WO2015063808A1 - 導光プリズムおよび画像表示装置 - Google Patents

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WO2015063808A1
WO2015063808A1 PCT/JP2013/006352 JP2013006352W WO2015063808A1 WO 2015063808 A1 WO2015063808 A1 WO 2015063808A1 JP 2013006352 W JP2013006352 W JP 2013006352W WO 2015063808 A1 WO2015063808 A1 WO 2015063808A1
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grooves
light
prism
light guide
pair
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PCT/JP2013/006352
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良平 杉原
高橋　真也
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オリンパス株式会社
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    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
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    • G02B2027/012—Head-up displays characterised by optical features comprising devices for improving the contrast of the display / brillance control visibility comprising devices for attenuating parasitic image effects
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type

Definitions

  • the present invention relates to a light guide prism that guides image light from a display element and displays a virtual image of a display image in the field of view of an observer, and an image display device using the light guide prism.
  • a small and wearable image display device to be mounted on the head or glasses has been proposed.
  • image light of an image displayed on a small image display element fixed to the temporal region is guided to the eyes by a transparent light guide member and observed as an enlarged virtual image.
  • What is displayed within the visual field of a person is known (for example, see Patent Document 1).
  • the small and light-weight light guide member does not greatly obstruct the field of view, and the entire image display apparatus can be configured to be small and light, and can be used as a wearable device that can always be worn and used.
  • the surface on which the groove can be formed is limited to the two side surfaces, that is, the surface on the observer side and the surface on the opposite side, and the light guide direction (for image light) in which the groove can be formed Since the position (traveling direction) is also limited, there is a concern that sufficient stray light and ghost light reduction effects cannot be obtained.
  • an object of the present invention made by paying attention to these points is to provide a light guide prism that can be used as a light guide member and reduces stray light and ghost light caused by reflection on the inner surface, and an image display using the same. Is to provide a device.
  • a light guide prism that guides image light from the display element to the eyeball of the observer, and displays a virtual image of the display element in the visual field of the observer, At least four side surfaces arranged so as to surround the optical path of the image light incident from one end; A reflecting surface for reflecting the image light guided by the at least four side surfaces; An emission surface for emitting the image light reflected by the reflection surface toward an eyeball of an observer, At least one V-shaped groove is formed on each of the at least four side surfaces.
  • the groove is preferably formed so as to go around the optical path of the image light through the at least four side surfaces.
  • the image forming apparatus further includes a third pair of grooves on a side surface where the first pair of grooves is formed, at a position different from the first pair of grooves in the moving direction of the image light, More preferably, the angle of the slope forming the V-shape of the first pair of grooves is different from the angle of the slope of the third pair of grooves.
  • the invention of an image display device that achieves the above object is as follows.
  • a display element for emitting image light A light guide prism that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays a virtual image of the display element in the observer's field of view so as to surround the optical path of the image light incident from one end.
  • the arranged at least four side surfaces, the reflection surface that reflects the image light guided by the at least four side surfaces, and the image light reflected by the reflection surface are emitted toward the eyeball of the observer.
  • a light guide prism having an exit surface, and at least four side surfaces each having a V-shaped groove;
  • the display device and the light guide prism are provided with a support unit for fixing and supporting the display element and the light guide prism on the head of an observer.
  • the width of one side surface among the at least four side surfaces is Pw
  • the length of the side surface in the width direction of the groove formed on the one side surface is Vw
  • the width direction of the one side surface of the display element is effective.
  • the viewing angle of the display area of the display element is D ⁇
  • the viewing angle of the area formed by connecting the V-shaped edges of the grooves is V ⁇
  • the viewing angle of the incident surface of the light guide prism is P ⁇ .
  • D ⁇ ⁇ V ⁇ ⁇ P ⁇ It is preferable that the following relational expression holds.
  • a light guide prism that guides image light from the display element to the eyeball of the observer, and displays a virtual image of the display element in the field of view of the observer, At least four side surfaces arranged so as to surround the optical path of the image light incident from one end; A reflecting surface for reflecting the image light guided by the at least four side surfaces; An emission surface for emitting the image light reflected by the reflection surface toward an eyeball of an observer, A pair of V-shaped grooves are formed to face each other on at least one set of the side faces of the at least four side faces.
  • Va′ ⁇ is a viewing angle based on the width between positions of the edges of the pair of V-shaped grooves symmetrical to the side surface on which the pair of V-shaped grooves are formed.
  • the invention of an image display device that achieves the above object is as follows.
  • a display element for emitting image light A light guide prism that guides the image light from the display element to the eyeball of the observer and displays the virtual image of the display element in the observer's field of view, and is arranged so as to surround the optical path of the image light incident from one end.
  • At least four side surfaces a reflection surface that reflects the image light guided by the at least four side surfaces, and an emission that emits the image light reflected by the reflection surface toward an eyeball of an observer
  • a light guide prism having a surface and a pair of V-shaped grooves facing each other on at least one pair of side surfaces of the at least four side surfaces;
  • the display device and the light guide prism are provided with a support unit for fixing and supporting the display element and the light guide prism on the head of an observer.
  • the present invention it is possible to provide a light guide prism that reduces stray light and ghost light caused by reflection on the inner surface, and an image display device using the same.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of the image display apparatus according to the first embodiment.
  • 2A is a front view of the optical system of the image display apparatus of FIG. 1 as viewed from the eyeball side.
  • FIG. 2B is a plan view of an optical system of the image display apparatus of FIG. 2C is a side view of the optical system of the image display apparatus of FIG. 1 as viewed from the display element side.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the prism groove provided on the first side surface of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the viewing angle of the display element of FIG. 2, the frame formed by the edge of the prism groove, and the entrance window of the light guide prism.
  • FIG. 5A is a front view of the optical system of the image display apparatus according to the second embodiment viewed from the eyeball side.
  • FIG. 5B is a plan view of the optical system of the image display apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 5C is a side view of the optical system of the image display apparatus according to the second embodiment viewed from the display element side.
  • FIG. 6A is a front view of the optical system of the image display apparatus according to the third embodiment viewed from the eyeball side.
  • FIG. 6B is a plan view of the optical system of the image display apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 6C is a side view of the optical system of the image display apparatus according to the third embodiment as viewed from the display element side.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the image display apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • This image display device 1 has a shape of glasses and is fixed to a support portion 2 for fixing and supporting the entire image display device on the observer's head, and a temple (a temporal frame) of the support portion 2 for display.
  • the main body 3 includes an electronic circuit for displaying an image on the display element 31, a communication function for receiving video data from the outside of the main body 3 by wire or wireless, and the like.
  • FIG. 2 is a diagram showing an optical system of the image display apparatus of FIG. 1, FIG. 2A is a front view seen from the eyeball side, FIG. 2B is a plan view, and FIG. 2C is a side view seen from the display element side.
  • the display element 31 is a liquid crystal display element, an organic EL element, or the like that displays an image to be observed, and is built in the main body 3.
  • the image light of the image displayed on the display element 31 is configured to enter the incident surface 51 of the light guide prism 5. It is desirable to provide a protective window (not shown) for protecting the display element 31 between the display element 31 and the incident surface 51 of the light guide prism 5.
  • the light guide prism 5 is a prism that is made of a transparent resin and is long in one direction.
  • the light guide prism 5 includes an incident surface 51 and a reflecting surface 52 at both ends in the longitudinal direction, which is the traveling direction of the image light, and surrounds the optical path of the image light between the incident surface 51 and the reflecting surface 52.
  • the first side surface 53a, the second side surface 53b, the third side surface 53c, and the fourth side surface 53d are formed, and the emission surface 54 is formed on the second side surface.
  • the first side surface 53a is located on the opposite side of the surface facing the front of the observer
  • the second side surface 53b is the surface facing the front of the observer. .
  • the third side surface 53c is an upper surface of the light guide prism
  • the fourth side surface 53d is a lower surface of the light guide prism. That is, the first side surface 53a and the second side surface 53b are surfaces facing each other, and the third side surface 53c and the fourth side surface 53d are surfaces facing each other.
  • the first to fourth side surfaces 53a to 53d are configured as flat surfaces and are substantially orthogonal to the incident surface 51, respectively.
  • the first to fourth side surfaces 53a to 53d may have some curvature, and the incident surface 51 side may be wider than the reflecting surface 52 side.
  • the distance between the third side surface 53c and the fourth side surface 53d can be made narrower on the reflecting surface 52 side than on the incident surface 51 side.
  • the width of the first and second side viewed from the observer's eyeball is preferably narrower than 4 mm, which is the average human pupil diameter, and does not hinder the observation of the outside world ahead of the light guide prism 5. Is set as follows. Alternatively, in order to display an image larger in the field of view, the width may be about 4 to 9 mm.
  • prism grooves 61a to 61d each having a V-shaped cross section extend in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • the prism grooves 61a to 61d are connected to the prism grooves on the adjacent side surfaces, and are formed so as to go around the optical path of the image light through the four side surfaces 53a to 53d of the light guide prism 5 as a whole. Yes.
  • the prism grooves 61 a to 61 d are formed by two groove surfaces that sandwich edges to be cut into each side surface of the light guide prism 5.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the prism groove 61a provided on the first side surface 53a of FIG.
  • the prism groove 61a is composed of two groove surfaces S 1 and S 2 .
  • the inclination angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the groove surfaces S 1 and S 2 allow stray light or ghost light generated in the light guide prism to be transmitted to the outside of the light guide prism 5 or directed into the light guide prism. It is designed to be removed by reflecting and transmitting from the other side.
  • V shape of the cross section of each of the prism grooves 61a to 61d is not necessarily symmetrical with respect to the incident surface side and the reflection surface side.
  • undesirable light caused by reflection at an undesired position in the light guide prism is referred to as stray light, and in particular, light that generates an undesirable image other than a regular image to be observed is referred to as ghost light.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the viewing angle of the display element of FIG. 2, the frame formed by the edge of the prism groove, and the entrance window of the light guide prism.
  • the optical system of FIG. Is schematically shown in a straight line.
  • D ⁇ , V ⁇ and P ⁇ are respectively the viewing angle of the display area of the display element, the viewing angle of the area formed by connecting the V-shaped edges of the prism grooves, and the entrance window frame of the light guide prism.
  • the viewing angle is shown.
  • These viewing angles can be confirmed by drawing a line connecting the center of the exit surface 54 and the outer peripheral edge of each region.
  • D ⁇ , V ⁇ and P ⁇ are D ⁇ ⁇ V ⁇ ⁇ P ⁇ It is formed to satisfy the relationship.
  • the angle viewing angle is a viewing angle in the horizontal direction (perpendicular to the first side surface 53a and the second side surface 53b), but the light guide prism has a viewing angle in the vertical direction. It is preferable to satisfy the same relationship.
  • the image light emitted from the display element 31 of the main body 3 is transmitted through the incident surface 51 of the light guide prism 5 and enters the light guide prism 5.
  • the image light incident on the light guide prism 5 is guided in the longitudinal direction in the light guide prism 5, reflected by the reflecting surface 52, and emitted from the exit surface 54 toward the viewer's eyeball. Since the exit surface 54 has a positive refractive power, when viewed from the observer side, the image displayed on the display element 31 is displayed in the field of view as an enlarged virtual image.
  • the light guide prism 5 of the present invention has the prism grooves 61a to 61d formed on the first to fourth side faces 53a to 53d, respectively, stray light and ghost light are removed to the outside of the light guide prism 5, and contrast is increased. And the appearance of ghost images on the top, bottom, left and right of the display screen can be prevented.
  • the prism grooves 61a to 61d are arranged on the first to fourth side surfaces 53a to 53d so as to go around the optical path of the image light, stray light and ghost light are more reliably detected at this longitudinal position. Can be removed.
  • D ⁇ , V ⁇ , and P ⁇ are respectively set to the viewing angle of the display area of the display element, the viewing angle of the area formed by connecting the V-shaped edges of the prism grooves, and the light guide.
  • D ⁇ , V ⁇ and P ⁇ are D ⁇ ⁇ V ⁇ ⁇ P ⁇ Therefore, the image light from the display area of the display element 31 is not vignetted by the prism grooves 61a to 61d and is generated on the side surface between the prism grooves 61a to 61d and the incident surface 51. Light can be cut.
  • the V-shaped prism grooves 61a to 61d are formed on the four side surfaces 53a to 53d of the light guide prism 5 surrounding the optical path of the image light, respectively. 5 can reduce stray light and ghost light due to reflection on each inner surface. Further, since the prism grooves 61a to 61d are formed so as to go around the four side surfaces 53a to 53d, stray light and ghost light can be cut more reliably. Further, by satisfying the relationship of D ⁇ ⁇ V ⁇ ⁇ P ⁇ , it is possible to prevent effective image light from being vignetted by the prism grooves.
  • FIG. 5A and 5B are diagrams showing an optical system of the image display apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 5A is a front view seen from the eyeball side
  • FIG. 5B is a plan view
  • FIG. 5C is a side view seen from the display element side. It is.
  • the light guide prism 5 of the second embodiment is provided on the first side surface 53a and the second side surface 53b in place of the prism grooves 61a to 61d in the light guide prism 5 of the first embodiment of FIG.
  • a pair of prism grooves 62a and 62b (a first pair of grooves) are formed at positions facing each other, and another pair of prism grooves 62c and 62d (a second pair) provided on the third side surface 53c and the fourth side surface 53d.
  • a pair of grooves) are formed at positions facing each other.
  • the prism grooves 62 a and 62 b are spaced apart from the prism grooves 62 c and 62 d on the reflective surface 52 side in the longitudinal direction of the light guide prism 5. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the V-shaped prism grooves 62a to 62d are formed on the four side surfaces 53a to 53d of the light guide prism 5 surrounding the optical path of the image light, respectively, as in the first embodiment, Stray light and ghost light due to reflection on each side surface of the light guide prism 5 can be reduced. Further, since the longitudinal positions of the prism grooves 62a and 62b and the prism grooves 62c and 62d are shifted, the resin has good fluidity when the light guide prism 5 is resin-molded, and the first to fourth side surfaces 53a to 53a- The accuracy of each optical surface 53d can be improved.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams showing an optical system of the image display apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 6A is a front view seen from the eyeball side
  • FIG. 6B is a plan view
  • FIG. 6C is a side view seen from the display element side.
  • the light guide prism 5 of the third embodiment has prism grooves 62a that extend to the first to fourth side surfaces 53a to 53d so as to cross the side surfaces of the light guide prism 5 of the second embodiment of FIG.
  • prism grooves 63a to 63d shorter than the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the first to fourth side faces 53a to 53d are formed.
  • Each prism groove 63a to 63d is formed in the plane of the first to fourth side faces 53a to 53d, and the corners between the first to fourth side faces 53a to 53d and the side faces adjacent to each other are formed. It does not extend.
  • the width of any side surface (for example, the second side surface 53b) of the light guide prism 5 is Pw
  • the length of the prism groove (prism groove 63b) formed on the side surface is Vw
  • the effective area of the display element is When the width in the direction corresponding to the side surface is Dw, Dw ⁇ Vw ⁇ Pw Configure to meet. Since other configurations are the same as those of the second embodiment, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the length of the prism grooves 63a to 63d is longer than the effective diameter of the display element 31 in the corresponding direction, so that ghost light can be cut without leakage. Further, the length of the prism grooves 63a to 63d is made shorter than the width of the corresponding side surfaces 53a to 53d of the light guide prism 5, and the grooves are not provided at the corners between the adjacent side surfaces of the light guide prism 5. Therefore, it is possible to secure a holding force when the light guide prism 5 is attached to the main body 3 and used. Further, even when the light guide prism 5 is slid in the longitudinal direction with respect to the main body 3 in order to adjust the diopter, the light guide prism 5 can be operated smoothly.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams showing an optical system of the image display apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7A is a front view seen from the eyeball side
  • FIG. 7B is a plan view.
  • the light guide prism 5 of the fourth embodiment is more reflective than the prism grooves 63a and 63b on the third side surface 53c and the fourth side surface 53d in the light guide prism 5 of the third embodiment of FIG.
  • Prism grooves 64c and 64d are further formed at positions facing each other on the 52 side.
  • the prism grooves 63c and 63d on the incident surface 51 side and the prism grooves 64c and 64d on the reflection surface 52 side are formed by changing the angles of the groove surfaces forming the V-shape.
  • the prism grooves 63c and 63d are designed to cut stray light and ghost light due to the image light from the display element 31, whereas the prism grooves 64c and 64d are the exit surface 54 and the reflection surface 53. It is designed to prevent back-incident light from the edge of the light from reaching the display element 31 and affecting the operation of the display element or reducing the contrast.
  • two pairs of prism grooves 63c, 63d and 64c, 64d are formed on the third and fourth side surfaces 53c, 53d, and the prism grooves 64c, 64d are reversely incident. Since the configuration is such that light is cut, in addition to the effects of the third embodiment, it is possible to prevent adverse effects on the operation of the display element due to reverse incident light and a decrease in contrast.
  • the prism grooves 64c and 64d can be used for further removal of stray light and ghost light instead of removal of back-incident light.
  • the depth of each of the prism grooves 63c, 63d, 64c, and 64d is made shallower than that of the third embodiment, and the same effect as when only the pair of prism grooves 63c and 63d is formed is produced. You can also.
  • various effects can be obtained by providing a plurality of pairs of prism grooves and changing the angle of the groove surface according to the distance from the incident surface 51.
  • FIG. 8A and 8B are diagrams showing an optical system of the image display apparatus according to the fifth embodiment.
  • FIG. 8A is a front view seen from the eyeball side
  • FIG. 8B is a plan view.
  • three prism grooves 65a, 65c, 65e are formed on the third side surface 53c in this order from the incident surface 51 side.
  • These prism grooves 65a, 65c, 65e are formed at an angle rather than a direction perpendicular to the longitudinal direction of the light guide prism.
  • the prism groove 65e is provided in the vicinity of the reflecting surface 51 along the inclination of the reflecting surface.
  • similar prism grooves 65b, 65d, and 65f are formed at positions facing the prism grooves 65a, 65c, and 65e on the fourth side surface 53d, respectively.
  • the prism grooves 65e and 65f are formed at a position close to the reflecting surface 52 so as to follow the inclination of the reflecting surface 52, the outer periphery of the image light passes through the vicinity of the prism grooves 65e and 65f twice before and after the reflecting surface 51. It will pass through and double stray light and ghost light removal effects can be obtained.
  • FIG. 9 is a front view showing an optical system of the image display apparatus according to the sixth embodiment.
  • prism grooves 66a to 66d are formed on the second side surface 53b at an angle with respect to the longitudinal direction.
  • a prism groove is also formed at a position facing the first side surface 53a, but the illustration is omitted for simplicity.
  • the prism grooves 66 a and 66 b intersect two prism grooves that are angled in the opposite direction to the longitudinal direction of the light guide prism 5.
  • the prism grooves 66a and 66b are symmetrical with respect to the longitudinal direction of the light guide prism by intersecting the prism grooves whose angles are opposite to each other. Thereby, stray light and ghost light can be cut evenly.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an optical system of the image display apparatus according to the seventh embodiment.
  • the reflection by the reflecting surface 52 is omitted, and the light guide prism 53 is schematically shown by extending linearly.
  • the first side surface 53a and the second side surface 53b are respectively formed with four pairs of prism grooves perpendicular to the longitudinal direction of the light guide prism 5 and crossing the side surfaces 53a and 53b.
  • the prism grooves 67a and 67b, the prism grooves 67c and 67d, the prism grooves 67e and 67f, and the prism grooves 67g and 67h form a pair in order from the incident surface 51 side. ing.
  • the range through which the effective light beam of the image light emitted from the display area of the display element 31 and passing through the emission surface 54 passes is shown as an area sandwiched between two straight lines l 1 and l 2. Yes.
  • Each of the prism grooves 67a to 67h is formed outside the range through which the effective light beam passes. Accordingly, the depth of the prism grooves 67a to 67h is deeper as it is closer to the incident surface 51 and shallower as it is closer to the reflecting surface 52. Further, since the prism grooves are deep on the incident surface 51 side, the interval between the prism grooves is widened, and on the reflecting surface 52 side, the prism grooves are shallow, so the interval between the prism grooves is narrow. That is, in FIG.
  • vignetting of the effective luminous flux of the image light emitted from the display element 31 due to the prism grooves 67a to 67h does not occur. Further, since the pitch between the prism grooves is narrowed as the depth of the prism grooves is shallow, stray light and ghost light can be efficiently removed.
  • a pair of grooves (prism grooves 67a and 67b) arranged on the side close to the incident surface 51 is Va
  • another pair of grooves (prism grooves 67c and 67d) adjacent to the exit surface 54 side of this groove is Va
  • the angle of view by the width Vbw between the other pair of grooves Vb is Vb ⁇
  • the side surfaces 53a and 53b on which the pair of grooves Va are formed are symmetrical with the edges of the pair of grooves Va.
  • the width between Va ′ is Va′w
  • the viewing angle by the width Va′w is Va′ ⁇ , Vb ⁇ ⁇ Va' ⁇
  • the distance (P1) between the grooves Va and Vb is set so as to satisfy the above. By doing so, ghost light generated between the pair of grooves Va and the other pair of grooves Vb can be removed.
  • a plurality of prism grooves similar to those of the first side surface and the second side surface may be formed on the third side surface and the fourth side surface.
  • the same effect can be obtained by satisfying the conditions of the groove depth and the groove interval as described above.
  • the number of prism grooves on each side surface is not limited to four, and a larger number of prism grooves may be formed.
  • FIG. 11 is a modification of the light guide prism 5 in which the incident side end of the light guide prism of the first embodiment shown in FIG. 2 is changed.
  • a reflection surface 71 inclined with respect to the longitudinal direction is formed at the incident side end portion, and an incident surface 76 is formed at the end portion of the second side surface 53 b on the near side of the observer.
  • the display element 31 is arranged to face the incident surface 76. Thereby, the image light emitted from the display element 32 enters the light guide prism 5 from the incident surface 76, is reflected by the reflection surface 71, and is guided in the longitudinal direction in the light guide prism 5. Even if the incident side end portion is configured in this manner, the same operations and effects as those of the above embodiments can be obtained. In addition to this, the incident side end can have various configurations.
  • the prism grooves formed on the first side surface and the second side surface of the light guide prism are arranged to face each other, and similarly, the third side surface and the fourth side surface are arranged.
  • the grooves formed on the side surfaces are arranged to face each other.
  • the present invention is not limited to this, and for example, grooves may be arranged at different positions in the longitudinal direction of the four side surfaces.
  • the optical axis of the light guide prism does not need to be in the direction along the longitudinal direction.
  • the image light reflected a plurality of times on the first and second side surfaces in the light guide prism is reflected by the reflecting surface and emitted. You may comprise so that it may inject from a surface. In that case, the positions of the prism grooves on the first and second side surfaces are set to positions that do not block the optical path of the effective image light.
  • the side surface of the light guide prism is composed of four surfaces, it is not limited to this.
  • the light guide prism is formed of a transparent resin, but is not limited thereto, and may be formed of other transparent optical members such as glass.
  • the exit surface of the light guide prism shall be formed as a convex surface, it is not restricted to this.
  • the reflecting surface may be formed as a reflecting surface having a positive refractive power, and the exit surface may be a flat surface. Also in this case, the observer can observe an enlarged virtual image of the image displayed on the display element.
  • the image display apparatus shown in FIG. 1 displays an image toward the observer's right eye, but can be configured as an image display apparatus for the left eye or for both eyes. Furthermore, the image display device is not limited to the glasses type, and various forms for fixing to the head, such as fixing the main body portion and the light guide prism to a goggle or a helmet, are possible.

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Abstract

　表示素子３１からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子３１の虚像を表示する導光プリズム５は、一端部から入射した映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５３ａ～５３ｄと、少なくとも４つの側面５３ａ～５３ｄにより導光された映像光を反射させる反射面５２と、反射面５２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５４とを備え、少なくとも4つの側面５３ａ～５３ｄには、それぞれ少なくとも一つのV字形の溝６１ａ～６１ｄが形成されている。これにより、内側面での反射によ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。

Description

導光プリズムおよび画像表示装置
　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、例えば側頭部に固定された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。特に、導光部材の側面で反射するゴースト光は、導光部材の断面サイズを小型化するほど視界中の表示画像の近くに見えるので問題となる。このため、特許文献１では、映像光が反射される透明基板の対向する２面の互いに異なる位置に溝を形成し、導光用の透明基板内の不要な反射光を反射させて除去している。
特開２００７－２８６３１７
　しかしながら、特許文献１による透明基板では、溝が形成できる面が観察者側の面およびその反対側の面の２つの側面に限られており、かつ、溝の形成できる導光方向（映像光の進行方向）の位置も限定されているため、十分な迷光やゴースト光の低減効果が得られないことが懸念される。
　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、導光部材として使用できる、内側面での反射により生じ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。
　上記目的を達成する導光プリズムの発明は、
　表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に前記表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、
　一端部から入射した映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、
　前記少なくとも４つの側面により導光された前記映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、
　前記少なくとも4つの側面には、それぞれ少なくとも一つのV字形の溝が形成されていることを特徴とするものである。
　前記溝は、前記少なくとも4つの側面を通り前記映像光の光路の周りを一周するように形成されることが好ましい。
　あるいは、前記少なくとも４つの側面は２組の互いに対向する２つの側面よりなり、前記溝は、それぞれ互いに対向する2つの側面の対向する位置に形成された第１の対の溝と第２の対の溝とを含み、且つ、前記第１の対の溝と前記第２の対の溝とは、前記映像光の進行方向に離間して配置することもできる。
　上記構成において、さらに、前記第１の対の溝が形成された側面上の、該第１の対の溝と前記映像光の進行方向に異なる位置に第３の対の溝を有し、前記第１の対の溝のV字形を形成する斜面の角度が前記第３の対の溝の斜面の角度とは異なっていると更に好ましい。
　上記目的を達成する画像表示装置の発明は、
　映像光を射出する表示素子と、
　前記表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、一端部から入射した映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、前記少なくとも４つの側面により導光された前記映像光を反射させる反射面、および、前記反射面で反射された前記映像光を、観察者の眼球に向けて射出する射出面を有し、前記少なくとも4つの側面には、それぞれV字形の溝が形成されている導光プリズムと、
　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。
　前記少なくとも４つの側面のうち一の側面の幅をPw、該一の側面に形成された前記溝の前記側面の幅方向の長さをVw、前記表示素子の前記一の側面の幅方向の有効領域をDwとするとき、
Dw<Vw<Pw
の関係式が成り立つことが好ましい。
　あるいは、前記表示素子の前記表示領域の視野角をＤθ、前記溝のＶ字形のエッジを結んで形成される領域の視野角をVθ、前記導光プリズムの入射面の視野角をPθとするとき、
Dθ＜Vθ＜Pθ
の関係式が成り立つことが好ましい。
　上記目的を達成する導光プリズムの発明は、
　表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、
　一端部から入射した映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、
　前記少なくとも４つの側面により導光された前記映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、
　前記少なくとも4つの側面のうちの対向する少なくとも一組の側面には、一対のV字形の溝が対向して形成されていることを特徴とするものである。
　さらに、前記一対のＶ字型の溝が形成された側面上の、該一対のＶ字型の溝の前記映像光の進行方向の前記射出面側に、他の一対のＶ字型溝を有し、前記一対のＶ字型の溝のそれぞれのエッジの、前記一対のＶ字型の溝が形成された側面に対して対称な位置間の幅による視野角をＶａ’θとし、前記他の一対のＶ字型溝の溝間の幅の視野角をＶｂθとするとき、
Ｖｂθ＜Ｖａ’θ
の関係が成り立つことが好ましい。
　上記目的を達成する画像表示装置の発明は、
　映像光を射出する表示素子と、
　表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、一端部から入射した映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、前記少なくとも４つの側面により導光された前記映像光を反射させる反射面、および、前記反射面で反射された前記映像光を、観察者の眼球に向けて射出する射出面を有し、前記少なくとも4つの側面のうちの対向する少なくとも一組の側面には、一対のV字形の溝が対向して形成されている導光プリズムと、
　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ものである。
　本発明によれば、内側面での反射により生じ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。
図１は、第１実施の形態に係る画像表示装置の外観を示す斜視図である。 図２Ａは、図１の画像表示装置の光学系を眼球側から見た正面図である。 図２Ｂは、図１の画像表示装置の光学系の平面図である。 図２Ｃは、図１の画像表示装置の光学系を表示素子側から見た側面図である。 図３は、図１の第１の側面に設けられたプリズム溝を拡大して示す断面図である。 図４は、図２の表示素子、プリズム溝のエッジが形成する枠、および、導光プリズムの入射窓の視野角の関係を説明する図である。 図５Ａは、第２実施の形態の画像表示装置の光学系を眼球側から見た正面図である。 図５Ｂは、第２実施の形態の画像表示装置の光学系の平面図である。 図５Ｃは、第２実施の形態の画像表示装置の光学系を表示素子側から見た側面図である。 図６Ａは、第３実施の形態の画像表示装置の光学系を眼球側から見た正面図である。 図６Ｂは、第３実施の形態の画像表示装置の光学系の平面図である。 図６Ｃは、第３実施の形態の画像表示装置の光学系を表示素子側から見た側面図である。 図７Ａは、第４実施の形態の画像表示装置の光学系を眼球側から見た正面図である。 図７Ｂは、第４実施の形態の画像表示装置の光学系の平面図である。 図８Ａは、第５実施の形態の画像表示装置の光学系を眼球側から見た正面図である。 図８Ｂは、第５実施の形態の画像表示装置の光学系の平面図である。 図９は、第６実施の形態の画像表示装置の光学系を示す正面図である。 図１０は、第７実施の形態の画像表示装置の光学系を説明する図である。 図１１Ａは、導光プリズムの入射側端部の変形例を眼球側から見た正面図である。 図１１Ｂは、導光プリズムの入射側端部の変形例の平面図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
　図１は、本発明の第１実施の形態に係る画像表示装置の外観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３１（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３１に加え、表示素子３１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２は、図１の画像表示装置の光学系を示す図であり、図２Ａは眼球側から見た正面図、図２Ｂは平面図、図２Ｃは表示素子側から見た側面図である。表示素子３１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、本体部３内に内蔵されている。この表示素子３１に表示された画像の映像光は、導光プリズム５の入射面５１に入射するように構成されている。表示素子３１と導光プリズム５の入射面５１との間には、表示素子３１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。
　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５１と反射面５２とを備え、入射面５１と反射面５２との間には、映像光の光路を取り囲むように、第１の側面５３ａ、第２の側面５３ｂ、第３の側面５３ｃ、および、第４の側面５３ｄを有するとともに、第２の側面上に射出面５４が形成されている。観察者が画像表示装置１を装着した状態で、第１の側面５３ａは観察者の正面に向いた面の反対側に位置し、第２の側面５３ｂは観察者の正面に向いた面である。また、第３の側面５３ｃは導光プリズムの上側の面であり、第４の側面５３ｄは導光プリズムの下側の面である。すなわち、第１の側面５３ａと第２の側面５３ｂとは互いに対向する面であり、第３の側面５３ｃと第４の側面５３ｄとは互いに対向する面である。
　図２では、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄは平面として構成され、それぞれ入射面５１と略直交している。しかし、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄは多少の湾曲を有していても良く、また、反射面５２側より入射面５１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５３ｃと第４の側面５３ｄとの間の距離は、入射面５１側よりも反射面５２側の方が狭くなるようにすることもできる。また、第１および第２の側面の観察者の眼球から見た幅は、好適には人間の平均的な瞳孔径である４ｍｍより狭く、導光プリズム５よりも前方の外界の観察を妨げないように設定される。あるいは、画像を視野内により大きく表示するために、４～９ｍｍ程度の幅としても良い。
　反射面５２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５２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２の側面５３ｂの反射面５２に隣接する部分には、射出面５４が設けられている。射出面５４は、反射面５２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５４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５４は、平面として形成された第２の側面５３ｂ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２以降の図面において、射出面５４の光軸を一点鎖線で示している。光軸は、反射面５２で屈曲し表示素子３１の中心を通る。反射面５２と入射面５１との間で、光軸の方向は、導光プリズム５３の長手方向と一致している。
　導光プリズム５の第１～第４の側面５３ａ～５３ｄには、それぞれ、断面がＶ字形のプリズム溝６１ａ～６１ｄが長手方向と垂直な方向に延びている。それぞれのプリズム溝６１ａ～６１ｄは、隣接する側面のプリズム溝と繋がっており、全体として、導光プリズム５の４つの側面５３ａ～５３ｄを通り映像光の光路の周りを一周するように形成されている。
　プリズム溝６１ａ～６１ｄは、導光プリズム５の各側面に切り込むエッジを挟む２つの溝面により形成されている。図３は、図２の第１の側面５３ａに設けられたプリズム溝６１ａを拡大して示す断面図である。プリズム溝６１ａは、２つの溝面Ｓ１，Ｓ２により構成されている。これらの溝面Ｓ１，Ｓ２の傾斜角度θ１，θ２は、導光プリズム内で発生する迷光やゴースト光を、導光プリズム５の外部へ透過させ、あるいは、導光プリズム内に向けて反射させて他の側面から透過させることにより除去するように設計される。このため、各プリズム溝６１ａ～６１ｄの断面のＶ字形は、入射面側と反射面側とで必ずしも左右対称な形状とはなっていない。なお、導光プリズム内の不所望な位置での反射により生じる望ましくない光を迷光と呼び、特に、観察しようとする正規の像以外の望ましくない像を生じさせる光をゴースト光と呼ぶ。
　図４は、図２の表示素子、プリズム溝のエッジが形成する枠、および、導光プリズムの入射窓の視野角の関係を説明する図であり、図２Ｂの光学系を反射面５２による屈曲を直線状に延ばして模式的に示している。図４において、Ｄθ、ＶθおよびＰθは、それぞれ、表示素子の表示領域の視野角、プリズム溝のＶ字形のエッジを結んで形成される領域の視野角、および、導光プリズムの入射窓枠の視野角を示している。これらの視野角は、射出面５４の中央とそれぞれの領域の外周端部を結ぶ線を引くことによって確認することができる。ここで、Ｄθ、ＶθおよびＰθは、
Ｄθ＜Ｖθ＜Ｐθ
の関係を満たすように形成される。なお、図４の例で角視野角は、水平方向（第１の側面５３ａおよび第２の側面５３ｂに対して垂直方向）の視野角であるが、導光プリズムは、垂直方向の視野角についても同様の関係を満たすようにすることが好ましい。
　以上のように構成されているので、本体部３の表示素子３１から射出された映像光は、導光プリズム５の入射面５１を透過して、導光プリズム５内に入射する。導光プリズム５に入射した映像光は、導光プリズム５内を長手方向に導光され反射面５２で反射され、射出面５４から観察者の眼球方向へ射出される。射出面５４は正の屈折力を有しているので、観察者側から見ると、表示素子３１に表示された画像が拡大された虚像として視野内に表示される。
　また、表示素子３１から射出された映像光の一部は、プリズム溝６１ａ～６１ｄが無い場合、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄの不所望な位置で反射され、迷光やゴースト光を発生させる虞がある。しかし、本発明の導光プリズム５は、プリズム溝６１ａ～６１ｄを第１～第４の側面５３ａ～５３ｄのそれぞれに形成したので、迷光やゴースト光を導光プリズム５の外部へ除去し、コントラストの低下や、表示画面の上下左右にゴースト画像が現れることを防ぐことができる。また、プリズム溝６１ａ～６１ｄは、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄ上に、映像光の光路を周回するように配置されているので、この長手方向の位置において迷光およびゴースト光をより確実に除去することができる。
　さらに、図４で示したように、Ｄθ、ＶθおよびＰθを、それぞれ、表示素子の表示領域の視野角、プリズム溝のＶ字形のエッジを結んで形成される領域の視野角、および、導光プリズムの入射窓枠の視野角とするとき、Ｄθ、ＶθおよびＰθは、
Ｄθ＜Ｖθ＜Ｐθ
の関係を満たすので、表示素子３１の表示領域からの映像光が、プリズム溝６１ａ～６１ｄによってケラレることがなく、且つ、プリズム溝６１ａ～６１ｄと入射面５１との間の側面で発生するゴースト光をカットすることができる。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、映像光の光路を取り囲む導光プリズム５の４つの側面５３ａ～５３ｄに、それぞれV字形のプリズム溝６１ａ～６１ｄを形成したので、導光プリズム５の各内側面での反射による迷光やゴースト光を低減することができる。さらに、４つの側面５３ａ～５３ｄを周回するようにプリズム溝６１ａ～６１ｄが形成されていることから、より確実に迷光やゴースト光をカットできる。また、Ｄθ＜Ｖθ＜Ｐθの関係を満たすことで、有効な映像光がプリズム溝でケラレることを防ぐことができる。
（第２実施の形態）
　図５は、第２実施の形態の画像表示装置の光学系を示す図であり、図５Ａは眼球側から見た正面図、図５Ｂは平面図、図５Ｃは表示素子側から見た側面図である。第２実施の形態の導光プリズム５は、図１の第１実施の形態の導光プリズム５において、プリズム溝６１ａ～６１ｄに代えて、第１の側面５３ａおよび第２の側面５３ｂに設けられる一対のプリズム溝６２ａおよび６２ｂ（第１の対の溝）が互いに対向する位置に形成され、第３の側面５３ｃおよび第４の側面５３ｄに設けられる他の一対のプリズム溝６２ｃおよび６２ｄ（第２の対の溝）が互いに対向する位置に形成される。ここで、プリズム溝６２ａおよび６２ｂは、プリズム溝６２ｃおよび６２ｄに対して、導光プリズム５の長手方向の反射面５２側に離間して配置されている。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　本実施の形態によれば、映像光の光路を取り囲む導光プリズム５の４つの側面５３ａ～５３ｄに、それぞれV字形のプリズム溝６２ａ～６２ｄを形成したので、第１実施の形態と同様に、導光プリズム５の各側面での反射による迷光やゴースト光を低減することができる。さらに、プリズム溝６２ａおよび６２ｂとプリズム溝６２ｃおよび６２ｄとの長手方向の位置をずらしているため、導光プリズム５を樹脂成型するとき樹脂の流動性が良く、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄの各光学面の精度を向上することができる。
（第３実施の形態）
　図６は、第３実施の形態の画像表示装置の光学系を示す図であり、図６Ａは眼球側から見た正面図、図６Ｂは平面図、図６Ｃは表示素子側から見た側面図である。第３実施の形態の導光プリズム５は、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄに、それぞれ、図５の第２実施の形態の導光プリズム５の各側面を横切るように延びるプリズム溝６２ａ～６２ｄに代えて、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄの長手方向と直交する方向の幅よりも短いプリズム溝６３ａ～６３ｄを形成したものである。各プリズム溝６３ａ～６３ｄは、それぞれ、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄの面内に形成され、第１～第４の側面５３ａ～５３ｄの互いに隣接する側面との間の角部までは延びていない。
　また、導光プリズム５の何れかの側面（例えば、第２の側面５３ｂ）の幅をＰｗ、当該側面に形成されたプリズム溝（プリズム溝６３ｂ）の長さをＶｗ、表示素子の有効領域の当該側面に対応する方向の幅を長さをＤｗとするとき、
Ｄｗ＜Ｖｗ＜Ｐｗ
を満たすように構成する。
その他の構成は、第２実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素、には同一参照符号を付して説明を省略する。
　以上のような構成により、プリズム溝６３ａ～６３ｄの長さを、表示素子３１の対応する方向の有効径よりも長くしたので、漏れなくゴースト光をカットすることができる。また、プリズム溝６３ａ～６３ｄの長さを、導光プリズム５の対応する各側面５３ａ～５３ｄの幅より短くし、導光プリズム５の隣接する側面の間の角部分に溝を設けないようにしたので、導光プリズム５を本体部３に取り付けて使用する際の保持力を確保することができる。また、視度の調整を行うために、導光プリズム５を本体部３に対して長手方向にスライドさせるような場合も、導光プリズム５をスムーズに動作させることが可能になる。
（第４実施の形態）
　図７は、第４実施の形態の画像表示装置の光学系を示す図であり、図７Ａは眼球側から見た正面図、図７Ｂは平面図である。第４実施の形態の導光プリズム５は、図６の第３実施の形態の導光プリズム５において、第３の側面５３ｃおよび第４の側面５３ｄ上の、プリズム溝６３ａ，６３ｂよりも反射面５２側の互いに対向する位置に、更にプリズム溝６４ｃおよび６４ｄ（第３の対の溝）を形成したものである。ここで、入射面５１側のプリズム溝６３ｃ、６３ｄと、反射面５２側のプリズム溝６４ｃ，６４ｄとは、Ｖ字形を形成する溝面の角度を変えて形成する。具体的には、プリズム溝６３ｃ，６３ｄは、表示素子３１からの映像光による迷光やゴースト光をカットするように設計するのに対して、プリズム溝６４ｃ，６４ｄは、射出面５４や反射面５３の縁部からの逆入射光が、表示素子３１に到達して表示素子の動作に影響を与えたり、コントラストを低下させたりすることを防止するように設計される。この場合、反射面５４側のプリズム溝６４ｃ，６４ｄの溝面を入射面側のプリズム溝６３ｃ，６３ｄの溝面と逆向きに傾かせる。言い換えれば、プリズム溝６３ｃ，６３ｄ，６４ｃ，６４ｄについて、図３に示したのと同様に、入射面側の溝面Ｓ１、反射面側の溝面Ｓ２のそれぞれの対応する側面に対する角度θ１，θ２を定義するとき、プリズム溝６３ｃ，６３ｄとプリズム溝６４ｃ，６４ｄとの間で、θ１とθ２との大小関係が異なるようにする。このようにすることによって、逆入射光をカットすることができる。その他の構成は、第３実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素、には同一参照符号を付して説明を省略する。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、第３および第４の側面５３ｃ，５３ｄに２対のプリズム溝６３ｃ，６３ｄおよび６４ｃ，６４ｄを形成し、プリズム溝６４ｃ，６４ｄは、逆入射光をカットするように構成したので、第３実施の形態の効果に加え、逆入射光による表示素子の動作への悪影響やコントラストの低下を防止することができる。
　なお、プリズム溝６４ｃ，６４ｄを逆入射光の除去ではなく、迷光およびゴースト光の更なる除去のために用いることができる。その場合、各プリズム溝６３ｃ，６３ｄ，６４ｃ，６４ｄの深さを第３実施の形態よりも浅くして、一対のプリズム溝６３ｃ，６３ｄのみが形成されている場合と同様の効果を生じさせることもできる。この他にも、複数の対のプリズム溝を設けるとともに、入射面５１からの距離に応じて溝面の角度を変えることにより、種々の効果を得ることができる。
（第５実施の形態）
　図８は、第５実施の形態の画像表示装置の光学系を示す図であり、図８Ａは眼球側から見た正面図、図８Ｂは平面図である。図８の導光プリズム５では、第３の側面５３ｃに入射面５１側から順に３つのプリズム溝６５ａ，６５ｃ，６５ｅが形成されている。これらのプリズム溝６５ａ，６５ｃ，６５ｅは、導光プリズムの長手方向に対して垂直方向ではなく、角度をつけて形成されている。特にプリズム溝６５ｅは、反射面５１の近傍に反射面の傾斜に沿って設けられている。また、第４の側面５３ｄのプリズム溝６５ａ，６５ｃ，６５ｅに対向する位置にも、それぞれ同様のプリズム溝６５ｂ，６５ｄ，６５ｆが形成される。
　上記のような構成により、表示素子３１から射出された映像光のうち、光路から外れた光は、図８Ａおよび図８Ｂのように、プリズム溝６５ａ～６５ｆにより、観察者から見て鉛直方向や前後方向などの種々の方向成分を有して偏向される。これによって、より確実にゴースト光をカットすることが可能になる。また、反射面５２に近い位置に反射面５２の傾斜に沿うようにプリズム溝６５ｅ，６５ｆを形成したので、映像光の外周部が反射面５１の前後でプリズム溝６５ｅ，６５ｆの近傍を２回通過することとなり、２倍の迷光およびゴースト光所除効果が得られる。
　第３の側面５３ｃおよび第４の側面５３ｄに設けたプリズム溝６５ａ～６５ｆに加え、第１の側面５３ａおよび第２の側面５３ｂにも、長手方向に垂直なプリズム溝や長手方向に対して角度をつけたプリズム溝を形成しても良い。
（第６実施の形態）
　図９は、第６実施の形態の画像表示装置の光学系を示す正面図である。導光プリズム５には、第２の側面５３ｂに長手方向に対して角度をつけたプリズム溝６６ａ～６６ｄを形成している。この場合、第１の側面５３ａの対向する位置にもプリズム溝を形成しているが、簡単のために図を省略する。第２の側面５３ｂに形成されたプリズム溝のうち、プリズム溝６６ａおよび６６ｂは、導光プリズム５の長手方向に対して反対方向に角度をつけた２つのプリズム溝が互いに交差している。このように、互いに反対方向に角度を付けたプリズム溝を交差させることによって、プリズム溝６６ａと６６ｂとが、導光プリズムの長手方向に対して対称な形状となる。これにより、迷光やゴースト光を均等にカットすることが可能になる。
（第７実施の形態）
　図１０は、第７実施の形態の画像表示装置の光学系を説明する図である。反射面５２による反射を省略して、導光プリズム５３を直線状に延ばして模式的に示している。第１の側面５３ａおよび第２の側面５３ｂには、それぞれ、導光プリズム５の長手方向に直角で、各側面５３ａ，５３ｂを横断する４対のプリズム溝が形成されている。具体的には、図１０に示すように、入射面５１側から順に、プリズム溝６７ａ，６７ｂ、プリズム溝６７ｃ，６７ｄ、プリズム溝６７ｅ，６７ｆ、および、プリズム溝６７ｇ，６７ｈがそれぞれ対を形成している。
　また、図１０では、表示素子３１の表示領域から射出され、射出面５４を通過する映像光の有効光束が通過する範囲を、２本の直線ｌ１およびｌ２で挟まれた領域として示している。各プリズム溝６７ａ～６７ｈは、上記有効光束が通過する範囲の外側に形成する。したがって、プリズム溝６７ａ～６７ｈの深さは、入射面５１に近いほど深く、反射面５２に近いほど浅く形成する。また、入射面５１側ではプリズム溝が深いのでプリズム溝間の間隔を広くし、反射面５２側ではプリズム溝が浅いので、プリズム溝の間隔を狭く配置している。すなわち、図１０においては、プリズム溝６７ａ，６７ｂの深さをｄ１とし、プリズム溝６７ｇ，６７ｈの深さをｄ２とすると、ｄ１＞ｄ２となる。また、プリズム溝６７ａ，６７ｂとプリズム溝６７ｃ，６７ｄとの間の間隔をＰ１、プリズム溝６７ｅ，６７ｆとプリズム溝６７ｇ，６７ｈとの間隔をＰ２とするとき、Ｐ１＞Ｐ２となる。
　以上のような構成により、本実施の形態によれば、表示素子３１から射出される映像光の有効光束の、プリズム溝６７ａ～６７ｈによるケラレが発生することがない。また、プリズム溝の深さが浅いほど、プリズム溝間のピッチを狭くするので、迷光およびゴースト光を効率的に除去することができる。
　さらに、図１０において、入射面５１に近い側に配置された一対の溝（プリズム溝６７ａ，６７ｂ）をＶａ、この溝の射出面５４側に隣接する他の一対の溝（プリズム溝６７ｃ，６７ｄ）をＶｂとするとき、他の一対の溝Ｖｂの溝間の幅Ｖｂｗによる画角をＶｂθ、一対の溝Ｖａの形成される側面５３ａ、５３ｂに対して１対の溝Ｖａのエッジと対称な位置をＶａ’としたときの、Ｖａ’間の幅をＶａ’ｗとし、その幅Ｖａ’ｗによる視野角をＶａ’θとしたとき、
Ｖｂθ＜Ｖａ’θ
を満たすように溝Ｖａ、Ｖｂの間の距離（Ｐ１）が設定される。このようにすることによって、一対の溝Ｖａと他の一対の溝Ｖｂとの間で発生するゴースト光を除去することができる。
　なお、本実施の形態において、さらに第３の側面および第４の側面にも、第１の側面および第２の側面と同様の複数のプリズム溝を形成しても良い。その場合も、上述のような溝の深さ、溝の間隔の条件を満たすことにより、同様の効果が得られる。また、各側面のプリズム溝の数は４つに限られず、これより多数のプリズム溝を形成しても良い。
　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１１は、図２に示した第１実施の形態の導光プリズムの入射側端部を変更した導光プリズム５の変形例である。この導光プリズム５では、入射側端部にも、長手方向に対して傾斜した反射面７１を形成するとともに、観察者の手前側の第２の側面５３ｂの端部に入射面７６を形成し、表示素子３１を入射面７６に対向して配置する。これにより、表示素子３２から射出された映像光は、入射面７６から導光プリズム５に入射し、反射面７１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。
　また、上記各実施の形態では、導光プリズムの第１の側面と第２の側面とに形成したプリズム溝は、互いに対向して配置されており、同様に、第３の側面と第４の側面とに形成されたと溝は、互いに対向して配置されている。しかし、本発明はこれに限られず、例えば、４つの側面の長手方向にそれぞれ異なる位置に溝を配置しても良い。さらに、導光プリズムの光軸は、長手方向に沿う方向である必要は無く、例えば、導光プリズム内の第1および第２の側面で複数回反射した映像光が、反射面で反射され射出面から射出されるように構成しても良い。その場合、第１および第２の側面におけるプリズム溝の位置は、有効な映像光の光路を遮らない位置に設定される。
　また、導光プリズムの側面は、４面により構成されるものとしたが、これに限られない。例えば、隣接する各側面の間の稜線部分の角を取ったり、丸みをつけたりした形状も含まれる。また、導光プリズムは、透明な樹脂より形成されるとしたが、これに限られず、ガラスなどの他の透明な光学部材により形成しても良い。さらに、上記実施の形態において、導光プリズムの射出面は凸面として形成されるものとしたが、これに限られない。例えば、反射面を正の屈折力を有する反射面として形成し、射出面は平面とすることも可能である。この場合も、観察者は表示素子に表示された画像の拡大された虚像を観察することが可能である。
　また、図１において図示した画像表示装置は、観察者の右眼に向けて画像を表示するものであるが、左眼用や両眼用などの画像表示装置として構成することも可能である。さらに、画像表示装置は眼鏡型のものに限られず、本体部および導光プリズムをゴーグルやヘルメットのようなものに固定するなど、頭部に固定するための種々の形態が可能である。
　１　　画像表示装置
　２　　支持部
　３　　本体部
　５　　導光プリズム
　３１，３２　　表示素子
　５１　　入射面
　５２　　反射面
　５３ａ　　第１の側面
　５３ｂ　　第２の側面
　５３ｃ　　第３の側面
　５３ｄ　　第４の側面
　５４　　射出面
　６１ａ～６１ｄ　　プリズム溝
　６２ａ～６２ｄ　　プリズム溝
　６３ａ～６３ｄ　　プリズム溝
　６４ｃ，６４ｄ　　プリズム溝
　６６ａ～６６ｄ　　プリズム溝
　６７ａ～６７ｈ　　プリズム溝
　７１　　反射面
 

Claims (10)

  1. 　表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に前記表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、
    　一端部から入射した映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、
    　前記少なくとも４つの側面により導光された前記映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、
    　前記少なくとも4つの側面には、それぞれ少なくとも一つのV字形の溝が形成されている導光プリズム。
  2. 　前記溝は、前記少なくとも4つの側面を通り前記映像光の光路の周りを一周するように形成される請求項１に記載の導光プリズム。
  3. 　前記少なくとも４つの側面は２組の互いに対向する２つの側面よりなり、前記溝は、それぞれ互いに対向する２つの側面の対向する位置に形成された第１の対の溝と第２の対の溝とを含み、且つ、前記第１の対の溝と前記第２の対の溝とは、前記映像光の進行方向に離間して配置されている請求項１に記載の導光プリズム。
  4. 　前記第１の対の溝が形成された側面上の、該第１の対の溝と前記映像光の進行方向に異なる位置に第３の対の溝を有し、前記第１の対の溝のV字形を形成する斜面の角度が前記第３の対の溝の斜面の角度とは異なっていることを特徴とする請求項３に記載の導光プリズム。
  5. 　映像光を射出する表示素子と、
    　前記表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、一端部から入射した映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、前記少なくとも４つの側面により導光された前記映像光を反射させる反射面、および、前記反射面で反射された前記映像光を、観察者の眼球に向けて射出する射出面を有し、前記少なくとも４つの側面には、それぞれV字形の溝が形成されている導光プリズムと、
    　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
    を備える画像表示装置。
  6. 　前記少なくとも４つの側面のうち一の側面の幅をPw、該一の側面に形成された前記溝の前記側面の幅方向の長さをVw、前記表示素子の前記一の側面の幅方向の有効領域をDwとするとき、
    Dw<Vw<Pw
    の関係式が成り立つことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
  7. 　前記表示素子の前記表示領域の視野角をＤθ、前記溝のＶ字形のエッジを結んで形成される領域の視野角をVθ、前記導光プリズムの入射面の視野角をPθとするとき、
    Dθ＜Vθ＜Pθ
    の関係式が成り立つことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
  8. 　表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、
    　一端部から入射した映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、
    　前記少なくとも４つの側面により導光された前記映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、
    　前記少なくとも４つの側面のうちの対向する少なくとも一組の側面には、一対のV字形の溝が対向して形成されている導光プリズム。
  9. 　前記一対のＶ字型の溝が形成された側面上の、該一対のＶ字型の溝の前記映像光の進行方向の前記射出面側に、他の一対のＶ字型溝を有し、前記一対のＶ字型の溝のそれぞれのエッジの、前記一対のＶ字型の溝が形成された側面に対して対称な位置間の幅による視野角をＶａ’θとし、前記他の一対のＶ字型溝の溝間の幅の視野角をＶｂθとするとき、
    Ｖｂθ＜Ｖａ’θ
    の関係が成り立つことを特徴とする請求項８に記載の導光プリズム。
  10. 　映像光を射出する表示素子と、
    　表示素子からの映像光を観察者の眼球に導光し、観察者の視野内に表示素子の虚像を表示する導光プリズムであって、一端部から入射した映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、前記少なくとも４つの側面により導光された前記映像光を反射させる反射面、および、前記反射面で反射された前記映像光を、観察者の眼球に向けて射出する射出面を有し、前記少なくとも4つの側面のうちの対向する少なくとも一組の側面には、一対のV字形の溝が対向して形成されている導光プリズムと、
    　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
    を備える画像表示装置。
     
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