JP2017198741A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部光によってゴーストやフレアー現象が発生することを防止できる光学装置を提供する。
【解決手段】光学装置は、ディスプレイ部と、ディスプレイ部で形成された画像が透過するレンズと、レンズが収容されるベースと、レンズをベースに対して移動させ、レンズを透過する光の経路を調節する調節部と、を備える。
【選択図】図１

Description

実施例は、光学装置に関する。

この部分に記述した内容は、単に実施例に関する背景情報を提供するだけであり、従来の技術を構成するものではない。

ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）などの光学装置は、飛行機の高度、速度などの飛行情報をパイロットが確認できるようにするために誕生した装置である。一般の商用製品が１９９０年代に初開発され、１９９７年から本格的に商用化されつつ注目を浴びている。

光学装置は、めがねのように頭に着用し、ユーザの目の前に大型化された画像が置かれ、これをユーザが見ることができるようにした装置である。この光学装置に用いられるディスプレイは、１インチ以下のサイズを有するものが一般的であるが、高級光学技術が適用されることから、約１００倍の拡大画面を見ることができる。

光学装置のような周辺機器の技術開発及び商用化により、ウェアラブル（ｗｅａｒａｂｌｅ）コンピュータ産業の成長も期待されている。今までの光学装置は主に、映画やゲームを楽しむための目的で開発されたが、最近ではコンピュータシステムの高性能化、小型化、及びＬＣＤ、ＬＥＤなどで代表されるディスプレイ装置及び画像通信技術の急速な発展により、ウェアラブルモニタとしての研究開発がなされており、商用化した製品も市販されている。

光学装置は、過去、相対的に高い価格からその市場の成長には限界があったが、ウェアラブルコンピュータ産業に便乗してその市場が大きく成長すると期待される。光学装置は、産業現場、自動車、航空機、船舶などの大型機器の整備現場、及び物流倉庫などはもとより、自動車レースのようなスポーツエンターテイメント分野まで拡張されると期待される。

特に、プロセッサ及びソフトウェア技術の発展がコンピュータ装置の小型化を可能にしており、光学装置は単に画像をディスプレイする装置に止まらず、スマートフォンのような個人用コンピュータ装置として発展していくと予想される。

光学装置において重要な課題は光経路の調節である。かかる光経路の調節は、レンズの位置、姿勢を調節して具現することができる。

一方、レンズの位置、姿勢を調節できない構造の光学装置は光経路を一定に維持するため、意図しないイメージ、ノイズを持つイメージが発生する場合にそれらを除去することができない。

このため、レンズの位置、姿勢を調節して、意図しないイメージ、ノイズを持つイメージを除去できる光学装置の開発が必要である。

ＨＭＤなどの光学装置は、ユーザの目と近い位置にディスプレイパネルが位置するため、短い距離に焦点を合わせる高精度の光学設計が要求され、このようなニーズを満たすための研究に加えて、ユーザの目の疲労感を軽減し、着用時の拒否感を低減させるための研究が進行されている。

また、解像度を上げる上で、焦点を正確に合わせても、フレアー（ｆｌａｒｅ）やゴースト（ｇｈｏｓｔ）現象が発生する場合には不所望の画像が生成されたり画像がぼけることもある。

そこで、ディスプレイ素子で発生する光以外の外部光によって発生するノイズを除去する必要がある。

したがって、実施例は、レンズの位置、姿勢を調節して、意図しないイメージ、ノイズを持つイメージを除去できる光学装置を提供することを目的とする。

また、実施例は、外部光によってゴーストやフレアー現象が発生することを防止できる光学装置を提供することを目的とする。

実施例が遂げようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、以下の記載から、実施例の属する技術の分野における通常の知識を有する者にとって明らかになるであろう。

光学装置の一実施例は、ディスプレイ部と、前記ディスプレイ部で形成された画像が透過するレンズと、前記レンズが収容されるベースと、前記レンズを前記ベースに対して移動させ、前記レンズを透過する光の経路を調節する調節部と、を備えることができる。

光学装置の他の実施例は、レンズと、前記レンズが収容されるベースと、一端が前記レンズに結合し、他側が前記ベースの外部に露出され、ユーザが前記他側を移動させて前記レンズを前記ベースに対して移動させることによって、前記レンズを透過する光の経路を調節する調節レバーと、を備えることができる。

光学装置の更に他の実施例は、ディスプレイ素子から出射された画像の光経路を変更して観察者に提供するハウジングを備え、前記ハウジングの内部には、前記ディスプレイ素子から出射された光が反射される反射面と、前記反射面と所定の勾配で配置され、前記反射面から反射された光を外部に出射させるミラーとを有し、前記ハウジングは、格子構造、ホログラフィック光学素子、及びモスアイ構造のいずれか一つから形成されてもよい。

実施例において、光学装置は、ユーザが直接調節できる、レンズを移動させる調節部を備えることによって、レンズを透過する光の経路を容易に調節して光経路を最適化できるという効果がある。

実施例において、光学装置は、ユーザが直接調節できる、レンズの角度を調節する調節部を備えることによって、レンズを透過する光の経路を容易に調節して光経路を最適化できるという効果がある。

これによって、意図しない光経路の形成によって発生する、意図しないイメージ、又はノイズを含むイメージを除去することによって、光学装置にディスプレイされるイメージの質を改善することができる。

実施例の光学装置において外部光によってゴースト又はフレアー現象が発生することを防止することができる。

一実施例に係る光学装置を示す斜視図である。 一実施例に係る光学装置を示す分解斜視図である。 一実施例に係る光学装置で画像を形成する光の経路を示す平面図である。 一実施例に係る光学装置の一部分を示す平面図である。 図３のＣ部分を拡大した正面図である。 図３のＣ部分を拡大した平面図である。 図５Ａで充填材が配置された様子を示す図である。 図３のＤ部分を拡大した平面図である。 他の実施例に係る調節レバーを説明するための図である。 光学装置の一実施例であり、ヘッドマウントディスプレイ装置を示す図である。 ヘッドマウントディスプレイ装置で雑光が発生することを示すシミュレーション結果図である。 一実施例であり、光学装置に格子（ｇｒａｔｉｎｇ）構造を適用した様子を示す図である。 一実施例であり、光学装置にホログラフィック光学素子を適用した様子を示す図である。 従来の技術に係る光学装置と実施例に係る光学装置における雑光発生をシミュレーションした測定結果である。

以下、添付の図面を参照して実施例を詳しく説明する。実施例は、様々な変更を加えて様々な形態にしてもよいが、ここでは、特定の実施例を図面に例示し、本文に詳しく説明するものとする。しかし、これは、実施例を特定の開示形態に限定するためのものではなく、実施例の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物又は代替物を含むものとして理解しなければならない。この過程で、図面に示す構成要素の大きさ及び形状などは、説明の明瞭性又は便宜性のために誇張されてもよい。

“第１”，“第２”などの用語は、様々な構成要素を説明するために用いることができるが、これらの用語に上記構成要素が限定されてはならない。これらの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。また、実施例の構成及び作用を考慮して特別に定義された用語は、実施例を説明するためのものに過ぎず、実施例の範囲を限定するものではない。

実施例の説明において、各エレメントの“上（上部）”又は“下（下部）”に設けられると記載される場合において、上（上部）又は下（下部）は、２つのエレメントが互いに直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）接触して設けられることも、一つ以上の他のエレメントが上記２つのエレメントの間に介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）設けられることも含む。また“上（上部）”又は“下（下部）”と表現される場合、一つのエレメントを基準に上の方向の他、下の方向も意味することができる。

また、以下に使われる“上／上部／上側”及び“下／下部／下側”などのような関係的用語は、かかる実体又は要素同士のいかなる物理的又は論理的関係又は順序を必ずしも要求又は内包せず、一つの実体又は要素を他の実体又は要素と区別する目的としてのみ使われてもよい。

また、図面では直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を使用することができる。図１乃至図７で、ｘ軸は、ベースの幅方向と平行な軸であり、ｚ軸は、上記ベースの幅方向と直交する上下方向と平行な軸であり、ｙ軸は、ｘ軸及びｚ軸に直交する軸である。

実施例の光学装置は、人間が身体にめがねのように着用でき、外部の装置から送信される画像を、比較的場所に制限されることなく見ることができる装置である。画像を送信するソースとなる装置は、スマートフォンを含む様々なモバイル機器などであり、上記光学装置と有線又は無線で接続可能である。

このとき、実施例の光学装置は、めがねに脱着式で結合して着用してもよく、めがねのようにユーザが着用できる別個の着用機構に結合されてもよい。

図１は、一実施例に係る光学装置を示す斜視図である。図２Ａは、一実施例に係る光学装置を示す分解斜視図である。図２Ｂは、一実施例に係る光学装置で画像を形成する光の経路を示す平面図である。

実施例の光学装置は、光源部１０００、導光部１１００、ビーム噴射部１２００、ディスプレイ部１３００、偏光板１４００、レンズ１５００、第１プリズム１６００、第２プリズム１７００を備えることができる。

また、実施例の光学装置は、上記の各構成を一つに結合するために、ベース１８００、カバー部材１９００、締付け部２２００を備えることができる。また、実施例の光学装置は、外部の装置と電気的に接続し、該外部の装置から再生する画像を受信できるように印刷回路基板２０００、コネクター２１００を備えることができる。

光源部１０００は、印刷回路基板２０００と電気的に接続され、印刷回路基板２０００から電流が供給され、光を照射することができる。光源部１０００は、光を照射する様々な装置で構成することができ、例えば、耐久性に優れ、発熱が少なく、大きさの小さいＬＥＤを用いて構成することができる。

導光部１１００は、光源部１０００から照射される光がビーム噴射部１２００に向かうように光経路を調節する役割を担うことができる。図２Ｂに示すように、導光部１１００を中心にしたとき、光源部１０００とビーム噴射部１２００とが互いに略直角方向に位置している。したがって、光源部１０００から照射される画像形成のための光をビーム噴射部１２００に向かわせるために、導光部１１００は、その内部の適切な位置に適度の角度で複数の格子が設けられてもよい。

また、導光部１１００は、上記格子が設けられることにより、光源部１０００から照射される光をビーム噴射部１２００に均一に分布させることができる。したがって、導光部１１００から均一に照射される光を、導光部１１００と隣接したビーム噴射部１２００の面に均一に入射させることができる。

ビーム噴射部１２００は、導光部１１００から入射する光をディスプレイ部１３００に照射し、ディスプレイ部１３００でユーザが肉眼で具体的に見ることができるように再生される画像を再び受けてレンズ１５００に照射する役割を担うことができる。

すなわち、ビーム噴射部１２００は、ディスプレイ部１３００に光を伝送したり、ディスプレイ部１３００から再生された画像を形成する光を受け、ディスプレイ部１３００から伝送された上記再生された画像を形成する光の経路を調節することができる。

このような光経路を形成するために、ビーム噴射部１２００は、例えば、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ；ＰＢＳ）から構成することができる。この偏光ビームスプリッタは、複数の格子を結合し、各格子には光を反射及び／又は回折させ得るコーティング層を形成して製作することができる。

ディスプレイ部１３００は、ユーザが肉眼でその形体を具体的に感知できる画像を再生する役割を担う。ディスプレイ部１３００としては、例えば、再生された画像を再びビーム噴射部１２００に照射する反射型ディスプレイを用いることができる。

このような反射型ディスプレイには、例えば、Ｌｃｏｓ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）方式を用いる。Ｌｃｏｓ方式においてディスプレイ素子としてはシリコン基板を主に使用し、小型のディスプレイ画面に高解像度のイメージを表示することができる。

偏光板１４００は、ディスプレイ部１３００から入射する、画像を形成する光を偏光させる役割を担うことができる。偏光板１４００は、入射する画像を形成する光の成分のうち、ｐ波の光を透過させ、ｓ波を吸収する役割を担うことができる。

ここで、ｐ波は、光の入射平面に水平な方向に振動する光波であり、ｓ波は、光の入射平面に垂直な方向に振動する光波である。この場合、入射平面とは、光が入射する媒質において入射波、反射波及び透過波が形成する平面をいう。

偏光板１４００は、入射する光のうちｐ波の光だけを透過させるため、偏光板１４００を透過してレンズ１５００に入射する光はｐ波成分だけを有する。勿論、他の種類の偏光板１４００を使用し、逆に、偏光板１４００を透過してレンズ１５００に入射する光がｓ波成分だけを有するようにしてもよい。

このような偏光板１４００は、入射する画像を形成する光がｐ波成分とｓ波成分を同時に有し、ｐ波成分の光とｓ波成分の光が互いに干渉を起こして画像の画質が低下することを防止することができる。

一方、導光部１１００も偏光板１４００と同様に偏光の機能を有し、光源部１０００から入射する光を偏光させることにより、ｐ波成分の光とｓ波成分の光が互いに干渉を起こして画像の画質が低下することを防止することもできる。

レンズ１５００はディスプレイ部１３００で形成された画像を透過させることができる。また、レンズ１５００は、偏光板１４００から画像を形成する光を受け、画像を拡大する役割を担うことができる。すなわち、偏光板１４００から入射する光が形成する画像は非常に小さいため、その画像をユーザがそのまま見ることは不便である。このため、レンズ１５００は、このような画像をユーザが肉眼で見るに適した大きさに拡大することができる。

また、レンズ１５００は、入射する光の色収差（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）、球面収差（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）などを補正する役割を担うことができ、入射する光を屈折させて光経路を変更させることもでき、入射する光が形成する画像の解像度を上げることもできる。

レンズ１５００を透過しつつ拡大された画像を形成する光は、第１プリズム１６００に入射する。このとき、レンズ１５００から第１プリズム１６００に入射する光の経路を適切に調節するために、必要な場合、レンズ１５００の一部に屈折部を形成してもよい。このような、屈折部は、例えば、レンズ１５００の他の部位と異なる密度を有する媒質を結合することによって形成することができる。

第１プリズム１６００は、レンズ１５００から伝送される画像をユーザの眼球Ｅに到達させる役割を担うことができる。そのためには、レンズ１５００から入射する画像を形成する光はその経路が適切に調節されなければならない。このような光経路の調節は第１プリズム１６００での全反射現象を利用し、また、反射層（図示せず）を第１プリズム１６００に形成してもよい。

この時、レンズ１５００から第１プリズム１６００を透過してユーザの眼球Ｅに入射する画像は虚像である。すなわち、この画像は、ユーザの眼球Ｅの前方に位置する実物の像である実像とは違い、ユーザの眼球Ｅの前方に位置していない、ディスプレイ部１３００で再生された画像が、上記のように光経路が調節されることにより、あたかもユーザの眼球Ｅの前方に位置しているかのようにユーザが視覚的認識する虚像である。

実施例の光学装置において虚像を形成する光経路は、図２Ｂに示すとおりである。具体的に、まず、印刷回路基板２０００に電気的に接続された光源部１０００から光を導光部１１００に照射する。

次に、導光部１１００は、光源部１０００から入射する光をその光経路を調節してビーム噴射部１２００に向かわせる。このとき、導光部１１００は、上記の格子が設けられており、光源部１０００から照射される光をビーム噴射部１２００に均一に分布させる役割を担うことができる。また、導光部１１００は、偏光の機能を有しており、光源部１０００から入射する光を偏光させ、ｐ波成分の光とｓ波成分の光が互いに干渉を起こして光の質が低下することを防止することもできる。

続いて、ビーム噴射部１２００は、導光部１１００から入射する光をディスプレイ部１３００に照射する。

次に、ディスプレイ部１３００は画像を再生し、再生された画像を形成する光は再びビーム噴射部１２００に照射される。

次に、ビーム噴射部１２００は、ディスプレイ部１３００から入射した画像を形成する光を偏光板１４００に入射させる。この時、ビーム噴射部１２００は、上述した様々な光経路の調節のために、上記のように、偏光ビームスプリッタで構成することができる。

続いて、偏光板１４００は、ビーム噴射部１２００から入射した画像を形成する光を偏光させる。このとき、ｐ波又はｓ波のうちいずれか一つの波の光だけを透過させ、他の波の光は吸収するので、偏光板１４００を透過した光は、ｐ波又はｓ波のうちいずれか一つの波だけを有するように偏光される。これは、上述したように、ｐ波とｓ波間の相互干渉による画像の画質低下を防止するためである。

次に、レンズ１５００は、偏光板１４００から入射した画像を形成する光を、ユーザが肉眼で見るに適した大きさに拡大する役割を担う。このとき、上述したように、光経路の調節のためにレンズ１５００の一部に屈折部が形成されてもよく、屈折部を透過する光は、設定された入射角で第１プリズム１６００に入射する。

次に、第１プリズム１６００は、レンズ１５００から伝送される画像の光経路を調節し、最終的に画像を形成する光をユーザの眼球Ｅに照射する役割を担うことができる。このとき、光経路の調節は、第１プリズム１６００の全反射現象、第１プリズム１６００に設けられた反射層を用いて実現することができる。

第２プリズム１７００は第１プリズム１６００と結合して、ユーザの眼球Ｅに到達する実像の歪みを減らす役割を担うことができる。ユーザは第１プリズム１６００を介して、ディスプレイ部１３００で再生される画像である虚像と共に、ユーザの眼球Ｅの前方に実在する事物の実像を同時に見ることができる。

しかしながら、ユーザの眼球Ｅと第１プリズム１６００の端部とが近接している場合、第１プリズム１６００の端部の形状によって、ユーザの眼球Ｅに到達する実像が歪むことがある。これは、第１プリズム１６００の端部の形状によって、実像を表す光に屈折、回折などが発生しうるためである。

したがって、第１プリズム１６００の端部に第２プリズム１７００を結合して全体プリズムを延長すると、第１プリズム１６００の端部の形状による実像の歪み現象を減らすことができる。

ベース１８００は収容空間を有し、ここに、導光部１１００、ビーム噴射部１２００、ディスプレイ部１３００、偏光板１４００、レンズ１５００などを収容することができる。ベース１８００は、実施例の様々な構成要素を収容するもので、複雑な形状を有することができる。このため、ベース１８００は、このような複雑な形状に製作できる方法、例えば、射出成形などで製作することができる。

カバー部材１９００は、ベース１８００の上部の少なくとも一部を閉じ、ベース１８００に収容される各構成要素がベース１８００に安定して収容されるようにすることができる。また、カバー部材１９００は、締付け部２２００にてベース１８００に結合させることができる。

また、カバー部材１９００の上面には突出部１７１が設けられており、印刷回路基板２０００に設けられた溝又は孔が突出部１７１に結合することによって、カバー部材１９００に印刷回路基板２０００の上部を結合させることができる。

印刷回路基板２０００上部及び下部がカバー部材１９００及びベース１８００に結合し、光源部１０００及びディスプレイ部１３００と電気的に接続することができる。これによって、印刷回路基板２０００は光源部１０００に再生の対象である画像信号を伝送することができ、且つ光源部１０００及びディスプレイ部１３００に必要な電力を供給することができる。

一方、印刷回路基板２０００は上部及び下部に溝又は孔が形成されてもよい。したがって、カバー部材１９００の上面に形成される突出部１７１と、ベース１８００の下部に形成される突出部１７１にそれぞれ、印刷回路基板２０００の上部と下部を結合させることができる。

コネクター２１００は、印刷回路基板２０００と外部装置とを接続する役割を担うことができる。このとき、外部装置は、実施例の光学装置を制御する制御装置、再生する画像を保存する記憶装置、スマートフォンなどのモバイル機器と光学装置とを連動させ得る通信装置などから構成することができる。

締付け部２２００は、カバー部材１９００とベース１８００とを結合させる役割を担うことができる。したがって、締付け部２２００は、カバー部材１９００及びベース１８００のそれぞれに設けられた孔又は溝に挿入され、カバー部材１９００とベース１８００とを脱着可能に結合させ得るものであればいずれも使用可能である。例えば、ボルト、ネジ釘、結合ピンなどを締付け部２２００として用いることができる。

図３は、一実施例に係る光学装置の一部分を示す平面図である。図４は、図３のＣ部分を拡大した正面図である。図５Ａは、図３のＣ部分を拡大した平面図である。図５Ｂは、図５Ａで充填材２００が配置された様子を示す図である。

実施例は調節部を備えることができる。調節部は、レンズ１５００をベースに対して移動させて、レンズ１５００を透過する光の経路を調節することができる。

調節部は、例えば、図３に示すように、レンズ１５００をベース１８００の幅方向と平行なｘ軸に垂直なｚ軸を中心にベース１８００に対して回転させ、レンズ１５００のｚ軸に対する回転角度を調節することができる。

すなわち、調節部によって、レンズ１５００は、例えば、図３において実線で示す位置から隠線で示す位置へ回転することができる。調節部はレンズ１５００を回転させ、レンズ１５００を透過して第１プリズム１６００に入射する光の経路を調節することができる。

このように第１プリズム１６００に入射する光の経路が調節されることにより、ユーザにとって、最終的にユーザの眼球Ｅに入射する光に含まれたイメージの画質を調節することができる。また、光の経路が調節されることによって、意図しないイメージ又はノイズを含むイメージが眼球Ｅに入射することを防ぐことができる。

一方、調節部としては、一実施例として調節レバー１００を備えることができる。調節レバー１００は、一端がレンズ１５００に結合し、他側がベース１８００の外部に露出される構造とすることができる。ユーザはこのような調節レバー１００の他側をｙ軸方向に移動させ、レンズ１５００をｚ軸を中心にベース１８００に対して回転させることができる。

図４に示すように、調節レバー１００は、ベース１８００に設けられたガイド孔１８０を通って少なくとも一部がベース１８００の外部に露出され、ユーザはベース１８００の外部に露出された調節レバー１００の部分を移動させてレンズ１５００の角度を調節することができる。

一方、調節レバー１００がｙ軸方向に移動した位置で動かないでその位置を維持する必要がある。そのために、ガイド孔１８０の上下表面１８０ａの間の幅を調節し、調節レバー１００がガイド孔１８０の上下表面１８０ａと摩擦接触するようにしてもよい。

このとき、調節レバー１００の外周面とガイド孔１８０の上下表面１８０ａとの間に発生する摩擦力は、ユーザが大きく力を入れずとも調節レバー１００をガイド孔１８０に沿って移動させることができるとともに、ユーザが調節レバー１００を移動させる力よりも大きい外力が加えられない限り調節レバー１００がガイド孔１８０の上下表面１８０ａで滑り動かない程度が適切である。

調節レバー１００の外周面とガイド孔１８０の上下表面１８０ａとの間に上述した大きさの摩擦力を発生させるために、調節レバー１００の断面半径とガイド孔１８０の上下表面１８０ａとの距離を適度に調節する必要がある。

また、調節レバー１００の外周面又はガイド孔１８０の上下表面１８０ａにゴムなどの柔軟な材質のコーティング層を形成し、上述した大きさの摩擦力を有するとともに、調節レバー１００とガイド孔１８０との摩擦による調節レバー１００とガイド孔１８０の摩耗を減らすこともできる。

上述したように、調節レバー１００とガイド孔１８０の上下表面１８０ａとが摩擦接触をする場合、摩擦力によって、調節レバー１００はガイド孔１８０上で移動した位置に停止した状態を維持することができる。

また、調節レバー１００とガイド孔１８０とが摩擦接触する場合、摩擦力によって、レンズ１５００の揺れを低減できるという効果がある。また、上述したように、調節レバー１００の外周面又はガイド孔１８０の上下表面１８０ａにゴムなどの柔軟な材質のコーティング層を形成する場合、該コーティング層が緩衝の役割を担うことができ、レンズ１５００の揺れをより一層低減させることができる。

レンズ１５００には第１突出部１５１及び第２突出部１５２を形成することができる。第１突出部１５１はレンズ１５００の一側に設けられ、端部で調節レバー１００と結合することができる。一方、図５Ａに示すように、ベース１８００には、第１突出部１５１又は調節レバー１００の少なくとも一部が収容され、ガイド孔１８０と連通する第１凹入部１８２を形成することができる。

図５Ａにおいて実線で表示されたレンズ１５００、第１突出部１５１、調節レバー１００は、第１凹入部１８２とベース１８００の内側に収容された状態で、隠線で表示されたレンズ１５００’、第１突出部１５１’、調節レバー１００’の位置まで移動することができ、このような移動によってレンズ１５００のベース１８００に対する位置、姿勢が調節され、これによって、レンズ１５００を透過する光の経路を調節することができる。

調節レバー１００は、ガイド孔１８０の両側表面に当たるまでガイド孔１８０に沿って移動可能に設計されることが好ましい。このため、第１凹入部１８２の幅は、調節レバー１００の移動に邪魔とならないように、ガイド孔１８０の両側表面の間の幅と同一であるか、又はそれよりも大きいことが好ましい。

第１突出部１５１は調節レバー１００と結合する部位である。したがって、調節レバー１００の一端と第１突出部１５１の先端部とが接着剤などによって結合してもよく、ねじ結合してもよい。又は、調節レバー１００と第１突出部１５１とが射出成形などの方法によって一体に設けられてもよい。

第２突出部１５２が、レンズ１５００の第１突出部１５１が設けられる部位の他側に設けられてもよい。第２突出部１５２は、これを収容する第２凹入部１８３に設けられた第３突出部１８４によって支持されてもよいが、これについては図７を参照して後述する。

図５Ｂに示すように、実施例の光学装置は充填材２００を備えることができる。充填材２００を、第１凹入部１８２に第１突出部１５１又は調節レバー１００の少なくとも一部を取り囲むように構成することができる。

充填材２００は、例えば、スポンジなどの柔軟性材質から形成することができる。充填材２００は、第１凹入部１８２と該第１凹入部１８２に収容される第１突出部１５１又は調節レバー１００とによって形成される空間に充填することができる。また、ガイド孔１８０の少なくとも一部にも充填することができる。

充填材２００はガイド孔１８０を閉鎖してガイド孔１８０を通って外部から異物がベース１８００の内部空間及びレンズ１５００に流入することを遮断する役割を担うことができる。このとき、充填材２００は柔軟な材質から形成されているため、第１突出部１５１、調節レバー１００の移動時に変形されつつガイド孔１８０の閉鎖状態を維持することができる。

充填材２００は異物がガイド孔１８０から流入してレンズ１５００を汚染させることを遮断し、レンズ１５００の光学的性能が低下することを防止する役割を担うことができる。

また、充填材２００は、調節レバー１００又は第１突出部１５１の移動時に変形されつつダンパー（ｄａｍｐｅｒ）の役割を担うこともできる。したがって、充填材２００は調節レバー１００又は第１突出部１５１の急速な移動を制限し、レンズ１５００の位置、姿勢をより精密に調節することに寄与することもできる。

このとき、充填材２００は、凹入部の両側面又は底面に接着剤などによって接着されて凹入溝に固定及び充填されてもよい。

図６は、図３のＤ部分を拡大した平面図である。図６に示すように、実施例の光学装置は、第２凹入部１８３及び第３突出部１８４を備えることができる。

図３を参照すると、第２凹入部１８３は、ベース１８００の内部の両側面のうち、第１凹入部１８２が形成される一側面と対向する他側面に設けられ、第２突出部１５２の少なくとも一部を収容することができる。

第３突出部１８４が、図６に示すように、第２凹入部１８３の開放された部位とこれに対向する閉鎖された部位を除いた両側面から突出して形成されてもよい。このとき、第３突出部１８４は、端部が第２突出部１５２と接触してレンズ１５００の揺れを制限する役割を担うことができる。

したがって、調節レバー１００の移動によってレンズ１５００がｚ軸を中心に回転することはできるが、上記のガイド孔１８０と調節レバー１００との摩擦力、第３突出部１８４と第２突出部１５２とが接触する構造によって、レンズ１５００の揺れは制限される。

したがって、実施例の光学装置を着用したユーザが移動する場合にも、レンズ１５００が安定して装着されるため、ユーザは高画質のイメージを見ることができる。

一方、第２突出部１５２は、レンズ１５００がベース１８００に対して回転すると共に回転し、第３突出部１８４は、第２突出部１５２が回転する場合、第２突出部１５２と少なくとも一部の区間でローリング接触するように設けられてもよい。

このローリング接触のために、第３突出部１８４は円弧形、半円形、曲線形などに形成され、少なくとも一部の区間では、第２突出部１５２が回転する場合、第２突出部１５２とローリング接触することができる。

例えば、図６に示すように、実線で表示されたレンズ１５００及び第２突出部１５２が調節レバー１００の移動によって、隠線で表示されるレンズ１５００’及び第２突出部１５２’の位置まで移動する場合、第２突出部１５２は、ベース１８００に固定される第３突出部１８４に対して回転する。

この時、第２突出部１５２と第３突出部１８４とが少なくとも一部の区間ではローリング接触することができる。ローリング接触はスライディング接触に比べて摩擦力が顕著に小さいため、第２突出部１５２と第３突出部１８４とのローリング接触区間が設けられると、全体的なスライディング接触に比べて、第２突出部１５２又は第３突出部１８４の摩耗を顕著に減らすことができる。

また、第２突出部１５２と第３突出部１８４とのローリング接触によって、全体的なスライディング接触の場合に比べて、調節レバー１００に小さいトルクを加えてレンズ１５００の位置、姿勢を調節することができ、第２突出部１５２はベース１８００に対して一層円滑に回転することができる。

図７は、他の実施例に係る調節レバー１００を説明するための図である。図７に示すように、他の実施例の調節レバー１００は、ベース１８００に設けられたガイド孔１８０を通して少なくとも一部がベース１８００外部に露出され、調節レバー１００の外周面はガイド孔１８０の表面と噛み合うように形成されてもよい。

そのために、調節レバー１００はギア１１０及び取っ手部１２０を有することができ、ガイド孔１８０は上下表面１８０ａにギア１１０と噛み合う第２歯部１８１を有することができる。

ギア１１０は、一側がレンズ１５００に回転可能に結合され、外周面に第１歯部１１１が形成されている。第１歯部１１１は、形状、大きさなどが第２歯部１８１に噛み合うように形成されてもよい。取っ手部１２０は、ギア１１０の他側に結合しており、ギア１１０を回転させる役割を担うことができる。

取っ手部１２０はギア１１０と接着剤又はねじ結合などで結合することができる。また、射出成形方式によって取っ手部１２０とギア１１０とが一体に形成されてもよい。

上述したように、ガイド孔１８０には表面の少なくとも一部、特に、上下表面１８０ａに、ギア１１０の第１歯部１１１に噛み合う第２歯部１８１が設けられてもよい。このとき、第１歯部１１１と第２歯部１８１とが噛み合い、取っ手部１２０をユーザが回して調節レバー１００を移動させない限り、調節レバー１００はガイド孔１８０に沿って自ら移動しない。

したがって、実施例の調節レバー１００は、図５Ａに示す実施例のように、ガイド孔１８０上で移動した位置に停止した状態を維持することができる。

実施例でユーザが取っ手部１２０を回転させるとギア１１０が回転し、ガイド孔１８０に沿って移動するとともに、ギア１１０と結合している第１突出部１５１、レンズ１５００も移動し、これによって、ユーザはレンズ１５００の位置、姿勢を調節し、レンズ１５００を透過する光の経路を調節することができる。

一方、図５Ｂに示した充填材２００も図７の実施例に設けられてガイド孔１８０を閉鎖し、ベース１８００の内部及びレンズ１５００への異物の侵入を防止し、且つダンパーの役割を果たすことができる。

実施例において、光学装置は、ユーザが直接調節できる、レンズ１５００を移動させる調節部を備えることによって、レンズ１５００を透過する光の経路を容易に調節して光経路を最適化できるようにすることができる。

これによって、意図しない光経路の形成によって発生する意図しないイメージ又はノイズを含むイメージを除去し、光学装置にディスプレイされるイメージの質を改善することができる。

図８は、光学装置の一実施例であり、ヘッドマウントディスプレイ装置を示す図である。

図８を参照すると、ヘッドマウントディスプレイ装置は、ディスプレイ素子１０、レンズ１２、及びプリズム１４を備えて構成される。

ディスプレイ素子１０は、画像（Ｉｍａｇｅ）を構成する光を出射する役割を担う。ディスプレイ素子１０は、反射型であるシリコン液晶表示素子（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣｏＳ）、デジタル光源表示素子（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＤＬＰ）、光源が結合されたマイクロＬＣＤ素子、又は自ら発光するマイクロＯＬＥＤ素子であり、１インチ以下の大きさを有するものが好ましい。一方、マイクロ反射型であるシリコン液晶表示素子、デジタル光源表示素子、マイクロＬＣＤ素子は自ら発光するものでないため、外部の光源と結合されなければならない。すなわち、バックライトを用いた透過型マイクロＬＣＤパネル、又はフロントライト（Ｆｒｏｎｔｌｉｇｈｔ）を用いた反射型マイクロＬＣＤパネルが可能である。マイクロＯＬＥＤパネルは自ら発光でき、別の光源を必要としないため、ヘッドマウントディスプレイ装置をより小型に構成することができる。光源が配置される場合、光源は、赤色（Ｒ）、青色（Ｇ）、緑色（Ｂ）の３個の波長帯域の光源を用いることができる。このとき、光源から出射される光がディスプレイ素子１０に入射するように光経路を調節する光学系を用いることができる。例えば、凹んだ反射面を有するミラーを構成することができる。

レンズ１２は、ディスプレイ素子１０から出射される光の経路を調節してプリズム１４に集光させるためのものであり、集光レンズとも呼ばれる。集光レンズは、光源からある立体角内に発散する光束を、前記立体角よりも小さい立体角内にまとめて高い照度を得るためのレンズであり、結像レンズに要されるだけの精密度を必要とせず、集光する立体角は可能な限り大きいことが好ましい。したがって、焦点距離に比べて口径が大きい。レンズ１２は、少なくとも一つの球面レンズ及び少なくとも一つの非球面レンズから選択されたレンズの組合せで構成されることが好ましい。

プリズム１４は、入射する光の経路を調節して観察者の瞳孔に光を至らせる光素子であり、内部には、レンズから入射する光を反射する反射面１５，１６と、反射面と所定の角度で傾斜して配置され、光を屈折させて出射する反射鏡１７と、を有する。反射鏡１７としては、光の波長又は偏光成分によって選択的に透過するビームスプリッタ又はハーフミラーを用いることができる。

上記のような構成によってディスプレイ素子１０の画像が観察者の目Ｅに入射する。

このとき、第１経路Ｒ１に入射した光は第１反射面１５から反射され、第２経路Ｒ２に入射した光は第２反射面１６から反射され、それぞれ反射鏡１７から出射される。しかし、現実ではディスプレイ素子１０から出射される光以外の光も存在し、これによってフレアー又はゴースト現象が発生しうる。すなわち、雑光が発生し、これは画質低下を招く原因となる。

したがって、高画質の鮮明な画像を得るためには雑光除去が必須である。

図９は、ヘッドマウントディスプレイ装置での雑光の発生を測定した実験結果値である。図９を参照すると、領域Ａと領域Ｂで雑光が発生したことが確認できる。

本実施例では、雑光を除去するために、プリズムのハウジングに格子（ｇｒａｔｉｎｇｇｒａｔｉｎｇ）構造、ホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）、又はモスアイ（Ｍｏｔｈ ｅｙｅ）構造を適用している。

本実施例では、上記の構造を、図８に示したヘッドマウントディスプレイ装置におけるプリズムに適用した例を挙げているが、他の光学装置にも同様な適用が可能である。

図１０は、光学装置のハウジングに格子構造を適用した一実施例を示す図である。

ハウジング３０は、長く延びた六面体の形状にすることが好ましく、光が入射及び出射される部分以外の部分、すなわち、上部面３２、下部面、前面３４、及び後面を同一の材質及び構造とすることができる。

ハウジング３０の一面は、図１０に示すような構造となっており、所定の幅Ｗを有する溝が一定の間隔で形成されている。このような構造によれば、外部から雑光３６が入射しても、雑光によるノイズの発生を防止することができる。

このとき、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）は、外部から入射する雑光の波長及び入射角によってパターンを形成する。下記の式は外部雑光とパターン光との関係を示すものである。

Ｐはピッチ、λは雑光の波長、θは雑光の入射角を表す。

すなわち、ピッチは、雑光の波長には比例し、雑光の入射角には反比例するように形成することが好ましい。

また、上記の格子構造は、突出部の形状が三角形である三角格子を適用してもよい。

図１１は、ホログラム光学素子を適用した例示を示す図である。

ホログラム光学素子は、ホログラフィの原理を用いた光学素子であり、透明な素材が用いられ、特定の入射角と特定の波長を有する光を略１００％制御可能である。したがって、波長に応じて光を１００％屈折させたり１００％反射させることができ、５０：５０の比率に光を分けることもできる。

ホログラム光学素子は、図示のように、高屈折素材４２と低屈折素材４４が交互に配置されており、このとき、ピッチは、上述した格子構造と同様に、雑光４６の波長及び入射角に依存し、また、上述した格子構造のピッチパターンを示す式と同一の式を適用すればよい。すなわち、ホログラム光学素子のピッチは、雑光の波長には比例し、雑光の入射角には反比例するように形成される。

また、モスアイ構造を上記のハウジングに適用しても雑光除去の効果を得ることができる。

モスアイは、言葉のとおり、蛾の目の構造を意味する。すなわち、モスアイ構造は、ニップル（ｎｉｐｐｌｅ）形態のナノ構造であり、約２００ｎｍの周期を有する場合、高さは約１５０ｎｍとなる。このようなモスアイ構造を適用すると、光の反射を波長にかかわらずに減らすことができる。ナノ構造の周期が光の波長よりも十分に小さい場合、光の観点ではその構造をまるで一つの媒質として認識してしまうが、モスアイ構造は、構造物が表面から始まって次第に傾く形態となっているため、有効屈折率が次第に変わる媒質として認識する。光の反射は媒質間の屈折率の差に起因するため、モスアイ構造によれば光の反射を効果的に減らすことができる。

このような格子構造、ホログラム光学素子構造、及びモスアイ構造のいずれか一つをプリズムに適用することができ、いずれの構造を適用しても雑光によるゴーストを効果的に減らすことができる。このとき、ハウジングの一面にのみ適用してもよく、プリズムの上部面、下部面、後面、前面を含む斜面全体に同時に適用してもよい。

図１２は、本発明の一実施例に係る雑光除去の効果を確認するためにシミュレーションした結果を示す図である。

図１２（ａ）は、従来のプリズムを用いた場合に雑光の発生を示す図であり、図１２（ｂ）は、本発明の一実施例に係る三角格子構造をプリズムに適用した場合に雑光の発生を示す図である。図１２（ａ）では、雑光発生区域５２が大きく現れているが、図１２（ｂ）では雑光発生区域５４がほとんど現れていないことが確認できる。

以上、実施例と関連していくつかの例を挙げたが、その他にも様々な形態の実施が可能である。前述した実施例の技術的内容は、互いに両立できない技術でない限り、様々な形態に組み合わせることができ、これによって新しい実施の形態を実現することもできる。

Claims (20)

1. ディスプレイ部と、
   前記ディスプレイ部で形成された画像が透過するレンズと、
   前記レンズが収容されるベースと、
   前記レンズを前記ベースに対して移動させ、前記レンズを透過する光の経路を調節する調節部と、
   を備える光学装置。
2. 前記調節部は、
   一端が前記レンズに結合し、他側が前記ベースの外部に露出され、ユーザが前記他側を移動させて前記レンズを前記ベースに対して回転させる調節レバーとして備えられることを特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記調節レバーは、
   前記ベースに設けられたガイド孔から少なくとも一部が前記ベースの外部に露出され、
   前記調節レバーの外周面が前記ガイド孔の表面と摩擦接触し、前記調節レバーは前記ガイド孔上で移動した位置に停止した状態を維持することを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
4. 前記調節レバーは、
   前記ベースに設けられたガイド孔から少なくとも一部が前記ベースの外部に露出され、
   前記調節レバーの外周面は前記ガイド孔の表面と噛み合うように形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の光学装置。
5. 前記調節レバーは、
   一側が前記レンズに回転可能に結合し、外周面に第１歯部が設けられたギアと、
   前記ギアの他側に結合し、前記ギアを回転させる取っ手部と、
   を有することを特徴とする、請求項４に記載の光学装置。
6. 前記ガイド孔は、
   表面の少なくとも一部に、前記ギアの前記第１歯部に噛み合う第２歯部が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の光学装置。
7. 前記レンズは、
   一側に前記調節レバーと結合する第１突出部が設けられており、他側に第２突出部が設けられていることを特徴とする、請求項４乃至６のいずれかに記載の光学装置。
8. 前記ベースは、
   前記第１突出部又は前記調節レバーの少なくとも一部が収容され、前記ガイド孔と連通する第１凹入部と、
   前記第２突出部の少なくとも一部が収容される第２凹入部と、
   を有することを特徴とする、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記第１凹入部には、前記第１突出部又は前記調節レバーの少なくとも一部を取り囲み、柔軟性の材質からなる充填材が設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の光学装置。
10. 前記第２凹入部は、
    端部が前記第２突出部と接触して前記レンズの揺れを制限する第３突出部が設けられていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の光学装置。
11. レンズと、
    前記レンズが収容されるベースと、
    一端が前記レンズに結合し、他側が前記ベースの外部に露出され、ユーザが前記他側を移動させて前記レンズを前記ベースに対して移動させることによって、前記レンズを透過する光の経路を調節する調節レバーと、
    を備える、光学装置。
12. 前記調節レバーは、
    前記ベースに設けられたガイド孔から少なくとも一部が前記ベースの外部に露出され、前記調節レバーの外周面は前記ガイド孔の表面と摩擦接触するようになっていることを特徴とする、請求項１１に記載の光学装置。
13. 前記調節レバーは、一側が前記レンズに回転可能に結合し、外周面に第１歯部が設けられたギアと、前記ギアの他側に結合し、前記ギアを回転させる取っ手部と、を有し、
    前記ベースは、表面の少なくとも一部に、前記ギアの前記第１歯部に噛み合う第２歯部が設けられたガイド孔を有し、
    ユーザが前記取っ手部を回転させて前記レンズを前記ベースに対して回転させることを特徴とする、請求項１１に記載の光学装置。
14. ディスプレイ素子から出射された画像の光経路を変更して観察者に提供するハウジングを備え、
    前記ハウジングの内部には、前記ディスプレイ素子から出射された光が反射される反射面と、前記反射面と所定の勾配で配置され、前記反射面から反射された光を外部に出射させるミラーと、を有し、
    前記ハウジングは、格子構造、ホログラフィック光学素子、及びモスアイ構造のいずれか一つから構成されることを特徴とする、光学装置。
15. 前記格子構造においてピッチは、前記ディスプレイ素子から出射される光以外の外部光の波長に比例し、前記外部光の入射する角度θのサイン値（ｓｉｎθ）に反比例して形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の光学装置。
16. 前記格子構造のピッチは下記の式のように形成されることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の光学装置。
    Ｐ＝λ／２ｓｉｎθ
    （ここで、Ｐはピッチ、λは外部光の波長、θは外部光の入射角である。）
17. 前記格子構造は三角格子構造であることを特徴とする、請求項１４乃至１６のいずれかに記載の光学装置。
18. 前記ホログラフィック光学素子は、透明な素材から形成され、高屈折率の素材と低屈折率の素材とが交互に設けられていることを特徴とする、請求項１４乃至１７のいずれかに記載の光学装置。
19. 前記ホログラフィック光学素子は、下記の式のように形成されることを特徴とする、請求項１４乃至１８のいずれかに記載の光学装置。
    Ｐ＝λ／２ｓｉｎθ
    （ここで、Ｐはピッチ、λは外部光の波長、θは外部光の入射角である。）
20. 前記格子構造、ホログラフィック光学素子、及びモスアイ構造のいずれか一つは、ハウジングの光入射口及び出射口を除外した斜面全体に形成されたり、又は斜面のうち一つ以上の面に選択的に形成されることを特徴とする、請求項１４乃至１９のいずれかに記載の光学装置。

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