JP5398073B2 - 拡大光学系、ヘッドマウントディスプレイ用の光学系、及びデジタルカメラのビューファインダ用の光学系 - Google Patents

拡大光学系、ヘッドマウントディスプレイ用の光学系、及びデジタルカメラのビューファインダ用の光学系 Download PDF

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Description

本発明は、ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系、及びその応用に関する。
ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)、デジタルカメラのビューファインダ等に使用されている。
これら拡大光学系は、ディスプレイからの像光を、一般には複数とされるレンズを介して、ユーザの眼へ導くようにされる。また、これら拡大光学系は、視線方向での奥行きを小さくすべきという要請から、ディスプレイからの像光を例えば鏡によって曲げるようにされるのが一般的である。例えば、ユーザの視線方向に対して上側又は下側に、下向き又は上向きに配したディスプレイからの像光を鏡で反射させてその向きを90度変え、それによりユーザの眼へ像光を導くようにする、という構成が拡大光学系ではよく用いられている。
このような拡大光学系は、特にHMDに用いる場合には一般に、小さければ小さいほどよいとされる。また、デジタルカメラのビューファインダに用いる場合においては拡大光学系の小型化の要求はHMDに用いられる場合ほど大きくはないが、近年良く見られる薄型のデジタルカメラや携帯電話に内蔵のデジタルカメラに用いられる場合には、拡大光学系の小型化の要求は強くなる。
拡大光学系を小型化するための技術として、近年、ディスプレイと組合わせて用いられる自由曲面プリズムが提案されている。
自由曲面プリズム100は、図9の断面図に示したように、略三角柱形状とされている。自由曲面プリズム100は、図9に示したように、ディスプレイDと組合わせて用いられる。自由曲面プリズム100は、三角柱の側面にあたる3つの面、即ち、第1面110、第2面120、第3面130を有している。第1面110は、ディスプレイDからの像光lを受入れる面である。第2面120は、第1面110から自由曲面プリズム100に入ったディスプレイDからの像光lを反射する面であるとともに、後述したように第3面130で反射された像光lを自由曲面プリズム100の外部に出射させる面である。第3面130は、第2面120で反射されたディスプレイDからの像光lを反射するものである。
自由曲面プリズム100における第1面110、第2面120、及び第3面130は、自由曲面とされている。したがって、自由曲面プリズム100は、像光lが第1面110と第2面120を通過するときにレンズとして機能し、また、像光lが第2面120と第3面130で反射されるときに拡大鏡として機能する。したがって、第2面120から自由局面プリズム100外に出た像光l(これは、一般的にはユーザの眼へそのまま導かれる。)は、拡大されている。このように、自由曲面プリズム100は、光路を折り曲げ、短い物理的な距離の中で光学距離を稼ぐことができるものであり、更にその光学距離の中で屈折と反射による像光lの拡大を実現するものであるため、拡大光学系の小型化に極めて有用である。また、自由曲面プリズム100は、その中で行われる反射を利用して、図9に示したように、ディスプレイDから出た像光l(の光軸)と、第2面120から出た像光l(の光軸)の向きを、変えることができるため、ユーザの視線方向でも拡大光学系を小型化するのに向く。
このように、自由曲面プリズムは、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)、デジタルカメラのビューファインダ等に使用される拡大光学系を小型化するのに非常に有用である。
しかしながら、自由曲面プリズムには以下のような難点がある。
まず、自由曲面プリズムは、設計の難易度が非常に高い。上述したように、自由曲面プリズムは、その3つの面で、屈折と反射を連続させるものであり、3つの面のそれぞれを自由曲面とする必要がある。実用品として耐えうる自由曲面プリズムとするため、例えば収差を小さくすることまで考慮すると、自由曲面とされる3つの面の設計は容易でない。これは、例えば、コストに跳ね返る。
また、自由曲面プリズムは、3つの自由曲面に対して求められる精度が非常に高いため、そのような自由曲面を製造するために用いる型の作成の難易度が非常に高い。これも、例えば、コストに跳ね返る。
また、自由曲面プリズムは、それを樹脂によって製造した場合、型から抜くまでに時間がかかるため、量産する場合にコストを下げるのが難しい。一般に、型を用いて製造される樹脂製品は、樹脂が硬化しきる前に、樹脂が室温よりも高温の状態のまま型から取出してその後室温まで自然に冷やす。樹脂製品はこのような自然冷却の過程で最終形状となる。型から取出した後の樹脂製品の形状の変化を「ひけ」というが、型は一般にこのひけがどのように生じるかを逆算して作られる。しかしながら、非常に微妙な自由曲面を備え、且つその自由曲面に高い精度が求められる自由曲面プリズムでは、その型をひけを逆算して作成することが略不可能である。したがって、自由曲面プリズムを樹脂により製造する場合には、樹脂が室温まで冷め、十分に硬化するまで樹脂を型から外すことができないのである。これは、一つの型を用いて製造できる自由曲面プリズムの数が少ないことを意味する。これも自由曲面プリズムのコストに大きく影響する。
上述したような製造の難しさ、或いはコストの問題があるため、自由曲面プリズムは、拡大光学系を小型化できるという素晴らしい利点がありながらも、簡単には採用できないものとなっており、事実今までに実用化された例は少ない。
本発明は、自由曲面プリズムを用いた場合と同程度以上の小型化が可能であり、且つ製造が自由曲面プリズムよりも容易で、製造のコストが自由曲面プリズムよりも小さい拡大光学系とその応用を提供することを、その課題とする。
かかる課題を解決するため、本願発明者は、以下の発明を提案する。
本願に係る拡大光学系は、ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系である。
そして、この拡大光学系は、前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、前記プリズムの前記第1面と前記ディスプレイとの間、及び前記第3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズと、を備えており、前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、軸対称(軸を中心に所定の形状を回転させて生成される形状)の非球面となっている。
この拡大光学系は、プリズムを備えている。プリズムは一般に、断面三角柱形状とされており、その側面はすべて平面とされるのが通常である。しかしながら、本願における拡大光学系は、三角柱形状ではなく、略三角柱形状とされ、ディスプレイからの像光が入射する第1面と、像光が出射する第3面とがともに、軸対称の非球面となっている。このプリズムの第1面と第3面は、上述のように曲面であり、ディスプレイからの像光を、屈折により拡大させるのに寄与する。しかしながら、プリズムの第1面と、第3面が非球面であったとしても、第1面と第3面による屈折だけでは、自由曲面の同等の像光の拡大を行うには不十分となる可能性が高い。そこで、本願発明では、第1面の外側と第3面の外側の少なくとも一方にレンズを配することにより、像光を十分に拡大できるようにしている。
その一方で、この拡大光学系は、その設計、製造が比較的容易であり、製造にかかるコストも自由曲面プリズムと較べれば遥かに小さく抑えることができる。レンズに関する技術は既に成熟しており、また、プリズムにしても、第1面と第3面は軸対称の非球面であるから、軸対称ではない文字通りの自由曲面を有する自由曲面プリズムと較べれば遥かにその設計、製造が容易である。なお、第1面と第3面は、像光と関係ない部分においては軸対称の非球面でなくともよく、又は軸対称の非球面でない部分を有していてもよい。
しかも、本願発明の拡大光学系を試作したところ、自由曲面プリズムを用いて設計した場合と同等、或いはそれ以上の小型化を達成することができた。これは、技術的な難易度の低さ、コストの低さに加えて、本願発明の拡大光学系の大きなアドバンテージとなる。
なお、本願発明におけるプリズムの形状が略三角柱形状であるというのは、プリズムの側面(三角柱の側面)のうちの第1面と第3面が平面でないという意味と、プリズムの底面と頂面(三角柱の底面と頂面)が平面でなくてもよい、という意味の双方を含む。
本願発明において、プリズムの第1面と第3面はともに軸対称の非球面であれば足りる。第1面と第3面はともに、凹面でも凸面でもよい。前記第1面と前記第3面をともに、凹面とすることも勿論可能である。この場合、第1面の外側と第3面の外側の少なくとも一方に上述のレンズを配することにより、比較的容易に色収差を小さくできるようになる。また、前記第1面と前記第3面をともに、凸面とすることも可能である。この場合、色収差を小さくすることが難しくなる可能性があるが、拡大光学系全体を小さくできる可能性がある。また、前記第1面が凹面、前記第3面が凸面となっていてもよい。この場合、解像度を高くしたり、倍率を高くしたり、収差を小さくしたりするのが難しくなる可能性があるが、拡大光学系全体をより小さくできる可能性がある。プリズムの第1面が凹面、第3面が凸面となっている場合、プリズムの第1面とディスプレイとの間、及び第3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズを省略することもできる。つまり、本願は、ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系であって、前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズム、を備えており、前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、軸対称の非球面となっており、且つ、前記第1面が凹面、前記第3面が凸面となっている、拡大光学系も提案する。
本願発明において、プリズムの第1面の軸対称の軸は、例えば、前記ディスプレイからの像光の光軸に一致するようにすることができる。像光の光軸とプリズムの第1面の軸対称の軸が一致しない場合(例えば、像光の光軸と第1面の対称軸の軸が平行にずれている場合、又は両者が平行でない場合)には、像光によって伝えられるディスプレイ上の像が最終的に歪むなど、適切なものとならない可能性がある。拡大光学系全体の設計を容易にするには、像光の光軸と第1面の対称軸の軸を一致させるのが便利である。
本願発明において、プリズムの第3面の軸対称の軸は、例えば、前記ディスプレイからの像光の光軸に一致するようにすることができる。像光の光軸とプリズムの第3面の軸対称の軸が一致しない場合(例えば、像光の光軸と第3面の対称軸の軸が平行にずれている場合、又は両者が平行でない場合)には、像光によって伝えられるディスプレイ上の像が最終的に歪むなど、適切なものとならない可能性がある。拡大光学系全体の設計を容易にするには、像光の光軸と第3面の対称軸の軸を一致させるのが便利である。
他方、本願発明におけるプリズムの第2面は、非球面とする必要はない。プリズムの第2面は、平面とすることもできるし、軸対称な非球面とすることもできる。この場合、プリズムの第2面の非球面の軸対称の軸は、像光の光軸と第2面の交点を通るようにすることができる。
本願発明におけるレンズは、両凹レンズ、両凸レンズ、片凹レンズ、片凸レンズ、凹凸レンズのいずれであってもよい。本願発明におけるレンズは、軸対称な非球面を有する非球面レンズであってもよい。この場合、非球面の軸対称の軸は、像光の光軸に一致させることができる。このようにすれば、拡大光学系全体の設計が容易になる。なお、軸対称の非球面を有する非球面レンズは、像光と関係ない部分においては軸対称の非球面でなくともよく、又は軸対称の非球面でない部分を有していてもよい。
なお、本願発明におけるレンズは、プリズムの第1面とディスプレイとの間に配されるものも、第3面の外側に配されるものもともに、複数のレンズからなるものとすることができる。
本願発明の拡大光学系において、レンズは、上述のとおり、プリズムの第1面とディスプレイとの間、及び第3面の外側の少なくとも一方に配されていればよい。勿論、前記レンズは、前記プリズムの前記第1面と前記ディスプレイとの間、及び前記第3面の外側の双方に配されていてもよい。レンズをプリズムの第1面と前記ディスプレイとの間、及び第3面の外側の双方に設けると、拡大倍率を稼ぎやすくなる。
本願発明の拡大光学系では、プリズムの第2面により、像光の方向を大きく変化させることができる。これにより、拡大光学系を、ディスプレイも含めて小型化し易くなる。
ディスプレイも含めて拡大光学系を小型化するには、プリズムから出射する像光の光軸と、ディスプレイから出た像光の光軸とがなるべく90度に近い方がよい。例えば、前記ディスプレイから出た像光の光軸と、前記第3面から出射した像光の光軸とがなす角が、90度±30度とする、より好ましくはこの角度を90度±15度とする、ことができれば、ディスプレイも含めての拡大光学系の小型化を従来よりもかなり図ることができる。前記ディスプレイから出た像光の光軸と、前記第3面から出射した像光の光軸とがなす角が、垂直とすることもでき、そうすることにより、ディスプレイも含めての拡大光学系の小型化をより図ることができることになる。
以上説明した本願発明の拡大光学系は、ヘッドマウントディスプレイ、デジタルカメラのビューファインダとして応用することができる。
例えば、本願は、ディスプレイと、前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、前記プリズムの前記第1面と前記ディスプレイとの間、及び前記第3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズと、を備えており、前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、軸対称の非球面となっており、前記ディスプレイからの像光が拡大されるようになっている、ヘッドマウントディスプレイ用の光学系を提供する。上述したように、プリズムの第1面が凹面、第3面が凸面となっている場合、プリズムの第1面とディスプレイとの間、及び第3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズは不要な場合もある。この場合のヘッドマウントディスプレイ用の光学系は、ディスプレイと、前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、を備えており、前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、軸対称の非球面となっており、且つ、前記第1面が凹面、前記第3面が凸面となっているとともに、前記ディスプレイからの像光が拡大されるようになっているものとなる。
また、本願は、ディスプレイと、前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、前記プリズムの前記第1面と前記ディスプレイとの間、及び前記第3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズと、を備えており、前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、軸対称の非球面となっており、前記ディスプレイからの像光が拡大されるようになっている、デジタルカメラのビューファインダ用の光学系を提供する。上述したように、プリズムの第1面が凹面、第3面が凸面となっている場合、プリズムの第1面とディスプレイとの間、及び第3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズは不要な場合もある。この場合のデジタルカメラのビューファインダ用の光学系は、ディスプレイと、前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、を備えており、前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、軸対称の非球面となっており、且つ、前記第1面が凹面、前記第3面が凸面となっているとともに、前記ディスプレイからの像光が拡大されるようになっているものとなる。
第1実施形態のヘッドマウントディスプレイを上前方から見たところを示す斜視図である。 図1に示したヘッドマウントディスプレイの表示部の構成を示す側断面図である。 図1に示したヘッドマウントディスプレイの表示部の変形例の構成を示す側断面図である。 図1に示したヘッドマウントディスプレイの表示部の他の変形例の構成を示す側断面図である。 図1に示したヘッドマウントディスプレイにおける像光の挙動を説明するための表示部の側断面図である。 図1に示したヘッドマウントディスプレイの導波板内における光の挙動を概略的に示す平面図である。 変形例1のヘッドマウントディスプレイの表示部の構成を示す側断面図である。 第2実施形態のヘッドマウントディスプレイを上後方から見たところを示す斜視図である。 第2実施形態のヘッドマウントディスプレイの表示部の構成を示す平断面図である。 第3実施形態のデジタルカメラの構成を示す側断面図である。 従来の拡大光学系を説明するための側断面図である。
以下、本発明の好ましい第1〜第3実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各実施形態の説明では、共通するものには共通の符号を用いることとし、重複する説明は場合により省略するものとする。
≪第1実施形態≫
第1実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ1は、図1に示したような眼鏡様の外観をしている。ヘッドマウントディスプレイ1は、通常の眼鏡が備えるのと同様のつる11と、通常の眼鏡のレンズに相当する位置に設けられた導波板12と、その内部に光学系を内蔵した表示部13とを備えている。
つる11は、使用者の頭部へヘッドマウントディスプレイ1を固定するものである。この実施形態のつる11は2本であり、導波板12の両側に設けられている。つる11と導波板12とをヒンジ接続することにより、通常の眼鏡のように、つる11を導波板12に対して平行になるような向きで折畳めるようになっていてもよい。つる11の先端を使用者の両耳にそれぞれ係止するか、或いは2本のつる11により使用者の頭部を挟み込むことで、使用者の頭部にヘッドマウントディスプレイ1が固定される。
導波板12は、回折格子のような構造とされている。導波板12は、この実施形態では矩形の平板状とされており、その前後(なお、この実施形態では便宜上、ヘッドマウントディスプレイ1を使用者の頭部に装着した場合の使用者の顔の前側(図1における紙面の手前側)をヘッドマウントディスプレイ1の「前」と、その逆側(図1における紙面の奥側)をヘッドマウントディスプレイ1の「後」と表現する場合がある。)の面に多数の縦方向の溝が切られた構成とされている。導波板12は、この実施形態では樹脂製である。なお、導波板12は必ずしも矩形である必要はない。また、導波板12は、必ずしも平板状である必要はなく、板状であれば湾曲していてもよい。
導波板12は、その内部に後述するようにして表示部13から導かれた光を、その内部で(詳細には、その前後の面で)非常に多くの回数反射させながらその両端側へ導くようになっている。このような導波板12としては、例えば、特表2006−510059に開示された回折格子(素子)を用いることができる。
なお、導波板12は、ヘッドマウントディスプレイ1が使用者の頭部に固定された場合に、使用者の両眼を覆うようにされており、且つ使用者の眼からの距離が20〜30mm程度となるようにされている。この距離は、通常の眼鏡における眼と眼鏡のレンズの間の距離よりも大きくされているが、それは、導波板12が使用者に圧迫感を与えないようにするためである。上述のつる11は、ヘッドマウントディスプレイ1が使用者の頭部に固定された場合に導波板12と眼が上述の関係を保てるように、通常の眼鏡のつるよりも若干その長さが長くされている。もっとも、導波板12は、眼との距離が通常の眼鏡の眼とレンズの間の距離程度の距離に保たれるようになっていても構わない。
なお、図示を省略するが、導波板12に、通常の眼鏡におけるノーズパッド様のものを取付け、鼻の上に載せたそれにより、前方に迫り出した導波板12を支えるような構成にすることも可能である。
表示部13は、導波板12に臨む側が開放されている中空のケース13Aの内部に、図2Aの断面図に示したような部品を収納してなる。この実施形態のケース13Aは、必ずしもそうである必要はないが樹脂製である。なお、ケース13Aは、必ずしも導波板12に臨む側の全面が開放されている必要はなく、導波板12に臨む側のうち、後述する自由曲面プリズムからの光を導波板12に導くのに必要な範囲が開放されていればそれで足りる。
ケース13Aの内部には、この実施形態では、支持部材13B、ディスプレイD、プリズムP、及びレンズLが設けられている。
支持部材13Bは、ケース13Aの内部でディスプレイDとプリズムPとレンズLを、これらの互いの位置関係を固定した状態で固定するものであり、この実施形態では樹脂製である。この実施形態では、必ずしもこの限りではないが、支持部材13Bは、ディスプレイDとプリズムPとレンズLを、その内部の凹凸形状(例えば、溝)により係止する。支持部材13Bは、基本的には図2Aに示したような断面形状とされているが、その両端部(図2Aの紙面に垂直な方向の両端部)では、前後方向に分けられた2つの部分が棒状の部材で接続されており、それにより全体形状が保たれるようになっている。
ディスプレイDは、この実施形態では、液晶ディスプレイである。ディスプレイDは、薄型であるのが好ましく、液晶ディスプレイ以外には例えば有機ELディスプレイにより構成することができる。なお、ケース13Aの内部には、ディスプレイを駆動させるための制御基板が存在するが、その図示は省略する。制御基板は、ディスプレイDによってなされる後述する画像の表示を制御するものとなっている。制御基板は、画像を表示するためのデータをディスプレイDに送り、ディスプレイDに適切な画像を表示させる。制御基板は、ケース13Aの外部から画像についてのデータを受けてそれをディスプレイDに表示させる。かかるデータを無線で受取るため、この実施形態の制御基板132はアンテナを内蔵している。もっとも、制御基板は、かかるデータを有線で受取るように構成されていてもよい。制御基板132が受取る画像のデータは、例えば、図外のハードディスクプレイヤや、DVDプレイヤ、或いはテレビジョン放送用のチューナなどの画像のデータを送信できる所定の装置から制御基板へ送られるようになっている。制御基板に画像のデータを送る機器としては、上述のものの他に、パーソナルコンピュータ、携帯電話、コンピュータゲームを実行するゲーム専用装置、MP3プレイヤなどが考えられる。
プリズムPは、ディスプレイDからの像光をレンズL方向に向きを変えて射出するものである。プリズムPは、その際に、像光による像を拡大する。プリズムPは、図示したように、断面略三角柱形状とされている。より詳細には、この実施形態のプリズムPは、その断面形状が、後述する第2面を斜辺とした略直角二等辺三角形形状となるようにされている。
プリズムPのディスプレイDに臨む面(第1面)は、軸対称の非球面となっている。この軸は、後述するディスプレイDからプリズムPに向かう像光の光軸に一致するようになっている。プリズムPのレンズLに臨む面(第3面)は、軸対称の非球面となっている。この軸は、後述するプリズムPからレンズLに向かう像光の光軸に一致するようになっている。第1面と第3面はともに、凹面でも凸面でもよい。第1面と第3面の形状は、レンズL(及び後述する第2レンズL2)との関係を考慮し、少なくとも像光の結像が可能となるようにして設計することができる。第1面と第3面はともに、この実施形態では、非球面の凹面となっている。図2Aに示したプリズムPは、図2B、図2Cに示したプリズムPに置換えることができる。図2Bに示したプリズムPの第1面と第3面はともに、非球面の凸面である。また、図2Cに示したプリズムPの第1面と第3面は、前者が非球面の凹面、後者が非球面の凸面となっている。プリズムPの第1面を非球面の凹面、第3面を非球面の凸面とした場合には、レンズLを省略することも可能である。プリズムPの側面のうち、第1面と第3面に接する面(第2面)は、この実施形態では、平面となっている。もっとも、第2面も、軸対称の非球面とすることができる。このとき、第2面の軸対称の軸は、後述する像光の光軸と第2面との交点と交わるようにすることができる。
レンズLは、この実施形態では、両凸レンズである。レンズLは、必ずしもこの限りではないが、この実施形態では、その両面ともが、軸対称な非球面となっている。レンズLの両面の軸対称の軸はともに、プリズムPの第3面から射出された像光の光軸と一致するようになっている。
上述したプリズムP及びレンズLは、レンズLを通過した像光の面状となる出射瞳が、導波板12上に位置するようになっている。なお、この実施形態では、出射瞳は、導波板12の左右方向の丁度中心に位置するようになっている。
レンズLの前側と導波板12の距離(図2Aにおけるs)は、10mm以下、この実施形態では略3mmとされている。
なお、この実施形態では、プリズムPの上方にディスプレイDを配置する構成としたが、図2AにおけるプリズムP、ディスプレイD、レンズLの天地を逆転させ、プリズムPの下方にディスプレイDを配置するようにすることも可能である。
次に、このヘッドマウントディスプレイ1の使用方法について説明する。
このヘッドマウントディスプレイ1を使用するには、まず、ヘッドマウントディスプレイ1を使用者の頭部へ固定する。ヘッドマウントディスプレイ1の使用者の頭部への固定は、上述したように、ヘッドマウントディスプレイ1のつる11を、使用者の耳へ係止するか、ヘッドマウントディスプレイ1のつる11で使用者の頭部を挟み込むことで行う。
そうすると、導波板12は、使用者の眼から凡そ20mmの距離に位置する。
この状態で使用者は、外部のハードディスクプレイヤ、DVDプレイヤ、テレビジョン放送用のチューナなどの所定の機器を操作し、ヘッドマウントディスプレイ1で表示すべき画像についてのデータを、それらの機器からヘッドマウントディスプレイ1に送る。
その画像についてのデータは、上述したように、制御基板が、それに内蔵された図示せぬアンテナにより受取る。制御基板は、そのデータをディスプレイDに送る。ディスプレイDは、そのデータに基づく画像を表示する。
ディスプレイDを出た後の像光の挙動を、図3により説明する。図3は、図2Aから、ディスプレイD、プリズムP、レンズLを取出した図である。図3では、便宜上、ディスプレイDの3箇所から出た像光を描画しているが、像光の光軸のみにlの符号を付している。なお、図3中Xは、レンズLの出射瞳である。
ディスプレイDで表示された画像についての像光は、ディスプレイDからプリズムPへ向かい、第1面P1からプリズムP内に入る。この光は第1面P1で屈折し、像が拡大するように変化する。
この光は、次に第2面P2に向かいそこで反射される。この実施形態では、図3における像光の光軸lは、入射角、反射角ともに、45度となるようにされている。ここで像光は、90度向きを変えるが、この実施形態では、ここでは像の倍率に変化はない。
第2面P2で反射された光は、次に第3面P3に向かいそこからプリズムPを出てレンズLに向かう。第3面P3を通過するとき、像光は屈折し、像が拡大されるように変化する。
プリズムPを出た像光は、レンズLに向かう。レンズLの両面で像光は屈折し、像が拡大するように変化する。レンズLを通過した像光は、出射瞳Xに向かう。
出射瞳Xに向かった像光は、図4に示したように、導波板12の内部をその前後の面で反射されながら、導波板12の左右方向に分かれて進み、使用者の両眼のそれぞれへ射出される。その光により、使用者は、両眼で、適当な大きさに拡大された画像を見ることになる。
なお、この実施形態では、ディスプレイDからプリズムPに向かう像光の光軸lと、プリズムPの第3面P3から出射した像光の光軸lとがなす角が、垂直とされているが、これは必ずしも正確に垂直である必要はない。例えば、この角は、好ましくは、90度±15度、少なくとも90度±30度の範囲に収まればよい。この角の調整は、プリズムPの第1面P1と第2面P2と第3面P3の間の角度を調整することにより変化させることができる。
<変形例1>
第1実施形態の変形例である変形例1にかかるヘッドマウントディスプレイの構造を示す図を図5として示す。
図5は、第1実施形態の図3に相当する図であり、図3から像光を除いたものである。
変形例1にかかるヘッドマウントディスプレイは、基本的に、第1実施形態におけるヘッドマウントディスプレイと同様のものである。
変形例1にかかるヘッドマウントディスプレイが第1実施形態におけるヘッドマウントディスプレイと異なるのは、第2レンズL2が設けられているという点である。第2レンズL2は、ディスプレイDと、プリズムPの間の像光の光路上に置かれている。第2レンズL2は、この変形例1では、必ずしもこの限りではないが、凹凸レンズとされている。この変形例1では第2レンズL2のディスプレイDに臨む側の面が凹、その逆側の面が凸形状とされている。この変形例1では、第2レンズの両面はともに、必ずしもこの限りではないが、軸対称な非球面となっている。第2レンズL2の両面の軸対称の軸はともに、ディスプレイDから射出された像光の光軸と一致するようになっている。
以上説明した変形例1にかかるヘッドマウントディスプレイの使用方法は、第1実施形態の場合と同様である。
なお、第2レンズL2が存在する場合には、レンズLが必ずしも必要ない。レンズLと第2レンズL2の形状(両凸、両凹、凹凸等)は、レンズLと第2レンズL2の組合わせ方、プリズムPの第1面と第3面を凹面とするか凸面とするか、等に基づいて決定することができる。
≪第2実施形態≫
第2実施形態によるヘッドマウントディスプレイ2は、図6に示したように、一般的な眼鏡20を含んでおり、全体として眼鏡様の形態とされている。
眼鏡20は、つる21を有する。つる21は、第1実施形態のつる11と同様のものであり、後述するフレームに対して折り畳めるようになっている。眼鏡20は、また、右眼用と左眼用のフレーム22を備えている。もっとも、眼鏡20は、いわゆるフレームレスタイプのものでもよく、その場合にはフレーム22は不要である。各フレーム22には、眼鏡レンズ23が入っている。この眼鏡レンズ23は、度入り、度なしのいずれでもよく、また、無色でも着色されていてもよい。更にいえば、眼鏡レンズ23は、なくてもよい。右眼用と左眼用のフレーム22は、ブリッジ24により接続されている。
ヘッドマウントディスプレイ2は、ブリッジ24に接続された接続ケース30を備えている。この接続ケース30は、中空であり、第1実施形態で説明した制御基板を内蔵している。もっとも、制御基板をより小型化することが可能であれば、この接続ケース30はより小型化でき、場合によってはなくすことも可能である。
接続ケース30には、ノーズパッド31が設けられている。これは、ユーザが眼鏡20を掛けてヘッドマウントディスプレイ2を自らの頭部に装着したときにユーザの鼻筋に当接し、眼鏡20のずり落ちを防ぐためのものである。
接続ケース30には、表示部32が接続されている。
表示部32は、第1実施形態における表示部13と同様に構成されている。
第2実施形態のヘッドマウントディスプレイ表示部32を平面視した場合の断面図を、図7として示す。
表示部32は、第1実施形態の表示部13と同様、ケース13Aを備えている。ケース13Aには、この実施形態では矩形とされた開口33が設けられている。ケース13Aの内部には、第1実施形態の場合と同様、支持部材13B、ディスプレイD、プリズムP、レンズLを備えている。支持部材13B、ディスプレイD、プリズムP、レンズLの構成は、第1実施形態の場合と同様である。第1実施形態の変形例1の場合と同様に、第2レンズが設けられていてもよい。
上述した開口33は、レンズLに臨んで設けられている。
レンズLを通過した像光は、開口33を通過して、ユーザの眼Eへ導かれるようになっている。なお、第2実施形態のヘッドマウントディスプレイ2では、レンズLの射出瞳が、ヘッドマウントディスプレイ2を頭部に装着した状態のユーザの眼Eに一致するようになっている。プリズムP、レンズLは、レンズLからレンズLの射出瞳までの距離sが、ヘッドマウントディスプレイ2を頭部に装着した状態のユーザの眼Eに一致するようなものとされている。
<変形例2>
第2実施形態の変形例である変形例2にかかるヘッドマウントディスプレイについて説明する。
変形例2にかかるヘッドマウントディスプレイは、接続ケース30の眼鏡20のブリッジ24に対する固定が、着脱自在なものとされている。接続ケース30のブリッジ24に対する着脱自在な固定は、磁力による吸着、ボールジョイント等による係止等により、適当になすことができる。
変形例2にかかるヘッドマウントディスプレイは、接続ケース30を眼鏡20から外した場合に、眼鏡20を通常の眼鏡として使用することができるものとなる。つまり、変形例2におけるヘッドマウントディスプレイは、画像を見る必要がある場合には接続ケース30を眼鏡20に取付けてヘッドマウントディスプレイとして、画像を見る必要がない場合には接続ケース30を眼鏡20から外して眼鏡として使用することができる。
なお、変形例2にかかるヘッドマウントディスプレイは、眼鏡20から接続ケース30を外したときにノーズパッドがなくなり、不便になるおそれがある。その場合には、接続ケース30を外した場合に眼鏡20のブリッジ24等に取付けられる他のノーズパッドを準備しておき、接続ケース30を外した眼鏡20にその他のノーズパッドを取付けるようにすればよい。
<変形例3>
上述したように、接続ケース30をなくすか、より小さくすることができる場合がある。そのような場合に、表示部33のみ、或いは表示部33に極小さな接続ケース30を付属させたものを、既存の眼鏡20に取付け可能なヘッドマウントディスプレイとすることも考えられる。この場合、ヘッドマウントディスプレイは、既存の眼鏡の前側に取付けることも可能である。例えば、吸盤や両面テープを用いて、既存の眼鏡のレンズにヘッドマウントディスプレイを着脱自在に固定できるようにすることができる。
≪第3実施形態≫
第3実施形態として、デジタルカメラを示す。
図3は、デジタルカメラ3の模式的な断面図である。
第3実施形態によるデジタルカメラ3は、ケース40に、種々の部品を取付け、或いは内蔵させてなる。
ケース40の前側には、対物レンズ41が取付けられ、ケース40の上方にはシャッターボタンBが設けられている。また、ケース40の内部には、撮像素子42、制御回路43が内蔵されている。
対物レンズ40は、デジタルカメラ3で撮像を行う対象物からの像光を、撮像素子41に結像させるためのものである。撮像素子41は、対物レンズ40によりその表面に結像された像光を捉えて撮像を行うものであり、例えばCCD、或いはCMOSにより構成することができる。制御回路43は、撮像素子41による撮像を制御するものであり、また、後述するディスプレイDを制御するものである。
撮像素子41による撮像は、ケース40に設けられたシャッターボタンBの操作に基づいて制御される。撮像素子41は、そこに結像している像光により対象物を撮像し続け対象物についての動画を生成し続ける。シャッターボタンBが操作されると、制御回路43はシャッターボタンBが操作された時点における動画の中の一こまを、撮像された静止画として選択し、それを図示せぬ記録手段に記録するようになっている。
ユーザがシャッターボタンBを操作するタイミングを決定するのを助けるため、このデジタルカメラ3には、ビューファインダが設けられている。ビューファインダは、ディスプレイD、レンズL、プリズムPによって構成できる。ディスプレイD、レンズL、プリズムPの構成は、第1実施形態、第2実施形態の場合と同様である。
ディスプレイDには、撮像素子41が撮像し続けている対象物についての動画が、制御回路43の制御により撮像素子41で行われる撮像と略リアルタイムで映し出され続けている。レンズLをユーザが覗くと、ユーザの眼には、ディスプレイDに表示された動画がレンズL、プリズムPを介して、拡大され、リアルタイムに表示される。ユーザは、レンズLをビューファインダとして用い、シャッターボタンBを操作するタイミングを計ることができる。
なお、この実施形態では、レンズLに加えて第2レンズLも用いることとしているが、レンズLと第2レンズL2の少なくとも一方のみがあれば足りることは、第1実施形態、第2実施形態の場合と同様である。レンズLを省略する場合には、プリズムPの第3面をレンズLのある位置に位置させケース40から露出させるか、レンズLのある部分にレンズ効果のない透明な板を配するようにすればよい。

Claims (9)

  1. ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系であって、
    前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、
    前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、
    前記プリズムの前記第1面と前記ディスプレイとの間、及び前記第3面の外側の双方に配されたレンズと、
    を備えており、
    前記レンズのうち前記第3面の外側に配されたレンズが凸レンズであり、
    前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、凹面であり、且つ軸対称の非球面となっている、
    ヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  2. 前記第1面の軸対称の軸は、前記ディスプレイからの像光の光軸に一致する、
    請求の範囲第1項に記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  3. 前記第3面の軸対称の軸は、前記第3面から出射する像光の光軸に一致する、
    請求の範囲第1項又は第2項のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  4. 前記レンズは、像光の光軸を軸として軸対称な非球面を有する非球面レンズである、
    請求の範囲第1項〜第3項のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  5. 前記ディスプレイから出た像光の光軸と、前記第3面から出射した像光の光軸とがなす角が、90度±30度である、
    請求の範囲第1項記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  6. 前記ディスプレイから出た像光の光軸と、前記第3面から出射した像光の光軸とがなす角が、90度±15度である、
    請求の範囲第1項記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  7. 前記ディスプレイから出た像光の光軸と、前記第3面から出射した像光の光軸とがなす角が、垂直である、
    請求の範囲第1項記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  8. 前記第2面は、平面である、
    請求の範囲第1項〜第7項のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ用の拡大光学系。
  9. ディスプレイと、
    前記ディスプレイからの像光が入射する第1面、前記第1面から入射された像光を反射する第2面、及び前記第2面で反射された像光を出射する第3面を備え、前記第1面、前記第2面及び前記第3面を側面とする略三角柱形状とされたプリズムと、
    前記プリズムの前記第1面と前記ディスプレイとの間、及び前記第3面の外側の双方に配されたレンズと、
    を備えており、
    前記レンズのうち前記第3面の外側に配されたレンズが凸レンズであり、
    前記プリズムの前記第1面と前記第3面はともに、凹面であり、且つ軸対称の非球面となっており、
    前記ディスプレイからの像光が拡大されるようになっている、
    ヘッドマウントディスプレイ用の光学系。
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