JP5973098B1 - ニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】短距離の範囲内で大きな倍数で拡大可能な光学モジュールおよびニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールを提供する。【解決手段】本発明の短距離用光学モジュールは、光軸に沿って第１の４５度の位相遅れシート（２）、部分伝達部分反射曲面レンズ（４）、第２の４５度の位相遅れシート（５）、及び反射性偏光シート（６）を順番に配置する。さらに本発明のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールは、表示画面（１）を第１の４５度の位相遅れシート（２）の側に、部分伝達部分反射曲面レンズ（４）から離れるように配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、光学器械に関し、特に、短距離分野用の光学モジュールを用いた、目の近傍の表示器（以下、ニア・アイ・ディスプレイという）用の光学モジュールに関する。

従来、目の近傍で表示を行うニア・アイ・ディスプレイなどの短距離の光路を備えた光学モジュールが知られている。

しかしながら、従来の光学モジュールでは、短距離（５ｃｍよりも短い）の範囲内で大きな倍数で拡大できるものが無く、また、さらに短距離（３ｃｍよりも短い）の範囲内で１００度を超える超大型の視野（ＦＯＶ）を可能にするニア・アイ・ディスプレイを実現する光学モジュールが無かった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、短距離の範囲内で大きな倍数で拡大可能な光学モジュールを用いて、短距離の範囲内で大型の視野を達成可能なニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に用いる光学モジュールは、光軸に沿って第１の４５度の位相遅れシート、部分的に光を伝達しかつ部分的に光を反射する曲面レンズ（以下、部分伝達部分反射曲面レンズという）、第２の４５度の位相遅れシート、及び反射性偏光シートを順番に配置して含む。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールは、第１の４５度の位相遅れシートを間に挟んで、表示画面と部分伝達部分反射曲面レンズを配置し、前記表示画面を部分伝達部分反射曲面レンズから離して配置する。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールはさらに、光位相遅れに影響を与えない光学デバイスを含み、当該光学デバイスを、表示画面、第１の４５度の位相遅れシート、部分伝達部分反射曲面レンズ、第２の４５度の位相遅れシート、及び反射性偏光シートのうちの任意の隣接する２つの間に配置する。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールでは、光位相遅れに影響を与えない光学デバイスは、色調（色合い）変化修正用の光学モジュールである。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールでは、表示画面、第１の４５度の位相遅れシート、部分伝達部分反射曲面レンズ、第２の４５度の位相遅れシート、及び反射性偏光シートは、同軸上に配置される。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールでは、前記光軸に沿う方向側は光吸収材で被覆される。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールでは、部分伝達部分反射曲面レンズは、５０％の伝達と５０％の反射を行う曲面レンズである。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールに用いる短距離用の光学モジュールは、従来技術と比較して、次の点で相違する。即ち、光軸に沿う光は、第１の４５度の位相遅れシート、部分伝達部分反射曲面レンズ、及び第２の４５度の位相遅れシートを通って、反射性偏光シートに到達し、この反射性偏光シートで１番目の反射を生じさせ、次に、第２の４５度の位相遅れシートを通って部分伝達部分反射曲面レンズに到達し、この部分伝達部分反射曲面レンズで２番目の反射を生じさせ、そして、再度、第２の４５度の位相遅れシートと反射性偏光シートを順番に通過した後、人間の目に到達する。このようにして、反射性偏光シートと部分伝達部分反射曲面レンズを含むことで、光学モジュール内で光が二度反射されるようにして、２回の反射によって大きな倍数の拡大を達成する。同様に、本発明のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールでもまた、光学モジュール内で光が二度反射を生じさせて、２回の反射を用いて、反射角度の調整と視野の拡大を実現する。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールでは、表示画面、第１の４５度の位相遅れシート、部分伝達部分反射曲面レンズ、第２の４５度の位相遅れシート、及び反射性偏光シートは、同軸上に配置されるため、光学モジュールの軸中心にて、人間の目が画像を視認することを容易にする。

本発明に係るニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの光軸に沿う方向側は光吸収材で被覆されるため、反射性偏光シートを通って最終的に人間の目に到達しない光を吸収できるので、表示結果に光が影響を及ぼすことを防止できる。

本発明は、添付した図を参照して、以下において詳述される。

本発明の実施例のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールに用いる短距離用の光学モジュールを示した概略図である。 本発明のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの実施例１を示した概略図である。 本発明のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの実施例２を示した概略図である。 本発明のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの実施例３を示した概略図である。

本発明には、４５度の位相遅れシート、反射性偏光シート、及び部分伝達部分反射曲面レンズが用いられるが、これらは全て従来技術に属する。４５度の位相遅れシートの最も一般的なものは１／４波長板であって、この場合、光が４５度の位相遅れシートを通過する度に、４５度の位相遅れを増加できる。つまり、直交する偏光は、最初の伝達では４５度の位相遅れを増加した偏光になり、２番目の伝達ではそれに４５度の位相遅れを増加して９０度の位相遅れを有した偏光になり、３番目の伝達ではそれに４５度の位相遅れを増加して１３５度の位相遅れを有した偏光になり、そして４番目の伝達ではそれに４５度の位相遅れを増加して１８０度の位相遅れを有した偏光になり、再び、直交する（光軸に沿う方向の）偏光になる。さらに、反射性偏光シートは、直交する偏光は直接的に伝達する一方、９０度の位相遅れを伴う偏光は全て反射することを可能にする。さらに、部分伝達部分反射曲面レンズは、光の一部が反射されることと、光の残りが伝達されることを可能にする。これにより、部分反射曲面レンズに入射される第１の４５度の位相遅れシートからの光の一部は第２の位相遅れシート側に伝達され、残りは反射される。また、反射性偏光シートで反射されて第２の位相遅れシート側から部分反射曲面レンズに入射される光の一部は再び第２の移動遅れシート側に反射され、残りは第１の位相遅れシート側に伝達される。

本発明のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールに用いる短距離用の光学モジュールの実施例について説明する。
図１を参照すると、本発明の実施例の短距離用の光学モジュールは、第１の４５度の位相遅れシート２、部分伝達部分反射曲面レンズ４、第２の４５度の位相遅れシート５、及び反射性偏光シート６を含むが、これらは光軸に沿ってこの順番で配置されることが示されている。

実施例の短距離用の光学モジュールの基本的作用について以下に説明する。
直交する偏光は、第１の４５度の位相遅れシート２を通ることで、４５度の位相遅れをした偏光になり、次に、部分伝達部分反射曲面レンズ４を通るとき、所定の割合で光がまず伝達されて、拡大されるが、この場合、この拡大は小さな倍数の拡大である。拡大された光は第２の４５度の位相遅れシート５を通過して、９０度の位相遅れをした偏光になり、そして、反射性偏光シート６上で全て反射される。反射された光は、第２の位相遅れシート５を再度通過して、１３５度の位相遅れをした偏光になり、そして、部分伝達部分反射曲面レンズ４を通るとき、所定の割合で光が反射されて、２回目の拡大が成されるが、この場合、この拡大は大きな倍数の拡大となる。大きな倍数で拡大された光は、第２の４５度の位相遅れシート５を再度通過して、直交状の偏光に調整されて、最終的にこの直交状の偏光は反射性偏光シート６を通過する。これによって、短距離（５ｃｍよりも短い）の範囲内で光を大きな倍数で拡大することを達成する。

上述した実施例の短距離用の光学モジュールを用いたニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの実施例について以下に説明する。

実施例１
図２を参照すると、本発明の実施例１のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールは、第１の４５度の位相遅れシート２を間に挟んで、表示画面１と部分伝達部分反射曲面レンズ４）を配置し、表示画面１を部分伝達部分反射曲面レンズ（４）から離して配置する。このため、光軸方向に小さな全体ボリュームでの表示であっても、非常に大きな視野を達成できる。

好適には、表示画面１として高解像度の超小型表示画面（マイクロディスプレイ）が選択され、これはさらに、光軸方向に小さなボリュームの条件の下で、大きな視野と高い解像度での表示効果を達成できる。好適には、部分伝達部分反射曲面レンズ４として、５０％の伝達と５０％の反射を行う曲面レンズを用い、この場合、表示画面１によって放射される光の損失を最小化することができる。

必要に応じて、光位相遅れに影響を与えない光学デバイスを、表示画面１、第１の４５度の位相遅れシート２、部分伝達部分反射曲面レンズ４、第２の４５度の位相遅れシート５、及び反射性偏光シート６のうちで任意の隣接する２つの間に備えることができる。例えば、色調変化修正用の光学モジュール３を、第１の４５度の位相遅れシート２と部分伝達部分反射曲面レンズ４の間に備えてもよい。

反射性偏光シート６の軸中心で人間の目が画像を視認できるようにするため、表示画面１、第１の４５度の位相遅れシート２、部分伝達部分反射曲面レンズ４、第２の４５度の位相遅れシート５、及び反射性偏光シート６は、同軸上に配置されている。

実施例１のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの光軸に沿う方向側は、光吸収材で被覆されているため、反射性偏光シート６を通って人間の目に最終的に到達しない光を吸収することができ、これによって、最終的な表示結果に光が影響を及ぼすことを防止する。

実施例１のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールの基本的作用について以下に説明する。

直交する偏光は、表示画面１を通って、第１の４５度の位相遅れシート２を通過して、４５度の位相遅れをした偏光になり、次に部分伝達部分反射曲面レンズ４を通って、所定の割合で光がまず伝達されて、拡大され、この際、この拡大は小さな倍数の拡大である。拡大された光は第２の４５度の位相遅れシート５を通過して、９０度の位相遅れをした偏光になり、そして、反射性偏光シート６上で全て反射される。反射された光は、第２の位相遅れシート５を再度通過して、１３５度の位相遅れをした偏光になり、そして、部分伝達部分反射曲面レンズ４を通って、所定の割合で光が反射されて、２回目の拡大が行われ、この際、この拡大は大きな倍数の拡大である。大きな倍数で拡大された光は、第２の４５度の位相遅れシート５を再度通過して、直交する偏光に調整されて、最終的に、この直交する偏光は反射性偏光シート６を通過して、人間の目に表示される。これによって、短距離（３ｃｍよりも短い）の範囲内で、超大型の視野を実現する。また、表示画面１によって放射される光の損失を最小化することができる。なお、上述した直交する偏光は、人間の目が直接的に視認することができる光である。

実施例１のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールは、反射機能を有する光学モジュールの広角調整特性（倍率の小さな角度変化と比較して）を用いて、比較的小さな全体的な光学経路内で非常に大きな拡大倍数を実現するため、超小型画面上で大きい視野で視認する効果を実現する。目の近傍の光学素子（ニア・アイ・ディスプレイ）では、全体的な輝度の損失に対して比較的に感度が低いことを考慮して、部分伝達部分反射を通じて部分的に輝度を喪失する方法が本発明の全体的な光学的構成に適用されているが、これによって、最終的な表示効果において明確な輝度喪失が現れないようにしている。要約すると、実施例１は、高い拡大倍数、比較的小さな全体的厚さ、及び位相差がほとんど無いことを達成する、ニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールである。

実施例２
図３を参照すると、実施例２は、実施例１と比較して、光位相遅れに影響を与えない光学デバイスの配置について相違する。たとえば、部分伝達部分反射曲面レンズ４と第２の４５度の位相遅れシート５の間に、色調変化修正用の光学モジュール３を配置することができる。

実施例３
図４を参照すると、実施例３は、実施例２と比較して、表示画面１、第１の４５度の位相遅れシート２、部分伝達部分反射曲面レンズ４、第２の４５度の位相遅れシート５、及び反射性偏光シート６は、非同軸上に配置されていることが相違する。

上述した実施例は、単に本発明の好適な実施形態を開示したものであり、本発明の範囲内で任意の限定を行うことができる。さらに、本発明の技術思想から逸脱することなく、添付した本発明の特許請求の範囲内に規定された保護範囲内に収まるように、当業者は、本発明の技術的構成に対して様々な変化や調整を行うことができるであろう。

１ 表示画面
２ 第１の４５度の位相遅れシート
３ 光学デバイス（色調変化修正用の光学モジュール）
４ 部分伝達部分反射曲面レンズ
５ 第２の４５度の位相遅れシート
６ 反射性偏光シート

Claims (4)

1. 光軸に沿って第１の４５度の位相遅れシート（２）、部分伝達部分反射曲面レンズ（４）、第２の４５度の位相遅れシート（５）、及び反射性偏光シート（６）を順番に配置して含む、短距離用の光学モジュールを用いるニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールであって、
   前記第１の４５度の位相遅れシート（２）を間に挟んで、表示画面（１）と前記部分伝達部分反射曲面レンズ（４）とが配置され、
   前記表示画面（１）が、前記部分伝達部分反射曲面レンズ（４）から離して配置され、
   光位相遅れに影響を与えない光学デバイスとしての色調変化修正用の光学モジュール（３）が、前記表示画面（１）、前記第１の４５度の位相遅れシート（２）、前記部分伝達部分反射曲面レンズ（４）、前記第２の４５度の位相遅れシート（５）、及び前記反射性偏光シート（６）のうちの任意の隣接する２つの間に配置されている、ニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュール。
2. 請求項１に記載のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールにおいて、
   前記表示画面（１）、前記第１の４５度の位相遅れシート（２）、前記部分伝達部分反射曲面レンズ（４）、前記第２の４５度の位相遅れシート（５）、及び前記反射性偏光シート（６）は、同軸上に配置される、ニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュール。
3. 請求項２に記載のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールにおいて、
   前記光軸に沿う方向側が光吸収材で被覆されている、ニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュール。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュールにおいて、
   前記部分伝達部分反射曲面レンズ（４）は、５０％の伝達と５０％の反射を行う曲面レンズであるニア・アイ・ディスプレイ用光学モジュール。