JP5803120B2 - 虚像表示装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の虚像表示装置は、表示素子(LCD等)や投射レンズ(対物レンズ)等を有する画像表示ユニットと、導光板(基板)とが眼鏡フレームに固定された構造を有する。
導光板は、一端側及び他端側に導入ミラー及びコンバイナがそれぞれ設けられている。
導入ミラーは、表示素子から出射され投射レンズにて平行光として投射された画像光が導光板内部で全反射されてコンバイナに導かれるように、当該画像光を反射させる。
そして、コンバイナは、導光板内部での全反射により導かれた画像光を反射させて、導光板外部の所定位置(観察者の左目または右目)に導く。
しかしながら、特許文献1に記載の虚像表示装置では、投射レンズに対して導光板を位置決めするための位置決め構造が設けられていない。
したがって、虚像表示装置を組み立てる際には、実際に画像光を観察しながら、画像を良好に観察できる位置となるまで画像表示ユニットや導光板を移動させた後、画像表示ユニットや導光板を眼鏡フレームに対して固定する必要がある。
すなわち、投射レンズに対する導光板の位置決めが煩雑化する、という問題がある。
具体的に、位置決めの対象となる投射レンズ及び導光板の間には、投射レンズを保持する鏡筒等の保持部材、画像表示ユニットの外装筐体、及び眼鏡フレームが介在することとなる。すなわち、位置決めの対象となる投射レンズ及び導光板の間に介在する部材の数が多いため、当該介在する部材の製造公差等が積算されることで、虚像表示装置を組み立てた際に投射レンズに対する所望の位置から導光板がずれやすいものとなる。
このことにより、当該位置決め構造を利用して、虚像表示装置を組み立てることで、観察者に画像を良好に観察させることができる位置関係となるように投射レンズ及び導光板を位置付けることができる。
したがって、投射レンズに対する導光板の位置決めを簡単に実施できる。
このことにより、一対の導光板に対応させて第2保持部材を一対設ける構成と比較して、一対の第1保持部材と単体の第2保持部材とに位置決め構造を設けることで、構造の簡素化が図れるとともに、一対の投射レンズに対する一対の導光板のそれぞれの位置決めを簡単に実施できる。
ところで、投射レンズや導光板には、当該投射レンズや導光板の材質等の問題から、投射レンズに対する導光板の位置決めを行うための位置決め構造を設けることが難しい。
したがって、投射レンズに対する導光板の位置決めに用いる部材を最低限の数(2つ)の部材(第1保持部材及び第2保持部材)とし、位置決め構造の簡素化が図れる。また、位置決めの対象となる投射レンズ及び導光板の間に介在する部材の数を最低限の数とすることができるため、投射レンズに対する導光板の位置決めを精度良く実施できる。
このことにより、第1,第2係合部間の寸法が設計上の寸法に対して誤差のある寸法であった場合でも、投射レンズに対して、当該投射レンズの光軸に直交する平面内の所望の位置に導光板を位置決めすることができる。
また、第2係合受け部が長穴で構成されているので、材料の熱収縮により第1,第2係合部間の寸法が変化した場合であっても、当該熱収縮による第1,第2係合部間の寸法変化を第2係合受け部にて吸収できる。
本発明では、第1,第2係合部(第1,第2係合受け部)が上述した位置にそれぞれ設けられているので、導光板内部を進行する画像光に干渉しない位置で、投射レンズの光軸に直交する平面内の所望の位置に導光板を良好に位置決めすることができる。
また、導光板の全反射面は、高精度な平面度を有するように形成されていることから、当該全反射面を投射レンズに対する導光板の位置決めに利用することで、位置決め構造の簡素化が図れるとともに、投射レンズに対する導光板の位置決めを高精度に実施できる。
〔1.虚像表示装置の構成〕
図1は、虚像表示装置1の外観を示す斜視図である。
図2は、虚像表示装置1の構成を示す分解斜視図である。
なお、図1及び図2では、説明の便宜上、後述する投射レンズ81の光軸Ax(図2)に平行となる軸をZ軸とし、Z軸に直交する水平軸をX軸、Z軸に直交する鉛直軸をY軸とする。以降の図も同様である。また、Z軸において、観察者側を−Z軸側、観察者から離間する側を+Z軸側とする。
そして、図1及び図2は、−Z軸側から見た図である。また、図2は、説明の便宜上、観察者の左目に対応する側のみを分解した状態を示している。
この虚像表示装置1は、図1または図2に示すように、画像形成装置2(図2)と、導光板3と、第2保持部材としてのリム4と、画像形成装置2を覆いリム4に対して固定されるカバー5と、カバー5に対して取り付けられるテンプル6とを備える。
なお、画像形成装置2、導光板3、カバー5、及びテンプル6は、図1または図2に示すように、虚像表示装置1を装着する観察者の左目及び右目にそれぞれ対応して一対設けられ、YZ平面を基準として対称(左右対称)となるように配設されている。
一対の画像形成装置2、一対の導光板3、一対のカバー5、及び一対のテンプル6については、左右で同一の構成を有しているため、以下では、観察者の左目に対応する側のみを説明する。
画像形成装置2は、画像光を形成して投射する部材であり、図2に示すように、表示素子7と、投射光学装置8とを備える。
表示素子7は、図2に示すように、入射した光を変調して画像光を形成する透過型の液晶表示デバイス71と、液晶表示デバイス71の光入射側に取り付けられ、液晶表示デバイス71に対して光を出射するバックライト72とを備える。
投射光学装置8は、図2に示すように、表示素子7から出射された画像光を平行光として投射する投射レンズ81と、投射レンズ81を内部に収納する第1保持部材としての鏡筒82とを備える。
そして、表示素子7は、取付部材7A(図2)を介して、鏡筒82における−Z軸側の端面に固定される。
図3は、導光板3の構成を示す図である。具体的に、図3(A)は+Z軸側から導光板3を見た図であり、図3(B)は導光板3をY軸に沿う下方側から見た図である。
導光板3は、光透過性を有する樹脂材料等から構成され、画像形成装置2から投射された画像光を内部に取り込んだ後、外部の所定位置(観察者の左目または右目)に導く。
この導光板3は、図2または図3に示すように、画像取込部31と、全反射部32と、画像取出部33とが一体形成されたものであり、Y軸に沿う方向から見た場合に略等脚台形状に形成されている。
画像取込部31は、図2または図3に示すように、Y軸に沿って延びる略三角柱状に形成され、虚像表示装置1を組み立てた状態で、他方の導光板3から離間する側に位置付けられる。
そして、画像取込部31は、虚像表示装置1を組み立てた状態で、投射レンズ81に対向して配設され、投射レンズ81から投射された画像光を導光板3内部に取り込む。
光入射面311は、XY平面に平行となる平坦状に形成され、投射レンズ81に対向して当該投射レンズ81から投射された画像光が入射される面である。
第1反射面312は、光入射面311に対向し、XY平面に対して傾斜する平坦状の斜面にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面311を介して画像取込部31内部に取り込まれた画像光を全反射部32に向けて反射させる。
そして、全反射部32は、図3に示すように、第1全反射面321及び第2全反射面322を有し、第1反射面312にて反射された画像光を第1,第2全反射面321,322での全反射により画像取込部31から離間する方向(他方の導光板3に近接する側)に導く。
第1全反射面321は、光入射面311を延長させた(XY平面に平行となる(光軸Axに直交する))平面で構成され、−Z軸側に位置する。
第2全反射面322は、第1全反射面321に平行となる平坦状に形成され、+Z軸側に位置する。
なお、第1,第2全反射面321,322としては、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものに限らず、第1,第2全反射面321,322の全体または一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、第1,第2全反射面321,322の全体または一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射させる場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第1,第2全反射面321,322の全体または一部がコートされていてもよい。
そして、画像取出部33は、全反射部32にて導かれた画像光を反射により外部の所定位置(観察者の左目または右目)に導く。
この画像取出部33の外面には、図3に示すように、光出射面331と、第2反射面332とが形成されている。
第2反射面332は、光出射面331に対向し、XY平面に対して傾斜する平坦状に形成され、全反射部32にて導かれた画像光を反射により外部の所定位置(観察者の左目または右目)に導く。
この第2反射面332は、ハーフミラー等で構成され、画像光を反射するとともに、外界像も透過可能に構成されている。
なお、画像取出部33としては、全反射部32にて導かれた画像光を外部の所定位置に導く機能を有していれば、ハーフミラー等の第2反射面332に限らず、偏光ビームスプリッターや、ホログラム回折格子等を採用しても構わない。
そして、上述した導光板3の上下端部(Y軸方向の両端部)には、図2または図3に示すように、上下にそれぞれ突出するとともに、X軸に沿って延出する張出部34がそれぞれ形成されている。
図4は、リム4の構成を示す図である。具体的に、図4(A)は−Z軸側からリム4を見た図であり、図4(B)は+Z軸側からリム4を見た図である。
リム4は、光透過性を有する樹脂材料等から構成され、左右対称となる形状を有し、一対の導光板3の画像取出部33同士が互いに近接する状態で一対の導光板3を保持する(一体化する)。
このリム4は、図2または図4に示すように、上フレーム部41と、一対の下フレーム部42と、架設部43とが一体形成されたものである。
上フレーム部41は、X軸に沿って延びる断面略矩形状の部材であり、一対の導光板3の上方側を支持する。
この上フレーム部41の−Z軸側の端面において、一対の下フレーム部42にそれぞれ対向する左右両側には、図4(A)に示すように、一対の導光板3における上方側に設けられた各張出部34の外形形状に対応した上凹部411が形成されている。
これら一対の下フレーム部42の−Z軸側の端面には、図2または図4(A)に示すように、一対の導光板3における下方側に設けられた各張出部34の外形形状に対応した下凹部421がそれぞれ形成されている。
この架設部43には、図2または図4に示すように、一対の下フレーム部42の間から上方側にかけてZ軸に沿う方向から見て略円弧状に切り欠かれた切り欠き部431が形成されている。
そして、切り欠き部431には、観察者に虚像表示装置1が装着された状態で、観察者の鼻に当接する鼻パッド431A(図1)が着脱自在に取り付けられる。
また、架設部43における−Z軸側の左右両端部には、図2または図4(A)に示すように、一対の導光板3における各第2反射面332に対応した斜面432がそれぞれ形成されている。
なお、この状態では、導光板3は、上フレーム部41、下フレーム部42、及び架設部43で囲まれるコ字状内側部分を埋めるように嵌合している。
また、この状態では、架設部43は、−Z軸側の端面が一対の導光板3の各第1全反射面321に略面一となり、+Z軸側の端面が一対の導光板3の各第2全反射面322に略面一となる。
そして、上述した鏡筒82及びリム4には、投射レンズ81に対して導光板3を位置決めする(光軸Axに対する所定位置に第1反射面312を位置付ける)ための位置決め構造PS(図5〜図7参照)が設けられている。
図5ないし図8は、投射レンズ81に対する導光板3の位置決め構造PSを示す図である。具体的に、図5は、−Z軸側から位置決め構造PSを見た分解斜視図である。図6は、+Z軸側から位置決め構造PSを見た分解斜視図である。図7は、リム4及び投射光学装置8を固定した状態をYZ平面で切断した断面図である。図8は、+Z軸側から鏡筒82を見た模式図である。
位置決め構造PSは、図5ないし図8に示すように、第1,第2係合部412,422(図5)と、第1,第2係合受け部821,822(図5、図6、図8)と、位置決め面823(図6〜図8)とを備える。
具体的に、第1係合部412は、上フレーム部41において、画像取込部31の上方側に位置し、−Z軸側の端面からZ軸に沿って突出する略円柱状に形成されている。
第2係合部422は、下フレーム部42において、画像取込部31の下方側に位置し、−Z軸側の端面からZ軸に沿って突出する略円柱状に形成されている。
そして、これら第1,第2係合部412,422は、Y軸に平行となる第1の仮想線VA1上において、導光板3を挟んで互いに対向する位置にそれぞれ形成されている。
なお、第1の仮想線VA1は、図5に示すように、Z軸に沿う方向から見て導光板3内部での全反射による画像光の進行方向Rに対して直交するものである。
具体的に、第1係合受け部821は、鏡筒82において、+Z軸側の端面の上方側に位置し、第1係合部412の外径と略同一の内径を有する凹状に形成されている。
第2係合受け部822は、鏡筒82において、+Z軸側の端面の下方側に位置し、第2係合部422の外径と略同一の幅寸法を有し、Y軸に沿って延出する長穴で構成されている。
そして、これら第1,第2係合受け部821,822は、Y軸(第1の仮想線VA1)に平行となる第2の仮想線VA2(図8)上に位置するように形成されている。
具体的に、位置決め面823は、鏡筒82において、光軸Axに沿う方向から見た場合に投射レンズ81の周囲を囲む+Z軸側の端面であり、XY平面に平行となる平坦状に形成されている。
また、位置決め面823が第1全反射面321に当接する(図7)ことで、投射レンズ81に対して+Z軸に沿う方向の所望の位置に導光板3が位置決めされる。
以上のように、位置決め構造PSを利用して投射レンズ81に対して導光板3を位置決めした後、ネジSc(図5、図6)によりリム4及び鏡筒82を固定することで、リム4及び投射光学装置8が固定される。
本実施形態では、虚像表示装置1には、位置決め構造PSが設けられている。
このことにより、位置決め構造PSを利用して、虚像表示装置1を組み立てることで、観察者に画像を良好に観察させることができる位置関係となるように投射レンズ81及び導光板3を位置付けることができる。
したがって、投射レンズ81に対する導光板3の位置決めを簡単に実施できる。
したがって、投射レンズ81に対する導光板3の位置決めに用いる部材を最低限の数(2つ)の部材とし、位置決め構造PSの簡素化が図れる。また、位置決めの対象となる投射レンズ81及び導光板3の間に介在する部材の数を最低限の数とすることができるため、投射レンズ81に対する導光板3の位置決めを精度良く実施できる。
このことにより、一対の導光板3に対応させてリム4を一対設ける構成と比較して、一対の鏡筒82と単体のリム4とに位置決め構造PSを設けることで、構造の簡素化が図れるとともに、一対の投射レンズ81に対する一対の導光板3のそれぞれの位置決めを簡単に実施できる。
さらに、第1,第2係合部412,422がY軸に平行となる仮想線上に位置し、第1,第2係合受け部821,822もY軸に平行となる仮想線上に位置する。そして、第2係合受け部822は、Y軸方向に延びる長穴で構成されている。
このことにより、第1,第2係合部412,422間の寸法が設計上の寸法に対して誤差のある寸法であった場合でも、投射レンズ81に対して、XY平面内の所望の位置に導光板3を位置決めすることができる。
また、第2係合受け部822が長穴で構成されているので、リム4における材料の熱収縮により第1,第2係合部412,422間の寸法が変化した場合であっても、当該熱収縮による第1,第2係合部412,422間の寸法変化を第2係合受け部822にて吸収できる。
このことにより、導光板3内部を進行する画像光に干渉しない位置で、投射レンズ81に対して、XY平面内の所望の位置に導光板3を良好に位置決めすることができる。
さらに、第1全反射面321は、高精度な平面度を有するように形成されていることから、第1全反射面321を投射レンズ81に対する導光板3の位置決めに利用することで、位置決め構造PSの簡素化が図れるとともに、投射レンズ81に対する導光板3の位置決めを高精度に実施できる。
前記実施形態では、虚像表示装置1は、画像形成装置2及び導光板3が観察者の両目に対応させてそれぞれ一対設けられていたが、これに限らず、一対の画像形成装置2のうち一方の画像形成装置2を省略し、画像を片眼視する構成としても構わない。
前記実施形態では、虚像表示装置1は、透過型の液晶表示デバイス71を採用していたが、これに限らず、その他の構成、例えば、反射型の液晶表示デバイスや、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を採用しても構わない。
前記実施形態では、虚像表示装置1がヘッドマウントディスプレイで構成されていたが、これに限らず、虚像表示装置をヘッドアップディスプレイで構成しても構わない。
前記実施形態では、第1,第2係合部412,422がリム4に設けられ、第1,第2係合受け部821,822が鏡筒82に設けられていたが、逆に、第1,第2係合部を鏡筒に設け、第1,第2係合受け部をリムに設けても構わない。
Claims (6)
- 画像光を出射する表示素子と、
前記表示素子からの画像光を投射する投射レンズと、
前記投射レンズを保持する第1保持部材と、
前記投射レンズからの画像光を内部に取り込んだ後、外部の所定位置に導く導光板と、
前記導光板を保持する第2保持部材とを備え、
前記第1保持部材及び前記第2保持部材には、
前記投射レンズに対する前記導光板の位置決めを行うための位置決め構造が設けられ、
前記表示素子、前記投射レンズ、前記第1保持部材、及び前記導光板は、それぞれ一対設けられ、
前記第2保持部材は、各前記導光板を一体化する
ことを特徴とする虚像表示装置。 - 請求項1に記載の虚像表示装置において、
前記導光板は、
前記投射レンズに対向して配設され、前記投射レンズからの画像光を前記導光板内部に取り込む画像取込部と、
前記投射レンズの光軸に直交する平坦状に形成され互いに平行となる一対の全反射面を有し、前記導光板内部に取り込まれた画像光を前記一対の全反射面での全反射により前記画像取込部から離間する方向に導く全反射部と、
前記全反射部にて導かれた画像光を外部の前記所定位置に導く画像取出部とを備える
ことを特徴とする虚像表示装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の虚像表示装置において、
前記位置決め構造は、
前記第1保持部材及び前記第2保持部材のいずれか一方から前記投射レンズの光軸に沿って他方に向けて突出する係合部と、
前記他方に設けられ、前記係合部に係合する係合受け部とを備え、
前記係合部及び前記係合受け部は、
互いに係合することで、前記光軸に直交する平面内での前記投射レンズに対する前記導光板の位置決めを行う
ことを特徴とする虚像表示装置。 - 請求項3に記載の虚像表示装置において、
前記係合部は、
第1の仮想線上にそれぞれ設けられた第1係合部及び第2係合部を備え、
前記係合受け部は、
前記第1の仮想線に平行となる第2の仮想線上にそれぞれ設けられ、前記第1係合部及び前記第2係合部がそれぞれ嵌合する第1係合受け部及び第2係合受け部を備え、
前記第2係合受け部は、
前記第2の仮想線に沿って延びる長穴で構成されている
ことを特徴とする虚像表示装置。 - 請求項4に記載の虚像表示装置において、
前記第1の仮想線は、
前記投射レンズの光軸に沿う方向から見て、前記導光板内部での画像光の進行方向に対して直交し、
前記第1係合部及び前記第2係合部は、
前記導光板を挟んで互いに対向する位置にそれぞれ設けられている
ことを特徴とする虚像表示装置。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載の虚像表示装置において、
前記導光板は、
前記投射レンズに対向して配設され、前記投射レンズからの画像光を前記導光板内部に取り込む画像取込部と、
前記投射レンズの光軸に直交する平坦状に形成され互いに平行となる一対の全反射面を有し、前記導光板内部に取り込まれた画像光を前記一対の全反射面での全反射により前記画像取込部から離間する方向に導く全反射部と、
前記全反射部にて導かれた画像光を外部の前記所定位置に導く画像取出部とを備え、
前記位置決め構造は、
前記第1保持部材に設けられ、前記光軸に直交する平坦状の位置決め面を備え、
前記位置決め面は、
前記全反射面に当接することで、前記光軸に沿う方向での前記投射レンズに対する前記導光板の位置決めを行う
ことを特徴とする虚像表示装置。
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