JP2014085426A - 光学デバイス及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光体によって表示素子からの映像光を観察者の眼球に導く虚像表示装置において、観察者の眼球内網膜上にいわゆるゴーストと呼ばれる不適正な光点が発生するのを低減する。
【解決手段】画像形成部１０で表示された画像光を導いて観察者側に結像させるヘッドマウントディスプレイ１００であって、画像光を内部に取り込む光入射面１０３ａを通じて画像光が入射され、画像形成部１０に対向配置された第１の全反射面２２ａ及び第２の全反射面２２ｂにより、観察者の眼前に導光する導光体１０３を備えている。導光体１０３は、光入射面１０３ａから入射された画像光を、導光体１０３内における画像光の導光方向へ反射させる第１プリズム面ＲＳと、第２の全反射面と第１プリズム面ＲＳとが接する部位の全部又は一部を切り欠いて形成された第１溝１１４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像光を導光する光学デバイス及び画像表示装置に関する。

従来より、ヘッドアップディスプレイ、ビデオカメラ等の撮影装置のビューファインダーなど、頭部に装着して使用する表示装置として、導光体によって表示素子からの映像光を観察者の眼球に導くタイプのものが種々提案されている。この表示装置の一つとして、眼鏡のような外観を有するタイプがあり、例えば、特許文献１に開示されたタイプでは、液晶ディスプレイ上の画像を、内部反射及び複数の部分反射面によって観察者の眼に向かって反射させて、画像情報を観察させることができる。

このタイプの表示装置の具体的な構成としては、例えば、観察者の眼前に位置される基板を、装着者の耳に掛けられるテンプルで支持する眼鏡のような外観を有し、テンプルに内蔵された液晶ディスプレイ等の表示素子から出射された画像光が、テンプル内の光学系によって、表示素子上の各々の位置からの拡散光を、平行な光束に各々変換した後に基板内に入射され、基板内のプリズム反射面で全反射された後、基板内を内部反射しつつ進み、複数の部分反射面により観察者の眼球へと導かれる。

特表２００３−５３６１０２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された表示装置では、光源及びテンプル内の光学系等の設置位置や、プリズム反射面及び部分反射面の基板内での設置角度によっては、表示素子の中心位置から発する光は基板内を平行な光束として導光されるのに対し、表示素子の中心から外れた位置より発する光は、プリズム反射面や部分反射面によって光束の一部が平行ではない別の角度を持った光となる。基板内で導光している光の角度は、観察者が視認する画像光内における光点の位置に対応するため、別の角度となった光は観察者にはいわゆるゴーストと呼ばれる不適正な光点として映し出されるという問題がある。

本発明の効果の一つは、上記のような問題を解決するものであり、導光体によって表示素子からの映像光を観察者の眼球に導く際に、観察者の眼球内網膜上にいわゆるゴーストと呼ばれる不適正な光点が発生するのを低減できる光学デバイス及び画像表示装置を提供できることにある。

本発明の光学デバイスの一態様は、画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で前記画像光の少なくとも一部を導光する導光体を有する光学デバイスであって、前記導光体は、第１主面と、前記第１主面と平行な第２主面と、前記第１主面及び前記第２主面に対して傾斜した第１プリズム面と、前記第１プリズム面の前記第２主面側の端辺と前記第２主面との間に設けられた第２プリズム面と、を含み、前記入射部は、前記第１主面に設けられ、前記第１プリズム面及び前記第２プリズム面は、前記入射部から垂直に入射した前記画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置し、前記第１プリズム面の前記第２主面側の端辺から前記第１主面へ下ろした垂線の長さを第１の厚さ、前記第１主面と前記第２主面との間の距離を第２の厚さ、前記第２プリズム面の前記第２主面側の端辺から前記第１主面へ下ろした垂線の長さを第３の厚さとしたとき、前記第３の厚さは、前記第１の厚さより小さく、且つ、前記第２の厚さより小さく設定されていることを特徴とする。

本発明の光学デバイスの一態様によれば、入射部から入射され、第１プリズム面で反射された画像光のうち不適正な角度成分については、導光体において、画像光が入射される第１の主面と平行に配置された第２の主面側で、第２プリズム面を通じて外部へ向けて反射又は透過されて、消失され、ゴーストの発生を低減することができる。
なお、第１の厚さは、第２の厚さよりも小さく設定されることが好ましい。この場合には、光学デバイスを小型軽量化できるといった利点がある。

上述した光学デバイスの一態様において、前記導光体は、前記第２プリズム面の前記第２主面側の端辺と前記第２主面との間に設けられた第３プリズム面と、を含み、前記第３プリズム面は、前記入射部から垂直に入射した前記画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置し、かつ、前記第１プリズム面と平行であることが好ましい。
この態様によれば、第１プリズム面で反射された画像光のうち不適正な角度成分について、主に第２プリズム面から外部へ透過させるとともに、透過された画像光を第３プリズム面で反射させることができ、外部へ透過された不適正な角度成分が、再度導光体内へ進入するのを防止でき、より確実にゴーストの発生を低減させることができる。また、第３プリズム面を第１プリズム面と平行に形成することによって、第１プリズム面で反射され、さらに第１主面で反射された有効な画像光の角度を乱すことなく、画像光を導光することが可能となる。なお、第３プリズム面には、反射材を形成することが好ましい。

また、上述した光学デバイスの一態様において、前記第１プリズム面の面積は、前記第３プリズム面の面積よりも大きいことが好ましい。この場合には、第３プリズム面の導光体側の面で反射する画像光を減らすことができるので、ゴーストを抑制することが可能となる。

上述した光学デバイスの一態様において、さらに前記導光体の内部に設置され、前記出射部の表面に対して傾斜した半反射面と、を有し、前記半反射面は、前記導光体を導光した前記画像光のうち少なくとも一部を前記出射部に向けて反射し、前記導光体を導光した前記画像光のうち少なくとも他の一部を透過し、前記入射部の表面と前記第１プリズム面との間の角度と、前記出射部の表面と前記半反射面との間の角度と、が同一の角度であることが好ましい。

上述した光学デバイスの一態様において、さらに前記導光体は、前記第２主面の前記第３プリズム面側の部分において、前記第１主面に向けて凹む溝部と、を含み、前記溝部は、前記入射部から垂直に入射した前記画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置していることが好ましい。この場合には、第２プリズム面を形成するために生じた第３プリズム面で反射して生じる不適正な角度成分を、さらに溝部で外部へ透過或いは反射させることができ、さらに確実にゴーストの発生を低減させることができる。
ここで、溝部の深さは、第２プリズム面と第３プリズム面で形成される溝の深さよりも浅いことが好ましい。これにより適正な画像光を不必要に減少させることがなく、ゴーストの低減と、本来の画像の画質向上とのバランスを図ることができる。

上述した光学デバイスの一態様において、前記溝部の内部に光吸収層を備えることが好ましい。さらに、上述した光学デバイスの一態様において、前記第１プリズム面上または前記第２プリズム面上に光吸収層を備えることが好ましい。これら場合には、導光体内を導かれる画像光のうち、不適正な角度成分を光吸収層で吸収させることができ、より確実にゴーストを消失させることができる。

本発明の光学デバイスの一態様は、画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で前記画像光の少なくとも一部を導光する導光体を有するものであって、前記導光体は、第１主面と、前記第１主面と平行な第２主面と、前記第１主面及び前記第２主面に対して傾斜した第１プリズム面と、前記第１プリズム面の前記第２主面側の端辺と前記第２主面との間に設けられた第２プリズム面と、の複数の面を含み、前記複数の面の配置は、前記入射部から入射される前記画像光の一部である第１画像光が前記第１プリズム面で反射し、前記第１プリズム面で反射した前記第１画像光が前記第１主面で反射し、前記第１主面で反射した前記第１画像光が前記第２主面で反射すると共に、前記入射部から入射される前記画像光の他の一部である第２画像光が前記第１プリズム面で反射し、前記第１プリズム面で反射した前記第２画像光が前記第１主面で反射し、前記第１主面で反射した前記第２画像光が前記第１プリズム面で再反射し、前記第１プリズム面で再反射した前記第２画像光が前記第２プリズム面で前記導光体外部に出射するように配置されていることを特徴とする。この一態様によれば、入射部から入射され、第１プリズム面で反射された画像光のうち不適正な角度成分である第２画像光は、第２プリズム面を通じて外部へ向けて透過されて消失されるから、ゴーストの発生を低減することができる。
本発明の画像表示装置の一態様は、上述した光学デバイスを備えることが好ましい。そのような画像表示装置としては、例えば、ヘッドマウントディスプレイなどが該当する。

（ａ）は、第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの全体像を示す斜視図であり、（ｂ）は、その平面図である。 第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造及び光路を示す要部断面図である。 （ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおける適正な光路を示す要部断面図であり、（ｂ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおけるゴーストが発生した際の光路を示す要部断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおけるゴーストが発生した際の、各角度成分毎の光路を示す要部断面図である。 第１実施形態に係るプリズム部における適正な角度成分の光路を示す拡大図である。 第１実施形態に係るプリズム部下部付近における設計手法の手順を模式的に示す要部断面図である。 第１実施形態に係るプリズム部上部付近における設計手法の手順を模式的に示す要部断面図である。 第１実施形態に係るプリズム部中心部付近における設計手法の手順を模式的に示す要部断面図である。 （ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおけるゴーストが発生した際の光路を示す要部断面図であり、（ｂ）は、第１実施形態に係る第１溝及び第２溝においてゴーストが消失する際の光路を示す要部断面図である。 （ａ）は、従来のヘッドマウントディスプレイにおいて発生したゴーストを示す説明図であり、（ｂ）は、第１実施形態においてゴーストが消失する様子を示す。 第２実施形態に係るプリズム部の形状を示す要部断面図である。

［第１実施形態］
以下に添付図面を参照して、本発明に係るヘッドマウントディスプレイの実施形態を詳細に説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。また、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。

（ヘッドマウントディスプレイの全体構成）
図１（ａ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００の全体像の一例を示す斜視図であり、（ｂ）はその平面図の一例である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ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、このヘッドマウントディスプレイ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。

具体的にヘッドマウントディスプレイ１００は、導光体１０３と、導光体１０３を支持する左右一対のテンプル１０１，１０２と、テンプル１０１，１０２に付加された一対の，画像形成装置１１１，１１２とを備える。ここで、図面上において、導光体１０３の左側と画像形成装置１１１とを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも表示装置として機能する。また、図面上において、導光体１０３で右側と画像形成装置１１２とを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも表示装置として機能する。

このようなヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造及び光路について説明する。図２は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの内部構造の一例及び光路の一例を模式的に示す要部断面図である。図２に示すように、第１表示装置１００Ａは、画像形成部１０と、導光体１０３とを備える。

画像形成部１０は、表示素子１１と、光学系１２とを有する。このうち、表示素子１１は、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等を用いることができる。表示素子１１は、拡散する画像光を、光学系１２に向けて出射する。一方、光学系１２は、表示素子１１上の各画素から射出された画像光を各々が平行な光束に変換して、導光体１０３に入射させるコリメートレンズである。各々の平行な光束は表示素子１１上の各々の位置に応じた角度を持って投射光学系１２から出射される。すなわち、投射光学系１２は、表示素子１１の平面上の画像位置情報を角度情報に変換するトランスデューサ―である。

導光体１０３の全体的な外観の一例としては、図２中ＹＺ面に平行に延びる平板状の部材によって形成されている。具体的に、導光体１０３は、第１の主面１Ａと平行な第２の主面１Ｂとを有する。第１の主面１Ａは画像形成部１０に対向配置された第１の全反射面２２ａを有し、第２の主面１Ｂは第２の全反射面２２ｂを有する。また、第１の主面１Ａにおいて第１の全反射面２２ａの端部には光入射面１０３ａが形成され、光入射面１０３ａを通じて画像光が入射される。第１の全反射面２２ａ及び第２の全反射面２２ｂにより、観察者の眼前に導光する導光部２２を形成する。また、長手方向の一端において導光体１０３内に埋め込まれた半透過性の複数の半反射層１２３ｂによって構成される角度変換部１２３を有し、長手方向の他端において導光体１０３を拡張するように形成されたプリズム部１１３を有する構造となっている。

詳述すると、導光体１０３は、光透過性の樹脂材料等により形成され、ＹＺ面に平行で画像形成部１０に対向する平面上に、画像形成部１０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面１０３ａと、画像光を観察者の眼ＥＹに向けて射出させる光出射面１０３ｂとを有している。さらに導光体１０３は、取り込んだ画像光を反射する第１プリズム面ＲＳを有する。この第１プリズム面ＲＳについてはアルミニウムや銀、あるいはこれら合金の蒸着（加熱、ＥＢ、スパッタなど）を施したり、誘電体ミラーを蒸着することもできる。

また、導光体１０３において、光射出面（光射出部）１０３ｂとこれに対向する表側又は外界側の平面との間に、半反射層の多層構造から成る角度変換部１２３が形成されている。

導光体１０３の光入射面１０３ａに対し、傾斜して対向配置されるプリズム部１１３は、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面として機能する。つまり、プリズム部１１３は、光入射部である光入射面１０３ａから入射し全体として−Ｘ方向に向かう画像光を、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、導光体１０３内における画像光の導光方向へ反射させる。この第１プリズム面ＲＳが配置される位置は、画像形成部１０における画像光の出射範囲に含まれる領域となっている。また、導光体１０３の上記第１プリズム面ＲＳ（プリズム面）上にアルミ蒸着等の成膜を施してもよい。

また、導光体１０３は、入口側のプリズム部１１３から奥側の角度変換部１２３にかけて、プリズム部１１３を介して内部に入射させた画像光を角度変換部１２３に導くための導光部２２を有している。導光部２２は、ＰＭＭＡ（PolyMethyl MethAcrylate）、ＣＯＣ（CyclicOlefin Copolymer）、ＣＯＰ（CyclicOlefin Polymer）など透明度の高い部材から形成され、これに反射層や光吸収層を積層させるようになっている。また、この導光部２２は、平板状の導光体１０３の主面であり互いに対向しＹＺ面に対して平行に延びる２平面として、プリズム部１１３で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第１の全反射面２２ａと、第１の全反射面２２ａと対向する第２の全反射面２２ｂとを有している。

ここでは、第２の全反射面２２ｂが画像形成部１０から遠い外界側に位置し、第１の全反射面２２ａが画像形成部１０に近い観察側に位置するものとする。この場合、第１の全反射面２２ａは、光入射面１０３ａ及び光出射面１０３ｂと共通の面部分となっており、光入射面１０３ａ及び光出射面１０３ｂは、第１の主面１Ａにおいて第１の全反射面２２ａの端部に形成されている。

そして、光入射面１０３ａを通じて画像光が導光体１０３内に入射される。導光体１０３内に入射された画像光は、プリズム部１１３で反射されて、先ず、第１の全反射面２２ａに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第２の全反射面２２ｂ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、導光体１０３の奥側すなわち角度変換部１２３を設けた＋Ｚ側に導かれる。なお、第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂには、反射コートが施されておらず、両全反射面２２ａ，２２ｂに外界側から入射する外界光は、高い透過率で導光部２２を通過する。つまり、導光部２２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。

角度変換部１２３は、複数の半反射層１２３ｂが所定角度で平行に配列されて形成されており、本実施形態では、図４に示すように、半反射層１２３ｂは、それぞれ光出射面１０３ｂに対して２９度〜３１度の角度となっている。また、半反射層１２３ｂと第１の主面１Ａとの角度は、第１プリズム面ＲＳと第２の主面１Ｂとの角度に等しい。光入射面１０３ａに垂直に入射した光は、半反射層１２３ｂと第１プリズム面ＲＳとを同じ角度に設定することによって導光体２２内を適正に全反射し、角度変換部１２３の多層ミラーに到達する。導光する光の第１の全反射面２２ａ及び第２の全反射面２２ｂに対する角度は多層ミラーの角度と同じため、第２の全反射面２２ｂ側から第１の全反射面２２ａ側に向かう光は多層ミラーに当たらない。そして、角度変換部１２３は、導光部２２の奥側（＋Ｚ側）において、第１の全反射面２２ａ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１２３は、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光出射面１０３ｂ側へ折り曲げる。つまり、角度変換部１２３は、画像光の角度を変換している。また、本実施形態において、角度変換部１２３は、半透過性の複数の半反射層１２３ｂ（半反射面）で形成されていることから、多少の減光があるが外界像の透視が可能になっている。半反射層１２３ｂは、導光体１０３を導光した画像光のうち少なくとも一部を光射出面１０３ｂに向けて反射し、導光体１０３を導光した画像光のうち少なくとも他の一部を透過する。

このような構成の導光体１０３によれば、画像形成部１０から射出され光入射面１０３ａから導光体１０３に入射した画像光は、プリズム部１１３で一様に反射されて折り曲げられ、導光部２２の第１及び第２の全反射面２２ａ，２２ｂにおいて繰り返し全反射されて光軸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１２３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（光射出部）１０３ｂから外部に射出される。光出射面１０３ｂ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。

（プリズム部１１３の構成）
そして、本実施形態では、半反射層に浅い角度で入射する光を除去する構成として、プリズム部１１３に溝が配置されている。

まず、プリズム部１１３に溝が形成されていないと仮定した場合の画像光の光路は、表示素子１１の中心部から出射した画像光については、本実施形態では図３（ａ）に示すように、光学系１２で平行状態の光束にされた後、光入射面１０３ａに垂直に入射され、導光部２２内を適正に反射しつつ観察者の眼球へと導かれる。ところが、表示素子１１の中心から外れた位置より出射した画像光については、図３（ｂ）に示すように、光学系１２において光入射面１０３ａに対して垂直入射とはならず、光入射面１０３ａの右端に入射する光の一部は第１プリズム面ＲＳの近傍を第２の全反射面２２ｂから第１の全反射面２２ａへ向けて通過する途中で第１プリズム面ＲＳで反射する。この反射の結果、表示素子１１の同じ位置からの光にも関わらず一部が異なる角度で導光部２２内を導光する。そして、画像光は、図４（ａ）に示すように、半反射層１２３ｂの裏側で全反射され、次の半反射層１２３ｂ表面で反射するため他の光と異なる方向に出射されている。一方、導光部２２下側の画像光は、図４（ｂ）に示すように、半反射層１２３ｂの表面で全反射され、次の半反射層１２３ｂ表面でも反射するため他の光と異なる方向に出射されている。これらの結果、図１０（ａ）に示すように、眼球側において、本来の結像位置とは異なる位置に到達して不適正な光点、いわゆるゴーストとして観察されることとなる。

そこで、本実施形態では、プリズム部１１３において、図５に示すように、導光部２２内に導光される不適正な角度の画像光を外部へ透過させるための第１溝１１４と第２溝１１５とが形成されている。また、第１溝１１４（第２プリズム面１１４ａと第３プリズム面１１４ｂ）及び第２溝１１５とは、図２に示すように光入射面１０３ａから垂直に入射した画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置するように設けられている。

第１溝１１４は、第２の全反射面２２ｂと第１プリズム面ＲＳとが接する部位の全部又は一部に切り欠いて形成されている。この第１溝１１４には、第１プリズム面ＲＳの上端部側に形成され、第２の全反射面２２ｂに対して傾斜する第２プリズム面１１４ａと、第２プリズム面１１４ａに対し、第１プリズム面ＲＳが配置される側と反対の側に配置された第３プリズム面１１４ｂとが形成されている。また、第３プリズム面１１４ｂは第１プリズム面ＲＳと平行であることが好ましい。したがって、第１プリズム面ＲＳと第２の主面１Ｂとの角度、第３プリズム面１１４ｂと第２の主面１Ｂとの角度、及び半反射層１２３ｂと第１の主面１Ａとの角度は等しくなる。この第１溝１１４についても、第１プリズム面ＲＳと同様、画像形成部１０における画像光の出射範囲に含まれる領域に配置されている。

第２溝１１５は、第２の全反射面２２ｂ側において、第１溝１１４に対し、第１プリズム面ＲＳが配置される側と反対の側に、第２の全反射面２２ｂの一部を切り欠いて形成されている。すなわち、第２溝１１５は、第２の主面１Ｂの第３プリズム面１１４ｂ側の部分において、第１の主面１Ａに向けて凹むように形成されている。本実施形態において、第２溝１１５の深さは、第１溝１１４の深さよりも小さくなっている。

また、第１溝１１４から第２溝１１５にかけては、第１プリズム面ＲＳと同様に、アルミニウムや銀、あるいはこれら合金の蒸着（加熱、ＥＢ、スパッタなど）を施したり、誘電体ミラーを蒸着することによって、入射光を反射し光路を略直交方向に近い所定方向に折り曲げるための反射面が形成されている。

具体的なプリズム部１１３の形状は、以下の通りである。本実施形態では、図４に示すように、半反射層１２３ｂの光出射面１０３ｂに対する角度をθ＝３０度としており、これに合わせて、図６に示すように、プリズム角＝半反射層角度＝θ（３０度）として、第２プリズム面１１４ａに対する垂直放射光が、第２プリズム面１１４ａ表面の半反射層を透過するように設定とした。さらに、第３プリズム面１１４ｂと第２の主面との角度をθ＝３０度とした。

ここで、図５に示すように、導光体１０３では、本来、画像形成部１０の下端から発せられた画像光が、プリズム部１１３に入射され、第１プリズム面ＲＳで反射した後さらに光入射面１０３ａで反射され、導光部２２へ導かれるようになっている。このため本実施形態において、光入射面１０３ａの下端付近では、図６に示すように、光入射面１０３ａで反射して導光部内に入る得る光の角度成分をＲとし、その光入射面１０３ａに対する角度をθ１とし、θ＝３０度、導光体部分の厚み（第２の厚さ：第１の主面１Ａと第２の主面１Ｂとの間の距離）をｄ０＝３ｍｍとし、プリズム部１１３の厚みをｄ１（第１の厚さ：第１プリズム面ＲＳの第２の主面１Ｂ側の端辺から第１の主面１Ａへ下ろした垂線の長さ）とした場合、プリズム部１１３の設計方法上、本実施形態では、ｄ１＜＝ｄ０となるように設定している。ｄ１＜ｄ０であれば、Ｌ０は短くなり、Ｌ１が長くなる傾向があるため、第３プリズム面１１４ｂが長くなり、第２溝１１５の深さｄ３を大きくする必要が生じ、第２溝１１５が大きくなって導光における影が大きくなる。また逆に、ｄ１＞ｄ０であれば、第３プリズム面１１４ｂ部分の厚さｄ３は小さくでき、導光における影も小さくできるが、従来例に近くなり、重量増加、製造が難しくなる。このようにｄ１とｄ０の大小関係はトレードオフの関係にあるが、本実施形態では、軽量化及び製造容易の観点より、ｄ１＜＝ｄ０となるように設定した。
また、第２プリズム面１１４ａの第２の主面１Ｂ側の端辺から第１の主面１Ａへ下ろした垂線の長さを第３の厚さｄ２としたとき、第３の厚さｄ２は、第１の厚さｄ１より小さく且つ、第２の厚さｄ０より小さくなるように設定されている。

画像形成部１０下端から発する光がプリズム部１１３の端部に達し、第１プリズム面ＲＳで反射され、さらにプリズムの光源側内部表面で反射され、平行導光部方向に向かう光Ｒの角度θ１は、例えば、０．５５インチのパネルを用いた場合には、およそ２０度となる。このため、プリズム部の設計方法上、先ず、第１プリズム面ＲＳが決まり、これにより反射される光線Ｒが決まる。つまり、θ→パネルサイズとコリメータ系→θ１→ｄ１→Ｌ０→Ｌ１の順で値が決定されることとなる。これにより、最も透過されにくい角度で入射する光を、透過させるための必要条件を定めることができる。

次に、ゴーストを生じやすいパネル上端からの光の軌跡を示す。第３プリズム面１１４ｂの長さは明るさの観点からは広い方がよいが、ゴーストを減らすには小さい方がよく、第２溝１１５を小さくできる。これらをバランスよく両立させるために、本実施形態では、図７にも示すように、画像形成部１０上端から出た光が第１プリズム面ＲＳで反射されて導光部２２にスムースに導かれるようにし、第２プリズム面１１４ａの角度は第１プリズム面ＲＳで反射された光全てを導光部２２へ反射するために影にならない角度θ２とする。なお、このθ２は、導光部２２平面に対して４０度以上が好ましく、本実施形態では４０度としている。これにより自動的にｄ２が決定されることとなり、本実施形態では、ｄ２＝０．２５ｍｍ、ｄ３＝０．１７ｍｍとなっている。

また、本実施形態において、第２溝１１５の位置は、Ｌ２に対応させて、平行導光部の始まりの部分から長さＬ３＝（ｄ０（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ））内に配置している。詳述すると、高さｄ３＜＝（Ｌ３−Ｌ２）ｔａｎθ１である。ｄ３が小さいと、溝面によるゴーストを十分カットができない。このため、第２溝の設計については、これを形成する導光部２２表面に対して垂直〜４０度が好ましく、本実施形態では６０度と設定し、これより導光が阻害されて、縦筋の原因となるのを低減している。

次に、画像形成部１０中心部から出る光については、図８に示すように、画像形成部１０の中心部から発せられた画像光が、プリズム部１１３に入射され、第１プリズム面ＲＳで反射した後さらに光入射面１０３ａで反射され、導光部２２へ導かれる本来の光路となっている。このため、この光路における導光を阻害しにないように、第２溝１１５を極力小さくし、導光部２２に順調に導かれるように設計している。このとき、第１溝面及び第２溝面については、光散乱面とならないように、光吸収処理又は光反射処理し、新たな散乱光がゴーストの原因となったり、コントラストが低下するのを回避するようにしてもよい。

（本実施形態による作用・効果）
このような本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイによれば、導光部２２端部で反射させるプリズム部１１３において、液晶ディスプレイ１１から出射された画像光のうち不適正な角度成分が直ちに消失される。すなわち、従来では、第１溝及び第２溝が形成されていないことから、図９（ａ）に示すように、光入射面１０３ａの右端に入射する光の一部は第１プリズム面ＲＳの近傍を第２の全反射面２２ｂから第１の全反射面２２ａへ向けて通過する途中で第１プリズム面ＲＳで反射されてゴースト成分となる。

本実施形態では、図９（ｂ）に示すように、第１溝１１４を第２の全反射面２２ｂと第１プリズム面ＲＳとが接する部位に形成していることから、不適正な角度成分となる画像光（図中一点鎖線）が、第１プリズム面ＲＳで反射した場合には、主に第２プリズム面１１４ａから外部へ透過させるとともに、透過された画像光を第３プリズム面１１４ｂで反射させることができ、外部へ透過された不適正な角度成分が、再度導光体内へ進入するのを防止でき、図１０（ｂ）に示すように、より確実にゴーストの発生を低減させることができる。

さらに、本実施形態では、第１溝１１４の第２の全反射面２２ｂ側において第２溝１１５を備えているので、図９（ｂ）に示すように、第２プリズム面１１４ａを形成するために生じた第３プリズム面１１４ｂで反射された反射成分を、さらに第２溝１１５で外部へ透過或いは反射させることができ、図１０（ｂ）に示すように、さらに確実にゴーストの発生を低減させることができる。この際、第２溝１１５の深さは、第１溝１１４の深さよりも小さく設定されているので適正な画像光を不必要に減少させることがなく、ゴーストの低減と、本来の画像の画質向上とのバランスを図ることができる。

［第２実施形態］
次いで、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、上述した第１実施形態で説明した第１溝１１４及び第２溝１１５の表面に光吸収層を設けることを要旨とする。なお、本実施形態において、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その機能等は特に言及しない限り同一であり、その説明は省略する。

本実施形態では、図１１に示すように、第２溝１１５の観察者側の表面に、光吸収層となる光吸収フィルム１１３ａを圧着し、その表面にアルミニウムなどで反射膜を形成する。光吸収フィルム１１３ａの材質としては、カーボン、チタンブラックや黒染料などがありプリズム部１１３に反射膜つきの光吸収フィルムを接着してもよく、あるいは光吸収フィルムを貼り付けた後に反射膜を製膜してもよい。なお、本実施形態では、第２溝１１５の表面のみに光吸収フィルム１１３ａを配置したが、例えば、第１溝１１４及び第２溝１１５に光吸収フィルム１１３ａを配置してもよく、また、第１溝１１４及び第２溝１１５の表面と反対側の面にのみ光吸収フィルム１１３ａを配置してもよい。

このような本実施形態に係る表示装置によれば、画像形成部１０から出射された画像光のうち不適正な角度成分については、第１溝１１４、及び第２溝１１５によって、再度導光体内へ進入を阻害しないように外部へ透過させるとともに、第１溝１１４、及び第２溝１１５に形成された光吸収フィルム１１３ａによって、不適正に入射された角度成分のみを光吸収フィルム１１３ａに吸収させて、ゴーストの発生をより確実に低減することができる。

すなわち、図１１に示すように、第１溝１１４、又は第２溝１１５に浅い角度で入射した角度成分（図中一点鎖線）は、第１プリズム面ＲＳで反射し、メインとなる適正な角度成分（図中点線）とずれた不適正な角度成分となり、これがゴーストの原因となる。本実施形態では、図１１に示すように、光吸収フィルム１１３ａを第１溝１１４、又は第２溝１１５の表面に形成していることから、適正に入射された角度成分は、プリズム部１１３に対して深い角度（反射層の法線方向に対して３０°程度）で進入するため、より短い距離を透過することとなり、吸収される光量が少ない。一方、プリズム部１１３に対して浅い角度（反射層の法線方向に対して６０°程度）で進入した角度成分は、プリズム部１１３内を透過する距離が長く吸収される光量が多い。この結果、本実施形態によれば、導光部２２に対して不適正に入射された角度成分のみを光吸収フィルム１１３ａに吸収させて、直ちに消失させることができ、この結果、図１０（ｂ）に示すように、ゴーストの発生を低減することができる。

ＥＹ…眼、ＲＳ…第１プリズム面、１０…画像形成部、１１…表示素子、１２…光学系、２２…導光部、２２ａ…第１の全反射面、２２ｂ…第２の全反射面、１００…ヘッドマウントディスプレイ、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１０１，１０２…テンプル、１０３…導光体、１０３ａ…光入射面、１０３ｂ…光出射面、１１１，１１２…画像形成装置、１１３…プリズム部、１１３ａ…光吸収フィルム、１１４…第１溝、１１４ａ…第２プリズム面、１１４ｂ…第３プリズム面、１１５…第２溝、１２３…角度変換部、１２３ｂ…半反射層

Claims (9)

1. 画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で前記画像光の少なくとも一部を導光する導光体を有する光学デバイスであって、
   前記導光体は、
   第１主面と、
   前記第１主面と平行な第２主面と、
   前記第１主面及び前記第２主面に対して傾斜した第１プリズム面と、
   前記第１プリズム面の前記第２主面側の端辺と前記第２主面との間に設けられた第２プリズム面と、を含み、
   前記入射部は、前記第１主面に設けられ、
   前記第１プリズム面及び前記第２プリズム面は、前記入射部から垂直に入射した前記画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置し、
   前記第１プリズム面の前記第２主面側の端辺から前記第１主面へ下ろした垂線の長さを第１の厚さ、前記第１主面と前記第２主面との間の距離を第２の厚さ、前記第２プリズム面の前記第２主面側の端辺から前記第１主面へ下ろした垂線の長さを第３の厚さとしたとき、前記第３の厚さは、前記第１の厚さより小さく、且つ、前記第２の厚さより小さく設定されていることを特徴とする光学デバイス。
2. 請求項１に記載の光学デバイスにおいて、
   さらに前記導光体は、前記第２プリズム面の前記第２主面側の端辺と前記第２主面との間に設けられた第３プリズム面と、を含み、
   前記第３プリズム面は、前記入射部から垂直に入射した前記画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置し、かつ、前記第１プリズム面と平行であることを特徴とする光学デバイス。
3. 請求項２に記載の光学デバイスにおいて、
   前記第１プリズム面の面積は、前記第３プリズム面の面積よりも大きいことを特徴とする光学デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
   さらに前記導光体の内部に設置され、前記出射部の表面に対して傾斜した半反射面と、を有し、
   前記半反射面は、
   前記導光体を導光した前記画像光のうち少なくとも一部を前記出射部に向けて反射し、
   前記導光体を導光した前記画像光のうち少なくとも他の一部を透過し、
   前記入射部の表面と前記第１プリズム面との間の角度と、前記出射部の表面と前記半反射面との間の角度と、が同一の角度であることを特徴とする光学デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
   さらに前記導光体は、前記第２主面の前記第３プリズム面側の部分において、前記第１主面に向けて凹む溝部と、を含み、
   前記溝部は、前記入射部から垂直に入射した前記画像光が反射せずに到達する範囲に少なくとも一部が位置していることを特徴とする光学デバイス。
6. 請求項５に記載の光学デバイスにおいて、
   前記溝部の内部に光吸収層を備えることを特徴とする光学デバイス。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の光学デバイスにおいて、
   前記第１プリズム面上または前記第２プリズム面上に光吸収層を備えることを特徴とする光学デバイス。
8. 画像光が入射される入射部と前記画像光を出射する出射部との間で前記画像光の少なくとも一部を導光する導光体を有する光学デバイスであって、
   前記導光体は、
   第１主面と、
   前記第１主面と平行な第２主面と、
   前記第１主面及び前記第２主面に対して傾斜した第１プリズム面と、
   前記第１プリズム面の前記第２主面側の端辺と前記第２主面との間に設けられた第２プリズム面と、の複数の面を含み、
   前記複数の面の配置は、
   前記入射部から入射される前記画像光の一部である第１画像光が前記第１プリズム面で反射し、
   前記第１プリズム面で反射した前記第１画像光が前記第１主面で反射し、
   前記第１主面で反射した前記第１画像光が前記第２主面で反射すると共に、
   前記入射部から入射される前記画像光の他の一部である第２画像光が前記第１プリズム面で反射し、
   前記第１プリズム面で反射した前記第２画像光が前記第１主面で反射し、
   前記第１主面で反射した前記第２画像光が前記第１プリズム面で再反射し、
   前記第１プリズム面で再反射した前記第２画像光が前記第２プリズム面で前記導光体外部に出射するように配置されていることを特徴とする光学デバイス。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光学デバイスを備えたことを特徴とする画像表示装置。