JP2022123704A - 接眼映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな角度に光を偏向させて視野角を大きくとることができ、かつ、小型の接眼映像表示装置を提供する。【解決手段】接眼映像表示装置１は、表示素子１０と、表示素子１０の表示面側に対向して配置され表示素子１０からの光を偏向させる略平板状の接眼光学素子２０と、を備え、接眼光学素子２０は、光を全反射させて偏向させる全反射レンズ領域２２を含むフレネルレンズである。この構成によって、大きな角度に光を偏向させて視野角を大きくとることができ、かつ、小型にすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、接眼映像表示装置に関するものである。

目に近接させて用いる接眼映像表示装置において、装置を小型するために、フレネルレンズを用いることが提案されている（特許文献１参照）。
しかし、光の偏向に屈折を利用したフレネルレンズでは、光を偏向させる角度に限界があり、屈折を利用したフレネルレンズでは、視野角に限界があった。

特開平７－２４４２４６号公報

本発明の課題は、大きな角度に光を偏向させて視野角を大きくとることができ、かつ、小型の接眼映像表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

第１の発明は、表示素子（１０）と、前記表示素子（１０）の表示面側に対向して配置され前記表示素子（１０）からの光を偏向させる略平板状の接眼光学素子（２０）と、を備え、前記接眼光学素子（２０）は、光を全反射させて偏向させる全反射レンズ領域（２２）を含むフレネルレンズである接眼映像表示装置（１）である。

第２の発明は、第１の発明に記載の接眼映像表示装置（１）において、前記接眼光学素子（２０）は、前記全反射レンズ領域（２２）よりも中央側に設けられ光を屈折させて偏向させる屈折レンズ領域（２１）を備え、前記全反射レンズ領域（２２）と前記屈折レンズ領域（２１）とは境界線によって領域分けすることができ、前記接眼光学素子（２０）のフレネルレンズ面とは反対側の面に垂直に入射する光を垂直入射光とすると、前記境界線に隣接する位置の前記屈折レンズ領域（２１）により前記垂直入射光が偏向される向きと、前記境界線に隣接する位置の前記全反射レンズ領域（２２）により前記垂直入射光が偏向される向きとは、略同一方向であること、を特徴とする接眼映像表示装置（１）である。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明に記載の接眼映像表示装置（１）において、前記接眼光学素子（２０）は、前記全反射レンズ領域（２２）よりも中央側に設けられ光を屈折させて偏向させる屈折レンズ領域（２１）を備え、前記全反射レンズ領域（２２）と前記屈折レンズ領域（２１）とは境界線によって領域分けすることができ、前記接眼光学素子（２０）のフレネルレンズ面とは反対側の面に垂直に入射する光を垂直入射光とすると、前記境界線に隣接する位置の前記屈折レンズ領域（２１）により前記垂直入射光が偏向されて出射する光の割合と、前記境界線に隣接する位置の前記全反射レンズ領域（２２）により前記垂直入射光が偏向されて出射する光の割合とは、略同一であること、を特徴とする接眼映像表示装置（１）である。

第４の発明は、第１の発明に記載の接眼映像表示装置（１）において、前記接眼光学素子（２０）は、前記全反射レンズ領域（２２）よりも中央側に設けられ光を屈折させて偏向させる屈折レンズ領域（２１）を備え、前記全反射レンズ領域（２２）と前記屈折レンズ領域（２１）とは境界線によって領域分けすることができ、前記接眼光学素子（２０）のフレネルレンズ面とは反対側の面に垂直に入射する光を垂直入射光とし、前記垂直入射光が前記境界線に隣接する位置の前記屈折レンズ領域（２１）に設けられたフレネルレンズ形状の屈折面に入射する入射角をα１とし、前記垂直入射光が前記境界線に隣接する位置の前記全反射レンズ領域（２２）に設けられたフレネルレンズ形状の立ち上がり面に入射する入射角をα２とし、前記接眼光学素子（２０）を構成する材料の屈折率をＮとしたときに、α１＝α２＝ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（９０＋α１－ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（α１））×Ｎ）））／Ｎ）の関係を満たすこと、を特徴とする接眼映像表示装置（１）である。

本発明によれば、大きな角度に光を偏向させて視野角を大きくとることができ、かつ、小型の接眼映像表示装置を提供することができる。

本発明による接眼映像表示装置の概要を示す図である。 接眼光学素子２０を図１中の矢印Ａ－Ａの位置で切断した断面図である。 屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２との境界線部分を拡大した断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による接眼映像表示装置の概要を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張したり、省略したりして示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
本明細書において、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。
本明細書において、板、シート、フィルム等の言葉を使用しているが、これらは、一般的な使い方として、厚さの厚い順に、板、シート、フィルムの順で使用されており、本明細書中でもそれに倣って使用している。しかし、このような使い分けには、技術的な意味は無いので、これらの文言は、適宜置き換えることができるものとする。
本明細書中において、シート面とは、各シートにおいて、そのシート全体として見たときにおける、シートの平面方向となる面を示すものであるとする。なお、板面、フィルム面に関しても同様であるとする。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において規定する具体的な数値には、一般的な誤差範囲は含むものとして扱うべきものである。すなわち、±１０％程度の差異は、実質的には違いがないものであって、本件の数値範囲をわずかに超えた範囲に数値が設定されているものは、実質的には、本件発明の範囲内のものと解釈すべきである。

本実施形態の接眼映像表示装置１は、表示素子１０と、接眼光学素子２０とを２組備えている。表示素子１０及び接眼光学素子２０は、不図示の筐体によってそれぞれの相対的な位置が保持されている。また、この筐体には、不図示のベルト等の装着部材が設けられており、接眼映像表示装置１は、利用者の頭部に装着した状態で映像を観賞することができるヘッドマウントディスプレイ等と呼ばれる頭部装着型の装置である。

表示素子１０は、画面サイズが対角２インチ～４インチ程度の小型の表示素子であり、例えば、ＬＣＤ（liquid crystal display）やＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）等を用いて構成される。表示素子１０は、人の目の瞳孔間距離に合わせて、表示面１０ａの中心間隔が略６０ｍｍから７０ｍｍ程度離れて配置されている。

接眼光学素子２０は、表示素子１０の画面サイズと略同一サイズに構成されており、表示素子１０の表示面１０ａに沿って配置、すなわち、表示面１０ａ側に対向して配置されている。表示素子１０と接眼光学素子２０との間の空隙間隔ｄは、２ｍｍ以下が望ましく、また、表示素子１０と接眼光学素子２０とを接合して両者の空隙間隔ｄを０ｍｍとして構成してもよい。空隙間隔ｄが小さい方が全体の小型化に有利であり、また、表示素子１０から出る映像光が広がらずに接眼光学素子２０に入射するので、映像光が接眼光学素子２０に略垂直に入射させることができる。
なお、以下の説明において、表示素子１０が映像光を出射する側を観察側と呼び、反対側を裏側と呼ぶこととする。

図２は、接眼光学素子２０を図１中の矢印Ａ－Ａの位置で切断した断面図である。接眼光学素子２０は、表示素子１０が出射する映像光を偏向し拡大した虚像を使用者に視認させるフレネルレンズより構成される。より具体的には、接眼光学素子２０は、単位レンズが同心円状に複数配列されたサーキュラーフレネルレンズ形状が観察側（フレネルレンズ面）に形成された略平板状のフレネルレンズシートとして構成することができる。ここで、略平板状とは、微細なフレネルンレンズ形状が形成された観察側の面を実質的に平面とみなした場合に平板状であることを意味している。

接眼光学素子２０は、例えば、ウレタンアクリレートやエポキシアクリレート等の紫外線硬化型樹脂により形成することができるが、電子線硬化型樹脂等の他の電離放射線硬化型樹脂により形成してもよい。また、接眼光学素子２０は、フレネルレンズ形状を形成するためのベースとして基材層（不図示）を備える構成とすることができる。この場合、接眼光学素子２０は、例えば、基材層の一方の面（観察側となる面）を、紫外線硬化型樹脂が充填されたサーキュラーフレネルレンズ形状を賦形する成形型に押圧し、紫外線を照射して硬化させた後に成形型から離型する紫外線成形法等により形成することができる。なお、接眼光学素子２０の形成方法は、適宜選択してよく、この限りではない。

本実施形態の接眼光学素子２０は、屈折レンズ領域２１と、全反射レンズ領域２２とを備えている。
屈折レンズ領域２１は、全反射レンズ領域２２よりも中央側に設けられており、光を屈折させて偏向させる領域である。
屈折レンズ領域２１では、単位レンズ形状２１０が中央から周辺へ向かって同心円状に並べて設けられている。単位レンズ形状２１０は、図２に示す断面において、立ち上がり面２１１と、屈折面２１２とを備えている。
屈折レンズ領域２１は光を屈折させて偏向させるが、外側の領域になるにしたがい、屈折面２１２が接眼光学素子２０の板面（シート面）方向と成す角度（後述の図３におけるα１）が大きくなっていき、やがて接眼光学素子２０の板面に垂直に入射する光が屈折面２１２において全反射する角度となってしまう。したがって、屈折レンズ領域２１のみによって接眼光学素子２０の板面に垂直に入射する光を偏向させることができる角度には限度があり、接眼光学素子２０の屈折率にもよるが、凡そ４０度、視野角にして８０度程度が限界となる。

そこで、本実施形態では、全反射レンズ領域２２をさらに設けている。
全反射レンズ領域２２は、屈折レンズ領域２１よりも外側に設けられており、光を全反射させて偏向させる領域である。すなわち、本実施形態のフレネルレンズは、光の偏向角の小さい中心部は屈折フレネルレンズにより構成され、大きく光を偏向させる必要がある外周部は全反射フレネルレンズにより構成されている。
全反射レンズ領域２２では、単位レンズ形状２２０が屈折レンズ領域２１に隣接する位置から周辺へ向かって同心円状に並べて設けられている。単位レンズ形状２２０は、図２に示す断面において、立ち上がり面２２１と、全反射面２２２とを備えている。
全反射レンズ領域２２では、接眼光学素子２０の板面に垂直に入射する光は、全反射面２２２において全反射した後、立ち上がり面２２１において屈折して出射する。
全反射レンズ領域２２を設けることにより、屈折レンズ領域２１による視野角の限界を超えた視野角を得ることが可能となる。

ここで、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２とは、いずれも光を偏向させて出射する点では共通している。しかし、屈折レンズ領域２１は光を屈折させて偏向させるのに対し、全反射レンズ領域２２は光を全反射させた後さらに屈折させて偏向させている点で異なっている。よって、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２の境界線において、屈折レンズ領域２１から出射する光と全反射レンズ領域２２から出射する光とについて、その向き及び光量を揃えないと、境界線が視認されてしまい、望ましくない。よって、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２の境界線において、屈折レンズ領域２１から出射する光と全反射レンズ領域２２から出射する光とについて、その向きを略同一とする（方向条件と呼ぶ）ことが望ましく、さらに、その出射する光の割合を略同一とする（割合条件と呼ぶ）ことが望ましい。

図３は、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２との境界線部分を拡大した断面図である。
屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２の境界線は、屈折レンズ領域２１の単位レンズ形状２１０に隣接する全反射レンズ領域２２の単位レンズ形状２２０の立ち上がり面２２１の位置が境界線となる。

（方向条件について）
境界線を視認されないようにするためには、先ず、境界線に隣接する位置の屈折レンズ領域２１により垂直入射光が偏向される向きと、境界線に隣接する位置の全反射レンズ領域２２により垂直入射光が偏向される向きとが、略同一方向であることが必要である。すなわち、図３中における、出射光ＬＡ２と出射光ＬＢ３とが進む向きである角度β１と角度β２とが略同一であることが必要であり、よって、出射光ＬＡ２と出射光ＬＢ３とが略平行に進む。
ここで、角度β１と角度β２とが略同一とは、完全な同一に限らず、多少のばらつきによる角度の違いを許容する意味である。具体的には、例えば、β１－β２の絶対値が２度以内であることが望ましく、１度以内であることがより望ましい。
この方向条件を満たすことにより、境界を目立たなくすることができる。

（割合条件について）
また、境界線を視認されないようにするためには、境界線に隣接する位置の屈折レンズ領域２１により垂直入射光が偏向されて出射する光の割合と、境界線に隣接する位置の全反射レンズ領域２２により垂直入射光が偏向されて出射する光の割合とが、略同一であることが必要である。
接眼光学素子２０へ入射するときの損失は、屈折レンズ領域２１も全反射レンズ領域２２同じであるので、これを除いて検討する。屈折レンズ領域２１では、屈折面２１２において屈折するときに一部が反射して損失となる。一方、全反射レンズ領域２２では、全反射面２２２では、全反射であることから光の損失はなく、立ち上がり面２２１において屈折するときに一部が反射して損失となる。よって、垂直入射光が境界線に隣接する位置の屈折面２１２に入射する入射角α１と、垂直入射光が境界線に隣接する位置の立ち上がり面２２１に入射する入射角α２とが、略同一であれば、損失する光の割合が等しくなり、隣り合う単位レンズ形状２１０と単位レンズ形状２２０のそれぞれから出射する光の割合を等しくできる。
ここで、入射角α１と入射角α２とが略同一とは、完全な同一に限らず、多少のばらつきによる角度の違いを許容する意味である。具体的には、例えば、α１－α２の絶対値が１度以内であることが望ましく、０．５度以内であることがより望ましい。
この割合条件を満たすことにより、境界を目立たなくすることができる。

（方向条件及び割合条件の双方を満たす場合）
上述した方向条件と割合条件とは、少なくとも一方を満たすことが必要であるが、より望ましくは、両方の条件を満たすことが望ましい。
図３に示すように各部の角度を設定し、接眼光学素子２０を構成する材料の屈折率をＮとすると、以下の関係にある。
β１＝９０＋α１－ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（α１））×Ｎ）
α２＝ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（β２））／Ｎ）
β１＝β２とすると、
α１＝α２＝ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（９０＋α１－ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（α１））×Ｎ）））／Ｎ）
を満たすこととなる。
また、
δ－α２＝９０－δ
であるから、
δ＝（９０＋α２）／２
となる。

上記式から、方向条件及び割合条件の双方を満たすためには、例えば、Ｎ＝１．４９である場合には、α１＝α２＝４１．１８８度、δ＝６５．５９４度とすればよく、Ｎ＝１．５である場合には、α１＝α２＝３９．０７１度、δ＝６４．５３６度とすればよい。このように方向条件及び割合条件の双方を満たすことにより、接眼映像表示装置１は、境界が視認されることなく、視野角の広い映像を提供することができる。

以上説明したように、本実施形態の接眼映像表示装置１によれば、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２とを備えるので、視野角の広い映像を提供することができる。
また、方向条件と割合条件とのいずれか一方を満たすことにより、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２との境界線を目立たなくすることができる。
さらに、方向条件と割合条件との双方を満たすことにより、屈折レンズ領域２１と全反射レンズ領域２２との境界線が視認されないようにすることができる。
また、複数枚の光学素子を重ねて用いる必要が無いので、小型の接眼映像表示装置とすることができる。

（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。

（１）実施形態において、接眼映像表示装置１は、頭部装着型の装置である例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、頭部装着型に限らず、手で保持することにより観察する構成としてもよいし、壁面や各種装置に固定された構成としてもよい。

（２）実施形態において、表示素子１０と接眼光学素子２０とを２組備えた接眼映像表示装置１を例に挙げて説明した。これに限らず、例えば、表示素子１０と接眼光学素子２０とを１組だけ備える接眼映像表示装置としてもよい。

なお、各実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

１ 接眼映像表示装置
１０ 表示素子
１０ａ 表示面
２０ 接眼光学素子
２１ 屈折レンズ領域
２２ 全反射レンズ領域
２１０ 単位レンズ形状
２１１ 立ち上がり面
２１２ 屈折面
２２０ 単位レンズ形状
２２１ 立ち上がり面
２２２ 全反射面

Claims (4)

1. 表示素子と、
   前記表示素子の表示面側に対向して配置され前記表示素子からの光を偏向させる略平板状の接眼光学素子と、
   を備え、
   前記接眼光学素子は、光を全反射させて偏向させる全反射レンズ領域を含むフレネルレンズである接眼映像表示装置。
2. 請求項１に記載の接眼映像表示装置において、
   前記接眼光学素子は、前記全反射レンズ領域よりも中央側に設けられ光を屈折させて偏向させる屈折レンズ領域を備え、
   前記全反射レンズ領域と前記屈折レンズ領域とは境界線によって領域分けすることができ、
   前記接眼光学素子のフレネルレンズ面とは反対側の面に垂直に入射する光を垂直入射光とすると、
   前記境界線に隣接する位置の前記屈折レンズ領域により前記垂直入射光が偏向される向きと、前記境界線に隣接する位置の前記全反射レンズ領域により前記垂直入射光が偏向される向きとは、略同一方向であること、
   を特徴とする接眼映像表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の接眼映像表示装置において、
   前記接眼光学素子は、前記全反射レンズ領域よりも中央側に設けられ光を屈折させて偏向させる屈折レンズ領域を備え、
   前記全反射レンズ領域と前記屈折レンズ領域とは境界線によって領域分けすることができ、
   前記接眼光学素子のフレネルレンズ面とは反対側の面に垂直に入射する光を垂直入射光とすると、
   前記境界線に隣接する位置の前記屈折レンズ領域により前記垂直入射光が偏向されて出射する光の割合と、前記境界線に隣接する位置の前記全反射レンズ領域により前記垂直入射光が偏向されて出射する光の割合とは、略同一であること、
   を特徴とする接眼映像表示装置。
4. 請求項１に記載の接眼映像表示装置において、
   前記接眼光学素子は、前記全反射レンズ領域よりも中央側に設けられ光を屈折させて偏向させる屈折レンズ領域を備え、
   前記全反射レンズ領域と前記屈折レンズ領域とは境界線によって領域分けすることができ、
   前記接眼光学素子のフレネルレンズ面とは反対側の面に垂直に入射する光を垂直入射光とし、
   前記垂直入射光が前記境界線に隣接する位置の前記屈折レンズ領域に設けられたフレネルレンズ形状の屈折面に入射する入射角をα１とし、
   前記垂直入射光が前記境界線に隣接する位置の前記全反射レンズ領域に設けられたフレネルレンズ形状の立ち上がり面に入射する入射角をα２とし、
   前記接眼光学素子を構成する材料の屈折率をＮとしたときに、
   α１＝α２＝ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（９０＋α１－ＡＳＩＮ（（ＳＩＮ（α１））×Ｎ）））／Ｎ）
   の関係を満たすこと、
   を特徴とする接眼映像表示装置。

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