JP2015206839A - 虚像観察装置及び虚像観察装置のインナー光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化や多種類の接眼光学部の準備を要することなく、所望の機能が得られる虚像観察装置及び虚像観察装置のインナー光学系を提供する。
【解決手段】本発明の虚像観察装置１００は、表示素子１０８と、接眼光学部１３１と、表示素子及び接眼光学部を保持する筐体１１４、１３２と、表示素子と接眼光学部との間の画像光の光路内で、筐体にインナー光学系１４０を交換可能に装着するための装着部１３２ａと、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、観察者の眼に画像光を虚像として表示させる虚像観察装置、及び虚像観察装置に用いられるインナー光学系に関する。

従来、表示素子上に表示される映像が接眼光学部を介して観察される映像表示装置において、表示素子が接眼光学部に対して光軸方向に沿って移動（スライド）されることにより、視度を変化させるものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平８−１５２５９１号公報

しかしながら、引用文献１の技術では、様々な視力の観察者に対応するためには、表示素子のスライド可能なスペースを大きく確保する必要があるため、装置が大型化するという問題があった。つまり小型な装置の限られたスペースでは、観察者それぞれに応じた表示が不可能であった。そのため、予め様々な種類の接眼光学部を準備して、観察者に応じて適切な接眼光学部に交換、カスタマイズすることも考えられる。しかし、接眼光学部は、一般的に光路を観察者の眼球に向けて折り曲げるプリズムとして構成されるため、多種類の接眼光学部を製造する場合にはコストが大幅に増大するおそれがあった。

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、装置の大型化や多種類の接眼光学部の準備を要することなく、所望の機能が得られる虚像観察装置及び虚像観察装置のインナー光学系を提供することにある。

上記目的を達成する虚像観察装置の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記筐体にインナー光学系を交換可能に装着するための装着部と、
を備えたことを特徴とする。

上記の虚像観察装置の発明において、
前記装着部は第１インナー光学系と第２インナー光学系とを交換可能に装着するものであり、
前記第２インナー光学系は、前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するとともに、前記第１インナー光学系から該第２インナー光学系への交換によって前記画像光の光軸に影響を与えないように構成されていることが好ましい。

上記の虚像観察装置の発明において、
前記第２インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て入射する外光を受光する受光素子を備え、
前記受光素子の出力に基づいて前記虚像の輝度を制御するようにしてもよい。

上記の虚像観察装置の発明において、
前記第２インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て外界像を撮影する撮影光学系及び撮像素子を備えてもよい。

上記の虚像観察装置の発明において、
前記第２インナー光学系は、前記観察者の眼で反射されて前記接眼光学部から入射する逆入射光を前記画像光の光路から分離して前記逆入射光の導光路に偏向するハーフミラーと、前記逆入射光の導光路に偏向された前記逆入射光を撮影する撮影光学系及び撮像素子と、を備え、
前記撮像素子から得られる画像信号に基づいて前記観察者の瞳孔位置、ひいては視線を検出するようにしてもよい。

また、上記虚像観察装置のインナー光学系の発明は、
前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成することを特徴とする。

本発明によれば、装置の大型化や多種類の接眼光学部の準備を要することなく、所望の機能が得られる虚像観察装置及び虚像観察装置のインナー光学系を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る虚像観察装置を取付けたメガネを、観察者が頭部に装着した状態で示す、外観斜視図である。 図１の虚像観察装置の水平断面図である。 図２の接眼光学部をＹ軸負方向に見たときの外観図である。 図２の表示素子及び導光部を示す斜視図である。 図４のインナー光学系を説明するための斜視図である。 インナー光学系の変形例を説明するための斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る虚像観察装置の表示素子及び導光部を示す斜視図である。 図７のインナー光学系を説明するための斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る虚像観察装置のインナー光学系を説明するための斜視図である。 筐体にインナー光学系を装着するための機構の変形例を説明するための水平断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。図１に示す虚像観察装置１００は、本体部１０１と導光部１０２とを備えている。本体部１０１は、フックなどの係合部材１０３を用いて、メガネ１０４のテンプル１０５に取付け可能である。導光部１０２は、メガネ１０４を観察者が装着した状態で、本体部１０１から観察者の眼球の正面まで延びるように形成される。本体部１０１は、観察させる画像を形成して画像光として射出し、導光部１０２は、本体部１０１からの画像光を観察者の眼球に導光する。

本明細書では、説明の便宜上、虚像観察装置１００をメガネ１０４を介して装着している観察者を正面から観たときの左（図のＸ軸正方向）、右（図のＸ軸負方向）、前（図のＹ軸正方向。観察者から遠い側。）、後（図のＹ軸負方向。観察者に近い側。）、上（図のＺ軸正方向）、下（図のＺ軸負方向）、水平（図のＸＹ平面方向）、及び鉛直（図のＺ軸方向）を、それぞれ単に「左」、「右」、「前」、「後」、「上」、「下」、「水平」、及び「鉛直」という場合がある。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、互いに垂直である。
ただし、虚像観察装置１００は図の例のものを左右反転や上下反転して構成されてもよい。左右反転して構成される場合は、虚像観察装置１００をメガネ１０４を介して装着している観察者を正面から観たときの左及び右が、それぞれＸ軸負方向、Ｘ軸正方向となる。上下反転して構成される場合は、虚像観察装置１００をメガネ１０４を介して装着している観察者を正面から観たときの上及び下が、それぞれＺ軸負方向、Ｚ軸正方向となる。

図２に示すように、本体部１０１は、筐体１１４と、筐体１１４内に配置された光源１０６、照明プリズム１０７、及び表示素子１０８とを、有する。光源１０６は、例えばＬＥＤであり、照明光を発する。

照明プリズム１０７は、入射面１０９、射出面１１０、および反射面１１１を有する。光源１０６が発する照明光が照明プリズム１０７の入射面１０９に入射するように、照明プリズム１０７は配置される。照明プリズム１０７に入射した照明光を射出面１１０が反射面１１１に向けて全反射し、全反射された照明光を射出面１１０に略垂直に入射するように反射面１１１が照明光を反射し、略垂直に入射する照明光が射出面１１０を透過するように、照明プリズム１０７は形成され、配置される。

照明プリズム１０７の射出面１１０を透過した照明光は、表示素子１０８に入射される。表示素子１０８は、例えば透過型ＬＣＤ表示素子である。表示素子１０８は、入射される照明光の光束を、２次元状に配置された画素毎に変調することにより、観察者に観察させる画像に相当する画像光を形成し、射出する。

図２に示すように、導光部１０２は、筐体１３２と、左端側が筐体１３２内に収納されているとともに右端側が筐体１３２の外部へ露出している接眼光学部１３１と、筐体１３２内に格納されたインナー光学系１４０とを、有している。

後に詳しく説明するように、本例では、導光部１０２の筐体１３２が、表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の画像光の光路内で、筐体１３２にインナー光学系１４０を交換可能に装着するための装着部１３２ａを有している。インナー光学系１４０は、保持枠１３３と、保持枠１３３内に収納されるとともに、表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の画像光の光路内に配置される、インナー光学素子１３０とを、有している。

導光部１０２の筐体１３２と本体部１０１の筐体１１４とは、互いに連結されており、これらの筐体１３２、１１４によって、表示素子１０８と接眼光学部１３１とが保持されて、これらの相対位置が固定される。本体部１０１の筐体１１４と、導光部１０２の筐体１３２とには、表示素子１０８とインナー光学素子１３０との間で画像光を通過可能にするための開口が、それぞれ形成されている。

接眼光学部１３１は、表示素子１０８からインナー光学素子１３０を介して入射された画像光を、観察者の眼球に導光して、虚像として表示させる。本例における接眼光学部１３１は、導光プリズム１１５と接眼部１１６（接眼面）とによって構成されている（図２参照）。

接眼光学部１３１の導光プリズム１１５は、第１〜第６面を有するプリズムである。前後に互いに対向する第１面１１７および第２面１１８は、等脚台形状であり（図３参照）、ＸＺ平面方向に沿って延在している。インナー光学素子１３０からの画像光の入射面となる第３面１１９は、第１面１１７および第２面１１８の左端側の面であり、ＹＺ平面方向に沿って延在している（図２、図３参照）。第４面１２０は、第３面１１９に対向する面であって、第１面１１７および第３面１１９に対して４５°傾斜している。第５面及び第６面は、それぞれ上面及び下面である。導光プリズム１１５は、図３に示すように、右側（Ｘ軸負側）に向かうにつれて徐々に上下方向の長さが短くなるように形成されており、その上下方向の長さは、少なくとも接眼部１１６において、例えば４ｍｍ以下である。

接眼光学部１３１の接眼部１１６は、後方（Ｙ軸負方向）に向けて突出した平凸レンズであって、前側の平面が、導光プリズム１１５の第１面１１７の右端部に接着され又は導光プリズム１１５と一体に形成される（図２参照）。接眼部１１６は、第１面１１７の位置での上下方向の長さが例えば４ｍｍ以下である。接眼部１１６は、メガネ１０４を介した虚像観察装置１００の観察者による装着時に、観察者の眼球にほぼ対向することとなる。

インナー光学素子１３０から接眼光学部１３１の第３面１１９に入射する画像光は、第４面１２０において接眼部１１６の方向に反射される。さらに画像光は接眼部１１６から射出されることにより、観察者の眼球に入射し、観察者は画像を観察できるようになる。

なお、本実施形態では、虚像観察装置１００の各構成要素（照明プリズム１０７、表示素子１０８、接眼光学部１３１等）が上述の構成を有するものとして説明するが、これらはそのような構成を有するものに限定されない。例えば、照明プリズム１０７や接眼光学部１３１の形状及び寸法は、本例以外のものでもよい。また、表示素子１０８は、透過型表示素子以外にも、反射型表示素子（ＬＣＯＳ表示素子等）や、自発光型表示素子（有機ＥＬ等。その場合は光源１０６を省略できる。）等で、構成してもよい。また、光源１０６と照明プリズム１０７を、ＬＣＤ用の平面バックライトに置き換えてもよい。また、本体部１０１は、メガネ１０４に対して係合部材１０３以外の手段によって取り付け可能にしてもよいし、あるいはメガネ１０４と一体化（固定）されていてもよい。また、接眼光学部１３１は、本例のように左右方向に延在するように配置される場合以外にも、例えば接眼部１１６側が下側となるように上下方向に延在するように配置されてもよい。

次に、図４及び図５を参照して、インナー光学系１４０の構成についてさらに詳しく説明する。図４及び図５は、表示素子１０８及び導光部１０２の一例を示している。図４は表示素子１０８及び導光部１０２の外観を示している。本例では、第１インナー光学系１４０ａと第２インナー光学系１４０ｂとが、相互に交換可能である。図５は、表示素子１０８と、導光部１０２のうち筐体１３２及び保持枠１３３を除く部分とを示しており、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、それぞれ第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂが筐体１３２に装着された場合を示している。なお、以下では、第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂを、互いに区別せずに「インナー光学系１４０」という場合がある。

図４に示すように、導光部１０２の筐体１３２の上端壁には、表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の領域に対応する位置に、矩形断面の貫通孔１３２ａが形成されている。後述するように、この貫通孔１３２ａは、表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の画像光の光路内で、筐体１３２にインナー光学系１４０を交換可能に装着するための装着部の機能を有する。

第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂは、それぞれ、保持枠１３３と、保持枠１３３内に収納されたインナー光学素子１３０とを、有している。第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂのそれぞれの保持枠１３３の構成は同じである。第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂのインナー光学素子１３０を、それぞれ第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂとする。
図４に示す例において、保持枠１３３は、略矩形管状に形成されており、その内部には、インナー光学素子１３０が接着等により固定されている。第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂは、いずれも、直方体に形成されている。

インナー光学系１４０は、例えば使用者によって筐体１３２に装着される。その際、使用者は、まず、筐体１３２の貫通孔１３２ａの上側で、保持枠１３３の管軸方向両側の開口１３３ａをそれぞれ表示素子１０８及び接眼光学部１３１側に向けて、貫通孔１３２ａを介して筐体１３２内へ挿入し、筐体１３２の床面１３２ｂ上に載置する。このとき、インナー光学素子１３０は、表示素子１０８と接眼光学系１３１との間の画像光の光路内に配置される。また、このとき、保持枠１３３の鉛直に延在する４つの側壁面の上部（被装着部）１３３ｂが、筐体１３２の貫通孔（装着部）１３２ａの内周面と係合することで、保持枠１３３が筐体１３２に対して水平方向に位置決めされ、これによりインナー光学系１４０が筐体１３２に脱着可能に（ひいては交換可能に）装着される。

図４及び図５に示すように、インナー光学系１４０が筐体１３２に装着された状態において、インナー光学素子１３０は、保持枠１３３の左側（Ｘ軸正側）の開口１３３ａを介して表示素子１０８と対向する面１５１が画像光の入射面となり、保持枠１３３の右側の開口１３３ａを介して接眼光学部１３１と対向する面１５３が画像光の射出面となる。このとき、保持枠１３３の左右両側の開口１３３ａは、画像光の通過を許容する画像光窓となる。図の例では、画像光の入射面１５１及び射出面１５３が、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対して垂直となる。

図５に示すように、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂは、保持枠１３３を介して筐体１３２に装着された状態での、画像光の透過光路に沿う方向の厚みａ、ｂがそれぞれ異なる。本明細書において「画像光の透過光路に沿う方向の厚み」とは、インナー光学素子１３０を透過する画像光の中心光線ＣＲに沿って測った厚みを指す。第１インナー光学系１４０ａが筐体１３２に装着されたときと、第２インナー光学系１４０ｂが筐体１３２に装着されたときとで、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みが異なるので、画像光の透過光路の光路長を異ならせることができ、ゆえに虚像の前後方向の表示位置、すなわち視度を異ならせることができる。

例えば、接眼光学部１３１の焦点距離fを26mmとし、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの画像光の透過光路に沿う方向の厚みa, bをそれぞれ4mm, 6mmとし、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの屈折率を1.5とする。このとき、第１インナー光学系１４０ａから第２インナー光学系１４０ｂへの交換を行う場合、表示素子１０８から観察者の眼球までに至る空気換算光路長の変化x'は、
x' = (6-4) - (6-4) / 1.5 = 0.666 mm
となる。したがって、虚像の前後方向の表示位置の変化Xは、レンズの公式（ニュートンの式）より、
X = f² / x' = 26² / 0.666 = 1015 mm
となり、すなわち約1D（ディオプタ）となる。
よって、この虚像観察装置１によれば、使用者は、第１インナー光学系１４０ａから第２インナー光学系１４０ｂへの交換によって、例えば無限遠（0D）から1m先（-1D）への虚像表示位置の変更や、例えば2m先（-0.5D）から0.66m先（-1.5D）への虚像表示位置の変更等を行うことができる。
虚像表示位置を観察者から遠くへ変位させる第１インナー光学系１４０ａは、例えば観察者がウォーキング中で遠くの物を見ることが多い場合等に好適であり、虚像表示位置を観察者の近くへ変位させる第２インナー光学系１４０ｂは、例えば観察者がデスクワーク中で近くの物を見ることが多い場合等に好適である。

第１実施形態によれば、第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂを相互に交換することで、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みを変化させて、画像光の透過光路の光路長を変化させることにより、虚像表示位置、すなわち視度を変化させることができる。このようにインナー光学系１４０を交換可能としたことにより、表示素子１０８及び接眼光学部１３１の構成及び相対位置を変えることなく（すなわち表示素子１０８及び接眼光学部１３１を筐体１１４、１３２に固定したまま）、光学的機能を変えることができる。よって、上述したような虚像観察装置１の大型化や多種類の接眼光学部１３１の準備を要することなく、所望の光学的機能を得ることができる。

なお、第１実施形態において、互いにインナー光学素子１３０の構成が異なる３つ以上のインナー光学系１４０を、相互に交換可能にしてもよい。

また、第１実施形態では、各インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みを異ならせること以外にも、他の任意の方法で各インナー光学素子１３０の構成（形状、寸法、屈折率）を互いに異ならせることで、インナー光学系１４０の交換により光学的機能を変更できるようにしてもよい。

図６は、インナー光学素子１３０の変形例を示している。図６では、図５と同様に、筐体１３２及び保持枠１３３の図示を省略しているが、これらの構成は、図４の例と同様でよい。図６の例では、第１〜第３インナー光学素子１３０ａ〜１３０ｃをそれぞれ有する第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃが、相互に交換可能である。図６（ａ）〜図６（ｃ）は、それぞれ第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃが筐体１３２に装着された場合を示している。第１〜第３インナー光学素子１３０ａ〜１３０ｃは、保持枠１３３を介した筐体１３２への装着状態における画像光の入射面１５１（以下、単に「画像光の入射面１５１」という場合がある。）が、曲面状に形成されており、レンズ機能を有する。

より具体的には、図６の例において、第１インナー光学素子１３０ａは、画像光の入射面１５１がインナー光学素子１３０の外側に向けて突出した凸状の曲面からなり、また、入射面１５１に対向する画像光の射出面１５３が平面からなることで、平凸レンズの機能を有する。第２インナー光学素子１３０ｂは、画像光の入射面１５１がインナー光学素子１３０の外側に向けて突出する湾曲形状が、鉛直方向に沿って延在する、凸状の円柱状曲面からなり、また、画像光の射出面１５３が平面からなることで、平凸円柱レンズの機能を有する。第３インナー光学素子１３０ｃは、画像光の入射面１５１がインナー光学素子１３０の内側に向けて窪んだ凹状の曲面からなり、また、画像光の射出面１５３が平面からなることで、平凹レンズの機能を有する。このように、第１〜第３インナー光学素子１３０ａ〜１３０ｃは、それぞれ異なるレンズ機能を有する。

図６の例では、第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃを相互に交換することにより、インナー光学素子１３０のレンズ機能、ひいては、視度調整、乱視調整、画角等の虚像の表示状態調整等の光学的機能を変えることができる。このようにインナー光学系１４０を交換可能とすることにより、表示素子１０８及び接眼光学部１３１の構成及び相対位置を変えることなく、光学的機能を変えることができる。よって、虚像観察装置１の大型化や多種類の接眼光学部１３１の準備を要することなく、所望の光学的機能を得ることができる。

なお、インナー光学素子１３０の画像光の射出面１５３が、凸状の曲面又は凹状の曲面からなってもよい。

また、図５の例のようにレンズ機能を有しないインナー光学素子１３０を内蔵したインナー光学系１４０と、図６の例のようにレンズ機能を有するインナー光学素子１３０を内蔵したインナー光学系１４０とを、相互に交換可能としてもよい。

（第２実施形態）
図７〜図８を参照して、本発明の第２実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図７及び図８は、第２実施形態の虚像観察装置１００における表示素子１０８及び導光部１０２の一例を示す斜視図であり、それぞれ図４及び図５に対応する図である。本例では、第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃ（以下、これらを互いに区別せずに「インナー光学系１４０」という場合がある。）が、相互に交換可能である。図８（ａ）〜図８（ｃ）は、それぞれ第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃが筐体１３２に装着された場合を示している。

導光部１０２の筐体１３２の前端壁（Ｙ軸正側の壁）には、画像素子１０８と接眼光学部１３１との間の領域に対応する位置に、長方形断面の貫通孔１３２ａが形成されている。後述するように、この貫通孔１３２ａは、表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の画像光の光路内で、筐体１３２にインナー光学系１４０を交換可能に装着するための装着部の機能を有する。

各インナー光学系１４０は、いずれも、略直方体の保持枠１３３と、保持枠１３３内に収納された直方体のインナー光学素子１３０とを、有している。保持枠１３３の互いに対向する一対の側壁には、インナー光学系１４０の筐体１３２への装着状態において、画像光の通過を許容する画像光窓１３３ａが形成されている。各インナー光学系１４０のインナー光学素子１３０の構成は、それぞれ同じである。

インナー光学系１４０は、例えば使用者によって筐体１３２に装着される。その際、使用者は、まず、筐体１３２の貫通孔１３２ａの前側（Ｙ軸正側）で、保持枠１３３の一対の画像光窓１３３ａをそれぞれ表示素子１０８及び接眼光学部１３１側に向けて、貫通孔１３２ａを介して筐体１３２内へ挿入し、筐体１３２の後側の内壁面に当接させる。このとき、インナー光学素子１３０は、表示素子１０８と接眼光学系１３１との間の画像光の光路内に配置される。また、このとき、保持枠１３３の前後方向に延在する４つの側壁面の前端部（被装着部）１３３ｂが、筐体１３２の貫通孔（装着部）１３２ａの内周面と係合することで、保持枠１３３が筐体１３２に対してＸＺ平面方向に位置決めされ、これによりインナー光学系１４０が筐体１３２に脱着可能に（ひいては交換可能に）装着される。図７及び図８に示すように、インナー光学系１４０が筐体１３２に装着された状態において、インナー光学素子１３０は、保持枠１３３の左側の画像光窓１３３ａを介して表示素子１０８と対向する面１５１が画像光の入射面となり、保持枠１３３の右側の画像光窓１３３ａを介して接眼光学部１３１と対向する面１５３が画像光の射出面となる。画像光の入射面１５１及び射出面１５３は、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対して垂直となる。

第１インナー光学系１４０ａは、図４の例と同様に、保持枠１３３内にインナー光学素子１３０のみが収納されている。このインナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みを適切に設定することによって、所望の光学的機能（視度等）が得られる。

第２インナー光学系１４０ｂは、インナー光学素子１３０に加えて、保持枠１３３内に、インナー光学素子１３０の後側に配置された受光素子１６０と、受光素子１６０をインナー光学素子１３０に対向させた状態でインナー光学素子１３０に対して固定する回路基板１６１とを、さらに有している。第２インナー光学系１４０ｂの保持枠１３３の前端壁には、受光素子１６０と前後方向に対向する位置に、外光を取り入れるための外光窓１３３ｃが設けられている。受光素子１６０は例えばフォトダイオード等から構成されており、外光窓１３３ｃ及びインナー光学素子１３０を介して入射される外光を検出し、その検出結果を回路基板１６１に出力する。回路基板１６１は、受光素子１６０からの出力を明るさ情報に変換して、この明るさ情報を、光源部１０６の制御手段（図示せず）に出力する。そして、光源部１０６の制御手段は、外光の明るさ情報に基づいて、光源部１０６の出力ひいては虚像の輝度を、調整する。第２インナー光学系１４０ｂを筐体１３２に装着した場合、虚像観察装置１は、外光窓１３３ｃからインナー光学素子１３０を介して受光素子１６０までに至る外光の透過光路を利用して、虚像の輝度調整機能を実現できる。例えば、外部環境が明るいときは虚像の輝度を上げて、外部環境が暗いときは虚像の輝度を下げるようにすると、観察者が虚像を観察し易くなる。

第３インナー光学系１４０ｃは、インナー光学素子１３０に加えて、保持枠１３３内に、インナー光学素子１３０の後側に配置された撮像素子１６２と、撮像素子１６２をインナー光学素子１３０に対向させた状態でインナー光学素子１３０に対して固定する回路基板１６１と、インナー光学素子１３０の前側に配置された撮影光学系１６４とを、さらに有するとともに、保持枠１３３の前端面に設けられた絞り板１６５をも有している。第３インナー光学系１４０ｃの保持枠１３３の前端壁には、撮影光学系１６４と前後方向に対向する位置に、外光を取り入れるための外光窓１３３ｃが設けられている。絞り板１６５には、撮影光学系１６４と前後方向に対向する位置に、開口１６５ａが形成されている。撮影光学系１６４は、１つ以上の（図の例では３つの）レンズを含み、絞り板１６５の開口１６５ａから入ってくる外光を撮像素子１６２の受光平面に結像させる。撮像素子１６２は、例えばＣＣＤ等から構成されており、電源ＯＮにより、撮影光学系１６４によって結像された外界像は画像信号に変換される。使用者による図示しないシャッターボタンの操作に応じて、画像信号は、例えば本体部１０１に設けられる図示しない画像処理部に出力されて、そこでの画像処理によって、撮影画像が生成される。第３インナー光学系１４０ｃを筐体１３２に装着した場合、虚像観察装置１は、絞り板１６５の開口１６５ａから撮影光学系１６４及びインナー光学素子１３０を介して撮像素子１６２までに至る外光の透過光路を利用して、風景の外界像等を撮影するカメラ機能を実現できる。

なお、第３インナー光学系１４０ｃでは、カメラ機能に加えて、撮像素子１６２の画素信号を用いて、第２インナー光学系１４０ｂと同様に虚像の輝度調整機能を実現させてもよい。

第２実施形態によれば、第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃを相互に交換可能としたので、例えば、所望の光学的機能だけを得たい場合には第１インナー光学系１４０ａに交換し、所望の光学的機能に加えて虚像の輝度調整機能を得たい場合には第２インナー光学系１４０ｂに交換し、あるいは、所望の光学的機能に加えてカメラ機能を得たい場合には第３インナー光学系１４０ｃに交換するだけで、これらの機能を得ることができる。よって、表示素子１０８及び接眼光学部１３１の構成及び相対位置を変えることなく（ひいては虚像観察装置１の大型化や多種類の接眼光学部１３１の準備を要することなく）、所望の機能を得ることができる。

また、本例のように、第２及び第３インナー光学系１４０ｂ、１４０ｃが、それぞれ、筐体１３２に装着された状態で、画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するようにした場合には、付加的な機能（輝度調整機能やカメラ機能）を実現しつつ、仮に画像光の光路と交差しない外光の透過光路を形成する場合に比べて、両光路の利用スペースを低減でき、虚像観察装置１を小型化できる。
ただし、外光の透過光路を画像光の光路と交差させなくてもよく、例えば、第２インナー光学系１４０ｂにおいて、受光素子１６０及び回路基板１６１を、インナー光学素子１３０の前側に配置してもよいし、また、第３インナー光学系１４０ｃにおいて、撮像素子１６２及び回路基板１６１を、インナー光学素子１３０の前側に配置してもよい。

また、本例のように、第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃの各インナー光学素子１３０の構成（形状、寸法、屈折率等）を同一とした場合には、第１インナー光学系１４０ａから第２又は第３インナー光学系１４０ｂ、１４０ｃへの交換によって、画像光の光軸に影響を与えないようにすることができる。ここで、「画像光の光軸に影響を与えない」とは、画像光の光軸の例えば位置、方向等が変化されないことであり、ひいては、表示素子から接眼部の射出面までの画像光の光軸経路が変化されないことを、意味する。なお、インナー光学系の屈折率による光路長の変化は、画像光の光軸の位置、方向等が変化していないため「画像光の光軸に影響を与えない」といえる。これによって、使用者は、第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃの中から、付加的機能の観点から自分の望むものを選択できるので、使用者の利便性を向上できる。
ただし、第１〜第３インナー光学系１４０ａ〜１４０ｃの各インナー光学素子１３０の構成は、それぞれ異なっていてもよい。

（第３実施形態）
図９を参照して、本発明の第３実施形態を、第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。図９は、第３実施形態の虚像観察装置１００における表示素子１０８及び導光部１０２の一部を示す斜視図であり、図８に対応する図である。本例では、第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂ（以下、これらを互いに区別せずに「インナー光学系１４０」という場合がある。）が、相互に交換可能である。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂが筐体１３２に装着された場合を示している。

第１インナー光学系１４０ａは、図７〜図８の例における第１インナー光学系１４０ａと同じである。

第２インナー光学系１４０ｂは、図７〜図８の例における第３インナー光学系１４０ｃと同様に、保持枠１３３内に、インナー光学素子１３０と、インナー光学素子１３０の後側に配置された撮像素子１６２と、撮像素子１６２をインナー光学素子１３０に対向させた状態でインナー光学素子１３０に対して固定する回路基板１６１とを、有する。ただし、インナー光学素子１３０には、ハーフミラー１５７が内蔵されており、ハーフミラー１５７は、観察者の眼で反射されて接眼光学部１３１から入射する逆入射光を画像光の光路から分離して逆入射光の導光路に偏向する。また、第２インナー光学系１４０ｂは、保持枠１３３内に、インナー光学素子１３０の前側（Ｙ軸正側）に配置されて、前側に向けて突出する湾曲面状の反射型レンズ１７０（撮影光学系）を、さらに有する。反射型レンズ１７０及び撮像素子１６２は、逆入射光の導光路に偏向された逆入射光、すなわち眼の像を撮影する。
そして、第２インナー光学系１４０ｂが筐体１３２に装着された状態においては、観察者の眼から反射された光が、接眼光学部１３１の接眼部１１６から入射されて、接眼光学部１３１によりインナー光学素子１３０に向けて導光されて、接眼光学部１３１の左端面（第３面）１１９から射出されると、インナー光学素子１３０の右側面に入射して、その一部がハーフミラー１５７により反射されてインナー光学素子１３０の前側面から射出され、反射型レンズ１７０に入射する。そして、反射型レンズ１７０により反射されて、インナー光学素子１３０及びハーフミラー１５７を透過して、撮像素子１６２に入射される。このとき、反射型レンズ１７０のレンズ作用により、撮像素子１６２の受光平面に、観察者の眼の像が結像される。撮像素子１６２は、電源ＯＮにより、反射型レンズ１７０によって結像された像を画像信号に変換する。画像信号は、例えば本体部１０１に設けられる図示しない画像処理部に出力されて、そこでの画像処理によって、観察者の眼の撮影画像が生成される。そして、図示しない処理手段によって、この眼の撮影画像を処理することにより、観察者の瞳孔位置、ひいては視線を検出する。第２インナー光学系１４０ｂを筐体１３２に装着した場合、虚像観察装置１は、接眼光学部１３１から、ハーフミラー１５７、インナー光学素子１３０、及び反射型レンズ１７０を介して、撮像素子１６２までに至る逆入射光の導光路を利用して、観察者の視線検出機能を実現できる。

そして、観察者の視線検出結果に基づいて、例えば、観察者が虚像を観ているか否かを判断し、その判断結果に基づいて、光源１０６のＯＮ／ＯＦＦを切り換える（ひいては虚像の表示のＯＮ／ＯＦＦを切り換える）ようにした場合には、省エネ効果を向上できる。
あるいは、虚像に対する視線を検出して観察者がどこを見ているか同定し、見ている部分に関連する情報をポップアップ表示させるようにしてもよい。

なお、第２インナー光学系１４０ｂでは、視線検出機能に加えて、撮像素子１６２の画素信号を用いて、第２実施形態の第２インナー光学系１４０ｂと同様に虚像の輝度調整機能を実現させてもよい。

第３実施形態によれば、第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂを相互に交換可能としたので、例えば、所望の光学的機能だけを得たい場合には第１インナー光学系１４０ａに交換し、または、所望の光学的機能に加えて観察者の視線検出機能を得たい場合には第２インナー光学系１４０ｂに交換するだけで、これらの機能を得ることができる。よって、表示素子１０８及び接眼光学部１３１の構成及び相対位置を変えることなく（ひいては虚像観察装置１の大型化や多種類の接眼光学部１３１の準備を要することなく）、所望の機能を得ることができる。

また、本例のように、第２インナー光学系１４０ｂが、筐体１３２に装着された状態で、画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するようにした場合には、付加的な機能（視線検出機能）を実現しつつ、虚像観察装置１を小型化できる。

また、第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂの各インナー光学素子１３０の構成（形状、寸法、屈折率等）を同一とした場合には、第１インナー光学系１４０ａから第２インナー光学系１４０ｂへの交換によって、ハーフミラー１５７による光量の減少を除いて、画像光の光路に影響を与えないようにすることができる。これによって、使用者は、同じ光学的機能を実現できる第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂのうち、付加的機能の観点から自分の望むほうを選択できるので、使用者の利便性を向上できる。
ただし、第１及び第２インナー光学系１４０ａ、１４０ｂの各インナー光学素子１３０の構成は、それぞれ異なっていてもよい。

なお、上記各実施形態において、筐体１３２にインナー光学系１４０を交換可能（脱着可能）に装着するための機構としては、上述したものに限られない。
例えば、筐体１３２の貫通孔１３２ａ（装着部）とインナー光学系１４０の保持枠１３３とを係合させる機構に代えて、筐体１３２の内壁面に設けたレール（装着部）により保持枠１３３を摺動可能に支持する機構や、筐体１３２に取り付けられたバネ（装着部）によって保持枠１３３を係止する機構等も可能である。
また、筐体１３２内へインナー光学系１４０を挿入する機構に代えて、例えば、図１０に水平断面図で示すように、表示素子１０８を格納する本体部１０１の筐体１１４と、接眼光学部１３１を格納する導光部１０２の筐体１３２とが、インナー光学系１４０を介して、脱着可能にドッキングできるようにしてもよい。この場合、例えば、各筐体１１４、１３２の外壁面に設けたレール１３４（装着部）により保持枠１３３を（図１０の例では上下方向に）摺動可能に支持する機構等を用いることが考えられる。
あるいは、筐体１３２に保持枠１３３を装着する代わりに、保持枠１３３を省略して、筐体１３２にインナー光学系１４０を構成する部品（インナー光学素子１３０等）を直接装着するようにしてもよい。

また、上記各実施形態において、相互に交換可能な複数のインナー光学系１４０のうち少なくとも１つは、インナー光学素子１３０が空気からなるものとしてもよい。

１００：虚像観察装置、 １０１：本体部、 １０２：導光部、 １０３：係合部材、 １０４：メガネ、 １０５：テンプル、 １０６：光源、 １０７：照明プリズム、 １０８：表示素子、 １０９：入射面、 １１０：射出面、 １１１：反射面、 １１２：開口、 １１４：筐体、 １１５：導光プリズム： １１６：接眼部、 １１７：第１面、 １１８：第２面、 １１９：第３面、 １２０：第４面、 １３０、１３０ａ〜１３０ｃ：インナー光学素子、 １３１：接眼光学部、 １３２：筐体、 １３２ａ：貫通孔（装着部）、 １３２ｂ：床面、 １３３：保持枠、 １３３ａ：画像光窓、 １３３ｂ：被装着部、 １３３ｃ：外光窓、 １３４：装着部、 １４０、１４０ａ〜１４０ｃ：インナー光学系、 １５１：入射面、 １５３：射出面、 １５７：ハーフミラー、 １６０：受光素子、 １６１：回路基板、 １６２：撮像素子、 １６４：撮影光学系、 １６５：絞り板、 １６５ａ：開口、 １７０：反射型レンズ、 ＣＲ：中心光線

Claims (6)

1. 表示素子と、
   前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
   前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
   前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記筐体にインナー光学系を交換可能に装着するための装着部と、
   を備えたことを特徴とする、虚像観察装置。
2. 前記装着部は第１インナー光学系と第２インナー光学系とを交換可能に装着するものであり、
   前記第２インナー光学系は、前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するとともに、前記第１インナー光学系から該第２インナー光学系への交換によって前記画像光の光軸に影響を与えないように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の虚像観察装置。
3. 前記第２インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て入射する外光を受光する受光素子を備え、
   前記受光素子の出力に基づいて前記虚像の輝度を制御する、請求項２に記載の虚像観察装置。
4. 前記第２インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て外界像を撮影する撮影光学系及び撮像素子を備える、請求項２に記載の虚像観察装置。
5. 前記第２インナー光学系は、前記観察者の眼で反射されて前記接眼光学部から入射する逆入射光を前記画像光の光路から分離して前記逆入射光の導光路に偏向するハーフミラーと、前記逆入射光の導光路に偏向された前記逆入射光を撮影する撮影光学系及び撮像素子と、を備え、
   前記撮像素子から得られる画像信号に基づいて前記観察者の瞳孔位置、ひいては視線を検出する、請求項２に記載の虚像観察装置。
6. 請求項１に記載の虚像観察装置のインナー光学系であって、
   前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成することを特徴とする、インナー光学系。
   
   
   

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