WO2009014256A1

WO2009014256A1 - 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

Info

Publication number: WO2009014256A1
Application number: PCT/JP2008/063715
Authority: WO
Inventors: Masao Yamamoto
Original assignee: Scalar Corporation
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2009-01-29
Also published as: JPWO2009014256A1; JP5398073B2

Abstract

　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、製造が容易、且つ製造コストが安い拡大光学系を提供する。　拡大光学系は、ディスプレイＤと組合わせて用いられるものであり、断面略直角二等辺三角形形状のプリズムＰと、レンズＬを有する。プリズムＰは、ディスプレイＤに臨む第１面Ｐ１、レンズＬに臨む第２面Ｐ２、第１面Ｐ１と第２面Ｐ２に挟まれた第３面Ｐ３を有する。ディスプレイＤからの像光は、軸対称の非球面である第１面Ｐ１からプリズムＰに入り、第２面Ｐ２で反射し、軸対称の非球面である第３面Ｐ３から射出される。プリズムＰの第１面Ｐ１と第３面Ｐ３を通過するとき、像光は屈折により拡大される。プリズムＰから射出された像光は、レンズＬで屈折されその像がさらに拡大される。

Description

拡大光学系、ヘッドマウントディスプレイ用の光学系、及ぴデジタルカメラのビユーフアインダ用の光学系技術分野

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。明田

発明の背景

ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系は、へッドマウントディスプレィ（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 9 0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ィ匕の要求は 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。

拡大光学系を小型ィヒ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 1 0 0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 1 0 0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 1 0 0は、三角柱の側面にあたる 3つの面、即ち、第 1面 1 1 0、第 2面 1 2 0、第 3面 1 3 0を有している。第 1面 1 1 0は、ディスプレイ Dからの像光 1を受入れる面である。第 2面 1 2 0は、第 1面 1 1 0から自由曲面プリズム 1 0 0に入ったディスプレイ Dからの像光 1 を反射する面であるとともに、後述したように第 3面 1 3 0で反射された像光 1 を自由曲面プリズム 1 0 0の外部に出射させる面である。第 3面 1 3 0は、第 2 面 1 2 0で反射されたディスプレイ Dからの像光 1を反射するものである。

自由曲面プリズム 1 0 0における第 1面 1 1 0、第 2面 1 2 0、及び第 3面 1 3 0は、自由曲面とされている。したがって、自由曲面プリズム 1 0 0は、像光 1が第 1面 1 1 0と第 2面 1 2 0を通過するときにレンズとして機能し、また、像光 1が第 2面 1 2 0と第 3面 1 3 0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 1 2 0から自由局面プリズム 1 0 0外に出た像光 1 (これは、一般的にはユーザの眼へそのまま導力れる。）は、拡大されている。このように、自由曲面プリズム 1 0 0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 1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 1 0 0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 1 (の光軸）と、第 2面 1 2 0から出た像光 1 (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ア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、樹脂が硬ィ匕しきる前に、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ィ匕を「ひけ」という力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、拡大光学系を小型ィ匕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。発明の開示

力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、前記プリズムの嫌己第 1面と前記ディスプレイとの間、及ぴ前記第 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、嫌己プリズムの前記第 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、デイ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。

し力も、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ィ匕を達成することができた。これは、技術的な難易度の低さ、コストの低さにカ卩えて、本願発明の拡大光学系の大きなァ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つており、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、像光によつ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ヽ可能性がある。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、像光によつ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、及ぴ第 3面の外側の少なくとも一方に配されていればよ V、。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、及ぴ前記第 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ィ匕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ィヒするには、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ベく 9 0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 7

像光の光軸とがなす角が、 9 0度士 3 0度とする、より好ましくはこの角度を 9 0度 ± 1 5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、略垂直或いは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ア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、及ぴ前記第 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、及ぴ第 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、ディスプレィと、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面が凸面となつているとともに、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 A された像光を反射する第 2面、及ぴ前記第 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面と前記デイスプレイとの間、及ぴ前記第 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面とデイスプレイとの間、及ぴ第 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、デイスプレイと、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。図面の簡単な説明

図 1は、第 1実施形態のへ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 2 Aは、図 1に示したへ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 2 Bは、図 1に示したへ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 2 Cは、図 1に示したへ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 3は、図 1に示したへ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 4は、図 1に示したへ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。図 5は、変形例 1のへ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 6は、第 2実施形態のへ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。

図 7は、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。

図 8は、第 3実施形態のデジタル力メラの構成を示す側断面図である。

図 9は、従来の拡大光学系を説明するための側断面図である。発明を実施するための最良の形態

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実施形態におけるへ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 1 1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 1 2と、その内部に光学系を内蔵した表示部 1 3とを備えている。

つる 1 1は、使用者の頭部へへ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 1 1は 2本であり、導波板 1 2の両側に設けられている。つる 1 1と導波板 1 2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 1 1を導波板 1 2に対して平行になるような向きで折畳めるようになつていてもよい。つる 1 1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 1 1により使用者の頭部を挟み込むことで、使用者の頭部にへッドマウントディスプレイ 1が固定される。

導波板 1 2は、回折格子のような構造とされている。導波板 1 2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、 2008/063715

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へッドマゥントディスプレイ 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）をへ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）をへ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レヽる。導波板 1 2は、この実施形態では樹脂製である。なお、導波板 1 2は必ずしも矩形である必要はない。また、導波板 1 2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レ、。

導波板 1 2は、その内部に後述するようにして表示部 1 3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 1 2としては、例えば、特表 2 0 0 6二 5 1 0 0 5 9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 1 2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 2 0〜3 O mm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 1 2 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 1 1は、へ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 1 2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 1 2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 1 2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 1 2を支えるような構成にすることも可能である。

表示部 1 3は、導波板 1 2に臨む側が開放されている中空のケース 1 3 Aの内部に、図 2 A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 1 3 A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 1 3 Aは、必ずしも導波板 1 2に臨む側の全面が開放されている必要はなく、導波板 1 2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 1 2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 1 3 Aの内部には、この実施形態では、支持部材 1 3 B、ディスプレイ D、プリズム P、及ぴレンズ Lが設けられている。

支持部材 1 3 Bは、ケース 1 3 A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 1 3 B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 1 3 Bは、基本的には図 2 Aに示したような断面形状とされているが、その両端部（図 2 A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。ディスプレィ 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 E Lデイスプレイにより構成することができる。なお、ケース 1 3 A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力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 1 3 A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 1 3 2はァンテナを内蔵している。もっとも、制御基板は、カ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 1 3 2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 β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、 MP 3 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レ、。第 1面と第 3面の形状は、レンズ（及び後述する第 2レンズ L 2 ) 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 2 Aに示したプリズム Pは、図 2 B、図 2 Cに示したプリズム Pに置換えることができる。図 2 B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 2 C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 ώ面となっている。プリズム Ρ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 Ρ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 ώ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つている。レンズ Lの両面の軸対称の軸はともに、プリズム Ρ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 Ρ及ぴレンズ 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 1 2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 1 2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 1 2の距離（図 2 Αにおける s ) は、 1 0 mm以下、この実施形態では略 3 mm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 2 A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、このへ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。へ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、へッドマゥントディスプレイ 1のつる 1 1を、使用者の耳へ係止する力、ヘッドマウントディスプレイ 1のつる 1 1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 1 2は、使用者の眼から凡そ 2 0 mm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、へ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; (βからへ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 2

Α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 1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っヽての像光は、ディスプレイ Dからプリズム Pへ向かい、第 1面 P 1からプリズム P内に入る。この光は第 1面 P 1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 P 2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 1は、入射角、反射角ともに、 4 5度となるようにされている。ここで像光は、 9 0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 P 2で反射された光は、次に第 3面 P 3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 P 3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ィヒする。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 1 2の内部をその前後の面で反射されながら、導波板 1 2の左右方向に分力ゝれて進み、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 1と、プリズム Pの第 3面 P 3から出射した像光の光軸 1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、 9 0度 ± 1 5度、少なくとも 9 0度 ± 3 0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 P 1と第 2面 P 2と第 3面 P 3の間の角度を調整することにより変ィ匕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にかかるへッドマゥ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実施形態におけるへ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にかかるへッドマウントディスプレイが第 1実施形態におけるへッドマウントディスプレイと異なるのは、第 2レンズ L 2が設けられているという点である。第 2レンズ L 2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力れている。第 2レンズ L 2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 L 2のディスプレイ Dに臨む側の面が凹、その逆側の面が ώ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レ、が、軸対称な非球面となっている。第 2レンズ L 2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にかかるへ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 L 2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 L 2の形状（両凸、両凹、凹凸等）は、レンズ Lと第 2レンズ L 2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力、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 2 0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 2 0は、つる 2 1を有する。つる 2 1は、第 1実施形態のつる 1 1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つている。眼鏡 2 0は、また、右眼用と左眼用のフレーム 2 2を備えている。もっとも、眼鏡 2 0 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 2 2は不要である。各フレーム 2 2には、眼鏡レンズ 2 3が入っている。この眼鏡レンズ 2 3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レ、。更にいえば、眼鏡レンズ 2 3は、なくてもよい。右眼用と左眼用のフレーム 2 2は、ブリッジ 2 4により接続されている。

へッドマウントディスプレイ 2は、プリッジ 2 4に接続された接続ケース 3 0 を備えている。この接続ケース 3 0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 3 0はより小型ィヒでき、場合によってはなくすことも可能である。

接続ケース 3 0には、ノーズパッド 3 1が設けられている。これは、ユーザが眼鏡 2 0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 2 0のずり落ちを防ぐためのものである。

接続ケース 3 0には、表示部 3 2が接続されている。表示部 3 2は、第 1実施形態における表示部 1 3と同様に構成されている。第 2実施形態のへッドマウントディスプレイ表示部 3 2を平面視した場合の断面図を、図 7として示す。

表示部 3 2は、第 1実施形態の表示部 1 3と同様、ケース 1 3 Aを備えている。ケース 1 3 Aには、この実施形態では矩形とされた開口 3 3が設けられている。ケース 1 3 Aの内部には、第 1実施形態の場合と同様、支持部材 1 3 B、デイスプレイ D、プリズム P、レンズ Lを備えている。支持部材 1 3 B、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 3 3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 3 3を通過して、ユーザの眼 Eへ導かれるようになつている。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、へ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力らレンズ 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にかかるへッドマウントディスプレイについて説明する。

変形例 2にかかるへッドマウントディスプレイは、接続ケース 3 0の眼鏡 2 0 のブリッジ 2 4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 3 0 のブリッジ 2 4に対する着脱自在な固定は、磁力による吸着、ポ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 3 0を眼鏡 2 0 力ら外した場合に、眼鏡 2 0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 3 0を眼鏡 2 0に取付けてへッドマゥントディスプレィとして、画像を見る必要がない場合には接続ケース 3 0を眼鏡 2 0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 2 0から接続ケース 3 0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 3 0を外した場合に眼鏡 2 0のプリッジ 2 4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 3 0を外した眼鏡 2 0にその他のノーズパッドを取付けるようにすればよい。ぐ変形例 3 >

上述したように、接続ケース 3 0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 3 3のみ、或いは表示部 3 3に極小さな接続ケース 3 0を付属させたものを、既存の眼鏡 2 0に取付け可能なへッドマゥ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ィは、既存の眼鏡の前側に取付けることも可能である。例えば、 P及盤や両面テープを用いて、既存の眼鏡のレンズにへ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、デジタル力メラを示す。

図 3は、デジタル力メラ 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 4 0に、種々の部品を取付け、或いは内蔵させてなる。

ケース 4 0の前側には、対物レンズ 4 1が取付けられ、ケース 4 0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 4 0の内部には、撮像素子 4 2、制御回路 4 3が内蔵されている。

対物レンズ 4 0は、デジタル力メラ 3で撮像を行う対象物からの像光を、撮像素子 4 1に結像させるためのものである。撮像素子 4 1は、対物レンズ 4 0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 C C D、或いは CMO Sにより構成することができる。制御回路 4 3は、撮像素子 4 1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。

撮像素子 4 1による撮像は、ケース 4 0に設けられたシャッターポタン Bの操作に基づいて制御される。撮像素子 4 1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。シャッターポタン Bが操作されると、制御回路 4 3はシャッターポタン 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ポタン 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。ビューフアインダは、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 4 1が撮像し続けている対象物についての動画力制御回路 4 3の制御により撮像素子 4 1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をユーザが司見くと、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、リアルタィムに表示される。ユーザは、レンズ Lをビューファインダとして用い、シャツターポタン 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力レンズ Lと第 2レンズ L 2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 4 0から露出させる力レンズ 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レ、。

Claims

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、言

前記プリズムの前記第 1面と前記ディスプレイとの間、及ぴ前記第 3面の外側の少なくとも一方に配されたレンズと、の

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いる、拡大光学系。

2 . 前記第 1面と前記第 3面はともに、凹面である、 '

請求の範囲第 1項記載の拡大光学系。

3 . 前記第 1面と前記第 3面はともに、凸面である、

請求の範囲第 1項記載の拡大光学系。

4. 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〜第 3項のいずれかに記載の拡大光学系。

5 . 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〜第 3項のいずれかに記載の拡大光学系。

6 . 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項又は第 2項記載の拡大光学系。

7. 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、及ぴ前記第 3面の外側の双方に配されている、

請求の範囲第 1項〜第 6項のいずれかに記載の拡大光学系。

8 . 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、 9 0度 ± 3 0度である、

請求の範囲第 1項記載の拡大光学系。

9 . 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、 9 0度 ± 1 5度である、

請求の範囲第 1項記載の拡大光学系。

1 0. 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、略垂直である、

請求の範囲第 1項記載の拡大光学系。

1 1 . 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拡大光学系。

1 2. 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、及ぴ前記第 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、へッドマウントディスプレイ用の光学系。

1 3 . ディスプレイと、

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 tins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。

1 4. 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。

1 5. ディスプレイと、

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、へッドマウントディスプレイ用の光学系。

1 6. ディスプレイと、

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、デジタルカメラのビューファインダ用の光学系。