JPWO2019239466A1 - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

光源部（１）等を含む画像出射部から出射された画像光はライトガイド（１０）に導入され、入射側反射面（１２）で反射されて基板（１１）の内部に案内される。画像光は基板（１１）の第一面（１１ａ）と第二面（１１ｂ）とで反射しながら進行し、ハーフミラーである射出側反射面（１３ａ〜１３ｅ）で各々一部が反射されて基板（１１）から射出される。基板（１１）の第二面（１１ｂ）と１mm＜ｄ≦２０mmの間隔ｄを有して透明な合成樹脂製の保護板（１５）が配置されている。保護板（１５）は基板（１１）表面に指紋等の油脂や水滴が付着するのを防止するとともにライトガイド（１０）の破損時に破片が使用者側へ飛散するのを防止する。また基板（１１）と保護板（１５）との間隔ｄが適切に定められているため、本装置の着脱時等に使用者が保護板（１５）を強く押しても撓んだ保護板（１５）がライトガイド（１０）に接触せず、ライトガイド（１０）の破損を免れる。

Description

本発明は、画像情報を虚像として使用者の眼前に表示する画像表示装置に関する。本発明に係る画像表示装置は、ヘルメットマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、眼鏡型ディスプレイ（いわゆるスマートグラス）などの画像表示装置に好適である。

自動車や電車では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示素子に表示された画像をフロントガラスやコンバイナに投影して運転者側に反射させることにより、運転者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘッドアップディスプレイが使用されている。また、航空機では、同様の仕組みにより、操縦者が頭部に着用するヘルメットに設けられたコンバイナに画像を投影し、操縦者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘルメットマウントディスプレイが使用されている。また最近では、スマートグラス等と呼ばれる眼鏡型、或いは頭部装着型のヘッドマウントディスプレイも普及し始めている。

こうした画像表示装置には使用者の眼前に虚像を表示する光学系として様々な方式のものが知られているが、その一つとして、ライトガイド（導光板）を用いた方式がある。
図２は特許文献１、２等に開示されている、ライトガイドを用いた従来の画像表示装置の一例における光路構成を示す概略図である。説明の便宜上、図中に示すように互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸を定めている。

画像表示装置は、光源部１、表示素子２、コリメート光学系３、及びライトガイド２０を備える。ここでは表示素子２は透過型液晶表示素子であり、光源部１はいわゆる透過型液晶表示素子に対するバックライト光源である。光源部１から出射した光は表示素子２を背面側から照明し、表示素子２の表示面上に形成された画像を情報として含む光（以下「画像光」という）が該表示素子２から射出される。コリメート光学系３は、表示素子２の表示面の各点（画素）から射出された画像光をそれぞれ略平行な光束としてライトガイド２０に導入する。したがって、コリメート光学系３からライトガイド２０に導入される光は、それぞれが表示素子２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド２０に入射する平行光束の集合である。

ライトガイド２０は、共にｙ−ｚ平面に平行でｘ軸方向に離れて対向している第一面２１ａ及び第二面２１ｂと、共にｘ−ｙ平面に平行でｚ軸方向に離れて対向している、図示しない第三面及び第四面と、を有する偏平立方体形状である透明な基板２１を備える。基板２１の内部に一つの入射側反射面２２と複数（この例では５枚）の射出側反射面２３ａ〜２３ｅが形成されている。入射側反射面２２は基板２１の第三面及び第四面に垂直であり、第一面２１ａ及び第二面２１ｂに対して傾斜している。複数の射出側反射面２３ａ〜２３ｅは同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面２１ａ及び第二面２１ｂに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。ここでは、入射側反射面２２はミラー等による反射面であり、射出側反射面２３ａ〜２３ｅは部分反射面、つまりは照射された光の一部を反射させ、残りを透過させるビームスプリッタ又はハーフミラーである。

上述したように表示素子２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含む画像光は平行光束として異なる角度でライトガイド２０の基板２１に入射し、入射側反射面２２で反射される。この画像光の光束が基板２１の第一面２１ａと第二面２１ｂとで繰り返し反射されつつ基板２１の内部を伝播し、入射側反射面２２に最も近い位置にある射出側反射面２３ａに達する。射出側反射面２３ａはその透過率に応じて、到達した画像光の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した画像光は次の射出側反射面２３ｂに到達し、その光の一部は反射され、残りは透過する。残りの射出側反射面２３ｃ〜２３ｅも同様である。したがって、ライトガイド２０の基板２１の内部を伝播してきた画像光の一部は複数の射出側反射面２３ａ〜２３ｅでそれぞれ反射され、基板２１の第二面２１ｂを透過して外部に射出する。各射出側反射面２３ａ〜２３ｅで反射された画像光はそれぞれ所定の角度で使用者の眼Ｅに入射する。

このようにして上記画像表示装置では、表示素子２の表示面に形成された画像が虚像として使用者の眼前に表示される。また、ライトガイド２０の基板２１は透明であり、射出側反射面２３ａ〜２３ｅは部分反射面であるため、使用者はライトガイド２０の基板２１を通して前方の風景を視認することもできる。即ち、この画像表示装置はシースルー型の画像表示装置であり、風景に任意の虚像を重畳して表示することができる。

上述したように、上記画像表示装置ではライトガイド２０の基板２１の第一面２１ａと第二面２１ｂとで画像光がほぼ全反射しながら伝播するが、指紋等の油脂や水滴等が基板２１の第一面２１ａや第二面２１ｂに付着すると、その部分で画像光が全反射されずに一部が外部に漏れ出す。そのため、画像光の光量が減って表示される画像が暗くなったり、画像の一部が欠損したり、乱反射により迷光が発生したりする、といった画質の低下が生じるおそれがある。こうした問題を解決するために特許文献３に記載の画像表示装置では、ライトガイドの基板にあって使用者に向いた側の面（図２では第二面２１ｂ）に対向して、可視光に対して透明又は半透明な材料から成る保護板を配置している。

使用者から見て保護板がライトガイドの基板の手前に配置されているので、該基板の表面に指が接触することによる指紋等の油脂の付着や、屋外での使用時の雨滴等の付着を防止し、そうした付着物に起因する画質低下を防止することができる。しかしながら、こうした画像表示装置では次のような問題がある。

特許文献３の記載によれば、ライトガイドの基板の表面と保護板との間隔は、基板からの光の染み出しを回避すること、及び、装置の大形化を回避すること、を考慮して７００nm以上１mm以下の範囲に定められている。一般に、上記保護板は合成樹脂により形成されるが、こうした保護板は温度や外部応力による撓みが無視できない。例えばヘルメットマウントディスプレイや眼鏡型ディスプレイのように使用者自身が身体に装着するタイプの画像表示装置では、該装置を装着したり取り外したりする際に使用者が保護板に触れる機会が多い。その際に使用者が保護板を指で強く押してしまうと、その力で撓んだ保護板がライトガイドに接触してライトガイドが損傷したり破損したりするおそれがある。

特許第４５０８６５５号公報 特許第５６９８２９７号公報 特開２０１５−１７２７１３号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、上記のように取り扱いが不用意であったような場合であってもライトガイドの損傷や破損を防止することができる画像表示装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、使用者の眼前に虚像を表示する画像表示装置であって、
a)二次元的な画像情報を形成する表示部を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を形成して画像光として後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像光を前記第一面及び第二面で反射されるように該基板の内部に案内する入射部と、該入射部により該基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で反射されつつ該基板内を進行して来た画像光の一部を反射させ、前記第一面又は第二面を通して該基板の外部に射出させる、該基板の内部に形成された複数の部分反射面と、を有するライトガイドと、
c)前記ライトガイドの基板にあって画像光が外部に射出される第一面又は第二面から１mmよりも大きく２０mm以下の範囲である間隔だけ離して平行に配置された、透明又は半透明である平板部材と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る画像表示装置では、使用者が肉眼で視認可能な画像を表示するために、通常、画像光の波長領域は可視光領域である。

また、上記平板部材は組立性等を考慮して、通常、合成樹脂から成るものとされる。特に、耐衝撃性や耐熱性に優れるポリカーボネートを平板部材の材料として用いることが好ましい。

本発明者らは、航空機の操縦者が一般に使用する保護眼鏡（ゴーグル）で用いられているポリカーボネートの２mm厚の板材の撓み特性を実験的に調べた。その結果、ヘルメットマウントディスプレイとして利用される画像表示装置を想定した場合、ライトガイドと平板部材との間隔が１mm以下であると、使用者が当該装置を装着したり取り外したりする際の力が平板部材に加わったときに、撓んだ該平板部材がライトガイドに接触する可能性があることが判明した。換言すれば、ライトガイドと平板部材との間隔を１mmよりも大きくしておくことで、或る程度大きな力が平板部材に加わっても平板部材とライトガイドとの接触をほぼ回避することができる。そこで、本発明に係る画像表示装置では、ライトガイドと平板部材との間隔を１mmよりも大きい状態に定めている。

一方、ライトガイドと平板部材との間隔を大きくすればするほど平板部材とライトガイドとの接触を確実に回避できるようになるものの、装置が大形化し実用的でなくなる。また、航空機の操縦者用ヘルメットマウントディスプレイでは、平板部材は、事故等の際にライドガイドが破損して飛び散った破片が使用者の眼に達するのを防止する作用もあるが、ライトガイドと平板部材との間隔が広すぎると破片が周囲に飛び散りやすくなる。こうしたことから本発明に係る画像表示装置では、ヘルメットマウントディスプレイでの利用を想定して平板部材とライトガイドとの間隔を２０mm以下に定めている。

本発明に係る画像表示装置によれば、ライトガイドの基板から画像光が射出する面と平板部材との間隔を１mmより大きく且つ２０mm以下の範囲に定めているため、使用者が不用意に平板部材を指で押さえたような場合でも該平板部材がライトガイドの基板に接触せず、該基板の損傷や破損を回避することができる。それにより、本発明に係る装置の信頼性が向上し、ユーザにとっては不要な出費を抑えてコスト削減に繋がる。もちろん、平板部材は、指紋等の油脂や水滴等がライトガイドの基板に付着するのを防止するとともに、該ライトガイドの基板の破損時等に使用者の眼を保護するのに有効である。

本発明の一実施例である画像表示装置における光学系の概略構成図。 従来の画像表示装置の一例における光学系の概略構成図。

本発明の一実施例である画像表示装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例の画像表示装置における光学系の概略構成図である。

本実施例の画像表示装置は、光源部１、表示素子２、コリメート光学系３、ライトガイド１０、及び、保護板１５、を備える。光源部１、表示素子２及びコリメート光学系３は本発明における画像出射部に相当し、従来の画像表示装置における光源部１、表示素子２、及びコリメート光学系３と同じものを用いることができるが、これに限るものではない。例えば表示素子２としては、透過型液晶表示素子に代えて、反射型液晶表示素子や有機ＥＬディスプレイ、或いは、ＤＭＤ（デジタルマクロミラーデバイス）、ＭＥＭＳミラー、プロジェクタなどを用いることもできる。

表示素子２として反射型液晶表示素子やＤＭＤが使用される場合には、光源部１は該液晶表示素子やＤＭＤを前面側から照明するものを用いる。また表示素子２として有機ＥＬディスプレイなどの自己発光型の表示素子が使用される場合には、該表示素子２に光源部１が内蔵されているとみなすことができる。また表示素子２として角度が走査されるＭＥＭＳミラーが使用される場合には、光源部１として該ＭＥＭＳミラーに向けて細いレーザ光を照射するレーザ光源を用い、コリメート光学系３は省略するか、或いは平行光を微調整する目的でコリメート光学系３を用いればよい。また、画像形成のためにプロジェクタを用いる場合には、光源部１がプロジェクタ、表示素子２がプロジェクタスクリーンとみなすことができる。

ライトガイド１０は、共にｙ−ｚ平面に平行であってｘ軸方向に離れて対向する第一面１１ａ及び第二面１１ｂと、共にｘ−ｙ平面に平行であってｚ軸方向に離れて対向する図示しない第三面及び第四面とを有する偏平立方体形状である基板１１を備える。基板１１は典型的には石英ガラス、ガラスなどの透明体である。この基板１１の内部に一つの入射側反射面１２と複数（本例では５枚）の射出側反射面１３ａ〜１３ｅが形成されている。

入射側反射面１２は第三面及び第四面に垂直であり、第一面１１ａ及び第二面１１ｂに対し所定角度で傾斜している。また、複数の射出側反射面１３ａ〜１３ｅも同様に、それぞれ第三面及び第四面に垂直であり、第一面１１ａ及び第二面１１ｂに対して所定角度で傾斜している。入射側反射面１２はミラー等による反射面であり、射出側反射面１３ａ〜１３ｅは所定の反射率特性（透過率特性）を有する部分反射面である。

ここでは、ライトガイド１０の基板１１の第二面１１ｂが該ライトガイド１０からの画像光の射出面である。保護板１５は、この射出面である第二面１１ｂから所定の距離ｄだけ離して平行に配設されている。保護板１５は透明又は半透明（好ましくは透明）な平板部材であり、典型的にはポリカーボネート等の耐衝撃性が高い合成樹脂から成るものとするとよい。

本実施例の画像表示装置では、光源部１からの照明光を受けて表示素子２で画像光が形成される。このときの照明光は可視領域（４００〜７５０nm）を中心とする波長帯域の光である。表示素子２の表示画面から発せられた画像光は、コリメート光学系３によって略平行光化され第一面１１ａを通してライトガイド１０の基板１１の内部に導入される。コリメート光学系３からライトガイド１０に導入される画像光は、それぞれが表示素子２の表示面上に形成される二次元的な画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド１０に入射する平行光束の集合である。

この画像光は入射側反射面１２で反射されたあと第一面１１ａと第二面１１ｂとで一又は複数回反射されながら基板１１の内部を進行し、入射側反射面１２に最も近い位置にある射出側反射面１３ａに達する。射出側反射面１３ａは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は次の射出側反射面１３ｂに到達し、その光束の一部は反射され、残りは透過する。他の射出側反射面１３ｃ〜１３ｅも同様である。したがって、ライトガイド１０の基板１１の内部を伝播してきた光束は複数の射出側反射面１３ａ〜１３ｅでそれぞれ少しずつ反射され、基板１１の第二面１１ｂを通過して外部に射出される。これにより、ライトガイド１０の基板１１に導入された光束は拡大されて該基板１１から射出される。基板１１から射出された画像光は保護板１５を透過し、使用者の眼Ｅに到達する。即ち、使用者の眼Ｅの前には表示素子２の表示面上に形成された画像が拡大された虚像として表示される。

基板１１の第二面１１ｂと保護板１５との距離ｄは１mm＜ｄ≦２０mmの範囲で適宜に定められる。コンパクト性を重視する場合には、距離ｄは１mmに近い値であるほうがよく、例えば１．５〜２mm程度に定めておくとよい。保護板１５がポリカーボネートから成り、その板厚が２mm程度である場合、距離ｄを２mm程度にしておくことで、使用者が保護板１５の中央付近を或る程度強く押したとしても、撓んだ保護板１５がライトガイド１０の基板１１に接触することはない。それにより、保護板１５が接触することによる基板１１の損傷や破損を防止することができる。

基板１１の第二面１１ｂに細かい傷が付くと、基板１１内部で進行しながら大きな入射角で以て第二面１１ｂのその傷の部位に当たった画像光の一部は全反射せずに外側に漏れ出したり乱反射が生じたりする。即ち、光の利用効率が下がる、或いは迷光が発生するといった画質低下の一因となる。これに対し、本実施例の画像表示装置では、基板１１の第二面１１ｂに傷が付きにくいので、光の利用効率を良好に保ち、迷光の発生を防止することができる。もちろん、保護板１５が基板１１に激しく接触すると基板１１が破損する可能性があるが、そうした破損も防止することができる。

また、保護板１５がライトガイド１０の基板１１の第二面１１ｂと使用者との間に配置されることで、使用者の指紋などの油脂や水滴などがその第二面１１ｂに付着しにくい。なお、図１では記載していないが、ライトガイド１０の基板１１の第一面１１ａの外側にも同様の保護板を設けるようにしてもよいし、両面の保護板を繋いでライトガイドを囲ってもよい。シースルー型の画像表示装置では、ライトガイド１０の基板１１の第一面１１ａの外側に設ける保護板も透明である必要がある。

また、装置のコンパクト性はあまり重視しない場合や、保護板１５の板厚が薄い等撓みが大きい場合には、基板１１の第二面１１ｂと保護板１５との距離ｄを２０mm又はそれに近い状態としてもよい。

また上記実施例の画像表示装置は適宜に変形可能である。例えば、射出側反射面の枚数は複数であれば任意に定めることができる。

またライトガイド１０の基板１１内部に画像光を案内する入射部や基板１１から画像光を射出する射出部として、基板１１の内部に形成した反射面や部分反射面に代えて、反射型体積ホログラムグレーティング等のホログラム面を用いてもよい。また、ライトガイド１０の基板１１の第一面１１ａの一部を第二面１１ｂに対し非平行とすることで、その非平行である面（基板１１と外界との界面）で画像光を反射させる反射面としてもよい。

また上記実施例の画像表示装置では、基板１１の第三面と第四面とが互いに平行となっているが、第三面及び第四面はｘ−ｙ平面に平行である必要はない。即ち、第一面１１ａ、第二面１１ｂ、入射側反射面１２、及び、射出側反射面１３ａ〜１３ｅと第三面及び第四面とは垂直である必要はなく、それらの間の角度や第三面及び第四面の面の形状は任意に定めることができる。

また、上記実施例はあくまでも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１…光源部
２…表示素子
３…コリメート光学系
１０…ライトガイド
１１…基板
１１ａ…第一面
１１ｂ…第二面
１２…入射側反射面
１３ａ〜１３ｅ…射出側反射面
１５…保護板

Claims (4)

1. 使用者の眼前に虚像を表示する画像表示装置であって、
   a)二次元的な画像情報を形成する表示部を含み、該画像上の各部位で角度が異なる平行光束を形成して画像光として後記ライトガイドに入射させる画像出射部と、
   b)互いに平行に対向する第一面及び第二面を有する透明な基板と、前記画像光を前記第一面及び第二面で反射されるように該基板の内部に案内する入射部と、該入射部により該基板の内部に案内され前記第一面及び第二面で反射されつつ該基板内を進行して来た画像光の一部を反射させ、前記第一面又は第二面を通して該基板の外部に射出させる、該基板の内部に形成された複数の部分反射面と、を有するライトガイドと、
   c)前記ライトガイドの基板にあって画像光が外部に射出される第一面又は第二面から１mmよりも大きく２０mm以下の範囲である間隔だけ離して平行に配置された、透明又は半透明である平板部材と、
   を備えることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記画像光の波長領域は可視光領域であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記平板部材は合成樹脂から成ることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項３に記載の画像表示装置であって、
   前記平板部材はポリカーボネートから成ることを特徴とする画像表示装置。

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