JP2001066543A - 複合光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表示手段からの光束に影響されない撮像光学
系を有する、表示、撮影、シースルーの各機能を備えた
小型複合光学装置を得ること。 【解決手段】 像情報を表示する表示素子系と、所定の
波長領域の光に対して透過性を示す第１の反射面を含
み、該表示素子系からの光を複数回反射して該観察者の
眼球に導く表示光学系と、光電変換系と、該所定の波長
領域の光に対して透過性を示す第２の反射面を含み、外
界からの光を観察者の眼球光軸に略一致させて入射さ
せ、複数回反射して該光電変換系に導く撮像光学系と、
該第１、第２の反射面を通して外界を観察するシースル
ー系とを有し、該シースルー系での観察に寄与する光の
波長領域が、該表示素子系及び表示光学系による観察に
寄与する光の波長領域及び該撮像光学系及び光電変換系
が受光し像情報を得る光の波長領域の少なくとも一方と
異なること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は外界の画像情報から
の光を取り込み撮像素子に形成する撮像光学系と液晶等
の表示手段に表示した画像情報を観察する表示光学系と
を合わせ持つ装置全体の小型化を図った複合表示装置に
関するものであり、特にヘッドマンテッドディスプレイ
やメガネ型ディスプレイと称せられる装置に好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ヘッドマンテッドディスプレ
イ（ＨＭＤ）に小型のＣＣＤカメラを取り付け、小型の
ＣＣＤカメラから得られた画像情報をＨＭＤにそのまま
表示する装置や、又は小型のＣＣＤカメラから得られた
画像情報を処理して何らかの画像情報に変換し、それを
ＨＭＤに表示する装置が提案されている。又、ＨＭＤに
おいてシースルー型のＨＭＤ（外界の光をダイレクトで
角倍率１で観察できる構成のＨＭＤ）も種々と提案され
ている。

【０００３】このような形態のＨＭＤは、ＨＭＤの表示
手段で表示した画像情報を観察する為の表示光学系の眼
球光軸と外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させるＣＣ
Ｄカメラ（撮像光学系）の光軸が異なっているとパララ
ックスが生じてくる。パララックスがなく、撮像光学系
と表示光学系とを合わせ持つ装置が、特開平４−２２３
５８号公報や特開平５−３０３０５３号公報で提案され
ている。

【０００４】特開平４−２２３５８号公報で提案されて
いる表示光学系は、小型液晶から発せられた光が平面ハ
ーフミラーを介した後、接眼レンズにより眼球に導かれ
ている。一方、撮像光学系は外界の光が平面ハーフミラ
ーを介した後、小型カメラに結像されている。この平面
ハーフミラーは４５度で配置されているため装置が大き
くなる傾向があった。又眼球の前に接眼レンズがあるた
め、シースルー光学系が成り立たない。

【０００５】特開平５−３０３０５３号公報では、シー
スルー光学系が成り立つ構成を開示しているが、光学系
が複雑で装置が非常に大きくなる傾向があった。

【０００６】上記問題を解決した小型の表示及び撮影が
可能な複合表示装置が本出願人により特開平１０−２３
９６２８号公報に開示されている。この装置は表示手段
からの光束を観察者の眼球に導光する複数の反射面を有
する表示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像さ
せる複数の反射面を有する撮像光学系から構成され、表
示光学系及び撮像光学系の光路中に設けられた光路分離
手段によりそれぞれの光束を互いに逆方向に分離し、該
複数の反射面で折りたたんで眼球乃至撮像素子に導くも
のである。さらに、表示光学系及び撮像光学系を合体し
て略屈折力を相殺することでシースルー光学系を構成
し、外界を観察することを可能としている。また、観察
者の眼球直前における表示光学系、撮像光学系、シース
ルー光学系の各光軸を略一致させることで、視差のない
表示及び撮影を可能としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＨＭＤの表示手段で表
示した画像情報を観察する為の表示光学系の眼球光軸と
外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させる撮像光学系
（ＣＣＤカメラ）の撮像光軸が異なっているとパララッ
クスが生じてくる。このパララックスをなくす為にハー
フミラーを用いて撮像光学系と表示光学系の双方の光軸
を一致させると表示手段からの光束の一部がハーフミラ
ーを透過して撮像光学系のＣＣＤ面上に入射してくる場
合がある。表示手段からの光束がＣＣＤ面上に結像して
いる外界からの画像情報に入射するとフレアー（雑音）
となり外界の画像情報の画質を低下させる原因となって
くる。

【０００８】このようなＨＭＤ等の複合表示装置におい
ては、装置を観察者の頭部に装着する為に装置全体が小
型、及び軽量であること、表示光学系と撮像光学系によ
る画像の画質がよいこと、パララックスがないこと、か
つシースルー光学系が成り立つこと等が要望されてい
る。

【０００９】本発明は液晶ディスプレイ（液晶ＬＣＤ）
等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する為の
複数の偏心反射面を有する表示光学系の構成及び外界の
画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像させる撮像光
学系の構成を適切に設定することによって、装置全体の
小型化を図りつつ、表示手段からの光束が撮像光学系の
撮像面に入射するのを防止し、該双方の画像情報をパラ
ラックスがなく良好なる状態で観察及び結像することが
できる複合表示装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の複合表
示装置は、像情報を表示する表示素子系と、所定の波長
領域の光に対して透過性を示す第１の反射面を含み、該
表示素子系からの光を観察者の眼球光軸に直交しない方
向に複数回反射して該観察者の眼球に導く表示光学系
と、光電変換系と、該所定の波長領域の光に対して透過
性を示す第２の反射面を含み、外界からの光を観察者の
眼球光軸に略一致させて入射させ、観察者の眼球光軸に
直交しない方向に複数回反射して該光電変換系に導く撮
像光学系と、該第１、第２の反射面を通して外界を観察
するシースルー系とを有し、該シースルー系での観察に
寄与する光の波長領域が、該表示素子系及び表示光学系
による観察に寄与する光の波長領域及び該撮像光学系及
び光電変換系が受光し像情報を得る光の波長領域の少な
くとも一方と異なることを特徴としている。

【００１１】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記第１の反射面と第２の反射面は同一の面である
ことを特徴としている。

【００１２】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記第１の反射面または前記第２の反射面を透
過する波長領域の光の少なくとも一部を除去する第１の
光学素子が前記第１の反射面よりも前記表示素子系側に
設けられていることを特徴としている。

【００１３】請求項４の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記第１の反射面または前記第２の反射面
を透過する波長領域の光の少なくとも一部を除去する第
２の光学素子が前記第２の反射面よりも前記光電変換系
側に設けられていることを特徴としている。

【００１４】請求項５の発明は請求項１から４のいずれ
か１項の発明において、前記撮像光学系及び光電変換系
で得られた像情報は前記表示素子系に入力され前記表示
光学系により観察されることを特徴としている。

【００１５】請求項６の発明は請求項１から５のいずれ
か１項の発明において、前記表示素子系は光の透過、反
射を制御するライトバルブと該ライトバルブを照明する
照明部を含むことを特徴としている。

【００１６】請求項７の発明は請求項６の発明におい
て、前記照明部は単一または複数の中心波長の光を発す
る発光素子であることを特徴としている。

【００１７】請求項８の発明は請求項７の発明におい
て、前記発光素子は発光ダイオードであることを特徴と
している。

【００１８】請求項９の発明は請求項７又は８の発明に
おいて、前記発光素子の発する光の中心波長が前記第２
の光学素子が除去する光の波長領域に含まれることを特
徴としている。

【００１９】請求項１０の発明の複合表示装置は、画像
情報を表示した表示素子系からの光束を観察者の眼球に
導光する表示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結
像させる撮像光学系とを有し、光路中に設けた光路分離
手段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射する光
束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球光軸
と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外界光
軸とを略一致させており、該光路分離手段を通過した光
束で外界を観察するシースルー光学系とを有した複合表
示装置であって、該シースルー光学系で用いる光の波長
領域が、該表示光学系による該表示素子系の画像情報の
観察に寄与する光の波長領域及び該撮像光学系による像
情報を得る光の波長領域の少なくとも一方と異なること
を特徴としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の複合表示装置の実
施形態１の要部概略図である。同図において、１００は
表示素子系である。１０１は表示光学系（ＬＣＤ表示光
学系）であり、複数の偏心した曲率を有する偏心反射面
を複数個有しており、表示手段としての液晶ＬＣＤ２で
表示した画像情報を観察者の眼球１に導光している。１
０１ａは表示光学系１０１の光軸である。１０２は撮像
光学系（ＣＣＤ結像光学系）であり、複数の偏心した曲
率を有する偏心反射面を複数個有しており外界の画像情
報を撮像素子ＣＣＤ３に結像している。１０２ａは撮像
光学系の光軸である。１０３は光電変換系である。１０
４はシースルー光学系である。表示素子系１００と表示
光学系１０１は表示系１０００を構成している。撮影光
学系１０２と光電変換系１０３は撮像系１００１を構成
している。

【００２１】本実施形態では、表示光学系１０１と撮像
光学系１０２の両方に、複数の内面反射を利用したプリ
ズム体９ａ，９ｃを使用している。そして２つのプリズ
ム体９ａ，９ｃとを後述する光路分割手段（接合面）４
を境にして接合している。光路分離手段４は、偏心した
曲率を有した反射面より成り、表示光学系１０１からの
光路と撮像光学系１０２の光路とを分離する面となって
いる。光路分離手段４は偏心反射面より成り、表示光学
系１０１で一方側の反射面を使用し、撮像光学系１０２
では他方側の反射面を使用している。

【００２２】光路分解手段４には図２の曲線（ａ）に示
すような分光透過率特性、即ち波長５５０ｎｍ以上の光
を透過し、それよりも短波長の光を反射する特性の膜が
形成されている。

【００２３】表示素子系１００は液晶素子２、液晶素子
２を照明するための平面型蛍光灯からなる照明部１０及
びこれらを駆動する不図示の電気回路を含んでいる。
又、液晶素子２には主として波長５５０ｎｍ以下の光の
みを透過するカラーフィルタが設けられている。表示光
学系１０１は、屈折率１以上の媒質から成るプリズム体
９ａを、又、撮像光学系１０２は屈折率１以上の媒質か
ら成るプリズム体９ｃ、絞り５、結像レンズ６をそれぞ
れ含んでいる。光源変換系１０３は撮像素子ＣＣＤ（Ch
arge Coupled Device）３及び不図示の電気回路を含ん
でいる。

【００２４】５は絞りである。６は光学系であり、プリ
ズム体９ｃを介して入射してくる外界の画像を撮像素子
（ＣＣＤ）３面上に結像している。

【００２５】シースルー光学系１０４は、外界の画像情
報を眼球１に導光するとともに表示手段２で表示した画
像情報と重畳させて観察させている。両光学系１０１，
１０２のプリズム体９ａ，９ｃの材質の屈折率を同じに
している。１ｃはシースルー光学系１０３の光軸（外界
光軸）である。

【００２６】本実施形態では表示光学系１０１の光軸１
０１ａと撮像光学系１０２の光軸１０２ａ、そしてシー
スルー光学系１０３の光軸１ｃは光路分離手段４で一致
し、又眼球光軸１ａと同軸としている。

【００２７】本実施形態では、このように各要素を設定
して小型の光学系を得ている。 尚、本実施形態におけ
る偏心反射面は面頂点回りのアジムス角によって屈折力
が異なるようにして良好なる光学性能を維持している。

【００２８】次に、図１の各要素について説明する。表
示光学系１０１は照明部１０で照明した液晶ＬＣＤ（表
示手段）２からの光がプリズム体９ａの入射面Ｅ１に入
射し、反射面８ａで反射し、全反射面７ａを臨界角度以
上の入射角で入射して全反射し、光路分離手段４で反射
し、全反射面７ａを臨界角度以下の入射角で入射して透
過面Ｅ２より透過して眼球１に導かれる。このように表
示光学系は液晶ＬＣＤ２からの光束を２回又は３回の反
射をして結像することなく眼球１に導光している。これ
によって液晶ＬＣＤ２に表示した画像情報を観察してい
る。

【００２９】その際、光路分離手段（接合面）４におい
ては、その分光透過率が前述したように図２（ａ）で示
す特性であるため、液晶素子２から射出される主として
５５０ｎｍ以下の波長の光がほとんど反射され、観察者
は液晶素子２に形成された青緑色の像情報を拡大像とし
て観察している。

【００３０】尚、面８ａ，面７ａでの反射は全反射とす
ることが望ましい。但し、全反射条件が満たされない場
合は面８ａに関しては反射性の金属膜または誘電体膜を
形成してもよい。本実施形態においてはこれらの反射面
により液晶素子２からの光を観察者の眼球光軸１ａに直
交しない方向に複数回反射して該観察者の眼球１に導く
ことにより光学系の小型化、及び薄型化を実現してい
る。

【００３１】撮像光学系１０２は外界からの光がプリズ
ム体９ｃの入射面Ｅ３より入射し（全反射面７ｃの一
部）、光路分離手段４で反射し、全反射面７ｃを臨界角
度以上の入射角で入射して全反射し、プリズム体９ｃの
射出面Ｅ４より射出後、絞り５、光学系６を経て撮像素
子ＣＣＤ３に結像する。これによって外界の画像情報を
記録している。

【００３２】その際、光路分離手段（接合面）４におい
ては、その分光透過率が前述したように図２（ａ）で示
す特性であるため、外界からの光のうち主として５５０
ｎｍ以下の波長の光のみが反射され、ＣＣＤ３上には同
波長領域の光による青緑色の外界像が形成される。

【００３３】尚、面７ｃでの反射は全反射とすることが
望ましい。本実施形態においてはプリズム体９ｃの反射
面により外界からの光を観察者の眼球光軸１ａに直交し
ない方向に複数回反射してＣＣＤ３に導くことにより小
型化、薄型化を実現している。

【００３４】本実施形態のシースルー光学系１０４は外
界からの光が撮像光学系１０２のプリズム体９ｃの入射
面Ｅ３に入射し、光路分離手段４より波長５５０ｎｍ以
上の光が透過し、表示光学系１０１のプリズム体９ａの
射出面Ｅ２を臨界角度以下の入射角で入射し、射出面Ｅ
２を透過して眼球１に導かれている。これによって外界
の画像情報を観察している。

【００３５】本実施形態において、プリズム体９ａと９
ｃの接合面４は図２（ａ）で示す分光透過率特性を有す
るため、プリズム体９ｃの面Ｅ３、面４、プリズム体９
ａの面Ｅ２は全体として波長５５０ｎｍ以上の光に対し
てはシースルー光学系として機能し、観察者はこれを通
して外界を観察している。特に面Ｅ３と面Ｅ２の形状を
適切に決定し、眼球光軸１ａに沿った光学的パワーを相
殺しつつ収差補正を行なうことで、観察者は倍率の変化
や歪みのない良好な像を観察している。

【００３６】撮像系１００１で検出された像信号は別途
用意された表示装置に接続し、観察することも可能であ
り、また表示素子系１００に、図１に不図示の電気回路
を介して接続することにより表示系１０００でシースル
ー像と視差なく表示し、観察することもできる。表示系
１０００で表示、観察される像はこれに限らず別に用意
された像情報発生装置からの所望の画像情報、文字情報
を表示、観察するようにしてもよい。

【００３７】本実施形態においては液晶素子２に設けた
カラーフィルタにより５５０ｎｍ以上の波長の光があら
かじめ除去されて、波長５５０ｎｍ以下の光だけとなっ
ている為、表示素子系１００から発せられる光には、図
２（ａ）で示される分光透過率特性を有する面４でほと
んどどが反射する。又、面４を透過する波長の光が元々
ほとんど含まれていない光となっている。従って表示系
１０００側の光が面４を通過することがなく、撮像系１
００１に影響を及ぼすことがない。

【００３８】一方、５５０ｎｍ以下の波長の光は図２
（ａ）に示す分光透過率特性によりそのほとんどが面４
で反射されて、眼球１に入射する為、波長５５０ｎｍ以
下の光が同面４を通して撮像光学系１０２側に透過する
ことはなく、同様に撮像系１００１に影響を及ぼすこと
がない。

【００３９】本実施形態では面４の分光透過率特性を波
長５５０ｎｍ以下の光を反射するシャープカットフィル
タとしたが、カット波長はこれに限定されるものではな
く、例えば図２の曲線（ｂ）や曲線（ｃ）のように任意
に設定することができる。但し、それに応じ液晶素子２
のカラーフィルタの特性を該カット波長より短波長側の
光のみを透過するように構成する必要がある。またシー
スルー系を可能とするためにはカット波長より長波長側
に可視光の領域が存在することが必要である。

【００４０】本実施形態で使用される表示素子２は上記
透過型液晶に限定されるものではなく、反射型の液晶を
含む広くライトバルブと称されるもの、或いは光の透
過、反射を制御して像を表示するものが好適に用いられ
る。またＥＬ（Electroluminescence）素子のような自
発光型の表示素子を用いることも可能である。

【００４１】本実施形態において、プリズム体９ａの全
反射面７ａと射出面Ｅ２は同じ曲面より成っており、光
束の入射条件によって使い分けている。又、プリズム体
９ｃの入射面Ｅ３と全反射面７ｃは同じ曲面より成って
おり、プリズム体９ａと同様に光束の入射条件によって
使い分けている。以下の各実施形態においても同様であ
る。

【００４２】本実施形態では表示光学系１０１と撮像光
学系１０２とを光束分離手段４で対向配置することによ
って、眼球１に入射する光束の眼球光軸１ａ又は眼球光
軸１ａを延長した仮想眼球光軸１ｂと、外界から撮像光
学系１０２に入射してくる光束の外界光軸（撮像光学系
１０２の光軸１０２ａ）１ｃが略一致するようにして、
液晶ＬＣＤ２に表示された画像情報の観察と、外界の画
像情報の撮像素子ＣＣＤ３面上における結像、そして外
界の画像情報の観察（シースルー光学系）をパララック
スのない状態で同時に観察及び撮像できるようにしてい
る。

【００４３】表示光学系１０１と撮像光学系１０２は両
者とも複数の反射面を有しており、該複数の反射面によ
り、液晶ＬＣＤ２からの光及び外界からの光は眼球光軸
１ａ方向に沿って、逆方向の方向に交互に折り畳まれ、
眼球１及び撮像素子３に導かれるようにして、表示光学
系１０１、撮像光学系１０２を併せ持った光学系の厚さ
を薄くしている。

【００４４】又、パララックスをなくすために外界の外
界光軸１ｃと眼球光軸１ａが略一直線上に設定して、撮
像素子３からの情報を表示光学系１０１の液晶ＬＣＤ２
で表示して観察するとき、自分が今向いている方向の映
像がパララックスなしに観察できるようにしている。

【００４５】更に外界からの光が光路分離手段４を透過
して眼球１へ導かれ、外界を観察できるシースルー光学
系１０４を有すると、外界の状況に応じた情報を表示光
学系１０１に表示させ、パララックスがないためスーパ
ーインポーズさせられた情報があたかも現実世界のもの
のように見えるようにしている。

【００４６】又、本光学系（表示光学系、撮像光学系）
の複数の反射面は、偏心し曲率を有した反射面とし、複
数の反射面を偏心させると反射面の配置を自由にできる
ため、本光学系を薄くできる。そして反射面を平面でな
く曲率を持たせることにより、不用な反射面又はレンズ
を取り除くことを可能としている。

【００４７】又、複数の偏心し曲率を有した反射面は、
面頂点回りのアジムス角度により屈折力が異なる面（以
下、自由曲面，面頂点：自由曲面の関数式における頂点
０，０としている。）。偏心し曲率を有した反射面では
非回転対称の偏心収差が発生するが、通常の回転対称の
球面や非球面では、この偏心収差を抑えることができな
い。そこで面頂点回りのアジムス角度により屈折力が異
なる自由曲面（非回転対称）により偏心収差を抑制して
いる。

【００４８】本実施形態では、液晶ＬＣＤ２からの光が
表示光学系１０１に入射した後、２回又は３回反射して
表示光学系１０１を射出し、結像することなく眼球に導
かれるようにして光学系の小系化を図っている。

【００４９】他に、表示光学系１０１、撮像光学系１０
２共に、臨界角条件を満たす全反射面を含み３面以上の
異なる光学面を持つプリズム体を用いている。この全反
射面がプリズム体の透過射出面を兼ねると、面への入射
角度により透過したり反射（全反射）したりする。通常
透過と反射の両作用を持たせるときは、ハーフミラーを
使うが、光量が減ってしまう。これに対して本実施形態
では全反射面により光量ロスが全くなく画像が明るくな
る。

【００５０】本実施形態における光路分離手段４は偏心
し曲率を有した１面の反射面より成り、該表示光学系は
該反射面の一方側の反射面を含み、該撮像光学系は該反
射面の他方側反射面を含んでいる。光路分離手段４を偏
心した平面でなく曲率を持たせることにより、両光学系
とも不用な反射面又はレンズを取り除き、かつ１面で光
路分離しているため、トータルで光学装置を小さくして
いる。

【００５１】又、光路分離手段４の反射面は、面頂点回
りのアジムス角度により屈折力が異なる面とし、両光学
系から発生する偏心収差を補正している。

【００５２】本実施形態では、外界からの光を撮像素子
３に結像させる撮像光学系１０２を複数の偏心し曲率を
有した反射面を用いることにより、外界からの光を外界
光軸１ｃ方向及び逆方向の方向に交互に折り畳んだ後、
該撮像光学系１０２の絞り５を通過し、その後、光学系
６を通して撮像素子３に導いている。これによって複数
の偏心し曲率を有した反射面により不用な反射面及びレ
ンズを取り除き、光線を交互に折り畳むことにより撮像
光学系を薄型化している。

【００５３】その背後に、絞り５、光学系６を配置し
て、前半の複数の偏心し曲率を有した反射面の光学系と
光学系６の大きさをバランスよくしている。又、前半の
複数の偏心し曲率を有した反射面の光学系に正の屈折力
を持たせることにより、絞り径を小さくしている。

【００５４】又、複数の偏心し曲率を有した反射面を含
み３面以上の異なる光学面を持つプリズム体９ｃを用い
て、該絞り５がプリズム体９ｃの射出面近傍に配置して
いる。複数の偏心し曲率を有した反射面をプリズム面と
すると、複数の反射面を一体で作れ、製造しやすくな
る。又、絞り５をプリズム体９ｃの射出面近傍に置いて
プリズム体９ｃを小さくしている。

【００５５】撮像光学系１０２のピント調節は絞り面６
以降の光学系６で行っている。これは絞り面５以降の小
さな光学系６を用いてピント調節をしやすくしている。

【００５６】又、本発明は、外界から直接眼球の網膜に
映る像倍率と本発明の外界の情報をＣＣＤ３に取りこ
み、ＬＣＤ２に表示して網膜に映る像倍率を略等しくし
ている。これはシースルーがない場合は、外界が見えな
くともあたかも外界を見ているような感じを再現するこ
とを可能とする。又シースルーの場合は、シースルーの
外界に、ＬＣＤ表示を同じ大きさで重ねることができ
る。

【００５７】次に本発明の実施形態２について説明す
る。

【００５８】本実施形態は図１で示す実施形態１の構成
において、面４の分光透過率特性を図３に示すような５
５０ｎｍ以上の波長の光を反射するシャープカットフィ
ルタとしたものである。

【００５９】これに応じ、液晶素子２のカラーフィルタ
は５５０ｎｍ以上の光のみを透過するように構成してい
る。従って表示系１０００からの光は面４を透過するこ
とがなく、撮像系１００１に影響を及ぼさない。

【００６０】基本的な動作は実施形態１と同一である
が、表示系１０００での表示は黄緑から赤の光で、撮像
系１００１での撮像は黄緑から赤乃至赤外の光で、シー
スルー光学系１０４での観察は青緑から青の光でそれぞ
れ行われる。

【００６１】実施形態１と同様、面４の分光透過率特性
は図３に示すものに限定されるものではなく、そのカッ
ト波長は用途に応じ適宜選択できるものである。

【００６２】次に本発明の実施形態３について説明す
る。

【００６３】本実施形態は図１で示す実施形態１の構成
において、面４の分光透過率特性を図４に示すような５
００〜６００ｎｍの波長の光を透過するバンドパスフィ
ルタとしたものである。

【００６４】これに応じ、液晶素子２のカラーフィルタ
は上記波長領域を除く青、赤の光のみを透過するように
構成している。従って表示系１０００からの光は面４を
透過することがなく、撮像系１００１に影響を及ぼさな
い。

【００６５】基本的な動作はこれまでの実施例と同一で
あるが、表示系での表示は青と赤の光で、撮像系での撮
像は育と赤乃至赤外の光で、シースルー光学系１０４で
の観察は緑の光でそれぞれ行われる。

【００６６】図５は本発明の実施形態４の要部概略図で
ある。図中これまでの実施例と同一のものには同一の符
号が付されている。

【００６７】本実施形態ではこれまでの実施例に比べ
て、プリズム体９ａとプリズム体９ｃが接合されておら
ず、わずかな間隔をおいて近接配置されていること、相
対する面４４ａ，４４ｂにはそれぞれ図６の（ａ），
（ｂ）に示す分光透過率特性を有する薄膜がそれぞれ形
成されている点が異なっている。即ち、面４４ａは５０
０ｎｍ以上の波長の光を透過し、それ以下の波長の光を
反射する特性を、面４４ｂは６００ｎｍ以上の波長の光
を反射し、それ以下の波長の光を透過する特性を有して
いる。また液晶素子２は５００ｎｍ以下の波長の光のみ
で表示を行うようにカラーフィルタが構成されている。
さらにプリズム体９ｃと結像レンズ６の間に図７で示す
特性を有するフィルタ５４が配置されている。フィルタ
５４は主として５５０ｎｍ以下の波長の光を遮光し、Ｃ
ＣＤ３に到達しないように作用する。

【００６８】以上の構成によると、表示系１０００にお
いては液晶素子２からの青色を主とする光は面４４ａで
反射され観察者眼球１に入射し観察される。撮像系１０
０１においては外界からの光のうちの赤から赤外領域の
光が面４４ｂで反射され、ＣＣＤ３で検出される。シー
スルー光学系１０４では前記外界からの光のうち面４４
ｂを反射されずに透過した青から緑の光が面４４ａに入
射し、そのうちの緑色光は面４４ａを透過してシースル
ーの観察光となる。一方、青色光は面４４ａにおいて反
射され再度面４４ｂを透過するが、その光は撮像光学系
１０２中のフィルタ５４により反射または吸収されＣＣ
Ｄ３には到達しない。

【００６９】上記フィルタ５４は面４４ａから反射され
る青の光による撮影像の乱れを緩和除去するために配置
したものであるが、もし、プリズム体９ａと９ｃの間隔
が十分狭く、面４４ｂからの反射光に対して２重像とし
て認識できなければ面４４ａからの反射光もＣＣＤ３に
取り込んで像の形成に利用することも可能である。この
場合は勿論フィルタ５４は不要になる。

【００７０】本実施例では２つのプリズム体９ａ，９ｃ
を別体とすることで、面４４ａ，４４ｂに特性の異なる
別々の薄膜を形成することができ、設計自由が増し、製
造が容易となっている。

【００７１】図８は本発明の実施形態５の要部概略図で
ある。図中これまでの実施例と同一のものには同一の符
号が付されている。

【００７２】本実施形態においては図１の実施形態１に
比べてプリズム体９ｃと結像レンズ（光学系）６の間に
図９で示される分光透過率特性を有するフィルタ５５が
配置されている点が異なっている。フィルタ５５は波長
が約７００ｎｍ以下の可視光を吸収または反射し、主と
してそれ以上の波長の光を透過させる特性を有する。

【００７３】さらにプリズム体９ａと９ｃの接合面４に
は、図１０に示すような可視から赤外領域に渡って半透
過性の薄膜が形成されている。

【００７４】以上の構成において、表示素子系１００の
照明部１０で照明された液晶素子２から射出した光はプ
リズム体９ａの面Ｅ１から入射し、面８ａ，面９ａ及び
接合面４で反射され、面Ｅ２より射出して観察者の眼球
光軸１ａに沿って眼球１に導かれる。この際、液晶素子
２のカラーフィルタにより照明光に含まれる赤外光が除
去され、３原色の色光のみで形成された拡大虚像が観察
される。

【００７５】一方、撮像系１００１では、外界からの光
はプリズム体９ｃの面Ｅ３から観察者の眼球光軸１ａに
沿って入射し、接合面４，面７ｃで反射され、面Ｅ４よ
り射出し、絞り５、フィルタ５５を経て、結像レンズ６
によりＣＣＤ３上に像を結ぶ。この際、フィルタ５５の
分光透過率特性により、ＣＣＤ３では赤外領域の光で形
成された像が検出される。

【００７６】さらに、前述の通りプリズム体９ａとプリ
ズム体９ｃの接合面４は図１０で示す半透過性を有する
ため、プリズム体９ｃの面Ｅ３、接合面４、プリズム体
９ａの面Ｅ２は全体として可視域のシースルー光学系１
０４として機能し、観察者はこれを通して不自然な着色
のないカラーの外界像を観察することができる。

【００７７】本実施例の特徴であるフィルタ５５は、液
晶素子２からの３原色の光が半透過性を有する接合面４
を透過してＣＣＤ３上に達するのを防ぐ機能を果たして
いる。これにより表示系１０００とシースルー光学系１
０４においては不自然な着色のないカラー画像が観察さ
れ、撮像系１００１においては表示系１０００から透過
する光の影響を受けることなく赤外光による像の検出が
行われる。

【００７８】本実施例ではフィルタ５５を絞り５と結像
レンズ６の間に設けているが、結像レンズ６とＣＣＤ３
の間や、結像レンズ６の内部等、接合面４とＣＣＤ３の
間であれば任意の位置でよい。

【００７９】また、接合面４の分光透過率特性を示す図
１０において、波長が４００ｎｍ以下の紫外領域につい
ては撮像系１００１中に赤外光より短波長の光を不透過
にするフィルタ５５を設ける限り、自由に決定できる。
しかしながら、上記接合面４の紫外域の透過率を図１１
に示すようにできるだけ少なくすることにより、シース
ルーの際に外界から入射する光に含まれる紫外線を減少
させ、目の障害を防ぐことができ、好ましい。

【００８０】本実施形態においては、表示系１０００の
液晶素子２のカラーフィルタによって照明部１０の光か
ら赤外光を除去しているが、カラーフィルタによって十
分な赤外光除去が行なえない場合は図１２に示すように
フィルタ６５をプリズム体９ａと液晶素子２の間に配置
してもよい。図１３はフィルタ６５の分光透過率特性を
示したものである。尚、フィルタ６５は液晶素子２と照
明部１０の間に設けてもよい。また照明部１０を平面型
の蛍光灯ではなく、直管の蛍光灯とその背後に設けられ
た反射鏡で構成し、該反射鏡を赤外光を透過し可視光を
反射するいわゆるコールドミラーとすることも効果的で
ある。

【００８１】尚、撮像系で検出された赤外光による像情
報を表示系で表示させる場合、その表示の色は適当な信
号変換回路を用いることで任意に選択できる。特に撮像
系からの像情報とその他の像情報を重ねて表示する場合
はそれらの表示色を変えて両者が識別されるようにする
とよい。

【００８２】本実施形態で説明した複合光学装置は例え
ば煙で視界が遮られている火災現場のような状況におい
て、撮像系により赤外光で検出された火焔の状況や人間
の像をシースルー像に重ね合わせて表示系により観察
し、消火活動や救出活動を行なう等の用途に好適に用い
られる。

【００８３】次に本発明の実施形態６について説明す
る。

【００８４】本実施形態は図８の実施形態５で示す構成
において、接合面４の分光透過率が図１４に示すような
赤外領域の光をほとんど透過せず反射する特性を有した
膜で構成したものである。その他の構成は図８の実施形
態５と同じである。

【００８５】以上の構成により表示系１０００からの光
に含まれる赤外光は接合面４により反射されるため撮像
系１００１には入射せずＣＣＤ３で検出される赤外光に
よる像に影響を及ぼさない。

【００８６】さらに撮像系１００１においては外界から
入射した光の中の赤外光が接合面４によりほとんど反射
されるため、実施形態５に比ベＣＣＤ３に達する赤外光
の光量を約２倍にすることができる。

【００８７】また、実施形態５の説明で述べたと同様
に、図１４で示す接合面４の分光透過率特性を図１５に
示すように波長４００ｎｍ以下の紫外領域において低下
させると、目に入射する紫外光が減少し目の障害を防ぐ
ことができるので好ましい。

【００８８】次に本発明の実施形態７について説明す
る。

【００８９】本実施形態は図５で示す実施形態４と同
様、プリズム体９ａとプリズム体９ｃが接合されず、２
つのプリズム体の面４４ａ，面４４ｂがわずかの空気間
隔をおいて近接配置されている構成において、２つのプ
リズム体の面４４ａ，面４４ｂの分光透過率がそれぞれ
図１６，図１７に示す特性となるように膜を付着したも
のである。即ち面４４ａは可視領域よりも短波長側の光
に対して半透過性を有し、赤外領域の光のほとんどを反
射する特性を、面４４ｂは可視領域の光のほとんどを透
過し、赤外領域の光のほとんどを反射する特性を有して
いる。

【００９０】本実施形態の表示系１０００においては実
施形態６と同様、照明部１０から発せられる光に含まれ
る赤外光は面４４ａにより反射されるため撮像系１００
１には入射せずＣＣＤ３で検出される赤外光による像に
影響を及ぼさない。

【００９１】一方、撮像系１００１においては外界から
入射した光の中の赤外光が面４４ｂによりほとんど反射
されるため、実施形態６と同様ＣＣＤ３に達する赤外光
の光量を実施形態５に比べ約２倍にすることができる。
シースルー光学系１０４においては外界から入射した光
が２つの面４４ａ，４４ｂを透過することになるが、可
視光のほとんどが面４４ｂを透過するため実施形態５，
６と同様の明るさで観察が可能である。

【００９２】本実施形態においては２つのプリズム体９
ａと９ｃを接合する必要がなく、また各プリズム体の面
４４ａ，４４ｂの分光特性を独立に設定することができ
るため膜構成を簡略化でき、製造時コストの低減と設計
自由度の向上が図られる。

【００９３】図１８は本発明の実施形態８の要部概略図
である。これまでの実施形態と同一のものには同一の符
号が付されている。本実施形態ではこれまでの実施例と
は異なり、照明系１８の光源が青，緑，赤の３色のＬＥ
Ｄ（発光ダイオード）１８ｂ，１８ｇ，１８ｒから構成
されている。尚、３つのＬＥＤは一体された形態のもの
でもよい。

【００９４】図１９は青，緑，赤の各色ＬＥＤ１８ｂ，
１８ｇ，１８ｒ毎の発光波長分布を示したもので、それ
ぞれ中心波長は４７０ｎｍ、５３０ｎｍ、６３０ｎｍ、
半値幅は２０から３０ｎｍ程度である。尚、本図は各Ｌ
ＥＤの相対的な発光強度を示したものではない。液晶素
子２はこれらのＬＥＤ１８ｂ，１８ｇ，１８ｒにより時
分割的に照明されフルカラーの像を形成する。即ち、例
えば各色のＬＥＤが１／１８０秒毎に順次点灯し、それ
に同期して対応する色の画像信号により液晶素子２が駆
動される。液晶素子２により変調された各色の光はこれ
までの実施例と同様にプリズム体９ａでの複数回の反射
を受けて観察者の眼球１に導かれる。

【００９５】ここで接合面４８は図１０と同一の分光透
過率特性を有しており、これまでの実施例と同様シース
ルーが可能である。

【００９６】図２０は撮像系１００１に挿入されている
フィルタ５８の分光透過率特性を示したものである。フ
ィルタ５８は所謂バンドパスフィルタであり、波長５８
０ｎｍを中心とする半値幅約５０ｎｍの光のみをＣＣＤ
３に導く作用をしている。接合面４８を通して表示系１
０００から撮像系１００１側に入射するＬＥＤの光は前
述のとおり図１９の分布を有するので、該フィルタ５８
で遮光され、ＣＣＤ３には到達しない。これにより、表
示系１０００からの光に影響されることなく外界からの
像情報を検出することが可能となる。フィルタ５８はそ
の特性を実現するために複数のフィルタを重ね合わせて
構成してもよい。

【００９７】本実施形態ではＬＥＤ１８による照明効率
の向上が図られ、また可視領域の波長による像の撮影が
可能となっている。

【００９８】尚、本実施形態においては照明用のＬＥＤ
として３色を用いたが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。例えば液晶照明用ＬＥＤとして青，赤の２色
を用い、フィルタ５８の透過領域をその間の緑色の広い
領域とすることでＣＣＤ３で検出する光量を増大させる
ことが可能である。また、照明用のＬＥＤを１色で行
い、フィルタ５８としてそのＬＥＤの光のみを遮光し他
の波長の光を透過させる特性のものを用いることで、撮
像される像のフルカラー化がなされる。

【００９９】以上で説明した各実施形態の複合光学装置
は機械的な機構に支持或いは保護され観察者の両眼また
は単眼に装着、または配置され機能するものである。そ
の際、プリズム体の向き、表示素子、ＣＣＤの配置は上
下左右適宜用途に合わせ選択されるものである。また必
要に応じ光学系の内部や外部、或いは該機械的機構に付
随して不要な光を遮る部材を設けてもよい。

【０１００】さらに、以上の実施形態は本出願人が特開
平１０−２３９６２８号公報で提案した図１の実施例を
例にとって説明しているが、同公報の他の実施例に対し
ても本発明は同様に適用可能である。

【０１０１】本発明の実施形態の説明においては単純な
プリズム体のみの構成を示しているが、光学性能を向上
させるためにそれに付加して周知の屈折レンズ、反射レ
ンズ、ＤＯＥ(Diffractive Optical Element)、ＨＯＥ
(Holographic Optical Element)等を用いる構成も本発
明に含まれるものである。

【０１０２】

【発明の効果】本発明によれば、液晶ディスプレイ（液
晶ＬＣＤ）等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導
光する為の複数の偏心反射面を有する表示光学系の構成
及び外界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像さ
せる撮像光学系の構成を適切に設定することによって、
装置全体の小型化を図りつつ、表示手段からの光束が撮
像光学系の撮像面に入射するのを防止し、該双方の画像
情報をパララックスがなく良好なる状態で観察及び結像
することができる複合表示装置を達成することができ
る。

【０１０３】この他本発明によれば、表示、撮像、シー
スルーの３つの機能を有し、それぞれが光学的に互いに
影響を及ぼすことのない小型の複合光学系を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図。

【図２】本発明の実施形態１の接合面４の分光透過率特
性を示す図。

【図３】本発明の実施形態２の接合面４の分光透過率特
性を示す図。

【図４】本発明の実施形態３の接合面４の分光透過率特
性を示す図。

【図５】本発明の実施形態４の要部概略図。

【図６】本発明の実施形態４の面４４ａ，４４ｂの分光
透過率特性を示す図。

【図７】本発明の実施形態４のフィルタ５４の分光透過
率特性を示す図。

【図８】本発明の実施形態５の要部概略図。

【図９】本発明の実施形態５のフィルタ５５の分光透過
率特性を示す図。

【図１０】本発明の実施形態５の接合面４の分光透過率
特性を示す図。

【図１１】本発明の実施形態５の接合面４の他の分光透
過率特性を示す図。

【図１２】本発明の実施形態６の要部概略図。

【図１３】本発明の実施形態６のフィルタ６５の分光透
過率特性を示す図。

【図１４】本発明の実施形態６の接合面４の分光透過率
特性を示す図。

【図１５】本発明の実施形態６の接合面４の他の分光透
過率特性を示す図。

【図１６】本発明の実施形態７の面４４ａの分光透過率
特性を示す図。

【図１７】本発明の実施形態７の面４４ｂの分光透過率
特性を示す図。

【図１８】本発明の実施形態８の要部概略図。

【図１９】本発明の実施形態８のＬＥＤの発光波長分布
を示す図。

【図２０】本発明の実施形態８のフィルタ５８の分光透
過率特性を示す図。

【符号の説明】

１ …観察者の眼球 １ａ …観察者の眼球光軸 ２ …液晶素子 ３ …ＣＣＤ ４ …接合面 ５ …絞り ６ …結像レンズ ７ａ，７ｃ，８ａ，Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４ …プリズ
ム体の面 ９ａ，９ｃ …プリズム体 １０ …照明系 １８ …照明系 １８ｂ，１８ｇ，１８ｒ …ＬＥＤ ４４ａ，４４ｂ …プリズム体の面 ５４，５５，５８，６５ …フィルタ １００ …表示素子系 １０１ …表示光学系 １０２ …撮像光学系 １０３ …光電変換系 １０００ …観察系 １００１ …撮像系 １０４ …シースルー系

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 像情報を表示する表示素子系と、所定の
   波長領域の光に対して透過性を示す第１の反射面を含
   み、該表示素子系からの光を観察者の眼球光軸に直交し
   ない方向に複数回反射して該観察者の眼球に導く表示光
   学系と、光電変換系と、該所定の波長領域の光に対して
   透過性を示す第２の反射面を含み、外界からの光を観察
   者の眼球光軸に略一致させて入射させ、観察者の眼球光
   軸に直交しない方向に複数回反射して該光電変換系に導
   く撮像光学系と、該第１、第２の反射面を通して外界を
   観察するシースルー系とを有し、該シースルー系での観
   察に寄与する光の波長領域が、該表示素子系及び表示光
   学系による観察に寄与する光の波長領域及び該撮像光学
   系及び光電変換系が受光し像情報を得る光の波長領域の
   少なくとも一方と異なることを特徴とする複合光学装
   置。
2. 【請求項２】 前記第１の反射面と第２の反射面は同一
   の面であることを特徴とする請求項１の複合光学装置。
3. 【請求項３】 前記第１の反射面または前記第２の反射
   面を透過する波長領域の光の少なくとも一部を除去する
   第１の光学素子が前記第１の反射面よりも前記表示素子
   系側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２
   の複合光学装置。
4. 【請求項４】 前記第１の反射面または前記第２の反射
   面を透過する波長領域の光の少なくとも一部を除去する
   第２の光学素子が前記第２の反射面よりも前記光電変換
   系側に設けられていることを特徴とする請求項１，２又
   は３の複合光学装置。
5. 【請求項５】 前記撮像光学系及び光電変換系で得られ
   た像情報は前記表示素子系に入力され前記表示光学系に
   より観察されることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１項の複合光学装置。
6. 【請求項６】 前記表示素子系は光の透過、反射を制御
   するライトバルブと該ライトバルブを照明する照明部を
   含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の複
   合光学装置。
7. 【請求項７】 前記照明部は単一または複数の中心波長
   の光を発する発光素子であることを特徴とする請求項６
   の複合光学装置。
8. 【請求項８】 前記発光素子は発光ダイオードであるこ
   とを特徴とする請求項７の複合光学装置。
9. 【請求項９】 前記発光素子の発する光の中心波長が前
   記第２の光学素子が除去する光の波長領域に含まれるこ
   とを特徴とする請求項７又は８の複合光学装置。
10. 【請求項１０】 画像情報を表示した表示素子系からの
    光束を観察者の眼球に導光する表示光学系と、外界から
    の光束を撮像素子に結像させる撮像光学系とを有し、光
    路中に設けた光路分離手段によって該表示光学系の観察
    者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延
    長した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射し
    てくる光束の外界光軸とを略一致させており、該光路分
    離手段を通過した光束で外界を観察するシースルー光学
    系とを有した複合表示装置であって、該シースルー光学
    系で用いる光の波長領域が、該表示光学系による該表示
    素子系の画像情報の観察に寄与する光の波長領域及び該
    撮像光学系による像情報を得る光の波長領域の少なくと
    も一方と異なることを特徴とする複合表示装置。