JP6399792B2 - Virtual image observation device and inner optical system of virtual image observation device - Google Patents
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Description
本発明は、観察者の眼に画像光を虚像として表示させる虚像観察装置、及び虚像観察装置に用いられるインナー光学系に関する。 The present invention relates to a virtual image observation apparatus that displays image light as a virtual image on an observer's eye, and an inner optical system used in the virtual image observation apparatus.
従来、表示素子上に表示される映像が接眼光学部を介して観察される映像表示装置において、表示素子が接眼光学部に対して光軸方向に沿って移動(スライド)されることにより、視度を変化させるものが知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, in an image display device in which an image displayed on a display element is observed through an eyepiece optical unit, the display element is moved (slid) along the optical axis direction with respect to the eyepiece optical unit. What changes the degree is known (for example, Patent Document 1).
しかしながら、引用文献1の技術では、様々な視力の観察者に対応するためには、表示素子のスライド可能なスペースを大きく確保する必要があるため、装置が大型化するという問題があった。つまり小型な装置の限られたスペースでは、観察者それぞれに応じた表示が不可能であった。そのため、予め様々な種類の接眼光学部を準備して、観察者に応じて適切な接眼光学部に交換、カスタマイズすることも考えられる。しかし、接眼光学部は、一般的に光路を観察者の眼球に向けて折り曲げるプリズムとして構成されるため、多種類の接眼光学部を製造する場合にはコストが大幅に増大するおそれがあった。 However, the technique of the cited document 1 has a problem that the apparatus becomes large because it is necessary to secure a large slidable space for the display element in order to cope with observers with various visual acuities. In other words, in a limited space of a small device, display according to each observer was impossible. Therefore, it is also conceivable to prepare various types of eyepiece optical units in advance and replace and customize them with appropriate eyepiece optical units according to the observer. However, since the eyepiece optical unit is generally configured as a prism that bends the optical path toward the observer's eyeball, there is a risk that the cost may increase significantly when manufacturing various types of eyepiece optical units.
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、装置の大型化や多種類の接眼光学部の準備を要することなく、所望の機能が得られる虚像観察装置及び虚像観察装置のインナー光学系を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made by paying attention to these points is to provide a virtual image observation apparatus and a virtual image observation apparatus that can obtain a desired function without requiring an increase in size of the apparatus and preparation of various types of eyepiece optical units. It is to provide an optical system.
上記目的を達成する虚像観察装置の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記表示素子と前記接眼光学部の相対位置を固定したまま交換されることによって光学的機能を変更するインナー光学系と、
前記インナー光学系を前記筐体に交換可能に装着するための装着部と、
を備え、
前記装着部は、前記インナー光学系として第1インナー光学系と第2インナー光学系とを交換可能に装着するものであり、
前記第1インナー光学系は、前記装着部に装着された状態で前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成せずに画像光の透過光路を形成し、
前記第2インナー光学系は、前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するとともに、画像光の透過光路を形成していることを特徴とする。
The invention of the virtual image observation apparatus that achieves the above object is as follows.
A display element;
An eyepiece optical unit that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays it as a virtual image;
A housing for holding the display element and the eyepiece optical unit;
An inner optical system that changes an optical function by exchanging the display element and the eyepiece optical unit while fixing a relative position in the optical path of the image light between the display element and the eyepiece optical unit; ,
A mounting portion for mounting the inner optical system in a replaceable manner on the housing;
Equipped with a,
The mounting portion is configured to mount the first inner optical system and the second inner optical system interchangeably as the inner optical system,
The first inner optical system forms a transmission optical path of image light without forming a transmission optical path of external light that intersects the optical path of the image light in a state of being mounted on the mounting portion,
When the second inner optical system is mounted on the mounting portion, the second inner optical system forms a transmission optical path of external light that intersects the optical path of the image light, and forms a transmission optical path of the image light. To do.
上記の虚像観察装置の発明において、
前記画像光を形成するための照明光を発する光源部をさらに備え、
前記第2インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て入射する外光を受光する受光素子を備え、
前記受光素子の出力に基づいて前記光源部の出力を変化させることによって前記虚像の輝度を制御するようにしてもよい。
In the invention of the virtual image observation apparatus,
A light source unit that emits illumination light for forming the image light;
The second inner optical system includes a light receiving element that receives external light incident through a transmission optical path of the external light,
You may make it control the brightness | luminance of the said virtual image by changing the output of the said light source part based on the output of the said light receiving element.
上記の虚像観察装置の発明において、
前記第2インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て外界像を撮影する撮影光学系及び撮像素子を備えてもよい。
In the invention of the virtual image observation apparatus,
The second inner optical system may include an imaging optical system and an imaging element that captures an external image through the transmission path of the external light.
上記の虚像観察装置の発明において、
前記第2インナー光学系は、前記観察者の眼で反射されて前記接眼光学部から入射する逆入射光を前記画像光の光路から分離して前記逆入射光の導光路に偏向するハーフミラーと、前記逆入射光の導光路に偏向された前記逆入射光を撮影する撮影光学系及び撮像素子と、を備え、
前記撮像素子から得られる画像信号に基づいて前記観察者の瞳孔位置、ひいては視線を検出するようにしてもよい。
In the invention of the virtual image observation apparatus,
The second inner optical system includes a half mirror that separates the reverse incident light reflected from the eye of the observer and incident from the eyepiece optical unit from the optical path of the image light and deflects it to the light guide path of the reverse incident light. A photographing optical system and an image sensor for photographing the reverse incident light deflected in the light guide path of the reverse incident light,
The observer's pupil position, and hence the line of sight, may be detected based on an image signal obtained from the image sensor.
また、上記目的を達成する虚像観察装置のインナー光学系の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記表示素子と前記接眼光学部の相対位置を固定したまま交換されることによって光学的機能を変更するインナー光学系と、
前記インナー光学系を前記筐体に交換可能に装着するための装着部と、
を備えた虚像観察装置のインナー光学系であって、
前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するとともに、画像光の透過光路を形成することを特徴とする。
また、上記目的を達成する虚像観察装置の他の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記表示素子と前記接眼光学部の相対位置を固定したまま交換されることによって光学的機能を変更するインナー光学系と、
前記インナー光学系を前記筐体に交換可能に装着するための装着部と、
を備え、
前記インナー光学系は、前記画像光の透過光路に添う方向に厚みを有し、前記画像光の透過光路長の調整により前記虚像の視度を調整するものである。
また、上記の虚像観察装置の発明において、
前記装着部は、前記インナー光学系として第3インナー光学系と第4インナー光学系とを交換可能に装着するものであり、
前記第4インナー光学系は、前記画像光の透過光路に添う方向に前記第3インナー光学系と異なる厚みを有することが好ましい。
Further, the invention of the inner optical system of the virtual image observation apparatus that achieves the above object
A display element;
An eyepiece optical unit that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays it as a virtual image;
A housing for holding the display element and the eyepiece optical unit;
An inner optical system that changes an optical function by exchanging the display element and the eyepiece optical unit while fixing a relative position in the optical path of the image light between the display element and the eyepiece optical unit; ,
A mounting portion for mounting the inner optical system in a replaceable manner on the housing;
An inner optical system of a virtual image observation apparatus comprising:
In a state of being mounted on the mounting portion, an external light transmission optical path intersecting with the optical path of the image light is formed and a transmission optical path of the image light is formed.
In addition, another invention of the virtual image observation apparatus that achieves the above object
A display element;
An eyepiece optical unit that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays it as a virtual image;
A housing for holding the display element and the eyepiece optical unit;
An inner optical system that changes an optical function by being exchanged while fixing a relative position of the display element and the eyepiece optical unit in an optical path of the image light between the display element and the eyepiece optical unit; ,
A mounting portion for mounting the inner optical system in a replaceable manner on the housing;
With
The inner optical system has a thickness in a direction accompany the transmission optical path of the image light, Ru der adjusts the diopter of the virtual image by adjusting the transmission optical path length of said image light.
In the invention of the virtual image observation apparatus,
The mounting part is configured to replace the third inner optical system and the fourth inner optical system as the inner optical system,
The fourth inner optical system preferably has a thickness different from that of the third inner optical system in a direction along the transmission optical path of the image light.
本発明によれば、装置の大型化や多種類の接眼光学部の準備を要することなく、所望の機能が得られる虚像観察装置及び虚像観察装置のインナー光学系を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the inner optical system of the virtual image observation apparatus and virtual image observation apparatus which can obtain a desired function can be provided, without requiring the enlargement of an apparatus and the preparation of many types of eyepiece optical parts.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1〜図6を参照して、本発明の第1実施形態を説明する。図1に示す虚像観察装置100は、本体部101と導光部102とを備えている。本体部101は、フックなどの係合部材103を用いて、メガネ104のテンプル105に取付け可能である。導光部102は、メガネ104を観察者が装着した状態で、本体部101から観察者の眼球の正面まで延びるように形成される。本体部101は、観察させる画像を形成して画像光として射出し、導光部102は、本体部101からの画像光を観察者の眼球に導光する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. A virtual
本明細書では、説明の便宜上、虚像観察装置100をメガネ104を介して装着している観察者を正面から観たときの左(図のX軸正方向)、右(図のX軸負方向)、前(図のY軸正方向。観察者から遠い側。)、後(図のY軸負方向。観察者に近い側。)、上(図のZ軸正方向)、下(図のZ軸負方向)、水平(図のXY平面方向)、及び鉛直(図のZ軸方向)を、それぞれ単に「左」、「右」、「前」、「後」、「上」、「下」、「水平」、及び「鉛直」という場合がある。X軸、Y軸、及びZ軸は、互いに垂直である。
ただし、虚像観察装置100は図の例のものを左右反転や上下反転して構成されてもよい。左右反転して構成される場合は、虚像観察装置100をメガネ104を介して装着している観察者を正面から観たときの左及び右が、それぞれX軸負方向、X軸正方向となる。上下反転して構成される場合は、虚像観察装置100をメガネ104を介して装着している観察者を正面から観たときの上及び下が、それぞれZ軸負方向、Z軸正方向となる。
In this specification, for convenience of explanation, left (X-axis positive direction in the figure) and right (X-axis negative direction in the figure) when an observer wearing the virtual
However, the virtual
図2に示すように、本体部101は、筐体114と、筐体114内に配置された光源106、照明プリズム107、及び表示素子108とを、有する。光源106は、例えばLEDであり、照明光を発する。
As shown in FIG. 2, the
照明プリズム107は、入射面109、射出面110、および反射面111を有する。光源106が発する照明光が照明プリズム107の入射面109に入射するように、照明プリズム107は配置される。照明プリズム107に入射した照明光を射出面110が反射面111に向けて全反射し、全反射された照明光を射出面110に略垂直に入射するように反射面111が照明光を反射し、略垂直に入射する照明光が射出面110を透過するように、照明プリズム107は形成され、配置される。
The
照明プリズム107の射出面110を透過した照明光は、表示素子108に入射される。表示素子108は、例えば透過型LCD表示素子である。表示素子108は、入射される照明光の光束を、2次元状に配置された画素毎に変調することにより、観察者に観察させる画像に相当する画像光を形成し、射出する。
The illumination light that has passed through the
図2に示すように、導光部102は、筐体132と、左端側が筐体132内に収納されているとともに右端側が筐体132の外部へ露出している接眼光学部131と、筐体132内に格納されたインナー光学系140とを、有している。
As shown in FIG. 2, the
後に詳しく説明するように、本例では、導光部102の筐体132が、表示素子108と接眼光学部131との間の画像光の光路内で、筐体132にインナー光学系140を交換可能に装着するための装着部132aを有している。インナー光学系140は、保持枠133と、保持枠133内に収納されるとともに、表示素子108と接眼光学部131との間の画像光の光路内に配置される、インナー光学素子130とを、有している。
As will be described in detail later, in this example, the inner
導光部102の筐体132と本体部101の筐体114とは、互いに連結されており、これらの筐体132、114によって、表示素子108と接眼光学部131とが保持されて、これらの相対位置が固定される。本体部101の筐体114と、導光部102の筐体132とには、表示素子108とインナー光学素子130との間で画像光を通過可能にするための開口が、それぞれ形成されている。
The
接眼光学部131は、表示素子108からインナー光学素子130を介して入射された画像光を、観察者の眼球に導光して、虚像として表示させる。本例における接眼光学部131は、導光プリズム115と接眼部116(接眼面)とによって構成されている(図2参照)。
The eyepiece
接眼光学部131の導光プリズム115は、第1〜第6面を有するプリズムである。前後に互いに対向する第1面117および第2面118は、等脚台形状であり(図3参照)、XZ平面方向に沿って延在している。インナー光学素子130からの画像光の入射面となる第3面119は、第1面117および第2面118の左端側の面であり、YZ平面方向に沿って延在している(図2、図3参照)。第4面120は、第3面119に対向する面であって、第1面117および第3面119に対して45°傾斜している。第5面及び第6面は、それぞれ上面及び下面である。導光プリズム115は、図3に示すように、右側(X軸負側)に向かうにつれて徐々に上下方向の長さが短くなるように形成されており、その上下方向の長さは、少なくとも接眼部116において、例えば4mm以下である。
The
接眼光学部131の接眼部116は、後方(Y軸負方向)に向けて突出した平凸レンズであって、前側の平面が、導光プリズム115の第1面117の右端部に接着され又は導光プリズム115と一体に形成される(図2参照)。接眼部116は、第1面117の位置での上下方向の長さが例えば4mm以下である。接眼部116は、メガネ104を介した虚像観察装置100の観察者による装着時に、観察者の眼球にほぼ対向することとなる。
The
インナー光学素子130から接眼光学部131の第3面119に入射する画像光は、第4面120において接眼部116の方向に反射される。さらに画像光は接眼部116から射出されることにより、観察者の眼球に入射し、観察者は画像を観察できるようになる。
Image light incident on the
なお、本実施形態では、虚像観察装置100の各構成要素(照明プリズム107、表示素子108、接眼光学部131等)が上述の構成を有するものとして説明するが、これらはそのような構成を有するものに限定されない。例えば、照明プリズム107や接眼光学部131の形状及び寸法は、本例以外のものでもよい。また、表示素子108は、透過型表示素子以外にも、反射型表示素子(LCOS表示素子等)や、自発光型表示素子(有機EL等。その場合は光源106を省略できる。)等で、構成してもよい。また、光源106と照明プリズム107を、LCD用の平面バックライトに置き換えてもよい。また、本体部101は、メガネ104に対して係合部材103以外の手段によって取り付け可能にしてもよいし、あるいはメガネ104と一体化(固定)されていてもよい。また、接眼光学部131は、本例のように左右方向に延在するように配置される場合以外にも、例えば接眼部116側が下側となるように上下方向に延在するように配置されてもよい。
In the present embodiment, each component (the
次に、図4及び図5を参照して、インナー光学系140の構成についてさらに詳しく説明する。図4及び図5は、表示素子108及び導光部102の一例を示している。図4は表示素子108及び導光部102の外観を示している。本例では、第1インナー光学系140aと第2インナー光学系140bとが、相互に交換可能である。図5は、表示素子108と、導光部102のうち筐体132及び保持枠133を除く部分とを示しており、図5(a)及び図5(b)は、それぞれ第1及び第2インナー光学系140a、140bが筐体132に装着された場合を示している。なお、以下では、第1及び第2インナー光学系140a、140bを、互いに区別せずに「インナー光学系140」という場合がある。
Next, the configuration of the inner
図4に示すように、導光部102の筐体132の上端壁には、表示素子108と接眼光学部131との間の領域に対応する位置に、矩形断面の貫通孔132aが形成されている。後述するように、この貫通孔132aは、表示素子108と接眼光学部131との間の画像光の光路内で、筐体132にインナー光学系140を交換可能に装着するための装着部の機能を有する。
As shown in FIG. 4, a through
第1及び第2インナー光学系140a、140bは、それぞれ、保持枠133と、保持枠133内に収納されたインナー光学素子130とを、有している。第1及び第2インナー光学系140a、140bのそれぞれの保持枠133の構成は同じである。第1及び第2インナー光学系140a、140bのインナー光学素子130を、それぞれ第1及び第2インナー光学素子130a、130bとする。
図4に示す例において、保持枠133は、略矩形管状に形成されており、その内部には、インナー光学素子130が接着等により固定されている。第1及び第2インナー光学素子130a、130bは、いずれも、直方体に形成されている。
Each of the first and second inner
In the example shown in FIG. 4, the holding
インナー光学系140は、例えば使用者によって筐体132に装着される。その際、使用者は、まず、筐体132の貫通孔132aの上側で、保持枠133の管軸方向両側の開口133aをそれぞれ表示素子108及び接眼光学部131側に向けて、貫通孔132aを介して筐体132内へ挿入し、筐体132の床面132b上に載置する。このとき、インナー光学素子130は、表示素子108と接眼光学系131との間の画像光の光路内に配置される。また、このとき、保持枠133の鉛直に延在する4つの側壁面の上部(被装着部)133bが、筐体132の貫通孔(装着部)132aの内周面と係合することで、保持枠133が筐体132に対して水平方向に位置決めされ、これによりインナー光学系140が筐体132に脱着可能に(ひいては交換可能に)装着される。
The inner
図4及び図5に示すように、インナー光学系140が筐体132に装着された状態において、インナー光学素子130は、保持枠133の左側(X軸正側)の開口133aを介して表示素子108と対向する面151が画像光の入射面となり、保持枠133の右側の開口133aを介して接眼光学部131と対向する面153が画像光の射出面となる。このとき、保持枠133の左右両側の開口133aは、画像光の通過を許容する画像光窓となる。図の例では、画像光の入射面151及び射出面153が、画像光の入射方向(X軸方向)に対して垂直となる。
As shown in FIGS. 4 and 5, in a state where the inner
図5に示すように、第1及び第2インナー光学素子130a、130bは、保持枠133を介して筐体132に装着された状態での、画像光の透過光路に沿う方向の厚みa、bがそれぞれ異なる。本明細書において「画像光の透過光路に沿う方向の厚み」とは、インナー光学素子130を透過する画像光の中心光線CRに沿って測った厚みを指す。第1インナー光学系140aが筐体132に装着されたときと、第2インナー光学系140bが筐体132に装着されたときとで、インナー光学素子130の画像光の透過光路に沿う方向の厚みが異なるので、画像光の透過光路の光路長を異ならせることができ、ゆえに虚像の前後方向の表示位置、すなわち視度を異ならせることができる。
As shown in FIG. 5, the first and second inner
例えば、接眼光学部131の焦点距離fを26mmとし、第1及び第2インナー光学素子130a、130bの画像光の透過光路に沿う方向の厚みa, bをそれぞれ4mm, 6mmとし、第1及び第2インナー光学素子130a、130bの屈折率を1.5とする。このとき、第1インナー光学系140aから第2インナー光学系140bへの交換を行う場合、表示素子108から観察者の眼球までに至る空気換算光路長の変化x'は、
x' = (6-4) - (6-4) / 1.5 = 0.666 mm
となる。したがって、虚像の前後方向の表示位置の変化Xは、レンズの公式(ニュートンの式)より、
X = f2 / x' = 262 / 0.666 = 1015 mm
となり、すなわち約1D(ディオプタ)となる。
よって、この虚像観察装置1によれば、使用者は、第1インナー光学系140aから第2インナー光学系140bへの交換によって、例えば無限遠(0D)から1m先(-1D)への虚像表示位置の変更や、例えば2m先(-0.5D)から0.66m先(-1.5D)への虚像表示位置の変更等を行うことができる。
虚像表示位置を観察者から遠くへ変位させる第1インナー光学系140aは、例えば観察者がウォーキング中で遠くの物を見ることが多い場合等に好適であり、虚像表示位置を観察者の近くへ変位させる第2インナー光学系140bは、例えば観察者がデスクワーク中で近くの物を見ることが多い場合等に好適である。
For example, the focal length f of the eyepiece
x '= (6-4)-(6-4) / 1.5 = 0.666 mm
It becomes. Therefore, the change X of the display position in the front-rear direction of the virtual image is given by the lens formula (Newton's formula)
X = f 2 / x '= 26 2 / 0.666 = 1015 mm
That is, about 1D (diopter).
Therefore, according to the virtual image observation apparatus 1, the user can display a virtual image from, for example, infinity (0D) to 1m ahead (-1D) by exchanging the first inner
The first inner
第1実施形態によれば、第1及び第2インナー光学系140a、140bを相互に交換することで、インナー光学素子130の画像光の透過光路に沿う方向の厚みを変化させて、画像光の透過光路の光路長を変化させることにより、虚像表示位置、すなわち視度を変化させることができる。このようにインナー光学系140を交換可能としたことにより、表示素子108及び接眼光学部131の構成及び相対位置を変えることなく(すなわち表示素子108及び接眼光学部131を筐体114、132に固定したまま)、光学的機能を変えることができる。よって、上述したような虚像観察装置1の大型化や多種類の接眼光学部131の準備を要することなく、所望の光学的機能を得ることができる。
According to the first embodiment, the first and second inner
なお、第1実施形態において、互いにインナー光学素子130の構成が異なる3つ以上のインナー光学系140を、相互に交換可能にしてもよい。
In the first embodiment, three or more inner
また、第1実施形態では、各インナー光学素子130の画像光の透過光路に沿う方向の厚みを異ならせること以外にも、他の任意の方法で各インナー光学素子130の構成(形状、寸法、屈折率)を互いに異ならせることで、インナー光学系140の交換により光学的機能を変更できるようにしてもよい。
In the first embodiment, in addition to changing the thickness of each inner
図6は、インナー光学素子130の変形例を示している。図6では、図5と同様に、筐体132及び保持枠133の図示を省略しているが、これらの構成は、図4の例と同様でよい。図6の例では、第1〜第3インナー光学素子130a〜130cをそれぞれ有する第1〜第3インナー光学系140a〜140cが、相互に交換可能である。図6(a)〜図6(c)は、それぞれ第1〜第3インナー光学系140a〜140cが筐体132に装着された場合を示している。第1〜第3インナー光学素子130a〜130cは、保持枠133を介した筐体132への装着状態における画像光の入射面151(以下、単に「画像光の入射面151」という場合がある。)が、曲面状に形成されており、レンズ機能を有する。
FIG. 6 shows a modification of the inner
より具体的には、図6の例において、第1インナー光学素子130aは、画像光の入射面151がインナー光学素子130の外側に向けて突出した凸状の曲面からなり、また、入射面151に対向する画像光の射出面153が平面からなることで、平凸レンズの機能を有する。第2インナー光学素子130bは、画像光の入射面151がインナー光学素子130の外側に向けて突出する湾曲形状が、鉛直方向に沿って延在する、凸状の円柱状曲面からなり、また、画像光の射出面153が平面からなることで、平凸円柱レンズの機能を有する。第3インナー光学素子130cは、画像光の入射面151がインナー光学素子130の内側に向けて窪んだ凹状の曲面からなり、また、画像光の射出面153が平面からなることで、平凹レンズの機能を有する。このように、第1〜第3インナー光学素子130a〜130cは、それぞれ異なるレンズ機能を有する。
More specifically, in the example of FIG. 6, the first inner
図6の例では、第1〜第3インナー光学系140a〜140cを相互に交換することにより、インナー光学素子130のレンズ機能、ひいては、視度調整、乱視調整、画角等の虚像の表示状態調整等の光学的機能を変えることができる。このようにインナー光学系140を交換可能とすることにより、表示素子108及び接眼光学部131の構成及び相対位置を変えることなく、光学的機能を変えることができる。よって、虚像観察装置1の大型化や多種類の接眼光学部131の準備を要することなく、所望の光学的機能を得ることができる。
In the example of FIG. 6, the first to third inner
なお、インナー光学素子130の画像光の射出面153が、凸状の曲面又は凹状の曲面からなってもよい。
The image
また、図5の例のようにレンズ機能を有しないインナー光学素子130を内蔵したインナー光学系140と、図6の例のようにレンズ機能を有するインナー光学素子130を内蔵したインナー光学系140とを、相互に交換可能としてもよい。
Further, an inner
(第2実施形態)
図7〜図8を参照して、本発明の第2実施形態を、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。図7及び図8は、第2実施形態の虚像観察装置100における表示素子108及び導光部102の一例を示す斜視図であり、それぞれ図4及び図5に対応する図である。本例では、第1〜第3インナー光学系140a〜140c(以下、これらを互いに区別せずに「インナー光学系140」という場合がある。)が、相互に交換可能である。図8(a)〜図8(c)は、それぞれ第1〜第3インナー光学系140a〜140cが筐体132に装着された場合を示している。
(Second Embodiment)
With reference to FIGS. 7-8, 2nd Embodiment of this invention is described centering on a different part from 1st Embodiment. 7 and 8 are perspective views illustrating examples of the
導光部102の筐体132の前端壁(Y軸正側の壁)には、画像素子108と接眼光学部131との間の領域に対応する位置に、長方形断面の貫通孔132aが形成されている。後述するように、この貫通孔132aは、表示素子108と接眼光学部131との間の画像光の光路内で、筐体132にインナー光学系140を交換可能に装着するための装着部の機能を有する。
A through-
各インナー光学系140は、いずれも、略直方体の保持枠133と、保持枠133内に収納された直方体のインナー光学素子130とを、有している。保持枠133の互いに対向する一対の側壁には、インナー光学系140の筐体132への装着状態において、画像光の通過を許容する画像光窓133aが形成されている。各インナー光学系140のインナー光学素子130の構成は、それぞれ同じである。
Each inner
インナー光学系140は、例えば使用者によって筐体132に装着される。その際、使用者は、まず、筐体132の貫通孔132aの前側(Y軸正側)で、保持枠133の一対の画像光窓133aをそれぞれ表示素子108及び接眼光学部131側に向けて、貫通孔132aを介して筐体132内へ挿入し、筐体132の後側の内壁面に当接させる。このとき、インナー光学素子130は、表示素子108と接眼光学系131との間の画像光の光路内に配置される。また、このとき、保持枠133の前後方向に延在する4つの側壁面の前端部(被装着部)133bが、筐体132の貫通孔(装着部)132aの内周面と係合することで、保持枠133が筐体132に対してXZ平面方向に位置決めされ、これによりインナー光学系140が筐体132に脱着可能に(ひいては交換可能に)装着される。図7及び図8に示すように、インナー光学系140が筐体132に装着された状態において、インナー光学素子130は、保持枠133の左側の画像光窓133aを介して表示素子108と対向する面151が画像光の入射面となり、保持枠133の右側の画像光窓133aを介して接眼光学部131と対向する面153が画像光の射出面となる。画像光の入射面151及び射出面153は、画像光の入射方向(X軸方向)に対して垂直となる。
The inner
第1インナー光学系140aは、図4の例と同様に、保持枠133内にインナー光学素子130のみが収納されている。このインナー光学素子130の画像光の透過光路に沿う方向の厚みを適切に設定することによって、所望の光学的機能(視度等)が得られる。
In the first inner
第2インナー光学系140bは、インナー光学素子130に加えて、保持枠133内に、インナー光学素子130の後側に配置された受光素子160と、受光素子160をインナー光学素子130に対向させた状態でインナー光学素子130に対して固定する回路基板161とを、さらに有している。第2インナー光学系140bの保持枠133の前端壁には、受光素子160と前後方向に対向する位置に、外光を取り入れるための外光窓133cが設けられている。受光素子160は例えばフォトダイオード等から構成されており、外光窓133c及びインナー光学素子130を介して入射される外光を検出し、その検出結果を回路基板161に出力する。回路基板161は、受光素子160からの出力を明るさ情報に変換して、この明るさ情報を、光源部106の制御手段(図示せず)に出力する。そして、光源部106の制御手段は、外光の明るさ情報に基づいて、光源部106の出力ひいては虚像の輝度を、調整する。第2インナー光学系140bを筐体132に装着した場合、虚像観察装置1は、外光窓133cからインナー光学素子130を介して受光素子160までに至る外光の透過光路を利用して、虚像の輝度調整機能を実現できる。例えば、外部環境が明るいときは虚像の輝度を上げて、外部環境が暗いときは虚像の輝度を下げるようにすると、観察者が虚像を観察し易くなる。
In addition to the inner
第3インナー光学系140cは、インナー光学素子130に加えて、保持枠133内に、インナー光学素子130の後側に配置された撮像素子162と、撮像素子162をインナー光学素子130に対向させた状態でインナー光学素子130に対して固定する回路基板161と、インナー光学素子130の前側に配置された撮影光学系164とを、さらに有するとともに、保持枠133の前端面に設けられた絞り板165をも有している。第3インナー光学系140cの保持枠133の前端壁には、撮影光学系164と前後方向に対向する位置に、外光を取り入れるための外光窓133cが設けられている。絞り板165には、撮影光学系164と前後方向に対向する位置に、開口165aが形成されている。撮影光学系164は、1つ以上の(図の例では3つの)レンズを含み、絞り板165の開口165aから入ってくる外光を撮像素子162の受光平面に結像させる。撮像素子162は、例えばCCD等から構成されており、電源ONにより、撮影光学系164によって結像された外界像は画像信号に変換される。使用者による図示しないシャッターボタンの操作に応じて、画像信号は、例えば本体部101に設けられる図示しない画像処理部に出力されて、そこでの画像処理によって、撮影画像が生成される。第3インナー光学系140cを筐体132に装着した場合、虚像観察装置1は、絞り板165の開口165aから撮影光学系164及びインナー光学素子130を介して撮像素子162までに至る外光の透過光路を利用して、風景の外界像等を撮影するカメラ機能を実現できる。
In addition to the inner
なお、第3インナー光学系140cでは、カメラ機能に加えて、撮像素子162の画素信号を用いて、第2インナー光学系140bと同様に虚像の輝度調整機能を実現させてもよい。
Note that, in the third inner
第2実施形態によれば、第1〜第3インナー光学系140a〜140cを相互に交換可能としたので、例えば、所望の光学的機能だけを得たい場合には第1インナー光学系140aに交換し、所望の光学的機能に加えて虚像の輝度調整機能を得たい場合には第2インナー光学系140bに交換し、あるいは、所望の光学的機能に加えてカメラ機能を得たい場合には第3インナー光学系140cに交換するだけで、これらの機能を得ることができる。よって、表示素子108及び接眼光学部131の構成及び相対位置を変えることなく(ひいては虚像観察装置1の大型化や多種類の接眼光学部131の準備を要することなく)、所望の機能を得ることができる。
According to the second embodiment, the first to third inner
また、本例のように、第2及び第3インナー光学系140b、140cが、それぞれ、筐体132に装着された状態で、画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するようにした場合には、付加的な機能(輝度調整機能やカメラ機能)を実現しつつ、仮に画像光の光路と交差しない外光の透過光路を形成する場合に比べて、両光路の利用スペースを低減でき、虚像観察装置1を小型化できる。
ただし、外光の透過光路を画像光の光路と交差させなくてもよく、例えば、第2インナー光学系140bにおいて、受光素子160及び回路基板161を、インナー光学素子130の前側に配置してもよいし、また、第3インナー光学系140cにおいて、撮像素子162及び回路基板161を、インナー光学素子130の前側に配置してもよい。
Further, as in the present example, the second and third inner
However, the transmitted light path of the external light may not intersect with the optical path of the image light. For example, in the second inner
また、本例のように、第1〜第3インナー光学系140a〜140cの各インナー光学素子130の構成(形状、寸法、屈折率等)を同一とした場合には、第1インナー光学系140aから第2又は第3インナー光学系140b、140cへの交換によって、画像光の光軸に影響を与えないようにすることができる。ここで、「画像光の光軸に影響を与えない」とは、画像光の光軸の例えば位置、方向等が変化されないことであり、ひいては、表示素子から接眼部の射出面までの画像光の光軸経路が変化されないことを、意味する。なお、インナー光学系の屈折率による光路長の変化は、画像光の光軸の位置、方向等が変化していないため「画像光の光軸に影響を与えない」といえる。これによって、使用者は、第1〜第3インナー光学系140a〜140cの中から、付加的機能の観点から自分の望むものを選択できるので、使用者の利便性を向上できる。
ただし、第1〜第3インナー光学系140a〜140cの各インナー光学素子130の構成は、それぞれ異なっていてもよい。
Further, as in this example, when the configurations (shape, dimensions, refractive index, etc.) of the inner
However, the configurations of the inner
(第3実施形態)
図9を参照して、本発明の第3実施形態を、第2実施形態と異なる部分を中心に説明する。図9は、第3実施形態の虚像観察装置100における表示素子108及び導光部102の一部を示す斜視図であり、図8に対応する図である。本例では、第1及び第2インナー光学系140a、140b(以下、これらを互いに区別せずに「インナー光学系140」という場合がある。)が、相互に交換可能である。図9(a)及び図9(b)は、それぞれ第1及び第2インナー光学系140a、140bが筐体132に装着された場合を示している。
(Third embodiment)
With reference to FIG. 9, a third embodiment of the present invention will be described with a focus on differences from the second embodiment. FIG. 9 is a perspective view illustrating a part of the
第1インナー光学系140aは、図7〜図8の例における第1インナー光学系140aと同じである。
The first inner
第2インナー光学系140bは、図7〜図8の例における第3インナー光学系140cと同様に、保持枠133内に、インナー光学素子130と、インナー光学素子130の後側に配置された撮像素子162と、撮像素子162をインナー光学素子130に対向させた状態でインナー光学素子130に対して固定する回路基板161とを、有する。ただし、インナー光学素子130には、ハーフミラー157が内蔵されており、ハーフミラー157は、観察者の眼で反射されて接眼光学部131から入射する逆入射光を画像光の光路から分離して逆入射光の導光路に偏向する。また、第2インナー光学系140bは、保持枠133内に、インナー光学素子130の前側(Y軸正側)に配置されて、前側に向けて突出する湾曲面状の反射型レンズ170(撮影光学系)を、さらに有する。反射型レンズ170及び撮像素子162は、逆入射光の導光路に偏向された逆入射光、すなわち眼の像を撮影する。
そして、第2インナー光学系140bが筐体132に装着された状態においては、観察者の眼から反射された光が、接眼光学部131の接眼部116から入射されて、接眼光学部131によりインナー光学素子130に向けて導光されて、接眼光学部131の左端面(第3面)119から射出されると、インナー光学素子130の右側面に入射して、その一部がハーフミラー157により反射されてインナー光学素子130の前側面から射出され、反射型レンズ170に入射する。そして、反射型レンズ170により反射されて、インナー光学素子130及びハーフミラー157を透過して、撮像素子162に入射される。このとき、反射型レンズ170のレンズ作用により、撮像素子162の受光平面に、観察者の眼の像が結像される。撮像素子162は、電源ONにより、反射型レンズ170によって結像された像を画像信号に変換する。画像信号は、例えば本体部101に設けられる図示しない画像処理部に出力されて、そこでの画像処理によって、観察者の眼の撮影画像が生成される。そして、図示しない処理手段によって、この眼の撮影画像を処理することにより、観察者の瞳孔位置、ひいては視線を検出する。第2インナー光学系140bを筐体132に装着した場合、虚像観察装置1は、接眼光学部131から、ハーフミラー157、インナー光学素子130、及び反射型レンズ170を介して、撮像素子162までに至る逆入射光の導光路を利用して、観察者の視線検出機能を実現できる。
The second inner
In a state where the second inner
そして、観察者の視線検出結果に基づいて、例えば、観察者が虚像を観ているか否かを判断し、その判断結果に基づいて、光源106のON/OFFを切り換える(ひいては虚像の表示のON/OFFを切り換える)ようにした場合には、省エネ効果を向上できる。
あるいは、虚像に対する視線を検出して観察者がどこを見ているか同定し、見ている部分に関連する情報をポップアップ表示させるようにしてもよい。
Then, based on the observer's line-of-sight detection result, for example, it is determined whether or not the observer is viewing a virtual image, and the
Alternatively, the line of sight of the virtual image may be detected to identify where the observer is looking, and information related to the part being viewed may be displayed in a pop-up manner.
なお、第2インナー光学系140bでは、視線検出機能に加えて、撮像素子162の画素信号を用いて、第2実施形態の第2インナー光学系140bと同様に虚像の輝度調整機能を実現させてもよい。
In the second inner
第3実施形態によれば、第1及び第2インナー光学系140a、140bを相互に交換可能としたので、例えば、所望の光学的機能だけを得たい場合には第1インナー光学系140aに交換し、または、所望の光学的機能に加えて観察者の視線検出機能を得たい場合には第2インナー光学系140bに交換するだけで、これらの機能を得ることができる。よって、表示素子108及び接眼光学部131の構成及び相対位置を変えることなく(ひいては虚像観察装置1の大型化や多種類の接眼光学部131の準備を要することなく)、所望の機能を得ることができる。
According to the third embodiment, the first and second inner
また、本例のように、第2インナー光学系140bが、筐体132に装着された状態で、画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するようにした場合には、付加的な機能(視線検出機能)を実現しつつ、虚像観察装置1を小型化できる。
Further, as in this example, when the second inner
また、第1及び第2インナー光学系140a、140bの各インナー光学素子130の構成(形状、寸法、屈折率等)を同一とした場合には、第1インナー光学系140aから第2インナー光学系140bへの交換によって、ハーフミラー157による光量の減少を除いて、画像光の光路に影響を与えないようにすることができる。これによって、使用者は、同じ光学的機能を実現できる第1及び第2インナー光学系140a、140bのうち、付加的機能の観点から自分の望むほうを選択できるので、使用者の利便性を向上できる。
ただし、第1及び第2インナー光学系140a、140bの各インナー光学素子130の構成は、それぞれ異なっていてもよい。
Further, when the configurations (shape, dimensions, refractive index, etc.) of the inner
However, the configurations of the inner
なお、上記各実施形態において、筐体132にインナー光学系140を交換可能(脱着可能)に装着するための機構としては、上述したものに限られない。
例えば、筐体132の貫通孔132a(装着部)とインナー光学系140の保持枠133とを係合させる機構に代えて、筐体132の内壁面に設けたレール(装着部)により保持枠133を摺動可能に支持する機構や、筐体132に取り付けられたバネ(装着部)によって保持枠133を係止する機構等も可能である。
また、筐体132内へインナー光学系140を挿入する機構に代えて、例えば、図10に水平断面図で示すように、表示素子108を格納する本体部101の筐体114と、接眼光学部131を格納する導光部102の筐体132とが、インナー光学系140を介して、脱着可能にドッキングできるようにしてもよい。この場合、例えば、各筐体114、132の外壁面に設けたレール134(装着部)により保持枠133を(図10の例では上下方向に)摺動可能に支持する機構等を用いることが考えられる。
あるいは、筐体132に保持枠133を装着する代わりに、保持枠133を省略して、筐体132にインナー光学系140を構成する部品(インナー光学素子130等)を直接装着するようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the mechanism for detachably mounting the inner
For example, instead of a mechanism for engaging the through
Further, instead of the mechanism for inserting the inner
Alternatively, instead of attaching the holding
また、上記各実施形態において、相互に交換可能な複数のインナー光学系140のうち少なくとも1つは、インナー光学素子130が空気からなるものとしてもよい。
In each of the above embodiments, at least one of the plurality of inner
100:虚像観察装置、 101:本体部、 102:導光部、 103:係合部材、 104:メガネ、 105:テンプル、 106:光源、 107:照明プリズム、 108:表示素子、 109:入射面、 110:射出面、 111:反射面、 112:開口、 114:筐体、 115:導光プリズム: 116:接眼部、 117:第1面、 118:第2面、 119:第3面、 120:第4面、 130、130a〜130c:インナー光学素子、 131:接眼光学部、 132:筐体、 132a:貫通孔(装着部)、 132b:床面、 133:保持枠、 133a:画像光窓、 133b:被装着部、 133c:外光窓、 134:装着部、 140、140a〜140c:インナー光学系、 151:入射面、 153:射出面、 157:ハーフミラー、 160:受光素子、 161:回路基板、 162:撮像素子、 164:撮影光学系、 165:絞り板、 165a:開口、 170:反射型レンズ、 CR:中心光線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Virtual image observation apparatus 101: Main-body part 102: Light guide part 103: Engagement member 104: Glasses 105: Temple 106: Light source 107: Illumination prism 108: Display element 109: Incidence surface 110: Ejection surface, 111: Reflection surface, 112: Opening, 114: Housing, 115: Light guide prism: 116: Eyepiece part, 117: First surface, 118: Second surface, 119: Third surface, 120 : 4th surface, 130, 130a-130c: Inner optical element, 131: Eyepiece optical part, 132: Housing, 132a: Through hole (mounting part), 132b: Floor surface, 133: Holding frame, 133a: Image
Claims (7)
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記表示素子と前記接眼光学部の相対位置を固定したまま交換されることによって光学的機能を変更するインナー光学系と、
前記インナー光学系を前記筐体に交換可能に装着するための装着部と、
を備え、
前記装着部は、前記インナー光学系として第1インナー光学系と第2インナー光学系とを交換可能に装着するものであり、
前記第1インナー光学系は、前記装着部に装着された状態で前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成せずに画像光の透過光路を形成し、
前記第2インナー光学系は、前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するとともに、画像光の透過光路を形成していることを特徴とする、虚像観察装置。 A display element;
An eyepiece optical unit that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays it as a virtual image;
A housing for holding the display element and the eyepiece optical unit;
An inner optical system that changes an optical function by exchanging the display element and the eyepiece optical unit while fixing a relative position in the optical path of the image light between the display element and the eyepiece optical unit; ,
A mounting portion for mounting the inner optical system in a replaceable manner on the housing;
Equipped with a,
The mounting portion is configured to mount the first inner optical system and the second inner optical system interchangeably as the inner optical system,
The first inner optical system forms a transmission optical path of image light without forming a transmission optical path of external light that intersects the optical path of the image light in a state of being mounted on the mounting portion,
When the second inner optical system is mounted on the mounting portion, the second inner optical system forms a transmission optical path of external light that intersects the optical path of the image light, and forms a transmission optical path of the image light. Virtual image observation device.
前記第2インナー光学系は、前記外光の透過光路を経て入射する外光を受光する受光素子を備え、
前記受光素子の出力に基づいて前記光源部の出力を変化させることによって前記虚像の輝度を制御する、請求項1に記載の虚像観察装置。 A light source unit that emits illumination light for forming the image light;
The second inner optical system includes a light receiving element that receives external light incident through a transmission optical path of the external light,
To control the brightness of the virtual image by changing the output of the light source portion based on an output of the light receiving elements, a virtual image observation apparatus according to claim 1.
前記撮像素子から得られる画像信号に基づいて前記観察者の瞳孔位置、ひいては視線を検出する、請求項1に記載の虚像観察装置。 The second inner optical system includes a half mirror that separates the reverse incident light reflected from the eye of the observer and incident from the eyepiece optical unit from the optical path of the image light and deflects it to the light guide path of the reverse incident light. A photographing optical system and an image sensor for photographing the reverse incident light deflected in the light guide path of the reverse incident light,
The virtual image observation apparatus according to claim 1 , wherein the observer's pupillary position, and thus a line of sight, is detected based on an image signal obtained from the imaging element.
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記表示素子と前記接眼光学部の相対位置を固定したまま交換されることによって光学的機能を変更するインナー光学系と、
前記インナー光学系を前記筐体に交換可能に装着するための装着部と、
を備えた虚像観察装置のインナー光学系であって、
前記装着部に装着された状態で、前記画像光の光路と交差する外光の透過光路を形成するとともに、画像光の透過光路を形成することを特徴とする、インナー光学系。 A display element;
An eyepiece optical unit that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays it as a virtual image;
A housing for holding the display element and the eyepiece optical unit;
An inner optical system that changes an optical function by exchanging the display element and the eyepiece optical unit while fixing a relative position in the optical path of the image light between the display element and the eyepiece optical unit; ,
A mounting portion for mounting the inner optical system in a replaceable manner on the housing;
An inner optical system of a virtual image observation apparatus comprising:
An inner optical system, wherein the inner optical system forms a transmitted optical path of external light and a transmitted optical path of image light while being mounted on the mounting portion.
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子及び前記接眼光学部を保持する筐体と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の前記画像光の光路内で、前記表示素子と前記接眼光学部の相対位置を固定したまま交換されることによって光学的機能を変更するインナー光学系と、
前記インナー光学系を前記筐体に交換可能に装着するための装着部と、
を備え、
前記インナー光学系は、前記画像光の透過光路に沿う方向に厚みを有し、前記画像光の透過光路長の調整により前記虚像の視度を調整するものであることを特徴とする虚像観察装置。 A display element;
An eyepiece optical unit that guides image light from the display element to an observer's eyeball and displays it as a virtual image;
A housing for holding the display element and the eyepiece optical unit;
An inner optical system that changes an optical function by exchanging the display element and the eyepiece optical unit while fixing a relative position in the optical path of the image light between the display element and the eyepiece optical unit; ,
A mounting portion for mounting the inner optical system in a replaceable manner on the housing;
With
The inner optical system has a thickness in a direction along the transmitted light path of the image light, an imaginary image you wherein the by adjusting the transmission optical path length of the image light and adjusts the diopter of the virtual image Observation device.
前記第4インナー光学系は、前記画像光の透過光路に沿う方向に前記第3インナー光学系と異なる厚みを有することを特徴とする、請求項6に記載の虚像観察装置。 The mounting part is configured to replace the third inner optical system and the fourth inner optical system as the inner optical system,
The virtual image observation apparatus according to claim 6 , wherein the fourth inner optical system has a thickness different from that of the third inner optical system in a direction along a transmission optical path of the image light.
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