JP5272286B2 - 表示装置、画像観察装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、表示光を回折光学素子で回折する表示装置、その表示装置を備えた画像観察装置およびカメラ、および画像観察方法に関する。

従来から、接眼式の表示装置として、ＬＣＤパネル等の表示素子を接眼レンズで観察する、いわゆるビューファインダが知られている（例えば、特許文献１参照）。この接眼式表示装置は、コンパクトでありながら一定の視野の大きさを得ることができるため、携帯に供するカメラ等の表示に好適である。

特開２００５−７７８４０号公報

ところで、表示パネルが小さい場合には、接眼レンズの倍率を大きくする必要があるが、倍率を大きくすると視野が小さくなり、射出瞳位置が接眼レンズに近くなるとともに、射出瞳径が小さくなってしまう。そのため、観察者の瞳位置がずれると、画像にけられが生じ、使い易さの点で解決の余地があった。

一般に接眼レンズの口径を大きくすると射出瞳径も大きくなるが、液晶表示パネルを表示素子に用いた場合、斜め方向から見たときの光量が大きく減衰する。そのため、特許文献１に記載の表示装置のように、散乱板を用いて表示光を散乱させて、光束の広がりを確保する方法もあるが、散乱板を用いると不要な方向ヘの光の損失が大きくなり、表示光量が小さくなってしまう。

請求項１の発明による表示装置は、接眼光学系を介して観察される表示装置であって、画像を表示する表示素子と、前記表示素子の表示面近傍に配設された回折光学素子とを備え、前記回折光学素子は、その周辺部の回折光の回折角度よりも中央部の回折光の回折角度の方が大きくなるように、且つ、前記周辺部では、前記中央部の方向への回折光の回折角度が前記中央部と逆方向への回折光の回折角度よりも大きくなるように、入射する光を回折することを特徴とする。
請求項５の発明による画像観察装置は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置と、前記回折光学素子から出射された回折光を観察方向へ導く接眼光学系とを備えたことを特徴とする。
請求項９の発明によるカメラは、請求項５〜８のいずれか一項に記載の画像観察装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、表示素子の表示面に回折光学素子を配設し、その回折光学素子で回折された光を接眼光学系を介して観察するようにしたので、不要な方向への光損失を抑えつつ、観察眼の瞳孔位置で十分な光束径を得ることができ、瞳位置のずれによる画像のけられ等を低減することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る画像観察装置の概略構成図を示す図である。本実施の形態の画像観察装置は、表示ユニット１と接眼光学系２とから成る。表示ユニット１は、光源１０と、コリメータレンズ１１と、表示素子としての透過型液晶表示装置１２と、回折格子が形成された回折光学素子１３とを備えている。

一方、接眼光学系２には、偏光分離鏡としての偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２１が形成された光学ブロック２０、光学ブロック２０の背面に固定された１／４波長板２２および凹面鏡２３が設けられている。３は観察者の眼（以下では、観察眼と呼ぶ）であり、この画像観察装置は、観察者が光学ブロック２０をその正面（図示右側の側面）から観察するような構成となっている。

図２は画像観察装置を観察眼３側（正面）から見た図である。矩形の光学ブロック２０の中央の帯状領域Ｒには、ＰＢＳ２１、１／４波長板２２および凹面鏡２３が手前側から後方へと順に配設されている。ＰＢＳ２１、１／４波長板２２および凹面鏡２３の正面側から見た形状（投影形状）は全く同じであって、帯状領域Ｒと同一形状になっている。このように、ＰＢＳ２１、１／４波長板２２および凹面鏡２３が水平方向に長く、垂直方向に短い形状をしているので、光学的な視野および射出瞳領域の大きさは、水平方向に大きく、垂直方向に小さくなっていることがわかる。

光源１０には例えばＬＥＤが用いられ、光源１０から出射された光はコリメータレンズ１１により略平行光とされ、透過型液晶表示装置１２を後方（図１では上面）から照明する。なお、ライトガイドを用いて、ライトガイドの側方から光を導入して液晶表示装置１２を照明するようにしても良いし、凹面鏡を用いて、その凹面鏡で反射された光で液晶表示装置１２を照明するようにしても良い。

液晶表示装置１２に入射した光は、液晶層に形成された画像に応じて変調され、液晶表示装置１２の出射側に設けられた偏光板によって偏光方向が光強度に変えられる。ここでは、この偏光板がＳ偏光であるものとする。すなわち、液晶表示装置１２からは、この後段に設置された偏光ビームスプリッター２１で反射される偏光方向の光（Ｓ偏光光）が出射されることになる。

回折光学素子１３は液晶表示装置１２の表示面の近傍に配置されるが、本実施の形態では液晶表示装置の表示面に接して配設されている。液晶表示装置１２からは略平行の表示光が出射され、その表示光は、回折光学素子１３に形成された回折格子によって複数の方向に回折される。回折光の分散状態については後述する。回折光学素子１３により回折された表示光はＰＢＳ２１が形成された光学ブロック２０に入射する。光学ブロック２０に入射した表示光は、上述したようにＳ偏光光となっているため、ＰＢＳ２１により光学ブロック２０の背面方向へと反射される。

ＰＢＳ２１により背面方向へと反射された表示光は、１／４波長板２２を通過することにより円偏光光とされた後に、凹面鏡２３により光学ブロック２０の正面方向へと反射される。この凹面鏡２３は、図３に示すような従来の画像観察装置の接眼レンズ１０１の役割を担っていて、例えば、観察者が０dptであることを仮定すると（実際には−０．２５dpt程度とする場合が多い）、凹面鏡２３の焦点は、液晶表示装置１２の位置に結ぶように配置されている。凹面鏡２３で反射された反射光は、再び１／４波長板２２を通過することにより円偏光光からＰ偏光光へと変換される。Ｐ偏光光の表示光はＰＢＳ２１を透過し、観察者３へと達する。

次に、回折光学素子１３の回折作用について説明する。図２の一点鎖線は、光軸に沿って液晶表示装置１２に入射した光の回折光を模式的に示したものである。液晶表示装置１２を通過して回折光学素子１３に入射した光は、回折作用により０次、±１次、…の回折光にそれぞれ分離され、それらは各回折方向に出射される。

図４は、回折光の分散状態を説明する図であり、接眼光学系２の射出瞳位置における回折光の分布パターンの一例を示したものである。図４において、図示左右方向は水泳方向であって、観察者の両眼瞳の配列方向に対応している。図４に示す回折光の分布パターンは、スポット状の平行光束を液晶表示装置１２に入射させた場合のパターンを示している。

中央の白丸３０が０次回折光を示しており、黒丸３１が１次以上の回折光を表している。いずれの回折光も、液晶表示装置１２の同一領域の表示光が回折されたものであり、各々には同一の画像情報がそれぞれ含まれている。また、回折光学素子１３は表示面の近傍に配置されているので、回折光学素子１３上の点は観察眼３の網膜結像面と略共役になっており、各回折光３０，３１は網膜上の同一位置に結像されることになる。

図２に示した従来の観察装置では、一般に接眼レンズの１０１の口径を大きくすると射出瞳径は大きくなる。しかし、表示パネル１００に液晶表示装置を用いた場合、後方からの照明光を液晶表示装置により強調変調する形をとるので、表示パネル１００を前方斜め方向から覗き込む光路については光量が大きく減衰し、広い射出瞳径を得ることが実質的には困難となる。例えば、図５（ａ）に示すような射出瞳２００であっても、その周辺部分は光量が大きく減衰し、実質的は符号２０１で示す狭い領域しか有効に機能しない。そのため、観察眼３の瞳２０２の位置がずれて領域２０１から外れてしまうと、実質的に画像が観察されなくなる。

一方、本実施の形態では、図５（ｂ）に示すように、回折光３０，３１は上下左右方向に拡がるように分布している。なお、比較のため、図５（ｂ）の場合も射出瞳２００を図示した。回折光３１は図示左右方向に細長く分布しているので、図５（ａ）の場合と同様に瞳２０２が左右方向にずれても、複数個の回折光３１が瞳２０２内に入射することになる。上述したように、各回折光には、液晶表示装置１２のスポット光が通過した部分の画像情報がそれぞれ含まれている。そのため、回折光３０，３１の少なくとも一つが瞳２０２内に入射すれば、スポット光が通過した部分の画像を観察することができる。

このように、本実施の形態では、図２に示すように左右方向（水平方向）に細長い口径の凹面鏡２３を用いることにより左右方向が広い射出瞳領域を形成するとともに、表示光を回折光学素子１３で回折することにより、射出瞳領域内において回折光を左右方向に細長く分布させるようにした。その結果、瞳２０２の位置が左右方向に多少ずれたとしても、画像がけられることはない。回折光の左右方向の分布が広いほど瞳２０２のより大きな位置ずれに対応することができるので、接眼光学系２の細長い射出瞳領域の全域に回折光を分布させるのが好ましい。

なお、本実施の形態では、垂直方向に比べて、水平方向に関しては複数の回折光束が広い領域に拡がるように、回折光学素子１３の回折光分散条件が設定されているが、回折光が長方形断面の光学ブロック２内を導光される関係上、垂直方向に大きく拡げるのは構造的に難しい。また、図１に示す観察装置は両眼視タイプのものであって、瞳孔間距離の調整を不要にすることを目的としていることから、垂直方向に関しては大きくする必要がない。

ところで、回折光学素子１３は、その場所によって必要とされる分散の条件が異なってくる。とりわけ、上述したように水平方向に長い視点を得ようする接眼光学系においては、中心と側方では最適の回折条件は異なる。図６は、画面位置に応じた回折条件を説明する図である。図６（ａ）は回折光学素子１３の画面中央部分１３Ａの回折格子による回折光の分布状況を示す図であり、図６（ｂ）は画面左側部分１３Ｂの回折格子による回折光の分布状況を示す図である。いずれの場合も、白丸が０次回折光を示し、黒丸が一次以上の回折光を示している。

図６（ａ）に示すように、中央部で回折した光は左右対称に回折され、左右方向の間隔は等しくなっている。一方、図６（ｂ）の場合には、０次回折光よりも右側に回折される一次以上の回折光は、左側に回折されるものよりも大きな角度で回折されている。そのため、回折光の左右方向の間隔が右側では広くなっている。そして、画面中央から離れるに従って、図６（ａ）の状態から図６（ｂ）の状態へと連続的に変化するように、各位置に応じた回折格子が形成されている。なお、中央から上下方向に離れた場合も同様である。回折格子の特性を上述したように構成することにより、回折された光が接眼光学系の射出瞳領域外に外れてしまうのを極力防止することができる。

このように、本実施の形態の観察装置では、画面位置によって回折光分散条件が異なるように回折光学素子１３を作成しなければならない。そのため、本実施の形態では、自由な回折条件が設定しやすい計算機ホログラム（ＣＧＨ）の手法を用いて回折光学素子１３を制作するようにしている。

なお、観察される画像の品質を確保するため、回折光学素子１３の回折パターンは少なくとも観察者が視認できないレベルの大きさである必要がある。もちろん、回折光学素子１３は表示面の近傍に配置されているので、回折光学素子１３上の点は観察者の網膜結像面と略共役になり、原理的には回折格子は観察者にとって認知不能になるはずである。しかしながら、実際には回折パターンが視認できることから、回折パターンは大きさとして認識できないレベルにしておく必要がある。具体的には網膜上で角度１分に相当する大きさがその目安となる。

上述した実施の形態では、回折光をＰＢＳ２１で観察眼３の反対側へと反射して、その反射光を凹面鏡２３で観察眼３方向へ反射するような構成としたが、ＰＢＳ２１の位置に凹面鏡２３を配置して、その凹面鏡２３で反射された回折光を直接観察するようにしても良い。また、ＰＢＳ２１の位置に平面鏡を配置して回折光を観察眼３側へと反射し、その反射された回折光を接眼レンズ等を介して観察するようにしても良い。

なお、光源１０にＲＧＢ三色発光タイプのＬＥＤを使用し、ＰＢＳ２１にＲＧＢに対応する波長選択性を持たせることも可能である。特に、シースルーのビューファインダを構成する場合には、このような措置が必要となる。もちろん、通常の電子ビューファインダを目的とする場合には、蛍光タイプの白色発光ＬＥＤを用いてもかまわない。シースルータイプとする場合、１／４波長板２２と凹面鏡２３は、光学ブロック２０の背面側からの光に対して略透明な部材で構成される。例えば、凹面鏡２３をホログラムで構成する。

図７は、上述した画像観察装置をカメラに適用した場合の一例を示す図である。図７は、カメラのファインダ光学系を中心とした概略構成を示したものであり、画像観察装置はシースルー型のビューファインダを構成している。図７において、不図示の被写体からの光（実線で示す）は、撮影レンズ４３を通してミラー（例えば、ハーフミラーやクイックリターンミラー等）４４に導かれ、ミラー４４で反射されて焦点板４５に結像される。焦点板４５に結像された被写体像からの光（被写体光）は、ペンタプリズム４６を介して画像観察装置の光学ブロック２０へと入射する。４７は撮像手段であり、例えば、銀塩フィルムやＣＣＤ撮像素子等が用いられる。

光学ブロック２０に設けられた凹面鏡２３はホログラムで構成され、凹面鏡２３および１／４波長板２２は被写体光に対して略透明な部材で構成されている。そのため、ペンタプリズム４６から凹面鏡２３の背面側に入射した被写体光は、凹面鏡２３および１／４波長板２２を透過して光学ブロック２０内へと入射する。光学ブロック２０内に入射した被写体光は、ＰＢＳ２１を透過して観察者３へと達する。

一方、液晶表示装置１２を出射して回折光学素子１３で回折された表示光は、ＰＢＳ２１で反射された後に、１／４波長板２２→凹面鏡２３→１／４波長板２２→ＰＢＳ２１と進み、ＰＢＳ２１を透過して観察者３へと達する。その結果、観察者３には、被写体像と表示像とが重畳した像が観察される。

上述したように、本実施の形態の装置は以下のような作用効果を奏する。
（１）回折光学素子１３により表示光を回折して、同一画像情報を有する複数の回折光を分散するように出射させているので、接眼光学系２の射出瞳領域において回折光が広い範囲に分布し、観察者の瞳位置がずれても画像がけられるのを防止することができる。回折光の分散方向を観察者の左右方向とすることにより、左右への視線の移動や両眼視に対して適切に対応することができる。
（２）さらに、左右方向（水平方向）に細長い射出瞳領域を有する接眼光学系を備え、その射出瞳領域内の全域に亘って回折光を分布させることにより、画像のけられ等を効果的に防止することができる。
（３）また、図６（ｂ）に示すように、回折光学素子１３の中央部から離れた位置に設けられた回折格子においては、中央部の方向への回折光分布の広がりが、周辺部への回折光分布の広がりよりも大きくなる回折特性を持たせることにより、表示光が射出瞳領域外へと無駄に回折されるのを防止することができる。
（４）さらにまた、回折光学素子を表示面を含む近傍、例えば、液晶表示装置１２の出射面に接するように配設したり、液晶を挟持する透明基板のいずれか一方に形成したりすることにより、画像品質への悪影響を防止することができる。なお、回折光学素子１３を液晶表示装置１２の液晶を挟持する透明基板のいずれか一方に形成する場合、透明基板の液晶側の面に形成しても良いし、反対側の面に形成しても良い。

上述した実施の形態では、回折光学素子１３として、回折格子が形成されているものを例に説明したが、マイクロレンズの組み合わせや、透明部材の表面形状等で同様の効果を持つものを使用することもできる。また、回折光学素子１３を液晶表示装置１２と別の構成としたが、回折光学素子１３は液晶表示装置１２の表示面の近傍に配設されるものであればどのような形態であっても良い。さらに、反射型の液晶表示装置にも適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る画像観察装置の概略構成図を示す側面図である。 画像観察装置を観察眼３側から見た正面図である。 従来の画像観察装置を示す図である。 回折光の分散状態を説明する図である。 画像のけられを説明する図であり、（ａ）は従来の場合を示し、（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。 画面位置に応じた回折条件を説明する図であり、（ａ）は画面中央部分の回折格子による回折光分布状況を示し、（ｂ）は画面左側部分の回折格子による回折光分布状況を示す。 カメラのファインダ光学系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１：表示ユニット、２：接眼光学系、３：観察眼、１０：光源、１１：コリメータレンズ、１２：液晶表示装置、１３：回折光学素子、２０：光学ブロック、２１：偏光ビームスプリッター、２２：１／４波長板、２３：凹面鏡、２００：射出瞳

Claims (9)

1. 接眼光学系を介して観察される表示装置であって、
   画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子の表示面近傍に配設された回折光学素子とを備え、
   前記回折光学素子は、その周辺部の回折光の回折角度よりも中央部の回折光の回折角度の方が大きくなるように、且つ、前記周辺部では、前記中央部の方向への回折光の回折角度が前記中央部と逆方向への回折光の回折角度よりも大きくなるように、入射する光を回折することを特徴とする表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記回折光学素子は、前記中央部では、回折光の回折角度が左右対称となるように回折することを特徴とする表示装置。
3. 請求項１または２に記載の表示装置において、
   前記表示素子は液晶表示装置であって、その液晶表示装置の液晶層の近傍に前記回折光学素子を配置したことを特徴とする表示装置。
4. 請求項３に記載の表示装置において、
   前記回折光学素子は、前記液晶層を挟持する透明基板の少なくとも一方に形成された透過型回折格子であることを特徴とする表示装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置と、
   前記回折光学素子から出射された回折光を観察方向へ導く接眼光学系とを備えたことを特徴とする画像観察装置。
6. 請求項５に記載の画像観察装置において、
   前記接眼光学系は、前記回折光学素子から出射された回折光を反射する反射鏡と、前記反射鏡で反射された回折光を観察方向へ集光する光学部材とを備えることを特徴とする画像観察装置。
7. 請求項５または６に記載の画像観察装置において、
   前記接眼光学系は、前記回折光学素子から出射された回折光の一部を反射する偏光分離ミラーと、前記偏光分離ミラーで反射された光が入射する１／４波長板と、正の屈折力を有するとともに前記１／４波長板から出射された光を反射して前記１／４波長板に再入射させる光学部材とを備え、
   前記光学部材で反射されて前記１／４波長板を通過した光を観察可能としたことを特徴とする画像観察装置。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載の画像観察装置において、
   前記接眼光学系の射出瞳領域は細長い形状を有しており、
   前記回折光学素子は、複数の回折光を前記射出瞳領域の全域に亘って分布させることを特徴とする画像観察装置。
9. 請求項５〜８のいずれか一項に記載の画像観察装置を備えたことを特徴とするカメラ。

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