で反射した光束は、前記の面１３４で全反射された後、最初にビームスプリッタ１３３に入射した位置よりも反射面１３５１の反対側寄り（図１の右側）で再びビームスプリッタ１３３に入射し、その一部が透過し、残りが反射する。このように、ビームスプリッタ１３３では、異なる複数の位置において光束の透過及び反射が繰り返し生じるが、それら各位置で透過する光束は互いに平行になる（図１中の破線参照）。
ビームスプリッタ１３３を透過した光束は第２ライトガイド１３２内を進行し、第１面１３２１を透過して外部に出射する。
第１面１３２１から出射した光束は、少なくともその一部がコンバイナ１４で反射され、該光束が反射した方向（図１の右方）からコンバイナ１４を見る観察者の眼に到達する。前述のようにビームスプリッタ１３３中の異なる複数の位置においてそれぞれ透過した光束は互いに平行であるが、コンバイナ１４で反射された後も互いに平行である関係を維持したまま観察者の眼に到達する。これにより、画像表示素子１１に表示された元画像の各点から出射してコリメータ１２で平行光に変換された光束は、コリメータ１２を出射したときよりも大きい光束となって観察者の眼に入射する。そのため、観察者が画像を視認できる範囲が拡大する。
なお、第２ライトガイド１３２の第２面１３２２が光束の進行方向に対して略平行であることから、光束が第２面１３２２によって遮られることが抑えられ、それにより第１面１３２１を透過して観察者の眼に到達する光束に部分的な影が発生することを抑えることができる。
一方、外部から表示装置用光学素子１３に入射する外光のうち、少なくとも第２ライトガイド１３２の第２面１３２２に直接入射したもの（図１中の一点鎖線）及び第１面１３２１で反射された後に第２面１３２２に入射したもの（同・二点鎖線）は、第２面１３２２の光吸収剤に吸収される。そのため、これら第２面１３２２に入射した外光が第２ライトガイド１３２内（さらには第１ライトガイド１３１内）に入射して再度第２ライトガイド１３２外へ出射することで観察者の眼に入射することを防ぐことができ、迷光を抑えることができる。
本実施形態の表示装置１０及び表示装置用光学素子１３では、上述のように迷光を抑えることができるという効果に加えて、第１ライトガイド１３１と第２ライトガイド１３２の境界にのみビームスプリッタ１３３を1つのみ形成すればよいため、ライトガイドの内部に複数個のビームスプリッタを形成しなければならない特許文献１に記載の表示装置及び表示装置用光学素子よりも容易に作製することができるという効果も奏する。
(3) 第２実施形態の表示装置及び表示装置用光学素子の構成
図２に、第２実施形態の表示装置２０の概略構成図を示す。表示装置２０は、第１実施形態の表示装置１０と同様の画像表示素子１１、コリメータ１２及びコンバイナ１４を備えると共に、第１実施形態とは異なる表示装置用光学素子２３を備える。表示装置用光学素子２３は、第１ライトガイド２３１と、第２ライトガイド２３２と、ビームスプリッタ２３３とを有する。以下、表示装置用光学素子２３の構成を中心に説明する。
第１ライトガイド２３１は、コリメータ１２で変換された光束に関して透明な第１の材料製の、長方形の平板から成る。該長方形の長辺方向の一端（該長方形の一方の短辺）の端面２３１０は、該平板の上下の面に対して斜めに切断された形状を呈している。なお、第２実施形態の表示装置２０において第１実施形態と同様の第１ライトガイド１３１を用いてもよいし、第１実施形態の表示装置１０において第２実施形態と同様の第１ライトガイド２３１を用いてもよい。
第２ライトガイド２３２は、前記光束に関して透明な第２の材料製の板材であって、第１ライトガイド２３１の平板のうち端面２３１０の反対側において該平板の表面の一部と接触する平坦面２３２３と、該平坦面２３２３に対向する面のうち端面２３１０の反対側寄りの一部に設けられた鋸歯状面２３２０と、該平坦面２３２３に対向する面のうち鋸歯状面２３２０よりも端面２３１０寄りの領域（「第２平坦面形成領域２３２５」とする）に設けられた第２平坦面２３２４とを有する。鋸歯状面２３２０は、第１実施形態の鋸歯状面１３２０におけるものと同様の、第１面２３２１及び第２面２３２２を交互に組み合わせた構成を有する。第２面２３２２に可視光を吸収する光吸収剤が塗布されている点も第１実施形態と同様である。
第１ライトガイド２３１を構成する第１の材料、及び第２ライトガイド２３２を構成する第２の材料にはそれぞれ、第１実施形態と同様の材料を用いる。
コリメータ１２は、第１ライトガイド２３１の端面２３１０に対向するように配置されている。また、コリメータ１２から出射して第１ライトガイド２３１内に導入される光束が第１ライトガイド２３１と外部との境界、及び第２ライトガイド２３２の第２平坦面２３２４と外部との境界において全反射する条件を満たすように、表示装置用光学素子２３に対するコリメータ１２の向きが設定されている。
ビームスプリッタ２３３は、第１ライトガイド２３１と第２ライトガイド２３２が接触している境界に、光束を所定の透過率で透過させるための光学コーティングが施されて成る。なお、ビームスプリッタ２３３は、第２ライトガイド２３２のうち鋸歯状面２３２０に対向する位置のみならず、第２平坦面形成領域２３２５にも設けられている。
(4) 第２実施形態の表示装置及び表示装置用光学素子の動作
第２実施形態の表示装置２０及び表示装置用光学素子２３の動作を説明する。画像表示素子１１で表示される元画像の各点からそれぞれ拡がりをもって出射した光がコリメータ１２で平行光の光束に変換されるまでの動作は、第１実施形態と同様である。
この光束は、端面２３１０から第１ライトガイド２３１に導入され、第１ライトガイド２３１と外部との境界で全反射を繰り返し、第２平坦面形成領域２３２５に到達する。第２平坦面形成領域２３２５において、光束の一部はビームスプリッタ２３３を透過して第２平坦面２３２４で全反射し、残りはビームスプリッタ２３３で反射する。第２平坦面２３２４で全反射した光束と、ビームスプリッタ２３３で反射した光束は、互いに平行であって、且つ、第１ライトガイド２３１の長手方向に互いにずれた位置の光路を進行する（図２中の破線参照）。これらの光束はいずれも、第１ライトガイド２３１のビームスプリッタ２３３とは反対側の面で全反射され、再びビームスプリッタ２３３に入射し、その一部がビームスプリッタ２３３を透過して第２平坦面２３２４で全反射し、残りはビームスプリッタ２３３で反射する。このように、光束は、第２平坦面２３２４とビームスプリッタ２３３という異なる位置での反射を繰り返した後、ビームスプリッタ２３３を通過して鋸歯状面２３２０の第１面２３２１に達し、該第１面２３２１からコンバイナ１４に向けて出射する。その後の動作は、第１実施形態の表示装置１０と同様である。
本実施形態の表示装置２０及び表示装置用光学素子２３によれば、光束が第１ライトガイド２３１の長手方向に互いにずれた多数の経路を通過することにより、光束が該方向に拡がって分布する。これにより、第１面２３２１において光束が通過しない領域を無くすか又は少なくすることができ、観察者はムラの少ない画像を視認することができる。
また、本実施形態の表示装置２０及び表示装置用光学素子２３によれば、第１実施形態と同様に、外部から表示装置用光学素子２３に入射する外光のうち、少なくとも第２ライトガイド２３２の第２面２３２２に直接、又は第１面２３２１に反射されて入射したものが第２面２３２２の光吸収剤に吸収されることにより迷光を抑えることができる。
(5) 変形例
本発明は上記実施形態には限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では第２面１３２２、２３２２が可視光を吸収することにより遮光する構成としたが、第２面１３２２、２３２２に可視光を反射又は拡散するコーティングを施したり、第２面１３２２、２３２２に可視光を遮光する外部マスクを装着してもよい。
また、第２面１３２２、２３２２において、外光の一部を吸収、反射又は拡散させることによって減光を生じさせるコーティングや加工等を施しても良い。その場合、遮光程ではないが、外光が第２ライトガイド１３２、２３２に入射して迷光が生じることを抑えることができる。
上記実施形態ではコンバイナ１４を構成する板材を1個のみ設けたが、2個以上（例えば図３に示す第１板材１４１及び第２板材１４２）の板材を互いに略平行に設けてもよい。これにより、第１面１３２１を透過した光束のうち、最初に入射する第１板材１４１を透過したものの一部が第２板材１４２で反射される。こうして第１板材１４１で反射された光束と第２板材１４２で反射された光束は、互いに平行であって且つ位置がずれているため、観察者が画像を視認できる範囲をより一層大きくすることができる。なお、図３では板材を2枚用いる例を示したが、板材を3枚以上用いてもよい。
あるいは、図４に示すように、コンバイナ１４を省略してもよい。この場合、観察者は、第１面１３２１を透過した光束が進行する方向から表示装置用光学素子１３を見ることにより、画像を視認することができる。
なお、コンバイナ１４以外の構成は、図３及び図４では第１実施形態の表示装置１０と同じ構成としたが、第２実施形態の表示装置２０やそれ以外の変形例と同じ構成としてもよい。
上記実施形態では、第１ライトガイド１３１の平板と外部（空気）との境界において全反射条件を満たす角度となるように、光束を第１ライトガイド１３１に入射させているが、ビームスプリッタ１３３と接する部分以外の第１ライトガイド１３１の表面に、光束を反射させるコーティングを施したうえで、前記全反射条件を満たす角度よりも深い角度で光束を第１ライトガイド１３１に入射させてもよい。あるいは、このようなコーティングを施すことなく、前記全反射条件を満たす角度よりも深い角度で光束を第１ライトガイド１３１に入射させた場合にも、少なくとも光束の一部が第１ライトガイド１３１の表面で反射するため、表示装置及び表示装置用光学素子として機能させることができる。
［種々の態様］
上述した例示的な実施形態及びその変形例が以下の態様の具体例であることは、当業者であれば容易に理解される。
（第１項）
第１項に係る表示装置は、
表示対象の画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子に表示された画像上の各点から出射する光を平行光の光束に変換するコリメータと、
前記光束に関して透明な第１の材料製の平板から成る第１ライトガイドと、
前記光束に関して透明な第２の材料製である板状部材から成り、一方の面が前記平板の一方の面に接する平坦面であり、他方の面が鋸歯状面である第２ライトガイドと、
前記第１ライトガイドと前記第２ライトガイドの前記平坦面の境界に形成された、前記光束の一部を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタとを有し、
前記鋸歯状面は、前記境界を透過して前記第２ライトガイドを進行する前記光束の進行方向に対して非平行であって該光束を透過する第１面と、該進行方向に対して略平行である第２面とを交互に組み合わせて成る。
（第６項）
第６項に係る表示装置用光学素子は、画像表示素子に表示された画像上の各点から出射する光をコリメータで平行光に変換した光束に基づいて画像を拡大して表示する表示装置で用いる光学素子であって、
前記光束に関して透明な第１の材料製の平板から成る第１ライトガイドと、
前記光束に関して透明な第２の材料製である板状部材から成り、一方の面が前記平板の一方の面に接する平坦面であり、他方の面が鋸歯状面である第２ライトガイドと、
前記第１ライトガイドと前記第２ライトガイドの前記平坦面の境界に形成された、前記光束の一部を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタとを有し、
前記鋸歯状面は、前記境界を透過して前記第２ライトガイドを進行する前記光束の進行方向に対して非平行であって該光束を透過する第１面と、該進行方向に対して略平行である第２面とを交互に組み合わせて成る。
第１項に係る表示装置及び第６項に係る表示装置用光学素子では、画像表示素子に表示された画像上の各点から出射してコリメータで平行光に変換された光束はビームスプリッタに入射し、その一部がビームスプリッタを透過して第２ライトガイドの第１面から出射する。その残りの、ビームスプリッタを透過することなく反射した光束は、第１ライトガイドの平板の、ビームスプリッタとは反対側の面で反射されてビームスプリッタの別の位置に入射し、その一部がビームスプリッタを透過して第２ライトガイドの第１面の、最初に光束が出射した位置とは異なる位置から出射する。このようにビームスプリッタにおいて繰り返し光束の一部の透過及び残りの反射が生じて、透過した光束が出射することにより、画像上の各点からの光束は第１ライトガイドに入射したときよりも大きくなる。これにより観察者が画像を視認できる範囲が拡大する。
一方、表示装置の外部から第２ライトガイドの鋸歯状面に入射する光は、少なくともその一部が第２面に直接入射するか、又は第１面で反射された後に第２面に入射し、第２面において該光の吸収、反射、拡散、減光等が生じる。そのため、外光がライトガイド内に入射した後に再度ライトガイド外へ出射する光である迷光が観察者の眼には入射することを抑えることができる。
（第２項）
第２項に係る表示装置は、第１項に係る表示装置において、前記第２面が可視光を遮光する面である。
（第７項）
第７項に係る表示装置用光学素子は、第６項に係る表示装置用光学素子において、前記第２面が可視光を遮光又は減光する面である。
第２項に係る表示装置及び第７項に係る表示装置用光学素子によれば、表示装置の外部から第２ライトガイドの鋸歯状面の第２面に直接入射するか、又は第１面で反射された後に第２面に入射した外光が第２面において遮光又は減光されるため、該外光がライトガイド内に入射することを防止（遮光の場合）又は抑制（減光の場合）することができる。そのため、迷光が観察者の眼に入射することをより一層抑えることができる。
ここで「可視光を遮光する」ことは、入射した可視光を全て透過させないことを意味し、入射した可視光を全て吸収すること、全て反射すること、全て散乱させることを含む。また、「可視光を減光する」ことは、入射した可視光の一部を透過させないことを意味し、入射した可視光の一部を吸収すること、一部を反射すること、一部を散乱させることを含む。
（第３項）
第３項に係る表示装置は、第１項又は第２項に係る表示装置において、前記第２ライトガイドの前記鋸歯状面よりも、前記コリメータから光束が導入される箇所に近い位置に第２平坦面を有する。
（第８項）
第８項に係る表示装置用光学素子は、第６項又は第７項に係る表示装置用光学素子において、前記第２ライトガイドの前記鋸歯状面よりも、前記コリメータから光束が導入される箇所に近い位置に第２平坦面を有する。
第３項に係る表示装置及び第８項に係る表示装置用光学素子によれば、ビームスプリッタを透過して第２平坦面で反射される光束とビームスプリッタで反射される光束が互いにずれた経路を通過して第１面から表示装置用光学素子の外部に出射する。そのため、第１面において光束が通過しない領域を無くすか又は少なくすることができ、観察者はムラの少ない画像を視認することができる。
（第４項）
第４項に係る表示装置は、第１項から第３項のいずれか１項に係る表示装置において、前記第１ライトガイド内の外部との界面において全反射条件を満たす角度で、前記光束を前記コリメータから前記第１ライトガイドに導入するよう、該コリメータ及び該第１ライトガイドが配置されている。
第４項に係る表示装置によれば、第１ライトガイド内での光束の損失を抑制することができる。
（第５項）
第５項に係る表示装置は、第１項から第４項のいずれか１項に係る表示装置において、さらに、前記第２ライトガイドの第１面から出射する前記光束の光路上に、該光束に対して非平行に配置され、可視光の一部を透過し残りを反射する板材であるコンバイナを備える。
第５項に係る表示装置によれば、第２ライトガイドの第１面から出射した光束の一部がコンバイナで反射されて観察者の眼に入射する。それと共に、観察者は、コンバイナの反対側の領域を、コンバイナを介して視認することができる。これにより、例えば航空機の操縦席の前方にコンバイナを配置し、操縦席に着席した観察者が前方（コンバイナの反対側）を視認しながら、画像表示素子に表示された画像を拡大して視認することができる。
１０、２０…表示装置
１１…画像表示素子
１２…コリメータ
１３、２３…表示装置用光学素子
１３１、２３１…第１ライトガイド
１３１１…第１ライトガイドの一端
１３２、２３２…第２ライトガイド
１３２０、２３２０…鋸歯状面
１３２１、２３２１…第１面
１３２２、２３２２…第２面
１３２３、２３２３…平坦面
１３３、２３３…ビームスプリッタ
１３４…第１ライトガイドの平板のビームスプリッタとは反対側の面
１３５…導入光学系
１３５１…反射面
１３５２…第１ライトガイドのうち第２ライトガイドと接触していない部分
１４…コンバイナ
１４１…第１板材
１４２…第２板材
２３２４…第２平坦面
２３２５…第２平坦面形成領域

Claims (8)

  1. 表示対象の画像を表示する画像表示素子と、
    前記画像表示素子に表示された画像上の各点から出射する光を平行光の光束に変換するコリメータと、
    前記光束に関して透明な第１の材料製の平板から成る第１ライトガイドと、
    前記光束に関して透明な第２の材料製である板状部材から成り、一方の面が前記平板の一方の面に接する平坦面であり、他方の面が鋸歯状面である第２ライトガイドと、
    前記第１ライトガイドと前記第２ライトガイドの前記平坦面の境界に形成された、前記光束の一部を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタとを有し、
    前記鋸歯状面は、前記境界を透過して前記第２ライトガイドを進行する前記光束の進行方向に対して非平行であって該光束を透過する第１面と、該進行方向に対して略平行である第２面とを交互に組み合わせたものであって、隣接する1個の第１面と1個の第２面から成る鋸歯を7μm以上の間隔で配置して成る
    表示装置。
  2. 前記第２面が可視光を遮光又は減光する面である、請求項１に記載の表示装置。
  3. 前記第２ライトガイドの前記鋸歯状面よりも、前記コリメータから光束が導入される箇所に近い位置に第２平坦面を有する、請求項１又は２に記載の表示装置。
  4. 前記第１ライトガイド内の外部との界面において全反射条件を満たす角度で、前記光束を前記コリメータから前記第１ライトガイドに導入するよう、該コリメータ及び該第１ライトガイドが配置されている、請求項１又は２に記載の表示装置。
  5. さらに、前記第２ライトガイドの第１面から出射する前記光束の光路上に、該光束に対して非平行に配置され、可視光の一部を透過し残りを反射する板材であるコンバイナを備える、請求項１又は２に記載の表示装置。
  6. 画像表示素子に表示された画像上の各点から出射する光をコリメータで平行光に変換した光束に基づいて画像を拡大して表示する表示装置で用いる光学素子であって、
    前記光束に関して透明な第１の材料製の平板から成る第１ライトガイドと、
    前記光束に関して透明な第２の材料製である板状部材から成り、一方の面が前記平板の一方の面に接する平坦面であり、他方の面が鋸歯状面である第２ライトガイドと、
    前記第１ライトガイドと前記第２ライトガイドの前記平坦面の境界に形成された、前記光束の一部を透過させ、残りを反射させるビームスプリッタとを有し、
    前記鋸歯状面は、前記境界を透過して前記第２ライトガイドを進行する前記光束の進行方向に対して非平行であって該光束を透過する第１面と、該進行方向に対して略平行である第２面とを交互に組み合わせたものであって、隣接する1個の第１面と1個の第２面から成る鋸歯を7μm以上の間隔で配置して成る、
    表示装置用光学素子。
  7. 前記第２面が可視光を遮光又は減光する面である、請求項６に記載の表示装置用光学素子。
  8. 前記第２ライトガイドの前記鋸歯状面よりも、前記コリメータから光束が導入される箇所に近い位置に第２平坦面を有する、請求項６又は７に記載の表示装置用光学素子。
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