JP5077545B2 - コンバイナ光学系、装着型ディスプレイ装置、および眼鏡 - Google Patents

Description

本発明は、コンバイナ光学系、装着型ディスプレイ装置、および眼鏡に関し、さらに詳細には眼鏡タイプの装着型ディスプレイ装置に関するものである。

従来、眼鏡タイプの装着型ディスプレイ装置が知られている（特許文献１を参照）。この装着型ディスプレイ装置では、例えば一方の眼鏡レンズに埋め込まれた薄型のコンバイナ光学系を介して、画像表示面からの光を観察者の瞳へ導いている。このようなコンバイナ光学系を用いることにより、観察者は眼鏡レンズを介して外界を見ながら画像表示された情報を得ることができる。

特開２００５−８４５２２号公報

装着型ディスプレイ装置では、眼鏡レンズへの埋め込みを重視してコンバイナ光学系の薄型化を図っているため、観察に適した画角の広い画像を観察者に提示することができない可能性がある。また、観察者が眼鏡レンズを介して外界を見る際に、コンバイナ光学系の反射部が視界を遮る度合いが比較的大きくなる可能性がある。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、観察に適した画角の比較的広い画像を提示することのできる装着型ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、屈折率が１．７よりも大きい光学材料により形成されて、画像表示面から一方の端面を介して入射した光を導く導光プリズムと、
前記導光プリズムの前記一方の端面と他方の端面との間の光路中に設けられた偏光分離面と、
前記偏光分離面と前記他方の端面との間の光路中に設けられた１／４波長板と、
前記導光プリズムの前記他方の端面に設けられた反射面とを備え、
前記反射面を経て前記偏光分離面に再入射した光が前記導光プリズムの一方の側面を介して観察者のアイポイントに達するように構成され、
前記偏光分離面に再入射する光束の中心光線の入射角度、および前記偏光分離面と前記導光プリズムの前記一方の側面とがなす角度は４２度よりも小さく設定され、
前記反射面の光軸中心を通り且つ光軸に垂直な面を延長した仮想面と前記導光プリズムの前記一方の側面から射出される光束の中心光線との交点と、前記アイポイントとの距離が５ｍｍよりも小さく設定されていることを特徴とするコンバイナ光学系を提供する。

本発明の第２形態では、第１形態のコンバイナ光学系と、前記画像表示面を有する画像表示素子とを備えていることを特徴とする装着型ディスプレイ装置を提供する。

本発明の第３形態では、第２形態の装着型ディスプレイ装置を備えていることを特徴とする眼鏡を提供する。

本発明の第４形態では、第１形態のコンバイナ光学系がファインダー光学系に組み込まれていることを特徴とする一眼レフカメラを提供する。

本発明の装着型ディスプレイ装置では、屈折率が１．７よりも大きい光学材料により導光プリズムが形成されているので、導光プリズムの空気換算光路長が短くなり、その内部を伝播する光束の拡がりが小さく抑えられる。また、偏光分離面に再入射する光束の中心光線の入射角度、および偏光分離面と導光プリズムの射出側面とがなす角度は４２度よりも小さく設定されているので、観察者のアイポイントから偏光分離面を見込む角度が比較的大きく確保される。このように、導光プリズムの内部を伝播する光束の拡がりが小さく抑えられ且つアイポイントから偏光分離面を見込む角度が比較的大きく確保されるので、観察に適した画角の比較的広い画像を提示することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる眼鏡タイプの装着型ディスプレイ装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。図２は、図１の装着型ディスプレイ装置の内部構成を概略的に示す図であって、装用時の装着型ディスプレイ装置を上から見た図である。

本実施形態にかかる眼鏡タイプの装着型ディスプレイ装置は、図１に示すように、眼鏡３０の一方のレンズ３１に埋め込まれたコンバイナ光学系１０と、コンバイナ光学系１０の近傍に設けられた画像表示装置２０とを備えている。なお、図１では図面の明瞭化のために右側（装用者にとって右側）の眼鏡レンズ３１にコンバイナ光学系１０を埋め込んだ構成を例示しているが、図２では通例にしたがって光が左から右へ進むように左側の眼鏡レンズにコンバイナ光学系１０が埋め込まれた構成を示している。

図２を参照すると、画像表示装置２０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル２１、ＬＣＤパネル２１を照明する発光ダイオード（ＬＥＤ）２２、ＬＣＤパネル２１の表示画像およびＬＥＤ２２からの照明光を制御する制御部２３を備えている。コンバイナ光学系１０は、光の入射順に、集光レンズ１１、導光プリズム（光伝播プリズム）１２、導光プリズム１２の内部に設けられた偏光分離膜（偏光分離面）１３、導光プリズム１２の内部に設けられた１／４波長板１４、および凹面状の反射面１５を備えている。

画像表示装置２０では、画像表示素子としてのＬＣＤパネル２１を透過した直線偏光の光（図２の紙面に平行な偏光方向を有する光）、すなわちＬＣＤパネル２１に表示された画像情報を含む光が、コンバイナ光学系１０に向かって照射される。画像表示装置２０からの光は、例えば接合正レンズのような集光レンズ１１により集光され、導光プリズム１２の入射端面（一方の端面）１２ａに入射する。

導光プリズム１２の入射端面１２ａに入射した光は、導光プリズム１２の側面（眼鏡レンズ３１の外側の面（表面）に対応する面）１２ｂで全反射された後、Ｐ偏光状態で偏光分離膜（偏光ビームスプリッタ）１３を透過する。偏光分離膜１３を透過した光は、１／４波長板１４を介して円偏光に変換され、反射面１５に入射する。反射面１５は、導光プリズム１２の他方の端面１２ｃに形成され、偏光分離膜１３側に凹面を向けている。

反射面１５に入射した光は、反射されて概平行光になり、反射面１５への入射光と同じ光路に沿って、偏光分離膜１３に再入射する。すなわち、反射面１５で反射された円偏光の光は、１／４波長板１４を介してＳ偏光に変換され、偏光分離膜１３に再入射する。偏光分離膜１３で反射された光は、導光プリズム１２の側面（眼鏡レンズ３１の内側の面（裏面）に対応する面）１２ｄを介して、観察者のアイポイントＥＰに達し、ひいては観察眼の網膜上に結像する。

一方、外界からの背景光は、導光プリズム１２およびその周囲（図２では導光プリズム１２の右側および上下）の眼鏡レンズ３１を介して、観察者のアイポイントＥＰに達する。すなわち、導光プリズム１２の側面１２ｂから入射した背景光は側面１２ｄを介してアイポイントＥＰに達し、眼鏡レンズ３１の表面から入射した背景光は裏面を介してアイポイントＥＰに達する。こうして、観察者は、眼鏡レンズ３１を介して外界を見ながら、画像表示装置２０から提供される画像情報も同時に観察することができる。

本実施形態では、屈折率が１．７よりも大きい光学材料により導光プリズム１２が形成されている。その結果、導光プリズム１２の空気換算光路長が短くなるので、導光プリズム１２の内部を伝播する光束の拡がりが小さく抑えられる。また、偏光分離膜１３に再入射する光束の中心光線の入射角度、および偏光分離膜１３と導光プリズム１２の側面１２ｄとがなす角度は４２度よりも小さく設定されている。その結果、アイポイントＥＰから偏光分離膜１３を見込む角度が比較的大きく確保される。

以上のように、本実施形態の装着型ディスプレイ装置では、導光プリズム１２の内部を伝播する光束の拡がりが小さく抑えられ且つアイポイントＥＰから偏光分離膜１３を見込む角度が比較的大きく確保されるので、観察に適した画角の比較的広い画像を提示することができる。なお、導光プリズム１２を形成する光学材料の屈折率を１．７８よりも大きくすることもできる。また、偏光分離膜１３に再入射する光束の中心光線の入射角度、および偏光分離膜１３と導光プリズム１２の側面１２ｄとがなす角度を４０度よりも小さくすることもできる。

以下、具体的な数値実施例にしたがって、本実施形態のコンバイナ光学系１０の構成をさらに詳細に説明する。本実施例では、ｄ線（波長λ＝５８７ｎｍ）における屈折率が例えば１．８０４の光学材料により、導光プリズム１２が形成されている。また、画像表示装置２０から集光レンズ１１を介して導光プリズム１２の入射端面１２ａに入射した光束の中心光線の側面１２ｂへの入射角度が、例えば７８度になるように構成されている。

さらに、偏光分離膜１３と導光プリズム１２の側面１２ｄとがなす角度が、例えば３９度に設定されている。したがって、本実施例では、導光プリズム１２の入射端面１２ａに入射して側面１２ｂで全反射された光束の中心光線の偏光分離膜１３への入射角度は、３９度になる。また、反射面１５を経て偏光分離膜１３に再入射する光束の中心光線の偏光分離膜１３への入射角度も３９度になる。

このように、導光プリズム１２の屈折率が１．７よりも大きいという条件、並びに偏光分離膜１３に再入射する光束の中心光線の入射角度、および偏光分離膜１３と導光プリズム１２の側面１２ｄとがなす角度が４２度よりも小さいという条件を満たす構成は容易に実現可能である。ちなみに、導光プリズム１２の屈折率が１．８０４で且つ偏光分離膜１３への光の入射角度が３９度という条件は、偏光分離膜１３におけるＳ偏光の光の透過率を小さく抑えるのに特に好ましい条件である。

ここで、図２を再び参照すると、反射面１５の光軸中心を通り且つ光軸に垂直な面を延長した仮想面（図中破線で示す）４１がアイポイントＥＰを通る場合には、反射面１５が観察者の視界を遮らないことが理解される。換言すれば、仮想面４１がアイポイントＥＰを通らない場合には、反射面１５が観察者の視界を遮る（視界をじゃまする）ことになる。

実用的に、観察者が眼鏡レンズ３１を介して外界を見る際に、コンバイナ光学系１０の反射面１５が視界を実質的に遮らないようにするには、仮想面４１と導光プリズム１２の側面１２ｄから射出される光束の中心光線との交点４１ａと、観察者のアイポイントＥＰとの距離Ｌが５ｍｍよりも小さいことが好ましい。なお、距離Ｌを３ｍｍよりも小さく設定することもできる。

反射面１５とは異なり、偏光分離膜１３は透明であるため、偏光分離膜１３が観察者の視界を遮ることはない。しかしながら、偏光分離膜１３を介することなく、眼鏡レンズ３１を介して外界を鮮明に見ることが容易にできるように構成することも可能である。一例として、図３に示すように、眼鏡レンズ３１を介して外界を見る通常視線方向ＬＯＳから例えば１０度程度下向きの観察視線方向４２が偏光分離膜１３の中心１３ａを通るように配置する構成が考えられる。図３は、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図に対応している。

図３に示す変形例では、観察者の眼球の回旋中心４３を通る通常視線方向ＬＯＳが眼鏡レンズ３１を通り、回旋中心４３を通り通常視線方向ＬＯＳよりも例えば１０度だけ下向きの観察視線方向４２が偏光分離膜１３の中心１３ａを通るように設定されている。この場合、視線を例えばほぼ水平に保つことにより、偏光分離膜１３が視界に入ることなく、眼鏡レンズ３１を介して外界を鮮明に見ることができる。そして、回旋中心４３を中心として眼球を回転させて視線を下向きにして、アイポイントＥＰの位置に観察者の瞳が重なったときに、画像表示装置２０から提供される画像情報を観察することができる。

なお、上述の実施形態では、画像表示装置２０と導光プリズム１２との間の光路中に集光レンズ１１を配置し、導光プリズム１２の端面１２ｃに凹面状の反射面１５を配置している。しかしながら、これに限定されることなく、集光レンズ１１の配置を省略する構成や、凹面状の反射面１５に代えて平面状の反射面を用いる構成も可能である。

また、上述の実施形態では、導光プリズム１２の端面１２ａに入射した光が１回の全反射を経て偏光分離膜１３に達するように構成されている。しかしながら、これに限定されることなく、導光プリズムに入射した光が全反射されることなく偏光分離面に達するような構成も可能である。ただし、導光プリズムの薄型化、ひいてはコンバイナ光学系の薄型化を図るには、導光プリズムの一方の端面に入射した光を少なくとも１回の全反射を経て偏光分離面へ導くことが好ましい。

また、上述の実施形態では、コンバイナ光学系１０が一方の眼鏡レンズ３１に埋め込まれている例を示したが、これに限定されることなく、コンバイナ光学系と眼鏡レンズとを別々の部材として構成することも可能である。

図４は、本実施形態のコンバイナ光学系がファインダー光学系に組み込まれた一眼レフカメラの構成を概略的に示す図である。図４を参照すると、一眼レフカメラ１０１の光学系は、対物レンズ（または交換レンズ）４１と、ミラー４２と、撮像素子４３と、フィールドレンズ４４と、ペンタプリズム４５と、接眼レンズ４６とにより構成されている。ここで、対物レンズ４１、ミラー４２、および撮像素子４３は、撮像系を構成している。フィールドレンズ４４、ペンタプリズム４５、および接眼レンズ４６は、ファインダー光学系を構成している。

図４に示す一眼レフカメラ１０１では、図２に詳細に示したコンバイナ光学系１０が、ファインダー光学系の接眼レンズ４６の射出端付近に装着されている。なお、一眼レフカメラ１０１には画像表示装置２０も組み込まれているが、図４では液晶ディスプレイパネル２１だけを図示し、発光ダイオード２２および制御部２３の図示を省略している。図４に示す構成では、コンバイナ光学系１０を含むファインダー光学系を介して外界を見ながら、画像表示装置２０からコンバイナ光学系１０を介して提供される画像情報も同時に観察することができる。一眼レフカメラ１０１がデジタル撮像系を有する場合、撮像しているときの像をコンバイナ光学系１０から表示しても良い。

一眼レフカメラ１０１では、撮像時にミラー４２のミラーアップ動作によって光束が撮像素子４３に向かうため、ファインダー光学系へ入射する光束が無くなり、ファインダー光学系を介して外界を見ることができない。しかしながら、デジタル撮像された画像をコンバイナ光学系１０から表示することにより、たとえば動画（ムービー）を撮影するときでも、ファインダーから目を離さずに撮影動作を行うことができる。ファインダーを覗きながら一眼レフカメラ１０１を支えることにより、手ブレを小さく抑えた良好な状態で撮影することができる。

また、撮影時以外のときには、ファインダーからシースルーで外界を随時見ることができ、さらに別の撮影情報、たとえばシャッター速度、絞り値、被写体までの距離などの情報をコンバイナ光学系１０から表示することもできる。

以上説明したように、一眼レフカメラ１０１のファインダー光学系に本実施形態のコンバイナ光学系１０を組み込むことにより、現在デジタルカメラにおいて撮像時にファインダーが見えなくなる問題を解決することができる。また、ファインダーから目を離すことなく動画を撮影することもできる。

本発明の実施形態にかかる眼鏡タイプの装着型ディスプレイ装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。 図１の装着型ディスプレイ装置の内部構成を概略的に示す図であって、装用時の装着型ディスプレイ装置を上から見た図である。 図２の線Ａ−Ａに沿った断面図に対応する図であって、変形例にかかる装着型ディスプレイ装置の要部構成を概略的に示す図である。 本実施形態のコンバイナ光学系がファインダー光学系に組み込まれた一眼レフカメラの構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１０ コンバイナ光学系
１１ 集光レンズ
１２ 導光プリズム（光伝播プリズム）
１３ 偏光分離膜（偏光分離面）
１４ １／４波長板
１５ 反射面
２０ 画像表示装置
２１ 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル
２２ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２３ 制御部
ＥＰ アイポイント

Claims (9)

1. 屈折率が１．７よりも大きい光学材料により形成されて、画像表示面から一方の端面を介して入射した光を導く導光プリズムと、
   前記導光プリズムの前記一方の端面と他方の端面との間の光路中に設けられた偏光分離面と、
   前記偏光分離面と前記他方の端面との間の光路中に設けられた１／４波長板と、
   前記導光プリズムの前記他方の端面に設けられた反射面とを備え、
   前記反射面を経て前記偏光分離面に再入射した光が前記導光プリズムの一方の側面を介して観察者のアイポイントに達するように構成され、
   前記偏光分離面に再入射する光束の中心光線の入射角度、および前記偏光分離面と前記導光プリズムの前記一方の側面とがなす角度は４２度よりも小さく設定され、
   前記反射面の光軸中心を通り且つ光軸に垂直な面を延長した仮想面と前記導光プリズムの前記一方の側面から射出される光束の中心光線との交点と、前記アイポイントとの距離が５ｍｍよりも小さく設定されていることを特徴とするコンバイナ光学系。
2. 前記画像表示面と前記導光プリズムの前記一方の端面との間の光路中に配置された集光レンズを備えていることを特徴とする請求項１に記載のコンバイナ光学系。
3. 前記反射面は、前記偏光分離面側に凹面を向けていることを特徴とする請求項１または２に記載のコンバイナ光学系。
4. 前記導光プリズムは、前記一方の端面に入射した光を少なくとも１回の全反射を経て前記偏光分離面へ導くように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコンバイナ光学系。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコンバイナ光学系と、前記画像表示面を有する画像表示素子とを備えていることを特徴とする装着型ディスプレイ装置。
6. 請求項５に記載の装着型ディスプレイ装置を備えていることを特徴とする眼鏡。
7. 前記コンバイナ光学系が一方の眼鏡レンズに埋め込まれていることを特徴とする請求項６に記載の眼鏡。
8. 観察者の眼球の回旋中心を通る通常視線方向が前記一方の眼鏡レンズを通り、前記回旋中心を通り前記通常視線方向よりも所定角度だけ下向きの視線方向が前記偏光分離面の中心を通るように設定されていることを特徴とする請求項６または７に記載の眼鏡。
9. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコンバイナ光学系がファインダー光学系に組み込まれていることを特徴とする一眼レフカメラ。

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