(57)【要約】      （修正有）【課題】ゴーストの発生を抑制しつつ、導光プリズムの外部から入射する光によるフレアの発生やコントラストの低下を抑制する頭部装着型表示装置を提供する。【解決手段】頭部装着型表示装置は、表示素子４と、表示素子４からの画像光を入射面５ａから入射させ使用者の眼前まで導光する導光プリズム５と、表示素子４および導光プリズム５を保持する筐体３と、筐体３を、使用者の頭部に対して固定するための支持部とを備える。導光プリズム５は、筐体３に部分的に覆われて保持され、筐体３に覆われた側面５ｄの部分に第１の溝１１を有し、筐体３から露出した側面５ｄの部分に第２の溝１２を有する。第１の溝１１は、側面５ｄからの深さが、第２の溝１２の側面５ｄからの深さよりも深い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子と、
使用者の頭部に固定した状態において、前記表示素子からの画像光を入射面から入射させ使用者の眼前まで導光して、使用者の眼球に向けて射出する導光プリズムと、
前記表示素子および前記導光プリズムを保持する筐体と、
前記筐体を、使用者の頭部に対して固定するための支持部と
を備え、
前記導光プリズムは、前記筐体に部分的に覆われて保持され、前記筐体に覆われた側面の部分に第１の溝を有し、前記筐体から露出した側面の部分に第２の溝を有し、
前記第１の溝は、前記第２の溝よりも前記側面からの深さが深いことを特徴とする頭部装着型表示装置。
【請求項２】
前記第１の溝および前記第２の溝は、それぞれ２つの斜面からなり、Ｖ字形の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記第１の溝を形成する斜面は、前記第２の溝を形成する２つの斜面よりも、前記導光プリズムの隣接する側面に対してより大きい傾斜角度を成すことを特徴とする請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項４】
前記第１の溝の前記入射面に近い側の斜面は、前記表示素子から前記入射面を経て直接入射する画像光の少なくとも一部の光線に対して、全反射条件を満たさない傾斜角度で形成され、前記第２の溝の前記入射面に近い側の斜面は、前記表示素子から前記入射面を経て直接入射する全ての画像光の光線に対して、全反射条件を満たす傾斜角度で形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項５】
前記第１の溝は、前記斜面に遮光塗料が塗られていることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項６】
前記第１の溝の前記２つの斜面と前記筐体とにより囲まれる空間は、遮光部材で埋められていることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項７】
前記遮光部材は前記筐体側に固定または形成され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】
表示素子と、
使用者の頭部に固定した状態において、前記表示素子からの画像光を入射面から入射させ使用者の眼前まで導光して、使用者の眼球に向けて射出する導光プリズムと、
前記表示素子および前記導光プリズムを保持する筐体と、
前記筐体を、使用者の頭部に対して固定するための支持部と
を備え、
前記導光プリズムは、前記筐体に部分的に覆われて保持され、前記筐体に覆われた側面の部分に第１の溝を有し、前記筐体から露出した側面の部分に第２の溝を有し、
前記第１の溝と前記第２の溝は形状が異なり、かつ、前記第１の溝は遮光処理が施され、前記第２の溝は遮光処理が施されていないことを特徴とする頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、頭部や眼鏡に装着する、小型且つウェアラブルな頭部装着型表示装置が提案されている。そのような頭部装着型表示装置としては、例えば、側頭部に固定された小型の表示素子に表示される画像の画像光を、レンズにより拡大し接眼光学系（導光プリズム）により眼前まで導光し、拡大された虚像として使用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および２参照）。小型軽量な導光プリズムを用いることにより、視界を大きく遮らず、頭部装着型表示装置全体を小型・軽量に構成することができ、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。
【０００３】
しかし、導光プリズムを小型化するほど、導光プリズムの内部の側面などで反射する光（以下、側面反射非正規光とする）が生じやすくなり、これが眼に入るとゴーストやフレアが発生し易くなる。特に、ゴーストは、導光プリズム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不快感が大きくなる。このため、特許文献２では、画像光が導光される導光プリズムの側面に、当該側面に対する傾斜角度の大きいＶ字形の溝を形成し、導光プリズム内の不要な側面反射非正規光を除去している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４７６６９１３号公報
【特許文献２】特開２００７−２８６３１７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、特許文献２のような傾斜角度の大きいＶ字形の溝は表示映像のゴースト光などをカットする効果は高いが、導光プリズムの筐体の外部に露出した側面に形成すると、外光が侵入して表示素子まで到達し、フレア等を発生させ表示画像のコントラストの低下などの画質の低下が生じてしまうだけでなく表示素子に光電流が生じて表示素子の動作が不安定になる。
【０００６】
図５は、従来技術によるＶ字形の溝を形成した導光プリズムを用いた場合の、外光の侵入を説明する図である。この図は、頭部装着型表示装置１０１の筐体１０３内に保持された表示素子１０４、および、一部が筐体１０３内に保持された導光プリズム１０５を示している。表示素子１０４から射出される画像光のうち、表示しようとする画像の使用者の視野内での結像に寄与する光（以下、正規光とする）は、光軸Ｏに沿って、導光プリズム１０５の入射面１０５ａから入射して、反射面１０５ｂで反射され、接眼レンズ１０６が取り付けられた射出面１０５ｃから使用者の眼球へ向けて射出される。
【０００７】
導光プリズム１０５の光路を取り囲む側面１０５ｄ（導光プリズム１０５の４つの側面をまとめて１０５ｄとする）には、導光プリズム１０５の側面１０５ｄに入射する光Ｌｉ１１，Ｌｉ１２，Ｌｉ１３を導光プリズム１０５の外へ向けて透過または反射させるために、光軸Ｏ方向に間隔を空けて傾斜角度の大きい（傾斜の急な）Ｖ字形の溝１１１が複数配置される。導光プリズム１０５の側面１０５ｄに塗装を施すのは、コストの面、および、光学樹脂に対する塗装がはがれ易いという面から、採用しにくいので、これらの溝１１１が形成された導光プリズム１０５の側面１０５ｄは、遮光処理を行わない光学面として形成される。このように傾斜角度の大きいＶ字形の溝があるとき、導光プリズム１０５の溝の無い平坦な側面１０５ｄに入射した外光Ｌｏ１１は、そのまま、反対側の側面から外部へ透過していくので、使用者による表示素子１０４の画像観察に影響を与えない。しかし、Ｖ字形の溝１１１から入射した外光Ｌｏ１２は、導光プリズム１０５の内部で全反射を繰返して、表示素子１０４へ進み、コントラストの低下や表示素子１０４の動作を不安定にする原因となる。
【０００８】
一方、図６に示すように、導光プリズム１０５の側面１０５ｄに多数の傾斜角度の小さい（傾斜の緩い）Ｖ字形の溝１１２を設けることで、側面１０５ｄに当たる画像光の反射角を変えて、射出面１０５ｃからゴーストの原因光（ゴースト光）が眼球７に入らないようにする方法がある。しかし、導光プリズム１０５の長さが長いので、表示素子１０４からの画像光が導光プリズム１０５の側面１０５ｄで複数回反射すると、光線の角度が変化して全反射条件が崩れてしまい、導光プリズム１０５の側面１０５ｄから外部に抜けてしまう光線が生じる。この画像光が外部に抜ける経路を反対方向にたどると、外光が導光プリズム１０５内に侵入し、表示素子１０４に達する経路となる。例えば、図６において外光Ｌｏ１３は、導光プリズム１０５の側面１０５ｄから入射して、対向する他の側面１０５ｄから射出されるので、観察される画像に影響を与えない。しかし、外光Ｌｏ１４のように導光プリズム１０５の外部からＶ字形の溝１１２に入射して、導光プリズム１０５内で複数回反射して表示素子１０４に到達する経路も同時に生じ得る。太陽光などの強い外光が、このようにして導光プリズム１０５内に侵入すると、フレアやそれに伴うコントラストの低下などの悪影響が生じるという問題が発生する。
【０００９】
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、ゴーストの発生を抑制しつつ、導光プリズムの外部から入射する光によるフレアの発生やそれに伴うコントラストの低下を抑制する頭部装着型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】
【００１０】
上記目的を達成する頭部装着型表示装置の発明は、
表示素子と、
使用者の頭部に固定した状態において、前記表示素子からの画像光を入射面から入射させ使用者の眼前まで導光して、使用者の眼球に向けて射出する導光プリズムと、
前記表示素子および前記導光プリズムを保持する筐体と、
前記筐体を、使用者の頭部に対して固定するための支持部と
を備え、
前記導光プリズムは、前記筐体に部分的に覆われて保持され、前記筐体に覆われた側面の部分に第１の溝を有し、前記筐体から露出した側面の部分に第２の溝を有し、
前記第１の溝は、前記第２の溝よりも前記側面からの深さが深いことを特徴とするものである。
【００１１】
好適には、前記第１の溝および前記第２の溝は、それぞれ２つの斜面からなり、Ｖ字形の断面形状を有する。
【００１２】
さらに、前記第１の溝を形成する斜面は、前記第２の溝を形成する２つの斜面よりも、前記導光プリズムの側面に対してより大きい傾斜角度を成すことが好ましい。
【００１３】
また、前記第１の溝の前記入射面に近い側の斜面は、前記表示素子から前記入射面を経て直接入射する画像光の少なくとも一部の光線に対して、全反射条件を満たさない傾斜角度で形成され、前記第２の溝の前記入射面に近い側の斜面は、前記表示素子から前記入射面を経て直接入射する全ての画像光の光線に対して、全反射条件を満たす傾斜角度で形成することが好ましい。
【００１４】
さらに、前記第１の溝は、前記斜面に遮光塗料が塗られているか、または、前記第１の溝の前記２つの斜面と前記筐体とにより囲まれる空間が遮光部材で埋められているようにすることができる。また、前記遮光部材は前記筐体側に固定または形成されていることが好ましい。
【００１５】
上記目的を達成する頭部装着型表示装置の発明は、
表示素子と、
使用者の頭部に固定した状態において、前記表示素子からの画像光を入射面から入射させ使用者の眼前まで導光して、使用者の眼球に向けて射出する導光プリズムと、
前記表示素子および前記導光プリズムを保持する筐体と、
前記筐体を、使用者の頭部に対して固定するための支持部と
を備え、
前記導光プリズムは、前記筐体に部分的に覆われて保持され、前記筐体に覆われた側面の部分に第１の溝を有し、前記筐体から露出した側面の部分に第２の溝を有し、
前記第１の溝と前記第２の溝は形状が異なり、かつ、前記第１の溝は遮光処理が施され、前記第２の溝は遮光処理が施されていないことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、導光プリズムは、筐体に部分的に覆われて保持され、筐体に覆われた側面の部分に第１の溝を有し、筐体から露出した側面の部分に第２の溝を有し、第１の溝は、第２の溝よりも側面からの深さが深いので、ゴーストの発生を抑制しつつ、導光プリズムの外部から入射する光によるフレアの発生やそれに伴うコントラストの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施の形態に係る頭部装着型表示装置の外観を示す図である。
【図２】図１の頭部装着型表示装置の表示素子から射出される画像光を投影する光学系の構成を説明する図である。
【図３】図２の表示素子と導光プリズムの入射側端部とを拡大して示す図である。
【図４】第２実施の形態に係る頭部装着型表示装置の表示素子から射出される画像光を投影する光学系の構成を説明する図である。
【図５】傾斜角度の大きいＶ字形の溝を形成した導光プリズムを用いた場合の、外光の侵入を説明する図である。
【図６】導光プリズムの側面に傾斜角度の小さいＶ字形の溝を形成した場合の外光の侵入を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る頭部装着型表示装置１の外観を示す斜視図である。この頭部装着型表示装置１は、全体として眼鏡２のテンプル（側頭部のフレーム）に固定された筐体３と、筐体３により一方の端部が覆われて支持され、他方の端部は使用者に装着した状態において使用者の眼前まで延びる導光プリズム５を備える。したがって、眼鏡２は頭部装着型表示装置１を頭部に装着し、支持するための支持部として機能する。また、筐体３には、ＬＣＤや有機ＥＬ等の表示素子４（図２〜６参照）を内蔵するとともに、表示素子４に画像を表示するための電子回路や、筐体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。
【００２０】
図２は、図１の頭部装着型表示装置１の表示素子４から射出される画像光を投影する光学系の構成を説明する図である。この図は、図１の頭部装着型表示装置１の一部を上方より見た断面図を示している。表示素子４は筐体３内で図示しない保持部材により保持され、導光プリズム５の表示素子４側は筐体３に覆われて保持されている。なお、図２では図示していないが、表示素子４の背面側も筐体３により覆われている。表示素子４から射出された画像光の正規光は、光軸Ｏに沿って透明な樹脂またはガラス製の導光プリズム５の入射面５ａに入射し、導光プリズム５内を長手方向に進み、反射面５ｂで反射され、接眼レンズ６が接合された射出面５ｃから接眼レンズ６を通って眼球７に向けて射出される。なお、接眼レンズ６は導光プリズム５と別体ではなく、導光プリズム５の射出面５ｃを正の屈折力を有する曲面として形成しても良い。この光学系の有する正の屈折力によって、使用者は表示素子４に表示された画像の拡大虚像を観察することができる。
【００２１】
導光プリズム５は、光軸Ｏに直交する断面が略矩形の４つの側面５ｄ（４つの側面をまとめて５ｄとする）を有し、使用者の眼側の側面５ｄとこれに対向する側面５ｄには、複数の第１の溝１１および第２の溝１２が形成されている。第１の溝１１は筐体３内部にあり、すなわち、筐体３によって覆われており、Ｖ字形の形状で側面５ｄからの溝の深さｄ１が第２の溝１２の深さｄ２と比べ相対的に深く、Ｖ字形を形成する入射面５ａに近い側の斜面の側面５ｄに対する傾斜角度が相対的に大きい角度となっている。なお、ここで傾斜角度とは溝が形成されていない部分の側面５ｄとＶ字形の第１の溝１１の斜面とが成す角のうち鋭角側の角度（図３の傾斜角度θ参照）を意味する。また、第２の溝１２は筐体３の外部にあり、すなわち、筐体３から露出しており、Ｖ字形の形状で側面５ｄからの溝の深さが相対的に浅く、Ｖ字形を形成する入射面５ａ側の斜面の、溝が形成されていない部分の側面５ｄに対する傾斜角度が相対的に小さい角度となっている。
【００２２】
上記のような構成により、第１の溝１１は、第２の溝１２に対して側面５ｄからの深さが相対的に深いので、画像光のうち結像に寄与しない光（不要光）Ｌｉ１は、第１の溝１１により遮光される。これによって、表示素子４から射出された不要光が側面５ｄで反射されることによる、ゴースト光の発生を抑制する効果が大きい。さらに、第１の溝１１は筐体３に覆われているので、導光プリズム５の外部から入射する光（以下、外光とする）が侵入することも無い。また、第２の溝１２から入射した外光Ｌｏ１が、導光プリズム５の溝１２で全反射され、導光プリズム５内を表示素子４の方向に向かった場合でも、入射面５ａ側に配置された相対的に深い第１の溝１１によってブロックされる。これによって、外光Ｌｏ１が表示素子４に到達すること防ぐことができる。すなわち、図６にＬｏ１４として示したような外光の表示素子４への到達を防ぐことができる。したがって、導光プリズム５の側面に、深さの深い複数の第１の溝１１あるいは深さの浅い複数の第２の溝１２のみを配置した場合と比較して、ゴーストの発生を抑制しつつ、導光プリズム５の外部から入射する光によるフレアの発生やそれによるコントラストの低下を抑制することができる。
【００２３】
第１の溝１１は傾斜角度の大きい急な斜面であるため、表示素子４から射出された画像光を反射させる場合は、射出面５ｃとは反対方向に向かう光線となり、使用者が観察可能なゴースト光の発生を抑えることができる。図３は、図２の表示素子４と導光プリズム５の入射側端部とを拡大して示す図である。導光プリズム５の側面５ｄに対する第１の溝１１（図３の左上側に位置する第１の溝）の入射面５ａ側の面の傾斜角度θを４５°以上とすることによって、表示素子４から射出され入射面５ａを通り、比較的大きな入射角で直接第１の溝１１の入射面５ａ側の斜面１１ａに入射する不要光Ｌｉ３は、該斜面１１ａで反射されて射出面５ｃとは反対向きの入射面５ａ側に傾き、導光プリズム５の反対側の側面５ｄから導光プリズム５の外部へ出射する。
【００２４】
また、第１の溝１１の入射面に近い側の斜面１１ａを、表示素子４から入射面５ａを経て直接入射する画像光の少なくとも一部の光線が、全反射条件を満たさないような傾斜角度で形成することによって、比較的小さな入射角で斜面１１ａに入射する不要光Ｌｉ４は、斜面１１ａを透過して導光プリズム５の外部へと抜ける。これによって、画像形成に寄与しない光が、導光プリズム５の側面５ｄで反射され、側面反射非正規光となってゴーストを発生させることを抑制することができる。
【００２５】
同様に、第１の溝１１は傾斜角度の大きい急な斜面としたので、導光プリズム５内に入射した外光が第１の溝１１（図３の右下側に位置する第１の溝）の入射面５ａと反対側の斜面１１ｂで全反射された場合は、図３の外光Ｌｏ３に示すように導光プリズム５の側面５ｄから導光プリズム５の外部へ出射する。また、外光が斜面１１ｂを透過した場合は、図３の外光Ｌｏ４に示すように導光プリズム５の外部へと抜ける。このように、導光プリズム５の側面５ｄから入射した外光を効果的にブロックし、表示素子４に到達することをさらに抑制することができる。
【００２６】
一方、第２の溝１２は傾斜角度の小さい緩い角度の斜面からなるため、表示素子４からの不要光を、溝のない平坦な側面での反射に比べて角度が変化するように全反射する。これにより、射出面５ｃおよび接眼レンズ６から射出する光線を、眼球７の方向から逸らす作用がある。図２において、第２の溝１２の斜面に入射した不要光Ｌｉ２は、光軸Ｏ方向から大きく逸れて、導光プリズム５から使用者の眼球７の外側に向けて射出される。この光は、使用者に視認されないので、ゴーストを発生させない。このように、第２の溝１２によって、側面５ｄを平坦な面とした場合よりも、ゴースト光の発生を抑えることができる。さらに、導光プリズム５の露出している面は、使用者が手で触れることができ、皮脂や汚れがつき易い。これをそのままにすると、溝の谷の部分にクラックが発生することが懸念されるが、第２の溝１２は傾斜角度が小さいので、導光プリズム５の露出している面をクリーニングし易いという利点も有している。
【００２７】
また、第２の溝１２は筐体３の外部に露出しているが、傾斜角度の小さい緩い斜面で形成されているため、傾斜角度の大きい急な斜面と比較して外光の侵入を抑えることができる。図２において、Ｌｏ２は導光プリズム５の一つの側面から導光プリズム５内に入射し、対向する側面から出射する外光の光路を示す。このような外光は、使用者が観察する画像に影響を与えない。図４のＬｏ１に示すような特定の角度で入射した外光が対向する側面で反射し表示素子４に向かうが、上述の通り第１の溝１１で遮断される。さらに、第２の溝１２の入射面５ａ側に近い側の斜面を、表示素子４から入射面５ａを経て直接入射する画像光に対して、全反射条件を満たす傾斜角度で形成することによって、外光がこの斜面から入射して画像光と反対向きの光路を辿って表示素子４を直接照射することがないので、フレアの発生やコントラストの低下を更に抑制することが可能となる。
【００２８】
さらに、上記において、導光プリズム５の第１の溝１１は光吸収性の塗料を塗布して遮光処理を施し、第２の溝１２は遮光処理を施さない面として構成することができる。筐体３に覆われた第１の溝１１は遮光処理をしても、塗料が剥がれるという問題が発生する可能性が低く、また、遮光塗料により第１の溝１１の入射面５ａに近い側の斜面を透過する光を吸収させることで、この光が入射面５ａから遠い側の斜面から再入射してゴーストを発生させることを抑制することができる。そして、第２の溝１２の斜面は、遮光処理を施さない面としたので、遮光塗料の剥がれなどによって特性が変化することを防止することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ゴーストの発生を抑制しつつ、導光プリズム５の外部から入射する光によるフレアの発生やコントラストの低下を抑制することができる。
【００３０】
（第２実施の形態）
図４は、第２実施の形態に係る頭部装着型表示装置の、表示素子４から射出される画像光を投影する光学系の構成を説明する図である。本実施の形態では、第１実施の形態の頭部装着型表示装置１において、第１の溝１１に遮光処理を施さず、筐体３の内側面に第１の溝１１の形状に適合する遮光部材１３を固定または形成して、第１の溝１１の２つの斜面と筐体３による空間を埋めるようにしたものである。遮光部材１３により第１の溝１１の入射面５ａに近い側の斜面を透過した光を遮光することにより、この光が入射面５ａから遠い側の斜面から再入射してゴーストを発生させることを抑制することができる。また、このようにすることによって、接着剤等を使用しなくとも、導光プリズム５を筐体３に対して位置決めし、固定することができる。さらに、導光プリズム５に対して遮光処理をしなくて良いので、導光プリズム５の製造工程を削減することができる。
【００３１】
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。たとえば、頭部装着型表示装置の支持部は、眼鏡型のものに限られず、使用者の頭部に固定することができるのであれば、ゴーグル型やヘルメット型など種々の形状を有することができる。あるいは、支持部は、眼鏡やヘルメットその他の頭部に装着する器具へ接続するためのアタッチメント等でも良い。また、導光プリズムは使用時に水平方向に長いものに限られない。例えば、表示素子を前頭部に配置して、垂直方向に長い導光プリズムを使用することも可能である。
【００３２】
また、第１の溝および第２の溝は、種々の配置が可能である。例えば、第１の溝および第２の溝は、導光プリズムの対向する２つの側面ではなく、１つ、３つまたは４つの側面に設けられていても良い。また、第１の溝および第２の溝は、導光プリズムの４つの側面を周回するように設けられていても良い。あるいは、使用者の眼側の面およびこれに対向する面上で、光軸Ｏに沿う方向に異なる位置に交互に配置されていても良い。
【符号の説明】
【００３３】
１    頭部装着型表示装置
２    眼鏡
３    筐体
４    表示素子
５    導光プリズム
６    接眼レンズ
７    眼球
１１    第１の溝
１２    第２の溝
１３    遮光部材
【図１】
2015169887.tif 000003
【図２】
2015169887.tif 000004
【図３】
2015169887.tif 000005
【図４】
2015169887.tif 000006
【図５】
2015169887.tif 000007
【図６】
2015169887.tif 000008