JP6777358B2 - 装着型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、導光プリズムを有する装着型映像表示装置に関する。

近年、映像表示素子を用いた装着型の映像表示装置が注目されている。装着型映像表示装置の例として、眼鏡に備えられたものが挙げられる。導光手段としてプリズムを用いており、プリズムは、映像表示媒体からの映像光を使用者の瞳に導き、結像する役割を担っている。

導光手段として用いられるプリズムは使用者の視界上に備えられるという性質上、小型化及び薄型化が進められている。しかしながら、そうしたプリズムの小型化及び薄型化に伴って、プリズム内部では不要な反射光が生じ、本来必要とされる映像光以外の光による像（以下、ゴーストと記載）を使用者の瞳に結像してしまう場合がある。したがって、小型のプリズムを備えた装着型映像表示装置において、上述のような不要光を除去することが大きな課題として挙げられていた。

従来においても不要光を除去するための技術が開示されており、例えば、特許文献１に開示された技術では、導光プリズムに遮光部を設けることで、不要光の除去を行っている。特許文献２に開示された技術では、導光プリズム内の全反射面において、映像光と不要光の入射角の違いを利用して不要光を除去している。

特開２０１５−１３５５０６号公報 特開平１０−３０７２６３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、導光手段に設けられた遮光部によって導光手段を通しての視界を阻害され、良好な視界を確保できないといった問題が生じる。また、全反射面における入射角の違いを利用した不要光除去技術では、映像光に近似した角度で発生する不要光は十分に除去されず、視野内にゴーストが残ってしまう可能性がある。

したがって、本発明は、良好な視界を確保し、且つ、ゴーストの原因となる不要光を十分に除去することができる装着型映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、虚像を形成する映像光を、接眼窓を通じて使用者の眼球に射出する装着型映像表示装置において、第１の光学面と、端部を前記第１の光学面に鋭角で隣接させた第２の光学面と、を有した、略Ｌ字型の光軸が通る、棒状の導光プリズムと、前記第１の光学面に備えられた正の屈折力をもつ接眼窓と、前記映像光の光線を射出する映像表示素子と、を有し、前記略Ｌ字型の光軸は、前記第２の光学面でフレネルの反射により屈曲し、前記映像表示素子の表示領域の法線方向に前記映像表示素子の表示領域から射出される光線の前記第２の光学面における入射角をθ_ｔ、前記導光プリズムの臨界角をθ_ｃ、前記略L字型の光軸が通る平面内における前記虚像の半画角をＷｖ、前記導光プリズムの屈折率をｎ、前記映像表示素子の中心を通り、且つ前記法線方向に前記映像表示素子から射出される光線と、前記第１の光学面との間の距離をｈ、前記接眼窓と前記接眼窓から前記導光プリズムを通して見える前記映像表示素子の虚像との距離をＬとすると、前記θ_ｔは、以下の条件式を満たすことを特徴とする装着型映像表示装置を提供する。
θ_ｃ+Ｗｖ/ｎ−０．０４＜θ_ｔ＜θ_ｃ+２ｈ/Ｌ−０．０４ (ｒａｄ)
本発明の別の態様は、虚像を形成する映像光を、接眼窓を通じて使用者の眼球に射出する装着型映像表示装置において、第１の光学面と、端部を前記第１の光学面に鋭角で隣接させた第２の光学面と、を有した、略Ｌ字型の光軸が通る、棒状の導光プリズムと、前記第１の光学面に備えられた正の屈折力をもつ接眼窓と、前記映像光の光線を射出する映像表示素子と、を有し、前記略Ｌ字型の光軸は、前記第２の光学面でフレネルの反射により屈曲し、前記映像表示素子は、前記第２の光学面におけるＳ偏光を減光する偏光板を有することを特徴とする装着型映像表示装置を提供する。
本発明の更に別の態様は、虚像を形成する映像光を、接眼窓を通じて使用者の眼球に射出する装着型映像表示装置において、第１の光学面と、端部を前記第１の光学面に鋭角で隣接させた第２の光学面と、を有した、略Ｌ字型の光軸が通る、棒状の導光プリズムと、前記第１の光学面に備えられた正の屈折力をもつ接眼窓と、前記映像光の光線を射出する映像表示素子と、前記映像表示素子と前記導光プリズムとの間に配置された、前記第２の光学面におけるＳ偏光を減光する偏光板と、を有し、前記略Ｌ字型の光軸は、前記第２の光学面でフレネルの反射により屈曲することを特徴とする装着型映像表示装置を提供する。

本発明によれば、良好な視界を確保し、且つ、ゴーストの原因となる不要光を十分に除去することができる。

第１の実施形態の装着型映像表示装置１を眼鏡に装着した様子を示した図である。 第１の実施形態の装着型映像表示装置１を眼鏡に装着した別の様子を示した図である。 第１の実施形態の装着型映像表示装置１の俯瞰概略図である。 導光プリズム３が視野中央寄りに映るように設置された場合における、第１の実施形態の装着型映像表示装置１の接眼窓６を通じた使用者の視野に映る像を示す図である。 導光プリズム３が視野中央に対し筐体寄りに映るように設置された場合における、第１の実施形態の装着型映像表示装置１の接眼窓６を通じた使用者の視野に映る像を示す図である。 第１の実施形態における装着型映像表示装置１の断面図である。 第２の光学面５における光線５１の入射角θｔが、臨界角θｃと等しい場合に接眼窓６を通じた使用者の視野に映る像を示した図である。 第２の光学面５における光線５１の入射角θｔが、臨界角θｃより大きい場合に接眼窓６を通じた使用者の視野に映る像を示した図である。 第２の光学面５における光線５１の入射角θｔが、臨界角θｃより小さい場合に接眼窓６を通じた使用者の視野に映る像を示した図である。 第１の実施形態の変形例である装着型映像表示装置２１の断面図である。 第２の実施形態における装着型映像表示装置３１の断面図である。 第２の光学面５における光線５１の入射角θｔに対する反射率の変化のグラフである。 第３の実施形態における装着型映像表示装置４１の断面図である。 反射防止膜９が設けられた第２の光学面５を示す図である。 第４の実施形態における装着型映像表示装置１０１の断面図である。 第４の実施形態における装着型映像表示装置１０１の第２の光学面１０５における折り返し展開図である。 第４の実施形態における装着型映像表示装置１０１の第２の光学面１０５における折り返し展開図の別の様子を示したである。 屈折率１．４の反射面における入射角に対する反射率の変化を示す図である。 屈折率１．７の反射面における入射角に対する反射率の変化を示す図である。

以下、図を参照しつつ、本発明における第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態における装着型映像表示装置１の外観図である。装着型映像表示装置１は、図１に示すように、眼鏡のつる近傍のフレームに筐体２を固定することで、導光プリズム３が眼鏡のレンズ前部に位置するような構造となっている。導光プリズム３は透明であり、装着型映像表示装置１を装着しても導光プリズム３によって外界の光が妨げられることはなく、使用者の外界の視界は十分に確保される。

装着型映像表示装置１は、例えば図２のように配置されていても良く、この場合筐体２及び、導光プリズム３は眼鏡の使用者の目の側のフレームに固定される。

図３は、装着型映像表示装置１を使用者が装着した様子を俯瞰した図である。筐体２は映像光である光線を射出するための映像表示素子８を内部に保持しており、映像表示素子８の表示領域から射出された光線は、導光プリズム３を通じて接眼窓６から使用者の目に向けて射出される。このときの接眼窓６の光軸は、導光プリズム３内部でフレネル反射により屈曲することで略Ｌ字型の軌跡を描く。図４ａ、図４ｂは、筐体２のメガネフレームへの取り付け位置の角度が異なる場合の、それぞれの視野に映る像と導光プリズムを表している。尚、導光プリズムの輪郭は、破線で示される。映像aが、視野の中央に対して筐体とは反対寄りに表示されると、図４aに示すように導光プリズムが視野を覆い邪魔する領域が増える。そこで図４ｂに示すように映像aを、視野の中央か視野の筐体寄りに表示させるのが好ましい。そしてこの表示位置は、図３に示すように筐体２のメガネフレームへの取り付け位置の回転量θを調整することで、任意に設定できる。

このとき、ゴーストを作る不要光の対策をしていない場合、視野内にゴーストｂ_１、ゴーストｂ_２が形成される。例えば本実施形態の構成においては、導光プリズム３内部の接眼窓６を備える面及びその対向面において反射される不要光によってゴーストが結像される。特に、接眼窓６を備える面で反射される不要光が作るゴーストｂ_１は、視野の中央付近に形成されるため目立ち、外界の光を阻害する要因となる。本発明における装着型映像表示素子１は、上記のゴーストの原因となる不要光を除去する工夫が施されている。以下、図５を参照しつつ装着型映像表示素子１の構成と不要光の除去効果について説明する。

装着型映像表示装置１は、棒状の導光プリズム３と、正の屈折力をもつ接眼窓６と、映像光の光線を射出する映像表示素子８と、導光プリズム３の一部と映像表示素子８を内部に収容する筐体２を有している。導光プリズム３は、第１の光学面４と、端部を第１の光学面４に鋭角で隣接させた第２の光学面５と、筐体２の内部に収容された領域に、一部の光線を遮蔽するための溝である遮光部７を有している。また、導光プリズム３の第１の光学面４には、接眼窓６が備えられている。接眼窓６は、第２の光学面５でフレネル反射した光線が、接眼窓６を通じて使用者の目に射出されるように配置される。

光線５１、５２、５３、５４は、それぞれ映像表示素子８の表示領域の異なる位置から射出される光線である。光線５１は、光軸に沿って通過する光線であって、映像表示素子８の表示領域の中心から映像表示素子８の表示領域の法線方向に射出され、第１の光学面４で反射することなく第２の光学面５に入射する光線であり、第２の光学面５で反射した場合に接眼窓６の中心を通過し、正規の映像を結像する。光線５２は、映像表示素子８の表示領域の縁から射出され、第１の光学面４で反射することなく第２の光学面５に入射する光線であり、第２の光学面５で反射した場合に接眼窓６の中心を通過し、正規の映像を結像する。尚、ここでいう正規の映像は、映像表示素子８の表示領域から射出され、導光プリズム３の第２の光学面５以外の面で反射することなく、第２の光学面５に入射した映像光が接眼窓６を通過してできる虚像を示す。光線５４および光線５３は、映像表示素子８の表示領域であって、第１の光学面４側寄りの縁付近と、その縁から比較的離れた位置のそれぞれから射出される光線であって、第１の光学面４で反射して第２の光学面５に入射する光線であり、これらが第２の光学面５で反射した場合、接眼窓６を通じてゴーストを結像する。特に光線５３は、接眼窓６の中心を通る光線で、ゴーストを結像する代表的光線である。

ここで、光線５１の第２の光学面５における入射角θ_ｔは、導光プリズム３の臨界角θ_ｃと略等しくなっている。また、導光プリズム３は、吸湿の少ない材料を用いることが、耐環境性を高める上で重要であり、このためガラスを用いるか、樹脂の場合は、シクロオレフィン系のポリマー等を用いるのが好ましい。そしてこれらの屈折率ｎはいずれも1.48以上となり、臨界角は４５度よりも小さい。よって、映像表示素子８の表示領域の法線方向に映像表示素子８から射出される光線の第２の光学面における好ましい入射角は、４５度未満となる。

以上の構成を有する導光プリズム３において、光線５１は、第２の光学面５で全反射し、使用者の目に結像される。

一方、不要光である光線５３、及び光線５４については、装着型映像表示装置１において効果的に除去される。映像表示素子８の表示領域の縁から離れた位置で射出される光線５３は、第２の光学面５において、入射角が臨界角θ_ｃを大きく下回るため、第２の光学面５を透過する。映像表示素子８の表示領域の縁付近から射出される光線５４については、遮光部７によって反射もしくは吸収されることにより遮蔽され、第２の光学面５に到達しない。

仮に、導光プリズム３が遮光部７を有しない場合には、光線５４によってゴーストが形成されてしまう。映像表示素子８の、表示領域のより縁の方から射出される光線ほど第２の光学面５における入射角が大きくなるとともに、臨界角θ_ｃへ近接する。したがって、導光プリズム３が遮光部７を有しない場合において、光線５４は、略全反射をしてしまう。

また、光線５２が第２の光学面５に入射したとき、その入射角θ_ｒは、
θ_ｒ＝θ_ｔ−Ｗｖ/ｎ
で表される。ｎは、導光プリズム３の屈折率であり、Ｗｖは、光線５２が接眼窓６を通過した後の光軸との角度であり、前記略L字型の光軸が通る平面内における、正規の映像の半画角と一致する。入射角θ_ｒは、臨界角θ_ｃと略等しいθ_ｔよりも視野角の半分のさらに１/ｎだけ小さくなるため、全反射はされない。そのため、本実施形態における装着型映像表示装置１により結像される正規の映像は、端の部分は少し暗くなるが、Ｗｖが比較的小さければ、良好な観察に支障を来たす程度のものではない。

図６ａは、第２の光学面５における光線５１の入射角θ_ｔが臨界角θ_ｃと等しい本実施形態の場合における、接眼窓６を通した視野に映る像を示した図である。領域Ｃは、接眼窓６を通した視野の範囲の一部であり、領域Ａは、正規の映像光による像が形成される領域である。領域Ｂは、ゴーストの除去対策がなされていない場合にゴーストが形成される領域である。領域Ｂにおいて形成されるゴーストは、光線５３、５４等の第１の光学面４で反射される不要光が形成するゴーストであって、図４において視野中央に形成されるゴーストに対応する。ラインＸは、光学面５で除去される映像の境界を示し、ラインＸより左側に映る像を形成する光線が第２の光学面５を透過することによって、ラインＸより左側に映る像は、除去される。図６ａでは、視野中央の領域Ｂにおけるゴーストが除去され、良好な視界が確保されている様子を示している。

また、領域Ａと、領域Ｂの距離は、映像表示素子８の表示領域の中心を通り、法線方向に映像表示素子８の表示領域から射出される光線と第１の光学面との距離から、映像表示素子８の表示領域の中心から縁までの長さを差し引いた差に対応している。この差が大きいほどゴーストと正規の映像光との距離が遠のくため、ゴーストが目立ちにくくなる。逆に、この差がゼロかマイナスになった場合、ゴーストと正規の映像光が重なり、映像光の良好な観察も困難になる。そのため、映像表示素子８の表示領域の中心から縁までの長さは、映像表示素子８の中心を通り、法線方向に映像表示素子８から射出される光線と第１の光学面との距離に対して小さく、また、より小さいほど望ましい。更に言うならば、映像表示素子８の光射出領域（表示領域）の大きさは、導光プリズム３の光入射領域の大きさよりも小さいことが望ましい。

一方、入射角θ_ｔが、臨界角θ_ｃを大きく越える場合、図６ｂのようになる。領域Ｂ_３は、遮光部７によってゴーストが除去されているが、第２の光学面５において全反射される不要光が出てくるため、ゴーストが除去されない領域Ｂ_２が生じる。逆に、入射角θ_ｔが、臨界角θ_ｃを大きく下回る場合、図６ｃのようになる。正規の映像光による像にケラレ（領域Ａ_１）が生じ、映像表示素子８の表示領域から射出される映像光を良好に使用者の目に結像することができなくなる。

以上に説明したように、第１の実施形態によれば、導光プリズム３が入射角θ_ｔが臨界角θ_ｃと略等しい第２の光学面５を有し、且つ、導光プリズム３が遮光部７を有していることによって、映像表示素子８から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去することができる。

第２の光学面５における、正規の映像光とゴーストを作る不要光との入射角の差異を利用し、映像光を略全反射させ、不要光を導光プリズム３の外に透過させることで、主に映像から離れたゴーストを除去することができる。

一方、映像と近い領域に発生するゴーストは、遮光部７によって、第２の光学面５において臨界角θ_ｃに近似した入射角を有する不要光を除去することで、除去することができる。

また、仮に遮光部７が筐体２から露出していた場合は、例えば太陽光がそこで乱反射をし、大変目障りな光が外界視界に重畳する。しかし導光プリズム３は、筐体２内部に収容された領域に遮光部７を有していることから、遮光部７が使用者の目に直接触れることはない。そのため、使用者の外界視界を阻害することなく、ゴーストの除去を行うことができる。

また、本実施形態における装着型映像表示装置１は、図１１のように第２の光学面５が反射防止膜９を有していてもよい。反射防止膜９は、臨界角θ_ｃよりも小さい入射角で第２の光学面５に入射する光線の反射率を減少させる。一方、臨界角θ_ｃと等しい入射角で入射する正規の映像を結像する光線は全反射するため、第２の光学面５が反射防止膜９を有することで、映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、より効果的なゴーストの除去効果を望むことができる。尚、この反射防止膜９としては、導光プリズム３の材料に適した公知の様々な反射防止膜を適用することができる。

図７は、本発明の第１の実施形態の変形例である装着型映像表示装置２１の断面図である。装着型映像表示装置２１は、導光プリズム３と筐体２の代わりに、導光プリズム２３と、導光プリズム２３の一部と映像表示素子８を内部に収容する筐体２２を備えている点において、装着型映像表示装置１と異なっている。導光プリズム２３は、第１の光学面２４と、端部を第１の光学面２４に鋭角で隣接させた第２の光学面２５を有している。

また、導光プリズム２３の第１の光学面２４には、接眼窓６が備えられている。接眼窓６は、第２の光学面２５で全反射した光線が、接眼窓６を通じて使用者の目に射出されるように配置される。

導光プリズム２３は、導光プリズム３のように遮光部７を有しておらず、代わりに筐体２２が遮光部２７を有している。遮光部２７は、映像表示素子８と導光プリズム２３との間に設置される絞りであり、第１の実施形態における装着型映像表示装置１の遮光部７と同様の役割を有し、映像表示素子８の表示領域の縁付近から射出される光線５４を除去する。

以上に説明したように、本変形例においても、映像表示素子８の表示領域から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去することができる。

以下、図８を参照しつつ、本発明における第２の実施形態について説明する。

図示はしないが、第２の実施形態における装着型映像表示装置３１も、第１の実施形態と同様に、眼鏡等に装着されて使用される。装着型映像表示装置３１は、映像表示素子８と導光プリズム３との間に、新たに偏光板３２を含んでいる点において装着型映像表示装置１と異なっており、それ以外の構成は、装着型映像表示装置１の構成と同じである。

図８は、第２の実施形態における装着型映像表示装置３１の断面図である。偏光板３２は、第２の光学面５におけるＳ偏光がＰ偏光よりも小さくなるようにＳ偏光を減光するものであればよい。

図９は、第２の光学面５における光の入射角θ_ｔに対する反射率の変化を示すグラフである。ここでは、屈折率ｎは、１．６である例を示している。Ｐ、Ｓは、それぞれＰ偏光、Ｓ偏光の、第２の光学面５における入射角θ_ｔに対する反射率の変化を示す曲線であり、ＳＰはＰ偏光とＳ偏光を合わせた光の、第２の光学面５における入射角θ_ｔに対する反射率の変化を示す曲線である。Ｐ、Ｓのいずれにおいても、反射率は、入射角θ_ｔの増加に伴い上昇し、反射率が１に達した後は、入射角θ_ｔの増加に対して一定となる。反射率が丁度１となる入射角θ_ｔが臨界角θ_ｃである。Ｐ、Ｓのいずれにおいても、入射角θ_ｔが臨界角θ_ｃを下回ると、反射率が急激に減少する。特に、Ｐは、反射率の減少がＳに比べて大きい。

本実施形態において、装着型映像表示装置３１が偏光板３２を有していることで、Ｓ偏光が減光され、ＳＰにおける臨界角θ_ｃよりも小さい入射角θ_ｔに対する反射率の減少は、より急峻となる。そのため、第２の光学面５における、不要光５３、５４の反射率をより大きく抑えることができる。

以上に説明したように、第２の実施形態においても、映像表示素子８から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去することができる。

第２の光学面５において光線５３よりも臨界角θ_ｃに近い入射角をもつ光線５４は、遮光部７によって除去されるため、本実施形態における偏光板３２がなくとも十分なゴーストの除去効果を望むことはできる。但し、偏光板３２を加えた装着型映像表示装置３１では、第２の光学面５における不要光の反射率を軽減することで、更なるゴーストの除去効果を望むことができる。

また、本実施形態における装着型映像表示装置３１は、偏光板３２の代わりに、偏光板３２と同様の機能を有した偏光板を映像表示素子８の内部に備えていてもよい。

以下、図１０を参照しつつ、本発明における第３の実施形態について説明する。

図示はしないが、第３の実施形態における装着型映像表示装置４１も、第１の実施形態と同様に、眼鏡等に装着されて使用される。装着型映像表示装置４１は、導光プリズム３と筐体２の代わりに、導光プリズム４３と、導光プリズム４３の一部と映像表示素子８を内部に収容する筐体４２を備えている点において装着型映像表示装置１と異なっている。

図１０は、第３の実施形態における装着型映像表示装置４１の断面図である。導光プリズム４３は、第１の光学面４４と、端部を第１の光学面４４に鋭角で隣接した第２の光学面４５と、端部を第１の光学面４４に鈍角で隣接し、且つ、他端部を第４の光学面４６に鋭角で隣接した第３の光学面４８と、端部を第２の光学面４５と第３の光学面４８に隣接し、第１の光学面４４に対向した第４の光学面４６と、筐体４２内部に収容された領域であって、第１の光学面４４と第４の光学面４６の各領域に溝である遮光部４７を有している。

また、導光プリズム４３の第１の光学面４４には、接眼窓６が備えられている。接眼窓６は、第２の光学面４５で全反射した光線が、接眼窓６を通じて使用者の目に射出されるように配置される。

光線５１、６１、６２は、それぞれ映像表示素子８において、異なる角度で射出される光線である。光線５１は、光軸に沿って通過する光線であって、映像表示素子８の法線方向に射出される光線であり、第３の光学面４８で全反射し、更に、第３の光学面４８で全反射した後に第２の光学面４５で全反射した場合、接眼窓６の中心を通過する光線である。光線６１は、映像表示素子８の表示領域から射出される光線であって、第３の光学面４８で全反射した場合、第１の光学面４４で反射し、第２の光学面４５へ入射する光線であって、更に第２の光学面４５で全反射した場合、接眼窓６を通じてゴーストを結像する。光線６２は、映像表示素子８の表示領域から射出される光線であって、第３の光学面４８で全反射した場合、第４の光学面４６で反射し、第２の光学面４５へ入射する光線であって、更に第２の光学面４５で全反射した場合、接眼窓６を通じてゴーストを結像する。

ここで、光線５１の第３の光学面４８における入射角θ_ｔ１は、臨界角θ_ｃと略等しくなっており、更に光線５１の第２の光学面４５における入射角θ_ｔ２も、臨界角θ_ｃと略等しくなっている。

以上の構成を有する導光プリズム４３において、光線５１は、第３の光学面４８と第２の光学面４５でそれぞれ全反射し、使用者の目に結像される。

一方、不要光である光線６１、及び光線６２については、装着型映像表示装置４１において効果的に除去される。光線６１については、第１の実施形態の装着型映像表示装置１における不要光５３、５４の除去手段と同様に、本実施形態においても第２の光学面４５及び遮光部４７によって除去される。光線６２についても、第１の実施形態の装着型映像表示装置１における不要光５３、５４の除去手段と同様に、第３の光学面４８及び遮光部４７によって除去される。

したがって、第３の実施形態においても、映像表示素子８から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去することができる。更に、装着型映像表示装置４１では、第１の光学面４４に対向する第４の光学面４６で反射する光線６２によるゴーストも除去することができるため、図４におけるゴーストｂ_１だけでなく、正規の映像光による像ａを基準にしてゴーストｂ_１と反対の領域に生じるゴーストｂ_２も除去することが可能となる。

また、本実施形態における導光プリズム４３が有する第１の光学面４４と第４の光学面４６は、互いに平行な研磨された平面であってもよい。第１の光学面４４と第４の光学面４６が、互いに平行な研磨された平面であることで、より良好な外界の視界を確保することができる。

また、本実施形態における装着型映像表示装置４１を、前述の第１の実施形態、及び第２の実施形態と組み合わせてもよい。例えば、映像表示素子８と導光プリズム４３との間に、第２の光学面４５と第３の光学面４８のそれぞれにおけるＳ偏光をＰ偏光に対して減光する偏光板を有していてもよい。

また、本実施形態における装着型映像表示装置４１は、導光プリズム４３が有する遮光部４７の代わりに、映像表示素子８の表示領域の縁付近から射出される不要光を除去するための絞りを有していてもよい。

以下、図１２から図１６を参照しつつ、本発明における第４の実施形態について説明する。

図示はしないが、第４の実施形態における装着型映像表示装置１０１も、第１の実施形態と同様に、眼鏡等に装着されて使用される。装着型映像表示装置１０１は、導光プリズム１０３と、正の屈折力をもつ接眼窓６と、映像表示素子８を備えている。導光プリズム１０３は、第１の実施形態の装着型映像表示装置１における導光プリズム３のように溝である遮光部７を有していない点において、導光プリズム３と異なっているが、それ以外の構成は、導光プリズム３と同じである。また、本実施形態における装着型映像表示装置１０１においても、導光プリズム１０３と映像表示素子８が固定されることが望ましく、その一手段として、装着型映像表示装置１０１は、導光プリズム１０３の一部と、映像表示素子８を内部に収容する筐体を有していてもよい。

図１３及び図１４は、第２の光学面１０５で折り返し展開した図である。光線７２は、映像表示素子８の表示領域の縁から射出される光線であって、第２の光学面１０５で反射した場合、接眼窓６の中心を通過して、正規の映像を結像する光線である。光線７３は、映像表示素子８の表示領域の中心から射出される光線であって、第１の光学面１０４において反射し、第２の光学面１０５で反射した場合、接眼窓６の中心を通過して、ゴーストを結像する光線である。

本実施形態における装着型映像表示装置１０１は、上述の第１から第３の実施形態とは異なり、映像表示素子８の表示領域の法線方向に射出される光線７１の第２の光学面１０５における入射角θ_ｔが、導光プリズム１０３の臨界角θ_ｃと略等しくはなっていない。そのため、映像表示素子８の表示領域から射出される正規の映像光は、第２の光学面１０５における全反射によらないフレネル反射によって接眼窓６に向かう。

ある反射面で１回反射した光線が目に到達して映像を結像する場合、その反射率が低くなるほど目に到達する光量が減り、映像が見えにくくなる。一般的に、反射面における反射率が２０％より高い値であれば、明るさの低下が気にならない程度のものであり映像が見えなくなることはない。逆に２０％より低くなると、映像が暗く見えにくくなる。つまり、反射面の反射率２０％付近が、人間の目が映像を良好に見ることができるかできないかの境界であるといえる。

一般的なプリズムの素材の屈折率は、１．４から１．７であり、この範囲でプリズムが有する反射面における反射率が２０％付近となるのは、反射面における光線の入射角が、
θ_ｃ−０．０４（ｒａｄ）となるときである。図１５と図１６は、それぞれ屈折率が１．４と１．７の物質における光線の入射角に対する反射率の変化を示す図である。図１５、図１６のいずれにおいても、臨界角θ_ｃから０．０４（ｒａｄ）を差し引いた入射角において、反射率が２０％付近となっている。本実施形態における装着型映像表示装置１０１では、正規の映像を結像する光線の第２の光学面１０５における反射率を２０％よりも大きくし、第１の光学面１０４において反射してゴーストを結像する光線の第２の光学面１０５における反射率を２０％よりも小さくすることで、映像表示素子８から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去することができる。以下、図１３と図１４を参照しつつ、上述の効果を得るための具体的な条件を記載する。

正規の映像が明るく見えるための条件は、正規の映像を結像する光線で接眼窓６の中心を抜けるどの光線も、第２の光学面１０５における入射角が、θ_ｃ−０．０４（ｒａｄ）を上回っていることである。これら正規の映像を結像する光線のうち、第２の光学面１０５における入射角が最も小さいのは、光線７２であり、光線７２が結像する映像が明るく見えるための条件は、
θ_ｃ−０．０４＜θ_ｒ （ｒａｄ）
である。ここでθ_ｒは、光線７２の第２の光学面１０５における入射角である。入射角θ_ｒを、光線７１の第２の光学面１０５における入射角θ_ｔで表すと、
θ_ｒ＝θ_ｔ−Ｗｖ/ｎ （ｒａｄ）
となる。ｎは、導光プリズム１０３の屈折率であり、Ｗｖは、光線７２が接眼窓６を通過した後の視野角の半分の角度である。以上から、正規の映像が明るく見えるための条件を入射角θ_ｔを使って表すと、
θ_ｃ＋Ｗｖ/ｎ−０．０４＜θ_ｔ （ｒａｄ）
となる。

ゴーストを形成する光線のうち、その代表的光線は映像表示素子８の表示領域の中心から射出される光線で、且つ第１の光学面１０４において反射し、接眼窓６の中心を通過する光線７３である。したがって、光線７３の光学面１０５における入射角が、θ_ｃ−０．０４（ｒａｄ）を下回っていれば、第1の光学面１０４における反射で生じるゴーストは暗くなり、見えにくくなる。すなわち、ゴーストを効果的に抑制する条件は、
θ_ｃ−０．０４＞θ_ｑ （ｒａｄ）
である。ここでθ_ｑは、光線７３の第２の光学面１０５における入射角である。入射角θ_ｑを、光線７１の第２の光学面１０５における入射角θ_ｔで表すと、
θ_ｑ＝θ_ｔ−２ｈ/Ｌ （ｒａｄ）
となる。ｈは、映像表示素子８の中心を通り、且つ法線方向に映像表示素子８から射出される光線と、第１の光学面１０４との間の距離である。Ｌは、接眼窓６と接眼窓６から導光プリズム１０３を通して見える映像表示素子８の虚像１０８との距離である。本実施形態における装着型映像表示装置１０１において、Ｌを表すと、
Ｌ＝（ｎ/ｎ_ｃ）ａ´＋ｎｂ´＋ｃ´
となる。ｎ_ｃは、映像表示素子８に付属するカバーグラスの屈折率であり、ａ´は、映像表示素子８の表示領域からカバーグラスまでの距離であり、ｂ´は、カバーグラスから導光プリズム１０３の光入射領域までの距離である。ｃ´は、図１４において接眼窓６の光射出領域の中心と導光プリズム１０３の光入射領域の中心とを結ぶ直線の距離に等しく、言い換えると、導光プリズム１０３内における接眼窓６の光軸の長さに相当する。したがって、ゴーストを除去するための条件を入射角θ_ｔを使って表すと、
θ_ｃ＋２ｈ/Ｌ−０．０４＞θ_ｔ（ｒａｄ）
となる。

以上から、映像表示素子８から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去するための条件をθ_ｔを用いて表すと、
θ_ｃ＋Ｗｖ/ｎ−０．０４＜θ_ｔ＜θ_ｃ＋２ｈ/Ｌ−０．０４ （ｒａｄ）
となる。装着型映像表示装置１０１の導光プリズム１０３は、上記の条件を満たすように設計される。

したがって、第４の実施形態においても、映像表示素子８から射出される映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、ゴーストを効果的に除去することができる。

さらに、第４の実施形態では、第１から第３の実施形態のように遮光部を設けることで、より効果的にゴーストの除去を行うことができる。

また、第４の実施形態の装着型映像表示装置１０１において、さらに好ましい条件を以下に示す。入射角θ_ｒが臨界角θ_ｃに対して小さい場合であっても、その差が０．０４ (ｒａｄ)以下であれば、２０％以上のフレネルの反射率が得られ、これより大きな反射率であれば視覚的には明るさの低下の影響は軽微で済む。
以上から、好ましい条件は
θ_ｒ＞θ_ｃ−０．０４ (ｒａｄ)
θ_ｔ−Ｗｖ／ｎ＞θ_ｃ-０．０４(ｒａｄ)
となり、これを書き換えると
Ｗｖ＜ｎ×（０．０４+θ_ｔ-θ_ｃ）(ｒａｄ)
となる。

また、本実施形態における装着型映像表示装置１０１は、第１の実施形態の図１１に示したような反射防止膜を第２の光学面１０５に備えていてもよい。第２の光学面１０５が反射防止膜９を備えることで、映像光を良好に使用者の目に結像しつつ、より効果的なゴーストの除去効果を望むことができる。

上述した第１から第４の実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。装着型映像表示装置は、特許請求の範囲に記載した本発の明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

１、２１、３１、４１、１０１ 装着型映像表示装置
２、２２、４２ 筐体
３、２３、４３、１０３ 導光プリズム
４、２４、４４、１０４ 第１の光学面
５、２５、４５、１０５ 第２の光学面
６ 接眼窓
７、２７、４７ 遮光部
８ 映像表示素子
９ 反射防止膜
４６ 第４の光学面
４８ 第３の光学面
５１、５２、５３、５４、６１、６２、７１、７２、７３、 光線
１０８ 虚像
ａ 像
ｂ_１、ｂ_２ ゴースト
θ 角度
θ_ｔ、θ_ｒ、θ_ｑ 入射角
θ_ｃ 臨界角
Ｗ_ｖ 視野角
Ｘ 線
ｃ、Ａ、Ｂ、Ａ_１、Ａ_２、Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、Ｃ 領域
ａ´、ｂ´、ｃ´、Ｌ 距離
Ｓ Ｓ偏光の反射率変化
Ｐ Ｐ偏光の反射率変化
ＳＰ Ｓ偏光とＰ偏光を合わせた光の反射率変化

Claims (12)

1. 虚像を形成する映像光を、接眼窓を通じて使用者の眼球に射出する装着型映像表示装置において、
   第１の光学面と、端部を前記第１の光学面に鋭角で隣接させた第２の光学面と、を有した、略Ｌ字型の光軸が通る、棒状の導光プリズムと、
   前記第１の光学面に備えられた正の屈折力をもつ接眼窓と、
   前記映像光の光線を射出する映像表示素子と、を有し、
   前記略Ｌ字型の光軸は、前記第２の光学面でフレネルの反射により屈曲し、
   前記映像表示素子の表示領域の法線方向に前記映像表示素子の表示領域から射出される光線の前記第２の光学面における入射角をθ_ｔ、前記導光プリズムの臨界角をθ_ｃ、前記略L字型の光軸が通る平面内における前記虚像の半画角をＷｖ、前記導光プリズムの屈折率をｎ、前記映像表示素子の中心を通り、且つ前記法線方向に前記映像表示素子から射出される光線と、前記第１の光学面との間の距離をｈ、前記接眼窓と前記接眼窓から前記導光プリズムを通して見える前記映像表示素子の虚像との距離をＬとすると、前記θ_ｔは、以下の条件式
   θ_ｃ+Ｗｖ/ｎ−０．０４＜θ_ｔ＜θ_ｃ+２ｈ/Ｌ−０．０４ (ｒａｄ)
   を満たす
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の装着型映像表示装置であって、
   さらに、前記映像表示素子から射出される一部の光線を遮蔽するための遮光部と、
   前記導光プリズムの一部と、前記映像表示素子と、前記遮光部とを内部に収容した筐体と、を有する
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記映像表示素子は、前記第２の光学面におけるＳ偏光を減光する偏光板を有する
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記映像表示素子と前記導光プリズムとの間に偏光板を有し、
   更に、前記偏光板は、前記第２の光学面におけるＳ偏光を減光する
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
5. 請求項２に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記遮光部は、前記導光プリズムの領域であって、前記筐体に収容された領域内に形成される溝である
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
6. 請求項２に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記遮光部は、前記映像表示素子と前記導光プリズムとの間に設置される
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
7. 請求項６に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記遮光部は、前記映像表示素子から射出される光線のうち、少なくとも前記第１の光学面へ向かう光線の一部を遮蔽する
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
8. 請求項３に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記導光プリズムは、更に、端部を前記第１の光学面に鈍角で隣接させた第３の光学面を有し、
   前記第３の光学面は、前記映像表示素子から射出される光線のうち、前記映像表示素子の法線方向に射出されて当該第３の光学面に入射した光線が、前記第２の光学面に向けて全反射する、ように設けられる
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の装着型映像表示装置であって、
   前記映像表示素子の前記表示領域の中心から前記映像表示素子の前記表示領域の縁までの長さは、前記映像表示素子の中心を通り、且つ前記法線方向に前記映像表示素子から射出される光線と、前記第１の光学面との間の距離より短い
   ことを特徴とする装着型映像表示装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の装着型映像表示装置であって、
    更に、前記第１の光学面に対向した第４の光学面を有し、
    前記第１の光学面と前記第４の光学面は、互いに平行な研磨された平面である
    ことを特徴とする装着型映像表示装置。
11. 虚像を形成する映像光を、接眼窓を通じて使用者の眼球に射出する装着型映像表示装置において、
    第１の光学面と、端部を前記第１の光学面に鋭角で隣接させた第２の光学面と、を有した、略Ｌ字型の光軸が通る、棒状の導光プリズムと、
    前記第１の光学面に備えられた正の屈折力をもつ接眼窓と、
    前記映像光の光線を射出する映像表示素子と、を有し、
    前記略Ｌ字型の光軸は、前記第２の光学面でフレネルの反射により屈曲し、
    前記映像表示素子は、前記第２の光学面におけるＳ偏光を減光する偏光板を有する
    ことを特徴とする装着型映像表示装置。
12. 虚像を形成する映像光を、接眼窓を通じて使用者の眼球に射出する装着型映像表示装置において、
    第１の光学面と、端部を前記第１の光学面に鋭角で隣接させた第２の光学面と、を有した、略Ｌ字型の光軸が通る、棒状の導光プリズムと、
    前記第１の光学面に備えられた正の屈折力をもつ接眼窓と、
    前記映像光の光線を射出する映像表示素子と、
    前記映像表示素子と前記導光プリズムとの間に配置された、前記第２の光学面におけるＳ偏光を減光する偏光板と、を有し、
    前記略Ｌ字型の光軸は、前記第２の光学面でフレネルの反射により屈曲する
    ことを特徴とする装着型映像表示装置。