JPWO2016185535A1 - 導光プリズム及びこれを有する頭部装着型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

導光プリズム（１０）は、表示素子（２１）からの画像光が入射する入射面である第１光学面（１）と、第１光学面（１）から入射した画像光の光路を取り囲むように配置された少なくとも４つの側面である、第２、第３、第４、第５光学面（２、３、４、５）を有する。第６光学面（６）は、少なくとも４つの側面に取り囲まれたプリズム内を導光された画像光を反射させる。第４、第５光学面（４、５）は、画像光の入射光軸（ＡＸ１）を含み、入射光軸（ＡＸ１）と第６光学面６の反射光軸（ＡＸ２）とがなす面（Ｓ１）と垂直な面（Ｓ２）において傾斜している。かつ、第４光学面（４）と第５光学面（５）とは、入射光軸（ＡＸ１）に垂直な面（Ｓ３）において傾斜している。さらに、反射面である第６光学面（６）は、矩形形状である。

Description

本発明は、導光プリズム及びこれを有する頭部装着型映像表示装置に関するものである。

近年、頭部装着型映像表示装置（あるいはヘッドマウントディスプレイ）と呼ばれるものが注目されている。このような頭部装着型映像表示装置では、小型の表示素子（例えば液晶表示パネルや有機ＥＬなど）から射出した映像光あるいは画像光を、ミラー若しくはプリズム等の光学素子を用いて使用者の瞳孔に導く方式がとられる。

このとき、導光プリズムを用いて、プリズム内部にて映像光を複数回反射させることにより、表示素子から瞳孔へ画像光を導光する光学系が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−２２４４７３号公報

一方、導光プリズムを用いた頭部装着型映像表示装置では、プリズム側面での意図しない反射によりゴーストが発生し、観察品質を低下させることがある。このゴーストを除去するため、様々な対策がある。例えば、特許文献１のように、棒状の導光プリズムにおいて、入射面側から射出面側にかけて、高さ方向が狭くなるテーパー構造を有する光学系が考えられる。このような構造の導光プリズムでは、観察した際のゴーストを正規像から遠ざけることができ、ゴースト対策として有効である。

しかしながら、特許文献１に提案された導光プリズムの光学系では、使用者の眼球に向け画像光を偏向する反射面の形状が台形であり、この導光プリズムの光学系では、反射面が光学系の絞りとして作用するため、表示パネルからの画像を形成する光束は、台形形状の絞りを通して使用者の瞳孔に導かれることとなってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、使用者の瞳孔に導かれるゴーストを抑制し、かつ、使用者の瞳孔に矩形の画像光を導くことができる導光プリズム及びこれを有する頭部装着型映像表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る導光プリズムは、
表示素子からの画像光が入射する入射面と、
入射面から入射した画像光の光路を取り囲むように配置された少なくとも４つの側面と、
入射面から入射し、光路を導光された画像光を反射させる反射面と、
反射面で反射された画像光を、使用者の眼球に向けて射出する射出面と、
を有し、
少なくとも４つの側面は、２組の互いに対向する２つの側面を有し、
２組の互いに対向する２つの側面のうち一組は、画像光の入射光軸を含み、入射光軸と反射面の反射光軸とがなす面（Ｓ１）と垂直な面（Ｓ２）において傾斜し、かつ、入射光軸に垂直な面（Ｓ３）において傾斜しており、
反射面は、矩形形状であることを特徴とする。

また、本発明に係る頭部装着型映像表示装置は、
画像を表示する表示素子と、
表示素子からの画像光を使用者の瞳孔方向へ導く導光プリズムと、を有し、
導光プリズムは上述の導光プリズムであることを特徴とする。

本発明は、使用者の瞳孔に導かれるゴーストを抑制し、かつ、使用者の瞳孔に矩形の画像光を導くことができる導光プリズム及びこれを有する頭部装着型映像表示装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る導光プリズムを使用者とは反対側から見た正面図である。 本発明の実施形態に係る導光プリズムの平面図である。 本発明の実施形態に係る導光プリズムを使用者から見た正面図である。 本発明の実施形態に係る導光プリズムを画像光が入射する側から見た側面図である。 本発明の実施形態に係る導光プリズムを反射面側から見た側面図である。 本発明の実施形態に係る導光プリズムの斜視構成図である。 本発明の実施形態に係る頭部装着型映像表示装置を説明する図である。

以下に、本発明に係る導光プリズム及びこれを有する頭部装着型映像表示装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１Ａは、実施形態に係る導光プリズム１０を使用者（不図示）とは反対側から見た正面図である。図１Ｂは、導光プリズム１０の平面図である。図１Ｃは、導光プリズム１０を使用者から見た正面図である。図１Ｄは、導光プリズム１０を画像光が入射する側から見た側面図である。図１Ｅは、導光プリズム１０を反射面側から見た側面図である。

本実施形態の導光プリズム１０は、６面体プリズムに接眼レンズ７を接合した構成である。６面体プリズムは、第１光学面１と、第２光学面２と、第３光学面３と、第４光学面４と、第５光学面５と第６光学面６とから成る。そして、画像光の射出部分に、接眼レンズ７が接合されている。

第１光学面１は、表示素子２１からの画像光が入射する入射面である。第２光学面２と、第３光学面３とは、６面体における対向面であり、互いに略平行な面を構成している。また、第４光学面４と第５光学面５とは、６面体における対向面である。第６光学面６は、導光した画像光を反射する。第６光学面６により、反射された画像光は、接眼レンズ７により、不図示の使用者の瞳孔へ向けて射出される。

さらに、図２を参照して、説明を続ける。図２は、本実施形態の導光プリズム１０の斜視構成を示している。なお、図２において、接眼レンズ７の記載は省略する。

上述したように、導光プリズム１０は、表示素子２１からの画像光が入射する入射面である第１光学面１と、第１光学面１から入射した画像光の光路を取り囲むように配置された少なくとも４つの側面である、第２光学面２と、第３光学面３と、第４光学面４と、第５光学面５とを有する。反射面である第６光学面６は、少なくとも４つの側面、即ち第２光学面２と、第３光学面３と、第４光学面４と、第５光学面５により取り囲まれたプリズム内を導光された画像光を反射させる。射出面である接眼レンズ７は、第６光学面６（反射面）で反射された画像光を、不図示の使用者の眼球に向けて射出する。
少なくとも４つの側面は、２組の互いに対向する２つの側面を有する。一組の対向する側面は、第２光学面と第３光学面である。他の一組の対向する側面は、第４光学面４と第５光学面５である。
そして、２組の互いに対向する２つの側面のうち一組である第４光学面４と第５光学面５は、画像光の入射光軸ＡＸ１を含み、入射光軸ＡＸ１と第６光学面６（反射面）の反射光軸ＡＸ２とがなす面Ｓ１と垂直な面Ｓ２において第１光学面１から第６光学面６に向かって先細りに傾斜している。かつ、第４光学面４と第５光学面５とは、入射光軸ＡＸ１に垂直な面Ｓ３において第２光学面２から第３光学面３に向かって先細りに傾斜している。さらに、反射面である第６光学面６は、矩形形状である。

２組の互いに対向する２つの側面のうち一組である第４光学面４と第５光学面５とは、対向する２つの側面の間隔が第１光学面１（入射面）側から第６光学面６（反射面）側にかけて狭くなる第１のテーパー構造を有する。言い換えると、第４光学面４と第５光学面５とは、対向する２つの側面の距離が入射面から反射面側にかけて短くなるテーパー構造を有する。
また、対向する２つの側面である第４光学面４と第５光学面５とは、対向する２つの側面の間隔が第２光学面２側から第３光学面３側にかけて狭くなる第２のテーパー構造を有する。言い換えると、第４光学面４と第５光学面５とは、第２光学面２側から第３光学面３側にかけて距離が短くなるテーパー構造を有する。

具体的には、図１Ａ、図１Ｃに示すように、第４光学面４と第５光学面５との面間隔が画素像高の射出側に向かって小さくなる、いわゆるハの字型の構成を有する。
また、第１光学面１の形状は、図１Ｄに示すように、ｙ軸の正方向に向かって狭くなる、いわゆるハの字型の構成を有する。

ここで、第１のテーパー構造の傾斜角α（図１Ｃ）は、第２のテーパー構造の傾斜角β(図１Ｄ）より小さいことが望ましい。この条件を満たすことで、全反射条件を満たしやすくなる。

導光プリズム１０の形状が、四角柱のロッドプリズムの場合、使用者が観察する正規像の周囲に側面での意図しない反射に起因するゴーストを生じてしまう。本実施形態のように、２方向において、第１のテーパー構造と、第２のテーパー構造とを有することにより、ゴーストを正規像から遠ざけることができる。

さらに、効率良くゴーストを低減するために、導光プリズム１０の入射面である第１光学面１の近傍の側面の表面に、シボ加工を施すこと、溝を形成することもできる。

なお、テーパーを設ける面は、これに限られず、例えば、第２光学面２と、第３光学面３との距離（面間隔）を、反射面に向かって小さくなるように面を傾斜させても良い。

さらに、第１のテーパー構造の傾斜角をα（図１Ｃ）、第２のテーパー構造の傾斜角をβ（図１Ｄ）、画像光の反射面への入射光軸と反射部の法線とがなす角をγ（図１Ｂ）と、それぞれしたとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
ｔａｎγ＝ｔａｎβ／ｔａｎα （１）

条件式（１）を満足することにより、反射面である第６光学面６の形状を矩形形状とすることができる。表示素子２１の画像表示領域は、矩形形状である。このため、第６光学面６の形状を矩形形状とすることで、使用者は、導光プリズム１０のサイズを極力小さくしつつ、矩形形状の有効光束を観察することができる。

また、本発明の好ましい態様によれば、反射面である第６光学面６の長手方向の長さをｄとしたとき、
以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
ｄ×ｓｉｎγ×ｔａｎα＝ｄ×ｃｏｓγ×ｔａｎβ （２）

条件式（２）を満足することでも、第６光学面６（反射面）を矩形形状とすることができる。

次に、本実施形態に係る導光プリズム１０の具体的な数値例を示す。ここでは第１のテーパー構造が、第４光学面４、および、第５光学面５の一部に形成される例で説明する。図１Ａに示すように、第２光学面２側において、第１光学面１近傍における第４光学面４と第５光学面５との距離を４．００ｍｍ、第６光学面６近傍における第４光学面４と第５光学面５との距離を３．００ｍｍとし、図１Ｂに示すように、第４光学面４、および第５光学面５の第１のテーパー構造部分の長さを２５．００ｍｍとした場合、第１のテーパー構造の傾斜角αは、０．０２度となる。

さらに、図１Ｄに示すように第１光学面１のｙ方向の長さを６．００ｍｍ、第３光学面３側において、第１光学面１近傍における第４光学面４と第５光学面５との距離を３．８０ｍｍとした場合、第２のテーパー構造の傾斜角βは、０．０１６７度となる。
このとき、画像光の第６光学面６（反射面）への入射光軸ＡＸ１と反射部の法線とがなす角γは、４０．０度である。

なお、第２のテーパー構造の傾斜角βは、０．０１度〜１．５度の範囲が好ましい。傾斜角βを、この範囲とすることで、第６光学面６（反射面）の形状を、ほぼ矩形形状とすることができる。

（第２実施形態）
次に、実施形態１の導光プリズム１０を有する頭部装着型映像表示装置について説明する。

図３は、頭部装着型映像表示装置２０の概略構成を示す。本体ユニット２２と光学ユニット２７とを有し、一般的な眼鏡２６と共に用いる構成である。

本体ユニット２２は、内部に液晶パネル或は有機ＥＬ等の表示素子２１を有し、その他不図示の表示素子駆動デバイス等を備え、眼鏡２６のツル２５に固定される。

光学ユニット２７は上述の導光プリズム１０を内部に含み、本体ユニット２２から独立して構成している。ここで、光学ユニット２７は、上述の実施形態１における導光プリズム１０を、一体成型された光学部材及び外装ケースなどによって格納したものを用いることができる。なお、光学ユニット２７は、保持部材２３を介してヨロイ２４に固定される。

本実施形態に係る頭部装着型映像表示装置２０では、導光プリズム１０の内部を導光することにより、視界の邪魔にならない部分に表示素子２１を配置することができる。

本実施形態の頭部装着型映像表示装置２０によれば、使用者の瞳孔に導かれるゴーストを抑制し、かつ、使用者の瞳孔に矩形の画像光を導くことができる。

なお、図３に示される構成では、本体ユニット２２と光学ユニット２７とが分離しているので、眼鏡２６のツル２５を折り畳んだときに本体ユニット２２が連動して折り畳むことができる構成である。

以上のように、本発明は、使用者の瞳孔に導かれるゴーストを抑制し、かつ、使用者の瞳孔に矩形の画像光を導くことができる導光プリズム及びこれを有する頭部装着型映像表示装置に有用である。

１ 第１光学面（入射面）
２ 第２光学面
３ 第３光学面
４ 第４光学面
５ 第５光学面
６ 第６光学面（反射面）
７ 接眼レンズ
１０ 導光プリズム
２０ 頭部装着型映像表示装置
２１ 表示素子
２２ 本体ユニット
２３ 保持部材
２４ ヨロイ
２５ ツル
２６ 眼鏡
２７ 光学ユニット
ＡＸ１ 入射光軸
ＡＸ２ 反射光軸
α 第１のテーパー構造の傾斜角
β 第２のテーパー構造の傾斜角
γ 画像光の反射面への入射光軸と反射部の法線とがなす角

Claims (6)

1. 表示素子からの画像光が入射する入射面と、
   前記入射面から入射した前記画像光の光路を取り囲むように配置された少なくとも４つの側面と、
   前記入射面から入射し、前記光路を導光された前記画像光を反射させる反射面と、
   前記反射面で反射された前記画像光を、使用者の眼球に向けて射出する射出面と、
   を有し、
   前記少なくとも４つの側面は、２組の互いに対向する２つの側面を有し、
   前記２組の互いに対向する２つの側面のうち一組は、前記画像光の入射光軸を含み、前記入射光軸と前記反射面の反射光軸とがなす面と垂直な面において傾斜し、かつ、前記入射光軸に垂直な面において傾斜しており、
   前記反射面は、矩形形状であることを特徴とする導光プリズム。
2. 前記２組の互いに対向する２つの側面のうち一組は、使用者が前記画像光を観察している状態において、前記対向する２つの側面の距離が前記入射面側から前記反射面側にかけて短くなる第１のテーパー構造と、
   前記対向する２つの側面の距離が前記射出面側から前記射出面から遠ざかる方向にかけて短くなる第２のテーパー構造と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の導光プリズム。
3. 前記第１のテーパー構造の傾斜角は、前記第２のテーパー構造の傾斜角より小さいことを特徴とする請求項２に記載の導光プリズム。
4. 前記第１のテーパー構造の傾斜角をα、
   前記第２のテーパー構造の傾斜角をβ、
   前記画像光の前記反射面への入射光軸と前記反射部の法線とがなす角をγと、それぞれしたとき、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項２または３に記載の導光プリズム。
   ｔａｎγ＝ｔａｎβ／ｔａｎα （１）
5. 前記反射面の長手方向の距離をｄとしたとき、
   以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項４に記載の導光プリズム。
   ｄ×ｓｉｎγ×ｔａｎα＝ｄ×ｃｏｓγ×ｔａｎβ
6. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの画像光を使用者の瞳孔方向へ導く導光プリズムと、を有し、
   前記導光プリズムは請求項１〜５のいずれか１項に記載の導光プリズムであることを特徴とする頭部装着型映像表示装置。
   

Images