JP2016110080A - 導光板、表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このような頭部装着型の表示装置は、例えば、表示部に対向する位置に導光板を配置して、表示部で表示された映像光を、その導光板によって観察者の眼に対応する位置まで導光し、反射層を介して観察者側へ反射させている。また、このような表示装置は、表示される映像によって観察者の視界が遮られてしまうため、反射層にマジックミラーを用いる等して、映像と外界の光とを重ねて見せる、いわゆるシースルーにする場合がある。しかし、この場合、マジックミラーの透過率を向上させて反射率を低下させすぎると観察者側に届く映像が不鮮明になり、逆に反射率を向上させて透過率を低下させすぎると、外界の光(外界の像)が不鮮明になってしまう場合があった。
請求項1の発明は、映像源(11)から入射した映像光を導光する導光板(20)であって、前記映像光を全反射させる第1全反射面(20b)と、前記第1全反射面と対向する位置に設けられ、前記映像光を全反射させる第2全反射面(20c)と、前記映像光の導光方向に対して傾斜した第1傾斜面(221a)を有し、前記映像光の導光方向に複数配列された単位光学形状部(221)と、前記第1傾斜面の一部に設けられ、前記第1全反射面及び前記第2全反射面の間で全反射を繰り返して導光された前記映像光を反射させて該導光板から出光させる反射層(25)とを備え、前記第1傾斜面は、前記映像光の進行する側の端部が、前記映像光の進行する側とは反対側の端部よりも前記映像光が出光する側に位置しており、前記反射層は、前記第1傾斜面に平行な面内において、前記第1傾斜面の前記映像光が進行する側の端部から、前記映像光が進行する側とは反対側の端部側へ向けて長さw1で形成されており、前記単位光学形状部の配列方向(X方向)における配列ピッチをPとし、前記第1傾斜面と前記第1全反射面に平行な面とがなす角度をαとしたときに、前記反射層の長さw1は、w1=P×sin(90°−2×α)/sin(90°+α)により形成されていること、を特徴とする導光板である。
請求項2の発明は、請求項1に記載の導光板(20)において、前記単位光学形状部(221)には、前記第1傾斜面(221a)と対向し、前記第1傾斜面よりも前記映像光が進行する側(+X側)に第2傾斜面(221b)が形成されており、前記第2傾斜面には、光を吸収する光吸収層(26)が設けられていること、を特徴とする導光板である。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の導光板(20)と、前記導光板に映像光を出射する表示部(11)と、を備える表示装置(1)である。
本明細書中に記載する各部材の寸法等の数値及び材料名等は、実施形態としての一例であり、これに限定されるものではなく、適宜選択して使用してよい。
本明細書中において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。
図1は、本実施形態の頭部装着型の表示装置1を説明する図である。図1は、表示装置1を鉛直方向上方から見た図である。
なお、図1を含め以下に示す図中及び以下の説明において、理解を容易にするために、観察者が頭部に表示装置1を装着した状態において、鉛直方向をZ方向とし、水平方向をX方向及びY方向とする。また、この水平方向のうち、導光板に入光した映像光の導光される方向(導光板の左右方向)をX方向とし、それに直交する方向(導光板の厚み方向)をY方向とする。このY方向の−Y側を観察者側とし、+Y側を背面側とする。
また、表示装置1は、外界から光の一部を、導光板20を透過させ観察者側に到達させて、映像と外界の光とを重ねて見せる、いわゆるシースルー機能を備えている。
投射光学系12は、表示部11から出射された映像光を平行光として投射する複数のレンズ群から構成される光学系である。
導光板20は、光を導光する略平板状の透明部材であり、本実施形態では、鉛直方向(Z方向)から見た形状が略台形形状に形成された台形柱形状に形成されている。導光板20は、図1に示すように、互いに平行であり、互いに対向する第1全反射面20b及び第2全反射面20cと、−X側端部に、この第1全反射面20b及び第2全反射面20cに対して傾斜した反射面20aとが設けられている。
反射面20aは、反射膜27で反射した映像光を第1全反射面20bにおいて全反射させるために、第1全反射面20bに対して25°〜40°の範囲で傾斜している。
第1全反射面20bは、その−X側の端部が、表示部11から投射された映像光を入光する入光面となっており、また、+X側の端部が、単位光学形状部221(後述する)において反射した映像光を導光板20外へ出光する出光面となっている。
第2全反射面20cは、導光板20を形成する面のうち、XZ平面に平行であって、背面側(+Y側)に位置する面(観察者側から離れた側の面)であり、第1全反射面20bにおいて全反射した映像光を、第1全反射面20b側に向けて全反射させる。
以上により、反射膜27を反射した映像光は、第1全反射面20b及び第2全反射面20cの間で全反射を繰り返すことによって、導光板20内の+X方向(導光方向)に導光されることとなる。
図2は、本実施形態の導光板20の詳細を説明する図であり、図1のa部詳細を示す図である。
図2に示すように、導光板20は、観察者側(−Y側)から順に、基材部21、接合層24、第2光学形状層23、第1光学形状層22が積層されている。
基材部21は、導光板20の基礎となる平板状の部材であり、例えば、光透過性の高いアクリル樹脂、スチレン樹脂、アクリルスチレン樹脂、ポリカーボーネート樹脂、脂環式ポリオレフィン樹脂等から形成されている。上述の第1全反射面20bは、この基材部21の観察者側(−Y側)の面となる。
この単位光学形状部221は、鉛直方向(Z方向)に延在し、X方向に沿って複数配列されている。また、単位光学形状部221は、観察者側(−Y側)に凸になるようにして、XY平面と平行な断面における断面形状が略三角形状に形成されており、第1傾斜面221aと、この第1傾斜面221aよりも映像光の進行する側(+X側)に対向して設けられた第2傾斜面221bとから構成されている。
なお、上述の第2全反射面20cは、この第1光学形状層22の背面側(+Y側)の面となる。
第2傾斜面221bは、第1全反射面20bを全反射した映像光が直接入射しない面であり、その面上には、光吸収層26が全面に設けられている。
第2光学形状層23は、単位光学形状部221を覆うようにして、第1光学形状層22の観察者側に面に設けられた層であり、第1光学形状層22の観察者側(−Y側)の面を平坦にするために設けられている。第2光学形状層23は、光透過性の高いウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂等から形成されており、その屈折率は、上述の基材部21や第1光学形状層22と同等の屈折率である。
理解を容易にするために、図2等では、単位光学形状部221の配列ピッチP、角度α,β、高さhは、単位光学形状部221の配列方向において一定であるように示している。しかし、本実施形態の単位光学形状部221は、実際には、配列ピッチP等が一定であるが、角度αが映像光の進行する側(+X側)へ向かうにつれて次第に大きくなっている。また、それに伴い高さhも大きくなっている。
以上の構成により、導光板20を構成する各層は、いずれも光の屈折率が同等に形成されることとなる。ここで、屈折率が同等とは、各層の屈折率が完全に一致する場合だけでなく、各層間において屈折が生じない程度に屈折率が近似している場合も含むものをいう。これにより、本実施形態の導光板20は、この導光板20内において、映像光や、外界の光が屈折してしまうのを抑制することができる。
反射層25は、光を反射するために十分な厚さであれば、その材料等に応じて厚さを自由に設定することができる。また、反射層25は、映像光の一部を反射するとともに、導光板20の背面側(+Y側)から入射する外界の光を透過するようなマジックミラー(ハーフミラー)状にしてもよく、その反射率と透過率の割合は適宜設定することができる。本実施形態の反射層25は、反射率及び透過率がともに50%のハーフミラー状に形成されている。
このように反射層25を形成することによって、導光板20は、導光板20内を導光する映像光を、第1傾斜面221aの反射層25により反射させて導光板20から出光させるだけでなく、導光板20の背面側から入射する外界の光を、第1傾斜面221aのうち反射層25が形成されていない部分から観察者側に透過させることができる。
また、本実施形態の反射層25は、第1傾斜面221aの映像光の反射に寄与しない部分のみ設けられていないので、第1傾斜面221aの全面に反射層を形成した場合にして、反射層が反射する光量が低減することはない。
ここで、効率よく映像光を反射して導光板20から出光させる観点から、第1傾斜面221aの角度αは、25°≦α≦40°の範囲内に、第2傾斜面221bの角度βは、80°≦β≦90°の範囲内に、単位光学形状部221の高さhは、50μm≦h≦500μmの範囲内に形成されるのが望ましい。また、レンズ面に平行な面に対する反射層25の長さをw1としたときに、反射層25は、w1=P×sin(90°―2×α)/sin(90°+α)を満たすようにして形成されるのが望ましい。
光吸収層26は、ウレタン系樹脂やエポキシ系樹脂、これらの混合となる樹脂を母材とし、光吸収材である黒色等の暗色系の塗料等や、黒色等の暗色系の顔料や染料等を含有するビーズ等が添加された材料により形成される。
図1に示すように、表示部11から出射した映像光Lは、投射光学系12を介して導光板20の第1全反射面20bへと入射する。導光板20内に入光した映像光Lは、反射面20aの反射膜27に入射して第1全反射面20b側へと反射する。それから、その映像光Lは、第1全反射面20bに入射して第2全反射面20c側へと全反射した後に、第2全反射面20cに入射して第1全反射面20b側へと全反射する。このように第1全反射面20b及び第2全反射面20c間において全反射を繰り返すことにより、映像光Lは、導光板20の−X側から+X側に向けて導光され、第1光学形状層22に設けられた単位光学形状部221に入射する。
本実施形態の導光板20では、図1に示すように、映像光Lが第1全反射面20bにおいて2回全反射し、第2全反射面20cにおいて1回全反射するように形成されているが、これに限定されるものでなく、各面においてより多く全反射を繰り返すようにしてもよい。
外界の光Gは、図1に示すように、導光板20の背面側(+Y側)の第2全反射面20cから導光板20内に入光する。この導光板20内に入光した外界の光Gのうち一部の光G1は、図2に示すように、第1傾斜面221aのうち反射層25が形成されていない部分を透過して、第1全反射面20bから観察者の眼Eに向けて出光することとなる。
また、他の外界の光Gは、第1傾斜面221aの反射層25に入射し、その一部は反射層25によって導光板20の背面側へ反射してしまうが、他の一部G2は、ハーフミラー状に形成される反射層25を透過して、第1全反射面20bから観察者の眼Eに向けて出光することとなる。
図3は、本実施形態の導光板20の製造方法を説明する図である。図3の各図は、導光板20が製造されるまでの過程を示す図である。
まず、図3(a)に示すように、単位光学形状部221に対応する凹凸形状が設けられた金型を使用して、導光板20を構成する第1光学形状層22を押出成形法や、射出成形法等により形成する。
そして、図3(c)に示すように、樹脂層26’のうち光吸収層26の形成に不要な部分を除去する。本実施形態では、単位光学形状部221の第2傾斜面221bにのみ光吸収層26が形成されるので、第1光学形状層22の単位光学形状部221が形成された側の面のうち、第2傾斜面221bを除く部位に塗布された樹脂を、レーザ光を照射することにより除去する。
次に、図3(d)に示すように、単位光学形状部221の第1傾斜面221a上に、真空蒸着法によりアルミニウムを蒸着して反射層25を形成する。なお、反射層25は、光反射材料が含有された塗料を塗布することによって形成されるようにしてもよい。
次に、図3(f)に示すように、この単位光学形状部221上に形成された第2光学形状層23と、平板状の基材部21とを接合層24を介して貼り合せて、基材部21、接合層24、第2光学形状層23、第1光学形状層22が順次積層された積層体が完成する。
そして、最後に、この積層体を所定の形状に裁断した上で、+X側(単位光学形状部が形成される側とは反対側)の背面側(―Y側)の角部を加工して反射面20aを形成し、その反射面20aに真空蒸着法等によってアルミニウムを蒸着する等して反射膜27を形成する。以上により、導光板20が完成する。
本実施形態の導光板20は、反射層25が、単位光学形状部221の第1傾斜面221a上の映像光が進行する側(+X側)に設けられているので、より効率よく映像光を観察者側に反射することができるとともに、第1傾斜面221aの映像光の反射に寄与しない部分から外界の光を観察者側に透過することができる。
本実施形態の導光板20は、第2傾斜面221bに光を吸収する光吸収層26が設けられているので、映像光の一部が反射層25を透過して第1光学形状層22内に入射したとしても、光吸収層26により吸収することができ、導光板20から出光する映像光にゴーストが生じてしまうのを抑制することができる。
(1)実施形態において、導光板20の反射層25は、ハーフミラー状である例を示したが、これに限定されるものでなく、例えば、ハーフミラー状よりも光の透過率が低く、反射率が高くなるように反射層を形成してもよい。この場合、外界の光は、反射層25を透過する量が減少してしまうが、第1傾斜面221aの反射層25が形成されていない部分から観察者側へと透過するので、表示装置1を頭部に装着する観察者に対して、外界の光を視認させるとともに、映像光をより鮮明に視認させることができる。
また、上述の実施形態において、導光板20は、第1全反射面20bと映像光が出光する面とを同一面内に形成する例を示したが、これに限定されるものでなく、第1全反射面と映像光が出光する面とが相違する面として形成されていてもよい。
11 表示部
12 投射光学系
20 導光板
20a 反射面
20b 第1全反射面
20c 第2全反射面
21 基材部
22 第1光学形状層
221 単位光学形状部
221a 第1傾斜面
221b 第2傾斜面
23 第2光学形状層
24 接合層
25 反射層
26 光吸収層
27 反射膜
E 観察者の眼
Claims (3)
- 映像源から入射した映像光を導光する導光板であって、
前記映像光を全反射させる第1全反射面と、
前記第1全反射面と対向する位置に設けられ、前記映像光を全反射させる第2全反射面と、
前記映像光の導光方向に対して傾斜した第1傾斜面を有し、前記映像光の導光方向に複数配列された単位光学形状部と、
前記第1傾斜面の一部に設けられ、前記第1全反射面及び前記第2全反射面の間で全反射を繰り返して導光された前記映像光を反射させて該導光板から出光させる反射層とを備え、
前記第1傾斜面は、前記映像光の進行する側の端部が、前記映像光の進行する側とは反対側の端部よりも前記映像光が出光する側に位置しており、
前記反射層は、前記第1傾斜面に平行な面内において、前記第1傾斜面の前記映像光が進行する側の端部から、前記映像光が進行する側とは反対側の端部側へ向けて長さw1で形成されており、
前記単位光学形状部の配列方向における配列ピッチをPとし、
前記第1傾斜面と前記第1全反射面に平行な面とがなす角度をαとしたときに、
前記反射層の長さw1は、w1=P×sin(90°−2×α)/sin(90°+α)により形成されていること、
を特徴とする導光板。 - 請求項1に記載の導光板において、
前記単位光学形状部には、前記第1傾斜面と対向し、前記第1傾斜面よりも前記映像光が進行する側に第2傾斜面が形成されており、
前記第2傾斜面には、光を吸収する光吸収層が設けられていること、
を特徴とする導光板。 - 請求項1又は請求項2に記載の導光板と、
前記導光板に映像光を出射する表示部と、
を備える表示装置。
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