JP6147311B2 - 半透過型反射シート、表示装置 - Google Patents
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Description
このような頭部装着型の表示装置は、例えば、映像源に対向する位置に導光板を配置して、映像源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て、反射層を介して観察者側へ反射させている。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、映像光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。
このような単位光学形状を有した導光板は、例えば、単位光学形状を形成した層の面上に、単位光学形状を覆うようにして別な層を形成することによって製造される。そのため、導光板は、単位光学形状の各面を境界として背面側の層と観察者側(出光側)の層とで構成されることとなる。背面側の層と観察者側の層とは、透過する光の屈折等を回避するために、同等の屈折率で形成されることとなるが、同じ材料を使用したとしても屈折率に微小な差異が生じてしまう場合がある。また、導光板の構成によっては、同じ樹脂を使用することができなくなったり、同じ条件で成形することができなくなったりするため、屈折率を完全に同じにすることができない場合もある。
請求項1の発明は、背面から外界の光を透過するとともに、映像光を反射して出光面から前記映像光及び前記外界の光を出光する半透過型反射シート(20)であって、単位光学形状(30)が複数配列された第1光学形状層(22)と、前記出光面を有し、前記第1光学形状層の前記単位光学形状側の面に積層される第2光学形状層(23)とを備え、前記第1光学形状層及び前記第2光学形状層は、微小な屈折率差を有し、前記単位光学形状は、前記出光面に対して傾斜した第1傾斜面(30a)と、前記第1傾斜面に対向し、前記出光面に対して傾斜した第2傾斜面(30b)とから構成され、前記映像光が出光する方向に平行であって前記単位光学形状の配列方向に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、前記第1傾斜面は、当該半透過型反射シートの厚み方向において、当該半透過型反射シートに入射した映像光が進行する側の進行側端部が、前記進行側端部とは反対側の端部よりも前記出光面側に配置されており、前記第1傾斜面にのみ、入射した光のうち一部を鏡面反射し、入射した光のうちその他を透過し、光反射性を有する金属により構成される半透過型反射層(25)が形成されており、前記第2傾斜面には、微細な凹凸形状が形成され、前記半透過型反射層は、前記第1傾斜面上に一様に形成されていること、を特徴とする半透過型反射シートである。
請求項2の発明は、請求項1に記載の半透過型反射シート(20)において、前記凹凸形状は、単位形状(31)が前記第2傾斜面(30b)に沿って該半透過型反射シートの厚み方向に複数配列しており、前記単位形状の配列ピッチをP2とし、前記単位形状の底部と頂部との距離をh2とし、A=h2/P2としたときに、0.05≦A≦0.5を満たすこと、特徴とする半透過型反射シートである。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の半透過型反射シート(20)と、前記半透過型反射シートに映像光を出射する映像源(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、正面方向)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。本実施形態では、半透過型反射シートを導光板20に適用した例で説明する。
投射光学系12は、映像源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、映像源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30(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る。図2(a)は、図1のa部詳細図であり、導光板20の層構成を示す。図2(b)は、図2(a)のb部詳細を示す図である。
図2(a)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30は、鉛直方向(Z方向)に延在し、映像光の導光方向(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30は、観察者側(−Y側)に凸になるようにして、映像光が出光する方向(導光板20の厚み方向、Y方向)に平行であって単位光学形状部30の配列方向(X方向)に平行な断面(XY面)における断面形状が略三角形状、いわゆるプリズム形状に形成されている。したがって、単位光学形状部30は、第1傾斜面30aと、この第1傾斜面30aよりも映像光の進行する側(+X側)に、第1傾斜面30aと対向して設けられた第2傾斜面30bとから構成される。
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1傾斜面30aは、第1全反射面20bを全反射した映像光が直接入射する面であり、その+X側の端部が、−X側の端部よりも観察者(出光)側(−Y側)に位置している。第1傾斜面30aには、反射層(半透過型反射層)25が設けられている。
第2傾斜面30b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+X側の端部が、−X側の端部よりも背面側(+Y側)に位置している。
なお、第2光学形状層23の観察者側に設けられる基材部21を省略して、第2光学形状層23の観察者側の面を導光板20の出光面にしてもよい。
また、単位光学形状部30の配列ピッチは、Pであり、単位光学形状部30の高さ(導光板の厚み方向(Y方向)における単位光学形状部30の頂部tから単位光学形状部30間の谷底となる部位vまでの寸法)は、hである。なお、配列ピッチPは、単位光学形状部30の配列方向(X方向)における幅寸法と同等である。
本実施形態の単位光学形状部30は、配列ピッチPが一定であり、また、角度β=90°で一定であるが、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り、また、それに伴い高さhも大きくなっている例で説明するが、これに限定されるものでない。例えば、配列ピッチPや角度α、角度β、高さhが一定に形成されるようにしてもよい。
ここで、第1光学形状層22と第2光学形状層23とは、基本的には、同一の材料等で形成することによって、両層の屈折率が同等になるように形成されているが、微小な屈折率差(例えば、1/1000以下)が生じてしまう場合がある。例えば、第1光学形状層の屈折率が第2光学形状層の屈折率よりも大きい場合、図3(a)に示すように、第1光学形状層を透過した外界の光の一部G10が、第2傾斜面において全反射してしまい、出光面の法線方向に対して若干傾斜した状態で観察者側へと届いてしまう。また、第1光学形状層の屈折率が第2光学形状層の屈折率よりも小さい場合、図3(b)に示すように、第1光学形状層及び第2光学形状層を透過した外界の光の一部G11が、第2傾斜面において全反射してしまい、出光面の法線方向に対して若干傾斜した状態で観察者側へと届いてしまう。このように、出光面の法線方向に対して若干傾斜した状態で外界の光が観察者側に届いてしまうと、正面方向へ出光する外界の光G0の近傍に、この若干傾斜した状態の外界の光G10や、光G11が出光してしまい、2重像、いわゆるゴーストが生じて観察者によって視認される外界の光が不鮮明になってしまう。
この微細な凹凸形状は、図2(b)に示すように、第2傾斜面30bから凸となって鉛直方向(Z方向)に延在する単位形状31が、第2傾斜面30bに沿って導光板20の厚み方向(Y方向)に複数配列されることによって構成されている。
仮に、アスペクト比Aが0.05よりも小さい場合、第2傾斜面30bにおいて外界の光が全反射し易くなり、ゴースト発生の抑制効果が低下してしまうので望ましくない。また、アスペクト比Aが0.5よりも大きい場合、一部の映像光が斜面31bに入射してしまう可能性があり望ましくない。
なお、上述のゴースト発生の要因となる全反射を十分に抑制する観点から、第2傾斜面30bにおける単位形状31の斜面31a及び31bの比率は、30%以上であることが望ましい。
また、本実施形態では、単位形状31の配列ピッチP2及び高さh2が一定である例を示すが、これに限定されるものでなく、配列ピッチP2及び高さh2が第2傾斜面30bの位置に応じて変動するようにしてもよい。
このように角度θ1、角度θ2がそれぞれ上記範囲を満たすことによって、斜面31a、斜面31bにおいて外界の光が全反射してしまうのをより確実に抑制することができる。これにより、観察者の左右端側(−X側端部、+X側端部)から入射する外光の光が、観察者の正面側に届いてしまうのを抑制し、ゴーストの発生をより効果的に抑制することができる。
本実施形態の単位形状31は、その配列ピッチP2が1μm、高さh2が0.18μmに形成、すなわちアスペクト比がA=0.18であり、θ1=θ2=約19.8°に形成されている。
反射層25は、単位光学形状部30の第1傾斜面30aの面上に光反射性の高い金属、例えば、アルミニウムや、銀、ニッケル等により形成されている。本実施形態では反射層25は、アルミニウムを蒸着することにより形成されている。また、これに限らず反射層25は、光反射性の高い金属をスパッタリングしたり、金属箔を転写したり、金属薄膜を含有した塗料を塗布したりする等により形成されてもよい。
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30aの角度αは、20°≦α≦35°の範囲内に、単位光学形状部30の高さhは、20μm≦h≦700μmの範囲内に形成されるのが望ましい。また、単位光学形状部30の配列ピッチPは、50μm≦P≦1000μmの範囲内で形成されるのが望ましい。
図4は、第2傾斜面を透過する外界の光の軌跡を説明する図であり、図2(b)に対応する図である。
図1に示すように、映像源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30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又は少なく全反射を繰り返すようにしてもよい。
また、第2傾斜面30bに入射した外界の光の一部は、微細な凹凸形状によって拡散し、そのほとんどが観察者側に届くことはない。また、他の一部G2は、図4に示すように、全反射することなく第2傾斜面30bを透過して、第1全反射面20b(出光面)から観察者の正面から離れた位置に向けて出光し、観察者に視認されることはない。更に、第1光学形状層22の屈折率が第2光学形状層23よりも大きい場合、第1光学形状層22の背面に(+Y側の面)に対して入射角度が大きい状態で入射する外界の光G3は、第2傾斜面30b(斜面31b)において全反射するが、これも第1全反射面20b(出光面)から観察者の正面から離れた位置に向けて出光すし、観察者に視認されることはない。
図5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4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5(a)に示すように、単位光学形状部30に対応する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。
次に、図5(b)に示すように、単位光学形状部30の第1傾斜面30a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等することによって形成されるようにしてもよい。
次に、図5(d)に示すように、この単位光学形状部30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。
また、本実施形態の導光板20は、微細な凹凸形状を構成する単位形状31の配列ピッチをP2とし、単位形状31の底部bと頂部pとの距離をh2とし、これらのアスペクト比をA=h2/P2としたときに、0.05≦A≦0.5を満たす。これにより、第2傾斜面30bに入射した光の多くが、第2傾斜面30bにおいて全反射してしまうのをより効率よく抑制し、観察者の正面から離れた位置へ出射させることができる。
図6は、変形形態の第2傾斜面の形状を示す図である。図6の各図は、図2(b)に対応する図である。
図7は、変形形態の半透過型反射シートを説明する図である。
(1)上述の実施形態において、第2傾斜面30bの微細な凹凸形状を構成する単位形状31は、XY面に平行な断面における断面形状が、略三角形状に形成される例を説明したが、これに限定されるものでない。単位形状31は、例えば、図6(a)に示すように、同断面形状が波状(正弦波状)に形成されるようにしてもよい。この場合、単位形状31は、曲面31aと曲面31bとから構成され、曲面31aと導光板20の出光面(XZ面)の法線方向とがなす平均角度がθ1となり、曲面31bと導光板20の出光面(XZ面)の法線方向とがなす平均角度がθ2となる。
また、単位形状31は、図6(b)に示すように、同断面形状が台形状に形成されるようにしてもよい。この場合、単位形状31は、斜面31aと、斜面31bと、両斜面の間に形成される平坦面31cとから構成され、斜面31aと導光板20の出光面(XZ面)の法線方向とがなす角度がθ1となり、斜面31bと導光板20の出光面(XZ面)の法線方向とがなす角度がθ2となる。微細な凹凸形状の単位形状31を以上のような形態にしても、上述の導光板20と同様の効果を奏することができる。
また、自動車等のフロントウィンドウに搭載されるヘッドアップディスプレイや、背景等の外界の光を透過するスクリーン等に適用することも可能である。
更に、半透過型反射シートをコンバイナー等の大型の虚像投影に適用する場合、単位光学形状部は、フレネルレンズ形状に形成されるようにしてもよい。
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出光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 映像源
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
23 第2光学形状層
24 接合層
25 反射層
27 反射膜
30 単位光学形状部
30a 第1傾斜面
30b 第2傾斜面
31 単位形状
31a、31b 斜面
E 観察者の眼
Claims (3)
- 背面から外界の光を透過するとともに、映像光を反射して出光面から前記映像光及び前記外界の光を出光する半透過型反射シートであって、
単位光学形状が複数配列された第1光学形状層と、
前記出光面を有し、前記第1光学形状層の前記単位光学形状側の面に積層される第2光学形状層とを備え、
前記第1光学形状層及び前記第2光学形状層は、微小な屈折率差を有し、
前記単位光学形状は、前記出光面に対して傾斜した第1傾斜面と、前記第1傾斜面に対向し、前記出光面に対して傾斜した第2傾斜面とから構成され、前記映像光が出光する方向に平行であって前記単位光学形状の配列方向に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、
前記第1傾斜面は、当該半透過型反射シートの厚み方向において、当該半透過型反射シートに入射した映像光が進行する側の進行側端部が、前記進行側端部とは反対側の端部よりも前記出光面側に配置されており、
前記第1傾斜面にのみ、入射した光のうち一部を鏡面反射し、入射した光のうちその他を透過し、光反射性を有する金属により構成される半透過型反射層が形成されており、
前記第2傾斜面には、微細な凹凸形状が形成され、
前記半透過型反射層は、前記第1傾斜面上に一様に形成されていること、
を特徴とする半透過型反射シート。 - 請求項1に記載の半透過型反射シートにおいて、
前記凹凸形状は、単位形状が前記第2傾斜面に沿って該半透過型反射シートの厚み方向に複数配列しており、
前記単位形状の配列ピッチをP2とし、前記単位形状の底部と頂部との距離をh2とし、A=h2/P2としたときに、
0.05≦A≦0.5を満たすこと、
を特徴とする半透過型反射シート。 - 請求項1又は請求項2に記載の半透過型反射シートと、
前記半透過型反射シートに映像光を出射する映像源と、
を備える表示装置。
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