JP5530575B1 - 導光プリズムおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明の導光プリズム５は、表示素子４からの映像光を入射する入射面６ａと、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面６ｂを含む１つ以上の反射面と、出射側反射面６ｂと鋭角を成し、該出射側反射面６ｂで反射された映像光を観察者の眼球に向けて射出する射出面７と、を有する。一態様において、導光プリズム５は、出射側反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、出射側反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出して設けられたプリズム先端部９ａと、を備える。別の態様において、導光プリズム５は、映像光を眼球に向けて導光する導光部１０と、導光部１０に隣接して設けられる板状のプレート部１１と、プレート部１１上に形成され、映像光を虚像として観察させるための凸レンズ部１２とが一体形成されてなり、プレート部１２は、出射側反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、出射側反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出した部分１１ａを有する。また、本発明の画像表示装置１は、映像光を射出する表示素子４と、導光プリズム５と、表示素子４と導光プリズム５とを観察者の頭部に固定支持するための支持部２と、を備える。

Description

本発明は、表示素子からの映像光を導光し、観察者の視野内に表示画像の虚像を表示する導光プリズムと、該導光プリズムを用いた画像表示装置に関する。

近年、頭部や眼鏡に装着する、小型且つウェアラブルな画像表示装置が提案されている。そのような画像表示装置としては、例えば小型の画像表示素子に表示される画像の映像光を、透明な導光部材により眼前まで導光し、拡大された虚像として観察者の視野内に表示するものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。小型軽量な導光部材は、視界を大きく遮らず、画像表示装置全体を小型・軽量に構成することができ、常に身に着けて使用可能なウェアラブル機器としての使用が可能になる。

しかし、導光部材を小型化すると、導光部材内部の側面などで反射する迷光やゴースト光が目立ち易くなる。このため、例えば、特許文献２では、反射面とならない光学面に砂目処理を施して、迷光やゴースト光を低減している。

特開２０１０−１２２４７８号公報 特開２０１２−２０３１１３号公報

しかし、かかる砂目処理を施しても、迷光やゴースト光を完全に消去することは困難であり、また、砂目処理を行う工程が別途必要となるため、量産に際し高コストになるという問題があった。

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、導光部材として用いることのできる、迷光やゴースト光を低減した導光プリズム、および、これを用いた画像表示装置を提供することである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた。その結果、導光部材において、接眼レンズの射出面に接する先端面で反射される迷光およびゴースト光が観察者にとって非常に目障りであり、これを有効に低減することが重要であることを見出した。
そして、本発明者らは、出射側反射面と射出面との間の幅が狭くなる方向に、出射側反射面及び射出面の端部から突出したプリズム先端部を設けることにより、上記した目的を有利に達成することができるという新規知見を得て、本発明を完成するに至った。

本発明の要旨構成は、以下の通りである。
本発明の第１の態様による導光プリズムは、表示素子からの映像光を入射する入射面と、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面を含む１つ以上の反射面と、前記出射側反射面と鋭角を成し、該出射側反射面で反射された映像光を観察者の眼球に向けて射出する射出面と、前記出射側反射面と前記射出面との間の幅が狭くなる方向に、前記出射側反射面及び前記射出面の端部から突出して設けられたプリズム先端部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の導光プリズムでは、前記射出面は、レンズ面として形成され、前記プリズム先端部の前記出射側反射面及び前記射出面の端部から最も突出した面を先端面とするとき、前記先端面は、前記射出面の光軸に対して前記観察者の眼球側へ向く方向に傾斜していることが好ましい。

さらに、本発明の導光プリズムにあっては、前記プリズム先端部は、前記射出面に接する第１の面と前記出射側反射面に接する第２の面とを有し、前記第１の面と前記第２の面とが略平行であることが好ましい。

ここで、本発明の第２の態様による導光プリズムは、表示素子からの映像光を入射する入射面と、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面を含む１つ以上の反射面と、前記出射側反射面と鋭角を成し、該出射側反射面で反射された映像光を観察者の眼球に向けて射出する射出面と、を備え、前記導光プリズムは、映像光を眼球に向けて導光する導光部と、前記導光部に隣接して設けられる板状のプレート部と、前記プレート部上に形成され、映像光を虚像として観察させるための凸レンズ部とが一体形成されてなり、前記プレート部は、前記出射側反射面と前記射出面との間の幅が狭くなる方向に、前記出射側反射面及び前記射出面の端部から突出した部分を有することを特徴とする。

また、本発明の画像表示装置は、映像光を射出する表示素子と、上記の導光プリズムと、前記表示素子と前記導光プリズムとを観察者の頭部に固定支持するための支持部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、導光部材として用いることのできる、迷光やゴースト光を低減した導光プリズム、および、これを用いた画像表示装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導光プリズムを示す平面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導光プリズムを示す正面図である。 従来の導光プリズムにおける非正規光の光路の例を示す平面図である。 別の従来の導光プリズムにおける非正規光の光路の例を示す平面図である。 本発明の一実施形態にかかる導光プリズムにおける光の反射の様子を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる導光プリズムを示す平面図である。 アイリリーフ、および、射出面の寸法について説明するための図である。 本発明の第３の実施形態にかかる導光プリズムを示す部分平面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる導光プリズムを示す部分平面図である。 本発明の導光プリズムの変形例を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置１を示す斜視図である。この画像表示装置１は、眼鏡の形状を有し画像表示装置全体を観察者の頭部に固定支持するための支持部２と、支持部２のテンプル（側頭部のフレーム）に固定され表示素子４（図２参照）が内蔵された本体部３と、本体部３により一端部で支持され、他方の端部が観察者に装着した状態において観察者の眼前まで延びる導光プリズム５を備える。本体部３には、表示素子４に加え、表示素子４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２Ａは、本発明の一実施形態にかかる導光プリズム５を示す平面図であり、図２Ｂは、本発明の一実施形態にかかる導光プリズム５を示す正面図である。図２Ａ、図２Ｂに示すように、この導光プリズム５は、表示素子４からの映像光を入射する入射面６ａと、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面６ｂを含む１つ以上の反射面（図示例では、反射面は１つの出射側反射面６ｂのみ有している）と、出射側反射面６ｂと鋭角を成し、該出射側反射面６ｂで反射された映像光を観察者の眼球に向けて射出する射出面７と、を有する。この射出面７は、レンズ面として形成されている。

ここで、表示素子４は、観察すべき画像を表示する液晶表示素子や有機ＥＬ素子等であり、図１に示す本体部３内に内蔵されている。この表示素子４に表示された画像の映像光は、導光プリズム５の入射面６ａに入射するように構成されている。表示素子４と導光プリズム５の入射面６ａとの間には、表示素子４を保護するための保護窓（図示せず）を設けることが望ましい。

ここで、この導光プリズム５は、透明な樹脂からなる一方向に長いプリズムである。導光プリズム５は、映像光の進行方向である長手方向の両端に入射面６ａと反射面６ｂとを備え、入射面６ａと反射面６ｂとの間には、映像光の光路を取り囲むように、第１の側面８ａ、第２の側面８ｂ、第３の側面８ｃ、および、第４の側面８ｄを有している。観察者が画像表示装置１を装着した状態で、第１の側面８ａは観察者の正面に向いた面に位置し、第２の側面８ｂは観察者の正面の反対側に向いた面である。また、第３の側面８ｃは導光プリズムの上側の面であり、第４の側面８ｄは導光プリズム５の下側の面である。すなわち、第１の側面８ａと第２の側面８ｂとは互いに対向する面であり、第３の側面８ｃと第４の側面８ｄとは互いに対向する面である。

図２Ａ、図２Ｂでは、第１〜第４の側面８ａ〜８ｄは、平面として構成され、それぞれ入射面６ａと略直交している。しかし、第１〜第４の側面８ａ〜８ｄは多少の湾曲を有していても良く、また、反射面６ｂ側より入射面６ａ側の方が幅広に構成されていてもよい。例えば、第３の側面８ｃと第４の側面８ｄとの間の距離は、入射面６ａ側よりも反射面６ｂ側の方が狭くなるようにすることもできる。

反射面６ｂは、導光プリズム５の長手方向に対して、内側面を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６ｂは、導光プリズム５内を長手方向に進行する映像光が全反射されるように、アルミスパッタリングなどによってミラー面として形成される。なお、導光プリズム５の材料の屈折率および反射面の角度などの条件によっては、表面を反射膜でコーティングしなくとも、全反射面を形成することができる。

また、第１の側面８ａの反射面６ｂに隣接する部分には、射出面７が設けられている。射出面７は、反射面６ｂで反射された映像光の眼球への光路上に位置する凸面として形成される。この射出面７は、導光プリズム５と一体として形成される。樹脂を用いて一体成型することによって、導光プリズム５を大量且つ安価に製造することが可能になる。しかし、射出面７は、平面として形成された第１の側面８ａ上に、平凸レンズを接合して形成することも可能である。なお、図２Ａ、図２Ｂ以降の図面において、射出面７の光軸を一点鎖線で示している。光軸は、反射面６ｂで屈曲し表示素子４の中心を通る。入射面６ａと反射面６ｂとの間で、光軸の方向は、導光プリズム５の長手方向と一致している。

ここで、図２Ａ、図２Ｂにおいて、導光プリズム５の長手方向での、映像光の正規光の進行方向を前方とする。このとき、図２Ａに示すように、本実施形態の導光プリズム５にあっては、射出面７と反射面６ｂとの間に位置し、射出面７の前方側の端部Ｅ７及び反射面６ｂの前方側の端部Ｅ６よりもさらに前方側に突出した、プリズム先端部９ａをさらに有している。すなわち、この導光プリズム５は、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出して設けられたプリズム先端部９ａを有している。なお、本実施形態の導光プリズム５では、外観等に鑑みて、射出面７と反射面６ｂとの間に位置し、射出面７の後方側の端部及び反射面の後方側の端部よりもさらに後方側に突出した、プリズム先端部９ｂも同様に設けているが、さらなる小型化、軽量化のため、この後方側のプリズム先端部９ｂを有しない構成とすることもできる。プリズム先端部９ａ、９ｂの突出幅は、特には限定しないが例えば、０．５〜２ｍｍとすることができる。また、プリズム先端部９ａ、９ｂは、例えば、０．５〜１．５ｍｍの高さを有することが好ましい。

本実施形態の導光プリズム５は、図２Ａに示すように、映像光を眼球に向けて導光する導光部１０（図示例では、入射面６ａ、反射面６ｂ、第１〜第４の側面８ａ〜８ｂにより画定される部分）と、導光部１０に隣接して設けられる板状のプレート部１１と、プレート部１１上に形成され、映像光を虚像として観察させるための凸レンズ部１２とが一体形成されている。そして、プレート部１１は、導光部１０よりも前方側に突出した部分、すなわち、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出した部分である突出部１１ａ（９ａ）を有している。

また、前方側のプリズム先端部９ａは、それぞれ、図示例で側面８ａ、８ｂに略平行な２つの平坦面１３ａ、１４ａを有している。そして、前方側のプリズム先端部９ａは、２つの平坦面１３ａ、１４ａに接し、側面８ａ、８ｂに略垂直な先端面１５ａを有している。この先端面１５ａは、プリズム先端部９ａの最も前方側に位置する面、すなわち、反射面６ｂ及び射出面７の端部から最も突出した面である。一方で、後方側のプリズム先端部９ｂは、図示例で側面８ａ、８ｂに略平行な１つの平坦面１３ｂを有している。そして、後方側のプリズム先端部９ｂは、平坦面１３ｂと側面８ａとに接し、側面８ａ、８ｂに略垂直な先端面１５ｂを有している。この先端面１５ｂは、プリズム先端部９ｂの最も後方側に位置する面である。図示例では、先端面１５ａ、１５ｂを表面粗さの小さい鏡面処理された面として構成しているが、先端面１５ａのみを鏡面処理された面とすることもできる。以下、本実施形態の導光プリズム５の作用効果について説明する。

まず、図３は、従来の導光プリズム８０における非正規光の光路の例を示す平面図である。図３に示す導光プリズム８０は、接眼レンズ８１のうち射出面７に接する先端面８２を鏡面処理している。このような場合、図３に示すように、矢印Ｌ８ａで示す光線のような、一度側面８ｂで反射し、反射面６ｂで２回目の反射をしてから先端面８２に入射する非正規な光線は、浅い角度で先端面８２に入射することとなるため、先端面８２で全反射して観察者の眼球の方向に向かってしまい、非常に目障りな不要光となってしまう。一方で、図３に示す導光プリズム８０では、矢印Ｌ８ｂに示すような表示素子４から先端面８２に直接入射する非正規な光線に関しては、上述したような鏡面処理を施すことにより、眼球とは異なる方向へ光を透過させることができ、不要光を生じさせないようにすることができる。

図４は、別の従来の導光プリズム９０における非正規光の光路の例を示す平面図である。図４に示す導光プリズム９０は、接眼レンズ９１のうち射出面７に隣接する先端面９２を砂目処理している。このような場合、図４に示すように、矢印Ｌ９ａで示す光線のような、一度側面８ｂで反射し、反射面６ｂで２回目の反射をしてから先端面９２に入射する光線は、拡散により低減することはできるものの、眼球へ向かう不要光を完全に除去することはできない。加えて、矢印Ｌ９ｂに示すような、図３に示す導光プリズム８０では問題とならなかった、表示素子４から先端面９２に直接入射する非正規な光線に関しても、拡散により一部が眼球へ向かってしまうため、不要光となってしまう。

図５は、本実施形態にかかる導光プリズム５における光の反射の様子を示す平面図である。図５に示すように、この実施形態の導光プリズム５では、射出面７の前方側の端部Ｅ７及び反射面６ｂの前方側の端部Ｅ６よりもさらに前方側（すなわち、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に）に突出した、プリズム先端部９ａを有している。よって先端面１５ａが端部Ｅ７及び端部Ｅ６よりも前方に位置するため、図３、図４の矢印Ｌ８ａ、Ｌ９ａに対応する、一度側面８ｂで反射し、反射面７ｂで２回目の反射をする光線Ｌａは、先端面１５ａに当たらないようになり、射出面７側の平坦面１３ａから外部に射出されるようになる。これにより、光線Ｌａは、観察者の眼球とは異なる方向に射出されるため、不要光として観察されなくなる。また、図３、図４の矢印Ｌ８ｂ、Ｌ９ｂに対応する、光線Ｌｂについても、先端面１５ａを鏡面処理することにより、眼球とは異なる方向へ透過することとなるため、不要光とはならない。このように、本実施形態の導光プリズム５、および、これを用いた画像表示装置１によれば、迷光やゴースト光を低減することができる。

＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる導光プリズムを示す平面図である。この第２の実施形態にかかる導光プリズム５は、先端面１５ａ、１５ｂの外表面が、射出面７の光軸に対して観察者の眼球側へ向く方向に傾斜している点で、図２Ａに示す第１の実施形態にかかる導光プリズム５と異なっている。なお、図示例では、先端面１５ａ、１５ｂの双方が映像光の光軸に対して眼球側へ向く方向に傾斜しているが、先端面１５ａのみがそのように傾斜していてもよい。

本発明の導光プリズムにあっては、図６に示すように、前方側の先端面１５ａの外表面が、射出面７の光軸に対して眼球側へ向く方向に傾斜していることが好ましい。これにより、表示素子４から直接先端面１５ａに入射する光線Ｌｂの射出時の射出方向が変化し、光線Ｌｂを、より一層眼球とは異なる方向に射出させることができるからである。

ここで、図７に示すように、射出面７から観察者の瞳孔に至るまでの寸法（アイリリーフ）Ｉ（ｍｍ）は、特には限定しないが、１８〜３５ｍｍとすることが好ましく、射出面の径Ｄ（ｍｍ）は、特には限定しないが、４〜１０ｍｍとすることが好ましい。このとき、眼球の位置から先端面１５ａを直接見え難くするため、先端面１５ａを射出される映像光の光軸に対して３〜１５°傾斜させることが好ましい。

また、本発明の導光プリズムでは、図５、図６に示すように、プリズム先端部９ａは、射出面７に接する平坦面１３ａと反射面６ｂに接する平坦面１４ａとを有し、平坦面１３ａと平坦面１４ａとが略平行であることが好ましい。図３、４に示す例で、先端面８２、９２に当たっていた光線は、図５、図６に示す、本発明の実施形態による導光プリズム５では、平坦面１３ａに入射するが、この平坦面１３ａが平坦面１４ａと略平行であることにより、さらに眼球とは異なる方向に射出されるようになり、また、背景からの光が不要光として認識され難くなるからである。

＜第３の実施形態＞
図８Ａ、図８Ｂは、本発明の第３の実施形態にかかる導光プリズム５を示す部分平面図である。図８Ａ、図８Ｂにおいては、表示素子、および、導光路の入射面側の一部の図示を省略しているが、先に示した実施形態と同様に、表示素子、および、入射面を有している。図８Ａに示すように、この導光プリズム５は、反射面６ｂが導光路の内部に向かって凹に（外部に向かって凸に）湾曲した凹面鏡をなしている。また、この導光プリズム５は、射出面７及び反射面６ｂの前方側の端部Ｅ７、Ｅ６よりも前方側に突出した、プリズム先端部９ａを有している。すなわち、この導光プリズム５は、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出して設けられたプリズム先端部９ａを有している。プリズム先端部９ａは、側面８ａ、８ｂに略平行な平坦面１３ａ、１４ａを有しており、平坦面１３ａは、この場合、側面８ａと同一平面である。また、プリズム先端部９ａは、平坦面１３ａおよび平坦面１４ａに接する先端面１５ａを有している。この先端面１５ａは、鏡面処理された面として構成されている。図示の一点鎖線で示すように、映像光の正規光は、凹面鏡６ｂにより反射されて側面８ａである射出面７から眼球に向かって射出される。

図８Ａに示すように、側面８ｂと反射面７ｂとにより２回反射される光線Ｌａ、先端面１５ａには入射せず、平坦面１３ａに入射して眼球とは異なる方向へ射出されることとなるため、眼球内に入射して迷光やゴースト光を生じさせることがない。また、表示素子から直接先端面１５ａに入射する光線Ｌｂについても、先端面１５ａを鏡面処理された面として構成することにより、眼球とは異なる方向へ透過することとなるため、迷光やゴースト光を生じさせることがない。なお、本実施形態のように反射面６ｂに凹面鏡を用いる場合にあっても、図８Ｂに示すように、先端面１５ａが、射出面の光軸に対して観察者の眼球側へ向く方向に傾斜していることが好ましい。表示素子から直接先端面１５ａに入射する光線Ｌｂの射出時の射出方向が変化し、光線Ｌｂを、より一層眼球とは異なる方向に射出させることができるからである。

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。例えば、上記各実施の形態では、導光プリズムの入射側端部には、導光プリズムの長手方向と直交する入射面が設けられていたが、導光プリズムの入射側の形状はこれに限られない。図９は、図２Ａに示した第１の実施形態の導光プリズムにおいて、入射側端部を変更した場合の変形例である。この導光プリズム５では、出射側反射面６ｂに対向する位置にも、長手方向に対して傾斜した反射面６ｃを形成するとともに、観察者の手前側の第１の側面８ａの端部に入射面６ａを形成し、表示素子４を入射面６ａに対向して配置する。これにより、表示素子４から射出された映像光は、入射面６ａから導光プリズム５に入射し、反射面６ｃで反射され、導光プリズム５内を長手方向に導光される。このように入射側端部を構成しても、上記各実施の形態と同様の作用、効果が得られる。この他にも、入射側端部は種々の構成が可能である。

１ 画像表示装置
２ 支持部
３ 本体部
４ 表示素子
５ 導光プリズム
６ａ 入射面
６ｂ 反射面（出射側反射面）
６ｃ 反射面
７ 射出面
８ａ 第１の側面
８ｂ 第２の側面
８ｃ 第３の側面
８ｄ 第４の側面
９ａ プリズム先端部
９ｂ プリズム先端部
１０ 導光部
１１ プレート部
１１ａ 突出部
１２ 凸レンズ部
１３ａ、１３ｂ、１４ａ 平坦面
１５ａ 先端面
１５ｂ 先端面
Ｅ６、Ｅ７ 端部
Ｌａ、Ｌｂ 光線

Claims (5)

1. 表示素子からの映像光を入射する入射面と、
   入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面を含む１つ以上の反射面と、
   前記出射側反射面と鋭角を成し、該出射側反射面で反射された映像光を観察者の眼球に向けて射出する射出面と、
   前記出射側反射面と前記射出面との間の幅が狭くなる方向に、前記出射側反射面及び前記射出面の端部から突出して設けられたプリズム先端部と、を備えることを特徴とする、導光プリズム。
2. 前記射出面は、レンズ面として形成され、
   前記プリズム先端部の前記出射側反射面及び前記射出面の端部から最も突出した面を先端面とするとき、前記先端面は、前記射出面の光軸に対して前記観察者の眼球側へ向く方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の導光プリズム。
3. 前記プリズム先端部は、前記射出面に接する第１の面と前記出射側反射面に接する第２の面とを有し、前記第１の面と前記第２の面とが略平行であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の導光プリズム。
4. 表示素子からの映像光を入射する入射面と、
   入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面を含む１つ以上の反射面と、
   前記出射側反射面と鋭角を成し、該出射側反射面で反射された映像光を観察者の眼球に向けて射出する射出面と、を備えた導光プリズムであって、
   前記導光プリズムは、映像光を眼球に向けて導光する導光部と、前記導光部に隣接して設けられる板状のプレート部と、前記プレート部上に形成され、映像光を虚像として観察させるための凸レンズ部とが一体形成されてなり、
   前記プレート部は、前記出射側反射面と前記射出面との間の幅が狭くなる方向に、前記出射側反射面及び前記射出面の端部から突出した部分を有することを特徴とする、導光プリズム。
5. 映像光を射出する表示素子と、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の導光プリズムと、
   前記表示素子と前記導光プリズムとを観察者の頭部に固定支持するための支持部と、を備えることを特徴とする、画像表示装置。

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