JP2006301180A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デザインの自由度が大きく、歩行時に身に纏っても障害物と衝突するおそれがなく、表示画像のカラー化も問題なく行うことができる身に纏うのに適した表示装置を提供できる。
【解決手段】出射機構から出射されて光学系により光路変更された画像表示光Ｌが観察者の眼に導かれることで虚像が視認される。光学系３は観察者の眼の前方に配置されるプリズムアレイ１０を有する。プリズムアレイ１０を構成する各プリズム１０ａに画像表示光Ｌを反射する反射面１０ａ′が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば腰のベルトや装身具等を介して身体に纏うウエアラブルコンピュータや、ナップサックやポケットに入れて携帯できる携帯電話のように、卓上以外の環境で利用可能な情報通信機器のためのモニタに適した表示装置に関する。

身体に纏う形態の機器用表示装置としては頭部装着型表示装置が知られている。図６に示す従来の頭部装着型表示装置は、画像表示光Ｌの出射機構１０１と光学系１０２を備え、光学系１０２はレンズ系１０２ａと光路変更素子１０２ｂを有し、出射機構１０１から出射される画像表示光Ｌが光路変更素子１０２ｂにより光路変更された後に観察者の眼Ｅに導かれることで虚像が視認される。従来、その光路変更素子１０２ｂとしてはミラーやホラグラム素子が用いられている（特許文献１参照）。
特開２０００−５６７０４号公報

光路変更素子１０２ｂとしてミラーを用いた場合、反射面となる光路変更面１０２ｂ′に対する画像表示光Ｌの入射角θ_piと出射角θ_poは相等しくなるため、反射面１０２ｂ′の向きは出射機構１０１からの画像表示光Ｌの出射方向と眼Ｅの位置から決定されてしまう。そのため、光学系の配置が制限されるために表示装置のデザインの自由度が低下するという問題がある。さらに、ミラーとして板形状を有するものを用いたとしても、観察者の顔面からミラーの一端までの距離が大きくなるため、表示装置を身に纏って歩行する際に障害物と衝突するおそれが大きくなる。
光路変更素子１０２ｂとしてホログラム素子を用いた場合、入射角θ_piと出射角θ_poを相異させることは可能であるが、回折により光路変更するため入射角θ_piと出射角θ_poの差が大きくなると光の分散が大きくなり実用に供し得ず、光路変更素子１０２ｂとしてミラーを用いた場合と同様の問題があり、さらに、表示画像をカラー化しようとするとゴースト光が発生してしまうため、表示画像のカラー化が困難である。
本発明は、上記のような従来の問題を解決することのできる表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、画像表示光の出射機構と、前記出射機構から出射される画像表示光の光路を変更する光学系とを備え、前記光学系により光路変更された画像表示光が観察者の眼に導かれることで虚像が視認される表示装置において、前記光学系は観察者の眼の前方に配置されるプリズムアレイを有し、前記プリズムアレイを構成する各プリズムに画像表示光を反射する反射面が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、プリズムアレイを構成する各プリズムの反射面により画像表示光の光路を変更することで、出射機構からの画像表示光の出射方向と眼の位置に影響されることなく、その反射面の向きを決定できる。これにより、表示装置のデザインを重視した光学系の配置が容易になり、身に纏う場合はプリズムアレイが観察者の顔面から前方に大きく突出するのを防止でき、また、回折光を利用しないので表示画像のカラー化が阻害されることもない。

前記プリズムアレイは板形状を有し、前記プリズムアレイの厚さ方向に対し直交する平面を基準面として、各反射面は前記基準面に沿って並列すると共に前記基準面に対して傾斜するものとされ、前記反射面に入射する画像表示光が前記基準面の法線に対してなす角度と、前記反射面での反射後に画像表示光が前記基準面の法線に対してなす角度とが相異するように、前記出射機構と前記プリズムアレイとが相対配置されているのが好ましい。これにより、光学系の配置の自由度がより大きくなり、観察者の顔面から前方へのプリズムアレイの突出をより低減できる。

前記プリズムアレイの一面は前記反射面が設けられる凹凸面とされ、前記プリズムアレイの一面に対向する一面を有する補助プリズムアレイが設けられ、前記補助プリズムアレイの一面は前記プリズムアレイの凹凸面に面接触可能な凹凸面とされ、前記プリズムアレイと前記補助プリズムアレイが光を透過可能とされることで前記反射面はハーフミラーとされているのが好ましい。これにより、観察者はプリズムアレイと補助プリズムアレイを透過する光により前方実在物を視認できる。

本発明によれば、デザインの自由度が大きく、歩行時に身に纏っても障害物と衝突するおそれがなく、表示画像のカラー化も問題なく行うことができ、しかも前方実在物も視認可能な、身に纏うのに適した表示装置を提供できる。

図１に示す表示装置１は、画像表示光Ｌの出射機構２と、出射機構２から出射される画像表示光Ｌの光路を変更する光学系３を備える。出射機構２と光学系３は図外ホルダーにより保持される。ホルダーを、例えば観察者の頭部に装着されるバンド、キャップ、ヘルメットや、眼鏡に取り付けられるクリップ等により構成することで、表示装置１はウエアラブルコンピュータに接続するのに適した頭部装着型となる。また、ホルダーを画像表示器を有する携帯電話のような通信機器のケーシングにより構成してもよい。出射機構２は、例えば液晶表示装置やＣＲＴディスプレイ等の公知の画像表示器により構成される。

本実施形態の光学系３は、レンズ系９と、観察者の眼Ｅの前方に配置されるプリズムアレイ１０を有する。出射機構２から出射された画像表示光Ｌはレンズ系９を介してプリズムアレイ１０に導かれ、プリズムアレイ１０において光路変更される。光学系３により光路変更された画像表示光Ｌが観察者の眼Ｅに導かれることで、出射機構２を構成する画像表示器による表示画像に対応する虚像が視認される。

図２に示すように、プリズムアレイ１０は板形状を有し、プリズムアレイ１０における観察者の眼Ｅに対向する一面は凹凸面１０′とされ、その一面に対向する他面は平坦面１０″とされている。プリズムアレイ１０の厚さ方向（図２において矢印Ａ方向）に対し直交する平面を図中二点鎖線で示す基準面ｐとして、平坦面１０″は基準面ｐに平行とされている。

その凹凸面１０′は、本実施形態においては平面視鋸歯状とされ、上下方向に延びると共に左右方向に沿って交互に並列する稜線ｑと谷線ｒを有する。プリズムアレイ１０における相隣接する谷線ｒの間の部分それぞれがプリズム１０ａを構成する。稜線ｑのピッチは特に限定されず、例えば５μｍ〜１ｍｍ程度とされる。各プリズム１０ａにおける凹凸面１０′を構成する相隣接する面の中で、一方の面が基準面ｐに直交する稜線ｑを通る面に対してなす角度をα、他方の面が基準面ｐに直交する稜線ｑを通る面に対してなす角度をβとして、一方の面の表面側が全反射ミラーとなる反射膜をコーティングされた反射面１０ａ′とされている。すなわち、プリズムアレイ１０を構成する各プリズム１０ａに画像表示光Ｌを反射する反射面１０ａ′が設けられ、各反射面１０ａ′は基準面ｐに沿って並列すると共に基準面ｐに対して傾斜するものとされている。

出射機構２から出射されてプリズムアレイ１０に至った画像表示光Ｌは、反射面１０ａ′に各プリズム１０ａの表面側から入射することで反射され、観察者の眼Ｅに導かれる。反射面１０ａ′に入射する画像表示光Ｌが基準面ｐの法線に対してなす角度θ_i と、反射面１０ａ′での反射後に画像表示光Ｌが基準面ｐの法線に対してなす角度θ_o とが相異するように、出射機構２とプリズムアレイ１０とが相対配置されている。本実施形態では、θ_i ＞θ_o とされている。
上記角度α、θ_i θ_o の間には以下の式で示す関係が成立する。
θ_o ＝θ_i −２（９０°−α）

上記表示装置１によれば、プリズムアレイ１０を構成する各プリズム１０ａの反射面１０ａ′により画像表示光Ｌの光路を変更することで、出射機構２からの画像表示光Ｌの出射方向と眼Ｅの位置に影響されることなく、その反射面１０ａ′の向きを決定できる。これにより、表示装置１のデザインを重視した光学系３の配置が容易になり、プリズムアレイ１０が観察者の顔面から前方に大きく突出するのを防止できる。しかも、回折光を利用しないので表示画像のカラー化が阻害されることもない。また、プリズム１０ａが板形状を有し、θ_i ＞θ_o となるように出射機構２とプリズムアレイ１０とが相対配置されることで、光学系３の配置の自由度をより大きくし、観察者の顔面から前方へのプリズムアレイ１０の突出をより低減できる。

図３は第１変形例を示す。上記実施形態との相違は、プリズムアレイ１０における観察者の眼Ｅに対向する面が平坦面１０″とされ、平坦面１０″と対向する面が凹凸面１０′とされている。これにより、出射機構２から出射されてプリズムアレイ１０に至った画像表示光Ｌは、まず平坦面１０″に入射し、プリズムアレイ１０内に入る際に屈折され、しかる後に各プリズム１０ａの裏面側から反射面１０ａ′に入射することで反射され、プリズムアレイ１０内から出射する際に屈折され、観察者の眼Ｅに案内される。

平坦面１０″に入射する画像表示光Ｌが基準面ｐの法線に対してなす角度θ_i と、反射面１０ａ′に入射する画像表示光Ｌが基準面ｐの法線に対してなす角度θ_i ′と、反射面１０ａ′での反射後に画像表示光Ｌが基準面ｐの法線に対してなす角度θ_o ′と、プリズムアレイ１０内からの出射後に画像表示光Ｌが基準面ｐの法線に対してなす角度θ_o の間には、プリズムアレイ１０外の媒質の屈折率をｎ₁ 、プリズムアレイ１０内の媒質の屈折率をｎ₂ として、以下の式で示す関係が成立する。
θ_i ′＝ｓｉｎ^-1（ｎ₁ ｓｉｎθ_i ／ｎ₂ )
θ_o ′＝θ_i ′−２（９０°−α）
θ_o ＝ｓｉｎ^-1（ｎ₂ ｓｉｎθ_o ′／ｎ₁ )

他は上記実施形態と同様で、同一部分は同一符号で示す。本変形例によれば、角度θ_i ′と角度θ_o ′とを相異させる（θ_i ′＞θ_o ′）ことで角度θ_i と角度θ_o とを相異させ、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、反射面１０ａ′に対する画像表示光Ｌの入射角が臨界角を超える場合は反射膜をコーティングしなくてもよい。

図４は第２変形例を示す。第２変形例においては、プリズムアレイ１０における観察者の眼Ｅに対向する面が凹凸面１０′とされ、この凹凸面１０′とされている一面に対向する一面を有する補助プリズムアレイ５０が設けられている。補助プリズムアレイ５０の一面はプリズムアレイ１０の一面に面接触する凹凸面５０′とされ、他面はプリズムアレイ１０の平坦面１０″に平行に配置される平坦面５０″とされている。反射面１０ａ′にハーフミラーとなる反射膜がコーティングされ、プリズムアレイ１０と補助プリズムアレイ５０が光Ｌ２を透過可能とされることで反射面１０ａ′はハーフミラーとして機能する。これにより、反射面１０ａ′において画像表示光Ｌが反射され、プリズムアレイ１０と補助プリズムアレイ５０を透過する光Ｌ２は直進する。なお、補助プリズムアレイ５０の凹凸面５０′は、プリズムアレイ１０と補助プリズムアレイ５０を透過する光Ｌ２が直進すれば、隙間を介してプリズムアレイ１０の凹凸面１０′に対向配置されてもよい。

他は上記実施形態と同様で、同一部分は同一符号で示す。本変形例によれば、第１変形例と同様の作用効果を奏することができ、さらに、観察者はプリズムアレイ１０と補助プリズムアレイ５０を透過する光Ｌ２により前方実在物を視認できる。

図５は第３変形例を示す。上記第２変形例との相違は、プリズムアレイ１０における観察者の眼Ｅに対向する面が平坦面１０″とされている。これにより、第２変形例と同様の作用効果を奏することができる。

本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。例えば、プリズムアレイにおける凹凸面の稜線と谷線は上記実施形態では上下方向に延びるが、画像表示光の出射方向に応じて横方向や他の方向に延びるものでもよい。各反射面の基準面に対する傾きは全て同一である必要はなく、互いに異なるものであってもよい。プリズムアレイの出射機構に対する相対配置は調節可能であってもよい。出射機構とプリズムアレイとの間のレンズ系と共に、あるいは、そのレンズ系に代えて、プリズムアレイと眼の間にレンズ系を配置してもよい。上記実施形態ではプリズムアレイにおける反射面が形成される面に対向する面は平坦面とされているが曲面であってもよい。また、画像表示光は観察者の両方の眼に導かれるものであってもよい。さらに、表示装置は身に纏うものでなくてもよく、机上等に載置されるものでもよい。

本発明の実施形態における表示装置の構成説明図 本発明の実施形態における表示装置の要部の構成説明図 本発明の第１変形例における表示装置の要部の作用説明図 本発明の第２変形例における表示装置の要部の作用説明図 本発明の第３変形例における表示装置の要部の作用説明図 従来の表示装置の構成説明図

符号の説明

１ 表示装置
２ 出射機構
３ 光学系
１０ プリズムアレイ
１０ａ プリズム
１０′ 凹凸面
１０ａ′ 反射面
５０ 補助プリズムアレイ
５０′ 凹凸面
Ｌ 画像表示光
ｐ 基準面

Claims (3)

1. 画像表示光の出射機構と、
   前記出射機構から出射される画像表示光の光路を変更する光学系とを備え、
   前記光学系により光路変更された画像表示光が観察者の眼に導かれることで虚像が視認される表示装置において、
   前記光学系は観察者の眼の前方に配置されるプリズムアレイを有し、
   前記プリズムアレイを構成する各プリズムに画像表示光を反射する反射面が設けられていることを特徴とする表示装置。
2. 前記プリズムアレイは板形状を有し、
   前記プリズムアレイの厚さ方向に対し直交する平面を基準面として、各反射面は前記基準面に沿って並列すると共に前記基準面に対して傾斜するものとされ、
   前記反射面に入射する画像表示光が前記基準面の法線に対してなす角度と、前記反射面での反射後に画像表示光が前記基準面の法線に対してなす角度とが相異するように、前記出射機構と前記プリズムアレイとが相対配置されている請求項１に記載の表示装置。
3. 前記プリズムアレイの一面は前記反射面が設けられる凹凸面とされ、
   前記プリズムアレイの一面に対向する一面を有する補助プリズムアレイが設けられ、
   前記補助プリズムアレイの一面は前記プリズムアレイの凹凸面に面接触可能な凹凸面とされ、
   前記プリズムアレイと前記補助プリズムアレイが光を透過可能とされることで前記反射面はハーフミラーとされている請求項１または２に記載の表示装置。

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