JP2015172624A - 虚像観察光学系および導光プリズム - Google Patents

Abstract

【課題】ゴースト光を除去するとともに、光学性能に影響を与えない領域を導光プリズムの側面に広く確保する。【解決手段】導光プリズム３０の側面の少なくとも一つに、第１の光遮断部３１および第２の光遮断部３２を備え、第１の光遮断部３１によって映像光の影となる領域を遮光領域Ａｓとし、第２の光遮断部３２によって観察者の虚像観察時に視認できない領域を非視認領域Ａｉとするとき、第１の光遮断部３１と第２の光遮断部３２とは、遮光領域Ａｓおよび非視認領域Ａｉが、少なくとも部分的に重なり、第１の光遮断部３１および第２の光遮断部３２の間に挟まれた溝間領域Ａｍを覆うように配置される。【選択図】図４

Description

本発明は、表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する虚像観察光学系およびこれに用いる導光プリズムに関するものである。

小型の表示素子から射出される映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する表示装置であって、頭部に装着可能な小型軽量で携帯性に優れた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。そのような表示装置では、表示素子の画像を導光するための導光プリズムを用いた虚像観察光学系が用いられている。

このような導光プリズムを利用した虚像観察光学系では、表示素子から射出された光の一部が、導光プリズムの側面で反射され、ゴースト像発生の原因となり易い。これに対処する方法として、導光プリズムの側面に断面がＶ字形の溝（以下、Ｖ字溝とする）を入れる対策が知られている。Ｖ字溝によりゴーストを除去するには、プリズムの側面に連続したＶ字溝を入れ、その側面上のすべての位置でゴーストの原因光（以下、ゴースト光とする）を除去する方法がある（例えば、特許文献２参照）。また、平面状の側面の一部にのみＶ字溝を入れる方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特許第４７６６９１３号公報 特開平９−２６９４０５号公報 特開２００７−１８３４４４号公報

しかしながら、導光プリズムの側面に連続したＶ字溝を入れる方法では、導光プリズムの表面に平面部がないために、筐体の平面部に当接させてしっかりと固定することができないという問題がある。特許文献２の導光プリズムでは、光学面は平面であるが、この部分を固定のための当接面とすることは光学性能劣化につながり好ましくない。また、側面の全てをＶ字溝とすると、樹脂成形をする際に必要となるゲートやイジェクトピンなどが配置できないという問題がある。さらに、特許文献３の構成では、Ｖ字溝が一部にのみ配置されているためにＶ字溝から離れた平面部分でのゴーストなどが残る問題があった。さらには、樹脂成形によるゲート部を導光プリズムの側面に配置すると、それらが観察者側から見えてしまう問題があった。樹脂成形用のゲートは、成形後粗れた面として残るので、これに光が当たるのが視認されると、フレア光などのノイズ光を生じさせ光学系の性能を劣化させる。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、ゴースト光を除去するとともに、ゲート等を配置するのに適した光学性能に影響を与えない領域を、導光プリズムの側面に広く確保することができる虚像観察光学系およびこれに用いる導光プリズムを提供することにある。

上記目的を達成する虚像観察光学系の発明は、
表示素子に表示される画像の虚像を観察するための虚像観察光学系であって、
表示素子と、
前記表示素子からの映像光を導光する少なくとも一つの導光プリズムと、
導光された映像光を観察者の眼球に入射させる接眼部と、
を備え、
前記少なくとも一つの導光プリズムは、当該導光プリズムの入射面から射出面へ前記映像光を導光する光路を取り囲む側面の少なくとも一つに、第１の光遮断部および第２の光遮断部を備え、
前記第１の光遮断部によって映像光の影となる領域を遮光領域とし、前記第２の光遮断部によって観察者の虚像観察時に視認できない領域を非視認領域とするとき、
前記第１の光遮断部と前記第２の光遮断部とは、前記遮光領域および前記非視認領域が、少なくとも部分的に重なり、前記少なくとも一つの側面の前記第１の光遮断部および前記第２の光遮断部の間に挟まれた中間領域を覆うように配置されていることを特徴とするものである。

前記第１の光遮断部の頂部と前記第２の光遮断部の頂部との光軸に平行な方向に測った間隔をＭとすると、
ｓ＜Ｍ＜ｓ＋ｈ
ｓ＝ａ×Ｗ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ）
ｈ＝ｃ×Ｌ_２／（Ｐ／２＋Ｑ／２−ｃ）
であり、前記少なくとも一つの導光プリズムの前記入射面が、前記表示素子の表示面と対向し、前記表示素子と前記第１の光遮断部との間の光学要素がつくる前記表示素子の像の有効表示領域の、前記第１および第２の光遮断部が形成された側面に垂直な方向の幅をＤ、前記光軸に垂直な断面において前記第１および第２の光遮断部が形成された側面と該側面に対向する側面との間の前記導光プリズムの幅をＰ、前記第１の光遮断部と前記表示素子の像との間の距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＷ_ｖ、前記第１の光遮断部の前記側面からの高さをａ、前記第２の光遮断部の前記側面からの高さをｃ、前記光軸に沿って展開したとき前記第１および第２の光遮断部が形成された側面に垂直な方向の前記接眼部の幅をＱ、前記第２の光遮断部の前記接眼部からの距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＬ_２とすることが好ましい。

あるいは、前記第１の光遮断部の頂部と前記第２の光遮断部の頂部との光軸に平行な方向に測った間隔をＭとすると、
ｓ＜Ｍ＜ｓ＋ｈ
ｓ＝ａ×Ｗ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ）
ｈ＝ｃ×Ｌ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｅ−ｃ）
であり、前記少なくとも一つの導光プリズムの前記入射面が、前記表示素子の表示面と対向し、前記表示素子と前記第１の光遮断部との間の光学要素がつくる前記表示素子の像の有効表示領域の、前記第１および第２の光遮断部が形成された側面に垂直な方向の幅をＤ、前記光軸に垂直な断面において前記第１および第２の光遮断部が形成された側面と該側面に対向する側面との間の前記導光プリズムの幅をＰ、前記第１の光遮断部と前記表示素子の像との間の距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＷ_ｖ、前記第１の光遮断部の前記側面からの高さをａ、前記第２の光遮断部の前記側面からの高さをｃ、前記第２の光遮断部と観察者の瞳孔との間の光学要素がつくる前記瞳孔の像の半径をＥ、前記第２の光遮断部と前記瞳孔の像との間の距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＬ_ｖとしても良い。

前記中間領域は平面として形成されていることが好ましい。また、前記導光プリズムは、前記中間領域に、樹脂注入のためのゲートを配置して成形することができる。あるいは、前記中間領域には、筐体への固定のための取り付け部、または、位置決めのための突起部を形成することが好適である。

さらに、前記第１の光遮断部および前記第２の光遮断部の双方または何れか一方は溝により構成することができる。あるいは、前記第１の光遮断部は、前記導光プリズムの前記入射面の外縁部に設けられた切り欠きまたは遮光部とすることができる。

上記目的を達成する導光プリズムの発明は、
表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、該観察者の視野内に前記表示素子の虚像を表示する虚像観察光学系に用いる導光プリズムであって、
映像光の入射面と、射出面と、
前記映像光の光路を取り囲む複数の側面と、
前記複数の側面の少なくとも一つに形成された第１の光遮断部および第２の光遮断部と、
を備え、
前記第１の光遮断部によって映像光の影となる領域を遮光領域とし、前記第２の光遮断部によって観察者の虚像観察時に視認できない領域を非視認領域とするとき、
前記第１の光遮断部と前記第２の光遮断部とは、前記遮光領域および前記非視認領域が、少なくとも部分的に重なり、前記少なくとも一つの側面の前記第１の光遮断部および前記第２の光遮断部の間に挟まれた中間領域を覆うように配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の光遮断部と第２の光遮断部とが、遮光領域および非視認領域が少なくとも部分的に重なり、少なくとも一つの側面の第１の光遮断部および第２の光遮断部の間に挟まれた中間領域を覆うように配置されているので、ゴースト光を除去するとともに、光学性能に影響を与えない領域を導光プリズムの側面に広く確保することができる。

第１実施の形態に係る虚像観察光学系を用いた表示装置の斜視図である。 第１実施の形態に係る虚像観察光学系の概略構成図である。 図１の導光プリズムの斜視図である。 図２の光学系を光軸に沿って直線状に展開して示す図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面と直交する方向から見た側面図である。 図４の遮光領域Ａ_ｓの幅ｓの範囲を説明する図である。 図４の非視認領域Ａ_ｉの幅ｈの範囲を説明する図である。 導光プリズムの射出成形時のゲートおよびイジェクトピンによる突き出し位置の配置を示す図である。 位置決め用突起を備えた導光プリズムの断面図である。 図９（ａ）は、第１のＶ字溝によるゴースト光の吸収による遮断を説明する図であり、図９（ｂ）はその第１のＶ字溝部分の拡大図である。 図１０（ａ）は、第１のＶ字溝によるゴースト光の全反射による遮断を説明する図であり、図１０（ｂ）はその第１のＶ字溝部分の拡大図である。 第２実施の形態に係る虚像観察光学系の表示素子側部分を示す概略構成図である。 第３実施の形態に係る虚像観察光学系を光軸に沿って直線状に展開して示す概略構成図である。 第４実施の形態に係る虚像観察光学系を光軸に沿って直線状に展開して示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る虚像観察光学系を用いた表示装置の一例を示す斜視図である。この表示装置１は、眼鏡の形状を有し表示装置１全体を観察者の頭部に固定支持するための支持部２（眼鏡のテンプル）と、支持部２に固定され表示素子２０（図２参照）が内蔵された本体部３と、本体部３により一方の端部で支持され、観察者に装着した状態において他方の端部が観察者の眼前まで延びる導光プリズム３０を備える。本体部３は、表示素子２０に加え、表示素子２０に画像を表示するための電子回路や、本体部３の外部から有線または無線により映像データを受信するための通信機能等を備える。

図２は、第１実施の形態に係る虚像観察光学系１０の概略構成図である。また、図３は、導光プリズム３０の斜視図である。虚像観察光学系１０は、表示素子２０と導光プリズム３０とを含んで構成される。表示素子２０は、観察すべき画像を表示する矩形の表示面２０ａを有する液晶表示素子や有機ＥＬ素子等であり、本体部３内に内蔵されている。

導光プリズム３０は、透明な樹脂からなる一方向に長いプリズムであり、一方の端部が本体部３の筐体内に保持される。導光プリズム３０は、映像光の進行方向である長手方向の両端に入射面３０ａと反射面３０ｂとを備える。入射面３０ａは、本体部３の内側で表示素子２０の表示面に対向して配置される。反射面３０ｂは、導光プリズム３０の長手方向に対して、内側面を表示装置装着時の観察者側に向けて約４５°傾斜した斜面として形成される。この反射面３０ｂは、コーティング無しで導光プリズム３０内を長手方向に進行する映像光が全反射条件を満たすことが好ましいが、必要に応じて、アルミスパッタリングなどによってコーティングしたミラー面として形成しても良い。

また、入射面３０ａと反射面３０ｂとの間には、映像光の光路を取り囲むように、第１の側面３０ｃ、第２の側面３０ｄ、第３の側面３０ｅ、および、第４の側面３０ｆを有する。観察者が画像表示装置１を装着した状態で、第１の側面３０ｃは観察者の正面に向かい合った面である。また、第２の側面３０ｄは導光プリズム３０の上側の面であり、第３の側面３０ｅは観察者の正面に向かい合った面の反対側に位置し、第４の側面３０ｆは導光プリズム３０の下側の面である。すなわち、第１の側面３０ｃと第３の側面３０ｅとは互いに対向する面であり、第２の側面３０ｄと第４の側面３０ｆとは互いに対向する面である。

さらに、第１の側面３０ｃの表示素子２０と反対側の端部には、反射面３０ｂで反射された映像光を眼球７に向けて射出する射出面３０ｇが設けられている。射出面３０ｇは観察者の視界に表示素子２０の表示画像の虚像を表示するように、正の屈折力を有するレンズ面として形成される。本実施の形態では、導光プリズム３０の射出面３０ｇは、接眼部を構成している。なお、射出面３０ｇは、必ずしも第１の側面３０ｃと同一平面上に無くても良く、光軸を観察者の眼球７に向けるため、第１の側面３０ｃから傾いていても良い。また、虚像観察光学系１０の光軸Ｏは、射出面３０ｇのレンズの光軸と一致し、表示素子２０の矩形の表示面２０ａ、および、入射面３０ａの略中心を通り、反射面３０ｂの略中心で屈曲して、射出面３０ｇを通る。

導光プリズム３０には、本体部３の筐体に覆われた部分に、各側面３０ｃ〜３０ｆを周回するように第１のＶ字溝３１（第１の光遮断部）と第２のＶ字溝３２（第２の光遮断部）とが、光軸Ｏ方向に離間して設けられている。第１のＶ字溝３１および第２のＶ字溝３２は、表示素子２０からの映像光の一部が、導光プリズム３０の側面で反射して観察者の眼球７に入ることによって、ゴーストを生じさせることを抑制するために設けられたものである。導光プリズム３０の側面の不要な反射が生じる位置の近傍に、Ｖ字の形状を有する溝を設けることによって、遮光絞りとして機能させ、不要な反射によるゴースト光を遮断することができる。

図４は、図２の光学系を光軸に沿って直線状に展開して示す図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面と直交する方向から見た側面図である。この図４は、説明のために、反射面３０ｂによる反射を省略し、直線的な光学系として表示し直したものである。

図４（ａ）のＲ_１は、表示素子２０の表示面２０ａから射出され第１のＶ字溝３１の頂点を通る最も傾斜した光線を示し、この光線Ｒ_１と第１のＶ字溝３１とで挟まれた第１の側面３０ｃ上の部分は表示素子２０からの映像光の影となる遮光領域Ａ_ｓとなる。また、Ｒ_２は接眼部から視線を逆に追跡し、第２のＶ字溝３２の頂点を通る最も傾斜した視線を示しており、この視線Ｒ_２と第２のＶ字溝３２とで挟まれた第１の側面３０ｃ上の部分は射出面３０ｇ（接眼部）から（従って、観察者から）は視認されない非視認領域Ａ_ｉとなる。遮光領域Ａ_ｓの一部は視認可能な領域となるが、表示素子２０からの光が当たらないため、実質視認することはできない。

図４（ｂ）に示すように、第１の側面３０ｃ上の第１の溝３１と第２の溝３２との間は、遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとで覆われ、遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとは図４（ｂ）の斜線部で重なっている。第１の側面３０ｃ上の第１のＶ字溝３１と第２のＶ字溝３２との間の溝間領域Ａ_ｍ（中間領域）を遮光領域Ａ_ｓおよび非視認領域Ａ_ｉのそれぞれよりも広い面とし、さらに遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとの一部が重なるようにすることで、実質視認されない平面部を広く確保することができる。

次に、遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとを数式により示す。まず、図５は、図４の遮光領域Ａ_ｓの幅ｓを説明する図である。以下の説明は、第１の側面３０ｃに形成された第１のＶ字溝３１に対するものであるが、第２〜４の側面３０ｄ〜３０ｆについても同様に当てはまる。導光プリズム３０は、表示素子２０から距離Ｗ離れた位置に配置されている。表示素子２０の表示面２０ａから射出される光は、導光プリズム３０内に入射する際に、空気と導光プリズム３０との屈折率差により屈折する。そこで、図５では、表示素子２０、導光プリズム３０、および、表示素子２０を出射して導光プリズム３０内に入射する光線の関係をわかり易くするために、仮想的な表示素子２１を配置した。仮想的な表示素子２１の表示位置は、空気層を導光プリズム３０と同じ媒質に換算して光路長さが等しくなる、導光プリズム３０の入射面３０ａから距離ｎＷ離れた位置である。ここで、ｎは導光プリズム３０の屈折率である。また、仮想的な表示素子２１から射出する仮想的な光線の経路をＲ_１’で示す。

図５より第１のＶ字溝３１の効果により、第１のＶ字溝３１の頂点から遮光領域Ａ_ｓの射出面３０ｇ側の端までの幅（遮光領域Ａ_ｓの幅）をｓ、仮想的な表示素子２１の有効表示領域（表示面２１ａ）の第１の側面３０ｃに垂直な方向の幅をＤ、光軸Ｏに垂直な断面において第１の側面３０ｃと第３の側面３０ｅとの間の導光プリズム３０の幅をＰ、第１のＶ字溝３１の頂部の第１の側面３０ｃからの高さをａ、第１の遮光溝３１の頂点の入射面３０ａからの光軸方向の距離をＬ_１とするとき、次式が成立する。
（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ）／（ｎＷ＋Ｌ_１）＝ａ／ｓ （１）
ここで、ｎＷ＋Ｌ_１は、第１のＶ字溝３１と表示素子の像２１との間の光軸方向の距離を導光プリズム内での距離に換算した距離であり、これをＷ_ｖで表す。これによって、遮光領域Ａ_ｓの幅ｓは、次式で与えられる。
ｓ＝ａ×Ｗ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ） （２）

次に、図６は、図４の非視認領域Ａ_ｉの幅ｈを説明する図である。射出面３０ｇの第１の側面３０ｃに直交する方向の幅Ｑが、同方向の導光プリズム３０の幅Ｐより狭い幅とし、第２のＶ字溝３２の第１の側面３０ｃからの高さをｃ、第２のＶ字溝３２の頂点から射出面３０ｇまでの光軸方向の距離をＬ_２、第２のＶ字溝３２の頂点から非視認領域Ａ_ｉの入射面３０ａ側の端までの幅（非視認領域Ａ_ｉの幅）をｈとするとき、次式が成立する。
（Ｐ／２＋Ｑ／２−ｃ）／Ｌ_２＝ｃ／ｈ （３）
これによって、射出面３０ｇから視認されない領域（非視認領域）の幅ｈは、次式で与えられる。
ｈ＝ｃ×Ｌ_２／（Ｐ／２＋Ｑ／２−ｃ） （４）

導光プリズム３０は、第１のＶ字溝３１の頂部と第２のＶ字溝３２の頂部との間の光軸Ｏに沿う方向の幅をＭとするとき、次の式を満たすように構成される。
ｓ＜Ｍ＜ｓ＋ｈ （５）
導光プリズムにＶ字溝を複数設ける場合、Ｖ字溝を各Ｖ字溝の遮光領域Ａ_ｓが重なるような間隔で配置することが、通常考えられる配置方法である。本実施の形態では、式（５）の左側の不等式、すなわち、溝間領域Ａ_ｍの幅Ｍを遮光領域Ａ_ｓの幅ｓよりも広くとることによって、表示素子２０と第１のＶ字溝３１とが形成する遮光領域Ａ_ｓの幅ｓを越えて、より広い幅の溝間領域Ａ_ｍを確保することができる。また、右側の不等式より、溝間領域Ａ_ｍ上で、遮光領域Ａ_ｓおよび非視認領域Ａ_ｉが、少なくとも部分的に重なることとなるので、第１の側面３０ｃの第１のＶ字溝３１および第２のＶ字溝３２の間に挟まれた溝間領域Ａ_ｍが、これら遮光領域Ａ_ｓおよび非視認領域Ａ_ｉによって完全に覆われる。

虚像観察光学系１０およびこれに用いられる導光プリズム３０は上記のように構成されるので、導光プリズム３０は、連続した比較的幅の広い平坦な溝間領域Ａ_ｍを有する。この領域は、本体部３内で導光プリズム３０を固定するための平面として活用することができる。

また、導光プリズム３０の溝間領域Ａ_ｍは、虚像を形成する正規結像光束の導光に寄与せず、また、ゴースト光となる光は第１のＶ字溝３１により遮断され溝間領域Ａ_ｍに入射しないか、あるいは、この領域で反射しても第２のＶ字溝３２により射出面３０ｇ側から視認できない。したがって、溝間領域Ａ_ｍは、光学的に特性の優れた面である必要は無い。すなわち、この面は平坦度が低かったり、あるいは、この面の周辺で材料が不均質であったりしても、虚像観察光学系１０の性能にほとんど影響を与えない。このため、溝間領域Ａ_ｍは、以下のように種々の用途に活用することが可能となる。

例えば、射出成形により導光プリズム３０を成形する場合、この溝間領域Ａ_ｍになる部分にゲートやイジェクトピンを配置することができる。図７は、導光プリズム３０の射出成形時のゲート３７およびイジェクトピン３８による突き出し位置の配置を示す図である。射出成形時、導光プリズム３０の形状のキャビティを有する金型内に、ゲート３７から溶融樹脂を注入する。このゲート３７は、射出成形後金型から取り外す際に切断されるため、その切断面は、他の面よりも粗れた面となるうえ、ゲート３７周辺は、注入された材料が不均質となり易い。また、樹脂成形において、成形した導光プリズム３０を金型から取り外すためには、イジェクトピン３８が用いられる。しかし、イジェクトピン３８で押し出しを行った面は、イジェクトピン３８を通じて加えた圧力によって、凹みやイジェクトピン３８の輪郭跡が残り易い。そこで、導光プリズム３０の溝間領域Ａ_ｍに射出成形時のゲート３７やイジェクトピン３８による突き出し位置を配置することによって、製造される導光プリズム３０の光学性能に影響を与えることなく成形することができる。

また、溝間領域Ａ_ｍには、本体部３内で導光プリズム３０を正確に位置決めするために、本体部３の筐体と嵌合する突起を設けることができる。図８は、位置決め用突起３９を備えた導光プリズム３０を簡略化して示した断面図である。位置決め用突起３９は、第１の側面３０ｃのみに配置しても良いし、第１〜第４の側面３０ｃ〜３０ｆの溝間領域Ａ_ｍに複数配置しても良い。この他、種々の配置が可能である。位置決め用突起３９を、ゴースト光等の不要光が通過する領域に配置すると、突起のエッジでの反射などによる散乱光を発生する虞があるが、溝間領域Ａ_ｍに突起部が形成されていると、遮光領域Ａ_ｓではそのような散乱が生じず、非視認領域Ａ_ｉでは散乱が発生しても観察者の眼球に入らないので、導光プリズム３０の光学特性には影響を与えない。さらに、射出成形時のゲート３７は図８の位置決め用突起３９の上部に配置しても良い。

以上説明したように本実施の形態によれば、平坦な溝間領域Ａ_ｍを導光プリズム３０の側面に広く確保することができるので、溝間領域Ａ_ｍを保持することにより導光プリズム３０を固定することができる。また、溝間領域Ａ_ｍは、導光プリズム３０の光学性能に影響を与えないので、導光プリズム３０の製造時や保持のために利用することが可能になる。

なお、第１のＶ字溝３１および第２のＶ字溝３２によるゴースト光の遮断方法としては、Ｖ字溝の斜面での吸収による方法と、反射により導光プリズム３０の外へ逃がす方法とがある。それぞれの場合について、図９および図１０の変形例を用いて説明する。まず、図９（ａ）は、第１のＶ字溝３１でゴースト光を吸収することによるゴースト光の遮断を説明する図であり、図９（ｂ）はその第１のＶ字溝３１部分の拡大図である。第１のＶ字溝３１の斜面は遮光塗料により遮光されている。また、この変形例の導光プリズム３０の入射面３０ａは、正の屈折力を有する面として構成されている。この場合、仮想的な表示素子２１は、実際の表示素子２０よりも拡大される。表示素子２０から射出された光線Ｒ_３は、第１のＶ字溝３１の斜面に入射して、ここで吸収される。

また、図１０（ａ）は、第１のＶ字溝３１によるゴースト光の全反射による遮断を説明する図であり、図１０（ｂ）はその第１のＶ字溝３１部分の拡大図である。この変形例においても、導光プリズム３０の入射面３０ａは、正の屈折力を有する面として構成される。表示素子２０から射出された光線Ｒ_３は、第１の側面３０ｃに形成された第１のＶ字溝３１の入射面３０ａ側の斜面で、全反射される。このとき、全反射の条件は、図１０（ｂ）に示す入射角θを用いて、次式で表すことができる。

反射された光線Ｒ_３は、第１の側面３０ｃに対向する第３の側面３０ｅに小さい入射角度で入射して、導光プリズム３０の外部へ向けて射出される。この場合は、第１のＶ字溝３１に遮光塗料を塗布する必要がないので製造工程を簡略化でき、さらに、遮光塗料が剥離等して光学性能が劣化する心配も無い。

（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態に係る虚像観察光学系１１および導光プリズム４０について説明する。図１１は、第２実施の形態に係る虚像観察光学系１１の表示素子２０側部分を示す概略構成図である。本実施の形態で導光プリズム４０の各面４０ａ〜４０ｇは、第１実施の形態の導光プリズム３０の各面３０ａ〜３０ｇに対応している。また、本実施の形態では、第１実施の形態の第１のＶ字溝３１に代えて、入射面４０ａと第１〜第４の側面４０ｃ〜４０ｆそれぞれとの間の角部を切り欠いて遮光処理した切り欠き部４１（第１の光遮断部）を設けている。さらに、第１〜第４の側面４０ｃ〜４０ｆ上には、導光プリズム４０を周回するように第１実施の形態の第２のＶ字溝３２に対応するＶ字溝４２（第２の光遮断部）が設けられている。その他の構成は、第１実施の形態と同様である。

表示素子２０の表示面から導光プリズム４０の入射面４０ａまでの距離をＷ、導光プリズム４０の屈折率をｎ、入射面４０ａから切り欠き部４１により映像光が当たらない遮光領域Ａ_ｓの射出面４０ｇ側の端までの幅をｓ、第１の側面４０ｃに垂直な方向の仮想的な表示素子２１の有効表示領域の幅をＤ、光軸Ｏに垂直な断面において第１の側面４０ｃと第３の側面４０ｅとの間の導光プリズム４０の幅をＰ、切り欠き部４１の第１の側面４０ｃからの高さをａとするとき、次式が成立する。
（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ）／ｎＷ＝ａ／ｓ （７）
ここで、ｎＷは、切り欠き部４１と表示素子の像２１との間の距離を導光プリズム内での距離に換算した距離であり、これをＷ_ｖとする。これによって、遮光領域の幅ｓは、次式で与えられる。
ｓ＝ａ×Ｗ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ） （８）

また、第１の側面４０ｃに垂直な方向の、射出面４０ｇの幅Ｑを導光プリズム４０の第１の側面４０ｃに直交する方向の幅Ｐより狭い幅とし、Ｖ字溝４２の第１の側面４０ｃからの高さをｃ、導光プリズム４０内でのＶ字溝４２の頂点から射出面４０ｇまでの光軸方向の距離をＬ_２、Ｖ字溝４２の頂点から非視認領域Ａ_ｉの入射面４０ａ側の端までの幅（非視認領域Ａ_ｉの幅）をｈとするとき、非視認領域Ａ_ｉについて、第１実施の形態と同じ式（３）および（４）が成り立つ。

切り欠き部４１とＶ字溝４２の頂部との間の領域Ａ_ｍ（中間領域）の光軸Ｏに沿う方向の幅をＭとするとき、幅Ｍは、第１実施の形態と同様に式（５）を満たすように設定する。なお、切り欠き部４１に代えて、導光プリズム４０の平坦な入射面４０ａの外周縁部に遮光膜を塗布したり、入射面４０ａの外周縁部を遮光部材で覆ったりすることもできる。その場合、遮光膜あるいは遮光部材で遮光した部分の第１の側面３０ｃからの高さをａとする。

本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、平坦で導光プリズム４０の光学性能に影響を与えない溝間領域Ａ_ｍを導光プリズム４０の側面に広く確保することができるので、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第１のＶ字溝に代えて切り欠き部４１を設けたので、成形や遮光処理が第１実施の形態と比べて容易となる。

（第３実施の形態）
図１２は、第３実施の形態に係る虚像観察光学系１２を光軸Ｏに沿って直線状に展開して示す概略構成図である。この虚像観察光学系１２は、表示素子２０に加え、第１の導光プリズム５０と第２の導光プリズム５５の２つの導光プリズムを含んで構成されている点で、第１および第２実施の形態とは異なっている。以下図面を参照して虚像観察光学系１２の構成を説明する。

第１の導光プリズム５０は、入射面５０ａおよび射出面５０ｇ、並びに、入射面５０ａと射出面５０ｇとの間で、映像光の光路を取り囲むように配置された、第１〜第４の側面５０ｃ〜５０ｆを備える六面体プリズムである。第１の導光プリズム５０には、第１実施の形態の導光プリズム３０の反射面３０ｂのように、光路を屈曲させるための反射面はなく、入射面５０ａと射出面５０ｇとは対向している。入射面５０ａは、正の屈折力を有するレンズ面であり、射出面５０ｇは平坦な面である。第１の導光プリズム５０の第１〜第４の側面５０ｃ〜５０ｆには、導光プリズム５０の側面を周回するように、第１のＶ字溝５１（第１の光遮断部）と第２のＶ字溝５２（第２の光遮断部）とが設けられている。

一方、第２の導光プリズム５５は、入射面５５ａと映像光の光路を約９０°折り曲げる反射面（図示せず）と、入射面５５ａと反射面との間で映像光の光路を取り囲むように配置された、第１〜第４の側面５５ｃ〜５５ｆを備える六面体プリズムである（図１２において、第１の側面５５ｃと第３の側面５５ｅのみを表示している）。ここで、第１の側面５５ｃには、眼球７に向けて映像光を射出する射出面５５ｇが設けられている。また、射出面５５ｇは、正の屈折力を有するレンズ面となっている。この射出面５５ｇは、本実施の形態における接眼部である。

表示素子２０、第１の導光プリズム５０および第２の導光プリズム５５は、第１の導光プリズム５０の射出面５０ｇと第２の導光プリズム５５の入射面５５ａを対向させて、所定の間隔だけ離間して配置される。ここで、第１の導光プリズム５０および第２の導光プリズム５５は、図１２の展開した虚像観察光学系１２で、正の屈折力を有する第１の導光プリズム５０の入射面５０ａと、第２の導光プリズム５５の射出面５５ｇとの光軸Ｏが一致し、且つ、この光軸Ｏが表示素子２０、第１の導光プリズム５０の入射面５０ａおよび射出面５０ｇ、第２の導光プリズム５５の入射面５５ａおよび射出面５５ｇの略中心を通るように配置される。

表示素子２０、第１の導光プリズム５０および第２の導光プリズム５５は、それぞれ本体部３に対して図示しない保持機構により保持され、相互に位置決めされる。また、第１の導光プリズム５０の射出面５０ｇと第２の導光プリズム５５の入射面５５ａとの間は、外光が入射しないように遮光される。

図１２の光線Ｒ_１は、第１実施の形態と同様に、表示素子２０から射出され第１のＶ字溝５１（第１の光遮断部）の頂点を通る最も傾斜した光線を示している。ただし、本実施の形態では、入射面５０ａが屈折力を有しているため、光線Ｒ_１はこの入射面５０ａで屈曲している。図１２で、仮想的な表示素子２１は、表示素子２０から第１のＶ字溝５１に至る光学要素（すなわち、導光プリズム５０およびその入射面５０ａ）がつくる表示素子２０の像（表示素子の虚像）を、導光プリズム内での距離に換算した位置に示したものである。この仮想的な表示素子２１の有効領域の外縁部から第１のＶ字溝５１の頂点を通る仮想的な光線Ｒ_１’を直線で引き、第１のＶ字溝５１と光線Ｒ_１’が第１の側面５０ｃと交差する点に挟まれる部分が、表示素子２０からの映像光が当たらない遮光領域Ａ_ｓとなる。この場合も、第１のＶ字溝５１と表示素子の像２１との間の導光プリズム内での距離に換算した距離Ｗ_ｖを用いて、遮光領域Ａｓの幅ｓは、式（２）によって算出することができる。

また、Ｒ_２は眼球７の瞳孔７ａから視線を逆に追跡し、第２のＶ字溝５２（第２の光遮断部）の頂点を通る最も傾斜した視線を示しており、この視線Ｒ_２が第１の側面５０ｃと交差する点と第２のＶ字溝５２とで挟まれた部分は、射出面５５ｇ（接眼部）からは視認されない非視認領域Ａ_ｉとなる。ここで、非視認領域Ａ_ｉを決定する視線Ｒ_２を逆方向に追跡する始点を、第２の導光プリズム５５の射出面５５ｇではなく、観察者の瞳孔７ａとしている点が、第１実施の形態とは異なっている。観察者の瞳孔径が、第２の導光プリズム５５の幅よりも狭い場合は、視線Ｒ_２の傾きがより緩やかになるので、射出面５５ｇの最外縁部を始点として、視線Ｒ_２を引いた場合よりも非視認領域Ａ_ｉの幅が広がる。

なお、射出面５５ｇは屈折力を有しているため、光線Ｒ_２はこの射出面５５ｇで屈曲している。図１２で、利用者の仮想的な眼球８は、眼球７から第２のＶ字溝５２に至る光学要素（すなわち、第２の導光プリズム５５および第１の導光プリズム５０の第２のＶ字溝５３の射出面５０ｇ側）がつくる眼球７の像（虚像）を、導光プリズム５０，５５内での距離に換算した位置に示した図である。この仮想的な眼球８の瞳孔８ａの外縁部から、第２のＶ字溝５２の頂点を通る仮想的な視線Ｒ_２’を引き、第２のＶ字溝５２と視線Ｒ_２’が第１の側面５０ｃに交差する点とに挟まれる部分が非視認領域Ａ_ｉとなる。

第２のＶ字溝５２と観察者の瞳孔７ａとの間の光学要素がつくる瞳孔の像８ａの半径をＥ、第２のＶ字溝５２と瞳孔の像８ａとの間の距離を導光プリズム５０，５５内での距離に換算した距離をＬ_ｖとすると、
ｈ＝ｃ×Ｌ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｅ−ｃ） （９）
となる。式（９）により得られるｈを、式（２）により得られるｓと共に、式（５）の条件に適用することによって、第１のＶ字溝５１と第２のＶ字溝５２との間の溝間領域Ａ_ｍの光軸Ｏ方向の幅を、遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとが、少なくとも部分的に重なる範囲で広く設定することが可能になる。

本実施の形態の第１の導光プリズム５０の第１の側面５０ｃ上に形成される遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとは、第１実施の形態と同様に部分的に重なっているので、第１の導光プリズム５０の光学性能に影響を与えない広い溝間領域Ａ_ｍを確保することができ、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第１実施の形態の導光プリズムと比較して、非視認領域Ａ_ｉを、導光プリズムの射出面５０ｇの外縁部ではなく、観察者の瞳孔７ａを通る視線Ｒ_２に基づいて設計したので、非視認領域Ａ_ｉが更に広がり、したがって、溝間領域Ａ_ｍをさらに広く取ることができる。

（第４実施の形態）
図１３は、第４実施の形態に係る虚像観察光学系１３を光軸Ｏに沿って直線状に展開して示す概略構成図である。この虚像観察光学系１３は、第１の導光プリズム６０と第２の導光プリズム６５とを含み、第３実施の形態と同様の構成において、第１の導光プリズム６０に加え、第２の導光プリズム６５にも、第１のＶ字溝６６（第１の光遮断部）と第２のＶ字溝６７（第２の光遮断部）とを設けたものである。第１の導光プリズム６０および第２の導光プリズム６５では、各構成要素に第３実施の形態の対応する構成要素を示す参照番号に１０を加えた番号を付している。

図１３に示すように、第２の導光プリズム６５の側面６５では、第１のＶ字溝６６によって表示素子２０からの映像光の影となる遮光領域Ａ_ｓと、第２のＶ字溝６７によって観察者の虚像観察時に視認できない非視認領域Ａ_ｉとが生じ、遮光領域Ａ_ｓと非視認領域Ａ_ｉとは、少なくとも部分的に重なり、第１の側面６５ｃの第１のＶ字溝６６および第２のＶ字溝６７の間に挟まれた溝間領域Ａ_ｍを覆うように位置する。

これによって、第１の導光プリズム６０に加え、第２の導光プリズム６５上に、導光プリズムの光学性能に影響を与えない広い溝間領域Ａ_ｍを確保することができ、第２の導光プリズム６５についても、溝間領域Ａ_ｍを保持することにより導光プリズム６５を固定することができ、溝間領域Ａ_ｍは導光プリズム６５の光学性能に影響を与えないので、製造時のゲートやイジェクトピンの配置位置としたり、保持、位置決めのために利用したりすることが可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、例示の表示装置は眼鏡形状としたが、本発明の虚像観察光学系および導光プリズムが適用できるのはこれに限られず、使用者の頭部に固定することができるのであれば、ゴーグル型やヘルメット型など種々の形状を有することができる。また、導光プリズムは使用時に水平方向に長いものに限られない。例えば、表示素子を前頭部に配置して、垂直方向に長い導光プリズムを使用することも可能である。また、各実施の形態で、虚像観察光学系および導光プリズムは、右眼用のものについて説明したが、左眼用にも適用することができる。

また、各実施の形態では第１の光遮断部および第２の光遮断部は、導光プリズムの各面に沿って周回するように配置されていたが、第１の光遮断部および第２の光遮断部の配置は、これに限られない。例えば、第１の光遮断部および第２の光遮断部は、導光プリズムの対向する２つの側面に配置されていても良い。あるいは、１つまたは３つの側面に設けられていても良い。さらに、虚像観察光学系は、１つまたは２つの導光プリズムを含む構成に限られず、３つ以上の導光プリズムを含んで構成されていても良い。さらに、第２実施の形態で、導光プリズムの入射面に切り欠きまたは遮光部を配置した構成を示したが、第２の光遮断部として、切り欠きまたは遮光部を導光プリズムの射出面に設けることも可能である。また、導光プリズムの幅に対して接眼部の幅が狭い例を示したが、接眼部の幅は導光プリズムの幅に一致していても良い。

１ 表示装置
２ 眼鏡
３ 本体部
５ 導光プリズム
７ 眼球
１０ 虚像観察光学系
２０ 表示素子
２１ 仮想的な表示素子
３０，４０ 導光プリズム
３１，５１，６１，６６ 第１のＶ字溝（第１の光遮断部）
３２，５２，６２，６７ 第２のＶ字溝（第２の光遮断部）
３７ ゲート
３８ イジェクトピン
３９ 位置決め用突起
４１ 切り欠き部（第１の光遮断部）
４２ Ｖ字溝（第２の光遮断部）
５０，６０ 第１の導光プリズム
５５，６５ 第２の導光プリズム
Ａ_ｍ 溝間領域
Ａ_ｓ 遮光領域
Ａ_ｉ 非視認領域

Claims (9)

1. 表示素子に表示される画像の虚像を観察するための虚像観察光学系であって、
   表示素子と、
   前記表示素子からの映像光を導光する少なくとも一つの導光プリズムと、
   導光された映像光を観察者の眼球に入射させる接眼部と、
   を備え、
   前記少なくとも一つの導光プリズムは、当該導光プリズムの入射面から射出面へ前記映像光を導光する光路を取り囲む側面の少なくとも一つに、第１の光遮断部および第２の光遮断部を備え、
   前記第１の光遮断部によって映像光の影となる領域を遮光領域とし、前記第２の光遮断部によって観察者の虚像観察時に視認できない領域を非視認領域とするとき、
   前記第１の光遮断部と前記第２の光遮断部とは、前記遮光領域および前記非視認領域が、少なくとも部分的に重なり、前記少なくとも一つの側面の前記第１の光遮断部および前記第２の光遮断部の間に挟まれた中間領域を覆うように配置されていることを特徴とする虚像観察光学系。
2. 前記第１の光遮断部の頂部と前記第２の光遮断部の頂部との光軸に平行な方向に測った間隔をＭとすると、
   ｓ＜Ｍ＜ｓ＋ｈ
   ｓ＝ａ×Ｗ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ）
   ｈ＝ｃ×Ｌ_２／（Ｐ／２＋Ｑ／２−ｃ）
   であり、前記少なくとも一つの導光プリズムの前記入射面が、前記表示素子の表示面と対向し、前記表示素子と前記第１の光遮断部との間の光学要素がつくる前記表示素子の像の有効表示領域の、前記第１および第２の光遮断部が形成された側面に垂直な方向の幅をＤ、前記光軸に垂直な断面において前記第１および第２の光遮断部が形成された側面と該側面に対向する側面との間の前記導光プリズムの幅をＰ、前記第１の光遮断部と前記表示素子の像との間の距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＷ_ｖ、前記第１の光遮断部の前記側面からの高さをａ、前記第２の光遮断部の前記側面からの高さをｃ、前記光軸に沿って展開したとき前記第１および第２の光遮断部が形成された側面に垂直な方向の前記接眼部の幅をＱ、前記第２の光遮断部の前記接眼部からの距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＬ_２とすることを特徴とする請求項１に記載の虚像観察光学系。
3. 前記第１の光遮断部の頂部と前記第２の光遮断部の頂部との光軸に平行な方向に測った間隔をＭとすると、
   ｓ＜Ｍ＜ｓ＋ｈ
   ｓ＝ａ×Ｗ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｄ／２−ａ）
   ｈ＝ｃ×Ｌ_ｖ／（Ｐ／２＋Ｅ−ｃ）
   であり、前記少なくとも一つの導光プリズムの前記入射面が、前記表示素子の表示面と対向し、前記表示素子と前記第１の光遮断部との間の光学要素がつくる前記表示素子の像の有効表示領域の、前記第１および第２の光遮断部が形成された側面に垂直な方向の幅をＤ、前記光軸に垂直な断面において前記第１および第２の光遮断部が形成された側面と該側面に対向する側面との間の前記導光プリズムの幅をＰ、前記第１の光遮断部と前記表示素子の像との間の距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＷ_ｖ、前記第１の光遮断部の前記側面からの高さをａ、前記第２の光遮断部の前記側面からの高さをｃ、前記第２の光遮断部と観察者の瞳孔との間の光学要素がつくる前記瞳孔の像の半径をＥ、前記第２の光遮断部と前記瞳孔の像との間の距離を前記導光プリズム内での距離に換算した距離をＬ_ｖとすることを特徴とする請求項１に記載の虚像観察光学系。
4. 前記中間領域は平面として形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の虚像観察光学系。
5. 前記中間領域に、樹脂注入のためのゲートを配置して成形したことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の虚像観察光学系。
6. 前記中間領域には、筐体への固定のための取り付け部、または、位置決めのための突起部が形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の虚像観察光学系。
7. 前記第１の光遮断部および前記第２の光遮断部の双方または何れか一方は、溝により構成されていることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の虚像観察光学系。
8. 前記第１の光遮断部は、前記導光プリズムの前記入射面の外縁部に設けられた切り欠きまたは遮光部であることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の虚像観察光学系。
9. 表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、該観察者の視野内に前記表示素子の虚像を表示する虚像観察光学系に用いる導光プリズムであって、
   映像光の入射面と、射出面と、
   前記映像光の光路を取り囲む複数の側面と、
   前記複数の側面の少なくとも一つに形成された第１の光遮断部および第２の光遮断部と、
   を備え、
   前記第１の光遮断部によって映像光の影となる領域を遮光領域とし、前記第２の光遮断部によって観察者の虚像観察時に視認できない領域を非視認領域とするとき、
   前記第１の光遮断部と前記第２の光遮断部とは、前記遮光領域および前記非視認領域が、少なくとも部分的に重なり、前記少なくとも一つの側面の前記第１の光遮断部および前記第２の光遮断部の間に挟まれた中間領域を覆うように配置されていることを特徴とする導光プリズム。
   

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