JP4192634B2 - コンバイナ光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シースルー型の画像表示装置（アイグラスディスプレイなど）に搭載されるコンバイナ光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アイグラスディスプレイに搭載されるコンバイナ光学系には、画像表示素子から射出する表示光束と外界から入射する外光とを重畳するためのハーフミラーが配置される。
近年、表示光束の光量ロスを低減するため、ハーフミラーに代えて偏光ビームスプリッタを配置し、かつ１／４波長板を挿入したコンバイナ光学系が提案された（特許文献１など）。
【０００３】
偏光ビームスプリッタと１／４波長板との組み合わせによると、表示光束を特定の偏光方向（ｐ偏光又はｓ偏光）に偏光させておきさえすればその表示光束をほとんどロス無く観察者の眼に導光することができる。
【特許文献１】
特許第３２６０８６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このコンバイナ光学系は、表示光束の光量ロスが抑えられる代わりに観察者の眼に入射する外光の光量が少なく、外光の視認性（以下、「シースルー性」という。）が悪いという欠点がある。
【０００５】
偏光ビームスプリッタは、外光の全部を眼の方向へ透過できるのではなく、ランダムな光である外光の特定の偏光方向の成分（ｐ偏光成分、又はｓ偏光成分）しか透過できないからである。
そこで本発明は、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られたコンバイナ光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明を例示するコンバイナ光学系は、画像表示素子から射出した表示光束の第１偏光成分及び第２偏光成分をそれぞれ反射及び透過する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタを透過又は反射した前記表示光束を反射可能な位置に配置され、かつ光学的パワーを付与してからその表示光束をその偏光ビームスプリッタに再入射させる主反射面と、前記偏光ビームスプリッタと前記主反射面との間に配置された１／４波長板とを備え、シースルー型の画像表示装置に用いられるコンバイナ光学系において、前記偏光ビームスプリッタは、前記表示光束の波長を選択波長とし、かつその選択波長の反射率半値幅が５０ｎｍ以下に狭められた反射波長選択性を有し、前記画像表示素子から前記偏光ビームスプリッタに至る前記表示光束の光路中には、前記偏光ビームスプリッタで反射する表示光束に対してテレセントリック性を付与するための補正用光学系が配置されていることを特徴とする。
【０００７】
なお、前述したコンバイナ光学系において、前記主反射面の配置位置は、前記偏光ビームスプリッタを透過した前記表示光束を反射可能な位置であり、前記補正用光学系は、前記偏光ビームスプリッタに再入射する前記表示光束に対してテレセントリック性を付与してもよい。
【０００８】
また、前述したコンバイナ光学系において、前記主反射面の配置位置は、前記偏光ビームスプリッタを反射した前記表示光束を反射可能な位置であり、前記補正用光学系は、前記偏光ビームスプリッタに最初に入射する前記表示光束に対してテレセントリック性を付与してもよい。
また、前記画像表示素子は、複数種類の色成分からなる前記表示光束を射出するカラー画像表示素子であり、前記偏光ビームスプリッタは、前記複数種類の色成分の波長の各々を選択波長とし、かつそれら選択波長の反射率半値幅がそれぞれ５０ｎｍ以下に狭められた反射波長選択性を有していてもよい。
【０００９】
また、前記偏光ビームスプリッタには、前記反射波長選択性を有した誘電体膜が用いられてもよい。
また、前記偏光ビームスプリッタには、前記反射波長選択性を有した回折パターンが用いられてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
図１、図２、図３、図４、図５を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態では、アイグラスディスプレイに搭載されるコンバイナ光学系について説明する。
【００１３】
図１は、アイグラスディスプレイの外観図であり、図２は、コンバイナ光学系１の模式図である。
図１に示すように、アイグラスディスプレイは、基板１５、光源ユニット３、装着具１６などからなる。
コンバイナ光学系１は、図２中点線で符号１で示す部分であり、光源ユニット３内の画像表示素子（透過型液晶表示素子などからなる。）２０から射出した表示光束に基づき画像表示素子２０の拡大虚像を形成する光学系である。
【００１４】
コンバイナ光学系１を構成する要素は、光源ユニット３内に配置された補正用光学系１８、基板１５内に配置された主反射面（反射ミラー、反射型ホログラム素子など）１７、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３、１／４波長板１４などである。
【００１５】
補正用光学系１８は、収差補正などのために画像表示素子２０の射出側に必要に応じて設けられる。
主反射面１７は、画像表示素子２０の表示画面から射出した表示光束を反射することによって、その表示光束に光学的パワーを付与する。
ＰＢＳ１３は、画像表示素子２０の側から射出した表示光束のｐ偏光成分を透過して主反射面１７に入射させると共に、主反射面１７から戻る光束のｓ偏光成分を反射して所定の遠隔位置（アイポイントＥ．Ｐ．）に入射させる。
【００１６】
ここで、ＰＢＳ１３から１／４波長板１４を介して主反射面１７にて反射した表示光束は、１／４波長板１４を往復することにより、ＰＢＳ１３に再入射するときには、ｓ偏光となっている。
よって、再入射したその表示光束は、その全部がＰＢＳ１３において反射され、アイポイントＥ．Ｐ．に入射する。
【００１７】
上記した主反射面１７の光学的パワーにより、このアイポイントＥ．Ｐ．に入射する表示光束は、平行光束に近づけられている。
したがって、画像表示素子２０の表示画面の拡大虚像がＰＢＳ１３の外界側（アイポイントＥ．Ｐ．からＰＢＳ１３を覗いたときの前方）に形成される。
図１に示した装着具１６は、アイポイントＥ．Ｐ．が観察者の眼の瞳に位置するような位置関係で光源ユニット３と基板１５とを観察者の頭部などに固定する。
【００１８】
この状態で、観察者には、画像表示素子２０の表示画面が眼の前方にあるように見える。また、ＰＢＳ１３は外界から入射する外光を眼の方向へ透過するので、観察者には、この状態で外界を見ることができる。
以上の構成のコンバイナ光学系１によれば、画像表示素子２０から射出する表示光束をｐ偏光に偏光させておきさえすれば、その表示光束をほとんどロス無く観察者の眼に導光することができる。
【００１９】
なお、以上説明したコンバイナ光学系１では、外光については、そのｐ偏光成分のみがＰＢＳ１３を透過して観察者の眼の側に入射する。一方、外光のｓ偏光成分については、ＰＢＳ１３にて反射され、眼には入射しない。従来のコンバイナ光学系のシースルー性が低かったのは、このためである。
そこで、本実施形態のコンバイナ光学系１においては、ＰＢＳ１３には、表示光束の波長を選択波長とし、かつその選択波長の反射率半値幅Δが５０ｎｍ以下であるような反射波長選択性が付与される。
【００２０】
ＰＢＳ１３に所望の反射波長選択性を付与するには、次のようにすればよい。例えば、所望の反射波長選択性を有した誘電体膜（例えばＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）をＰＢＳ１３に用いる。
或いは、所望の反射波長選択性を有した回折パターンをＰＢＳ１３に用いる。或いは、所望の反射波長選択性を有したＧＢＯ（Giant Birefringent Optics）をＰＢＳ１３に用いる。
【００２１】
ここで、画像表示素子２０がモノクロ画像表示素子であるとき、表示光束は、例えば、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）の光からなる。
このとき、ＰＢＳ１３に付与されるべき反射波長選択性は、例えば図３のとおりである。
図３は、誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の一例を示す図である。
【００２２】
なお、図３において、実線がｓ偏光の光に対する反射特性を示し、破線がｐ偏光の光に対する反射特性を示している。因みに、偏光ビームスプリッタはｐ偏光の光については透過するので、ｐ偏光の光に対する反射率は波長に依らず略０である。
図３に示す反射波長選択性の選択波長λ0は、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）である。しかも、その選択波長λ0の反射率半値幅Δは、５０ｎｍ以下に狭められている。
【００２３】
このように反射波長選択性の付与されたＰＢＳ１３は、入射光のｐ偏光成分を透過するだけでなく、非選択波長の入射光についてはそのｓ偏光成分をも透過する。よって、ＰＢＳ１３は、ｓ偏光の光の透過率が高い。
しかも、その選択波長λ0の反射率半値幅Δは５０ｎｍ以下と極めて狭いので、非選択波長の波長範囲は極めて広く、ｓ偏光の光の透過率は極めて高い。
【００２４】
したがって、観察者の眼に入射する外光の光量は従来よりも増加し、シースルー性が高まる。
以上、本実施形態のコンバイナ光学系１によれば、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られる。
なお、このように付与された反射波長選択性の画角内での変動を抑えるために、ＰＢＳ１３にて反射する有効な表示光束（ここでは、ＰＢＳ１３に再入射して反射する表示光束Ａ）に対しテレセントリック性が付与されていることが望ましい。
【００２５】
なお、本明細書において、文言「テレセントリック性」とは、物体面（ここでは、画像表示素子２０の表示画面）の互いに異なる位置から射出した各光束の主光線同士の平行性を指す。
テレセントリック性が付与されれば、画像表示素子２０の表示画面上の各位置から射出した各光束がそれぞれ略均一な波長特性で反射されるので、観察者によって観察される画像にムラが生じ難くなる。
【００２６】
コンバイナ光学系１においてこのテレセントリック性を表示光束に付与するためには、画像表示素子２０から表示光束Ａまでに配置された光学系が最適化されていればよい。
具体的に、本実施形態のコンバイナ光学系１においては、例えば、主反射面１７の光学的パワーを最適化すればよい。
【００２７】
さらに言えば、画像表示素子２０に対する補正用光学系１８の位置関係、主反射面１７の位置関係、及びＰＢＳ１３の位置関係、並びに、補正用光学系１８の光学的パワー、主反射面１７の光学的パワーなどの少なくとも１つを最適化すればよい（なお、これらパラメータに、基板１５の補正用光学系１８側の端面の形状などを加えてもよい。）。
【００２８】
なお、画像表示素子２０がカラー画像表示素子であるとき、表示光束は一般に、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）、赤（Ｒ）色（波長６５０ｎｍ近傍）、青（Ｂ）色（４７５ｎｍ近傍）の各光からなる。
このとき、ＰＢＳ１３に付与されるべき反射波長選択性は、例えば図４又は図５のようになる。
【００２９】
図４，図５は、誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の例を示す図である。
なお、図４，図５において、実線がｓ偏光の光に対する反射特性を示し、破線がｐ偏光の光に対する反射特性を示している。因みに、偏光ビームスプリッタはｐ偏光については透過するので、ｐ偏光の光に対する反射率は波長に依らず略０である。
【００３０】
図４，図５に示す反射波長選択性の選択波長λ0は、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）、赤（Ｒ）色（波長６５０ｎｍ近傍）、青（Ｂ）色（４７５ｎｍ近傍）である。しかも、それら選択波長λ0の反射率半値幅Δは、それぞれ５０ｎｍ以下に狭められている。
図４，図５の相違は、反射率半値幅Δの相違である。図４に示したものの方が、反射率半値幅Δが狭いので、コンバイナ光学系１のシースルー性をより高くすることができる。
【００３１】
［第２実施形態］
図６を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態は、コンバイナ光学系の別の例である。ここでは、第１実施形態のコンバイナ光学系１との相違点についてのみ説明する。
図６は、本実施形態のコンバイナ光学系２の模式図である。
【００３２】
図６に示すように、コンバイナ光学系２を構成する要素は、コンバイナ光学系１と同様、補正用光学系１８、主反射面１７、１／４波長板１４、ＰＢＳ１３などである。また、補正用光学系１８は、光源ユニット３内の画像表示素子２０の射出側に必要に応じて設けられる。また、１／４波長板１４は、主反射面１７の前面に配置される。
【００３３】
但し、ＰＢＳ１３に対する主反射面１７及び１／４波長板１４の位置関係は、コンバイナ光学系１におけるそれとは反対になっている。
ＰＢＳ１３は、画像表示素子２０の側から射出した表示光束のｓ偏光成分を反射して主反射面１７に入射させると共に、主反射面１７から戻る光束のｐ偏光成分を透過して所定の遠隔位置（アイポイントＥ．Ｐ．）に入射させる。
【００３４】
ここで、本実施形態のコンバイナ光学系２においても、ＰＢＳ１３から１／４波長板１４を介して主反射面１７にて反射した表示光束は、１／４波長板１４を往復することにより、ＰＢＳ１３に再入射するときには、ｐ偏光となっている。よって、再入射したその表示光束は、その全部がＰＢＳ１３において透過し、アイポイントＥ．Ｐ．に入射する。
【００３５】
以上の構成のコンバイナ光学系２によれば、画像表示素子２０から射出する表示光束をｓ偏光に偏光させておきさえすれば、その表示光束をほとんどロス無く観察者の眼に導光することができる。
なお、以上説明したコンバイナ光学系２でも、外光については、そのｐ偏光成分のみがＰＢＳ１３を透過して観察者の眼の側に入射する一方で、外光のｓ偏光成分については、ＰＢＳ１３にて反射され、眼には入射しない。
【００３６】
そこで、本実施形態のＰＢＳ１３にも、第１実施形態のコンバイナ光学系１において説明したのと同様の反射波長選択性（図３、図４、図５参照）が付与される。
このような本実施形態のコンバイナ光学系２によれば、ＰＢＳ１３のｓ偏光成分の透過率が高まるので、第１実施形態のコンバイナ光学系１と同様に、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られる。
【００３７】
また、コンバイナ光学系２においても、反射波長選択性の画角内での変動を抑えるために、ＰＢＳ１３において反射する有効な表示光束（ここでは、ＰＢＳ１３に最初に入射して反射する表示光束Ａ）に対し、テレセントリック性が付与される。
コンバイナ光学系２においてこのテレセントリック性を表示光束に付与するためには、画像表示素子２０から表示光束Ａまでに配置された光学系が最適化されていればよい。
【００３８】
具体的に、本実施形態のコンバイナ光学系２においては、画像表示素子２０に対する補正用光学系１８の位置関係、ＰＢＳ１３の位置関係、補正用光学系１８の光学的パワーなどを最適化すればよい（なお、これらパラメータに、基板１５の補正用光学系１８側の端面の形状などを加えてもよい。）。
［その他］
なお、第１実施形態のコンバイナ光学系１、又は第２実施形態のコンバイナ光学系２においては、主反射面１７に対しＰＢＳ１３と同様の反射波長選択性を付与してもよい。これによって、主反射面１７におけるシースルー性を高めることができる。
【００３９】
また、第１実施形態のコンバイナ光学系１、又は第２実施形態のコンバイナ光学系２に、外光と観察画像との間の輝度差を必要に応じて低減することのできる機能を設けてもよい。外界が明るすぎるときには眼が疲れやすくなるからである。
【００４０】
この機能を設けるには、例えば、コンバイナ光学系１又はコンバイナ光学系２の基板１５の外界側に、液晶板やエレクトロクロミック板など、外光の透過率を電気的に調整することのできる調光素子を付加すればよい。
さらに、外界の輝度を測定する照度センサを画像表示素子２０の近傍などに配置し、この照度センサの出力にその調光素子を連動させれば、輝度差の低減を自動化することもできる。
【００４１】
また、第１実施形態又は第２実施形態のコンバイナ光学系１、２は、画像表示素子２０から射出される表示光束を直接、観察者の眼に導光するものであるが、画像表示素子２０の表示画面の中間像から射出される表示光束を観察者の眼に導光するコンバイナ光学系を構成することもできる。
【００４２】
【実施例】
以下、図面及び表により本発明の実施例を示す。なお、以下の各実施例において、ＰＢＳ１３は、上述した各実施形態におけるＰＢＳ１３と同様、図３，図４，図５の何れかの反射波長選択性が付与される。
【００４３】
［第１実施例］
本実施例は、第２実施形態に対応する実施例である。
図７は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
なお、図７では、光路に作用しない面については一部省略してある。また、
図７の各要素には、実施形態においてそれに対応する要素と同じ符号を付した。また、画像表示素子２０の表示画面の配置位置については、符号「２０ａ」を付した（図８，図９，図１０，図１１，図１２においても同様。）。
【００４４】
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射型ホログラム素子（ＨＯＥ）が用いられている。
表１、表２は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表１】
【表２】
なお、表に示すデータの光線追跡の方向は、射出瞳（アイポイントＥ．Ｐ．）から表示画面２０ａへ向かう方向とした。
データを表す座標系としては、射出瞳の中心に原点があり、かつ、観察者の手前から前方方向をＺ方向、観察者の上下方向をＸ方向、観察者の右左方向をＹ方向としたＸＹＺ座標系を採用した。
【００４５】
また、表中の数値の単位は、個別の指定のあるものを除き、長さは［ｍｍ］、角度は［°］である。
また、表において、「ｎｄ」はｄ線に対する屈折率、「νｄ」はｄ線に対するアッベ数を示す。
また、以上の表についての説明は、以下の各表においても同様に当てはまる。
【００４６】
［第２実施例］
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
図８は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射ミラーが用いられている。
【００４７】
表３、表４は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表３】
【表４】
［第３実施例］
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
【００４８】
図９は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、ＨＯＥが用いられている。
表５、表６は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表５】
【表６】
［第４実施例］
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
図１０は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、ＨＯＥが用いられている。
【００４９】
表７、表８は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表７】
【表８】
［第５実施例］
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
【００５０】
図１１は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射ミラーが用いられている。
表９、表１０は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表９】
【表１０】
［第６実施例］
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
【００５１】
図１２は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射ミラーが用いられている。
表１１、表１２は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表１１】
【表１２】
【００５２】
【発明の効果】
以上本発明によれば、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られたコンバイナ光学系が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】アイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】第１実施形態のコンバイナ光学系１の模式図である。
【図３】誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の一例を示す図である。
【図４】誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の別の例を示す図である。
【図５】誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性のさらに別の例を示す図である。
【図６】第２実施形態のコンバイナ光学系２の模式図である。
【図７】第１実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図８】第２実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図９】第３実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１０】第４実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１１】第５実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１２】第６実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【符号の説明】
１，２ コンバイナ光学系
３ 光源ユニット
１３ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１４ １／４波長板
１７ 主反射面
１８ 補正用光学系
１５ 基板
２０ 画像表示素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、シースルー型の画像表示装置（アイグラスディスプレイなど）に搭載されるコンバイナ光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アイグラスディスプレイに搭載されるコンバイナ光学系には、画像表示素子から射出する表示光束と外界から入射する外光とを重畳するためのハーフミラーが配置される。
近年、表示光束の光量ロスを低減するため、ハーフミラーに代えて偏光ビームスプリッタを配置し、かつ１／４波長板を挿入したコンバイナ光学系が提案された（特許文献１など）。
【０００３】
偏光ビームスプリッタと１／４波長板との組み合わせによると、表示光束を特定の偏光方向（ｐ偏光又はｓ偏光）に偏光させておきさえすればその表示光束をほとんどロス無く観察者の眼に導光することができる。
【特許文献１】
特許第３２６０８６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このコンバイナ光学系は、表示光束の光量ロスが抑えられる代わりに観察者の眼に入射する外光の光量が少なく、外光の視認性（以下、「シースルー性」という。）が悪いという欠点がある。
【０００５】
偏光ビームスプリッタは、外光の全部を眼の方向へ透過できるのではなく、ランダムな光である外光の特定の偏光方向の成分（ｐ偏光成分、又はｓ偏光成分）しか透過できないからである。
そこで本発明は、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られたコンバイナ光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明を例示するコンバイナ光学系は、画像表示素子から射出した表示光束の第１偏光成分及び第２偏光成分をそれぞれ反射及び透過する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタを透過又は反射した前記表示光束を反射可能な位置に配置され、かつ光学的パワーを付与してからその表示光束をその偏光ビームスプリッタに再入射させる主反射面と、前記偏光ビームスプリッタと前記主反射面との間に配置された１／４波長板とを備え、シースルー型の画像表示装置に用いられるコンバイナ光学系において、前記偏光ビームスプリッタは、前記表示光束の波長を選択波長とし、かつその選択波長の反射率半値幅が５０ｎｍ以下に狭められた反射波長選択性を有し、前記画像表示素子から前記偏光ビームスプリッタに至る前記表示光束の光路中には、前記偏光ビームスプリッタで反射する表示光束に対してテレセントリック性を付与するための補正用光学系が配置されていることを特徴とする。
【０００７】
なお、前述したコンバイナ光学系において、前記主反射面の配置位置は、前記偏光ビームスプリッタを透過した前記表示光束を反射可能な位置であり、前記補正用光学系は、前記偏光ビームスプリッタに再入射する前記表示光束に対してテレセントリック性を付与してもよい。
【０００８】
また、前述したコンバイナ光学系において、前記主反射面の配置位置は、前記偏光ビームスプリッタを反射した前記表示光束を反射可能な位置であり、前記補正用光学系は、前記偏光ビームスプリッタに最初に入射する前記表示光束に対してテレセントリック性を付与してもよい。
また、前記画像表示素子は、複数種類の色成分からなる前記表示光束を射出するカラー画像表示素子であり、前記偏光ビームスプリッタは、前記複数種類の色成分の波長の各々を選択波長とし、かつそれら選択波長の反射率半値幅がそれぞれ５０ｎｍ以下に狭められた反射波長選択性を有していてもよい。
【０００９】
また、前記偏光ビームスプリッタには、前記反射波長選択性を有した誘電体膜が用いられてもよい。
また、前記偏光ビームスプリッタには、前記反射波長選択性を有した回折パターンが用いられてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
図１、図２、図３、図４、図５を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態では、アイグラスディスプレイに搭載されるコンバイナ光学系について説明する。
【００１３】
図１は、アイグラスディスプレイの外観図であり、図２は、コンバイナ光学系１の模式図である。
図１に示すように、アイグラスディスプレイは、基板１５、光源ユニット３、装着具１６などからなる。
コンバイナ光学系１は、図２中点線で符号１で示す部分であり、光源ユニット３内の画像表示素子（透過型液晶表示素子などからなる。）２０から射出した表示光束に基づき画像表示素子２０の拡大虚像を形成する光学系である。
【００１４】
コンバイナ光学系１を構成する要素は、光源ユニット３内に配置された補正用光学系１８、基板１５内に配置された主反射面（反射ミラー、反射型ホログラム素子など）１７、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３、１／４波長板１４などである。
【００１５】
補正用光学系１８は、収差補正などのために画像表示素子２０の射出側に必要に応じて設けられる。
主反射面１７は、画像表示素子２０の表示画面から射出した表示光束を反射することによって、その表示光束に光学的パワーを付与する。
ＰＢＳ１３は、画像表示素子２０の側から射出した表示光束のｐ偏光成分を透過して主反射面１７に入射させると共に、主反射面１７から戻る光束のｓ偏光成分を反射して所定の遠隔位置（アイポイントＥ．Ｐ．）に入射させる。
【００１６】
ここで、ＰＢＳ１３から１／４波長板１４を介して主反射面１７にて反射した表示光束は、１／４波長板１４を往復することにより、ＰＢＳ１３に再入射するときには、ｓ偏光となっている。
よって、再入射したその表示光束は、その全部がＰＢＳ１３において反射され、アイポイントＥ．Ｐ．に入射する。
【００１７】
上記した主反射面１７の光学的パワーにより、このアイポイントＥ．Ｐ．に入射する表示光束は、平行光束に近づけられている。
したがって、画像表示素子２０の表示画面の拡大虚像がＰＢＳ１３の外界側（アイポイントＥ．Ｐ．からＰＢＳ１３を覗いたときの前方）に形成される。
図１に示した装着具１６は、アイポイントＥ．Ｐ．が観察者の眼の瞳に位置するような位置関係で光源ユニット３と基板１５とを観察者の頭部などに固定する。
【００１８】
この状態で、観察者には、画像表示素子２０の表示画面が眼の前方にあるように見える。また、ＰＢＳ１３は外界から入射する外光を眼の方向へ透過するので、観察者には、この状態で外界を見ることができる。
以上の構成のコンバイナ光学系１によれば、画像表示素子２０から射出する表示光束をｐ偏光に偏光させておきさえすれば、その表示光束をほとんどロス無く観察者の眼に導光することができる。
【００１９】
なお、以上説明したコンバイナ光学系１では、外光については、そのｐ偏光成分のみがＰＢＳ１３を透過して観察者の眼の側に入射する。一方、外光のｓ偏光成分については、ＰＢＳ１３にて反射され、眼には入射しない。従来のコンバイナ光学系のシースルー性が低かったのは、このためである。
そこで、本実施形態のコンバイナ光学系１においては、ＰＢＳ１３には、表示光束の波長を選択波長とし、かつその選択波長の反射率半値幅Δが５０ｎｍ以下であるような反射波長選択性が付与される。
【００２０】
ＰＢＳ１３に所望の反射波長選択性を付与するには、次のようにすればよい。例えば、所望の反射波長選択性を有した誘電体膜（例えばＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）をＰＢＳ１３に用いる。
或いは、所望の反射波長選択性を有した回折パターンをＰＢＳ１３に用いる。或いは、所望の反射波長選択性を有したＧＢＯ（Giant Birefringent Optics）をＰＢＳ１３に用いる。
【００２１】
ここで、画像表示素子２０がモノクロ画像表示素子であるとき、表示光束は、例えば、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）の光からなる。
このとき、ＰＢＳ１３に付与されるべき反射波長選択性は、例えば図３のとおりである。
図３は、誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の一例を示す図である。
【００２２】
なお、図３において、実線がｓ偏光の光に対する反射特性を示し、破線がｐ偏光の光に対する反射特性を示している。因みに、偏光ビームスプリッタはｐ偏光の光については透過するので、ｐ偏光の光に対する反射率は波長に依らず略０である。
図３に示す反射波長選択性の選択波長λ0は、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）である。しかも、その選択波長λ0の反射率半値幅Δは、５０ｎｍ以下に狭められている。
【００２３】
このように反射波長選択性の付与されたＰＢＳ１３は、入射光のｐ偏光成分を透過するだけでなく、非選択波長の入射光についてはそのｓ偏光成分をも透過する。よって、ＰＢＳ１３は、ｓ偏光の光の透過率が高い。
しかも、その選択波長λ0の反射率半値幅Δは５０ｎｍ以下と極めて狭いので、非選択波長の波長範囲は極めて広く、ｓ偏光の光の透過率は極めて高い。
【００２４】
したがって、観察者の眼に入射する外光の光量は従来よりも増加し、シースルー性が高まる。
以上、本実施形態のコンバイナ光学系１によれば、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られる。
なお、このように付与された反射波長選択性の画角内での変動を抑えるために、ＰＢＳ１３にて反射する有効な表示光束（ここでは、ＰＢＳ１３に再入射して反射する表示光束Ａ）に対しテレセントリック性が付与されていることが望ましい。
【００２５】
なお、本明細書において、文言「テレセントリック性」とは、物体面（ここでは、画像表示素子２０の表示画面）の互いに異なる位置から射出した各光束の主光線同士の平行性を指す。
テレセントリック性が付与されれば、画像表示素子２０の表示画面上の各位置から射出した各光束がそれぞれ略均一な波長特性で反射されるので、観察者によって観察される画像にムラが生じ難くなる。
【００２６】
コンバイナ光学系１においてこのテレセントリック性を表示光束に付与するためには、画像表示素子２０から表示光束Ａまでに配置された光学系が最適化されていればよい。
具体的に、本実施形態のコンバイナ光学系１においては、例えば、主反射面１７の光学的パワーを最適化すればよい。
【００２７】
さらに言えば、画像表示素子２０に対する補正用光学系１８の位置関係、主反射面１７の位置関係、及びＰＢＳ１３の位置関係、並びに、補正用光学系１８の光学的パワー、主反射面１７の光学的パワーなどの少なくとも１つを最適化すればよい（なお、これらパラメータに、基板１５の補正用光学系１８側の端面の形状などを加えてもよい。）。
【００２８】
なお、画像表示素子２０がカラー画像表示素子であるとき、表示光束は一般に、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）、赤（Ｒ）色（波長６５０ｎｍ近傍）、青（Ｂ）色（４７５ｎｍ近傍）の各光からなる。
このとき、ＰＢＳ１３に付与されるべき反射波長選択性は、例えば図４又は図５のようになる。
【００２９】
図４，図５は、誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の例を示す図である。
なお、図４，図５において、実線がｓ偏光の光に対する反射特性を示し、破線がｐ偏光の光に対する反射特性を示している。因みに、偏光ビームスプリッタはｐ偏光については透過するので、ｐ偏光の光に対する反射率は波長に依らず略０である。
【００３０】
図４，図５に示す反射波長選択性の選択波長λ0は、緑（Ｇ）色（波長５２５ｎｍ近傍）、赤（Ｒ）色（波長６５０ｎｍ近傍）、青（Ｂ）色（４７５ｎｍ近傍）である。しかも、それら選択波長λ0の反射率半値幅Δは、それぞれ５０ｎｍ以下に狭められている。
図４，図５の相違は、反射率半値幅Δの相違である。図４に示したものの方が、反射率半値幅Δが狭いので、コンバイナ光学系１のシースルー性をより高くすることができる。
【００３１】
［第２実施形態］
図６を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態は、コンバイナ光学系の別の例である。ここでは、第１実施形態のコンバイナ光学系１との相違点についてのみ説明する。
図６は、本実施形態のコンバイナ光学系２の模式図である。
【００３２】
図６に示すように、コンバイナ光学系２を構成する要素は、コンバイナ光学系１と同様、補正用光学系１８、主反射面１７、１／４波長板１４、ＰＢＳ１３などである。また、補正用光学系１８は、光源ユニット３内の画像表示素子２０の射出側に必要に応じて設けられる。また、１／４波長板１４は、主反射面１７の前面に配置される。
【００３３】
但し、ＰＢＳ１３に対する主反射面１７及び１／４波長板１４の位置関係は、コンバイナ光学系１におけるそれとは反対になっている。
ＰＢＳ１３は、画像表示素子２０の側から射出した表示光束のｓ偏光成分を反射して主反射面１７に入射させると共に、主反射面１７から戻る光束のｐ偏光成分を透過して所定の遠隔位置（アイポイントＥ．Ｐ．）に入射させる。
【００３４】
ここで、本実施形態のコンバイナ光学系２においても、ＰＢＳ１３から１／４波長板１４を介して主反射面１７にて反射した表示光束は、１／４波長板１４を往復することにより、ＰＢＳ１３に再入射するときには、ｐ偏光となっている。よって、再入射したその表示光束は、その全部がＰＢＳ１３において透過し、アイポイントＥ．Ｐ．に入射する。
【００３５】
以上の構成のコンバイナ光学系２によれば、画像表示素子２０から射出する表示光束をｓ偏光に偏光させておきさえすれば、その表示光束をほとんどロス無く観察者の眼に導光することができる。
なお、以上説明したコンバイナ光学系２でも、外光については、そのｐ偏光成分のみがＰＢＳ１３を透過して観察者の眼の側に入射する一方で、外光のｓ偏光成分については、ＰＢＳ１３にて反射され、眼には入射しない。
【００３６】
そこで、本実施形態のＰＢＳ１３にも、第１実施形態のコンバイナ光学系１において説明したのと同様の反射波長選択性（図３、図４、図５参照）が付与される。
このような本実施形態のコンバイナ光学系２によれば、ＰＢＳ１３のｓ偏光成分の透過率が高まるので、第１実施形態のコンバイナ光学系１と同様に、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られる。
【００３７】
また、コンバイナ光学系２においても、反射波長選択性の画角内での変動を抑えるために、ＰＢＳ１３において反射する有効な表示光束（ここでは、ＰＢＳ１３に最初に入射して反射する表示光束Ａ）に対し、テレセントリック性が付与される。
コンバイナ光学系２においてこのテレセントリック性を表示光束に付与するためには、画像表示素子２０から表示光束Ａまでに配置された光学系が最適化されていればよい。
【００３８】
具体的に、本実施形態のコンバイナ光学系２においては、画像表示素子２０に対する補正用光学系１８の位置関係、ＰＢＳ１３の位置関係、補正用光学系１８の光学的パワーなどを最適化すればよい（なお、これらパラメータに、基板１５の補正用光学系１８側の端面の形状などを加えてもよい。）。
［その他］
なお、第１実施形態のコンバイナ光学系１、又は第２実施形態のコンバイナ光学系２においては、主反射面１７に対しＰＢＳ１３と同様の反射波長選択性を付与してもよい。これによって、主反射面１７におけるシースルー性を高めることができる。
【００３９】
また、第１実施形態のコンバイナ光学系１、又は第２実施形態のコンバイナ光学系２に、外光と観察画像との間の輝度差を必要に応じて低減することのできる機能を設けてもよい。外界が明るすぎるときには眼が疲れやすくなるからである。
【００４０】
この機能を設けるには、例えば、コンバイナ光学系１又はコンバイナ光学系２の基板１５の外界側に、液晶板やエレクトロクロミック板など、外光の透過率を電気的に調整することのできる調光素子を付加すればよい。
さらに、外界の輝度を測定する照度センサを画像表示素子２０の近傍などに配置し、この照度センサの出力にその調光素子を連動させれば、輝度差の低減を自動化することもできる。
【００４１】
また、第１実施形態又は第２実施形態のコンバイナ光学系１、２は、画像表示素子２０から射出される表示光束を直接、観察者の眼に導光するものであるが、画像表示素子２０の表示画面の中間像から射出される表示光束を観察者の眼に導光するコンバイナ光学系を構成することもできる。
【００４２】
【実施例】
以下、図面及び表により本発明の実施例を示す。なお、以下の各実施例において、ＰＢＳ１３は、上述した各実施形態におけるＰＢＳ１３と同様、図３，図４，図５の何れかの反射波長選択性が付与される。
【００４３】
［第１実施例］
本実施例は、第２実施形態に対応する実施例である。
図７は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
なお、図７では、光路に作用しない面については一部省略してある。また、
図７の各要素には、実施形態においてそれに対応する要素と同じ符号を付した。また、画像表示素子２０の表示画面の配置位置については、符号「２０ａ」を付した（図８，図９，図１０，図１１，図１２においても同様。）。
【００４４】
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射型ホログラム素子（ＨＯＥ）が用いられている。
表１、表２は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表１】
データを表す座標系としては、射出瞳の中心に原点があり、かつ、観察者の手前から前方方向をＺ方向、観察者の上下方向をＸ方向、観察者の右左方向をＹ方向としたＸＹＺ座標系を採用した。
【００４５】
また、表中の数値の単位は、個別の指定のあるものを除き、長さは［ｍｍ］、角度は［°］である。
また、表において、「ｎｄ」はｄ線に対する屈折率、「νｄ」はｄ線に対するアッベ数を示す。
また、以上の表についての説明は、以下の各表においても同様に当てはまる。
【００４６】
［第２実施例］
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
図８は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射ミラーが用いられている。
【００４７】
表３、表４は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表３】
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
【００４８】
図９は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、ＨＯＥが用いられている。
表５、表６は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表５】
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
図１０は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、ＨＯＥが用いられている。
【００４９】
表７、表８は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表７】
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
【００５０】
図１１は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射ミラーが用いられている。
表９、表１０は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表９】
本実施例は、第１実施形態に対応する実施例である。
【００５１】
図１２は、本実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
このコンバイナ光学系では、主反射面１７として、反射ミラーが用いられている。
表１１、表１２は、本実施例のコンバイナ光学系のデータである。
【表１１】
【発明の効果】
以上本発明によれば、表示光束の光量ロスの低減とシースルー性の向上との双方が同時に図られたコンバイナ光学系が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】アイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】第１実施形態のコンバイナ光学系１の模式図である。
【図３】誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の一例を示す図である。
【図４】誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性の別の例を示す図である。
【図５】誘電体膜（ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5とを所定回数積層してなる多層膜）を利用してＰＢＳ１３に付与された反射波長選択性のさらに別の例を示す図である。
【図６】第２実施形態のコンバイナ光学系２の模式図である。
【図７】第１実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図８】第２実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図９】第３実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１０】第４実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１１】第５実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１２】第６実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【符号の説明】
１，２ コンバイナ光学系
３ 光源ユニット
１３ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１４ １／４波長板
１７ 主反射面
１８ 補正用光学系
１５ 基板
２０ 画像表示素子
Claims (6)
- 画像表示素子から射出した表示光束の第１偏光成分及び第２偏光成分をそれぞれ反射及び透過する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを透過又は反射した前記表示光束を反射可能な位置に配置され、かつ光学的パワーを付与してからその表示光束をその偏光ビームスプリッタに再入射させる主反射面と、
前記偏光ビームスプリッタと前記主反射面との間に配置された１／４波長板とを備え、
シースルー型の画像表示装置に用いられるコンバイナ光学系において、
前記偏光ビームスプリッタは、
前記表示光束の波長を選択波長とし、かつその選択波長の反射率半値幅が５０ｎｍ以下に狭められた反射波長選択性を有し、
前記画像表示素子から前記偏光ビームスプリッタに至る前記表示光束の光路中には、
前記偏光ビームスプリッタで反射する表示光束に対してテレセントリック性を付与するための補正用光学系が配置されている
ことを特徴とするコンバイナ光学系。 - 請求項１に記載のコンバイナ光学系において、
前記主反射面の配置位置は、
前記偏光ビームスプリッタを透過した前記表示光束を反射可能な位置であり、
前記補正用光学系は、
前記偏光ビームスプリッタに再入射する前記表示光束に対してテレセントリック性を付与する
ことを特徴とするコンバイナ光学系。 - 請求項１記載のコンバイナ光学系において、
前記主反射面の配置位置は、
前記偏光ビームスプリッタを反射した前記表示光束を反射可能な位置であり、
前記補正用光学系は、
前記偏光ビームスプリッタに最初に入射する前記表示光束に対してテレセントリック性を付与する
ことを特徴とするコンバイナ光学系。 - 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記画像表示素子は、
複数種類の色成分からなる前記表示光束を射出するカラー画像表示素子であり、
前記偏光ビームスプリッタは、
前記複数種類の色成分の波長の各々を選択波長とし、かつそれら選択波長の反射率半値幅がそれぞれ５０ｎｍ以下に狭められた反射波長選択性を有している
ことを特徴とするコンバイナ光学系。 - 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記偏光ビームスプリッタには、
前記反射波長選択性を有した誘電体膜が用いられる
ことを特徴とするコンバイナ光学系。 - 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載のコンバイナ光学系において、
前記偏光ビームスプリッタには、
前記反射波長選択性を有した回折パターンが用いられる
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
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