JP6386210B1 - 光学装置 - Google Patents

Abstract

没入型の仮想現実（ＶＲ）に用いられる光学装置は、そのままでは外光と画像とを重畳させる拡張現実（ＡＲ）には用いることができないという課題を解決するために、画像光（５０）を外光（４０）に重畳させて下流側に導く光学装置（１０）であって、少なくとも前記画像光（５０）に対してレンズパワーを有する光学素子（１２０）を含む画像光学系（１００，１０１）と、前記画像光（５０）の少なくとも一部を反射することで前記画像光（５０）の少なくとも一部と前記外光（４０）の少なくとも一部とを重畳させる反射素子（２００）とを備え、前記画像光学系（１０１，１０１）は、前記光学素子（１２０）とは波長分散性が逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子（１３０）を有する、光学装置（１０）。

Description

本発明は、光学装置に関する。

使用者に装着されて、画像を使用者の眼に導く光学装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 米国特許登録第６，０７５，６５１号

解決しようとする課題

しかしながら、上記光学装置は現実世界の外光を通さない、いわゆる没入型の仮想現実（ＶＲ）に用いられるものである。よって、そのままでは外光と画像とを重畳させる拡張現実（ＡＲ）には用いることができない。

課題を解決するための手段

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、画像光を外光に重畳させて下流側に導く光学装置であって、少なくとも画像光に対してレンズパワーを有する光学素子を含む画像光学系と、画像光の少なくとも一部を反射することで、画像光の少なくとも一部と外光の少なくとも一部とを重畳させる反射素子とを備え、画像光学系は、光学素子とは波長分散性が逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子を有する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

光学装置１０の光学的な構成を示す概念図である。 外光４０の一部である、現実の物体４２の物体像５４の一例を示す。 画像光５０の一例を示す。 光学装置１０により使用者の眼３０に導かれる重畳画像５６の一例を示す。 比較例としての光学装置１２の概念図である。 ＧＰＨ素子１３０の波長分散性を説明する図である。 ＧＰＨユニット１４０を説明する図である。 ＧＰＨユニット１５４を説明する図である。 ＧＰＨユニット１５６を説明する図である。 他の光学装置１４を示す。 他の画像重畳部１０４を示す。 さらに他の画像重畳部１０５を示す。 さらに他の画像重畳部１０６を示す。 さらに他の画像重畳部１０７を示す。 さらに他の画像重畳部１０８を示す。 他の光学装置１６を示す。 眼鏡型表示装置４００の一例を示す。 さらに他の光学装置１８を示す。 ＧＰＨユニット１５７の第１の状態を説明する図である。 ＧＰＨユニット１５７の第２の状態を説明する図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る光学装置１０の光学的な構成を示す概念図である。光学装置１０は、画像光５０を現実世界の外光４０に重畳させて使用者の眼３０に導く。光学装置１０は、例えば視覚の拡張現実（ＡＲ）に用いられる。

光学装置１０は、画像光５０を外光４０に重畳させる画像重畳部１００と、画像重畳部１００よりも、画像光５０の進行方向の下流側に配された光学系１０１とを備える。画像重畳部１００は、上流側から順に、プロジェクタ１１０、ＧＰＨ素子１３０および反射素子２００を有する。光学系１０１は、上流側から順に、反射型ダブレット１２０、λ／４板３００、反射型偏光板３１０および偏光板３２０を有する。

反射素子２００は、位相差板２１０と、位相差板２１０の下流側に重ねられた反射型偏光板２２０を有する。また、反射型ダブレット１２０は、互いに整合する曲面１２２で結合された一対のダブレット片１２１、１２３を有する。

図２から図４は、光学装置１０を用いて使用者の眼３０に映る像を説明する概略図である。まず、図２は、外光４０の一部である、現実の物体４２の物体像５４の一例を示す。物体像５４は、光学装置１０を用いない場合に使用者の眼３０に映る像であるともいえる。

図３は、画像光５０の一例を示す。画像光５０はプロジェクタ１１０で生成された画像、いわば仮想の像である。画像光５０は静止画でも動画でもよいし、絵、写真、文字等のいかなる視覚的なコンテンツであってもよい。

図４は、光学装置１０により使用者の眼３０に導かれる重畳画像５６の一例を示す。重畳画像５６においては、物体像５４に画像光５０による画像が重畳されている。これにより、視覚の拡張現実が実現されている。この場合に、物体像５４は現実の物体４２の像なので、光学装置１０を用いない場合と同じ状態で使用者の眼３０に導かれることが好ましい。すなわち、光学装置１０を通しても、物体像５４は光学的な拡大、縮小、歪等を受けないことが好ましい。

図１の光学装置１０が重畳画像５６を使用者の眼３０に導く手段についてさらに説明する。図１には画像光５０および外光４０の偏光方向が併記されている。図１に示す偏光方向は、紙面の上下関係を維持した状態で、光線が向かって来る方向から見た場合の電場の振動の軌跡を示している。

外光４０は非偏光である場合が多い。非偏光の外光４０が反射型偏光板２２０に入射すると、反射型偏光板２２０は、互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過する。図１の例において、反射型偏光板２２０で鉛直方向の直線偏光が反射し、水平方向の直線偏光が透過している。さらに、反射型偏光板２２０の反射面が外光４０から眼３０へ向かう直線に対して４５°に傾いている。よって、鉛直方向の直線偏光は外光４０から眼３０へ向かう直線に対して直交する方向に反射される。

反射型偏光板２２０を透過した外光４０は、位相差板２１０で偏光方向の変調を受ける。図１では位相差板２１０はλ／４板である。よって、位相差板２１０で水平方向の直線偏光から左回り（反時計回り、という場合もある）の円偏光に変調される。左回り円偏光の外光４０は、反射型ダブレット１２０に入射する。

反射型ダブレット１２０の一対のダブレット片１２１、１２３の間の曲面１２２は、偏光方向によらず、入射する光の強度の半分を反射し、残りの半分を透過するハーフミラーの機能を有する。よって、反射型ダブレット１２０に入射した左回り円偏光の外光４０は、偏光の状態を維持して、半分の強度で透過する。残りの半分は上流側に反射されるので、眼３０には導かれない。

一対のダブレット片１２１、１２３は、互いの屈折率が予め定められた範囲で一致する。例えば、一対のダブレット片１２１、１２３は同じ材料で形成され、不純物等を要因とする公差の範囲で互いの屈折率が一致する。よって、曲面１２２を透過する前後で屈折が起こらないから、外光４０は反射型ダブレット１２０からレンズ作用を受けない。すなわち、外光４０は反射型ダブレット１２０で、光学的な拡大、縮小、歪等を受けない。

反射型ダブレット１２０を透過した外光４０は、λ／４板３００に入射する。λ／４板３００により、左回り円偏光の外光４０は水平方向の直線偏光の直線偏光に変調される。

水平方向の直線偏光の外光４０は、反射型偏光板３１０に入射する。反射型偏光板３１０は、互いに直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過する。図１の例において、反射型偏光板３１０は垂直方向の直線偏光を反射し、水平方向の直線偏光を透過する。よって、水平方向の直線偏光の外光４０は偏光方向を維持して反射型偏光板３１０を透過する。

反射型偏光板３１０を透過した外光４０は偏光板３２０に入射する。偏光板３２０は互いに直交する直線偏光の一方を吸収して、他方を透過する。図１の例において、偏光板３２０は鉛直方向の直線偏光を吸収して、水平方向の直線偏光を透過する。よって、水平方向の直線偏光の外光４０は偏光板３２０を透過して眼３０に入射する。

画像光５０はプロジェクタ１１０で生成される。プロジェクタ１１０は例えば、光源と液晶パネル等から構成され、赤色、緑色および青色の３色からなるカラーの画像光５０を出力する。画像光５０の各色は時分割されて出力されてもよいし、互いに重畳されたり、画素単位で空間分割されて同時に出力されてもよい。さらに、プロジェクタ１１０は画像光５０を左回りの円偏光で出力する。

プロジェクタ１１０から出力された画像光５０はＧＰＨ素子１３０に入射する。ＧＰＨ素子１３０は、入射された円偏光の偏光方向を反転しつつ、回折現象を用いて、入射光にレンズ作用を及ぼす。よって、ＧＰＨ素子１３０に入射した左回り円偏光の画像光５０は、レンズ作用を受けつつ右回り（時計回りということがある）の円偏光に変調される。ＧＰＨ素子１３０についてはさらに後述する。

ＧＰＨ素子１３０を透過した画像光５０は、反射素子２００の位相差板２１０に入射する。位相差板２１０はλ／４板の機能を有するので、右回り円偏光の画像光５０は垂直方向の直線偏光に変調される。垂直方向の直線偏光の画像光５０は反射型偏光板２２０で反射される。これにより、画像光５０は眼３０へ方向付けられ、結果として、外光４０に重畳されることになる。さらに、反射された画像光５０は再び位相差板２１０に入射するので、垂直方向の直線偏光の画像光５０は右回り円偏光に変調される。

位相差板２１０を透過した画像光５０は、反射型ダブレット１２０に入射する。外光４０と同様に、画像光５０の半分の強度の部分が偏光状態に変調を受けず、かつ、拡大、縮小、歪等の光学的な影響も受けずに反射型ダブレット１２０を透過する。残りの半分は上流側に反射されるので、眼３０には導かれない。

反射型ダブレット１２０を透過した画像光５０は、λ／４板３００に入射する。λ／４板３００に入射する画像光５０は右回り円偏光なので、λ／４板３００で鉛直方向の直線偏光に変調される。

鉛直方向の直線偏光となった画像光５０は反射型偏光板３１０に入射し、反射型偏光板３１０で反射される。反射型偏光板３１０で反射された画像光５０は再びλ／４板３００に入射する。反射型偏光板３１０で反射された画像光５０は鉛直方向の直線偏光なので、λ／４板３００で右回り円偏光に変調される。

λ／４板３００を透過した画像光５０は、再び反射型ダブレット１２０に入射する。反射型ダブレット１２０の曲面１２２で画像光５０の半分の強度の部分が下流側に反射される。この場合に、曲面１２２で反射するので画像光５０はレンズ作用を受ける。この観点から、反射型ダブレット１２０は、少なくとも画像光５０に対してレンズパワーを有する光学素子の一例となっている。図１の例で、反射型ダブレット１２０は画像光５０の反射光を平行光にしている。なお、反射によって円偏光の向きが左回りとなる。残りの半分は反射型ダブレット１２０を透過するので眼３０には導かれない。

反射型ダブレット１２０で反射された画像光５０は再びλ／４板３００に入射する。画像光５０は左回り円偏光なので、λ／４板３００を透過するときに水平方向の直線偏光に変調される。画像光５０は再び反射型偏光板３１０に入射するが、今度は画像光５０が水平方向の直線偏光であるので、反射型偏光板３１０を透過する。さらに、偏光板３２０も透過して、眼３０に導かれる。

図５は、図１のＧＰＨ素子１３０を説明するために図１の光学装置１０と比較される比較例としての光学装置１２の概念図である。光学装置１２は、画像重畳部１０２にＧＰＨ素子１３０が設けられていない点を除いて光学装置１０と光学的な構成は同一である。光学装置１２において光学装置１０と同一の構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。

画像光５０はプロジェクタ１１０などの画像生成部により生成される。ここで、プロジェクタ１１０などの画像生成部にはレンズなどの光学部材が配されるので、画像光５０はこれらの光学部材を透過や反射する過程で屈折が生じ、屈折に伴う屈折角の波長分散が表れる。図５の例では、画像光５０が反射型ダブレット１２０を透過してから反射して出射する過程で、当該波長分散により、反射型ダブレット１２０からの出射位置および出射角度が赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｒでそれぞれ異なる。したがって、拡大虚像位置では大きな色収差となって、使用者に画像光５０の色のにじみとして見えてしまうという不具合がある。

外光４０も反射型ダブレット１２０を透過するときにも波長分散が表れて、色ごとに出射位置は少し異なる。しかしながら、出射角度は同じであるし、拡大されない実像なので、使用者に外光４０の色収差はほとんど感じられない。

画像光５０の色収差に対して、例えば、反射型ダブレット１２０のダブレット片１２１とダブレット片１２３とで屈折率を変えることで画像光５０の波長分散性を抑える、いわゆる色消しレンズにすることが考えられる。しかしながら、その場合には、反射型ダブレット１２０は透過光に対してもレンズパワーを有することになる。したがって、外光４０が反射型ダブレット１２０を透過するときに拡大、縮小、歪等の光学的な影響を受けるので、現実世界の像がぼやけたり、光学装置１２を用いない場合と見た目の大きさが異なるなどの不自然さが生じる。

そこで、光学装置１０ではＧＰＨ素子１３０を用いる。これにより、少なくとも反射型ダブレット１２０で生じる画像光５０の波長分散性を補償する。

図６は、ＧＰＨ素子１３０の波長分散性を説明する図である。ＧＰＨ素子１３０のＧＰＨはGeometric Phase Hologramの略であって、ＧＰＨ素子１３０は、重合性液晶を特定のパターンに配向させたものである。これにより、図６に示すように、円偏光が入射した場合に、入射した円偏光の偏光状態を反転した円偏光の１次回折光を特定の方向に出力する。

この場合に各々の領域（図では領域ＸとＹを例示した）の１次回折光が集光するように配向パターンを形成すれば、ＧＰＨ素子１３０に凸レンズの機能を持たせることができる。より具体的には、同心円状であって、外側に行くほどピッチを小さくした配向パターンを設けることにより、ＧＰＨ素子１３０が凸レンズとして機能する。さらに、配向のパターンによって、凸レンズ以外にも凹レンズなど所望のレンズパワーを持たせることができる。

ここで、ＧＰＨ素子１３０は回折現象を用いているので、屈折とは逆の波長分散が表れる。図６に示した例では、緑色Ｇの集光点に対して赤色ＲはＧＰＨ素子１３０に近い側に集光し、青色Ｂは遠い側に集光する。

したがって、光学装置１０において、画像光５０は入射するが外光４０は入射しない位置にＧＰＨ素子１３０を配する。これにより、画像光５０に対して生じる反射型ダブレット１２０の波長分散性を、それと逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子１３０で予め逆の波長分散を生じさせることで補償する。さらにＧＰＨ素子１３０にレンズパワーを持たせることにより、光学装置１０のレンズとしても用いることができる。

なお、ＧＰＨ素子１３０が反射型ダブレット１２０の波長分散性を補償するような逆分散性を有する例を説明した。これに代えて、ＧＰＨ素子１３０で、光学装置１０において反射型ダブレット１２０を含む光学系の全体が有する波長分散性か、または、反射型ダブレット１２０とは異なる光学素子の波長分散性を補償してもよい。この場合に、ＧＰＨ素子１３０は、画像光５０について反射素子２００よりも上流側に配された光学系の少なくとも一部、例えばプロジェクタ１１０の直後にプロジェクタ１１０からの出力光を光学的に調整するレンズ、の波長分散性を補償してもよい。

なお、ＧＰＨ素子１３０には以下の光学的性質がある。右回り円偏光が入射したときに、出射される左回り円偏光の１次の回折角がθであるＧＰＨ素子１３０に対して、左回り円偏光が入射したときの、出射される右回り円偏光の１次の回折角は−θである。

図７は、ＧＰＨユニット１４０を説明する図である。上記のＧＰＨ素子１３０において、材料やレンズパワー等が決まると、波長分散の特性がほぼ決まる。よって、単一のＧＰＨ素子１３０では所望の逆分散性を得られない場合がある。そこで、ＧＰＨユニット１４０では複数のＧＰＨ素子と偏光変換素子を組み合わせることで、所望の逆分散性を得る。

ＧＰＨユニット１４０において、ＧＰＨ素子１４２、１４４の間に偏光変換素子１６０が配される。偏光変換素子１６０は、入射光のうちの特定の帯域の偏光状態は変調するが、特定の帯域以外の偏光状態を維持する。図７の例において、偏光変換素子１６０は赤色Ｒの帯域の偏光方向を反転する。一方、偏光変換素子１６０は、緑色Ｇおよび青色Ｂの帯域の偏光方向は維持する、すなわち、偏光方向を反転させない。

図７において各光線の矢印の近くに記載された０、θ、ｄ等は光線が進む角度を示している。各光線の矢印の近くのＣはその光線が右回り（時計回り）円偏光であることを示し、Ａはその光線が左回り（反時計回り）円偏光であることを示す。

各ＧＰＨ素子の下方に示されたθ等は、対応するＧＰＨ素子の左回り円偏光に対する回折角であり、波長分散を考慮したものが示されている。ＧＰＨ素子１４２については、赤色Ｒの回折角がθであり、緑色Ｇの回折角がθ−ｄであり、青色Ｂの回折角がθ−２ｄである。また、ＧＰＨ素子１４４はＧＰＨ素子１４２と光学的に同じ性質を有する。

ＧＰＨ素子１４２、１４４と偏光変換素子１６０とを図７のように組み合わせると、ＧＰＨユニット１４０に角度０（法線方向）で入射した赤色Ｒの光線は、ＧＰＨ素子１４２とＧＰＨ素子１４４の両方でθだけ回折し、結果として２θ方向に回折される。一方、０度で入射した緑色Ｇの光線はＧＰＨ素子１４２でθ−ｄ方向に回折するが、ＧＰＨ素子１４４に入射するときにはＧＰＨ素子１４２に入射したときと円偏光の回転方向が反対なので、ＧＰＨ素子１４４での回折が−（θ−ｄ）となり、結果として０度方向に出力される。０度で入射した青色Ｂの光線も同様に０度方向に出力される。このように、ＧＰＨユニット１４０は、同じ方向から入射する３色の光のうちいずれか１色の光線の方向を異なる方向に向けることができる。

図８は、他のＧＰＨユニット１５４を説明する図である。図８に用いられている記号が示す内容は図７に用いられているものと同じである。

ＧＰＨユニット１５４において、ＧＰＨ素子１５０、１５２の間に偏光変換素子１６４が配される。図８の例において、偏光変換素子１６４は青色Ｂの帯域の偏光方向を反転する。一方、偏光変換素子１６４は、赤色Ｒおよび緑色Ｇの帯域の偏光方向は維持する、すなわち、偏光方向を反転させない。

ＧＰＨ素子１５０、１５２と偏光変換素子１６４とを図８のように組み合わせると、ＧＰＨユニット１４０に角度２θで入射した赤色Ｒの光線は、ＧＰＨ素子１５０でθ＋２ｄだけ回折するが、ＧＰＨ素子１５２に入射するときはＧＰＨ素子１５０に入射したときと円偏光の回転方向が反対なので、ＧＰＨ素子１５２での回折が−（θ＋２ｄ）となり、結果として２θ方向に出力される。２θで入射した緑色Ｇの光線も同様に２θ方向に出力される。一方、０度で入射した青色Ｇの光線はＧＰＨ素子１４２でθだけ回折し、さらにＧＰＨ素子１４４でθだけ回折し、結果として２θ方向に出力される。このように、ＧＰＨユニット１４０は、異なる方向から入射する３色の光線の方向を同じ方向に向けることができる。

上記の通り、ＧＰＨユニットにおけるＧＰＨ素子と偏光変換素子の組み合わせにより、ＧＰＨユニットの全体として、ＧＰＨ素子単体に比較して赤色Ｒの回折角を小さくして、青色Ｇの回折角を大きくすれば、逆分散性を小さくすることができる。一方、ＧＰＨユニットの全体として、ＧＰＨ素子単体に比較して赤色Ｒの回折角を大きくして、青色Ｇの回折角を小さくすれば、逆分散性を大きくすることができる。

図９はさらに他のＧＰＨユニット１５６を説明する図である。図９において図７および図８と同じ参照番号を付したものは同じ光学的特性を有する。また、図９に用いられている記号が示す内容は図７に用いられているものと同じである。

ＧＰＨユニット１５６は、６つのＧＰＨ素子１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２と、３つの偏光変換素子１６０、１６２、１６４を有する。ＧＰＨ素子１４２、１４４の間に偏光変換素子１６０が配される。同様に、ＧＰＨ素子１４６、１４８の間に偏光変換素子１６２が配され、ＧＰＨ素子１５０、１５２の間に偏光変換素子１６４が配される。

偏光変換素子１６２は緑色Ｇの帯域の偏光方向を反転する一方、赤色Ｒおよび青色Ｂの帯域の偏光方向は維持する。偏光変換素子１６０、１６４は図７および図８に説明したものと同じ光学的性質を有する。また、偏光変換素子の入力側に配されたＧＰＨ素子と出力側に配されたＧＰＨ素子との光学的特性は同一となっている。

ＧＰＨ素子１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２と偏光変換素子１６０、１６２、１６４とを図９のように組み合わせれば、ＧＰＨユニット１４０に角度０（法線方向）で入射した赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの光線がすべて２θで出射される。よって、図９のＧＰＨユニット１５６は逆分散性を有しない。さらに、各ＧＰＨ素子における回折の角度をθから変えることで、所望の逆分散性を有するＧＰＨユニット１５６を構成することができる。さらに、バンドパスフィルタを用いて赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂのそれぞれの色における狭い波長帯域を取り出してＧＰＨユニット１５６と組み合わせることで所望の逆分散性を得るようにしてもよい。

図１０は、他の光学装置１４を示す。光学装置１４は、外光調整部３４０を設けた点を除いて光学装置１０と同じ構成を有する。光学装置１４において光学装置１０と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。

外光調整部３４０は、外光４０について反射素子２００よりも上流側に配される。外光調整部３４０は透過率を調整することで、透過する外光４０の強度を調整可能である。外光調整部３４０の一例は液晶シャッタである。

ここで、外光調整部３４０が液晶シャッタのように偏光を利用して透過率を調整するものである場合には、外光調整部３４０から出力される外光４０の偏光方向を、反射素子２００を透過する偏光方向にすることが好ましい。これにより、外光調整部３４０から出力される外光４０を効率よく用いることができる。

なお、外光調整部３４０は液晶シャッタに代えて、偏光板を用いてもよい。この場合に偏光板の光学軸の方向に従って、透過する外光４０のうち、反射素子２００を透過する直線偏光成分の大きさが決まる。よって、偏光板と反射素子２００との協働により外光４０の強度を調整することができる。

図１１は、他の画像重畳部１０４を示す。画像重畳部１０４において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０４は、バックライト１７０と、偏光ビームスプリッタ１７２と、液晶パネル１７４と、λ／４板１７６と、ＧＰＨ素子１３０と、反射素子２００とを有する。

バックライト１７０は時分割で非偏光の赤色、緑色および青色の光を出射する。偏光ビームスプリッタ１７２は、バックライトから入射した光のうちＳ偏光を反射して液晶パネル１７４へと方向付ける。

液晶パネル１７４は２次元に配された複数の画素を有する。画素の各々は、偏光を利用して、入射光を反射する状態と吸収する状態とを切替可能である。これらの画素からの出力によりカラーの画像光５０を得ることができる。液晶パネル１７４がデジタル階調方式の場合には、入射光を偏光方向を９０°回転させている時間と回転させていない時間のデューティ比で階調を表現し、画像光５０を水平方向の直線偏光で出力する。一方、液晶パネル１７４がアナログ階調方式の場合には、入射光の偏光方向を階調に合せた角度で回転した画像光５０を出力する。

画像光５０のうちの水平方向の直線偏光の成分は偏光ビームスプリッタ１７２を透過して、λ／４板１７６に入射する。λ／４板１７６により画像光５０は水平方向の直線偏光から左回り円偏光に変調されて、ＧＰＨ素子１３０に入射する。

図１２は、さらに他の画像重畳部１０５を示す。画像重畳部１０５において、画像重畳部１００、１０４と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０５は、バックライト１７０と、偏光ビームスプリッタ１７２と、液晶パネル１７４と、λ／４板１７３、１７６とを有する。

バックライト１７０は、画像重畳部１０４のバックライト１７０とは異なり、偏光ビームスプリッタ１７２の反対側に配される。偏光ビームスプリッタ１７２は、バックライトから入射した光のうち水平方向の直線偏光の成分を透過して液晶パネル１７４へ入射させる。

液晶パネル１７４は、図１１の場合と同様に、入射光を反射する場合に偏光方向を回転した画像光５０を出力する。画像光５０のうち垂直方向の直線偏光の成分は偏光ビームスプリッタ１７２で反射して、λ／４板１７６に入射する。垂直方向の直線偏光の画像光５０はλ／４板１７６で右回り円偏光に変調されて、反射型ダブレット１２０に入射する。

一方、外光４０のうち水平方向の直線偏光の成分は偏光ビームスプリッタ１７２を透過して、λ／４に入射する。水平方向の直線偏光の外光４０はλ／４板１７６で左回り円偏光に変調されて、反射型ダブレット１２０に入射する。これにより、外光４０に画像光５０が重畳される。ＧＰＨ素子１３０は、λ／４板１７３と液晶パネル１７４との間に配される。

図１３は、さらに他の画像重畳部１０６を示す。画像重畳部１０６において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０６は、プロジェクタ１１０、ＧＰＨ素子１３０および反射素子２００の組と、これと対称に配された、プロジェクタ１１２、ＧＰＨ素子１３２および反射素子２０２の組とを有する。

プロジェクタ１１２、ＧＰＨ素子１３２および反射素子２０２の組は、画像光５２を生成して外光４０に重畳する。プロジェクタ１１２、ＧＰＨ素子１３２および反射素子２０２の各々は、プロジェクタ１１０、ＧＰＨ素子１３０および反射素子２００と同じ機能を有するので説明を省略する。

図１４は、さらに他の画像重畳部１０７を示す。画像重畳部１０７において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０７は、プロジェクタ１１０、ミラー１８０および反射素子２００の組と、プロジェクタ１１２、ミラー１８２および反射素子２０２の組とを有する。ＧＰＨ素子１３０は上記二つの組で共用されている。

プロジェクタ１１０からの画像光５０は、ミラー１８０および反射素子２００で反射されて、外光４０に重畳される。同様に、プロジェクタ１１２で画像光５２が生成され、ミラー１８２および反射素子２０２で反射されて、外光４０に重畳される。

なお、画像光５０の光路は画像光５２光と干渉しない光路にすることが好ましい。光路が干渉する場合には、ミラー１８２に代えて偏光状態によらず所望の比率で透過および反射するハーフミラーを設けてもよい。さらに、プロジェクタ、ミラーおよび反射素子の組の数は２つに限られず、３つ以上であってもよい。

図１５は、さらに他の画像重畳部１０８を示す。画像重畳部１０８において、画像重畳部１００と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。画像重畳部１０８は、プロジェクタ１１０とＧＰＨ素子１３０との間に、正立光学系１９０を有する。

正立光学系１９０は、例えば正立結像レンズ、拡大光学系を有する。正立結像レンズは、ＳＥＬＦＯＣ（登録商標）レンズや、複数枚のレンズアレイで構成された正立結像レンズ等である。拡大光学系はフレネルレンズ等である。なお、正立光学系１９０は、図１１から図１５のいずれの画像重畳部１０４等に用いられてもよい。

図１６は、他の光学装置１６を示す。光学装置１６において光学装置１０と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。

光学装置１６において、反射素子２００の傾いている方向は光学装置１０とは逆である。これにより、光学装置１６において、反射素子２００は画像光５０を、外光４０の上流側に反射する。

外光４０について反射素子２００の上流側には、曲面ハーフミラー３３０が配される。曲面ハーフミラー３３０は曲面３３２を有し、偏光状態によらず入射光の半分の強度の部分を透過し、他の半分を曲面３３２で反射する。これにより、画像光５０の半分の強度の部分を反射して曲面３３２でレンズ作用を施す。図１６の例では、反射した画像光５０を平行光にしている。

一方、外光４０のうちの半分の強度の部分が、曲面ハーフミラー３３０を透過するが、曲面３３２でのレンズ作用を受けない。これにより、画像光５０が外光４０に重畳されて使用者の眼に導かれる。

以上、いずれの実施形態においても、反射素子２００は互いに直交する直線偏光の一方を反射して他方を透過する。これに代えて、偏光状態によらず入射光の半分の強度の部分を反射して残りの部分を透過するハーフミラーを用いてもよい。さらに、上記いずれの実施形態におけるハーフミラーも、反射と透過の比率が１：１であるが、これに代えて、任意の比率であってもよい。

なお、上記いずれの実施形態においても反射素子２００は外光４０および画像光５０の入射方向に対して４５°に傾いているが、傾きの角度は４５°以外であってもよい。また、上記いずれの実施形態においても、偏光状態を直線偏光と円偏光であるとして説明したが、設計公差等の理由により楕円偏光になる場合にも適用できる。

なお、上記いずれの実施形態においても、反射型ダブレット１２０および曲面ハーフミラー３３０は画像光５０を平行光にするレンズパワーを有する。しかしながら、反射型ダブレット１２０および曲面ハーフミラー３３０は他の大きさのレンズパワーを有していてもよい。

さらに、上記いずれの実施形態においても、ＧＰＨ素子１３０等と反射素子２００等との間に、凸レンズなど他の光学的素子が配されていてもよい。

上記いずれの実施形態においても、反射型ダブレット１２０に代えて、三つ以上の光学要素からなり、入射光の一部を透過し、他の一部を反射する曲面を有する反射型光学系が用いられてもよい。その場合に、光学要素は互いに整合面で整合しており、かつ、互いの屈折率が予め定められた範囲で一致、例えば等しい、ことが好ましい。または、反射型ダブレット１２０に代えて、互いの整合面が平面であり、整合していない方の面が互いに同じ曲率を有する反射型ダブレットを用いてもよい。

図１７は、本実施形態の光学装置１０を利用した眼鏡型表示装置４００の一例を示す。眼鏡型表示装置４００は、光学装置１０及び眼鏡型のフレーム４０２を備え、フレーム４０２により眼鏡と同様の形態で観察者に装着されてよい。

眼鏡型表示装置４００は、眼鏡の眼の位置に対応する部分の上部にプロジェクタ１１４、１１６を備え、プロジェクタ１１４、１１６は下方向に向けて左眼用及び右眼用の画像光を出力する。また、眼鏡型表示装置４００の右眼側のリム４０４及び左眼側のリム４０６の内部に、反射素子２０４、２０６を含む光学装置１０のプロジェクタ以外の部材が配される。これらにより、プロジェクタ１１４、１１６から出力された画像光を使用者のそれぞれの眼に導く。眼鏡型表示装置４００は、更にレンズ等のその他の光学系を備えてもよい。

眼鏡型表示装置４００はプロジェクタ１１４、１１６を他の部分に設けてもよい。例えば、眼鏡型表示装置４００はプロジェクタ１１４、１１６を、眼に対応する部分の下側、内側、又は、外側に設けてよい。また、図示しないが、光学装置１０等及び眼鏡型表示装置４００は、画像重畳部１００等を制御するプロセッサ、及び、これらに電力を供給するバッテリー等の必要な要素を含んでよい。なお、眼鏡型表示装置４００において左右の一方の眼に対して画像を重畳させる反射素子等を設け、他方に対しては画像を重畳させる反射素子等を設けない構成としてもよい。

図１８は、さらに他の光学装置１８を示す。光学装置１８は導光板３５２を利用して画像光５０を現実世界の外光４０に重畳させて使用者の眼３０に導く。

光学装置１８はプロジェクタ１１０と、ＧＰＨ素子１３０と、レンズ３５０と、導光板３５２と、偏向素子３５４、３５６とを有する。プロジェクタ１１０は画像光５０を生成して拡散光として出射する。レンズ３５０は画像光５０を眼３０に集光させる。

導光板３５２にはレンズ３５０から出射した画像光５０が入射する。導光板３５２には偏向素子３５４が取り付けられている。偏向素子３５４は、導光板３５２に入射した画像光５０の方向を、導光板３５２の中で全反射が起きるような方向へ偏向する。ここで、導光板３５２は入射した光を内部で全反射させて伝搬させるので、反射素子の一例になっているといえる。偏向素子３５４の例は、ミラー、ホログラム、回折素子、多層積層構造を有するハーフミラー等である。

導光板３５２にはさらに偏向素子３５６が取り付けられている。偏向素子３５６は、導光板３５２の内部を全反射して偏向素子３５６に到達した画像光５０の方向を眼３０の方向へ偏向する。偏向素子３５６の例は、ホログラム、回折素子、多層積層構造を有するハーフミラー等である。

以上の構成により、光学装置１８において画像光５０が外光４０に重畳されて、使用者の眼３０に導かれる。ここで、画像光５０はプロジェクタ１１０およびレンズ３５０などにおいて屈折に伴う屈折角の波長分散が表れるが、本実施形態においてはＧＰＨ素子１３０を設けることにより、この波長分散性を補償する。これにより、導光板３５２を利用した光学装置１８においても、使用者が感じる画像光５０の色のにじみを抑えることができる。

なお、導光板３５２を用いる光学装置１８は画像の重畳において偏光を用いなくてもよい。よって、図１８においても偏光の方向の記載を省略した。また、光学装置１８も左右の一方の眼に対して画像を重畳させる導光板等を設け、他方に対しては画像を重畳させる導光板等を設けない構成としてもよい。

図１９および図２０は、図７のＧＰＨユニット１４０の変形例であるＧＰＨユニット１５７を説明する図である。ＧＰＨユニット１５７においてＧＰＨユニット１４０と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。

ＧＰＨユニット１５７は、偏光変換素子１６０とＧＰＨ素子１４４との間に偏光切替素子１６５が配されている点が、ＧＰＨユニット１４０と異なる。偏光切替素子１６５は、光の波長に関わらず、入射光の偏光状態を維持して出力する第１の状態と、入射光の偏光状態を反転した偏光状態に変換して出力する第２の状態とを切り替え可能である。いずれの状態においても、偏光切替素子１６５は入射光の光線方向は偏向せずに、すなわち、そのまま維持して出力する。偏光切替素子１６５の一例として、電圧によって第１の状態と第２の状態とが切り替わる液晶パネルを、互いの遅相軸が直交する向きでλ／４板で挟んだものが挙げられる。

図１９は、偏光切替素子１６５が第１の状態にあり、それによってＧＰＨユニット１５７が第１の状態にあることを示す。偏光切替素子１６５が上記の例のように液晶パネルを含む場合には、例えば第１の状態は当該液晶パネルに電圧が加えられている状態である。

第１の状態において、偏光切替素子１６５は入射光の偏光状態を維持して出力する。よって、第１の状態において、ＧＰＨユニット１５７は偏光切替素子１６５の存在にも関わらずＧＰＨユニット１４０と同じ光学的機能を有する。

図２０は、偏光切替素子１６５が第２の状態にあり、それによってＧＰＨユニット１５７が第２の状態にあることを示す。偏光切替素子１６５が液晶パネルを含む場合には、例えば第２の状態は当該液晶パネルに電圧が加えられていない状態である。

第２の状態において、偏光切替素子１６５は入射光の偏光状態を波長に関わらず反転した方向に変換して出力する。図２０の例において、赤色Ｒを左回り円偏光から右回り円偏光へ変換し、緑色Ｇおよび青色Ｂを右回り円偏光から左回り円偏光へ変換する。これにより、第２の状態において、ＧＰＨユニット１５７は第１の状態とは異なる偏光状態および偏向方向へＲＧＢの光を出射する。

以上の構成を有するＧＰＨユニット１５７によれば、偏光切替素子１６５の状態を切り替えることにより、光学装置１０に全体として生じる波長分散性を切り替えることができる。なお、偏光切替素子１６５に直線偏光が入力される場合には、偏光状態を反転させる第２の状態は、入力された直線偏光と直交する直線偏光を出力することに対応する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０、１２、１４、１６、１８ 光学装置、３０ 眼、４０ 外光、４２ 物体、５０、５２ 画像光、５４ 物体像、５６ 重畳画像、１００、１０２、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 画像重畳部、１０１ 光学系、１１０、１１２、１１４、１１６
プロジェクタ、１２０ 反射型ダブレット、１２１、１２３ ダブレット片、１２２ 曲面、１３０、１３２、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２ ＧＰＨ素子、１４０、１５４、１５６、１５７ ＧＰＨユニット、１６０、１６２、１６４ 偏光変換素子、１６５ 偏光切替素子、１７０ バックライト、１７２ 偏光ビームスプリッタ、１７３ λ／４板、１７４ 液晶パネル、１７６ λ／４板、１８０ ミラー、１８２
ミラー、１９０ 正立光学系、２００、２０２、２０４、２０６ 反射素子、２１０ 位相差板、２２０ 反射型偏光板、３００ λ／４板、３１０ 反射型偏光板、３２０ 偏光板、３３０ 曲面ハーフミラー、３３２ 曲面、３４０ 外光調整部、３５０ レンズ、３５２ 導光板、３５４、３５６ 偏向素子、４００ 眼鏡型表示装置、４０２ フレーム、４０４ リム、４０６ リム

Claims (11)

1. 画像光を外光に重畳させて下流側に導く光学装置であって、
   少なくとも前記画像光に対してレンズパワーを有する光学素子を含む画像光学系と、
   前記画像光の少なくとも一部を反射することで、前記画像光の前記少なくとも一部と前記外光の前記少なくとも一部とを重畳させる反射素子と
   を備え、
   前記画像光学系は、前記光学素子とは波長分散性が逆の逆分散性を有するＧＰＨ素子を有する光学装置。
2. 前記光学素子は、前記反射素子の下流側に配され、互いに整合面で整合し、互いの屈折率が予め定められた範囲で一致する複数の光学部材からなる反射型光学系であって、入射光の一部を透過し、他の一部を反射する曲面を有する反射型光学系を有し、
   前記反射型光学系の下流側に配された四分の一波長板と、
   前記四分の一波長板の下流側に配され、第１の直線偏光を反射し、第２の直線偏光を透過する反射型偏光板と
   をさらに備え、
   前記ＧＰＨ素子は少なくとも前記反射型光学系の波長分散性を補償する前記逆分散性を有する請求項１に記載の光学装置。
3. 前記外光について前記反射素子の上流側に配され、曲面を有し、前記曲面において入射光の一部を透過し、他の一部を反射する曲面ハーフミラーをさらに備える請求項１に記載の光学装置。
4. 前記反射素子は、
   前記画像光の光軸に対して斜めに配置され、前記画像光および前記外光の偏光状態を変調する位相差板と、
   前記位相差板の下流側に重ねられ、前記位相差板を透過した前記画像光の第１の偏光成分を反射するとともに、前記外光の第２の偏光成分を透過する反射型偏光板と
   を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記反射素子はハーフミラーである請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記反射素子は、前記画像光の第１の偏光成分を反射するとともに、前記外光の第２の偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタである請求項１から３のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記ＧＰＨ素子は、前記画像光について前記反射素子よりも上流側に配された前記画像光学系の少なくとも一部の波長分散性を補償する前記逆分散性を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 前記画像光学系は、前記ＧＰＨ素子に重ねて配され、入射光のうちの特定の波長帯域の偏光状態を変調し、他の波長帯域の偏光状態を維持する偏光変換素子をさらに有する請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記偏光変換素子と前記ＧＰＨ素子との間に配され、入射光の偏光状態を維持して出力する第１の状態と、入射光の偏光状態を反転した偏光状態に変換して出力する第２の状態とを切り替える偏光切替素子をさらに有する請求項８に記載の光学装置。
10. 前記外光について前記反射素子よりも上流側に配され、透過する外光の強度を調整可能な外光調整部をさらに備える請求項１から９のいずれか１項に記載の光学装置。
11. 使用者に装着され、前記画像光を前記外光に重畳させて前記使用者の眼に導く、拡張現実用の、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学装置。

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