JP2007286317A - 装着型ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装着型ディスプレイ装置において、画質の低下を抑えること。
【解決手段】 画像表示素子を備える画像表示手段と、略平行な第１の面および第２の面を有し、画像表示手段からの光束を伝播する透明基板と、透明基板内に形成され、外界光と画像表示手段からの光束とを重畳するコンバイナ素子とを備え、透明基板は、透明基板の長手方向に略垂直な遮光面を備えた遮光部を有する。また、透明基板は、画像表示手段からの光束を第１の面と第２の面との少なくとも一方で少なくとも１回全反射して伝播しても良い。
【選択図】 図２

Description

本発明は、画像表示手段を備えた装着型ディスプレイ装置に関する。

近年、小型の画像表示素子を用いた装着型ディスプレイ装置が考えられている（例えば、特許文献１参照）。このような装着型ディスプレイ装置では、薄型の透明基板を用い、外界光と画像表示素子による表示画像とを重畳させて観察者の瞳に導いている。
特開２００５−８４５２２号公報

しかし、全反射を用いて光束を伝播させる状況において透明基板の小型化および薄型化を進めると、不要な反射光が生じる場合がある。この不要な反射光はゴーストやグレアなどになり、観察者によって観察される画像の画質低下をまねく。
本発明は、装着型ディスプレイ装置において、画質の低下を抑えることを目的とする。

本発明の装着型ディスプレイ装置は、画像表示素子を備える画像表示手段と、略平行な第１の面および第２の面を有し、前記画像表示手段からの光束を伝播する透明基板と、前記透明基板内に形成され、外界光と前記画像表示手段からの光束とを重畳するコンバイナ素子とを備え、前記透明基板は、前記透明基板の長手方向に略垂直な遮光面を備えた遮光部を有することを特徴とする。

なお、好ましくは、前記透明基板は、前記画像表示手段からの光束を前記第１の面と前記第２の面との少なくとも一方で少なくとも１回全反射して伝播しても良い。
また、好ましくは、前記遮光部は、その中心が、前記画像表示素子の中心からの光束の主光線が前記第１の面または前記第２の面において全反射する第１の位置に対して、他方の面上で前記第１の位置に対向する第２の位置に配置されても良い。

また、好ましくは、前記遮光部は、前記第１の位置を含み、前記透明基板の長手方向に略垂直な断面において矩形形状を有し、その面積は前記断面における前記透明基板の面積の半分以下であっても良い。
また、好ましくは、前記遮光部は、前記第１の位置を含み、前記透明基板の長手方向に略垂直な断面において、前記第１の位置からの距離に応じて異なる曲率半径を持つ曲線と前記他方の面に対応する直線とに挟まれた形状を有し、その面積は前記断面における前記透明基板の面積の半分以下であっても良い。

また、好ましくは、前記遮光部の前記遮光面は、前記画像表示手段からの光束の主波長を吸収しても良い。
また、好ましくは、前記遮光部の前記遮光面は、前記画像表示手段からの光束の主波長を反射しても良い。

本発明によれば、装着型ディスプレイ装置において、画質の低下を抑えることができる。

＜第１実施形態＞
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の装着型ディスプレイ装置１の外観図である。本実施形態の装着型ディスプレイ装置１は、図１に示すように、眼鏡フレームと同様の構造のフレーム１１のレンズ部分に画像表示用の透明基板１２が埋め込まれるとともに、フレーム１１に画像表示部１３を固定してなる。

この装着型ディスプレイ装置１がフレーム１１によってユーザの頭部に装着されると、透明基板１２は観察眼Ｅの前面に配置され、画像表示部１３は、観察眼Ｅの視界を妨げない位置に配置される。
図２は、装着型ディスプレイ装置１の光学系部分の概略断面である。図２に示すように、光学系部分には、照明光学系１４、画像表示素子１５、コリメータレンズ１６、透明基板１２などが備えられる。このうち、照明光学系１４、画像表示素子１５、およびコリメータレンズ１６は画像表示部１３内に収められる。観察眼Ｅの前に配置され、かつ画像表示素子１５からの表示光束と外界からの外界光束とを重畳する光学部材（ここでは透明基板１２）は、いわゆる「イメージコンバイナ」である。

照明光学系１４は、例えば、ＬＥＤおよび拡散板を組み合わせた光学系である。画像表示素子１５は、例えば、透過型ＬＣＤや有機ＥＬディスプレイなどである。また、透明基板１２は、ガラスやプラスチック等の可視光に対し透明な光学材料からなり、ユーザ側の面１２１と反ユーザ側（外界側）の面１２２とが平行な平行平板である。
透明基板１２の内部には、アルミなどが蒸着された第１反射面１２３、ホログラム素子を有する第２反射面１２４、遮光部１２５ａ〜１２５ｃが形成されている。このうち、第１反射面１２３は、画像表示部１３に対向する位置付近に形成され、その姿勢は、透明基板１２の面１２１および面１２２に対し所定角度だけ傾斜した姿勢である。また、第２反射面１２４は、観察眼Ｅに対向する位置付近に形成され、その姿勢は、透明基板１２の面１２１および面１２２に対し所定角度だけ傾斜した姿勢である。遮光部１２５ａ〜１２５ｃの詳細は後述する。

以上の装着型ディスプレイ装置１において、画像表示素子１５は、その背後から照明光学系１４によって照明され、入射した光を空間変調して画像表示用の光束（表示光束）を生成する。その表示光束は、コリメータレンズ１６において平行光束となり、透明基板１２の面１２１から透明基板１２の内部に導かれる。なお、図２では、画像表示素子１５の中心からの光束の主光線のみを示した。

透明基板１２に入射した表示光束は、第１反射面１２３にて４５°より小さい角度で反射した後、透明基板１２の面１２１に対しその臨界角度より大きい角度で入射し、全反射する。その後、表示光束は、透明基板１２の面１２２に対して、前述した面１２１に対する入射角度と同じ角度で入射し、全反射する。そして、表示光束は、透明基板１２の面１２１および面１２２にて内面反射を繰り返し、観察眼Ｅの方向へ伝播すると、第２反射面１２４に入射し、反射作用を受ける。反射した表示光束は、面１２１を透過して透明基板１２から出射し、外部の所定領域ＥＰへ入射する。

所定領域ＥＰの何れかの箇所に観察眼Ｅの瞳が配置されると、ユーザは、外界側の無限遠方に画像表示素子１５の拡大虚像を観察することができる。つまり、この所定領域ＥＰは、射出瞳として機能する。
また、外界から透明基板１２に入射する外界光束の少なくとも一部は、透明基板１２や第２反射面１２４を透過して射出瞳ＥＰへ入射する。よって、ユーザは前記拡大虚像と共に外界の風景を観察することができる。

なお、画像表示素子１５として、反射型ＬＣＤや、自発光型の素子などの画像表示素子を用いても良い。また、コリメータレンズ１６を用いる例を示したが、コリメータレンズ１６の代わりに、コリメータレンズ１６と同等の機能を持つ単数または複数の光学面を、画像表示素子１５から第１反射面１２３までの表示光束の光路の何れかの箇所に設けても良い。

また、図１および図２では、画像表示素子１５を透明基板１２の近傍に配置する例を示したが、透明基板１２から離れた適当な箇所に配置し、リレー光学系によって透明基板１２の近傍まで導光しても良い。また、スキャン光学系を用いて同位置に空中像を形成しても良い。また、図１および図２では、画像表示部１３を透明基板１２のユーザ側に配置する例を示したが、透明基板１２の外界側に配置しても良いし、フレーム１１の側方の近傍に配置しても良い。何れの場合も、第１反射面１２３の傾斜方向を適宜調整すれば良い。また、図１および図２では、画像表示部１３をユーザの側頭部近傍に配置する例を示したが、ユーザの視界を妨げない箇所であれば、例えば、観察眼Ｅの上方でユーザの額近傍などに配置しても良い。

次に、本発明の特徴である遮光部１２５ａ〜１２５ｃについて説明する。遮光部１２５ａ〜１２５ｃは、図２に示すように、透明基板１２の長手方向に略垂直な遮光面を有する。そして、遮光部１２５ａ〜１２５ｃは、その中心が、画像表示素子１５の中心からの光束の主光線が透明基板１２の面１２１および面１２２の何れか一方の面で全反射する位置に対して、透明基板２２の他方の面上で対向する位置に配置される。本実施例では、遮光部１２５ａは、前述した主光線が面１２２において全反射する位置Ｐａに対して、透明基板２２の他方の面１２１上で位置Ｐａに対向する位置に配置される。また、遮光部１２５ｂは、前述した主光線が面１２１において全反射する位置Ｐｂに対して、透明基板２２の他方の面１２２上で位置Ｐｂに対向する位置に配置される。また、遮光部１２５ｃは、前述した主光線が面１２２において全反射する位置Ｐｃに対して、透明基板２２の他方の面１２１上で位置Ｐｃに対向する位置に配置される。

図３Ｂに、図３ＡのＳ１で透明基板１２を切断し、矢印ａの方から見た図を示す。図３Ｂにおいて、斜線部は、遮光部１２５ａの形状を投影した部分である。遮光部１２５ａは、図３Ｂの斜線部に示すように、図３ＡのＳ１による断面において矩形形状を有する。また、この面における遮光部１２５ａの面積（斜線部の面積）は透明基板１２全体の断面積の半分以下である。なお、図３ＡのＳ１による断面とは、位置Ｐａを含み、透明基板１２の長手方向に略垂直な断面である。遮光部１２５ｂおよび遮光部１２５ｃも、同様の断面において同様の形状を有する。

また、遮光部１２５ａ〜１２５ｃの遮光面には、画像表示素子１５からの光束の主波長を反射する多層膜が成膜されている。なお、遮光部１２５ａ〜１２５ｃの形成は、透明基板１２の外部から溝を形成し、その溝に上述した多層膜を成膜することにより実現する。なお、透明基板１２を一旦切断して内部に遮光面を形成し、その後にこれらを貼り合わせることにより実現しても良い。

このようにして形成した遮光部１２５ａ〜１２５ｃにより、透明基板１２内において生じる不要な反射光を反射して除去することができる。したがって、不要な反射光がゴーストやグレアなどになり、観察者によって観察される画像の画質を低下させるのを防ぐことができる。
以上説明したように、第１実施形態によれば、画像表示素子を備える画像表示手段と、略平行な第１の面および第２の面を有し、画像表示手段からの光束を伝播する透明基板と、透明基板内に形成され、外界光と画像表示手段からの光束とを重畳するコンバイナ素子とを備え、透明基板は、透明基板の長手方向に略垂直な遮光面を備えた遮光部を有する。したがって、不要な反射光を除去することができるので、装着型ディスプレイ装置において、画質の低下を抑えることができる。また、不要な反射光に起因するゴーストやグレアにより、観察者が感じる眼疲労を低減する効果も期待できる。

また、第１実施形態によれば、透明基板は、画像表示手段からの光束を第１の面と第２の面とで全反射して伝播する。小型の装着型ディスプレイ装置において、画像表示手段からの光束を効率良く伝播し、観察眼に導くことができる。
また、第１実施形態によれば、遮光部は、その中心が、画像表示素子の中心からの光束の主光線が第１の面または第２の面において全反射する第１の位置に対して、他方の面上で第１の位置に対向する第２の位置に配置される。したがって、不要な反射光を効率よく除去しつつ、主要な光束を誤って除去するのを防ぐことができる。

また、第１実施形態によれば、遮光部は、第１の位置を含み、透明基板の長手方向に略垂直な断面において矩形形状を有し、その面積は前述した断面における透明基板の面積の半分以下である。したがって、不要な反射光を効率よく除去しつつ、主要な光束を誤って除去するのを防ぐことができる。
また、第１実施形態によれば、遮光部の遮光面は、画像表示手段からの光束の主波長を反射する。したがって、不要な反射光を確実に除去し、観察者の眼に不要な反射光が入射するのを防ぐことができる。

なお、第１実施形態では、遮光部１２５ａ〜１２５ｃの遮光面には、画像表示素子１５からの光束の主波長を反射する多層膜が成膜されている例を示したが、画像表示素子１５からの光束の主波長を吸収する多層膜を成膜する構成としても良い。また、透明基板１２に形成された遮光部１２５ａ〜１２５ｃの溝を、透明基板１２と屈折率の異なる物質で充填し、両者の屈折率の違いにより不要な反射光を除去する構成としても良い。また、遮光部１２５ａ〜１２５ｃの遮光面を着色することにより画像表示素子１５からの光束の主波長を吸収して反射光を除去する構成としても良い。なお、着色の際には、通電により着色の有無や強度を制御可能な構成としても良いし、無機物や有機物の調光物質を用いて着色の有無を制御可能な構成としても良い。

また、第１実施形態では、図１および図２に示すように、遮光部１２５ａ〜１２５ｃは平面から構成される遮光面を備える例を示したが、図３Ｃに示すように、曲面（例えば、Ｕ字溝）から構成される遮光面を備えても良い。
＜第２実施形態＞
以下、図面に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。

第２実施形態では、第１実施形態の装着型ディスプレイ装置１と略同様の外観を備えた装着型ディスプレイ装置を例に挙げて説明する。以下では、第２実施形態の装着型ディスプレイ装置の図示を省略し、第１実施形態と同様の符号を用いて説明する。
図４は、装着型ディスプレイ装置１の光学系部分の概略断面である。図４に示すように、光学系部分には、照明光学系２４、画像表示素子２５、コリメータレンズ２６、透明基板２２などが備えられる。このうち、照明光学系２４および画像表示素子２５は、第１実施形態と同様の画像表示部１３内に収められる。観察眼Ｅの前に配置され、かつ画像表示素子２５からの表示光束と外界からの外界光束とを重畳する光学部材（ここでは透明基板２２）は、いわゆる「イメージコンバイナ」である。

照明光学系２４、画像表示素子２５、およびコリメータレンズ２６は、第１実施形態の照明光学系１４、画像表示素子１５、およびコリメータレンズ１６と同様であるため説明を省略する。また、透明基板２２は、ガラスやプラスチック等の可視光に対し透明な光学材料からなり、ユーザ側の面２２１と反ユーザ側（外界側）の面２２２とが平行な平行平板である。

透明基板２２の内部には、偏光ビームスプリッタ２２３、１／４波長板２２４、凹面の反射面２２５、遮光部２２６が形成されている。このうち、偏光ビームスプリッタ２２３は、観察眼Ｅに対向する位置付近に形成され、その姿勢は、透明基板２２の面２２１および面２２２に対し所定角度だけ傾斜した姿勢である。遮光部２２６の詳細は後述する。
以上の装着型ディスプレイ装置１において、画像表示素子２５は、その背後から照明光学系２４によって照明され、入射した光を空間変調して画像表示用の光束（表示光束）を生成する。その表示光束は、コリメータレンズ２６において平行光束となり、透明基板２２の内部に導かれる。なお、図４では、画像表示素子２５の中心からの光束の主光線のみを示した。

透明基板２２に入射した表示光束は、透明基板２２の面２２１に対しその臨界角度より大きい角度で入射し、第１の位置Ｐｄで全反射する。その後、表示光束は、偏光ビームスプリッタ２２３を透過し、１／４波長板２２４を透過して反射面２２５で反射する。さらに、表示光束は、１／４波長板２２４の作用によって偏光面が９０度回転するため、偏光ビームスプリッタ２２３で反射した後、面２２１から出射して透明基板２２の外部の所定領域ＥＰへ入射する。

所定領域ＥＰの何れかの箇所に観察眼Ｅの瞳が配置されると、ユーザは、外界側の無限遠方に画像表示素子２５の拡大虚像を観察することができる。つまり、この所定領域ＥＰは、射出瞳として機能する。
また、外界から透明基板２２に入射する外界光束の少なくとも一部は、透明基板２２を透過して射出瞳ＥＰへ入射する。よって、ユーザは前記拡大虚像と共に外界の風景を観察することができる。

なお、画像表示素子２５として、反射型ＬＣＤや、自発光型の素子などの画像表示素子を用いても良い。また、コリメータレンズ２６を用いる例を示したが、コリメータレンズ２６の代わりに、コリメータレンズ２６と同等の機能を持つ単数または複数の光学面を、画像表示素子２５から透明基板２２までの表示光束の光路の何れかの箇所に設けても良い。

また、図４では、画像表示素子２５を透明基板２２の近傍に配置する例を示したが、透明基板２２から離れた適当な箇所に配置し、リレー光学系によって透明基板２２の近傍まで導光しても良い。また、スキャン光学系を用いて同位置に空中像を形成しても良い。
次に、本発明の特徴である遮光部２２６について説明する。遮光部２２６は、図４に示すように、透明基板２２の長手方向に略垂直な遮光面を有する。そして、遮光部２２６は、その中心が、画像表示素子２５の中心からの光束の主光線が透明基板２２の面２２１において全反射する第１の位置Ｐｄに対して、透明基板２２の他方の面２２２上で対向する位置に配置される。

図５Ａに、図４のＳ２で透明基板２２を切断し、矢印ｂの方から見た図を示す。図５Ａにおいて、斜線部は、遮光部２２６の形状を投影した部分である。遮光部２２６は、図５Ａの斜線部に示すように、図４のＳ２による断面において、位置Ｐｄからの距離に応じて異なる曲率半径を持つ曲線Ｌ１と面２２２に対応する直線Ｌ２とに挟まれた形状を有する。また、この面における遮光部２２６の面積（斜線部の面積）は透明基板２２全体の断面積の半分以下である。なお、図４のＳ２による断面とは、位置Ｐｄを含み、透明基板２２の長手方向に略垂直な断面である。

また、遮光部２２６の遮光面には、画像表示素子１５からの光束の主波長を吸収する多層膜が成膜されている。なお、遮光部２２６の形成は、透明基板２２の外部から溝を形成し、その溝に上述した多層膜を成膜することにより実現する。なお、透明基板２２を一旦切断して内部に遮光面を形成し、その後にこれらを貼り合わせることにより実現しても良い。

このようにして形成した遮光部２２６により、透明基板２２内において生じる不要な反射光を吸収（反射防止）して除去することができる。したがって、不要な反射光がゴーストやグレアなどになり、観察者によって観察される画像の画質を低下させるのを防ぐことができる。
以上説明したように、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第２実施形態によれば、遮光部は、第１の位置を含み、透明基板の長手方向に略垂直な断面において、第１の位置からの距離に応じて異なる曲率半径を持つ曲線と透明基板の他方の面に対応する直線とに挟まれた形状を有し、その面積は前述した断面における透明基板の面積の半分以下である。したがって、不要な反射光を効率よく除去しつつ、主要な光束を誤って除去するのを防ぐことができる。

また、第２実施形態によれば、遮光部の遮光面は、画像表示手段からの光束の主波長を吸収する。したがって、不要な反射光を確実に除去し、観察者の眼に不要な反射光が入射するのを防ぐことができる。
なお、第２実施形態では、遮光部２２６の遮光面には、画像表示素子２５からの光束の主波長を吸収する多層膜が成膜されている例を示したが、画像表示素子２５からの光束の主波長を反射する多層膜を成膜する構成としても良い。また、透明基板２２に形成された遮光部２２６の溝を、透明基板２２と屈折率の異なる物質で充填し、両者の屈折率の違いにより不要な反射光を除去する構成としても良い。また、遮光部２２６の遮光面を着色することにより画像表示素子２５からの光束の主波長を吸収して反射光を除去する構成としても良い。なお、着色の際には、通電により着色の有無や強度を制御可能な構成としても良いし、無機物や有機物の調光物質を用いて着色の有無を制御可能な構成としても良い。

また、第２実施形態では、図４に示すように、遮光部２２６は平面から構成される遮光面を備える例を示したが、図５Ｂに示すように、曲面から構成される遮光面を備えても良い。また、図５Ｃに示すように傾斜して配置されても良い。第１実施形態の遮光部１２５ａ〜１２５ｃについても同様である。
なお、上記各実施形態では、画像表示素子からの光束が透明基板の面（１２１，１２２，２２１，２２２）において全反射することにより伝播して観察眼Ｅの方向へ導かれる場合を例に挙げて説明したが、無反射で観察眼Ｅの方向へ導かれる場合にも本発明を同様に適用し、不要な反射光を除去することができる。また、全反射の回数は本実施形態の例に限定されない。また、複数の遮光部を有する場合に、それぞれの遮光部の形状や遮光物質などは同一であっても良いし、異なっていても良い。

また、上記各実施形態では、装着型ディスプレイ装置の一例として、眼鏡型のディスプレイを用いて説明を行ったが、装着型ディスプレイ装置の構成はこの構成例に限定されない。

第１実施形態の装着型ディスプレイ装置１の外観図である。 第１実施形態の装着型ディスプレイ装置１の光学系部分の概略断面である。 遮光部１２５ａ〜１２５ｃについて説明する図である。 第２実施形態の装着型ディスプレイ装置１の光学系部分の概略断面である。 遮光部２２６について説明する図である。

符号の説明

１…装着型ディスプレイ装置，１１…フレーム，１２・２２…透明基板，１３…画像表示部，１５・２５…画像表示素子，１２５ａ〜ｃ・２２６…遮光部

Claims (7)

1. 画像表示素子を備える画像表示手段と、
   略平行な第１の面および第２の面を有し、前記画像表示手段からの光束を伝播する透明基板と、
   前記透明基板内に形成され、外界光と前記画像表示手段からの光束とを重畳するコンバイナ素子とを備え、
   前記透明基板は、前記透明基板の長手方向に略垂直な遮光面を備えた遮光部を有する
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載の装着型ディスプレイ装置において、
   前記透明基板は、前記画像表示手段からの光束を前記第１の面と前記第２の面との少なくとも一方で少なくとも１回全反射して伝播する
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
3. 請求項２に記載の装着型ディスプレイ装置において、
   前記遮光部は、その中心が、前記画像表示素子の中心からの光束の主光線が前記第１の面または前記第２の面において全反射する第１の位置に対して、他方の面上で前記第１の位置に対向する第２の位置に配置される
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
4. 請求項３に記載の装着型ディスプレイ装置において、
   前記遮光部は、前記第１の位置を含み、前記透明基板の長手方向に略垂直な断面において矩形形状を有し、その面積は前記断面における前記透明基板の面積の半分以下である
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
5. 請求項３に記載の装着型ディスプレイ装置において、
   前記遮光部は、前記第１の位置を含み、前記透明基板の長手方向に略垂直な断面において、前記第１の位置からの距離に応じて異なる曲率半径を持つ曲線と前記他方の面に対応する直線とに挟まれた形状を有し、その面積は前記断面における前記透明基板の面積の半分以下である
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の装着型ディスプレイ装置において、
   前記遮光部の前記遮光面は、前記画像表示手段からの光束の主波長を吸収する
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
7. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の装着型ディスプレイ装置において、
   前記遮光部の前記遮光面は、前記画像表示手段からの光束の主波長を反射する
   ことを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
   

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