JP3028575B2

JP3028575B2 - 光学装置

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Publication number: JP3028575B2
Application number: JP22465490A
Authority: JP
Inventors: 彰川村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 2000-04-04
Anticipated expiration: 2015-04-04
Also published as: JPH04106517A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はヘッド・アップ・ディスプレイ等に用いて好
適な光学装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明はヘッド・アップ・ディスプレイ等に用いて好
適な光学装置に関し、外部等から取り込んだ像を表示す
る表示手段と、像を拡大させて虚像を表示させるホログ
ラフィックコンバイナと、虚像表示位置とホログラフィ
ックコンバイナ間に配した遮光手段と、遮光手段に関連
して設けた偏光手段とを有し、虚像を視る場合の視野角
を覆う様に面積を拡げて、上記ホログラフィックコンバ
イナと視点間に偏光手段を配置することで外量の確認時
に液晶シャッタ等の遮光手段の存在が意識されない様に
したものである。

〔従来の技術〕本出願人は先に特願平２−108079号によって、外景と
虚像とを合成して表示することの出来る光学装置を提案
した。第10図は上述の従来の基本的光学系を示すもので
ある。第10図に於て、（１）はビューファインダ用ディ
スプレイであり、この像をミラー（２）で反射させ、凸
レンズ（３）で拡大して得られた虚像をビームスプリッ
タ（４）に反射させることで、眼球（７）の前方に虚像
（５）を確認する様に成し、更にビームスプリッタ
（４）と虚像（５）間に偏光フィルタ（10）（11）を含
む液晶シャッタ（６）を設けて、この液晶シャッタ
（６）を電気的に閉じると、外景（８）は隠され、虚像
（５）だけが明瞭に観察出来る。又、ビューファインダ
用ディスプレイ（１）の発光を停めて、液晶シャッタ
（６）を電気的に開くと、外景（８）の確認が瞬間に出
来る。更に、ビューファインダ用ディスプレイ（１）を
発光状態にし、虚像をビームスプリッタ（４）で反射さ
せると共に液晶シャッタ（６）を電気的に開けて透過状
態とすれば虚像（５）と外景（６）とを同時に確認出来
る様に構成させたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の従来技術で説明した光学装置では次の様な三つ
の問題が発生する。

（Ｉ）虚像を観察せずに外景を見るためにビューファイ
ンダ用ディスプレイ（１）の発光を停止し、液晶シャッ
タ（６）を透過状態にしても、この液晶シャッタ（６）
と、ビームスプリッタ（４）の存在が意識され、外景
（８）が見にくい。この様にビームスプリッタ（４）と
液晶シャッタ（６）が目立つ理由を第10図の光学系につ
いて説明する。第10図で、眼球（７）が虚像（５）を視
ている視野角θの領域では外景（８）からの外光（９）
は液晶シャッタ（６）の両端に配設した偏光フィルタ
（10）（11）で50％のみ通過し、更に、ビームスプリッ
タ（４）で50％だけ通過して眼球（７）に達するために
外光（９）は全体の25％しか通過しない。一方、破線で
示す、虚像（５）を視る視野角θ以外の角度θ_１からは
100％の外光が眼球（７）に到達する。この様に視野角
度によって外光（９）の透過率が極端に異なるためにビ
ームスプリッタ（４）及び液晶シャッタ（６）の存在が
意識されることになる。

（II）従来の光学装置では虚像（５）を確認するために
凸レンズ（３）とビームスプリッタ（４）を必要とし、
特に凸レンズ（３）の倍率を上げようとすると、凸レン
ズの重量が増大し、ビームスプリッタ（４）と凸レンズ
（３）を合せた重量が大きくなることになる。

（III）更に、従来の光学装置では凸レンズ（３）が虚
像（５）を視る場合の視野角θの上側にあるために虚像
（５）を視る場合の外景（８）の上方（第10図で２点鎖
線で示される角度範囲θ_２）の確認が凸レンズ（３）で
邪魔されて、出来なくなる問題があった。

本発明は叙上の各問題点を解消するために成されたも
ので、その目的とするところは虚像を視る場合の視野角
θと、その周辺の外景を視る場合の視野角θ_１との透過
率の差を少なくして、外景を確認する場合の液晶シャッ
タ（６）とビームスプリッタ（４）を目立たなくさせる
と共に、凸レンズ（３）とビームスプリッタ（４）の代
わりにホログラフィックコンバイナを用いて、外光の透
過率を高め光学系の全体的な重量を軽減させる様にした
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光学装置は、その例が第１図に示されている
様に、外部等から取り込んだ像を表示する表示手段
（１）と、像を拡大させて虚像を表示させるホログラフ
ィックコンバイナ（12）と、虚像（５）の表示位置とホ
ログラフィックコンバイナ（12）間に配した遮光手段
（６）と、遮光手段（６）に関連して設けた偏光手段
（10a）（11a）とを有し、虚像（５）を視る場合の視野
角を覆う様に面積を拡げて、上記ホログラフィックコン
バイナと視点間に偏光手段を配置したものである。

〔作用〕

本発明の光学装置は虚像を視る場合の視野角と、その
周辺の外光透過率の差を少なくしたので、虚像を表示す
ることなく、外景だけを確認する時に遮光手段等の存在
が意識されないものが得られ、更に光学系が軽量化され
て、上方に視える虚像をさえぎることのない光学系が得
られる。

〔実施例〕

以下、本発明の光学装置の基本的構成を説明する。本
例は光学系並に電気制御系から構成される。先ず第１図
乃至第５図によって光学系を説明する。第１図で従来構
成の第10図との対応部分には同一符号を付して重複説明
を省略する。

第１図で眼球（７）の前面にホログラフィックコンバ
イナ（12）の光軸（13）を視線方向に向け所定角度傾け
て配置する。このホログラフィックコンバイナ（12）は
光の回折効果を利用して、光を反射面で屈折させるもの
で凹面鏡の様に入射像を拡大して虚像として視ることが
出来る。このホログラフィックコンバイナ（12）の前方
から入射する外光（９）はホログラフィックコンバイナ
（12）の影響をほとんど受けないので、眼球（７）の前
面に配設しても外景（８）を観察することが出来る。こ
のホログラフィックコンバイナ（12）と虚像（５）間に
は液晶シャッタ（６）が配設され、この液晶シャッタ
（６）の両方の面に取り付けられている偏向フィルタ
（10a）（11a）のうち、一方の偏向フィルタ（10a）を
眼球（７）とホログラフィックコンバイナ（12）との間
に介在させる。この偏光フィルタ（10a）の偏光方向は
ホログラフィックコンバイナ（12）の反射光が直線偏光
している場合には、この偏光方向に一致される様に配置
すると共に、偏光フィルタ（10a）の面積は液晶シャッ
タ（６）に貼着されている偏光フィルタ（11a）の面積
より大きく構成させる。即ち、眼球（７）から外景
（８）を視る視野角範囲を略、覆う様な大きさに選択す
る。更にビューファインダ用ディスプレイ（１）はホロ
グラフィックコンバイナ（12）に入射する光軸（14）上
に配されると共に、ホログラフィックコンバイナ（12）
の後側焦点Ｆ位置に同距離離れたＦ′位置とホログラフ
ィックコンバイナ（12）との間にビューファインダ用デ
ィスプレイ（１）の前方が持ち上る様に傾けて配置す
る。この様に傾けて配置する理由を第２図を用いて説明
する。第２図でホログラフィックコンバイナ（12）に入
射する光軸（14）に対して平行に入射する平行光（15）
はホログラフィックコンバイナ（12）で反射後に後側焦
点Ｆに焦点が合される。ここで簡単のために、平行光
（15）をホログラフィックコンバイナ（12）に対して、
折り返して破線で示す様に仮想平行光（15′）とする。
ビューファインダ用ディスプレイ（１）も折り返した位
置で考えて、ビューファインダ用ディスプレイ（１）が
（１′）位置にあるとすると仮想平行光（15′）に対し
て、ホログラフィックコバイナ（12）の面が傾いている
ために、ホログラフィックコンバイナ（12）に対して仮
想したビューファインダ用ディスプレイ（１′）との距
離を一定にする場合には、ビューファインダ用ディスプ
レイ（１′）をホログラフィックコンバイナ（12）の面
と平行な位置（１″）に配置する必要が生ずる。本例の
場合は虚像（５）が表示される面は仮想平行光（15′）
に対し垂直に表示されるために、ビューファインダ用デ
ィスプレイ（１）の面を垂直方向に少し立てた位置（１
）に調整することで眼球（７）から虚像（５）を視た
ときに垂直に虚像を確認することが出来る様に成る。

上述の如き光学系によって虚像を表示することが出来
る。即ち、ビューファインダ用ディスプレイ（１）に映
出した像はホログラフィックコンバイナ（12）で拡大さ
れ、眼球（７）の前方に虚像（５）として表示される。
ここで電気的に液晶シャッタ（６）及び偏光フィルタ
（10a）（11a）を閉じれば外光（９）は遮断され虚像
（５）を明瞭にみることが出来、液晶シャッタ（６）及
び偏光フィルタ（10a）（11a）を開ければ外光（８）が
明瞭に確認出来、更にビューファインダ用ディスプレイ
（１）を発光させれば虚像と外景両者を確認てきること
になる。ここで第１図の光学系の構成によれば液晶シャ
ッタ（６）等が目立たなくなる理由を第３図を用いて説
明する。第３図は外光（９）の透過率分布を示すもの
で、外光（９）のうち、眼球（７）から虚像（５）を視
る視野角θ内の外光（9a）の透過率は偏光フィルタ（11
a）液晶シャッタ（６）を透過するために50％に減少す
る。更にホログラフィックコンバイナ（12）で外光（9
a）は90％程度通過する。偏向フィルタ（10a）では外光
（9a）は既に偏光しているのですべて通過して、結局虚
像（５）を視るための視野角θの領域では50％×90％＝
45％の外光（9a）が眼球（７）に達することになる。

次に虚像（５）を視るための視野角θ外の透過率を考
えると外光（９）中の外光（9b）は偏光フィルタ（10
a）を通過するために50％に減少して50％のみ通過する
ことになる。この様に視野角θと視野角θ外の外光（9
a）（9b）の透過率の差は50％−45％＝５％と少ないの
で、従来の差分75％に比べてホログラフィックンバイナ
（12）と液晶シャッタ（６）の存在が外景のみ視る場合
に目立たなくなる効果を生ずることになる。

更に従来の凸レンズ（３）とビームスプリッタ（４）
の代わりにホログラフィックコンバイナ（12）を用いて
いるので凸レンズ（３）の重量が減らせるだけでなく、
虚像を視る場合に上方に配された凸レンズが無いので上
方の視野角を拡大させることが出来る。

上述の光学系を例えば、第４図の様に構成させる。

第４図で、左右眼球（7L）（7R）から左右虚像が映出
される虚像面（5L）（5R）に至る光路に於いて、左右眼
球（7L）（7R）から左右虚像面（5L）（5R）に至る視線
の光路は図の様に四角錐（16L）（16R）と成されてい
る。今、右眼球（7R）が右虚像面（5R）上に第１図と同
様の構成によって虚像をみている場合に、左眼球（7L）
の左虚像面（5L）の手前に出来る四角錐（16L）の断面
に液晶シャッタ（17）を配設し、左眼球（7L）が左虚像
面（5L）上にみるべき虚像の視覚情報を奪う様にする。
この場合に四角錐（16L）の光路に挿入する液晶シャッ
タ（17）を第５図A,Bに示す様に構成させる。第５図Ａ
は液晶シャッタ（17）が「オン」状態の透過率を示し、
第５図Ｂは液晶シャッタ（17）が「オフ」状態の透過率
を示している。第５図Ａの「オン」状態では中心の外光
の透過率は０％とし、液晶シャッタ（17）の周辺部では
25％、更にその外周部では50％、75％と周辺部に行くに
したがって透過率を高くしていく、ただし、50％と75％
の透過領域では透過率に波長依存性のないNDフィルタ
（17b）を用い、透過率０％及び25％の部分は液晶シャ
ッタとする。更に、液晶シャッタ（17）とNDフィルタ
（17b）の四隅（17a）に比較的大きなＲをつけて、液晶
シャッタ（17）を眼の近くに配置した場合に輪郭がボケ
て液晶シャッタ（17）の存在が意識されない様にする。
第５図Ｂの「オフ」状態では液晶シャッタ（17）部分の
透過率を50％に選択してある。

この様な液晶シャッタ（17）を第４図に示す様に置い
て、この液晶シャッタ（17）を「オン」状態にすると、
右眼球（7R）だけで左虚像面（5L）上の虚像を視ていて
も、両眼で視ている錯覚を生ずる。勿論、液晶シャッタ
（17）を右眼球（7R）側に設け、ホログラフィックコン
バイナ（12）及び液晶シャッタ（６）を含む虚像拡大光
学系を左眼球（7L）側に設けてもよい。

即ち、この構成例によれば虚像を片眼だけで確認して
も、人間の視覚処理システム機能を利用して両眼視効果
を生みだすために従来の２眼虚像式の様に両眼の傾きと
水晶体のピント調整間の矛盾は発生しないことになる。

上述の光学系の構成に於けるビューファインダ用ディ
スプレイ（１）と液晶シャッタ（６）及び（17）の制御
回路を第６図に示す。第６図でビューファインダ用ディ
スプレイ（１）を表示させるためのコントロール信号
（19）はディスプレイコントロール回路（21）で生成さ
れ、液晶シャッタ（６）及び（17）は液晶シャッタ制御
回路（38）からの電圧V₁及び／又はV₂で制御が成され
る。

先ず、ディスプレイコントロール回路（21）を説明す
る。コンポジットビデオ信号（20）はＲ（赤）,G
（緑）,B（青）のコンポーネントビデオ信号にデコード
するコンポジット−RGBデコーダ（34）及びシンク信号
に分離するシンクセパレータ（22）に供給される。シン
クセパレータ（22）ではコンポジットビデオ信号（20）
からコンポジットシンク信号（以下CSYNCと記す）（2
8）が分離される。コンポジット−RGBデコーダ（34）か
らはRGBのビデオ信号（35）がデコードされてディスプ
レイコントロール信号発生回路（33）に供給される。シ
ンクセパレータ（22）から出力されたCSYNC（28）はゲ
ンロック（GEN LOCK）回路（29）に供給されて、水平及
び垂直同期信号（以下HSYNC及びVSYNCと記す）（30）及
び（31）並にクロック信号（32）を生成しディスプレイ
コントロール信号発生回路（33）に供給される。ディス
プレイコントロール信号発生回路（33）では上述のHSYN
C（30）、VSYNC（31）並にクロック信号（32）と手動ス
イッチ（36）の操作で得られるオン／オフ切換え信号
（37）並にコンポジット−RGBデコーダ（34）からのRGB
ビデオ信号（35）からビューファインダ用ディスプレイ
（２）を制御するコントロール信号（19）を生成する。

液晶シャッタ制御回路（38）は液晶シャッタ（６）
（17）をオン、オフ制御する手動スイッチ（39）からの
オン／オフ切換信号（39a）を液晶シャッタ透過率コン
トロール回路（40）に供給し、液晶シャッタ（６）又は
／及び（17）をコントロールする交流電圧V₁又は／及び
V₂を生成する。ここで交流電圧V₁は液晶シャッタ（６）
又は（17）の透過率を０％又は50％に設定する電圧であ
り、交流電圧V₂は透過率を25％又は50％に設定する電圧
であり、本例では、電圧V₁を液晶シャッタ（６）に供給
し、電圧V₁及びV₂を液晶シャッタ（17）に供給する様に
する。第７図に上述した液晶シャッタ（17）の側断面図
を示す。

第７図で液晶シャッタ（17）の周辺には第５図で説明
したNDフィルタ（17b）が設けられている。（17b″）は
透過率が75％のNDフィルタであり（17b′）は透過率が5
0％のNDフィルタである。液晶シャッタ（17）は前後ガ
ラス（41）（42）間に液晶（43）を封入し一方のガラス
（41）の電極を全面透明導電膜（44）として接地電位に
落とすと共に他方のガラスの電極を中心部電極（45）と
周辺部電極（46）に分離した透明導電膜とし、周辺電極
（46）に電圧V₂を中心部電極（45）に電圧V₁を供給する
様にしている。第８図及び第９図は本発明の光学装置を
眼球に取り付けた場合の実施例を示すものである。第９
図は第８図のＡ−Ａ方向に断面とした側断面の略線的光
学系を示すものであり、第８図及び第９図によって本例
の全体的構成を説明する。図で（50）は光学装置を眼鏡
に取り付けた全体的な構成を示し、眼鏡（51）の固定具
（52）で光学装置（50）が眼鏡（51）に固定されてい
る。光学装置（50）は第９図に示されている様にビュー
ファインダ用ディスプレイ（１）を第１の筐体（53）に
固定すると共にこの第１の筐体（53）の外側に延設した
アーム（55）に眼鏡固定具（52）を垂下させ、この固定
具（52）で眼鏡（51）に枢着し、矢印Ｃで示す様に上下
方向に摺動出来る様に構成させる。ビューファインダ用
ディスプレイ（１）は第１の筐体（53）の枢着部（53
a）にヒンジ等を介して矢印Ｂで示す方向に回動自在と
成され、ビューファインダ用ディスプレイ（１）の前面
下部には第１の筐体（53）の内壁と摺動自在に係合する
カーブ状の摺動片（54）が形成されている。ビューファ
インダ用ディスプレイ（１）の回動位置での固定は第１
の筐体（53）の内壁と摺動片（54）の外壁間の摩擦力に
よって行なわれる。又ビューファインダ用ディスプレイ
（１）の枢着部（53a）を中心に矢印Ｂ方向に回動させ
ることで第２図で説明した様に眼鏡（７）から虚像
（５）を視る視野方向が虚像（５）と垂直となる様な調
整が行なわれる。

第１の筐体（53）の内部は黒色塗料を塗布し、好まし
くはつや消と成し、この第１の筐体に係合された第２の
筐体（56）は透明に成され、この第２の筐体（56）に液
晶シャッタ（６）、偏光フィルタ（11a）並にホログラ
フィックコンバイナ（12）を第１図の構成の様に配設す
る。又、偏光フィルタ（10a）は眼鏡（51）の内側に貼
着する。第２の筐体（56）と第１の筐体（53）は摺動摩
擦によって所定位置に保持され、矢印Ｄ方向に摺動自在
に成されているので視度調整が容易に行なえる。更に他
方の眼鏡（51）のレンズには第７図で説明した液晶シャ
ッタ（17）が固定具（52）で取り付けられている。第６
図で説明したディスプレイコントロール回路（21）及び
液晶シャッタ制御回路（38）は筐体（60）に内蔵され、
手動操作スイッチ（36）及び（39）は筐体（60）の例え
ば左側面に取り付けられ、接栓（61）を介してコントロ
ール信号（19）及び電圧V₁及び／又はV₂がビューファイ
ンダ用ディスプレイ（１）と液晶シャッタ（６）及び
（17）に供給される。コンポジットビデオ信号（20）は
小型VTR（62）から筐体（60）側に接栓（63）を介して
供給される。小型VTR（62）と制御回路系の内蔵された
筐体（60）は一体化され、肩から下げるか、バンド等で
腰に固定する様に成されている。

尚、本発明は8mmVTRにカメラを接続すればカメラのビ
ューファインダの光学装置として利用することも出来
る。更に赤外線カメラを接続して液晶シャッタを透過状
態とすればヘッドアップディスプレイ（操縦者等が必要
とする情報をフロントガラス内面に虚像として外景と重
畳するディスプレイ）の光学装置にも利用できるもの
で、尚、上述の実施例では液晶シャッタ（６）の偏光フ
ィルタ（10a）を眼鏡（７）側に持ち来して面積を大と
成し、外景（８）を視る場合の視野角を覆う様に構成さ
せたが、偏光フィルタ（10a）及び（11a）を液晶シャッ
タ（６）の両面につけたまま片方の偏光フィルタ（11
a）の面積を大きく上記した視野角を覆う様にするな
ど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得るこ
とは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明の光学装置によれば液晶シャッタを閉じて虚像
を視ている時に瞬間に外景だけを見ることが出来る様に
切り換えたり、液晶シャッタを開けたままで虚像と外景
を同時に確認することが出来るので、外景の確認時に液
晶シャッタやホログラフィックコンバイナの存在が認識
されないものが得られ、更に凸レンズがないので虚像上
方の外景確認が明瞭となり凸レンズとビームスプリッタ
をホログラフィックコンバイナで共通化出来るため極め
て軽量化されたものが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学装置の一実施例を示す模式図、第
２図はビューファインダ用ディスプレイを傾けて配置す
るための説明図、第３図は本発明の効果説明図、第４図
は本発明の光学装置の他の実施例を示す原理図、第５図
は第４図に利用する液晶シャッタの構成図、第６図は本
発明の光学装置に用いる制御回路の一実施例を示す系統
図、第７図は本発明に用いる液晶シャッタの側断面図、
第８図は本発明の光学装置の全体的な構成図、第９図は
第８図のＡ−Ａ方向に沿った側断面図、第10図は従来の
光学装置の模式図である。（１）はビューファインダ用ディスプレイ、（５）は虚
像、（６）（17）は液晶シャッタ、（12）はホログラフ
ィックコンバイナ、（50）は光学装置である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外部等から取り込んだ像を表示する表示手
段と、上記像を拡大させて虚像を表示させるホログラフィック
コンバイナと、虚像表示位置と上記ホログラフィックコンバイナ間に配
した遮光手段と、上記遮光手段に関連して設けた偏光手段とを有し、虚像を視る場合の視野角を覆う様に面積を拡げて、上記
ホログラフィックコンバイナと視点間に偏光手段を配置
してなることを特徴とする光学装置。
【請求項２】前記表示手段を前記ホログラフィックコン
バイナの光軸に対して傾けて成ることを特徴とする請求
項第１項記載の光学装置。