JP5471986B2

JP5471986B2 - 光学部品及びそれを用いた表示装置

Info

Publication number: JP5471986B2
Application number: JP2010200112A
Authority: JP
Inventors: 真人田中; 久天藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: JP2012058404A

Description

本発明は、腰のベルトや装身具等を介して身体に纏うウエアラブルコンピュータや、ナップサックやポケットに入れて携帯できる携帯電話器等の通信機器のような、卓上以外の環境で利用可能な情報機器のためのモニタに適した表示装置に用いられる光学部品及びそれを用いた表示装置に関する。

身体に纏う形態の情報機器用の表示装置としては、眼鏡型の形態が主流となりつつある。図３は、観察者の頭部に装着される眼鏡型ディスプレイ（表示装置）を示す外観図である。また、図４は、観察者の頭部に装着される従来の眼鏡型ディスプレイの平面の概略構成を示す光路図である。
眼鏡型ディスプレイ１０１は、眼鏡と似た外観をしており、画像表示光Ｌを出射するユニット部Ｕと、ユニット部Ｕからの画像表示光Ｌを内部で反射させながら観察者の眼Ｅに導くライトガイド（光学部品）１０３と、ユニット部Ｕとライトガイド１０３とが取り付けられるフレーム部Ｆとを備える（例えば、特許文献１参照）。
なお、眼鏡型ディスプレイ１０１は右眼用であり、遠方を見ている状態の右眼Ｅの中心に原点を有したＸＹＺ座標系を定義する。Ｚ方向は観察者の前方であり、Ｙ方向は観察者の上方であり、Ｘ方向（第一の方向）は観察者の左方である。

ユニット部Ｕは、筐体（図示せず）を有し、その筐体の内部に出射方向に垂直である面に表示領域となる画像を形成して画像表示光Ｌを出射する透過型液晶表示器（表示素子）２１と、観察対象の虚像を形成する光学系２２と、光源（図示せず）とを有する出射機構２０と、出射機構２０に画像信号を出力する制御部（図示せず）とを備える。
透過型液晶表示器２１は、制御部からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域となる画像を形成し、その画像表示光Ｌを出射する。
光学系２２は、表示領域の全範囲の画像表示光Ｌを透過させる光学素子を有する。そして、光学系２２は、透過型液晶表示器２１の前方に配置されている。これにより、光学系２２は、表示領域の全範囲の画像表示光Ｌを透過させながら、観察対象の虚像を形成する。

ライトガイド１０３は、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の基板と、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の基板とが、光学ガラス用接着剤（商品名「ＵＴ２０」、屈折率：１．５１５）を介して貼り合わせられることにより、平板形状の基板と接着層とがＸ方向（第一の方向）に交互に積層されたものである。具体的には、ライトガイド１０３は、第一の基板１３１と第一の接着層１４１と第二の基板１３２と第二の接着層１４２と第三の基板１３３と第三の接着層１４３と第四の基板１３４と第四の接着層１４４と第五の基板１３５とがこの順で積層されている。
そして、５枚の基板１３１〜１３５と４つの接着層１４１〜１４４とは、Ｘ方向（第一の方向）に対して傾斜している。例えば、Ｘ方向に対する平板形状の基板１３１〜１３５の角度と、Ｘ方向に対する接着層１４１〜１４４の角度とは、ともにＹ方向から見るとα（例えば、２４°）となっている。

また、５枚の基板１３１〜１３５の第一の側面１３１ａ〜１３５ａと、４つの接着層１４１〜１４４の第一の側面１４１ａ〜１４４ａとで、Ｘ方向（第一の方向）と平行な第一面１０３ａが形成されるとともに、５枚の基板１３１〜１３５の第二の側面１３１ｂ〜１３５ｂと、４つの接着層１４１〜１４４の第二の側面１４１ｂ〜１４４ｂとで、第一面１０３ａとＺ方向で対向する第二面１０３ｂが形成されている。
これにより、ライトガイド１０３は、第一面１０３ａと、第一面１０３ａとＺ方向で対向する第二面１０３ｂとを有する。

そして、第三の基板１３３の片側表面と第四の基板１３４の片側表面と第五の基板１３５の片側表面とに、ビームスプリッタコートが施されていることにより、第二の接着層１４２と第三の基板１３３との界面と、第三の接着層１４３と第四の基板１３４との界面と、第四の接着層１４４と第五の基板１３５との界面とは、入射した画像表示光Ｌの光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の設定割合を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。具体的には、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過することが可能となっている。
つまり、ライトガイド１０３は、Ｘ方向において順番に、平面形状の第一ビームスプリッタ面と、平面形状の第二ビームスプリッタ面と、平面形状の第三ビームスプリッタ面とを有する。

また、第二の基板１３２の片側表面に、全反射コートが施されていることにより、第一の接着層１４１と第二の基板１３２との界面は、入射した画像表示光Ｌの光束の全部を反射することが可能な反射面となっている。
つまり、ライトガイド１０３は、Ｘ方向において、平面形状の第一ビームスプリッタ面の前に、反射面を有する。
そして、出射機構２０の前方（Ｚ方向）に反射面が配置されるとともに、観察者の眼Ｅの前方（Ｚ方向）にビームスプリッタ面が配置されるように、ライトガイド１０３はフレーム部Ｆに取り付けられている。

このような眼鏡型ディスプレイ１０１において、まず、出射機構２０からの表示領域の画像表示光Ｌをライトガイド１０３の内部に第二面１０３ｂから入射させる。
次に、反射面は、画像表示光Ｌを略Ｘ方向（第一の方向）へと反射させる。そして、第一面１０３ａと第二面１０３ｂとは、表示領域の画像表示光Ｌを交互に複数回反射しながら、第一ビームスプリッタ面に導く。そこで、第一ビームスプリッタ面は、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過する。つまり、画像表示光Ｌの光束の１９．０％である画像表示光Ｌａの光束を、観察者に向かって導く。

また、第一ビームスプリッタ面を透過した画像表示光Ｌは、第二ビームスプリッタ面に到達する。そこで、第二ビームスプリッタ面は、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過する。つまり、画像表示光Ｌの光束の１５．４％である画像表示光Ｌｂの光束を観察者に向かって導く。
さらに、第二ビームスプリッタ面を透過した画像表示光Ｌは、第三ビームスプリッタ面に到達していき、各ビームスプリッタ面は、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過していく。

特表２００３−５３６１０２号公報

ところで、このような眼鏡型ディスプレイ１０１に用いられるライトガイド１０３は、基板と基板とが接着剤を介して貼り合わせられることにより作製されている。そして、貼り合わせられた後、切断機等で切り出されることにより、５枚の基板１３１〜１３５の第一の側面１３１ａ〜１３５ａと、４つの接着層１４１〜１４４の第一の側面１４１ａ〜１４４ａとで、第一面１０３ａが形成されるとともに、５枚の基板１３１〜１３５の第二の側面１３１ｂ〜１３５ｂと、４つの接着層１４１〜１４４の第二の側面１４１ｂ〜１４４ｂとで、第二面１０３ｂが形成されている。さらに、第一面１０３ａと第二面１０３ｂとは、画像表示光Ｌを反射させるために研磨機等で光学研磨が施される。

しかしながら、基板を形成する光学ガラスより、接着層は削れ易いため、第一面１０３ａと第二面１０３ｂとを形成する際に、切断機等で切り出したり、研磨機等で光学研磨したりすることで、接着層１４１〜１４４の第一の側面１４１ａ〜１４４ａと第二の側面１４１ｂ〜１４４ｂとが削れすぎることがあった。図５は、図４に示すＢの拡大図である。このようなライトガイド１０３によれば、削れすぎにより平面が崩れた部分によって迷光が発生することで、観察者が観察する画像にぼけが生じるという問題があった。
そこで、本発明は、観察者が観察する画像にぼけが生じない光学部品及びそれを用いた表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の光学部品は、平板形状の基板と平板形状の基板とが接着剤を介して貼り合わせられた後、切り出されることにより、当該基板と接着層とが第一の方向に交互に積層された光学部品であって、前記平板形状の基板及び接着層は、前記第一の方向に対して傾斜しており、前記基板の第一の側面と接着層の第一の側面とで、前記第一の方向と平行な第一面が形成されるとともに、前記基板の第二の側面と接着層の第二の側面とで、前記第一面と対向する第二面が形成されており、前記接着層の第一の側面及び／又は接着層の第二の側面に、前記接着剤が塗布された後、補足基板が前記接着剤によって接着されており、前記基板の欠け又は削れを補修するように前記接着剤が充填されているようにしている。

ここで、「第一の方向」とは、設計者等によって予め決められた任意の一方向であり、例えば、観察者の左方や、観察者の右方や、観察者の上方や、観察者の下方等となる。
本発明の光学部品によれば、切断機等で切り出したり研磨機等で光学研磨したりして、接着層の第一の側面や第二の側面が削れても、その後、接着層の第一の側面や第二の側面に接着剤を介して補足基板が接着されるので、削れた部分が補修される。

以上のように、本発明の光学部品によれば、観察者が観察する画像にぼけが生じない。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記基板の屈折率と接着剤の屈折率との差は０．０１以下であるようにしてもよい。
また、上記の発明において、前記基板は光学ガラス製であり、前記接着剤は光学用接着剤であるようにしてもよい。

そして、本発明の表示装置は、上述したような光学部品と、画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構とを備える表示装置であって、前記光学部品の内部に出射機構からの画像表示光を入射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を第一の方向へと反射させながら基板と接着層との界面に導き、当該界面から画像表示光を観察者の眼に導くようにしている。

また、上記の発明において、前記界面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能なビームスプリッタ面であるようにしてもよい。
ここで、「設定割合」とは、設計者等によって予め決められた任意の割合であり、例えば、入射した画像表示光の光束の１９％を反射するとともに、画像表示光の光束の８１％を透過するように決められる。

本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイの平面の概略構成を示す光路図である。図１に示すＡの拡大図である。観察者の頭部に装着される眼鏡型ディスプレイを示す外観図である。観察者の頭部に装着される従来の眼鏡型ディスプレイの平面の概略構成を示す光路図である。図４に示すＢの拡大図である。本発明の他の実施形態である眼鏡型ディスプレイの平面の概略構成を示す光路図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイ（表示装置）の平面の概略構成を示す光路図である。なお、既述した眼鏡型ディスプレイ１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
眼鏡型ディスプレイ１は、眼鏡と似た外観をしており、画像表示光Ｌを出射するユニット部Ｕと、ユニット部Ｕからの画像表示光Ｌを内部で反射させながら観察者の眼Ｅに導くライトガイド（光学部品）３と、ユニット部Ｕとライトガイド３とが取り付けられるフレーム部Ｆとを備える。

ライトガイド３は、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の基板と、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の基板とが、光学ガラス用接着剤（商品名「ＵＴ２０」、屈折率：１．５１５）を介して貼り合わせられることにより、平板形状の基板と接着層とがＸ方向（第一の方向）に交互に積層されたものである。具体的には、ライトガイド３は、第一の基板３１と第一の接着層４１と第二の基板３２と第二の接着層４２と第三の基板３３と第三の接着層４３と第四の基板３４と第四の接着層４４と第五の基板３５とがこの順で積層されている。
そして、５枚の基板３１〜３５と４つの接着層４１〜４４とは、Ｘ方向（第一の方向）に対して傾斜している。例えば、Ｘ方向に対する平板形状の基板３１〜３５の角度と、Ｘ方向に対する接着層４１〜４４の角度とは、ともにＹ方向から見るとα（例えば、２４°）となっている。

また、５枚の基板３１〜３５の第一の側面３１ａ〜３５ａと、４つの接着層４１〜４４の第一の側面４１ａ〜４４ａとで、Ｘ方向（第一の方向）と平行な第一面３ａが形成されるとともに、５枚の基板３１〜３５の第二の側面３１ｂ〜３５ｂと、４つの接着層４１〜４４の第二の側面４１ｂ〜４４ｂとで、第一面３ａとＺ方向で対向する第二面３ｂが形成されている。
これにより、ライトガイド３は、第一面３ａと、第一面３ａとＺ方向で対向する第二面３ｂとを有する。

そして、第三の基板３３の片側表面と第四の基板３４の片側表面と第五の基板３５の片側表面とに、ビームスプリッタコートが施されていることにより、第二の接着層４２と第三の基板３３との界面と、第三の接着層４３と第四の基板３４との界面と、第四の接着層４４と第五の基板３５との界面とは、入射した画像表示光Ｌの光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の設定割合を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。具体的には、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過することが可能となっている。
つまり、ライトガイド３は、Ｘ方向において順番に、平面形状の第一ビームスプリッタ面と、平面形状の第二ビームスプリッタ面と、平面形状の第三ビームスプリッタ面とを有する。

また、第二の基板３２の片側表面に、全反射コートが施されていることにより、第一の接着層４１と第二の基板３２との界面は、入射した画像表示光Ｌの光束の全部を反射することが可能な反射面となっている。
つまり、ライトガイド３は、Ｘ方向において、平面形状の第一ビームスプリッタ面の前に、反射面を有する。
そして、出射機構２０の前方（Ｚ方向）に反射面が配置されるとともに、観察者の眼Ｅの前方（Ｚ方向）にビームスプリッタ面が配置されるように、ライトガイド３はフレーム部Ｆに取り付けられている。

また、ライトガイド３の第一面３ａには、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の補正基板５２が、光学ガラス用接着剤（商品名「ＵＴ２０」、屈折率：１．５１５）６２を介して貼り合わせられている。また、ライトガイド３の第二面３ｂには、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の補正基板５１が、光学ガラス用接着剤（商品名「ＵＴ２０」、屈折率：１．５１５）６１を介して貼り合わせられている。
このような補正基板５２は、第一面３ａが研磨機等で光学研磨された後に、第一面３ａに接着剤が塗布されて接着されている。つまり、接着層４１〜４４の第一の側面４１ａ〜４４ａが削れても、削れた部分に接着剤が入り込み、削れた部分が補修されることになる。
また、補正基板５１も、第二面３ｂが研磨機等で光学研磨された後に、第二面３ｂに接着剤が塗布されて接着されている。また、補正基板５２の片側表面に、全反射コートが施されていることにより、空気と補正基板５２との界面は、入射した画像表示光Ｌの光束の全部を反射することが可能な反射面となっている。

このような眼鏡型ディスプレイ１において、まず、出射機構２０からの表示領域の画像表示光Ｌをライトガイド３の内部に第二面３ｂから入射させる。
次に、反射面は、画像表示光Ｌを略Ｘ方向（第一の方向）へと反射させる。そして、補正基板５１と補正基板５２とは、各基板の空気層との界面で、表示領域の画像表示光Ｌを交互に複数回反射しながら、第一ビームスプリッタ面に導く。そこで、第一ビームスプリッタ面は、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過する。つまり、画像表示光Ｌの光束の１９．０％である画像表示光Ｌａの光束を、観察者に向かって導く。

以上のように、眼鏡型ディスプレイ１によれば、接着層４１〜４４の第一の側面４１ａ〜４４ａや第二の側面４１ｂ〜４４ｂに接着剤を介して補正基板５１、５２が接着されるので、削れた部分が補修されることとなり、観察者が観察する画像にぼけが生じない。

＜他の実施形態＞
上述した眼鏡型ディスプレイは、観察者の頭部や腕等の身体や、身体に装着されるヘルメットや眼鏡等に、ヘッドセット、ベルト、バンド、クリップ等を介して装着されたり、携帯電話や腕時計等の各種携帯機器に装着されたり、手に持った状態で使用されたりしてもよい。また、観察者に装着されるヘッドマウントディスプレイのような形態に限らず、観察者の前方に設置するヘッドアップディスプレイのような形態であってもよい。

また、画像表示光を観察者の両方の眼に導くようにしてもよい。
また、上述した眼鏡型ディスプレイにおいて、Ｘ方向と第一の方向とは一致するような構成を示したが、Ｘ方向と第一の方向とは一致しないような構成としてもよく、第一の方向は任意の一方向とすることができる。

上述した眼鏡型ディスプレイにおいて、ライトガイド３の各ビームスプリッタ面が、入射した画像表示光Ｌの光束の１９％を反射するとともに、画像表示光Ｌの光束の８１％を透過するビームスプリッタ面であるような構成を示したが、ライトガイドの各ビームスプリッタ面が、それぞれ異なる割合を反射するとともに、それぞれ異なる割合を透過するビームスプリッタ面であるような構成としてもよい。

上述した眼鏡型ディスプレイ１では、ライトガイド３を用いる構成を示したが、図６に示すライトガイド２０３を用いるような構成としてもよい。ライトガイド２０３の各接着層２４１〜２４４の第一の側面２４１ａ〜２４４ａには、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の補正基板２５２が、光学ガラス用接着剤（商品名「ＵＴ２０」、屈折率：１．５１５）を介してそれぞれ貼り合わせられている。また、ライトガイド２０３の各接着層２４１〜２４４の第二の側面２４１ｂ〜２４４ｂには、平板形状の光学ガラス（商品名「ＢＫ７」、屈折率：１．５１７）の補正基板２５１が、光学ガラス用接着剤（商品名「ＵＴ２０」、屈折率：１．５１５）を介してそれぞれ貼り合わせられている。

本発明は、卓上以外の環境で使用する情報機器等に利用することができる。

３ライトガイド（光学部品）
３ａ第一面
３ｂ第二面
３１〜３５基板
３１ａ〜３５ａ基板の第一の側面
３１ｂ〜３５ｂ基板の第二の側面
４１〜４４接着層
４１ａ〜４４ａ接着層の第一の側面
４１ｂ〜４４ｂ接着層の第二の側面
５１、５２補足基板
Ｌ画像表示光
Ｅ観察者の眼

Claims

平板形状の基板と平板形状の基板とが接着剤を介して貼り合わせられた後、切り出されることにより、当該基板と接着層とが第一の方向に交互に積層された光学部品であって、
前記平板形状の基板及び接着層は、前記第一の方向に対して傾斜しており、
前記基板の第一の側面と接着層の第一の側面とで、前記第一の方向と平行な第一面が形成されるとともに、前記基板の第二の側面と接着層の第二の側面とで、前記第一面と対向する第二面が形成されており、
前記接着層の第一の側面及び／又は接着層の第二の側面に、前記接着剤が塗布された後、補足基板が前記接着剤によって接着されており、前記基板の欠け又は削れを補修するように前記接着剤が充填されていることを特徴とする光学部品。
前記基板の屈折率と接着剤の屈折率との差は０．０１以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
前記基板は光学ガラス製であり、
前記接着剤は光学用接着剤であることを特徴とする請求項２に記載の光学部品。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学部品と、
画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構とを備える表示装置であって、
前記光学部品の内部に出射機構からの画像表示光を入射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を第一の方向へと反射させながら基板と接着層との界面に導き、当該界面から画像表示光を観察者の眼に導くことを特徴とする表示装置。
前記界面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能なビームスプリッタ面であることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。