JP2000249984A - 反射透過偏光子を用いた光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単で小型・軽量・安価でありながら
光の利用効率の高い光学系を提供する。 【解決手段】 第１の反射透過面(S1)は、凹面形状を有
し、その凹面形状の凹側に光学瞳(EP)が位置するように
配されている。第２の反射透過面(S2)は、第１の反射透
過面(S1)と光学瞳(EP)との間に配され、特定の直線偏光
を反射し、その直線偏光に対して振動面が垂直な直線偏
光を透過させる反射透過偏光子(13)で構成されている。
波長板(12)は、第１，第２の反射透過面(S1,S2)間に配
され、円偏光を直線偏光に変換し、直線偏光を円偏光に
変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射透過偏光子を用
いた光学系に関するものであり、例えば、ＬＣＤ(liqui
d crystal display)に表示される２次元映像を観察者の
瞳に投影してその拡大虚像を観察させる、ＨＭＤ(head
mounted display)等の映像表示装置に好適な、反射透過
偏光子を用いた光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】反射透過面を用いた光学系としては、例
えば米国特許第3,443,858号明細書や米国特許第5,050,9
66号明細書で提案されているものがある。これらの光学
系は、凹面反射透過面と平面反射透過面とを備えること
により、光学的にパワーを有する構成になっている。ま
た、平面反射透過面にコレステリック液晶を用いる構成
になっており、回転方向の異なる円偏光をコレステリッ
ク液晶で選択反射透過させることにより、光の利用効率
を向上させる構成になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１０に、３つのコレ
ステリック液晶の反射率特性を示す。コレステリック液
晶は波長依存性が高いので、カラー対応の光学系を得る
ためには、図１０に示すようにＲＧＢの各波長に対応し
た３つのコレステリック液晶を用いる必要がある。しか
し、コレステリック液晶を複数用いると、光学系のコス
トが高くなってしまう。１つのコレステリック液晶を積
層構造化することにより、その対応波長幅を広げてカラ
ー化に対応することも可能ではあるが、図１１に示すよ
うに反射率が低くなるため、光の利用効率は悪くなって
しまう。

【０００４】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、構成が簡単で小型・軽量・安価でありな
がら光の利用効率の高い光学系を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明の光学系は、凹面形状を有し、その凹面
形状の凹側に光学瞳が位置するように配された第１の反
射透過面と、前記第１の反射透過面と前記光学瞳との間
に配され、特定の直線偏光を反射し、かつ、その直線偏
光に対して振動面が垂直な直線偏光を透過させる反射透
過偏光子で構成された第２の反射透過面と、前記第１の
反射透過面と前記第２の反射透過面との間に配され、円
偏光を直線偏光に変換し、かつ、直線偏光を円偏光に変
換する波長板と、を備えたことを特徴とする。

【０００６】第２の発明の光学系は、上記第１の発明の
構成において、前記第２の反射透過面と前記光学瞳との
間に、特定の直線偏光を透過させ、かつ、その直線偏光
に対して振動面が垂直な直線偏光を吸収する偏光板を備
えたことを特徴とする。

【０００７】第３の発明の光学系は、上記第１又は第２
の発明の構成において、前記第１の反射透過面と像面と
の間に、円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板を備
え、その第２の波長板と前記像面との間に、特定の直線
偏光を透過させ、かつ、その直線偏光に対して振動面が
垂直な直線偏光を吸収する偏光板を備えたことを特徴と
する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した光学系
を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態相互
で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重
複説明を適宜省略する。

【０００９】《第１の実施の形態(図１)》図１に、第１
の実施の形態の光学構成を示す。第１の実施の形態の光
学系は、像(IM)側から順に、第１の反射透過面(S1)を有
するハーフミラー(11)と、４分の１波長板(12)と、第２
の反射透過面(S2)を有する反射透過偏光子(13)と、で構
成されている。この光学系を観察光学系として用いた場
合には、像(IM)からの光が光学瞳(EP)に導かれることに
なり、光学瞳(EP)に観察者の瞳を合わせると、像(IM)を
拡大観察することができる。結像光学系として用いた場
合には、光学瞳(EP)からの光が像面(IM)の位置で結像す
ることになり、像面(IM)位置に撮像素子や感光フィルム
等を配すれば、被写体を撮影することができる。

【００１０】ハーフミラー(11)で構成されている第１の
反射透過面(S1)は、凹面形状を有し、その凹面形状の凹
側に光学瞳(EP)が位置するように配されている。反射透
過偏光子(13)で構成されている第２の反射透過面(S2)
は、第１の反射透過面(S1)と光学瞳(EP)との間に配され
ており、特定の直線偏光を反射し、かつ、その直線偏光
に対して振動面が垂直な直線偏光を透過させる機能を有
している(なお、以下の説明では振動面が９０°異なる
２つの直線偏光として、便宜上Ｓ型とＰ型の直線偏光を
挙げることにする。)。反射透過偏光子(13)の具体例と
しては、例えば住友スリーエム(株)製のＤＢＥＦ(商品
名)が挙げられる。また、例えば図９に示すような反射
率特性を有する反射透過偏光子(13)が用いられる。４分
の１波長板(12)は、第１，第２の反射透過面(S1,S2)間
に位置するように反射透過偏光子(13)と貼り合わされて
おり、円偏光を直線偏光に変換し、かつ、直線偏光を円
偏光に変換する機能を有している。

【００１１】第１の実施の形態を観察光学系として用い
た場合の光の流れを説明する。像(IM)から発せられる光
が右回りの円偏光である場合には、像(IM)からの右回り
の円偏光は、まず第１の反射透過面(S1)を透過し{この
とき円偏光は第１の反射透過面(S1)の影響を受けな
い。}、その後、４分の１波長板(12)を透過してＳ型の
直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏光は、反射透過偏
光子(13)の第２の反射透過面(S2)で反射され{このとき
直線偏光は第２の反射透過面(S2)の影響を受けな
い。}、再び４分の１波長板(12)を透過して、右回りの
円偏光に変換される。右回りの円偏光は、第１の反射透
過面(S1)で反射されて左回りの円偏光となる。左回りの
円偏光は、４分の１波長板(12)を透過してＰ型の直線偏
光に変換される。Ｐ型の直線偏光は、第２の反射透過面
(S2)を透過して光学瞳(EP)に導かれる。

【００１２】像(IM)から発せられる光が左回りの円偏光
である場合には、像(IM)からの左回りの円偏光は、まず
第１の反射透過面(S1)を透過し{このとき円偏光は第１
の反射透過面(S1)の影響を受けない。}、その後、４分
の１波長板(12)を透過してＰ型の直線偏光に変換され
る。Ｐ型の直線偏光は、反射透過偏光子(13)の第２の反
射透過面(S2)で反射され{このとき直線偏光は第２の反
射透過面(S2)の影響を受けない。}、再び４分の１波長
板(12)を透過して、左回りの円偏光に変換される。左回
りの円偏光は、第１の反射透過面(S1)で反射されて右回
りの円偏光となる。右回りの円偏光は、４分の１波長板
(12)を透過してＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直
線偏光は、第２の反射透過面(S2)を透過して光学瞳(EP)
に導かれる。

【００１３】《第２の実施の形態(図２)》図２に、第２
の実施の形態の光学構成を示す。第２の実施の形態の光
学系は、光学瞳(EP)側から順に、第２の反射透過面(S2)
を有する反射透過偏光子(13)と、４分の１波長板(12)
と、第１の反射透過面(S1)を有するハーフミラー(11)
と、４分の１波長板(12a)と、偏光板(14)と、で構成さ
れている。この光学系は、光学瞳(EP)からの光を像面(I
M)の位置で結像させる結像光学系である。したがって、
像面(IM)位置に撮像素子や感光フィルム等を配すれば、
被写体を撮影することができる。また、観察光学系とし
て用いた場合は、像面(IM)に観察画像、例えば、写真，
スライド，ディスプレイ(ＣＲＴ，ＬＣＤ，プラズマ等)
等を配すれば、光学瞳(EP)で拡大観察することができ
る。

【００１４】第１の反射透過面(S1)と像面(IM)との間に
は、４分の１波長板(12a)と偏光板(14)が貼り合わされ
た状態で配置されている。４分の１波長板(12a)は、第
１，第２の反射透過面(S1,S2)間の４分の１波長板(12)
と同様、円偏光を直線偏光に変換する機能を有してい
る。また、４分の１波長板(12a)と像面(IM)との間に位
置する偏光板(14)は、特定の直線偏光を透過させ、か
つ、その直線偏光に対して振動面が垂直な直線偏光を吸
収する機能を有している。第１の反射透過面(S1)で反射
されずに直接入射してきた不要な光は、この偏光板(14)
で吸収される。

【００１５】第２の実施の形態における光の流れを説明
する。反射透過偏光子(13)がＰ型の直線偏光のみを透過
させる場合には、光学瞳(EP)を入射した光のうちのＰ型
の直線偏光のみが反射透過偏光子(13)を透過した後、４
分の１波長板(12)を透過して右回りの円偏光に変換され
る。そして、第１の反射透過面(S1)で反射されて左回り
の円偏光となり、再び４分の１波長板(12)を透過してＳ
型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏光は、反射透
過偏光子(13)の第２の反射透過面(S2)で反射され{この
とき直線偏光は第２の反射透過面(S2)の影響を受けな
い。}、再び４分の１波長板(12)を透過して左回りの円
偏光に変換される。そして、第１の反射透過面(S1)を透
過し{このとき円偏光は第１の反射透過面(S1)の影響を
受けない。}、その後、４分の１波長板(12a)によってＳ
型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏光は、偏光板
(14)を透過して像面(IM)位置で結像する。第１の反射透
過面(S1)で反射されずに直接透過した右回りの円偏光
は、４分の１波長板(12a)によってＰ型の直線偏光に変
換された後、偏光板(14)で吸収されるため、像(IM)にと
って有害な光とはならない。

【００１６】反射透過偏光子(13)がＳ型の直線偏光のみ
を透過させる場合には、光学瞳(EP)を入射した光のうち
のＳ型の直線偏光のみが反射透過偏光子(13)を透過した
後、４分の１波長板(12)を透過して左回りの円偏光に変
換される。そして、第１の反射透過面(S1)で反射されて
右回りの円偏光となり、再び４分の１波長板(12)を透過
してＰ型の直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は、
反射透過偏光子(13)の第２の反射透過面(S2)で反射され
{このとき直線偏光は第２の反射透過面(S2)の影響を受
けない。}、再び４分の１波長板(12)を透過して右回り
の円偏光に変換される。そして、第１の反射透過面(S1)
を透過し{このとき円偏光は第１の反射透過面(S1)の影
響を受けない。}、その後、４分の１波長板(12a)によっ
てＰ型の直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は、偏
光板(14)を透過して像面(IM)位置で結像する。第１の反
射透過面(S1)で反射されずに直接透過した左回りの円偏
光は、４分の１波長板(12a)によってＳ型の直線偏光に
変換された後、偏光板(14)で吸収されるため、像(IM)に
とって有害な光とはならない。

【００１７】《第３の実施の形態(図３，図４)》図３に
第３の実施の形態の光学構成を示し、図４に第３の実施
の形態における光の流れを模式的に示す。第３の実施の
形態の光学系は、像(IM)側から順に、４分の１波長板(1
2b)と、第１の反射透過面(S1)を有するハーフミラー(1
1)と、４分の１波長板(12)と、第２の反射透過面(S2)を
有する反射透過偏光子(13)と、偏光板(14)と、で構成さ
れている。この光学系は、像(IM)からの光を光学瞳(EP)
に導く観察光学系であり、光学瞳(EP)に観察者の瞳を合
わせると、ＬＣＤ(15)の像(IM)を拡大観察することがで
きる。このように第３の実施の形態では、ＬＣＤ(15)の
表示面上に形成される２次元画像を像(IM)とし、ＬＣＤ
(15)をも含めた全体として観察光学装置(例えばＨＭＤ)
を構成している。なお、本実施の形態では観察光学系と
して用いたが、第１，第２の実施の形態と同様に結像光
学系として用いることも可能である。

【００１８】第１の反射透過面(S1)と像面(IM)との間に
位置する４分の１波長板(12b)は、第１，第２の反射透
過面(S1,S2)間の４分の１波長板(12)と同様、直線偏光
を円偏光に変換する機能を有している。また、第２の反
射透過面(S2)と光学瞳(EP)との間に位置する偏光板(14)
は、特定の直線偏光を透過させ、かつ、その直線偏光に
対して振動面が垂直な直線偏光を吸収する機能を有して
いる。第２の反射透過面(S2)で反射されずに直接入射し
てきた漏れ光は、この偏光板(14)で吸収される。

【００１９】第３の実施の形態における光の流れを説明
する。ＬＣＤ(15)の像(IM)からの光がＰ型の直線偏光で
ある場合には、像(IM)からのＰ型の直線偏光は、まず４
分の１波長板(12b)によって右回りの円偏光に変換され
る。そして、第１の反射透過面(S1)を透過し{このとき
円偏光は第１の反射透過面(S1)の影響を受けない。}、
その後、４分の１波長板(12)を透過してＳ型の直線偏光
に変換される。Ｓ型の直線偏光は、反射透過偏光子(13)
の第２の反射透過面(S2)で反射され{このとき直線偏光
は第２の反射透過面(S2)の影響を受けない。}、再び４
分の１波長板(12)を透過して右回りの円偏光に変換され
る。そして、第１の反射透過面(S1)で反射されて左回り
の円偏光に変換され、再度４分の１波長板(12)を透過し
てＰ型の直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は反射
透過偏光子(13)を透過した後、偏光板(14)を透過して光
学瞳(EP)に導かれる。このとき、不要な漏れ光であるＳ
型の直線偏光は偏光板(14)で吸収される。

【００２０】ＬＣＤ(15)の像(IM)からの光がＳ型の直線
偏光である場合には、像(IM)からのＳ型の直線偏光は、
まず４分の１波長板(12b)によって左回りの円偏光に変
換される。そして、第１の反射透過面(S1)を透過し{こ
のとき円偏光は第１の反射透過面(S1)の影響を受けな
い。}、その後、４分の１波長板(12)を透過してＰ型の
直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は、反射透過偏
光子(13)の第２の反射透過面(S2)で反射され{このとき
直線偏光は第２の反射透過面(S2)の影響を受けな
い。}、再び４分の１波長板(12)を透過して左回りの円
偏光に変換される。そして、第１の反射透過面(S1)で反
射されて右回りの円偏光に変換され、再度４分の１波長
板(12)を透過してＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型の
直線偏光は反射透過偏光子(13)を透過した後、偏光板(1
4)を透過して光学瞳(EP)に導かれる。このとき、不要な
漏れ光であるＰ型の直線偏光は偏光板(14)で吸収され
る。

【００２１】《第４の実施の形態(図５，図６)》図５に
第４の実施の形態の光学構成を示し、図６に第４の実施
の形態における光の流れを模式的に示す。第４の実施の
形態の光学系は、像(IM)側から順に、第１の反射透過面
(S1)を有する平凸レンズ(16)と、４分の１波長板(12)
と、第２の反射透過面(S2)を有する反射透過偏光子(13)
と、で構成されている。この光学系は、像(IM)からの光
を光学瞳(EP)に導く観察光学系であり、光学瞳(EP)に観
察者の瞳を合わせると、ＬＣＤ(15a)の像(IM)を拡大観
察することができる。このように第４の実施の形態で
は、ＬＣＤ(15a)の表示面上に形成される２次元画像を
像(IM)とし、ＬＣＤ(15a)をも含めた全体として観察光
学装置(例えばＨＭＤ)を構成している。

【００２２】ＬＣＤ(15a)にはコレステリック液晶が用
いられており、像(IM)の表示は円偏光で行われる。平凸
レンズ(16)，４分の１波長板(12)及び反射透過偏光子(1
3)は、貼り合わされた状態で一体化されている。平凸レ
ンズ(16)の凸面はハーフミラー面になっており、そのハ
ーフミラー面が、第１〜第３の実施の形態と同様の第１
の反射透過面(S1)を構成している。

【００２３】第４の実施の形態における光の流れを説明
する。ＬＣＤ(15a)の像(IM)からの光が右回りの円偏光
である場合には、像(IM)からの右回りの円偏光は、まず
平凸レンズ(16)を透過し{このとき円偏光は第１の反射
透過面(S1)の影響を受けない。}、その後、４分の１波
長板(12)を透過してＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型
の直線偏光は、反射透過偏光子(13)の第２の反射透過面
(S2)で反射され{このとき直線偏光は第２の反射透過面
(S2)の影響を受けない。}、再び４分の１波長板(12)を
透過して右回りの円偏光に変換される。そして、平凸レ
ンズ(16)の第１の反射透過面(S1)で反射されて左回りの
円偏光に変換され、再度４分の１波長板(12)を透過して
Ｐ型の直線偏光に変換される。Ｐ型の直線偏光は反射透
過偏光子(13)を透過した後、光学瞳(EP)に導かれる。

【００２４】ＬＣＤ(15a)の像(IM)からの光が左回りの
円偏光である場合には、像(IM)からの左回りの円偏光
は、まず平凸レンズ(16)を透過し{このとき円偏光は第
１の反射透過面(S1)の影響を受けない。}、その後、４
分の１波長板(12)を透過してＰ型の直線偏光に変換され
る。Ｐ型の直線偏光は、反射透過偏光子(13)の第２の反
射透過面(S2)で反射され{このとき直線偏光は第２の反
射透過面(S2)の影響を受けない。}、再び４分の１波長
板(12)を透過して左回りの円偏光に変換される。そし
て、平凸レンズ(16)の第１の反射透過面(S1)で反射され
て右回りの円偏光に変換され、再度４分の１波長板(12)
を透過してＳ型の直線偏光に変換される。Ｓ型の直線偏
光は反射透過偏光子(13)を透過した後、光学瞳(EP)に導
かれる。

【００２５】《第５の実施の形態(図７)》図７に、第５
の実施の形態の光学構成を示す。第５の実施の形態は、
リレーレンズ(RL)で形成した中間像(IR)を、第１の実施
の形態(図１)の基本構成を有する光学系により、光学瞳
(EP)に導く観察光学系である。リレーレンズ(RL)は、像
(IM)を光学瞳(EP)に対して凸形状な中間像(IR)として結
像する。中間像(IR)は、ハーフミラー(11)，４分の１波
長板(12)及び反射透過偏光子(13)から成る観察光学系に
よって光学瞳(EP)に導かれる。光学瞳(EP)に観察者の瞳
を合わせると、中間像(IR)を拡大観察することができ
る。なお、第５の実施の形態の光学系を結像光学系とし
て用いた場合には、光学瞳(EP)からの光が中間像面(IR)
位置で結像し、それが像面(IM)位置で再結像することに
なる。したがって、像面(IM)位置に撮像素子や感光フィ
ルム等を配すれば被写体撮影が可能である。

【００２６】《第６の実施の形態(図８)》図８に、第６
の実施の形態の光学構成を示す。第６の実施の形態は、
リレーレンズ(RL)で形成した中間像(IR)を、第４の実施
の形態(図５，図６)の基本構成を有する光学系により、
光学瞳(EP)に導く観察光学系である。リレーレンズ(RL)
は、像(IM)を光学瞳(EP)に対して凸形状な中間像(IR)と
して結像する。中間像(IR)は、平凸レンズ(16)，４分の
１波長板(12)及び反射透過偏光子(13)から成る観察光学
系によって光学瞳(EP)に導かれる。光学瞳(EP)に観察者
の瞳を合わせると、中間像(IR)を拡大観察することがで
きる。なお、第６の実施の形態の光学系を結像光学系と
して用いた場合には、光学瞳(EP)からの光が中間像面(I
R)位置で結像し、それが像面(IM)位置で再結像すること
になる。したがって、像面(IM)位置に撮像素子や感光フ
ィルム等を配すれば被写体撮影が可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように第１〜第３の発明に
よれば、反射透過面にコレステリック液晶を用いる必要
がないので、構成が簡単で小型・軽量・安価でありなが
ら光の利用効率の高い光学系を実現することができる。
さらに、第２，第３の発明によれば、像にとって有害な
光を偏光板で吸収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の光学構成図。

【図２】第２の実施の形態の光学構成図。

【図３】第３の実施の形態の光学構成図。

【図４】第３の実施の形態における光の流れを示す模式
図。

【図５】第４の実施の形態の光学構成図。

【図６】第４の実施の形態における光の流れを示す模式
図。

【図７】第５の実施の形態の光学構成図。

【図８】第６の実施の形態の光学構成図。

【図９】反射透過偏光子の反射率特性を示すグラフ。

【図１０】３つのコレステリック液晶の反射率特性を示
すグラフ。

【図１１】積層構造を有する１つのコレステリック液晶
の反射率特性を示すグラフ。

【符号の説明】

11 …ハーフミラー 12 …４分の１波長板 12a …４分の１波長板(第２の波長板) 12b …４分の１波長板 13 …反射透過偏光子 14 …偏光板 15 …ＬＣＤ 15a …ＬＣＤ 16 …平凸レンズ S1 …第１の反射透過面 S2 …第２の反射透過面 EP …光学瞳 IR …中間像(中間像面) IM …像(像面) RL …リレーレンズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹面形状を有し、その凹面形状の凹側に
   光学瞳が位置するように配された第１の反射透過面と、 前記第１の反射透過面と前記光学瞳との間に配され、特
   定の直線偏光を反射し、かつ、その直線偏光に対して振
   動面が垂直な直線偏光を透過させる反射透過偏光子で構
   成された第２の反射透過面と、 前記第１の反射透過面と前記第２の反射透過面との間に
   配され、円偏光を直線偏光に変換し、かつ、直線偏光を
   円偏光に変換する波長板と、 を備えたことを特徴とする光学系。
2. 【請求項２】 前記第２の反射透過面と前記光学瞳との
   間に、特定の直線偏光を透過させ、かつ、その直線偏光
   に対して振動面が垂直な直線偏光を吸収する偏光板を備
   えたことを特徴とする請求項１記載の光学系。
3. 【請求項３】 前記第１の反射透過面と像面との間に、
   円偏光を直線偏光に変換する第２の波長板を備え、その
   第２の波長板と前記像面との間に、特定の直線偏光を透
   過させ、かつ、その直線偏光に対して振動面が垂直な直
   線偏光を吸収する偏光板を備えたことを特徴とする請求
   項１又は請求項２記載の光学系。