JP5530576B1 - 導光プリズムおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明の導光プリズム５は、表示素子４からの映像光を入射する入射面６ａと、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面６ｂを含む１つ以上の反射面と、出射側反射面６ｂと鋭角を成し、該出射側反射面６ｂ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７と、を有し、出射側反射面６ｂと射出面７との間に位置し、且つ、出射側反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、出射側反射６ｂ面及び射出面７の端部から最も突出した面である先端面１５ａの少なくとも一部が、曲面であることを特徴とする。また、本発明の画像表示装置１は、映像光を射出する表示素子４と、導光プリズム５と、表示素子４と導光プリズム５とを観察者の頭部に固定支持するための支持部２と、を備えることを特徴とする。

Description

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、２参照）。かかる導光部材は、特に、一部を筐体から剥き出しにすることで目元部分の装置サイズを小型・軽量に構成することができ、このような小型軽量な導光部材は、視界を大きく遮らず、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である。

特開２０１０−１２２４７８号公報 特開２０１２−２０３１１３号公報

しかし、導光部材を筐体内部に納めずに剥き出しとすると、屋外での使用の際に、導光プリズムに直に太陽光が照射されることとなり、様々な問題が生じる。特に、導光プリズム先端部からの外光の入射は、そのまま表示素子まで達することで表示素子のトランジスタ等に影響し、映像の乱れやコントラスト低下の要因となることがある。

これに対し、導光プリズムを塗装などで覆う方法も考えられるが、小型軽量な導光部材は塗装面積が小さいため、使用者が触れる部位では塗装が剥がれやすく、使用中に塗装が剥がれると外光遮断効果が消失し、外光が表示素子に到達することで画像の乱れを生じさせるおそれがある。

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、導光部材として用いることができ、表示素子に到達する外光の光量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。

本発明の要旨構成は、以下の通りである。
本発明の導光プリズムは、表示素子からの映像光を入射する入射面と、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面を含む１つ以上の反射面と、前記出射側反射面と鋭角を成し、該出射側反射面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と、を有する導光プリズムであって、前記出射側反射面と前記射出面との間に位置し、且つ、前記出射側反射面と前記射出面との間の幅が狭くなる方向に、前記出射側反射面及び前記射出面の端部から最も突出した面である先端面の少なくとも一部が、曲面であることを特徴とする。

また、本発明の導光プリズムにあっては、前記先端面は、複数の凸部分を有することが好ましい。

さらに、本発明の導光プリズムでは、前記先端面は、前記導光プリズム内に曲率中心を有する部分と、前記導光プリズム外に曲率中心を有する部分とを有することが好ましい。

さらにまた、本発明の導光プリズムにおいては、前記射出面は、レンズ面として形成され、前記射出面の焦点距離をｆ１とし、前記先端面の最大曲率を有する断面上での焦点距離をｆ２とするとき、
ｆ２＜ｆ１／２
を満たすことが好ましい。

ここで、本発明の画像表示装置は、映像光を射出する表示素子と、上記のいずれか一項に記載の導光プリズムと、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。

また、本発明の画像表示装置にあっては、前記先端面の最大曲率を有する断面上での焦点距離をｆ２とし、前記先端面から前記表示素子までの光路長をＬとするとき、
ｆ２＜Ｌ／２
を満たすことが好ましい。

本発明によれば、導光部材として用いることができ、表示素子に到達する外光の光量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。

本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導光プリズムを示す平面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導光プリズムを示す正面図である。 従来の導光プリズムにおける外光の光路の一例を示す平面図である。 従来の導光プリズムにおける外光の光路の一例を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導光プリズムにおける外光の進行の様子を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる導光プリズムにおける外光の進行の様子を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる導光プリズムにおける外光の進行の様子を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる導光プリズムにおける外光の進行の様子を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる画像表示装置１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４（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４に加え、表示素子４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２Ａは、本発明の一実施形態にかかる導光プリズム５を示す平面図であり、図２Ｂは、本発明の一実施形態にかかる導光プリズム５を示す正面図である。図２Ａ、図２Ｂに示すように、この導光プリズム５は、表示素子４からの映像光を入射する入射面６ａと、入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面６ｂを含む１つ以上の反射面（図示例では、反射面は１つの出射側反射面６ｂのみ有している）と、出射側反射面６ｂと鋭角を成し、該出射側反射面６ｂ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７と、を有する。この射出面７は、レンズ面として形成されている。

ここで、表示素子４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、図１に示す本体部３内に内蔵されている。この表示素子４に表示された画像の映像光は、導光プリズム５の入射面６ａに入射するように構成されている。表示素子４と導光プリズム５の入射面６ａとの間には、表示素子４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。

ここで、図２Ａ、図２Ｂに示すように、この導光プリズム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６ａと反射面６ｂとを備え、入射面６ａと反射面６ｂとの間には、映像光の光路を取り囲むように、第１の側面８ａ、第２の側面８ｂ、第３の側面８ｃ、および、第４の側面８ｄを有している。観察者が画像表示装置１を装着した状態で、第１の側面８ａは観察者の正面に向いた面に位置し、第２の側面８ｂは観察者の正面の反対側に向いた面である。また、第３の側面８ｃは導光プリズムの上側の面であり、第４の側面８ｄは導光プリズム５の下側の面である。すなわち、第１の側面８ａと第２の側面８ｂとは互いに対向する面であり、第３の側面８ｃと第４の側面８ｄとは互いに対向する面である。

図２Ａ、図２Ｂでは、第１〜第４の側面８ａ〜８ｄは、平面として構成され、それぞれ入射面６ａと略直交している。しかし、第１〜第４の側面８ａ〜８ｄは多少の湾曲を有していても良く、また、反射面６ｂ側より入射面６ａ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８ｃと第４の側面８ｄとの間の距離は、入射面６ａ側よりも反射面６ｂ側の方が狭くなるようにすることもできる。

反射面６ｂ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６ｂ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１の側面８ａの反射面６ｂに隣接する部分には、射出面７が設けられている。射出面７は、反射面６ｂ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７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７は、平面として形成された第１の側面８ａ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２Ａ、図２Ｂ以降の図面において、射出面７の光軸を一点鎖線で示している。光軸は、反射面６ｂで屈曲し表示素子４の中心を通る。入射面６ａと反射面６ｂとの間で、光軸の方向は、導光プリズム５の長手方向と一致している。

ここで、図２Ａ、図２Ｂにおいて、導光プリズム５の長手方向での、映像光の正規光の進行方向を前方とする（図示例ではｘ軸の正の方向）。このとき、図２Ａに示すように、本実施形態の導光プリズム５にあっては、射出面７と反射面６ｂとの間に位置し、射出面７の前方側の端部Ｅ７及び反射面６ｂの前方側の端部Ｅ６よりもさらに前方側に突出した、プリズム先端部９をさらに有している。すなわち、この導光プリズム５は、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出して設けられたプリズム先端部９ａを有している。なお、本実施形態の導光プリズム５では、前方のみにプリズム先端部９を有しているが、外観等に鑑みて、射出面７と反射面６ｂとの間に位置し、射出面７の後方側の端部及び反射面の後方側の端部よりもさらに後方側に突出した、プリズム先端部９ｂも同様に設けることができる。プリズム先端部９の突出幅は、特には限定しないが例えば、０．５〜２ｍｍとすることができる。また、プリズム先端部９は、例えば、０．５〜１．５ｍｍの高さを有することが好ましい。

本実施形態の導光プリズム５は、図２Ａに示すように、映像光を眼球に向けて導光する導光部１０（図示例では、入射面６ａ、反射面６ｂ、第１〜第４の側面８ａ〜８ｂにより画定される部分）と、導光部１０に隣接して設けられる板状のプレート部１１と、プレート部１１上に形成され、映像光を虚像として観察させるための凸レンズ部１２とが一体形成されている。そして、プレート部１１は、導光部１０よりも前方側に突出した部分、すなわち、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、反射面６ｂ及び射出面７の端部から突出した部分である突出部１１ａ（９）を有している。

また、前方側のプリズム先端部９は、それぞれ、図示例で側面８ａ、８ｂに略平行な２つの平坦面１３、１４を有している。そして、前方側のプリズム先端部９は、２つの平坦面１３、１４に接し、側面８ａ、８ｂに略垂直な先端面１５ａを有している。この先端面１５ａは、プリズム先端部９の最も前方側に位置する面、すなわち、反射面６ｂと射出面７との間の幅が狭くなる方向に、反射面６ｂ及び射出面７の端部から最も突出した面である。一方で、この導光プリズム５は、プレート部１１の最も後方側に、射出面７および側面８ａに接し、側面８ａ、８ｂに略垂直な先端面１５ｂを有している。図示例では、先端面１５ａ、１５ｂを表面粗さの小さい鏡面処理された面として構成しているが、先端面１５ａのみを鏡面処理された面とすることもできる。

ここで、本実施形態の導光プリズム５においては、図２Ｂに示すように、先端面１５ａが、曲率を有している。図示例では、先端面１５ａは、前方側に凸に湾曲した、正面図で単一の円弧からなる形状をしている。すなわち、この例では、先端面１５ａは、後方側に曲率中心を有する形状である。ここで、本実施形態の導光プリズム５において、反射面６ｂで反射された後の正規光の進行方向をｙ軸の正の方向とし、ｘ軸およびｙ軸に垂直な方向をｚ軸方向とするとき、図２Ａ、図２Ｂに示すように、先端面１５ａは、ｘ−ｚ平面において湾曲し、曲率を有しており、ｙ軸に平行な平面上には曲率を有していない。
しかしながら、先端面１５ａは、曲率を有する形状であれば良く、例えば、後方側に凸に湾曲した（前方側に曲率中心を有する）、正面図で単一の円弧からなる形状としてもよい。さらに、本発明では、先端面１５ａは、いずれの方向に曲率中心を有していても良く、例えば、先端面１５ａを球面状に構成することもできる。このとき、先端面１５ａは、ｘ−ｙ平面、ｙ−ｚ平面、ｚ−ｘ平面のいずれにおいても曲率を有する形状となる。
また、凸部分は、複数あってもよく、全ての凸部分が、導光プリズム５内に曲率中心を有する形状（例えば、前方側に凸に湾曲した形状）であってもよく、また、全ての凸部分が、導光プリズム５外に曲率中心を有する形状（例えば、後方側に凸に湾曲した形状）であってもよく、あるいは、導光プリズム５内に曲率中心を有する部分と、導光プリズム５外に曲率中心を有する部分とを有するとの双方を有していても良い。
さらに、凸部分が複数ある場合において、各凸部分の曲率半径の大きさは同じであっても良く、また、一部又は全ての凸部分の曲率半径の大きさが異なっていても良い。
以下、本実施形態の導光プリズム５の作用効果について説明する。

まず、図３Ａは、従来の導光プリズム９０における外光の光路の一例を示す平面図であり、図３Ｂは、従来の導光プリズム９０における外光の光路の一例を示す正面図である。図３Ａ、図３Ｂに示すように、外光の導光プリズム９０内への入射を防止する筐体や塗装がない場合には、導光プリズム９０の外部から接眼レンズ９２の先端面９３に入射した外光９４は、集光も拡散もされずに、強い照度のまま表示素子４に照射されてしまう。これにより、表示素子のトランジスタ等に影響し、映像の乱れやコントラスト低下の要因となるおそれがある。

図４Ａは、本実施形態の導光プリズム５における外光の光路の一例を示す平面図であり、図４Ｂは、本実施形態の導光プリズム５における外光の光路の一例を示す正面図である。図４Ａ、図４Ｂに示すように、本実施形態の導光プリズム５は、先端面１５ａが、前方に凸に湾曲した形状であり、曲率を有しているため、プリズム先端面１５ａから入射した外光１６は、一度集光した後、拡散して表示素子４に照射される。この実施形態の導光プリズム５によれば、図３Ａ、図３Ｂのように、導光プリズムの先端面が平面である場合と比較して、表示素子４に照射される外光１６の照度を低減することができる。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる導光プリズムにおける外光の進行の様子を示す正面図である。図５に示すように、この実施形態にかかる導光プリズム５は、先端面１５ａが、複数の凹凸部分１７、１８を有する点で、図３Ａ、図３Ｂに示す導光プリズム５と異なっている。具体的には、先端面１５ａは、導光プリズム５内に曲率中心を有する、前方側に凸の２つの部分１７と、これら２つの部分１７の間に位置し、導光プリズム５外に曲率中心を有する、凹部分１８とを有している。

なお、平面図は省略しているが、凹凸部分１７、１８は、図２Ａ、図２Ｂに示す第１の実施形態と同様に、ｘ−ｚ平面において湾曲し、曲率を有しており、ｙ軸に平行な平面上には曲率を有していない。

この実施形態の導光プリズム５によれば、先端面１５ａが曲率を有しているため、先の実施形態と同様に、プリズム先端面１５ａから入射した外光１６は、一度集光した後、拡散して表示素子４に照射されて、表示素子４に照射される外光１６の照度を低減することができる。

本発明にあっては、図５に示す導光プリズム５のように、先端面１５ａが、複数の凸部分１７を有することが好ましい。凸部分を１つのみ有する場合に比べて、突出量を少なくしても同等の曲率半径を持たせることができるため、同等の効果を得ることができるからである。
また、特に、図５に示す導光プリズム５のように、先端面１５ａは、導光プリズム５内に曲率中心を有する部分１７と、導光プリズム５外に曲率中心を有する部分１８とを有することが好ましい。凸部分を１つのみ有する場合に比べて、凹凸の突出量を少なくしても同等の曲率半径を持たせることができるため、同等の効果を得ることができるからである。

ここで、本発明の画像表示装置１にあっては、先端面１５ａの最大曲率を有する断面上での焦点距離をｆ２とし、先端面１５ａから表示素子４までの光路長をＬとするとき、
ｆ２＜Ｌ／２
を満たすことが好ましい。
上記関係式を満たす場合、先端面１５ａを通った外光が表示素子面ではより大きく広がるため、入射する外光の照度を低減することができるからである。

さらに、本発明にあっては、導光プリズム５は、射出面７の焦点距離をｆ１とし、先端面１５ａの最大曲率を有する断面上での焦点距離をｆ２とするとき、
ｆ２＜ｆ１／２
を満たすことが好ましい。
虚像の表示位置を遠方に設定する場合、ｆ１の値は、表示素子４からプリズム先端部９までの光路長Ｌにほぼ等しく設定される。
従って、上記関係式を満たす場合、先端面１５ａを通った外光が表示素子面ではより大きく広がるため、入射する外光の照度を低減することができるからである。

＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる導光プリズムにおける外光の進行の様子を示す平面図である。図６に示す、この実施形態の導光プリズム５は、先端面１５ａが、ｘ−ｙ平面において湾曲し、曲率を有しており、ｚ軸に平行な平面においては曲率を有していない点で、図２Ａ、図２Ｂ、および、図５に示す実施形態の導光プリズムとは異なっている。

この実施形態の導光プリズム５でも、先端面１５ａが曲率を有しているため、先の実施形態の導光プリズム５と同様に、プリズム先端面１５ａから入射した外光１６は、一度集光した後、拡散して表示素子４に照射されて、表示素子４に照射される外光１６の照度を低減することができる。

なお、図６に示す実施形態においても、第２の実施形態と同様の理由により、先端面１５ａの曲率による焦点距離をｆ２とし、先端面１５ａから表示素子４までの光路長をＬとするとき、
ｆ２＜Ｌ／２
を満たすことが好ましい。

なお、本発明は、上記実施の形態に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、上記の実施形態では、プリズム先端部９が先端面１５ａに接する平坦面１３、１４を有する場合を示したが、平坦面１３、１４を有さず、先端面１５ａが、射出面７および側面８ａに接するように構成しても良い。また、例えば、表示素子４が、もともと、先端面１５ａから入射する外光に直接には照射されない位置にあるような形状の導光プリズム５である場合でも、外光による悪影響をさらに防止するために、本発明を適用することができる。また、デザイン上の理由等から、本発明の導光プリズムに塗装を施すことも可能である。この場合でも、塗装が一部剥離しても表示画像が劣化しないという効果がある。

１ 画像表示装置
２ 支持部
３ 本体部
４ 表示素子
５ 導光プリズム
６ａ 入射面
６ｂ 反射面
７ 射出面
８ａ 第１の側面
８ｂ 第２の側面
８ｃ 第３の側面
８ｄ 第４の側面
９ プリズム先端部
１０ 導光部
１１ プレート部
１１ａ 突出部
１２ 凸レンズ部
１３、１４ 平坦面
１５ａ、１５ｂ 先端面
１６ 外光
１７ 凸部分
１８ 凹部分
Ｅ６、Ｅ７ 端部

Claims (6)

1. 表示素子からの映像光を入射する入射面と、
   入射した映像光を反射する、少なくとも出射側反射面を含む１つ以上の反射面と、
   前記出射側反射面と鋭角を成し、該出射側反射面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と、を有する導光プリズムであって、
   前記出射側反射面と前記射出面との間に位置し、且つ、前記出射側反射面と前記射出面との間の幅が狭くなる方向に、前記出射側反射面及び前記射出面の端部から最も突出した面である先端面の少なくとも一部が、曲面であることを特徴とする、導光プリズム。
2. 前記先端面は、複数の凸部分を有することを特徴とする、請求項１に記載の導光プリズム。
3. 前記先端面は、前記導光プリズム内に曲率中心を有する部分と、前記導光プリズム外に曲率中心を有する部分とを有することを特徴とする、請求項１に記載の導光プリズム。
4. 前記射出面は、レンズ面として形成され、
   前記射出面の焦点距離をｆ１とし、前記先端面の最大曲率を有する断面上での焦点距離をｆ２とするとき、
   ｆ２＜ｆ１／２
   を満たすことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の導光プリズム。
5. 映像光を射出する表示素子と、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の導光プリズムと、
   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、画像表示装置。
6. 前記先端面の最大曲率を有する断面上での焦点距離をｆ２とし、前記先端面から前記表示素子までの光路長をＬとするとき、
   ｆ２＜Ｌ／２
   を満たすことを特徴とする、請求項５に記載の画像表示装置。

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