JP4069814B2

JP4069814B2 - 眼前装着用表示装置

Info

Publication number: JP4069814B2
Application number: JP2003183418A
Authority: JP
Inventors: 真人田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005017775A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、腰のベルトや装身具等を用いて身体に纏うウェアラブルコンピュータや、ナップサックやポケットに入れて携帯することのできる携帯電話等の通信機器のような、卓上以外の環境においても利用可能な情報機器のためのモニタとして好適に利用することができる眼前装着用表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような眼前装着用表示装置は既にいくつか市販されているが、それらの光学系には大別すると次のような２種のものが採用されている。
ａ．図１(a)に示すように、２枚のハーフミラーを用いるもの（特許文献１）。
ｂ．図１(b)に示すように、１個のプリズムを用いるもの（非特許文献１）。
ハーフミラーを用いるもの(a)は、軽量であるという特長がある。一方、３次元曲面を有するプリズムを用いるもの(b)は、部品点数が少ないという特長を有するものの、重量が大きいという欠点を有する。
【０００３】
【特許文献１】
特開2001-188194号公報
【非特許文献１】
オリンパス光学工業株式会社、フェイスマウントディスプレイEye-Trek取扱説明書<URL:http://www1.olympus.co.jp/jp/imsg/LineUp/HMD/support/man_220.pdf>
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
携帯電話や携帯端末等の情報機器をウェアラブル形態にして広く普及させようとする場合、小型化、軽量化、シースルー機能（前方視野も同時に見ることができること）、広視野化という種々の要求を高いレベルで満たすことが必要である。特に、装着状態で移動することも考慮した場合には、安全性の観点より、観察者の眼の前方への突出量を少なくすることが重要な要求特性となる。しかし、上記いずれの形式のものも、全体としての厚み（視線方向の寸法）が大きく、眼前からの突出量が大きいため、そのような要求に十分には応え得ないという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、眼前への突出量をできる限り少なくすることのできる眼前装着用表示装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、画像表示光の出射手段と接眼光学系を備え、該画像表示光が接眼光学系により観察者の眼に導かれることで観察者が虚像を視認する構成となっている眼前装着用表示装置において、
前記接眼光学系が、前記画像表示光出射手段に対向する第１面、観察者の眼に対向する第２面、並びに、それら第１面及び第２面とで略三角形を形成する第３面を有する光学素子を備え、第１面から入射した画像表示光が最初に第２面で反射し、第２面と第３面との間で各面で少なくとも２回反射した後、第２面から観察者の眼に入射するように、第２面と第３面とが配置されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態及び効果】
従来の眼前装着表示装置では、aタイプのものにせよbタイプのものにせよ、画像表示光は眼前の２面においては各１回しか反射されない。それに対し、本発明に係る眼前装着用表示装置においては各２回以上反射されるため、画像表示光を観察者の眼へ導く時に、第２面と第３面を平行に近づけることができる。これにより、眼前装着表示装置の眼前からの突出量を小さくすることができ、また、装置の重量も軽減される。
【０００８】
眼に入る前の最終反射面となる第３面は、画像表示光を集束させる形状としておく。また、光学収差補正のため、第１面、第２面、第３面のうち少なくとも１面は非球面形状とすることが望ましい。
【０００９】
なお、画像表示光と同時に観察者の前方からの光（外景光）も観察したい場合には、上記光学素子（これを主光学素子と呼ぶ）の第３面の前方（第２面とは反対側）に、前方面を第２面と同一形状の面とし、後方面（第３面と対向する面）を第３面と同一形状の面とした外景光補償光学素子を配置することが望ましい。また、この外景光補償光学素子を主光学素子の前方に配置するに際しては、両者を貼り合わせてもよいが、僅かの空間を設けて配置することが望ましい。これにより第３面が接する媒質の屈折率が容易に一様となるため、第３面の反射率を一様とすることができ、画像表示光の輝度むら発生を抑えることが容易となる。
【００１０】
画像表示光出射手段は、自ら画像表示光を出射する発光型のものであってもよいし、光源からの光を反射する際に画像を形成する反射型、或いは、背面からの光を透過する際に画像を形成する透過型のいずれであってもよい。
【００１１】
【実施例】
本発明の一実施例である眼前装着用表示装置を説明する。本実施例の表示装置１０は、図２に示すように、観察者の眼前にゴーグルのように装着して、携帯端末や携帯ゲーム機等の出力画像を視認する。
表示装置１０の内部の光学系を図３に示す。上部に画像表示素子１が配置され、下部には本発明に従って作製されたプリズム２が配置される。
【００１２】
プリズム２は、画像表示素子１に対向する第１面２１、観察者の眼４に対向する第２面２２及び観察者の前方（図３では左方）に面した第３面２３を有する。これら３面はいずれも可視光に対して光学作用を有するように設計されている。
【００１３】
これら画像表示素子１、第１面２１、第２面２２及び第３面２３は、画像表示素子１から出射された画像光が次のように透過及び反射した後に観察者の眼４に入射するように設計されている。すなわち、画像表示素子１から出射された画像光は、プリズム２の第１面２１を透過し、第２面２２で反射し、第３面２３で反射し、再び第２面２２で反射し、再び第３面で反射した後、第２面２２を透過して観察者の眼４に入射する。
【００１４】
このように、本実施例の眼前装着用表示装置１０では、画像表示素子１からの画像光が第２面と第３面の各面で２回ずつ反射した後に観察者の眼４に入射するため、従来の光学系よりも厚さ（眼前方向の寸法）を小さくすることができる。
【００１５】
本発明の第２の実施例である眼前装着用表示装置１１を図４により説明する。本実施例の表示装置１１の外観は図２に示したものと同様であるが、内部には図４に示すように、上記プリズム（主プリズム）２の他に、外景光補償プリズム３が設けられている。外景光補償プリズム３は、前方（図４において左方）の第１面３１と主プリズム２側の第２面３２の光学作用面を有し、第２面３２は主プリズムの第３面２３と同一の形状が付与されている。外景光補償プリズム３は、主プリズム２の前方に、主プリズム２と僅かな隙間を設けて配置されている。
【００１６】
本実施例の表示装置１１において、画像表示素子１の画像光が主プリズム２内を反射して観察者の眼４に入射するまでの光路は、第１実施例（図３）の場合と同じである。本実施例の表示装置１１ではそれに加えて、外景光５が外景光補償プリズム３の第１面３１、第２面、主プリズムの第３面２３、第２面２２を透過して観察者の眼４に入射する。これらの面は上記のように互いに補償するような形状を有するため、外景光は観察者により歪なく視認される。
【００１７】
本実施例の表示装置１１で使用した主プリズム２及び外景光補償プリズム３の設計例を図５に、各面の自由曲面係数を図６及び図７に示す。図６及び図７に示すように、主プリズム２、外景光補償プリズム３とも、各面２１、２２、２３、３１、３２は非球面とされている。この光学系の光路図（レイトレース図）を図８に示す。なお、図８においては、両プリズム２，３を簡略化して描いているが、レイトレースの計算においては正しい形状を用いている。この計算による、画像表示面のディストーション及びスポットエラーを図９に、シースルー表示面のディストーション及びスポットエラーを図１０に示す。
【００１８】
なお、上記いずれの実施例においても、画像表示素子１には、自発光型、反射型、透過型のいずれのものを用いることができる。また、カラー・モノクロのいずれであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の眼前装着用表示装置の光学系の２種の構成例を示す断面図。
【図２】本発明の一実施例である眼前装着用表示装置の装着状態を示す斜視図。
【図３】第１実施例の表示装置の内部の光学系の構成図。
【図４】第２実施例の表示装置の内部の光学系の構成図。
【図５】第２実施例の表示装置の光学系の光路設計図。
【図６】第２実施例の表示装置の主プリズムの各面の自由曲面係数表。
【図７】第２実施例の表示装置の外景補償プリズムの各面の自由曲面係数表。
【図８】第２実施例の表示装置のレイトレース図。
【図９】第２実施例の表示装置における画像表示面のディストーション及びスポットエラー図。
【図１０】第２実施例の表示装置におけるシースルー表示面のディストーション及びスポットエラー図。
【符号の説明】
１０、１１…眼前装着用表示装置
１…画像表示素子
２…主プリズム
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
３…外景補償プリズム
３１…第１面
３２…第２面

Claims

画像表示光の出射手段と接眼光学系を備え、該画像表示光が接眼光学系により観察者の眼に導かれることで観察者が虚像を視認する構成となっている眼前装着用表示装置において、
前記接眼光学系が、前記画像表示光出射手段に対向する第１面、観察者の眼に対向する第２面、並びに、それら第１面及び第２面とで略三角形を形成する第３面を有する光学素子を備え、第１面から入射した画像表示光が最初に第２面で反射し、第２面と第３面との間で各面で少なくとも２回反射した後、第２面から観察者の眼に入射するように、第２面と第３面とが配置されていることを特徴とする眼前装着用表示装置。
上記第１面、第２面、第３面のうち少なくとも１面が非球面形状である請求項１に記載の眼前装着用表示装置。
上記光学素子（主光学素子）の第３面の前方に、前方面を前記第２面と同一形状の面とし、後方面を前記第３面と同一形状の面とした外景光補償光学素子を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の眼前装着用表示装置。
前記主光学素子と外景光補償光学素子の間に僅かな隙間を設けたことを特徴とする請求項３に記載の眼前装着用表示装置。