CN105659147A - 导光棱镜和图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的导光棱镜(5)具有：入射面(6a)，其入射来自显示元件(4)的影像光；一个以上的反射面，其对入射的影像光进行反射，至少包含出射侧反射面(6b)；以及出射面(7)，其与出射侧反射面(6b)构成锐角，朝向观察者的眼球射出在该出射侧反射面(6b)反射后的影像光。在一个方式中，导光棱镜(5)具有被设置成在出射侧反射面(6b)与出射面(7)之间的宽度变窄的方向上从出射侧反射面(6b)和出射面(7)的端部突出的棱镜前端部(9a)。在另一个方式中，导光棱镜(5)是一体形成朝向眼球对影像光进行导光的导光部(10)、与导光部(10)相邻设置的板状的板部(11)、形成在板部(11)上且用于将影像光作为虚像进行观察的凸透镜部(12)而构成的，板部(12)具有在出射侧反射面(6b)与出射面(7)之间的宽度变窄的方向上从出射侧反射面(6b)和出射面(7)的端部突出的部分(11a)。并且，本发明的图像显示装置(1)具有射出影像光的显示元件(4)、导光棱镜(5)、以及用于在观察者的头部固定支承显示元件(4)和导光棱镜(5)的支承部(2)。

Description

导光棱镜和图像显示装置

技术领域

本发明涉及对来自显示元件的影像光进行导光并在观察者的视野内显示显示图像的虚像的导光棱镜以及使用该导光棱镜的图像显示装置。

背景技术

近年来，提出了佩戴在头部或眼镜上的小型且可穿戴的图像显示装置。作为这种图像显示装置，例如公知有如下装置：通过透明的导光部件将小型图像显示元件中显示的图像的影像光导光至眼前，作为被放大的虚像显示在观察者的视野内(例如参照专利文献1、2)。小型轻量的导光部件不会大幅遮挡视场，能够小型、轻量地构成图像显示装置整体，能够作为能够始终穿戴在身上进行使用的可穿戴设备进行使用。

但是，当使导光部件小型化时，由导光部件内部的侧面等反射的杂散光或重像光容易醒目。因此，例如，在专利文献2中，对不作为反射面的光学面实施磨砂处理，减少杂散光或重像光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-122478号公报

专利文献2：日本特开2012-203113号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，即使实施该磨砂处理，也很难完全消除杂散光或重像光，并且，由于需要额外进行磨砂处理的工序，所以，存在量产时成为高成本的问题。

因此，着眼于这些方面而完成的本发明的目的在于，提供能够作为导光部件使用、且减少了杂散光和重像光的导光棱镜以及使用该导光棱镜的图像显示装置。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明人重新进行了专心研讨。其结果发现，在导光部件中，在与目镜的出射面相接的前端面进行反射的杂散光和重像光对于观察者来说非常碍眼，有效减少这种杂散光和重像光是重要的。

而且，本发明人得到如下新知从而完成本发明：通过设置在出射侧反射面与出射面之间的宽度变窄的方向上从出射侧反射面和出射面的端部突出的棱镜前端部，能够有利于实现上述目的。

本发明的主旨结构如下所述。

本发明的第1方式的导光棱镜的特征在于，该导光棱镜具有：入射面，其入射来自显示元件的影像光；一个以上的反射面，其对入射的影像光进行反射，至少包含出射侧反射面；出射面，其与所述出射侧反射面构成锐角，朝向观察者的眼球射出在该出射侧反射面反射后的影像光；以及棱镜前端部，其被设置成在所述出射侧反射面与所述出射面之间的宽度变窄的方向上从所述出射侧反射面和所述出射面的端部突出。

并且，在本发明的导光棱镜中，优选所述出射面形成为透镜面，当设所述棱镜前端部的从所述出射侧反射面和所述出射面的端部最突出的面为前端面时，所述前端面相对于所述出射面的光轴向朝向所述观察者的眼球侧的方向倾斜。

进而，在本发明的导光棱镜中，优选所述棱镜前端部具有与所述出射面相接的第1面和与所述出射侧反射面相接的第2面，所述第1面和所述第2面大致平行。

这里，本发明的第2方式的导光棱镜的特征在于，该导光棱镜具有：入射面，其入射来自显示元件的影像光；一个以上的反射面，其对入射的影像光进行反射，至少包含出射侧反射面；以及出射面，其与所述出射侧反射面构成锐角，朝向观察者的眼球射出在该出射侧反射面反射后的影像光，所述导光棱镜是一体形成以下部件而构成的：导光部，其朝向眼球对影像光进行导光；板状的板部，其与所述导光部相邻设置；以及凸透镜部，其形成在所述板部上，用于使影像光作为虚像而被观察到，所述板部具有在所述出射侧反射面与所述出射面之间的宽度变窄的方向上从所述出射侧反射面和所述出射面的端部突出的部分。

并且，本发明的图像显示装置的特征在于，该图像显示装置具有：显示元件，其射出影像光；上述导光棱镜；以及支承部，其用于在观察者的头部固定支承所述显示元件和所述导光棱镜。

发明效果

根据本发明，能够提供能够作为导光部件使用、且减少了杂散光和重像光的导光棱镜以及使用该导光棱镜的图像显示装置。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的图像显示装置的立体图。

图2A是示出本发明的第1实施方式的导光棱镜的俯视图。

图2B是示出本发明的第1实施方式的导光棱镜的主视图。

图3是示出现有的导光棱镜中的非正规光的光路的例子的俯视图。

图4是示出另一个现有的导光棱镜中的非正规光的光路的例子的俯视图。

图5是示出本发明的一个实施方式的导光棱镜中的光的反射的状况的俯视图。

图6是示出本发明的第2实施方式的导光棱镜的俯视图。

图7是用于说明视距和出射面的尺寸的图。

图8A是示出本发明的第3实施方式的导光棱镜的局部俯视图。

图8B是示出本发明的第3实施方式的导光棱镜的局部俯视图。

图9是示出本发明的导光棱镜的变形例的俯视图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式进行详细地例示说明。

<第1实施方式>

图1是示出本发明的第1实施方式的图像显示装置1的立体图。该图像显示装置1具有：支承部2，其具有眼镜的形状，用于在观察者的头部固定支承图像显示装置整体；主体部3，其固定在支承部2的边撑(侧头部的框架)上，内置有显示元件4(参照图2)；以及导光棱镜5，其在一端部由主体部3支承，另一个端部在装配在观察者上的状态下延伸到观察者的眼前。在主体部3中，除了显示元件4以外，还具有用于在显示元件4上显示图像的电子电路、用于以有线或无线的方式从主体部3的外部接收影像数据的通信功能等。

图2A是示出本发明的一个实施方式的导光棱镜5的俯视图，图2B是示出本发明的一个实施方式的导光棱镜5的主视图。如图2A、图2B所示，该导光棱镜5具有：入射面6a，其入射来自显示元件4的影像光；一个以上的反射面(在图示例子中，反射面仅具有1个出射侧反射面6b)，其对入射的影像光进行反射，至少包含出射侧反射面6b；以及出射面7，其与出射侧反射面6b构成锐角，朝向观察者的眼球射出在该出射侧反射面6b反射后的影像光。该出射面7形成为透镜面。

这里，显示元件4是显示应该观察的图像的液晶显示元件或有机EL元件等，内置于图1所示的主体部3内。该显示元件4中显示的图像的影像光入射到导光棱镜5的入射面6a。优选在显示元件4与导光棱镜5的入射面6a之间设置用于保护显示元件4的保护窗(未图示)。

这里，该导光棱镜5是由透明树脂构成的一个方向较长的棱镜。导光棱镜5在影像光的行进方向即长度方向的两端具有入射面6a和反射面6b，在入射面6a与反射面6b之间，以包围影像光的光路的方式具有第1侧面8a、第2侧面8b、第3侧面8c和第4侧面8d。在观察者装配了图像显示装置1的状态下，第1侧面8a位于朝向观察者的正面的面，第2侧面8b是朝向观察者的正面的相反侧的面。并且，第3侧面8c是导光棱镜的上侧的面，第4侧面8d是导光棱镜5的下侧的面。即，第1侧面8a和第2侧面8b是相互对置的面，第3侧面8c和第4侧面8d是相互对置的面。

在图2A、图2B中，第1～第4侧面8a～8d构成为平面，分别与入射面6a大致垂直。但是，第1～第4侧面8a～8d也可以具有些许弯曲，并且，也可以构成为相比于反射面6b侧，入射面6a侧的宽度较宽。例如，关于第3侧面8c与第4侧面8d之间的距离，也可以设为与入射面6a侧相比，使反射面6b侧较窄。

反射面6b形成为相对于导光棱镜5的长度方向使内侧面朝向观察者侧倾斜大约45°的斜面。该反射面6b通过铝溅射等形成为反射镜面，以使得在导光棱镜5内沿长度方向行进的影像光进行全反射。另外，根据导光棱镜5的材料的折射率和反射面的角度等条件，不利用反射膜对表面进行涂层，也能够形成全反射面。

并且，在第1侧面8a的与反射面6b相邻的部分设置有出射面7。出射面7形成为位于在反射面6b反射后的影像光朝向眼球的光路上的凸面。该出射面7与导光棱镜5一体形成。通过使用树脂进行一体成型，能够大量且廉价地制造导光棱镜5。但是，也可以在形成为平面的第1侧面8a上接合平凸透镜来形成出射面7。另外，在图2A、图2B以后的附图中，利用单点划线示出出射面7的光轴。光轴在反射面6b中屈曲并穿过显示元件4的中心。在入射面6a与反射面6b之间，光轴的方向与导光棱镜5的长度方向一致。

这里，在图2A、图2B中，设导光棱镜5的长度方向中的影像光的正规光的行进方向为前方。此时，如图2A所示，在本实施方式的导光棱镜5中，还具有位于出射面7与反射面6b之间、且比出射面7的前方侧的端部E7和反射面6b的前方侧的端部E6更向前方侧突出的棱镜前端部9a。即，该导光棱镜5具有设置成在反射面6b与出射面7之间的宽度变窄的方向上从反射面6b和出射面7的端部突出的棱镜前端部9a。另外，在本实施方式的导光棱镜5中，鉴于外观等，同样设置位于出射面7与反射面6b之间、且比出射面7的后方侧的端部和反射面的后方侧的端部更向后方侧突出的棱镜前端部9b，但是，为了进一步实现小型化、轻量化，也可以构成为不具有该后方侧的棱镜前端部9b。棱镜前端部9a、9b的突出宽度没有特别限定，但是，例如可以设为0.5～2mm。并且，优选棱镜前端部9a、9b具有例如0.5～1.5mm的高度。

如图2A所示，本实施方式的导光棱镜5一体形成有朝向眼球对影像光进行导光的导光部10(在图示例子中，由入射面6a、反射面6b、第1～第4侧面8a～8b划定出的部分)、与导光部10相邻设置的板状的板部11、形成在板部11上且用于将影像光作为虚像进行观察的凸透镜部12。而且，板部11具有比导光部10更向前方侧突出的部分、即在反射面6b与出射面7之间的宽度变窄的方向上从反射面6b和出射面7的端部突出的部分即突出部11a(9a)。

并且，在图示例子中，前方侧的棱镜前端部9a分别具有与侧面8a、8b大致平行的两个平坦面13a、14a。而且，前方侧的棱镜前端部9a具有与两个平坦面13a、14a相接且与侧面8a、8b大致垂直的前端面15a。该前端面15a是位于棱镜前端部9a的最前方侧的面、即从反射面6b和出射面7的端部最突出的面。另一方面，在图示例子中，后方侧的棱镜前端部9b具有与侧面8a、8b大致平行的1个平坦面13b。而且，后方侧的棱镜前端部9b具有与平坦面13b和侧面8a相接且与侧面8a、8b大致垂直的前端面15b。该前端面15b是位于棱镜前端部9b的最后方侧的面。在图示例子中，将前端面15a、15b构成为表面粗糙度较小的镜面处理后的面，但是，也可以仅使前端面15a成为镜面处理后的面。下面，对本实施方式的导光棱镜5的作用效果进行说明。

首先，图3是示出现有的导光棱镜80中的非正规光的光路的例子的俯视图。图3所示的导光棱镜80对目镜81中的与出射面7相接的前端面82进行镜面处理。这种情况下，如图3所示，箭头L8a所示的光线这样的在侧面8b进行一次反射、在反射面6b进行第2次反射后入射到前端面82的非正规光线以较浅的角度入射到前端面82，所以，在前端面82进行全反射而朝向观察者的眼球的方向，成为非常碍眼的不需要的光。另一方面，在图3所示的导光棱镜80中，关于箭头L8b所示的从显示元件4直接入射到前端面82的非正规光线，通过实施上述这种镜面处理，能够向与眼球不同的方向透射光，不会产生不需要的光。

图4是示出另一个现有的导光棱镜90中的非正规光的光路的例子的俯视图。图4所示的导光棱镜90对目镜91中的与出射面7相邻的前端面92进行磨砂处理。这种情况下，如图4所示，箭头L9a所示的光线这样的在侧面8b进行一次反射、在反射面6b进行第2次反射后入射到前端面92的光线能够通过扩散来减少，但是，无法完全去除朝向眼球的不需要的光。而且，关于箭头L9b所示的在图3所示的导光棱镜80中不成为问题的、从显示元件4直接入射到前端面92的非正规光线，其一部分通过扩散而朝向眼球，所以成为不需要的光。

图5是示出本实施方式的导光棱镜5中的光的反射的状况的俯视图。如图5所示，在该实施方式的导光棱镜5中，具有比出射面7的前方侧的端部E7和反射面6b的前方侧的端部E6更向前方侧(即反射面6b与出射面7之间的宽度变窄的方向)突出的棱镜前端部9a。由此，由于前端面15a位于比端部E7和端部E6更靠前方，所以，与图3、图4的箭头L8a、L9a对应的在侧面8b进行一次反射、在反射面7b进行第2次反射的光线La不会到达前端面15a，从出射面7侧的平坦面13a向外部射出。由此，由于光线La向与观察者的眼球不同的方向射出，所以，不会作为不需要的光而被观察。并且，关于与图3、图4的箭头L8b、L9b对应的光线Lb，通过对前端面15a进行镜面处理，向与眼球不同的方向透射，所以不会成为不需要的光。这样，根据本实施方式的导光棱镜5和使用该导光棱镜5的图像显示装置1，能够减少杂散光和重像光。

<第2实施方式>

图6是示出本发明的第2实施方式的导光棱镜的俯视图。该第2实施方式的导光棱镜5与图2A所示的第1实施方式的导光棱镜5的不同之处在于，前端面15a、15b的外表面相对于出射面7的光轴向朝向观察者的眼球侧的方向倾斜。另外，在图示例子中，前端面15a、15b双方相对于影像光的光轴向朝向眼球侧的方向倾斜，但是，也可以仅前端面15a这样倾斜。

在本发明的导光棱镜中，如图6所示，优选前方侧的前端面15a的外表面相对于出射面7的光轴向朝向眼球侧的方向倾斜。这是因为，由此，从显示元件4直接入射到前端面15a的光线Lb的射出时的射出方向变化，能够使光线Lb进一步向与眼球不同的方向射出。

这里，如图7所示，从出射面7到观察者的瞳孔的尺寸(视距)I(mm)没有特别限定，但是，优选为18～35mm，出射面的直径D(mm)没有特别限定，但是，优选为4～10mm。此时，很难从眼球的位置直接看到前端面15a，所以，优选使前端面15a相对于被射出的影像光的光轴倾斜3～15°。

并且，在本发明的导光棱镜中，如图5、图6所示，优选棱镜前端部9a具有与出射面7相接的平坦面13a和与反射面6b相接的平坦面14a，平坦面13a和平坦面14a大致平行。这是因为，在图5、图6所示的本发明的实施方式的导光棱镜5中，图3、4所示的例子中到达前端面82、92的光线入射到平坦面13a，但是，通过使该平坦面13a与平坦面14a大致平行，从而进一步向与眼球不同的方向射出，并且，来自背景的光不容易识别为不需要的光。

<第3实施方式>

图8A、图8B是示出本发明的第3实施方式的导光棱镜5的局部俯视图。在图8A、图8B中，省略了显示元件和导光路的入射面侧的一部分的图示，但是，与之前所示的实施方式同样具有显示元件和入射面。如图8A所示，该导光棱镜5构成反射面6b朝向导光路的内部呈凹状(朝向外部呈凸状)弯曲的凹面镜。并且，该导光棱镜5具有比出射面7和反射面6b的前方侧的端部E7、E6更向前方侧突出的棱镜前端部9a。即，该导光棱镜5具有设置成在反射面6b与出射面7之间的宽度变窄的方向上从反射面6b和出射面7的端部突出的棱镜前端部9a。棱镜前端部9a具有与侧面8a、8b大致平行的平坦面13a、14a，该情况下，平坦面13a是与侧面8a相同的平面。并且，棱镜前端部9a具有与平坦面13a和平坦面14a相接的前端面15a。该前端面15a构成为镜面处理后的面。如图示的单点划线所示，影像光的正规光通过凹面镜6b进行反射，从侧面8a即出射面7朝向眼球射出。

如图8A所示，通过侧面8b和反射面7b进行两次反射的光线La不入射到前端面15a而入射到平坦面13a并向与眼球不同的方向射出，所以，不会入射到眼球内而产生杂散光或重像光。并且，关于从显示元件直接入射到前端面15a的光线Lb，通过将前端面15a构成为镜面处理后的面，向与眼球不同的方向透射，所以，不会产生杂散光或重像光。另外，即使如本实施方式那样在反射面6b中使用凹面镜的情况下，如图8B所示，也优选前端面15a相对于出射面的光轴向朝向观察者的眼球侧的方向倾斜。这是因为，从显示元件直接入射到前端面15a的光线Lb的射出时的射出方向变化，能够使光线Lb进一步向与眼球不同的方向射出。

另外，本发明不限于上述实施方式，能够进行若干变形或变更。例如，在上述各实施方式中，在导光棱镜的入射侧端部设置有与导光棱镜的长度方向垂直的入射面，但是，导光棱镜的入射侧的形状不限于此。图9是在图2A所示的第1实施方式的导光棱镜中对入射侧端部进行变更的情况的变形例。在该导光棱镜5中，在与出射侧反射面6b对置的位置也形成相对于长度方向倾斜的反射面6c，并且，在观察者的近前侧的第1侧面8a的端部形成入射面6a，与入射面6a对置地配置显示元件4。由此，从显示元件4射出的影像光从入射面6a入射到导光棱镜5，在反射面6c进行反射，在导光棱镜5内沿着长度方向被导光。这样构成入射侧端部，也能够得到与上述各实施方式相同的作用、效果。除此之外，入射侧端部可以采用各种结构。

标号说明

1：图像显示装置；2：支承部；3：主体部；4：显示元件；5：导光棱镜；6a：入射面；6b：反射面(出射侧反射面)；6c：反射面；7：出射面；8a：第1侧面；8b：第2侧面；8c：第3侧面；8d：第4侧面；9a：棱镜前端部；9b：棱镜前端部；10：导光部；11：板部；11a：突出部；12：凸透镜部；13a、13b、14a：平坦面；15a：前端面；15b：前端面；E6、E7：端部；La、Lb：光线。

Claims (5)

1.一种导光棱镜，其特征在于，该导光棱镜具有：

入射面，其入射来自显示元件的影像光；

一个以上的反射面，其对入射的影像光进行反射，至少包含出射侧反射面；

出射面，其与所述出射侧反射面构成锐角，朝向观察者的眼球射出在该出射侧反射面反射后的影像光；以及

棱镜前端部，其被设置成在所述出射侧反射面与所述出射面之间的宽度变窄的方向上从所述出射侧反射面和所述出射面的端部突出。

2.根据权利要求1所述的导光棱镜，其特征在于，

所述出射面形成为透镜面，

当设所述棱镜前端部的从所述出射侧反射面和所述出射面的端部最突出的面为前端面时，所述前端面相对于所述出射面的光轴向朝向所述观察者的眼球侧的方向倾斜。

3.根据权利要求1或2所述的导光棱镜，其特征在于，

所述棱镜前端部具有与所述出射面相接的第1面和与所述出射侧反射面相接的第2面，所述第1面和所述第2面大致平行。

4.一种导光棱镜，该导光棱镜具有：

入射面，其入射来自显示元件的影像光；

一个以上的反射面，其对入射的影像光进行反射，至少包含出射侧反射面；以及出射面，其与所述出射侧反射面构成锐角，朝向观察者的眼球射出在该出射侧反射面反射后的影像光，

其特征在于，

所述导光棱镜是一体形成以下部件而构成的：导光部，其朝向眼球对影像光进行导光；板状的板部，其与所述导光部相邻设置；以及凸透镜部，其形成在所述板部上，用于使影像光作为虚像而被观察到，

所述板部具有在所述出射侧反射面与所述出射面之间的宽度变窄的方向上从所述出射侧反射面和所述出射面的端部突出的部分。

5.一种图像显示装置，其特征在于，该图像显示装置具有：

显示元件，其射出影像光；

权利要求1～4中的任意一项所述的导光棱镜；以及

支承部，其用于在观察者的头部固定支承所述显示元件和所述导光棱镜。