CN105940338B - 头戴式显示装置以及导光棱镜 - Google Patents
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Abstract
提供一种抑制由于皮脂对导光棱镜的附着而造成的裂纹产生并且去除重影的头戴式显示装置以及在该头戴式显示装置中使用的导光棱镜。本发明的头戴式显示装置具有：显示元件(7)；导光棱镜(5)，其在使用状态下，将来自显示元件(7)的正规成像光束引导至使用者的眼前的出射面(5d)；以及支撑部，其用于相对于使用者的头部固定显示元件(7)和所述导光棱镜(5)。导光棱镜(5)在沿着正规成像光束的光轴的至少一个侧面的、来自显示元件(7)的正规成像光的通过区域外的位置处，具有至少一个第1类型的斜面(S1)，该第1类型的斜面(S1)倾斜形成，以使在沿着正规成像光束的光轴的方向上入射的光反射，并朝向使用者的眼球(6)外射出。
Description
关联申请的相互参照
本申请主张于2014年1月28日申请的国际申请PCT/JP2014/000423的优先权，在此为了参考并入该在先申请的整体公开内容。
技术领域
本发明涉及头戴式显示装置以及在该头戴式显示装置中使用的导光棱镜。
背景技术
近年来，提出了佩戴于头部或眼镜的、小型且可佩戴的头戴式显示装置。作为那样的头戴式显示装置，例如已知如下的头戴式显示装置：通过透明的导光部件，将固定于侧头部的小型的图像显示元件所显示的图像的影像光引导至眼前，并作为放大后的虚像显示在观察者的视野内。通过使用小型轻量的导光部件，能够不较大程度地遮挡视野，小型且轻量地构成整个头戴式显示装置，能够用作可始终佩戴来使用的可佩戴设备。
但是，在将导光部件小型化时，容易产生从正规成像光束的光路偏离而在导光部件内部的侧面进行反射的光(以下称作侧面反射非正规光)，当其进入眼睛时，成为造成重影的原因的光(以下称作重影光)。特别是，越使导光部件的截面尺寸小型化，在导光部件的侧面反射的重影光越产生视野中的在显示图像的近处看到的重影，而成为问题。作为去除由于棱镜侧面处的反射而产生的重影光的技术，已知如下技术：在产生不必要的反射的位置附近的棱镜侧面，设置截面为V字的槽(V槽)，进而在该槽中设置遮光部件，或者用遮光涂料对该槽进行处理，由此作为遮光光圈发挥功能，切断由于不必要的反射而产生的光束(不需要光)(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-18344号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，具有导光棱镜的头戴式显示装置与形成像的光束直径相比，导光棱镜的光路长度较长。因此，用作导光部件的导光棱镜也在一个方向上较长。并且，由于装置的轻量化、小型化等，导光棱镜的大部分不被放入壳体，而以在空间露出的状态被保持。因此，当要应用专利文献1的方法来防止重影时，由于使用者接触导光棱镜，而在V槽中附着皮脂，当对其进行放置时，担心在槽的谷部分逐渐产生裂纹。并且，在V槽的情况下，槽的谷部为锐角，因此难以清洁皮脂。
因此，着眼于这些点而完成的本发明的目的在于提供一种抑制由于皮脂在导光棱镜上的附着而造成的裂纹产生并且去除重影的头戴式显示装置以及在该头戴式显示装置中使用的导光棱镜。
用于解决课题的手段
达到上述目的的头戴式显示装置的发明的特征在于，具有：
显示元件；
导光棱镜，其在使用状态下，将来自所述显示元件的正规成像光束引导至使用者的眼前；以及
支撑部，其用于相对于使用者的头部固定所述显示元件和所述导光棱镜，
所述导光棱镜在沿着所述正规成像光束的光轴的至少一个侧面上，具有至少一个第1类型的斜面，该第1类型的斜面以如下的倾斜角度倾斜形成，所述倾斜角度使得从所述显示元件射出、并在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的光反射，并朝向使用者的瞳孔外射出。
所述第1类型的斜面适于由研磨面构成，使在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的光全反射。
或者，所述第1类型的斜面适于以如下角度倾斜形成，所述角度使得在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的光的正反射成分朝向使用者的眼球外射出。
此外，优选的是，在设所述导光棱镜的折射率为n时，所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ形成为下式：
|θ|＜arcsin(1/n)。
并且，更优选的是，在设所述导光棱镜的折射率为n、入射到所述导光棱镜的所述正规成像光束的数值孔径为N、所述导光棱镜的出射面处的所述正规成像光束的半径为a、所设计的使用者的瞳孔半径的最大值为b、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离为L，并设为下式时，
所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ形成为下式：
这里，适于设所述所设计的使用者的瞳孔半径的最大值b为3.5～4.5mm、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离L为10～20mm。
此外，所述导光棱镜能够与所述第1类型的斜面的所述显示元件侧相邻地具有第2类型的斜面，该第2类型的斜面以如下的倾斜角度倾斜地形成，所述倾斜角度使得从所述显示元件相对于所述正规成像光束的光轴以最大倾斜角度倾斜入射的光在被该第2类型的斜面反射后，被所述第1类型的斜面反射，并朝向使用者的眼球外射出。
此外，所述第2类型的斜面优选由研磨面构成。
并且，优选的是，在设所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度为θ时，所述第2类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度γ形成为下式：
|γ|＜60°-|θ|。
此外，优选的是，在设位于所述第2类型的斜面的所述正规成像光束的行进方向侧的、所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度为θ，入射到所述第2类型的斜面上的特定的点的光线的最大倾角为ε时，所述第2类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度γ形成为下式，
这里，
这里，在设被夹在所述第2类型的斜面上的所述特定的点的位置与所述显示元件(实际的显示元件)之间的光学系统形成的、所述显示元件的像的从中心至周缘的长度为p，所述第2类型的斜面上的所述特定的点垂下至所述光轴的垂线的长度为h，从该垂线与所述光轴的交点至所述显示元件的像的距离为W时，所述ε能够设为下式：
并且，构成为所述第1类型的斜面在所述正规成像光束的行进方向上，与该正规成像光束的光轴接近，所述第2斜面在所述正规成像光束的行进方向上，与该正规成像光束的光轴远离。
优选的是，所述导光棱镜通过交替形成的所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面，具有两个以上的连续的凹陷。
更优选的是，在通过所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面形成的所述凹陷的棱线部附近，实施粗糙面处理。
用于达到上述目标的导光棱镜的发明的特征在于，具有：
入射面，其供光入射；
出射面，其射出从所述入射面入射的光；以及
侧面，其围着所述光的光路，
在所述侧面的至少一部分，由倾角方向不同的第1类型的斜面和第2类型的斜面构成的多个斜面被配置为形成两个以上的连续的凹陷，所述第1类型的斜面以在所述光的行进方向上接近从所述入射面入射并从所述出射面射出的光的光轴的倾斜角度θ倾斜，所述第2类型的斜面以在所述光的行进方向上与所述光轴远离的倾斜角度γ倾斜，形成各个所述凹陷的相邻的两个所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面满足下式：
|γ|＜60°-|θ|。
优选的是，所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面由研磨面构成。或者，可以是，所述第1斜面和所述第2斜面的至少一部分被实施粗糙面处理。
并且，所述导光棱镜优选具有将从所述入射面入射的所述光朝向所述出射面反射的反射面。
更优选的是，在设所述导光棱镜的折射率为n时，所述第1类型的斜面相对于所述光轴的倾斜角度θ形成为下式：
|θ|＜arcsin(1/n)。
更适于配置成，所述入射面供来自显示元件的正规成像光束入射，所述出射面将所述正规成像光束朝向眼球射出，
在设所述导光棱镜的折射率为n、入射到所述导光棱镜的所述正规成像光束的数值孔径为N、所述导光棱镜的出射面处的所述正规成像光束的半径为a、所设计的使用者的瞳孔半径的最大值为b、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离为L，并设为下式时，
所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ形成为下式：
并且，优选的是，在所述第1类型的斜面位于所述第2类型的斜面的所述正规成像光束的行进方向侧，并设入射到所述第2类型的斜面上的特定的点的光线的最大倾角为ε时，所述第2类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度γ形成为下式：
这里，
发明的效果
根据本发明，导光棱镜在沿着正规成像光束的光轴的至少一个侧面的、来自显示元件的正规成像光束的通过区域外的位置处，具有至少一个第1类型的斜面，该第1类型的斜面以使在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的光反射、并朝向使用者的瞳孔外射出的倾斜角度倾斜形成，因此能够提供一种可在不使用锐角的V槽的情况下，抑制由于皮脂对导光棱镜的附着而造成的裂纹产生并且去除重影的头戴式显示装置以及在该头戴式显示装置中使用的导光棱镜。
附图说明
图1是示出本发明第1实施方式的头戴式显示装置的外观的图。
图2是放大示出图1的导光棱镜和使用时的使用者的眼球位置的图。
图3是说明从显示元件射出的侧面反射非正规光的光路的图。
图4是说明沿着光轴方向入射到导光棱镜的侧面的侧面反射非正规光的路径的图，图4(a)表示被反射面反射而入射到瞳孔内的侧面反射非正规光的路径，图4(b)表示图4(a)的等效光学系统。
图5是说明从出射面的目镜射出的光线不入射到瞳孔的条件的图。
图6是说明用于使得从出射面射出的光线不入射到瞳孔的、棱镜内的光线的倾角条件的图。
图7是说明导光棱镜内的光束的张开角的图。
图8是说明沿着光轴方向的侧面反射非正规光的基于在第1类型的斜面上的反射的倾角的图。
图9是说明沿着光轴方向的侧面反射非正规光的基于在第1类型的斜面上的反射和透射的光路的图。
图10是说明相对于光轴以最大倾斜角度入射到导光棱镜侧面的第2类型斜面的侧面反射非正规光的光路的图。
图11A是说明第2类型的斜面的倾斜角度(γ)的条件的图。
图11B是说明第2类型的斜面的倾斜角度(γ)的条件的图。
图12是示出第2实施方式的导光棱镜和眼球的图。
图13是说明从显示元件射出的侧面反射非正规光的光路的图。
图14是示出第3实施方式的导光棱镜和眼球的图。
图15是说明第4实施方式的头戴式显示装置的光学系统的结构的图。
图16A是与显示元件和眼球一并示出第5实施方式的导光棱镜的立体图。
图16B是说明导光棱镜的形状的图，(i)是俯视图，(ii)是沿着光轴的铅直方向的部分截面图，(iii)是前端部分的部分截面图。
图17是与沿着光轴方向的部分截面图一起示出第6实施方式的头戴式显示装置的结构的图。
图18A是说明第7实施方式的头戴式显示装置的从显示元件射出的侧面反射非正规光的光路的图。
图18B是放大示出图18A的导光棱镜的棱线部对非正规光的反射的图。
图19A是说明图18A的比较例的导光棱镜内的光路的图。
图19B是放大示出图19A的导光棱镜的棱线部处的非正规光的反射的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1是示出本发明第1实施方式的头戴式显示装置1的外观的立体图。该头戴式显示装置1具有：主体部3，其作为整体被固定于眼镜2的镜腿(侧头部的镜架)；以及导光棱镜5，其被主体部3在一个端部支撑，在另一个端部佩戴于观察者的状态下延伸至观察者的眼前。因此，眼镜2作为用于在头部佩戴并支撑头戴式显示装置1的支撑部发挥功能。此外，在主体部3中，内置LCD或有机EL等的显示元件7(参照图3、4等)，并且具有用于在显示元件7显示图像的电子电路；以及用于通过有线或无线从主体部3的外部接收影像数据的通信功能等。
图2是放大示出图1的导光棱镜5和使用时的使用者的眼球位置的图。导光棱镜5是由透明的塑料或玻璃材料形成的光学元件，具有：位于主体部3内的入射面5a；在导光棱镜5的长度方向上延伸的4个侧面(以下统一称作5b)；作为全反射面而形成的反射面5c；以及位于眼球6侧的出射面5d。从主体部3的显示元件7射出的正规成像光束从入射面5a入射，被反射面5c反射，并从出射面5d朝向使用者的眼球6的瞳孔6a射出。出射面5d构成为具有正的屈光力来限定光轴(图中用单点划线示出)的面，作为目镜发挥功能。此外，出射面5d可以在导光棱镜5的眼球6侧的面接合目镜来构成。另外，在以下的说明中，将头戴式显示装置1的使用时的、眼球6的正面观察的视线方向设为前方，将朝向眼球6的方向设为后方。此外，将使用时的上方和下方简称作上方、下方。
在导光棱镜5的4个侧面5b，分别在光轴方向连续地形成了相对于光轴具有浅的倾斜角的多个斜面。这些斜面由研磨面构成，具有高反射率。各斜面被配置成绕光轴，相对于光轴环绕4个侧面5b。并且，在各侧面5b上，交替配置了法线方向具有正规成像光束的行进方向的成分的面、和具有与正规成像光束的行进方向相反方向的成分的面。因此，在各斜面之间，交替形成了成为峰的棱线(凸棱线)和成为谷的棱线(凹棱线)。由此，在侧面5b连续形成了至少两个以上的凹陷。并且，侧面5b的斜面作为研磨面而形成。这些侧面5b的斜面反射从正规成像光束的光路偏离的侧面反射非正规光，使其朝向使用者的眼球6的瞳孔6a外部偏转。未入射到瞳孔6a的光由于不被使用者视觉辨认，因此不成为重影光。
图3是说明从显示元件7射出的侧面反射非正规光的光路的图。显示元件7具有矩形形状，导光棱镜5与显示元件7的矩形的4边对应地，具有在正规成像光束的光轴方向上延伸的4个侧面5b。图3以通过导光棱镜5的内部的侧面反射非正规光的光路为代表，示出了两个侧面反射非正规光R1，R2。侧面反射非正规光R1是如下的光：从显示元件7的图像显示区域的前方侧的端部起，在大致沿着正规成像光束的光轴的方向射出并以较浅的角度碰到前方的侧面5b。此外，侧面反射非正规光R2是如下的光：从显示元件7的图像显示区域的前方侧的端部起，朝与正规成像光束的光轴交叉的方向射出，隔着光轴，具有某个角度地入射到相反侧的后方侧面的特定的点。
导光棱镜5在利用前方的侧面5b的在正规成像光束的行进方向上与正规成像光束的光轴接近的斜面(第1类型的斜面)S1对侧面反射非正规光R1进行了1次反射后，使其在反射面5c进行反射，而使其朝向眼球6的瞳孔6a外。此外，导光棱镜5在利用后方的侧面5b的在正规成像光束的行进方向上与光轴远离的斜面(第2类型的斜面)S2和与光轴接近的斜面(第1类型的斜面)S1连续反射了侧面反射非正规光R2后，使其在反射面5c进行反射，而使其朝向眼球6的瞳孔6a外。在图3的左上部，放大示出侧面反射非正规光R2的、在第2类型的斜面S2和第1类型的斜面S1上的连续反射。这里，l1、l2分别成为了凹棱线、凸棱线。并且，在图3中，为了以下的说明，在不考虑侧面5b和反射面5c的反射时，将被侧面5b反射而不入射到眼球6的瞳孔6a的侧面反射非正规光的光路示出为导光棱镜5的介质中的直线光路(从图3的下方的点发出的光线的路径)。
接着，对于侧面反射非正规光R1，说明如下情况：在设导光棱镜5的折射率为n、导光棱镜内的正规光束的数值孔径为N、导光棱镜5的出射面5d处的光束半径为a、使用者的瞳孔6a的半径最大值为b、从出射面5d至使用者的瞳孔6a的距离为L，并设为下式时，
如果所述第1类型的斜面S1相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ为下式，
|θ|>α (3)
则从眼球6的瞳孔6a的方向偏离。另外，在没有特别说明的情况下，以下的光线的倾角和面的倾角将沿逆时针的方向设为正。此外，优选将使用者的瞳孔6a的半径的最大值b设为3.5～4.5mm。是因为已知年幼者的瞳孔平均张开至该程度。此外，优选将从出射面5d至所设计的使用者的瞳孔6a的距离L设为10～20mm。是因为如果距离L低于10mm，则随着眨眼而容易由眼泪的飞沫弄脏导光棱镜的出射面，如果距离L为20mm以上，则阻碍佩戴时的稳定。通常，将眼镜镜片与眼睛之间的距离调整为12mm。
首先，关于导光棱镜5的反射面5c，由于平面的反射面不具有屈光力，因此在以光轴为基准来计算光线的倾角和棱镜的倾角时，能够根据计算式排除反射镜的项。图4是说明沿着光轴方向入射到导光棱镜的侧面5b的侧面反射非正规光的路径的图，图4(a)表示被反射面反射而入射到瞳孔6a内的侧面反射非正规光的路径，图4(b)表示图4(a)的等效光学系统。以下的计算如图4(b)那样，基于排除了导光棱镜5的反射面5c的反射作用的等效光学系统。
图5是说明从出射面5d的目镜射出的光线不入射到瞳孔6a的条件的图。从显示元件7的一点射出的光束在从出射面5d射出后，成为大致平行的光束。这是因为，人的眼睛对焦至大致平行光束，因此与其对应地设计导光棱镜5。因此，为了使得如图5那样朝向图中上方的侧面反射非正规光(r1～r3)不入射到瞳孔6a内，条件是从出射面5d的最端部射出并横穿光轴O的侧面反射非正规光r2的光线不入射到瞳孔6a。另外，r1表示侧面反射非正规光的光束中的、穿过出射面5d的中心的光线，r3表示与侧面反射非正规光的光束的r2相反一侧的、从出射面5d的端部射出的光线。如前所述，在设导光棱镜5的出射面5d处的光束半径为a、使用者的瞳孔6a的半径的最大值为b、从所述光束射出端至使用者的瞳孔6a的距离为L时，式(2)的|ξ|成为从出射面5d的目镜射出、并偏离瞳孔6a的光线的最小倾角。
接着，图6是说明用于使得从出射面5d射出的光线不入射到瞳孔6a的、导光棱镜5内的光线的倾角条件的图。设从出射面5d射出后具有|ξ|的倾角的光线中的、侧面反射非正规光r1在导光棱镜5内的倾角为|ξ’|，设侧面反射非正规光r2在导光棱镜5内的倾角为|η|。关于侧面反射非正规光r1，穿过出射面5d的中心，由于在该位置处出射面5d与光轴O垂直，因此根据折射的式子(斯内尔定律)而能够得到下式。
并且，关于侧面反射非正规光r2，在设导光棱镜内的正规成像光束的数值孔径为N时，如说明导光棱镜5内的光束的张开角的图7所示，根据折射的式子和介质中的数值孔径(NA)的式子而成为下式。
N＝n·sin(光束的张开角/2) (5)
因此，导光棱镜5内的光束的单侧的张开角为下式。
因此，侧面反射非正规光r2在导光棱镜5内的倾角|η|能够通过下式得到。
图8是说明沿着光轴方向的侧面反射非正规光R1的基于在第1类型的斜面S1上的反射的倾角的图。在由具有倾角θ的形成于导光棱镜5的侧面5b的第1类型的斜面S1反射与光轴O平行的侧面反射非正规光R1时，反射后的侧面反射非正规光R1的光线的倾角为2θ。如果该|2θ|大于|η|，即|2θ|＞|η|，则不成为形成重影的光线。因此，考虑式(6)，得到上述(1)～(3)的式子，在满足该条件的情况下，侧面反射非正规光R1不形成重影。
接着，说明第1类型的斜面S1的倾斜角度θ的优选上限值。图9是说明沿着光轴O方向的侧面反射非正规光R1的基于在第1类型的斜面S1上的反射和透射的光路的图。当侧面反射非正规光R1以比全反射角深的角度入射到导光棱镜5的第1类型的斜面S1时，侧面反射非正规光R1不仅是如图9的R1’那样被反射的光，其一部分R1”在透过第1类型的斜面S1后，可能会再次侵入导光棱镜5内而产生重影。全反射角使用导光棱镜5的折射率n，用下式表示。
全反射角＝sin-1(1/n) (7)
因此，第1类型的斜面S1优选满足下式。
|θ|＜arcsin(1/n) (8)
此外，由第1类型的斜面S1形成的槽的深度与tanθ成比例。如果tanθ的θ为15°，则槽较浅，且容易清洁，还不易产生裂纹。但是，如果超过30°，则槽开始急剧变深，槽的清洁也变难。因此，第1类型的斜面S1的倾斜角度优选为15°以下。
接着，图10是说明相对于光轴O以最大倾斜角度入射到导光棱镜5的侧面5b的侧面反射非正规光R2的光路的图。如前所述，该侧面反射非正规光R2在由在正规成像光束的行进方向上与正规成像光束的光轴O远离的斜面(第2类型的斜面)S2和与光轴接近的斜面(第1类型的斜面)S1连续反射后，由反射面5c进行反射，而朝向眼球6的瞳孔外。设侧面反射非正规光R2在导光棱镜5内相对于光轴O的倾角为ε1、由第2类型的斜面S2反射后的倾角为ε2，并且设由第1类型的斜面S1反射后的倾角为ε3。此外，设第1类型的斜面S1相对于光轴O的倾斜角为θ、第2类型的斜面S2相对于光轴O的倾斜角为γ。此外，w1表示从显示元件7的显示面至导光棱镜5的入射面5a的距离，w2表示从导光棱镜5的入射面5a至侧面反射非正规光R2在第2类型的斜面S2的入射位置的在光轴O方向的距离。
首先，期望的是，在γ与θ之间，如下的关系式成立。
|γ|＜60°-|θ| (9)
通过满足该式，第1类型的斜面S1与第2类型的斜面S2所成的角度为120°以上，容易清扫在两个斜面间形成的谷部，且还不易产生裂纹。
此外，根据反射的式子，在ε1、ε3、γ以及θ之间，如下的关系成立。
ε3＝ε1-2γ+2θ (10)
对与侧面反射非正规光R1相关的避免重影的条件进行整理，应用到侧面反射非正规光R2的ε3。
根据式(1)和式(2)，
|η|＝2α
由于|η|是避免重影的最小角度，因此通过下式，
|ε3|＞|η|
得到如下的关系式。
|ε3|＞2α (11)
在图10的情况下，由于γ＞0、θ＜0、ε1＞0、ε3＜0，因此根据式(10)和(11)，成为下式。
|ε3|＞|η|，-ε3＞|η|
在将式(12)整理为在图10的上下颠倒的情况(即，γ＜0、θ＞0、ε1＜0的情况)下也成立时，成为下式。
并且，图11A和图11B是说明第2类型的斜面S2的倾斜角度γ的条件的图。在图11A中，显示元件7与导光棱镜5的入射面5a之间成为了空间，与此相对，在图11B中，在显示元件7与导光棱镜5的入射面5a之间配置有凸透镜8。在图11A和图11B中，在设被夹在斜面S2上的特定的点与显示元件7之间的光学系统形成的、显示元件的像7’的从中心至周缘的长度为p，斜面S2上的所述特定的点垂下至所述光轴O的垂线的长度为h，从该垂线与所述光轴O的交点至所述显示元件的像7’的距离为W时，ε1能够如下表示。
通过将式(14)代入式(13)，第2类型的斜面S2的倾斜角度(γ)优选满足以下的条件。
(实施例)
返回图3，作为本发明的一个实施例，如下那样设定各参数的值。
形成为凸面的出射面5d的焦距：26.3mm
导光棱镜5的折射率：n＝1.53
导光棱镜的玻璃路径：28mm
导光棱镜5的出射面5d处的光束半径：a＝2mm
使用者的瞳孔6a的半径的最大值：b＝4mm
从出射面5d至使用者的瞳孔6a的距离：L＝20mm
显示元件的像7’的、从中心至周缘的长度：p＝2mm
(由于在导光棱镜和显示元件之间不存在具有屈光力的光学要素，因此p与显示元件7的射出正规成像光束的有效区域的从中心至周缘的距离一致)
第2类型的斜面S2上的特定的点垂下至光轴的垂线的长度：h＝3mm
从上述垂线与光轴的交点至显示元件7的空气换算长度：w＝13mm
基于这些参数，在图3中示出了光线和第1类型的斜面S1、第2类型的斜面S2的倾斜角度θ、γ。
首先，正规成像光束的数值孔径N能够如以下那样计算。
此外，根据其得到如下的值。
根据这些值，求出式(1)的α时，成为大约4°。因此，第1类型的斜面S1具有大约4°以上的倾角。假如设倾角为4°，则侧面反射非正规光相对于光轴具有8°以上的倾角。在图3中，不通过反射面5c弯折地示出的光路表示在最接近地穿过瞳孔6a的光在导光棱镜5中具有8°的倾斜时，不入射到瞳孔6a内。即，相对于光轴的倾斜大于8°的导光棱镜5内的光线全部偏离到瞳孔6a外，而不入射到瞳孔6a内。
在本实施例中，将第1类型的斜面S1的倾斜角度θ设为了-8°，因此满足式(3)的要件。此外，根据式(7)，全反射角为大约40.1°，因此θ的值也满足了式(8)。此外，θ的绝对值在优选值15°以下。因此，如图3所示，入射到第1类型的斜面S1的侧面反射非正规光R1在由第1类型的斜面S1全反射，进而由反射面5c反射后，从出射面5d朝向使用者的瞳孔6a外射出。因此，侧面反射非正规光R1不被使用者的眼睛视觉辨认到。
此外，根据式(14)，ε1为大约14°。将其应用到式(13)时，能够得到第2类型的斜面S2的倾斜角度γ为3°以上这一条件。由于实施例的γ为7°，因此满足式(13)的条件。此外，由于θ为-8°，因此也满足式(9)的关系。其结果，在图3中，从显示元件7的一个端部射出、横穿光轴而入射到第2类型的斜面S2的侧面反射非正规光R2如图3所示那样，依次由第2类型的斜面S2、第1类型的斜面S1、反射面5c反射，并从出射面5d朝向使用者的瞳孔6a外射出。因此，侧面反射非正规光R2不被使用者的眼睛视觉辨认到。另外，侧面反射非正规光R2在从显示元件7射出并入射到第2类型的斜面S2的光中，相对于光轴以最大倾斜角度入射。在侧面反射非正规光R2以比其浅的角度入射到第2类型的斜面S2的情况下，由于由第1类型的斜面S1反射后的倾斜角进一步增大，因此从导光棱镜5射出的光进一步从眼球6方向朝外侧偏离。
如以上所说明那样，根据本实施方式，导光棱镜5在侧面5b具有第1类型的斜面S1，第1类型的斜面S1以反射在沿着正规成像光束的光轴的方向上入射的侧面反射非正规光R1、并使其朝使用者的眼球6外射出的倾斜角度，倾斜地形成，因此侧面反射非正规光R1不被使用者视觉辨认到，而不产生重影。此外，导光棱镜5在第1类型的斜面S1的显示元件7侧相邻地具有第2类型的斜面S2，第2类型的斜面S2以如下的倾斜角度倾斜地形成，该倾斜角度使得从显示元件7相对于正规成像光束的光轴以最大倾斜角度倾斜入射的侧面反射非正规光R2被第2类型的斜面S2反射后，被第1类型的斜面S1反射，并朝向使用者的眼球6外射出，因此侧面反射非正规光R2不被使用者视觉辨认到，而不产生重影。
并且，与使用V槽遮挡侧面反射非正规光的情况相比，在本实施方式中，通过由研磨面构成的第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2反射侧面反射非正规光而使其朝向使用者的眼球6的瞳孔外，因此斜面S1和S2相对于光轴的倾斜角度必然减小，因此即使在第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2之间的谷部附着有皮脂等的情况下，也能够容易地进行清扫。由此，还能够防止以附着于槽的皮脂等为原因的裂纹的产生。
并且，不论是在第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2位于主体部3的壳体内的情况下，还是在壳体外露出的情况下，导光棱镜5都具有如下那样的效果。首先，不需要如设置V槽的情况那样，通过遮光部件填埋槽，能够容易地成型。此外，在导光棱镜的光路长度较长的情况下，如果要使用V槽防止重影，则需要加深V槽。为了加深V槽，需要使得V槽不遮挡正规成像光束，因此必须加粗导光棱镜，所以导致装置大型化。与此相对，在本实施方式的导光棱镜5中，第1斜面S1和第2的斜面S2的倾斜平缓，因此即使通过缩短斜面S1、S2的光轴方向的宽度而使得相比正规成像光束的光路不太粗，也能够得到重影防止的效果。并且，如果将前端为锐角的V字槽设置于导光棱镜，当对该导光棱镜施加了外力时，担心应力集中到V字的顶点部分而产生破裂等破损，但本实施方式的导光棱镜5由于不具有那样的前端的顶角小的槽，因此相对于外力更牢固。
(第2实施方式)
图12是示出第2实施方式的导光棱镜5和眼球6的图。前端部分的结构与第1实施方式的导光棱镜5不同。导光棱镜5的前端成为朝向导光棱镜5内部具有反射面的凹面镜5f。在导光棱镜5的侧面5b，与第1实施方式同样，以环绕侧面5b的方式，沿着光轴反复相邻地形成第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2。
图13是说明从显示元件7射出的侧面反射非正规光R1、R2的光路的图。在导光棱镜5的内部，设置了相对于凹面镜5f倾斜大约45°的半透镜5g。此外，出射面5d不具有屈光力。正规成像光束构成为从入射面5a入射，透过半透镜5g而被凹面镜5f反射，并被半透镜5g反射而从出射面5d入射到瞳孔6a。其他结构与第1实施方式相同，标注相同的参考标号并省略说明。
本实施方式的导光棱镜5能够利用凹面镜5f具有的正的屈光力，观察显示元件7所显示的图像的虚像。此外，入射到第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2的侧面反射非正规光R1、R2如图13所示，与第1实施方式同样地朝向使用者的眼球6的瞳孔6a方向以外射出，因此不被使用者视觉辨认到而不成为重影。并且，与第1实施方式同样，第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2的倾斜角度较小，因此与第1实施方式同样，容易清扫槽，还能够防止裂纹的产生。
(第3实施方式)
图14是示出第3实施方式的导光棱镜和眼球6的图。该导光棱镜5在第2实施方式的导光棱镜5的前方和后方的侧面5b，不设置斜面而设为了平坦的面。此外，该导光棱镜5将前后方向(从眼睛观察到的进深方向)的宽度设为比第2实施方式的导光棱镜5长。通过增长前后方向的宽度，即使不设置斜面，也能够利用导光棱镜5前后的侧面5b减少不必要的反射，由此能够防止重影。此外，即使增大前后方向的宽度，面向使用者的眼球6的后方的侧面的宽度(高度)也不变，因此在使用者的视野中，导光棱镜5遮挡视野的大小不变。其他结构与第2实施方式相同。另外，图14中的箭头表示目视的方向的例子。
通过使用本实施方式的导光棱镜5，使用者能够透过透明的导光棱镜5前后的平坦且无倾斜的侧面，观察导光棱镜5前方的背景。即，能够提高观看四周的功能。此外，通过使用半透镜(图13中的5g)，还能够生成将显示元件7的图像和导光棱镜5的背景图像同时显示在视野中的透视图像。
(第4实施方式)
图15是说明第4实施方式的头戴式显示装置的光学系统的结构的图。该头戴式显示装置具有显示元件7和壳体10，该壳体10内置有导光棱镜5和显示元件7，并且覆盖包含导光棱镜5的入射面5a的一个端部的外周地进行保持。导光棱镜5在出射面5d侧，与第2和第3实施方式同样，成为包含凹面镜5f和半透镜5g的结构。另一方面，在导光棱镜5的被壳体10覆盖的部分，设置有遮光用的V槽9，和设置于V槽9的在光轴方向上相邻的两侧的相对于光轴方向大致无倾角的平坦面5h、5i。壳体10的内壁与导光棱镜5的平坦面5h、5i接触，并对其进行固定和保持。与此相对，在导光棱镜5的从壳体10露出的部分，与第1和第2实施方式同样，相邻地交替设置有第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2。其他结构与第1实施方式相同。
根据本实施方式，除了在第1实施方式中说明的利用第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2的反射的重影去除以外，还能够通过利用V槽9遮挡侧面反射非正规光，更有效地去除重影。另外，V槽9被壳体10覆盖，因此使用者不会直接接触，因此不会附着皮脂等。
(第5实施方式)
图16A是与显示元件7和眼球6一并示出第5实施方式的在头戴式显示装置中使用的导光棱镜5的立体图。此外，图16B是说明导光棱镜5的形状的图，(i)是俯视图，(ii)是沿着光轴的铅直方向的部分截面图，(iii)是前端部分的部分截面图。在导光棱镜5的上侧和下侧的侧面5b，以不在与导光棱镜5的光轴O方向垂直的方向，而在倾斜的方向上形成棱线的方式，交替相邻地配置有多个第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2。其他结构与第1实施方式相同。
根据本实施方式，如图16B的(ii)和图16的(iii)所示，设第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2的沿着光轴的截面的斜面倾斜成分分别为θ和γ，基于在第1实施方式的说明中示出的各关系式(1)～(3)、(8)、(9)、(13)、(15)等，决定导光棱镜5的尺寸和形状(包含斜面的倾斜角度)，由此能够得到与第1实施方式相同的效果。
(第6实施方式)
图17是与沿着光轴方向的部分截面图一起示出第6实施方式的头戴式显示装置的结构的图。将导光棱镜15呈梯形形状，使用状态下的水平方向的截面在前方(使用者的视线方向)具有较短底边，并在后方(使用者的眼球侧)具有较长底边。导光棱镜15整体为在该底边的方向(长度方向)上较长的形状。此外，上下方向的宽度大致恒定。
在导光棱镜15的后方侧面15b1的一个端部，形成平坦的入射面15a，在另一个端部，形成平坦的出射面15d。此外，在与导光棱镜15的图17的截面图的梯形的斜边部分对应的面，设置了形成为研磨面的入射侧的反射面15c1和出射侧的反射面15c2。并且，与导光棱镜15的入射面15a相对地配置显示元件7，在入射面15a与显示元件7之间配置凸透镜11。导光棱镜15的入射面15a侧的端部、显示元件7和凸透镜11被未图示的主体部壳体保持。
此外，在导光棱镜15的上侧侧面和下侧侧面，交替相邻地配置有在与前方和后方的底边大致平行的方向上延伸的、法线方向朝前方和后方倾斜的斜面。由此，形成在导光棱镜15的长度方向上延伸的多个凹陷。换言之，在导光棱镜15的上侧侧面和下侧侧面，交替地形成用于形成在长度方向上延伸的凸棱线和凹棱线的多个平面。另外，在成为了正规成像光束的反射路径的、前方和后方的侧面不形成凹陷。另外，其他结构与第1实施方式相同，因此省略说明。
通过上述那样的结构，从显示元件7射出的正规成像光束穿过凸透镜11，从入射面15a入射到导光棱镜15，在反射面15c1、后方的侧面15b1、前方的侧面15b2、后方的侧面15b1、反射面15c2依次进行内部反射，并从出射面15d朝向使用者的眼球6射出。通过凸透镜11具有的正的屈光力，使用者能够将显示在显示元件7上的图像观察为放大虚像。
另一方面，对于无助于图像观察的侧面反射非正规光，被形成于导光棱镜15的上下侧面的斜面反射，并朝向使用者的瞳孔外射出。这里，与第1实施方式的第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2相比，在本实施方式的导光棱镜15中，光轴在导光棱镜15内呈锯齿的形状，因此例如针对从后方的侧面15b1朝向前方的侧面15b2的光轴O在光束的行进方向上与光轴O接近的面，针对从前方的侧面15b2朝向后方的侧面15b1的光轴O成为在光束的行进方向上远离光轴的面。即，在导光棱镜15中，相对于正规成像光束，一个斜面既作为第1类型的斜面还作为第2类型的斜面发挥作用。因此，在导光棱镜15的上下侧面形成的各斜面的角度设定为，同时满足第1实施方式中的针对|θ|和|γ|双方的条件。
根据本实施方式，即使在如导光棱镜15那样，使用了在内部多次反射正规成像光束的导光棱镜15的情况下，也能够通过在该侧面形成由多个斜面构成的凹陷，使侧面反射非正规光朝向使用者的眼球6外射出。由于凹陷的槽较浅，因此与第1～第5实施方式同样，能够容易地进行清扫。
另外，在上述各实施方式的说明中，设为导光棱镜的第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2由研磨面构成，但还能够由砂面等粗糙面形成第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2。即使在通过那样的粗糙面对入射非正规光的一部分进行漫反射的情况下，反射光在入射的非正规光的正反射方向上也具有较强的强度。该具有较强的强度的正反射方向的光与上述各实施例同样，朝向使用者的眼球的瞳孔外射出，因此即使在由磨砂等粗糙面形成了第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2的情况下，对于侧面反射非正规光导致的重影的去除也能够得到充分的效果。
(第7实施方式)
图18A是说明第7实施方式的头戴式显示装置中的从显示元件7射出的侧面反射非正规光的光路的图。此外，图18B是示出图18A的导光棱镜的棱线部对非正规光的反射的图，是放大示出图18A的由单点划线围起的区域的图。本实施方式中的导光棱镜5在以下方面与第1实施方式(图3)的导光棱镜不同：由第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2构成的侧面中的至少一部分由粗糙面(例如磨砂、梨皮)构成。在图18A和图18B中，第1类型的斜面S1和第2的斜面S2形成的棱线部E为粗糙面。
为了比较，图19A示出说明图18A的比较例的导光棱镜内的光路的图。此外，图19B是放大示出图19A的由单点划线围起的区域中的、导光棱镜的棱线部E处的非正规光的反射的图。在特别是通过树脂成型来制造导光棱镜5的情况下，根据制造的精度，第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2形成的棱线部容易产生圆角。因此，如图19A、图19B所示，由棱线部E反射后的非正规光成为倾角比倾角|η|小的光线，可能会稍微产生重影。与此相对，在本实施方式中，如图18A、图18B所示，通过将棱线部E附近设为粗糙面，能够散射棱线部E处的反射光，使非正规光偏离到眼球6的瞳孔外。即，能够不取决于导光棱镜5的制造精度地去除重影。
此外，可以将第1类型的斜面S1和第2类型的斜面S2的至少一方、或两个斜面设为粗糙面。由此，利用由粗糙面形成的第1类型的斜面S1和/或第2类型的斜面S2，除了散射非正规光以外，还能够使强度比较强的非正规光的正反射成分通过与第1实施方式中记载的相同的光路而朝向使用者的瞳孔外射出，能够实施双重的重影对策。因此，能够不取决于导光棱镜5的制造精度地采取重影对策。并且，与仅将棱线部E附近设为粗糙面的情况相比，模具的制作变得容易，还能够抑制制造花费的成本。
另外，本发明不限于上述实施方式，能够进行许多变形或变更。例如，头戴式显示装置的支撑部不限于眼镜型的支撑部，只要能够固定于使用者的头部，则能够具有护目镜型或头盔型等各种形状。此外，导光棱镜不限于在使用时沿水平方向较长的棱镜。例如，还能够将显示元件配置于前头部，使用沿垂直方向较长的导光棱镜。并且，导光棱镜可考虑许多材料，但优选为树脂。通过使用塑料等树脂，制造变得容易。
标号说明
1：头戴式显示装置
2：眼镜
3：主体部
5、15：导光棱镜
6：眼球
6a：瞳孔
7：显示元件
9：V槽
10：壳体
11：凸透镜
S1：第1斜面(在光轴方向上远离光轴的斜面)
S2：第2斜面(在光轴方向上接近光轴的斜面)
Claims (19)
1.一种头戴式显示装置，其特征在于，具有：
显示元件；
导光棱镜，其在使用状态下，将来自所述显示元件的正规成像光束进行引导，使所述正规成像光束从出射面入射到使用者的瞳孔内；以及
支撑部，其用于相对于使用者的头部固定所述显示元件和所述导光棱镜，
所述导光棱镜在沿着所述正规成像光束的光轴的至少一个侧面上，具有至少一个第1类型的斜面，该第1类型的斜面以如下的倾斜角度倾斜形成：该倾斜角度使得从所述显示元件射出、并在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的不需要光反射，并从所述出射面朝向使用者的瞳孔外射出，
所述导光棱镜与所述第1类型的斜面的所述显示元件侧相邻地具有第2类型的斜面，该第2类型的斜面以如下的倾斜角度倾斜地形成：该倾斜角度使得从所述显示元件相对于所述正规成像光束的光轴以最大倾斜角度倾斜入射的不需要光在被该第2类型的斜面反射后，被所述第1类型的斜面反射，并从所述出射面朝向使用者的瞳孔外射出，
在设所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度为θ时，所述第2类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度γ形成为下式：
|γ|＜60°-|θ|。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，
所述第1类型的斜面由研磨面构成，使在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的光全反射。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，
所述第1类型的斜面以如下角度倾斜形成，所述角度使得在沿着所述正规成像光束的光轴的方向上入射的光的正反射成分朝向使用者的瞳孔外射出。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于，
在设所述导光棱镜的折射率为n时，所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ形成为下式：
|θ|＜arcsin(1/n)。
5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的头戴式显示装置，其特征在于，
在设所述导光棱镜的折射率为n、入射到所述导光棱镜的所述正规成像光束的数值孔径为N、所述导光棱镜的出射面处的所述正规成像光束的半径为a、所设计的使用者的瞳孔半径的最大值为b、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离为L，并设为下式时，
所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ形成为下式：
6.根据权利要求5所述的头戴式显示装置，其特征在于，
设所述所设计的使用者的瞳孔半径的最大值b为3.5～4.5mm、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离L为10～20mm。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，
所述第2类型的斜面由研磨面构成。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，
在设位于所述第2类型的斜面的所述正规成像光束的行进方向侧的、所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度为θ，入射到所述第2类型的斜面上的特定的点的光线的最大倾角为ε时，所述第2类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度γ形成为下式：
在设所述导光棱镜的折射率为n、入射到所述导光棱镜的所述正规成像光束的数值孔径为N、所述导光棱镜的出射面处的所述正规成像光束的半径为a、所设计的使用者的瞳孔半径的最大值为b、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离为L，并设为时，上述α为：
9.根据权利要求8所述的头戴式显示装置，其特征在于，
在设被夹在所述第2类型的斜面上的所述特定的点的位置与所述显示元件之间的光学系统形成的、所述显示元件的像的从中心至周缘的长度为p，所述第2类型的斜面上的所述特定的点垂下至所述光轴的垂线的长度为h，从该垂线与所述光轴的交点至所述显示元件的像的距离为W时，所述ε为：
10.根据权利要求1所述的头戴式显示装置，其特征在于，
所述第1类型的斜面在所述正规成像光束的行进方向上，与该正规成像光束的光轴接近，所述第2类型的斜面在所述正规成像光束的行进方向上，与该正规成像光束的光轴远离。
11.根据权利要求10所述的头戴式显示装置，其特征在于，
所述导光棱镜通过交替形成的所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面，具有两个以上的连续的凹陷。
12.根据权利要求11所述的头戴式显示装置，其中，
在通过所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面形成的所述凹陷的棱线部附近，实施了粗糙面处理。
13.一种导光棱镜，其特征在于，具有：
入射面，其供来自头戴式显示装置中的显示元件的光入射；
出射面，其射出从所述入射面入射的光；以及
侧面，其围着所述光的光路，
在所述侧面的至少一部分，由倾角方向不同的第1类型的斜面和第2类型的斜面构成的多个斜面被配置为形成两个以上的连续的凹陷，所述第1类型的斜面以在所述光的行进方向上接近从所述入射面入射并从所述出射面射出的光的光轴的倾斜角度θ倾斜，所述第2类型的斜面以在所述光的行进方向上与所述光轴远离的倾斜角度γ倾斜，形成各个所述凹陷的相邻的两个所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面满足下式：
|γ|＜60°-|θ|，
并且，所述倾斜角度θ使得从所述显示元件射出、并在沿着所述光轴的方向上入射的不需要光反射，并从所述出射面朝向所述头戴式显示装置的使用者的瞳孔外射出，
所述倾斜角度γ使得从所述显示元件相对于所述光轴以最大倾斜角度倾斜入射的不需要光在被所述第2类型的斜面反射后，被所述第1类型的斜面反射，并从所述出射面朝向所述头戴式显示装置的使用者的瞳孔外射出。
14.根据权利要求13所述的导光棱镜，其中，
所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面由研磨面构成。
15.根据权利要求13所述的导光棱镜，其中，
所述第1类型的斜面和所述第2类型的斜面的至少一部分被实施了粗糙面处理。
16.根据权利要求13～15中的任意一项所述的导光棱镜，其中，
所述导光棱镜具有将从所述入射面入射的所述光朝向所述出射面反射的反射面。
17.根据权利要求13～15中的任意一项所述的导光棱镜，其特征在于，
在设所述导光棱镜的折射率为n时，所述第1类型的斜面相对于所述光轴的倾斜角度θ形成为下式：
|θ|＜arcsin(1/n)。
18.根据权利要求13～15中的任意一项所述的导光棱镜，其特征在于，
配置成来自所述显示元件的正规成像光束入射至所述入射面，所述出射面将所述正规成像光束朝向瞳孔射出，
在设所述导光棱镜的折射率为n、入射到所述导光棱镜的所述正规成像光束的数值孔径为N、所述导光棱镜的出射面处的所述正规成像光束的半径为a、所设计的使用者的瞳孔半径的最大值为b、从所述出射面至所设计的使用者的瞳孔的距离为L，并设为下式时，
所述第1类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度θ形成为下式：
19.根据权利要求18所述的导光棱镜，其特征在于，
在所述第1类型的斜面位于所述第2类型的斜面的所述正规成像光束的行进方向侧，并设入射到所述第2类型的斜面上的特定的点的光线的最大倾角为ε时，所述第2类型的斜面相对于相邻的所述正规成像光束的光轴的倾斜角度γ形成为下式：
这里，
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