(57)【要約】【課題】加工の容易さ及び十分な強度を有し、且つゴースト光等の不要光が除去された頭部装着型映像表示装置が提供する。【解決手段】第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４と第５光学面５と第６光学面６からなる６面体プリズム７の内部反射を複数回用いて、映像表示部８からの光線を使用者の瞳孔９へ導光する頭部装着型映像表示装置において、第１光学面１と第２光学面２とは略平行な対向面であり、第３光学面３と第４光学面４とは平行ではない対向面であり、映像表示部８からの光線は、第１光学面１の一部から６面体プリズム７に入射され、第３光学面３、第１光学面１、第２光学面２、第１光学面１、第４光学面４の順に反射した後、第１光学面１の他の一部から射出し、第３光学面３と第２光学面２とが成す第１稜線部１２および第４光学面４と第２光学面２とが成す第２稜線部１３に、砂目処理、面取り処理、又は墨塗り処理の何れかの面処理を施す。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光学面と第２光学面と第３光学面と第４光学面と第５光学面と第６光学面からなる６面体プリズムの内部反射を複数回用いて、映像表示部からの光線を使用者の瞳孔へ導光する頭部装着型映像表示装置において、
前記第１光学面と前記第２光学面とは略平行な対向面であり、
前記第３光学面と前記第４光学面とは平行ではない対向面であり、
前記映像表示部からの光線は、前記第１光学面の一部から前記６面体プリズムに入射され、前記第３光学面、前記第１光学面、前記第２光学面、前記第１光学面、前記第４光学面の順に反射した後、前記第１光学面の他の一部から射出し、
前記第３光学面と前記第２光学面とが成す第１稜線部および前記第４光学面と前記第２光学面とが成す第２稜線部は、砂目処理、面取り処理、又は墨塗り処理の何れかの面処理が施されていることを特徴とする、頭部装着型映像表示装置。
【請求項２】
前記第３光学面および前記第４光学面は、前記第１光学面とのなす内角θが等しく、
前記内角θは略３０度であることを特徴とする、請求項１に記載の頭部装着型映像表示装置。
【請求項３】
前記第１稜線部にて、前記第３光学面側の処理幅と前記第２光学面側の処理幅とが異なるように前記面処理が施されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の頭部装着型映像表示装置。
【請求項４】
前記第２稜線部にて、前記第４光学面側の処理幅と前記第２光学面側の処理幅とが異なるように前記面処理が施されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の頭部装着型映像表示装置。
【請求項５】
前記第１稜線部および前記第２稜線部にて、前記第２光学面側の処理幅、前記第３光学面側の処理幅、および前記第４光学面側の処理幅のそれぞれが異なるように前記面処理が施されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の頭部装着型映像表示装置。
【請求項６】
前記６面体プリズムの射出端側は、光軸方向への投影断面の幅が眼球の瞳孔の直径よりも小さい４ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。
【請求項７】
前記第５光学面および前記第６光学面は角度をなして構成されており、入射端側から射出端側にかけて間隔が狭くなっていることを特徴とする、請求項６に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項８】
前記第５光学面または前記第６光学面は、砂目処理または墨塗り処理が施されている特徴とする、請求項７に記載の頭部装着型映像表示装置。
【請求項９】
前記頭部装着型映像表示装置は、眼鏡と共に用いるものであって、
前記６面体プリズムから射出される光線は、前記眼鏡のレンズを介して使用者の瞳孔方向へ映像を投影することを特徴とする、請求項１から請求項８の何れか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、頭部装着型映像表示装置（あるいはヘッドマウントディスプレイ）と呼ばれるものが注目されている。このような頭部装着型映像表示装置では、小型の映像表示素子（例えば液晶表示パネルや有機ＥＬなど）によって表示した映像あるいは画像を、プリズムやミラー等によって光学的に使用者の瞳孔へ導く技法が用いられる。
【０００３】
このとき、映像光を使用者の瞳に導光する導光部材として、プリズムを用いるもの等がある（例えば、特許文献１、２、３を参照）。例えば特許文献２に記載の技術では、導光部材としてのプリズムに溝を形成し、その溝に多層膜を形成することによって、不要光を反射することによって不要光を除去することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−００３８７９号公報
【特許文献２】特開２００７−２８６３１７号公報
【特許文献３】特開２００８−５３５００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来技術では、頭部に装着するという利用形態から生じる小型かつ軽量という条件の中でゴースト光等の不要光を除去するという大きな問題を抱えていた。また、特許文献２の技術では、不要光を除去の問題に取り組んでいるものの、形成した溝に応力が掛かり強度の問題を有し、また、溝を形成して多層膜を成膜することは加工上の困難さを伴う。溝を有した導光部を成形により加工する場合には、溝の対向面等に溝を起因とするヒケ等と呼ばれる面不良が発生する。また、一様な溝を形成しているため肌理の細かい不要光除去ができない問題を有している。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、加工の容易さ及び十分な強度を有し、且つ、ゴースト光等の不要光が除去された頭部装着型映像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、第１光学面と第２光学面と第３光学面と第４光学面と第５光学面と第６光学面からなる６面体プリズムの内部反射を複数回用いて、映像表示部からの光線を使用者の瞳孔へ導光する頭部装着型映像表示装置において、前記第１光学面と前記第２光学面とは略平行な対向面であり、前記第３光学面と前記第４光学面とは平行ではない対向面であり、前記映像表示部からの光線は、前記第１光学面の一部から前記６面体プリズムに入射され、前記第３光学面、前記第１光学面、前記第２光学面、前記第１光学面、前記第４光学面の順に反射した後、前記第１光学面の他の一部から射出し、前記第３光学面と前記第２光学面とが成す稜線部および前記第４光学面と前記第２光学面とが成す稜線部を、砂目処理、面取り処理、又は墨塗り処理が施すことによって達成される。
【０００８】
本発明の頭部装着型映像表示装置において、前記第３光学面および前記第４光学面は、前記第１光学面とのなす内角θが等しく、前記内角θは略３０度であることが好ましい。言い換えれば、第３光学面と第４光学面とはハの字型に配置されている。
【０００９】
本発明の頭部装着型映像表示装置の前記第１の稜線部にて、前記第３光学面側の処理幅と前記第２光学面側の処理幅とが異なるように前記面処理が施されていることが好ましい。
【００１０】
本発明の頭部装着型映像表示装置の前記第２の稜線部にて、前記第４光学面側の処理幅と前記第２光学面側の処理幅とが異なるように前記面処理が施されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の頭部装着型映像表示装置の前記第１の稜線部および前記第２の稜線部にて、前記第２光学面側の処理幅、前記第３光学面側の処理幅、および前記第４光学面側の処理幅のそれぞれが異なるように前記面処理が施されていることが好ましい。
【００１２】
本発明の頭部装着型映像表示装置において、前記６面体プリズムの射出端側は、光軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下である構成が考えられる。換言すると、一般的な瞳孔の大きさである４ｍｍよりも、第１光学面の射出端を小さくすることが考えられる。
【００１３】
本発明の頭部装着型映像表示装置において、前記６面体プリズムの第５光学面および第６光学面は角度をなして構成されており、入射端側から射出端側にかけて間隔が狭くなっている構成が考えられる。すなわち、テーパー構造を持たせることにより、射出端を４ｍｍ以下にしながら、入射端をそれ以上の大きさにする構成が考えられる。
【００１４】
本発明の頭部装着型映像表示装置において、前記第５光学面または前記第６光学面は、砂目処理または墨塗り処理が施されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の頭部装着型映像表示装置は、眼鏡と共に用いるものであって、前記６面体プリズムから射出される光線は、前記眼鏡のレンズを介して使用者の瞳孔方向へ映像を投影することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、加工の容易さ及び十分な強度を有し、且つゴースト光等の不要光が除去された頭部装着型映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施に係る６面体プリズムを説明する図である。
【図２】本発明の実施に係る６面体プリズムを用いた光学系を説明する図である。
【図３】本発明の実施の光学系における正規映像光の光線図である。
【図４】本発明の実施の光学系におけるゴースト光の光線図である。
【図５】本発明の実施による頭部装着型映像表示装置例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施による頭部装着型映像表示装置に用いる６面体プリズム７を説明する図であり、図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が平面図である。同図に示される６面体プリズム７は、第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４と第５光学面５と第６光学面６とから成る。
【００２０】
第１光学面１と第２光学面２とは、６面体における対向面であり、互いに略平行な面を構成している。第３光学面３と第４光学面４とは、６面体における対向面であり、第１光学面１に関して互いに向かい合う方向に傾斜が付けられている。すなわち、第３光学面３と第４光学面４とは、いわゆるハの字型の構成を有する。しかも、第１光学面１と第３光学面３及び第４光学面４との内角θは略等しく、本実施例では共に３０度の構成を採用している。なお、第１光学面１と第２光学面２とは並行であることから、第２光学面２と第３光学面３及び第４光学面４との内角も略等しい。また、第３光学面３及び第４光学面４にはミラーコーティングを施している。
【００２１】
言い換えると、図１に示されるように、本実施例に係る６面体プリズム７では、第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４とが等脚台形の形状を有する断面を構成している。さらに、この台形の断面図において、第１光学面１は第２光学面２よりも長く、第２光学面２は第３光学面３及び第４光学面４よりも長いという形状を有する。より具体的に本実施例では、この断面にて第１光学面１は３２ｍｍであり、第２光学面２は１６ｍｍである。また、第１光学面１と第２光学面２との間隔は、４．６１ｍｍである。
【００２２】
一方、第５光学面５と第６光学面６とは、６面体における対向面であり、互いに向かい合う方向に緩い傾斜が付けられている。この傾斜は、図１からも読み取れるように、第５光学面５と第６光学面６との間隔が、第３光学面３から第４光学面にかけて狭くなるような傾斜となっている。さらに、第４光学面の近傍においては、第５光学面５と第６光学面６との間隔は４ｍｍ以下であることが好ましく、本実施例では当該間隔は２．７ｍｍである。また、本実施例の第３光学面の近傍においては、第５光学面５と第６光学面６との間隔は４ｍｍである。
【００２３】
図２は、上記６面体プリズム７を用いた、映像表示素子８から使用者の瞳孔９への導光光学系の実施例を説明する図である。
【００２４】
図２に示される導光光学系は、上記６面体プリズム７と接眼レンズ１０とを有し、さらに映像表示素子８の近傍に保護窓１１（あるいはフィルター類）を備えることが好ましい。接眼レンズ１０は平凸レンズであり、第４光学面４よりの第１光学面１に平面（ひらめん）を隣接させて配置する構成とする。しかしながら、第１光学面１と接眼レンズ１０の平面とは隣接させるが、接合させない。その理由は、後述するように、接眼レンズ１０の近傍で、第１光学面は透過面であり且つ全反射面であるからである。なお、映像表示素子８は液晶パネルや有機ＥＬパネルなどを、適切に選択して用いることができる。
【００２５】
図２に示すように、映像表示素子８から放射した映像光は、保護窓１１を透過し、６面体プリズム７の第１光学面１に入射する。その後、映像光は、第３光学面３、第１光学面１、第２光学面２、第１光学面１、第４光学面４の順に反射あるいは全反射し、第１光学面１から射出する。さらに第１光学面１から射出した映像光は隣接した接眼レンズ１０に入射し、接眼レンズ１０の正パワーによって使用者の瞳孔９に照射される。
【００２６】
なお、図２に示される本光学系（の図示断面）において、映像表示素子８と瞳孔９とは光学的共役ではないことに注意したい。すなわち、瞳孔９に映像表示素子８の像は結像してはいない。映像表示素子８と瞳孔９とは、いわゆる像と瞳の位置関係となっている。なお、映像表示素子８の像が結像する位置は眼球内の網膜である。
【００２７】
図２に示されるように、第１光学面１の一部である第１部分光学面１ａから入射された映像光は、まず第３光学面３によって反射し、再び第１部分光学面１ａに（内部から）入射される。このとき、第３光学面３の傾斜（本実施例では略３０度）にて反射されたことにより、第１部分光学面１ａでの入射角度（本実施例では略６０度）は臨界角よりも大きくなる。すなわち、この場合の映像光は第１部分光学面１ａを全反射する。つまり、第１部分光学面１ａは、同時に透過面かつ全反射面として機能する。
【００２８】
同様な現象は、第１光学面１の他の一部である第２部分光学面１ｂと第４光学面４との間でも起きている。すなわち、第２部分光学面１ｂを全反射した後に、第４光学面４で反射することによって、今度は第２部分光学面１ｂに臨界角以下の入射角で入射し、最終的に第２部分光学面１ｂを透過する光路となっている。
【００２９】
上記のように、本発明の実施に係る６面体プリズム７は臨界角の性質を巧みに利用しているので、６面体プリズム７の界面での屈折率差が重要である。それ故に、６面体プリズム７と接眼レンズ１０は空気間隔（いわゆるエアギャップ）を隔てて配置する。
【００３０】
また、図２に示されるように、映像表示素子８から放射した映像光の光束は、６面体プリズム７の稜線部分（例えば符号１２，１３に示される部分）には到達しない。よって、本実施例では、６面体プリズム７の稜線部分に面処理を行う。ここで行う面処理としては、砂目処理、面取り処理、又は墨塗り処理などが考えられる。また、これらの面処理を組み合わせて実施してもよい。これらの面処理を施すことによって、本実施例に係る光学系は、ゴースト光などの不要光が大幅に低減される。
【００３１】
ここでは、第２光学面２と第３光学面３との間の第１稜線部分１２、並びに第２光学面２と第４光学面４との間の第２稜線部分１３の実施例ついて詳説する。なおここでは詳説しないが、第１光学面１と第３光学面３との間の稜線部分、並びに第１光学面１と第４光学面４との間の稜線部分に対しても同様に面処理をしてもよい。
【００３２】
第１稜線部分１２では、第２光学面２にて稜線から幅２．１ｍｍの部分と、第３光学面３にて稜線から幅１．２５ｍｍの部分とに面処理を施す。第２稜線部分１３では、第２光学面２にて稜線から幅１．４ｍｍの部分と、第４光学面４にて稜線から幅０．６５ｍｍの部分とに面処理を施す。
【００３３】
上述のように、入射側に近い第１稜線部分１２の方が、射出側に近い第２稜線部分１３よりも、面処理を施す領域が広い。その理由は、映像表示素子８から放射する光束が進行するにつれてより広がるので、不要光をより多く除去することができる。
【００３４】
上述の面処理は、本実施例の光学系にて、絞りを配置するのと実質的に同様の機能を果たす。
【００３５】
例えば、第１稜線部分１２は、第３光学面３の面処理にて図面上の左側の最大光束を規定し、第２光学面２の面処理にて図面上の右側の最大光束を規定している。同様に、第２稜線部分１３は、第４光学面４の面処理にて図面上の右側の最大光束を規定し、第２光学面２の面処理にて図面上の左側の最大光束を規定している。その結果、本発明の実施に係る面処理は実質的に絞りと同様の機能を果たすことにより、ゴースト光などの不要光を排除する。
【００３６】
上記効果をより詳説する。第３光学面３と第２光学面２とが成す第１稜線部１２において、第３光学面側３と第２光学面側２とで面取り量を異なるように処理を施すことによって、また、第４光学面４と第２光学面２とが成す第２稜線部１３において、第４光学面側４と第２光学面側２とで面取り量を異なるように処理を施すことによって、表示画面の虚像を観察する際に、表示画面の右側に観察されるゴースト光と、表示画像の左側に観察されるゴースト光をそれぞれ適切に除去することができる。
【００３７】
また、第３光学面３と第２光学面２とが成す第１稜線部１２での面取りは射出瞳に近い位置での遮光マスクとして作用し、第４光学面４と第２光学面２とが成す第２稜線部１３での面取りは物体に近い位置での遮光マスクとして作用する。それぞれの稜線部での面取り量を異なるように処理を施すことによって状況に応じた最適なゴースト除去を行うことができる。例えば、射出瞳に近い第４光学面４と第２光学面２とが成す第２稜線部１３での面取りは、面取り量を多くすることで確実にゴースト除去できるが、光量が減り観察画像が暗くなる、ただし、面取りによる映像のケラレの影響は小さい。一方、物体に近い第３光学面３と第２光学面２とが成す第１稜線部１２での面取りは、面取り量を多くすることで画面の有効領域が制限される。
【００３８】
図３及び図４は、それぞれ本発明に関わる光学系における正規映像光の光線図および不要光の光線図を示している。
【００３９】
図３及び図４から読み取れるように、本発明の実施に係る光学系では、正規の映像光は６面体プリズム７の稜線部を通過しないが、ある種のゴースト光は稜線部を通過する。ゆえに、本発明では稜線部に面処理をすることによって、ゴースト光を大幅に減らすことができる。
【００４０】
さらに、本発明の実施に係る６面体プリズム７にて、第５光学面および第６光学面の一方もしくは両方に、砂目処理または墨塗り処理を施すことができる。先述のように、６面体プリズム７の第５光学面５および第６光学面６は、入射端側から射出端側にかけて間隔が狭くなっている。すなわち、入射端側から入射した不要光は、この形状により、正規光路を進むよりも反射回数が多くなる。よって、第５光学面および第６工学面の一方もしくは両方に、砂目処理または墨塗り処理を施すことで、不要光の影響をより低減することが可能となる。
【００４１】
なお、光学プリズムの稜線部分は、散乱光が発生すると共に、強度が弱い部分でもある。よって、本実施例のように稜線部分を面処理することは強度を補う効果も有する。
【００４２】
図５は、本発明による実施例の頭部装着型映像表示装置を示している。本実施例は、本発明の実施に係る光学系を、通常の眼鏡１４と組み合わせて用いることによって、全体として頭部装着型映像表示装置を構成するものである。
【００４３】
しかしながら、本発明の実施には、図５に示される一実施例の頭部装着型映像表示装置に限らず、様々な形態の頭部装着型映像表示装置を任意に構成を設計し、その中で本発明を実施することができる。
【００４４】
図５に示される頭部装着型映像表示装置は、本体ユニット１５と導光ユニット１６とを備え、本体ユニット１５は眼鏡１４のツルに固定され、上述の６面体プリズムを含む導光ユニット１６は本体ユニット１５から独立して構成したものである。特に図５に示される構成では、本体ユニット１５と導光ユニット１６とが分離しているので、眼鏡１４のツルを折り畳んだときに本体ユニット１５が連動して折り畳むことができる。
【００４５】
ここで、本体ユニット１５は、内部に液晶パネル或は有機ＥＬ等の映像表示素子８を有し、その他不図示の映像表示素子駆動デバイス等を備える。
【００４６】
導光ユニット１６は、６面体プリズム７と接眼レンズ１０とを一筐体にハウジングした光学ユニット１７と、この光学ユニット１７を保持して眼鏡１４に固定する保持部１８を備える。ここで導光ユニット１６は、長手方向を略水平（すなわち眼幅方向の平面）と平行に保持される。なお、眼鏡１４を基準に考えて換言すると、両端のツルがフレームに接続する部分（ヨロイ）を結んだ直線に対して、導光ユニット１６の長手方向を平行に保持することである。保持部１８は、導光ユニット１６を眼鏡１４に固定して保持し、本実施例では眼鏡１４のツルのヒンジ部にて保持部１８を固定している。
【００４７】
上記構成の頭部装着型映像表示装置では、眼鏡１４のツルを伸ばしたときに、本体ユニット１５内部の映像表示素子８と、光学ユニット１７内部の６面体プリズム７との位置関係が、図２に示された光学系の位置関係となり、ゴースト光などの不要光が少ない好適な頭部装着型映像表示装置が実現される。
【００４８】
また、上記構成の頭部装着型映像表示装置では、６面体プリズム７の内部を反射させながら導光することにより、視界の邪魔にならない部分に映像表示素子８（すなわち本体ユニット１５）を配置することができると共に、導光路を短くできることにより、従来より小さな映像表示素子８を利用することができる。すなわち、本発明によれば、本体ユニット１５の小型化と、視界干渉からの退避とを同時に達成できる。
【００４９】
また図５に示される配置のように、映像表示素子８からの映像光を眼鏡１４のレンズの側方外側を通って光学ユニット１７に入射し、光学ユニット１７から射出した映像光を眼鏡１８のレンズを介して使用者の瞳孔へ導く構成とすることにより、使用者ごとに異なる視力を矯正した状態で頭部装着型映像表示装置を利用することが可能である。すなわち、眼鏡レンズを介さずに使用する構成の場合には必要となる視度調整機構が、本構成の頭部装着型映像表示装置では必要ではない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、小型の映像表示素子によって表示した映像あるいは画像を、光学的手法を用いて使用者の瞳孔に映像光を導く用途に有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１      第１光学面
２      第２光学面
３      第３光学面
４      第４光学面
５      第５光学面
６      第６光学面
７      ６面体プリズム
８      映像表示素子
９      瞳孔
１０    接眼レンズ
１１    保護窓
１２    第１稜線部
１３    第２稜線部
１４    眼鏡
１５    本体ユニット
１６    導光ユニット
１７    光学ユニット
１８    保持部
【図１】
2010230716.tif 000003
【図２】
2010230716.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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