WO2023032310A1 - 光学素子及び画像表示装置 - Google Patents

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WO2023032310A1
WO2023032310A1 PCT/JP2022/012591 JP2022012591W WO2023032310A1 WO 2023032310 A1 WO2023032310 A1 WO 2023032310A1 JP 2022012591 W JP2022012591 W JP 2022012591W WO 2023032310 A1 WO2023032310 A1 WO 2023032310A1
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WO
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prism
external light
optical element
incident
light
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PCT/JP2022/012591
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French (fr)
Inventor
良徳 大橋
英暁 岡野
英司 野村
Original Assignee
ソニーグループ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms

Definitions

  • the present disclosure relates to optical elements and image display devices.
  • a head-mounted display device is used.
  • This display device is called a head-mounted display, and is a display device in which light from a display device such as a liquid crystal display device placed near the eyeball is guided to the eyeball by a display optical system such as a prism.
  • a display device that transmits external light has been proposed.
  • a display device has been proposed that includes, as a display optical system, a free-form surface prism having an incident surface, a reflecting surface, and a surface for emitting light from a display element, and a correction prism that transmits external light. (See Patent Document 1, for example).
  • the correcting prism has a surface having the same shape as the reflecting surface of the free-form surface prism and the surface emitting light toward the eyeball, and is arranged so as to be joined to the free-form surface prism. External light incident on this correction prism is emitted to the eyeball via the free-form surface prism.
  • the correction prism is composed of surfaces having the same shape as the free-form surface prism, there is a problem that the thickness of the display optical system increases. Therefore, there is a problem that it is difficult to miniaturize the conventional display device.
  • the present disclosure proposes an optical element and an image display device having a thin display optical system.
  • An optical element includes an entrance surface, a semi-reflection surface, and an exit surface, each of which is composed of a free-form surface.
  • a first prism that is internally reflected and emitted from the emission surface to the light observation portion; an external light incident surface that is configured in a shape in which a free curved surface is divided by at least one stepped surface and receives external light; and a second prism having an external light emitting surface for emitting the incident external light to the semi-reflecting surface.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an image display device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a bottom view showing a configuration example of an image display device according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the image display device according to the first embodiment of the present disclosure
  • FIG. It is a figure showing an example of arrangement of an image display device concerning an embodiment of this indication. It is a figure showing an example of arrangement of an image display device concerning an embodiment of this indication.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an image display device according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to a first embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a bottom view showing a configuration example of an image display device according to a first
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to a second embodiment of the present disclosure
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing another configuration example of the image display device according to the second embodiment of the present disclosure
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to a third embodiment of the present disclosure
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an image display device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the image display device 1.
  • the image display device 1 is a head-mounted image display device that guides external light to the user's eyeballs while guiding an image from a display element to the user's eyeballs.
  • a user of the image display device 1 can observe an image in which the image of the display element is superimposed on the image of the outside world based on the outside light.
  • the image display device 1 is constructed by disposing a display element 20 and an optical element 10 in a housing 30 .
  • the display element 20 displays an image.
  • the display element 20 can be composed of, for example, an OLED (Organic Light Emitting Diode).
  • OLED Organic Light Emitting Diode
  • the light of the image displayed on the display element 20 enters the optical element 10 .
  • other elements such as a liquid crystal display element can also be applied to the display element 20 .
  • the optical element 10 guides the light from the display element 20 to the user's eyeball. Further, the optical element 10 guides external light to the user's eyeball. Details of the configuration of the optical element 10 will be described later.
  • the housing 30 holds the display element 20 and the optical element 10 . Further, the housing 30 further holds a drive circuit (not shown) for the display element 20 .
  • a temple 50 shown in the same figure is for fixing the housing 30 to the user's head. The temples 50 can be configured to hang over the ears of the user. Alternatively, a headband may be arranged on the temple 50 and the housing 30 may be fixed by the headband.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to the first embodiment of the present disclosure; This figure is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the image display device 1. As shown in FIG. In the figure, the description of the housing 30 is omitted. As described above, the image display device 1 includes the display element 20 and the optical element 10 . The optical element 10 shown in the figure includes a first prism 110 and a second prism 120 .
  • the first prism 110 is a free-form surface prism having an entrance surface 111, a semi-reflective surface 112, and an exit surface 113, each of which is a free-form surface.
  • the light of the display element 20 enters from the entrance surface 111, is internally reflected between the exit surface 113 and the semi-reflective surface 112, and then exits from the exit surface 113 to the light observation portion.
  • FIG. 1 shows the eyeball 200 of the user of the image display device 1 as an example of the observation section.
  • the first prism 110 guides the luminous flux of the image on the display element 20 to the eyeball 200 and magnifies it.
  • a user of the image display device 1 observes a virtual image in which the image on the display element 20 is enlarged.
  • a solid-line arrow in the figure represents an optical path 210 of light from the display element 20 .
  • the second prism 120 is a prism having an external light entrance surface 121 and an external light exit surface 125 .
  • the second prism 120 can be arranged adjacent to the semi-reflecting surface 112 of the first prism 110, and can emit incident external light through the first prism 110 to the observation section.
  • the external light incident surface 121 is a surface on which external light is incident and which is formed in a shape in which a free curved surface is divided by at least one stepped surface 122 .
  • the external light emitting surface 125 is a surface from which incident external light is emitted. In addition, the outside light emitting surface 125 can emit incident outside light to the semi-reflecting surface 112 .
  • the external light emitting surface 125 may be configured to have the same shape as the semi-reflecting surface 112 and be configured as a surface that is joined to the semi-reflecting surface 112 .
  • the dotted arrow in the figure represents the optical path 211 of external light.
  • the external light incident surface 121 is configured in a shape in which a free curved surface is divided by a stepped surface 122 .
  • the external light incident surface 121 in the figure represents an example of the external light incident surface 121 divided by nine stepped surfaces 122 .
  • the external light incident surface 121 can adopt a shape having an arbitrary number of stepped surfaces 122 .
  • this figure shows an example in which a plurality of step surfaces 122 are arranged in parallel.
  • the external light entrance surface 121 in the figure can also have a shape in which a free-form surface having the same shape as the exit surface 113 of the first prism 110 is divided by at least one stepped surface 122 .
  • the external light entrance surface 121 excluding the stepped surface 122 is a curved surface parallel to the exit surface 113 . Therefore, the phase information of the external light is held. In other words, the directions of the external light flux incident on the external light incident surface 121 and the external light flux emitted from the output surface 113 can be aligned. This allows the user of the image display device 1 to see an image of the outside world without distortion.
  • the dashed line in the figure represents the outer shape of the second prism 120 having an external light incident surface 121' on which the stepped surface 122 is not arranged.
  • the external light incident surface 121 ′ has a shape obtained by translating the output surface 113 .
  • the thickness of the bottom surface of the second prism 120 increases.
  • the bottom of the second prism 120 can be made thinner. Thereby, an increase in the thickness of the optical element 10 including the first prism 110 can be prevented.
  • FIG. 2B is a bottom view showing a configuration example of the image display device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • This figure is a diagram showing a configuration example of the bottom surface of the optical element 10 .
  • the outer shape of the second prism 120 having the external light incident surface 121' on which the stepped surface 122 is not arranged is also represented by the dashed line.
  • the image display device 1 shown in FIGS. 2A and 2B can improve the optical magnification by arranging the first prism 110 having three free-form surfaces. For example, when using a display element 20 with a diagonal of 1 inch, a field of view of 53.7° in the horizontal direction and 49.5° in the vertical direction can be obtained. In this case, the optical magnification is 130 times in the horizontal direction and 109 times in the vertical direction.
  • the second prism 120 has an external light incident surface 121 having a plurality of stepped surfaces 122 . Since these stepped surfaces 122 are parallel to each other, the processing angles of the stepped surfaces 122 of the second prism 120 are uniform, and workability and productivity can be improved.
  • the light from the display element 20 is refracted twice by being incident on the first prism 110 and being emitted from the first prism 110, and is totally reflected and semi-reflected by the exit surface 113 in the first prism 110. Two of the 112 reflections are reflected. Of these, the attenuation of the light from the display element 20 occurs only when the light is reflected by the semi-reflecting surface 112, so the luminance efficiency of the image display device 1 can be improved.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the image display device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • This figure like FIG. 2A, is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the image display device 1.
  • the second prism 120 in the figure differs from the image display device 1 in FIG. 2A in that it has an external light entrance surface 121 with one stepped surface 122 . Also in the optical element 10 shown in the figure, by arranging the stepped surface 122 on the external light incident surface 121, an increase in the thickness of the bottom portion of the second prism 120 can be reduced.
  • FIGS. 4A and 4B are diagrams showing examples of arrangement of image display devices according to an embodiment of the present disclosure.
  • etc. is abbreviate
  • FIG. 4A shows an example in which the display element 20 is arranged on the side of the eyeball 200 of the user 201.
  • FIG. The optical element 10 in the figure is thicker on the ear side of the user 201 and thinner on the nose side.
  • the optical element 10 can be designed to be integrated with the temple 50, and a natural appearance can be obtained.
  • FIG. 4B shows an example in which the display element 20 is arranged above the eyeball 200 of the user 201.
  • FIG. 4B shows an example in which the display element 20 is arranged above the eyeball 200 of the user 201.
  • FIG. In the arrangement shown in the figure, the range of incidence of external light on the optical element 10 can be widened.
  • the configuration of the image display device 1 is not limited to this example.
  • a configuration in which a camera is arranged instead of the eyeball 200 of the user can be adopted.
  • the optical element 10 according to the first embodiment of the present disclosure can be thinned by arranging the second prism 120 having the external light incident surface 121 having the step surface 122. can.
  • the image display device 1 of the first embodiment described above uses the second prism 120 having the external light incident surface 121 having a plurality of parallel stepped surfaces 122 .
  • the image display device 1 of the second embodiment of the present disclosure is different from the above-described first embodiment in that it includes the external light incident surface 121 having the stepped surface 122 inclined along the optical path from the observation unit. Different from the form.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to the second embodiment of the present disclosure.
  • This figure like FIG. 2A, is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the image display device 1.
  • the external light incident surface 121 of the second prism 120 shown in the figure differs from the image display device 1 shown in FIG. 2A in that it has a stepped surface 122 inclined along the optical path from the observation section.
  • a stepped surface 122 in the figure is configured to be inclined along the optical path 211 from the eyeball 200 of the user of the image display device 1, which is the observation section.
  • the plurality of step surfaces 122 are formed at different angles.
  • the stepped surface 122 at the central portion of the external light incident surface 121 is formed at a substantially horizontal angle
  • the stepped surface 122 at the end of the external light incident surface 121 is positioned so as to face the eyeball 200 of the user of the image display device 1 . It is formed at an angle corresponding to the elevation and depression angles of the .
  • the angle of the step surface 122 at the end of the second prism 120 is an angle of ⁇ 1 with respect to the horizontal direction. For this ⁇ 1, for example, an angle of value “28” can be applied.
  • an external light incident surface 121 having a parallel stepped surface 122 like the second prism 120 in FIG. 2A causes a phenomenon in which virtual images called ghosts are perceived side by side. This is because internal reflection of the optical element 10 occurs. Therefore, the stepped surface 122 of the external light incident surface 121 is configured to be inclined along the optical path 211 from the eyeball 200 of the user of the image display device 1, which is the observation section. Thereby, the internal reflection of the optical element 10 can be reduced, and the ghost when viewing the central portion of the optical element 10 can be reduced.
  • the step surface 122 is blackened or mirror-finished. As a result, the incidence of external light from the step surface 122 can be reduced, and the image quality can be further improved.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing another configuration example of the image display device according to the second embodiment of the present disclosure.
  • This figure like FIG. 5, is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the image display device 1.
  • the second prism 120 shown in FIG. 5 is different from the image display apparatus 1 shown in FIG.
  • This figure shows an example of arranging the step surface 122 inclined along the optical path 211 assuming that the eyeball 200 moves. Since the optical element 10 of the present disclosure has a wide angle of view, it is assumed that the user will move the eyeball 200 to gaze at the outside world. Therefore, the step surface 122 can be configured to be inclined along the optical path 211 when the eyeball 200 moves. In this case, the angle ⁇ 2 of the stepped surface 122 at the end of the second prism 120 can be, for example, an angle of "24". As a result, it is possible to further reduce the occurrence of a ghost when the eyeball 200 is moved to gaze at the outside world.
  • the optical element 10 of the second embodiment of the present disclosure uses the second prism 120 having the external light incident surface 121 having the stepped surface 122 inclined along the optical path from the observation section. , the generation of ghosts can be reduced. Thereby, the image quality of the image based on external light can be improved.
  • the image display device 1 of the first embodiment described above uses the second prism 120 having the external light entrance surface 121 having a plurality of stepped surfaces 122 .
  • the image display device 1 of the third embodiment of the present disclosure differs from the above-described first embodiment in that each end of the step surface 122 is aligned with the vertical plane.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration example of an image display device according to the third embodiment of the present disclosure.
  • This figure like FIG. 2A, is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the image display device 1.
  • the second prism 120 in the figure differs from the image display device 1 in FIG. 2A in that the edges of the step surface 122 are aligned.
  • the external light incident surface 121 of the second prism 120 in the same figure has a plurality of stepped surfaces 122 .
  • These step surfaces 122 are configured so that their ends are aligned with the vertical plane.
  • the end portions of the plurality of stepped surfaces 122 can be configured to have a shape in contact with the virtual vertical plane indicated by the dashed-dotted line in FIG. Thereby, the projection length of the front surface of the image display device 1 can be reduced.
  • the image display device 1 can be configured to have a natural appearance.
  • the optical element 10 of the third embodiment of the present disclosure is configured in a shape in which the end portions of the plurality of stepped surfaces 122 of the external light incident surface 121 of the second prism 120 are aligned. Thereby, the projection length of the front surface of the image display device 1 can be reduced.
  • the configuration of the third embodiment of the present disclosure can be applied to other embodiments.
  • the shape of the end of the step surface 122 in FIG. 7 can be applied to the second embodiment of the present disclosure.
  • the optical element 10 has a first prism 110 and a second prism 120 .
  • the first prism 110 has an entrance surface 111, a semi-reflective surface 112, and an exit surface 113, each of which is a free-form surface.
  • the light is internally reflected between and emitted from the emission surface 113 to the observation portion of the light.
  • the second prism 120 has a free-form surface divided by at least one stepped surface 122 , and has an external light incident surface 121 on which external light is incident, and an external light incident surface 121 on which the incident external light is emitted to the semi-reflective surface 112 .
  • a light exit surface 125 is provided. Thereby, the thickness of the second prism 120 can be reduced.
  • the second prism 120 may be arranged adjacent to the first prism 110 . Thereby, the optical element 10 can be miniaturized.
  • the second prism 120 may include an external light exit surface 125 configured in the same shape as the semi-reflecting surface 112 and joined to the semi-reflecting surface 112 . As a result, incident external light can be emitted to the semi-reflective surface 112 .
  • the second prism 120 may emit incident external light to the observation section via the first prism 110 . Thereby, the image from the display element 20 can be superimposed on the image of the outside world.
  • the second prism 120 may have an external light incident surface 121 formed by dividing a free curved surface having the same shape as the output surface 113 by at least one stepped surface 122 . Thereby, the phase information of external light can be held.
  • the second prism 120 may have an external light incident surface 121 configured in a shape divided by a plurality of stepped surfaces 122 .
  • the second prism 120 may include a plurality of step surfaces 122 inclined in parallel. Thereby, the workability of the steps can be improved.
  • the second prism 120 may have a plurality of stepped surfaces 122 whose ends are aligned with the vertical plane. Thereby, the projection length of the optical element 10 can be reduced.
  • the second prism 120 may have a stepped surface 122 inclined along the optical path from the observation section. Thereby, internal reflection of external light in the second prism 120 can be reduced.
  • the second prism 120 may emit external light using the user's eyeball as an observation part.
  • the second prism 120 may have a stepped surface 122 inclined along the optical path according to the movement of the eyeball. Thereby, internal reflection of external light in the second prism 120 can be reduced.
  • the second prism 120 emits external light using the user's eyeball as an observation part, and the first prism 110 receives the light from the display element 20 arranged on the side of the user's eyeball as an incident surface 111 . may be incident on
  • the second prism 120 emits external light using the user's eyeball as an observation part, and the first prism 110 allows the light from the display element 20 arranged above the user's eyeball to enter the incident surface 111. may enter.
  • the image display device 1 has a display element 20 , a first prism 110 and a second prism 120 .
  • the first prism 110 has an entrance surface 111, a semi-reflective surface 112, and an exit surface 113, each of which is a free-form surface.
  • the light is internally reflected between and emitted from the emission surface 113 to the observation portion of the light.
  • the second prism 120 has a free-form surface divided by at least one stepped surface 122 and has the same shape as the external light incident surface 121 and the semi-reflective surface 112 where external light is incident.
  • the second prism 120 has an external light output surface 125 for outputting incident external light to the semi-reflecting surface 112 , and is arranged adjacent to the first prism 110 so that the incident external light passes through the first prism 110 . Output to the observation section. Thereby, the thickness of the second prism 120 can be reduced.
  • the present technology can also take the following configuration.
  • An entrance surface, a semi-reflective surface, and an exit surface each composed of a free-form surface are provided, and light from the display element enters from the entrance surface, is internally reflected between the exit surface and the semi-reflection surface, and exits from the exit surface.
  • a first prism that emits light to the light observation portion A second surface comprising a free-form surface divided by at least one stepped surface into which external light is incident, and an external light output surface for outputting the incident external light to the semi-reflecting surface.
  • An optical element comprising a prism and .
  • the second prism includes the external light exit surface configured in the same shape as the semi-reflecting surface and joined to the semi-reflecting surface.
  • the second prism emits incident external light to the observation section via the first prism.
  • the second prism is provided with the external light incident surface configured in a shape in which the free-form surface having the same shape as the output surface is divided by at least one stepped surface.
  • the optical element according to 1. The optical element according to any one of (1) to (5), wherein the second prism includes the external light incident surface formed in a shape divided by the plurality of stepped surfaces.
  • the second prism emits the external light with the user's eyeball as the observation part, The optical element according to any one of (1) to (11), wherein the light from the display element arranged on the side of the eyeball of the user is incident on the incident surface of the first prism.
  • the second prism emits the external light with the user's eyeball as the observation part, The optical element according to any one of (1) to (11), wherein the light from the display element arranged above the eyeball of the user is incident on the incident surface of the first prism.
  • a display element (14) a display element; An incident surface, a semi-reflecting surface, and an exit surface each composed of a free-form surface, wherein the light of the display element enters from the incident surface, is internally reflected between the exit surface and the semi-reflecting surface, and is then reflected on the exit surface.
  • a first prism that emits from the light to the observation portion of the light;
  • a second free-form surface having a shape divided by at least one stepped surface into which external light is incident, and an external light output surface for outputting the incident external light to the semi-reflecting surface.
  • An image display device comprising: a prism;
  • image display device 10 optical element 20 display element 30 housing 110 first prism 111 entrance surface 112 semi-reflective surface 113 exit surface 120 second prism 121 outside light entrance surface 125 outside light exit surface

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Abstract

光学素子を薄型化する。光学素子は、第１のプリズムと、第２のプリズムとを有する。第１のプリズムは、自由曲面によりそれぞれ構成される入射面、半反射面及び出射面を備え、表示素子の光が入射面から入射して出射面及び半反射面の間において内部反射されて出射面から光の観察部に出射する。第２のプリズムは、自由曲面が少なくとも１つの段差面により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面、及び入射した外光を半反射面に出射する外光出射面を備える。

Description

光学素子及び画像表示装置
　本開示は、光学素子及び画像表示装置に関する。
　頭部装着型の表示装置が使用されている。この表示装置は、ヘッドマウントディスプレイと称され、眼球の近傍に配置された液晶表示素子等の表示素子からの光をプリズム等の表示光学系により眼球に導光する表示装置である。このような表示装置において、外光を透過する表示装置が提案されている。例えば、表示光学系として表示素子から光を入射する入射面、反射面及び眼球に対して射出する面を備える自由曲面プリズムと外光を透過する補正用プリズムとを備える表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この表示装置において、自由曲面プリズムの入射面からの入射光は、面及び反射面により順に反射されて面から射出される。また、補正用プリズムは、自由曲面プリズムの反射面及び眼球に対して射出する面と同じ形状の面を備えて自由曲面プリズムに接合して配置される。この補正用プリズムに入射する外光は、自由曲面プリズムを介して眼球に射出される。
特開２００４－１８５０２３号公報
　しかしながら、上記の従来技術では、補正用プリズムが自由曲面プリズムと同じ形状の面により構成されるため、表示光学系の厚みが増加するという問題がある。このため、従来技術の表示装置の小型化が困難になるという問題がある。
　そこで、本開示では、薄型化した表示光学系を有する光学素子及び画像表示装置を提案する。
　本開示に係る光学素子は、自由曲面によりそれぞれ構成される入射面、半反射面及び出射面を備え、表示素子の光が上記入射面から入射して上記出射面及び上記半反射面の間において内部反射されて上記出射面から上記光の観察部に出射する第１のプリズムと、自由曲面が少なくとも１つの段差面により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面、及び入射した上記外光を上記半反射面に出射する外光出射面を備える第２のプリズムとを有する。
本開示の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す図である。 本開示の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す断面図である。 本開示の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す底面図である。 本開示の第１の実施形態に係る画像表示装置の他の構成例を示す断面図である。 本開示の実施形態に係る画像表示装置の配置例を示す図である。 本開示の実施形態に係る画像表示装置の配置例を示す図である。 本開示の第２の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す断面図である。 本開示の第２の実施形態に係る画像表示装置の他の構成例を示す断面図である。 本開示の第３の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す断面図である。
　以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。説明は、以下の順に行う。なお、以下の各実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
１．第１の実施形態
２．第２の実施形態
３．第３の実施形態
　（１．第１の実施形態）
　［画像表示装置の構成］
　図１は、本開示の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す図である。同図は、画像表示装置１の構成例を表す図である。画像表示装置１は、頭部装着型の画像表示装置であり、表示素子からの画像を使用者の眼球に導光しながら外光を使用者の眼球に導光する画像表示装置である。画像表示装置１の使用者は、外光に基づく外界の画像に表示素子の画像が重畳された画像を観察することができる。画像表示装置１は、筐体３０に表示素子２０及び光学素子１０が配置されて構成されたものである。
　表示素子２０は、画像を表示するものである。この表示素子２０は、例えば、ＯＬＥＤ（Organic　Light　Emitting　Diode）により構成することができる。表示素子２０の表示画像の光は、光学素子１０に入射する。なお、表示素子２０には、他の素子、例えば、液晶表示素子を適用することもできる。
　光学素子１０は、表示素子２０からの光を使用者の眼球に導光するものである。また、光学素子１０は、外光を使用者の眼球に導光する。光学素子１０の構成の詳細については後述する。
　筐体３０は、表示素子２０及び光学素子１０を保持するものである。また、筐体３０は、表示素子２０の駆動回路（不図示）を更に保持する。同図のつる５０は、筐体３０を使用者の頭部に固定するものである。つる５０を使用者の耳に掛ける形状に構成することができる。また、つる５０にヘッドバンドを配置し、ヘッドバンドにより筐体３０を固定する構成を採ることもできる。
　なお、同図の画像表示装置１は、表示素子２０及び光学素子１０が筐体３０の左右に配置される例を表したものである。
　［画像表示装置の構成］
　図２Ａは、本開示の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す断面図である。同図は、画像表示装置１の構成例を表す模式断面図である。同図において、筐体３０の記載を省略している。前述のように、画像表示装置１は、表示素子２０と、光学素子１０とを備える。同図の光学素子１０は、第１のプリズム１１０と、第２のプリズム１２０とを備える。
　第１のプリズム１１０は、自由曲面によりそれぞれ構成される入射面１１１、半反射面１１２及び出射面１１３を備える自由曲面プリズムである。この第１のプリズム１１０において、表示素子２０の光が入射面１１１から入射して出射面１１３及び半反射面１１２の間において内部反射された後、出射面１１３から光の観察部に出射される。なお、同図は、観察部の例として、画像表示装置１の使用者の眼球２００を記載したものである。この第１のプリズム１１０により、表示素子２０の画像の光束が眼球２００に導光されるとともに拡大される。画像表示装置１の使用者は、表示素子２０の画像が拡大された虚像を観察する。同図の実線の矢印は、表示素子２０からの光の光路２１０を表したものである。
　第２のプリズム１２０は、外光入射面１２１及び外光出射面１２５を備えるプリズムである。この第２のプリズム１２０は、第１のプリズム１１０の半反射面１１２に隣接して配置することができ、入射した外光を第１のプリズム１１０を介して観察部に出射することができる。外光入射面１２１は、自由曲面が少なくとも１つの段差面１２２により分断された形状に構成されて外光が入射する面である。外光出射面１２５は、入射した外光を出射する面である。また、外光出射面１２５は、入射した外光を半反射面１１２に対して出射することができる。また、外光出射面１２５は、半反射面１１２と同じ形状に構成されて半反射面１１２と接合する面に構成することができる。同図の点線の矢印は、外光の光路２１１を表したものである。
　同図に表したように、外光入射面１２１は、自由曲面が段差面１２２により分断された形状に構成される。同図の外光入射面１２１は、９個の段差面１２２により分断される外光入射面１２１の例を表したものである。外光入射面１２１は、任意の個数の段差面１２２を有する形状を採ることができる。また、同図は、複数の段差面１２２が平行に配置される例を表したものである。
　また、同図の外光入射面１２１は、第１のプリズム１１０の出射面１１３と同じ形状の自由曲面が少なくとも１つの段差面１２２により分断される形状を採ることもできる。この場合は、段差面１２２を除く外光入射面１２１が出射面１１３と平行な曲面となる。このため、外光の位相情報が保持される。すなわち、外光入射面１２１に入射する外光の光束と出射面１１３から出射する外光の光束の方向を揃えることができる。これにより、画像表示装置１の使用者に歪みのない外界の画像を視覚させることができる。
　同図の破線は、段差面１２２が配置されない外光入射面１２１’を備える第２のプリズム１２０の外形を表したものである。外光入射面１２１’は、出射面１１３を平行移動した形状となる。この場合、出射面１１３と同じ形状の外光入射面１２１’は傾きを有する自由曲面であるため、第２のプリズム１２０の底面の厚みが増加する。これに対し、段差面１２２を外光入射面１２１に配置して自由曲面を分割することにより、第２のプリズム１２０の底部を薄型化することができる。これにより、第１のプリズム１１０を含む光学素子１０の厚みの増加を防ぐことができる。
　図２Ｂは、本開示の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す底面図である。同図は、光学素子１０の底面の構成例を表す図である。同図においても、段差面１２２が配置されない外光入射面１２１’を備える第２のプリズム１２０の外形を破線により表している。段差面１２２を有する外光入射面１２１を採用することにより、光学素子１０の底部を薄型化することができる。
　図２Ａ及び２Ｂに表した画像表示装置１は、３つの自由曲面を有する第１のプリズム１１０を配置することにより、光学倍率を向上させることができる。例えば、対角１インチの表示素子２０を使用した場合において、水平方向５３．７°及び垂直方向４９．５°の視野を得ることができる。この場合、水平方向に１３０倍及び垂直方向に１０９倍の光学倍率となる。
　また、図２Ａにおいて、第２のプリズム１２０は、複数の段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える。これらの段差面１２２は、それぞれ平行であるため、第２のプリズム１２０の段差面１２２の加工角度が均一となり、加工性及び生産性を向上させることができる。
　また、表示素子２０からの光は、第１のプリズム１１０への入射及び第１のプリズム１１０からの出射により２回屈折し、第１のプリズム１１０内における出射面１１３による全反射及び半反射面１１２の反射の２回反射される。これらのうち、表示素子２０からの光の減衰は半反射面１１２の反射の際に生じるのみであるため、画像表示装置１の輝度効率を向上させることができる。
　［画像表示装置の他の構成］
　図３は、本開示の第１の実施形態に係る画像表示装置の他の構成例を示す断面図である。同図は、図２Ａと同様に、画像表示装置１の構成例を表す模式断面図である。同図の第２のプリズム１２０は、１つの段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える点で、図２Ａの画像表示装置１と異なる。同図の光学素子１０においても、段差面１２２を外光入射面１２１に配置することにより、第２のプリズム１２０の底部の厚みの増加を低減することができる。
　［画像表示装置の配置］
　図４Ａ及び４Ｂは、本開示の実施形態に係る画像表示装置の配置例を示す図である。なお、同図において筐体３０等の記載を省略している。
　図４Ａは、表示素子２０が使用者２０１の眼球２００の側方に配置される場合の例を表したものである。同図の光学素子１０は、使用者２０１の耳側が厚くなり、鼻側が薄くなる。同図の配置においては、光学素子１０がつる５０と一体化したデザインにすることができ、自然な見た目を得ることができる。
　図４Ｂは、表示素子２０が使用者２０１の眼球２００の上方に配置される場合の例を表したものである。同図の配置においては、光学素子１０の外光の入射範囲を広くすることができる。
　なお、画像表示装置１の構成は、この例に限定されない。例えば、使用者の眼球２００の代わりにカメラを配置する構成を採ることもできる。
　このように、本開示の第１の実施形態の光学素子１０は、段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える第２のプリズム１２０を配置することにより、光学素子１０を薄型化することができる。
　（２．第２の実施形態）
　上述の第１の実施形態の画像表示装置１は、平行な複数の段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える第２のプリズム１２０を使用していた。これに対し、本開示の第２の実施形態の画像表示装置１は、観察部からの光路に沿った傾きの段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える点で、上述の第１の実施形態と異なる。
　［画像表示装置の構成］
　図５は、本開示の第２の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す断面図である。同図は、図２Ａと同様に、画像表示装置１の構成例を表す模式断面図である。同図の第２のプリズム１２０の外光入射面１２１は、観察部からの光路に沿った傾きの段差面１２２を有する点で、図２Ａの画像表示装置１と異なる。
　同図の段差面１２２は、観察部である画像表示装置１の使用者の眼球２００からの光路２１１に沿った傾きに構成される。この場合、複数の段差面１２２は、それぞれ異なる角度に形成される。具体的には、外光入射面１２１の中央部の段差面１２２は略水平な角度に形成され、外光入射面１２１の端部の段差面１２２は画像表示装置１の使用者の眼球２００からの仰角及び俯角に応じた角度に形成される。この第２のプリズム１２０の端部の段差面１２２の角度は、水平方向に対して±θ１の角度となる。このθ１には、例えば、値「２８」の角度を適用することができる。
　図２Ａの第２のプリズム１２０のように、平行な段差面１２２を有する外光入射面１２１を使用すると、ゴーストと称される虚像が並んで知覚される現象を生じる。これは、光学素子１０の内部反射を生じるためである。そこで、外光入射面１２１の段差面１２２を観察部である画像表示装置１の使用者の眼球２００からの光路２１１に沿った傾きに構成する。これにより、光学素子１０の内部反射を低減することができ、光学素子１０の中央部を見る際のゴーストを低減することができる。
　なお、段差面１２２からの外光の入射を低減すると好適である。段差面１２２から入射した外光によるゴーストの発生を低減することができるためである。具体的には、段差面１２２に対して黒塗りや鏡面加工を行う。これにより、段差面１２２からの外光の入射を低減することができ、画質を更に向上させることができる。
　［画像表示装置の他の構成］
　図６は、本開示の第２の実施形態に係る画像表示装置の他の構成例を示す断面図である。同図は、図５と同様に、画像表示装置１の構成例を表す模式断面図である。同図の第２のプリズム１２０は、眼球２００の動きを加味した光路２１１に沿った傾きの段差面１２２を有する点で、図５の画像表示装置１と異なる。
　同図は、眼球２００が動く場合を想定した光路２１１に沿った傾きの段差面１２２を配置する場合の例を表した図である。本開示の光学素子１０は画角が広いため、使用者が眼球２００を移動させて外界を注視することも想定される。そこで、眼球２００が動いた場合に光路２１１に沿った傾きに段差面１２２を構成することができる。この場合の第２のプリズム１２０の端部の段差面１２２の角度θ２は、例えば、値「２４」の角度にすることができる。これにより、眼球２００を移動させて外界を注視した場合のゴーストの発生を更に軽減することができる。
　これ以外の画像表示装置１の構成は本開示の第１の実施形態における画像表示装置１の構成と同様であるため、説明を省略する。
　このように、本開示の第２の実施形態の光学素子１０は、観察部からの光路に沿った傾きの段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える第２のプリズム１２０を使用することにより、ゴーストの発生を低減することができる。これにより、外光に基づく画像の画質を向上させることができる。
　（３．第３の実施形態）
　上述の第１の実施形態の画像表示装置１は、複数の段差面１２２を有する外光入射面１２１を備える第２のプリズム１２０を使用していた。これに対し、本開示の第３の実施形態の画像表示装置１は、段差面１２２のそれぞれの端部を垂直面に揃える点で、上述の第１の実施形態と異なる。
　［画像表示装置の構成］
　図７は、本開示の第３の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す断面図である。同図は、図２Ａと同様に、画像表示装置１の構成例を表す模式断面図である。同図の第２のプリズム１２０は、段差面１２２の端部を揃える点で、図２Ａの画像表示装置１と異なる。
　同図の第２のプリズム１２０の外光入射面１２１は、複数の段差面１２２を備える。これらの段差面１２２は、それぞれの端部が垂直面に揃う形状に構成される。具体的には、複数の段差面１２２の端部は、同図の一点鎖線にて表した仮想的な垂直面に接する形状に構成することができる。これにより、画像表示装置１の前面の突出長を縮小することができる。また、画像表示装置１を自然な外見に構成することもできる。
　これ以外の画像表示装置１の構成は本開示の第１の実施形態における画像表示装置１の構成と同様であるため、説明を省略する。
　このように、本開示の第３の実施形態の光学素子１０は、第２のプリズム１２０の外光入射面１２１の複数の段差面１２２の端部を揃えた形状に構成される。これにより、画像表示装置１の前面の突出長を縮小することができる。
　なお、本開示の第３の実施形態の構成は、他の実施形態に適用することができる。具体的には、図７の段差面１２２の端部の形状は、本開示の第２の実施形態に適用することができる。
　（効果）
　光学素子１０は、第１のプリズム１１０と、第２のプリズム１２０とを有する。第１のプリズム１１０は、自由曲面によりそれぞれ構成される入射面１１１、半反射面１１２及び出射面１１３を備え、表示素子２０の光が入射面１１１から入射して出射面１１３及び半反射面１１２の間において内部反射されて出射面１１３から光の観察部に出射する。第２のプリズム１２０は、自由曲面が少なくとも１つの段差面１２２により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面１２１、及び入射した外光を半反射面１１２に出射する外光出射面１２５を備える。これにより、第２のプリズム１２０の厚みを低減することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、第１のプリズム１１０に隣接して配置されてもよい。これにより、光学素子１０を小型化することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、半反射面１１２と同じ形状に構成されて半反射面１１２と接合する外光出射面１２５を備えてもよい。これにより、入射した外光を半反射面１１２に対して出射することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、入射した外光を第１のプリズム１１０を介して観察部に出射してもよい。これにより、外界の画像に表示素子２０からの画像を重畳させることができる。
　また、第２のプリズム１２０は、出射面１１３と同じ形状の自由曲面が少なくとも１つの段差面１２２により分断された形状に構成される外光入射面１２１を備えてもよい。これにより、外光の位相情報を保持することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、複数の段差面１２２により分断された形状に構成される外光入射面１２１を備えてもよい。
　また、第２のプリズム１２０は、平行な傾きの複数の段差面１２２を備えてもよい。これにより、段差の加工性を向上させることができる。
　また、第２のプリズム１２０は、それぞれの端部が垂直面に揃う複数の段差面１２２を備えてもよい。これにより、光学素子１０の突出長さを低減することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、観察部からの光路に沿った傾きの段差面１２２を備えてもよい。これにより、第２のプリズム１２０における外光の内部反射を低減することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、使用者の眼球を観察部として外光を出射してもよい。
　また、第２のプリズム１２０は、眼球の動きに応じた光路に沿った傾きの段差面１２２を備えてもよい。これにより、第２のプリズム１２０における外光の内部反射を低減することができる。
　また、第２のプリズム１２０は、使用者の眼球を観察部として外光を出射し、第１のプリズム１１０は、使用者における眼球の側方に配置された表示素子２０の光が入射面１１１に入射してもよい。
　また、第２のプリズム１２０は、使用者の眼球を観察部として外光を出射し、第１のプリズム１１０は、使用者における眼球の上方に配置された表示素子２０の光が入射面１１１に入射してもよい。
　画像表示装置１は、表示素子２０と、第１のプリズム１１０と、第２のプリズム１２０とを有する。第１のプリズム１１０は、自由曲面によりそれぞれ構成される入射面１１１、半反射面１１２及び出射面１１３を備え、表示素子２０の光が入射面１１１から入射して出射面１１３及び半反射面１１２の間において内部反射されて出射面１１３から光の観察部に出射する。第２のプリズム１２０は、自由曲面が少なくとも１つの段差面１２２により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面１２１及び半反射面１１２と同じ形状に構成されて半反射面１１２と接合するとともに入射した外光を半反射面１１２に出射する外光出射面１２５を備え、第１のプリズム１１０に隣接して配置されて入射した外光を第１のプリズム１１０を介して観察部に出射する。これにより、第２のプリズム１２０の厚みを低減することができる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　自由曲面によりそれぞれ構成される入射面、半反射面及び出射面を備え、表示素子の光が前記入射面から入射して前記出射面及び前記半反射面の間において内部反射されて前記出射面から前記光の観察部に出射する第１のプリズムと、
　自由曲面が少なくとも１つの段差面により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面、及び入射した前記外光を前記半反射面に出射する外光出射面を備える第２のプリズムと
　を有する光学素子。
（２）
　前記第２のプリズムは、前記第１のプリズムに隣接して配置される前記（１）に記載の光学素子。
（３）
　前記第２のプリズムは、前記半反射面と同じ形状に構成されて前記半反射面と接合する前記外光出射面を備える前記（２）に記載の光学素子。
（４）
　前記第２のプリズムは、入射した前記外光を前記第１のプリズムを介して前記観察部に出射する前記（１）から（３）の何れかに記載の光学素子。
（５）
　前記第２のプリズムは、前記出射面と同じ形状の前記自由曲面が少なくとも１つの前記段差面により分断された形状に構成される前記外光入射面を備える前記（１）から（４）の何れかに記載の光学素子。
（６）
　前記第２のプリズムは、複数の前記段差面により分断された形状に構成される前記外光入射面を備える前記（１）から（５）の何れかに記載の光学素子。
（７）
　前記第２のプリズムは、平行な傾きの複数の前記段差面を備える前記（６）に記載の光学素子。
（８）
　前記第２のプリズムは、それぞれの端部が垂直面に揃う複数の前記段差面を備える前記（６）又は（７）に記載の光学素子。
（９）
　前記第２のプリズムは、前記観察部からの光路に沿った傾きの前記段差面を備える前記（１）から（８）の何れかに記載の光学素子。
（１０）
　前記第２のプリズムは、使用者の眼球を前記観察部として前記外光を前記出射する前記（９）に記載の光学素子。
（１１）
　前記第２のプリズムは、前記眼球の動きに応じた前記光路に沿った傾きの前記段差面を備える前記（１０）に記載の光学素子。
（１２）
　前記第２のプリズムは、使用者の眼球を前記観察部として前記外光を前記出射し、
　前記第１のプリズムは、前記使用者における前記眼球の側方に配置された前記表示素子の光が前記入射面に入射する
　前記（１）から（１１）の何れかに記載の光学素子。
（１３）
　前記第２のプリズムは、使用者の眼球を前記観察部として前記外光を前記出射し、
　前記第１のプリズムは、前記使用者における前記眼球の上方に配置された前記表示素子の光が前記入射面に入射する
　前記（１）から（１１）の何れかに記載の光学素子。
（１４）
　表示素子と、
　自由曲面によりそれぞれ構成される入射面、半反射面及び出射面を備え、前記表示素子の光が前記入射面から入射して前記出射面及び前記半反射面の間において内部反射されて前記出射面から前記光の観察部に出射する第１のプリズムと、
　自由曲面が少なくとも１つの段差面により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面、及び入射した前記外光を前記半反射面に出射する外光出射面を備える第２のプリズムと
　を有する画像表示装置。
　１　画像表示装置
　１０　光学素子
　２０　表示素子
　３０　筐体
　１１０　第１のプリズム
　１１１　入射面
　１１２　半反射面
　１１３　出射面
　１２０　第２のプリズム
　１２１　外光入射面
　１２５　外光出射面

Claims (14)

  1. 　自由曲面によりそれぞれ構成される入射面、半反射面及び出射面を備え、表示素子の光が前記入射面から入射して前記出射面及び前記半反射面の間において内部反射されて前記出射面から前記光の観察部に出射する第１のプリズムと、
    　自由曲面が少なくとも１つの段差面により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面、及び入射した前記外光を前記半反射面に出射する外光出射面を備える第２のプリズムと
    　を有する光学素子。
  2. 　前記第２のプリズムは、前記第１のプリズムに隣接して配置される請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第２のプリズムは、前記半反射面と同じ形状に構成されて前記半反射面と接合する前記外光出射面を備える請求項２に記載の光学素子。
  4. 　前記第２のプリズムは、入射した前記外光を前記第１のプリズムを介して前記観察部に出射する請求項１に記載の光学素子。
  5. 　前記第２のプリズムは、前記出射面と同じ形状の前記自由曲面が少なくとも１つの前記段差面により分断された形状に構成される前記外光入射面を備える請求項１に記載の光学素子。
  6. 　前記第２のプリズムは、複数の前記段差面により分断された形状に構成される前記外光入射面を備える請求項１に記載の光学素子。
  7. 　前記第２のプリズムは、平行な傾きの複数の前記段差面を備える請求項６に記載の光学素子。
  8. 　前記第２のプリズムは、それぞれの端部が垂直面に揃う複数の前記段差面を備える請求項６に記載の光学素子。
  9. 　前記第２のプリズムは、前記観察部からの光路に沿った傾きの前記段差面を備える請求項１に記載の光学素子。
  10. 　前記第２のプリズムは、使用者の眼球を前記観察部として前記外光を前記出射する請求項９に記載の光学素子。
  11. 　前記第２のプリズムは、前記眼球の動きに応じた前記光路に沿った傾きの前記段差面を備える請求項１０に記載の光学素子。
  12. 　前記第２のプリズムは、使用者の眼球を前記観察部として前記外光を前記出射し、
    　前記第１のプリズムは、前記使用者における前記眼球の側方に配置された前記表示素子の光が前記入射面に入射する
    　請求項１に記載の光学素子。
  13. 　前記第２のプリズムは、使用者の眼球を前記観察部として前記外光を前記出射し、
    　前記第１のプリズムは、前記使用者における前記眼球の上方に配置された前記表示素子の光が前記入射面に入射する
    　請求項１に記載の光学素子。
  14. 　表示素子と、
    　自由曲面によりそれぞれ構成される入射面、半反射面及び出射面を備え、前記表示素子の光が前記入射面から入射して前記出射面及び前記半反射面の間において内部反射されて前記出射面から前記光の観察部に出射する第１のプリズムと、
    　自由曲面が少なくとも１つの段差面により分断された形状に構成されて外光が入射する外光入射面、及び入射した前記外光を前記半反射面に出射する外光出射面を備える第２のプリズムと
    　を有する画像表示装置。
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