WO2022196591A1 - 光学装置および表示装置 - Google Patents

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finder
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吉彦 今野
伸嘉 鈴木
潔 日塔
啓仁 甲斐
学 末岡
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キヤノン株式会社
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    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/001—Eyepieces

Definitions

  • the present invention relates to ghost reduction technology in head-mounted displays, binoculars, camera viewfinders, etc., and more particularly to optical devices and display devices equipped with angle-selective transmissive elements.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200002 discloses a technique for cutting light that causes ghost by arranging a louver film on the eye side of the display unit.
  • Patent Document 2 a camera with a line-of-sight detection function that realizes functions such as range-finding point selection by detecting the line-of-sight direction of the user has been put into practical use.
  • An object of the present invention is to suppress vignetting and a decrease in aperture ratio in an optical device using an angle-selective transmissive element, and to enable ocular observation and line-of-sight detection while reducing ghosts caused by light from behind the user. That is.
  • An apparatus is an optical apparatus having a finder, and detects a line of sight using an angle-selective transmissive element arranged in an optical path of the finder and light passing through the angle-selective transmissive element. and a mechanism capable of adjusting the direction of the finder to the line-of-sight direction detected by the detection means.
  • an optical device using an angle-selective transmission element ocular observation and line-of-sight detection are possible while suppressing vignetting and reduction in aperture ratio, and reducing ghost due to light from behind the user. .
  • FIG. 1 is an external view of a display device (head mounted display) to which the present invention is applied;
  • FIG. It is a figure which shows the use condition which the user mounted
  • FIG. 3 is a diagram showing a state in which the display section is flipped upward from the state in FIG. 2;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the display device when in use;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the relationship between the user's head and eyeballs and the display device;
  • FIG. 7 is a detailed view showing part B of FIG. 6;
  • FIG. 4 is a diagram showing the first surface side of the angle-selective transmissive element;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 8;
  • FIG. 10 is an optical path diagram when a line of sight is detected;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration when a line of sight is detected;
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an eyeball image when a line of sight is detected;
  • FIG. 10 is a view showing the first surface side of the angle selective transmissive element according to the second example;
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line DD of FIG. 13;
  • a head-mounted display (hereinafter referred to as HMD) is shown as an example of a display device using an angle-selective transmissive element arranged in an optical path of a finder or the like. It should be noted that the present invention can be applied not only to HMDs but also to various optical devices.
  • FIG. 1 is an external view showing a configuration example of the HMD 1.
  • the HMD 1 includes a body portion 2, EVFs 3 and 4, and a head mount portion 5.
  • the paired EVFs are composed of a left eye EVF 3 and a right eye EVF 4 corresponding to both eyes of the user.
  • the body portion 2 and the head-mounted portion 5 of the HMD 1 are rotatable by a hinge 2a on the side of the body portion 2 and a hinge 5a on the side of the head-mounted portion 5, and the distance between the body portion 2 and the user's eyes (Fig. 5: The eye point 13 and the eye-side surface 6a are connected so that the distance E1) can be adjusted.
  • the EVF 3 for the left eye and the EVF 4 for the right eye are held in a state in which the interpupillary distance can be adjusted with respect to the main body 2 .
  • FIG. 2 and 3 show the state in which the user wears the HMD 1 on the head.
  • FIG. 2 shows a state in which the user is looking at the display screen
  • FIG. 3 shows a state in which the user can view the surroundings by flipping up the main body 2 of the HMD 1 .
  • Angle-selective transmissive elements 6 and 7 are attached to the portions where the user looks into EVF3 and EVF4, respectively. Although the angle-selective transmission element 6 and the angle-selective transmission element 7 of this embodiment have the same configuration, the convergence angle between the right eye and the left eye and the ghost cut characteristics can be optimized by making the configurations of both elements different. is possible.
  • the angle-selective transmission elements 6 and 7 are defined so that the optical axis side of the finder is defined as the inner side, and the side away from the optical axis of the finder is defined as the outer side.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the main body 2 and the EVF 3 when the HMD 1 is in use, showing the portion corresponding to the user's left eye.
  • the display unit 9 and the eyepiece system 10 are provided inside an exterior member 11 of the EVF 3 .
  • the display unit 9 has an organic EL (Electro-Luminescence) display panel.
  • the eyepiece system 10 has a curved surface on the side of the angle-selective transmission element 6 .
  • the angle-selective transmission element 6 is arranged on the exterior member 11 at a position facing the user's left eye.
  • the first surface 6a is the surface facing the user's eyes
  • the second surface 6b is the surface facing the eyepiece system 10.
  • the angle-selective transmission element 6 is provided with a plurality of openings 6c and has the function of limiting the direction of light transmission.
  • a plurality of apertures 6c are opened in the direction of the light flux from the eyepiece lens system 10 toward the eye point 13, which is the position of the user's eyes.
  • FIG. 4 schematically shows the finder light beam 12 reaching the eye point 13 among the light beams emitted from the eyepiece system 10 .
  • An eyepoint 13 is determined by the eyepiece system 10 .
  • the exterior member 14 of the main body 2 has a control circuit 15 inside that controls the entire HMD 1 .
  • a control circuit 15 controls the display section 9, and the light from the display section 9 is condensed by the eyepiece system 10, passes through a plurality of openings 6c provided in the angle-selective transmission element 6, and reaches the eye point 13. The information displayed on the display unit 9 is observed with one eye.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view along line AA in FIG. 2, showing the relationship between EVF3, EVF4, head and eyeballs when HMD1 is used.
  • FIG. 6 shows the relationship between the head and eyeballs of the HMD 1 and the HMD 1 when the HMD 1 is in use.
  • FIG. 7 is a detailed view of the B portion shown in FIG.
  • Fig. 5 shows the positions that can be adjusted in relation to the EVF3, EVF4 and the eyeball. Since the user can view the display only from the vicinity of the eyepoint position, it is necessary to always keep the eye position near the eyepoint position. For this reason, the HMD 1 has first to third mechanical units capable of position adjustment by detecting the line-of-sight direction of the user and using the line-of-sight detection result.
  • the first mechanism section has a configuration that allows adjustment of the interpupillary distance (W) so that adjustment can be made according to the width of the user's eyes.
  • the EVFs 3 and 4 are guided by a guide bar or the like with respect to the main body 2 and move independently.
  • the second mechanism is configured to be able to adjust the distance (E1) between the eye point 13 and the eye-side surface 6a of the angle selective transmission element 6 (7).
  • the third mechanism is configured to be able to adjust the angle ( ⁇ ) in the rotational direction so that vignetting and changes in aperture ratio do not occur as the eye rotates, such as when the line of sight changes or when the angle of convergence changes. .
  • the EVF 3 (EVF 4) By detecting the line-of-sight direction of the user, the EVF 3 (EVF 4) can be adjusted in the rotational direction (.theta. there is Specifically, the EVF 3 (EVF 4) constitutes a unit of the HMD 1 that can be adjusted in the rotational direction with the area 40 as the center. The unit of the HMD 1 is attached to the main body 2 so that the interpupillary distance (W) can be adjusted. Since the EVF 3 and EVF 4 each have a mechanism capable of independent movement, the HMD 1 adjusts the EVF 3 and EVF 4 to the optimum positions for the left and right eyes by means of line-of-sight detectors respectively arranged for the left and right eyes of the user. It is a possible structure.
  • control unit of the HMD 1 calculates the positions of both eyes of the user by detecting the line of sight, calculates the difference from the reference positions in order to match the EVF 3 and EVF 4 with respect to the positions of the left and right eyes, and adjusts them to the optimum positions. control.
  • the adjustable parts in the first to third mechanism parts a configuration in which the user manually operates using a lever or the like, and a configuration in which a motor or the like as a power source is incorporated to automatically operate. Either configuration is feasible.
  • the area where the reverse incidence of light may cause a ghost is the cross hatched portion as shown by the line 17 connecting the point 16 and the side of the head in FIG. be.
  • a plurality of openings 6c are provided from the eyepoint 13 toward the eyepiece lens system 10.
  • the light source In order for the light to reach the eyepiece system 10 positioned farther from the user than the plurality of openings 6c, the light source must be present in the direction of the holes of the openings 6c.
  • a line 17 in FIG. 6 indicates a position where the direction of the plurality of openings 6c is closest to the direction of light rays, and reverse incident light easily reaches the eyepiece system 10.
  • a plurality of openings 6c inside the angle-selective transmission element 6 are partitioned by walls 6d between adjacent holes.
  • the interiors of the plurality of openings 6c are filled with a transparent solid having a small refractive index difference with air.
  • a porous transparent substance containing air at 90% or more is used as a transparent solid having a small refractive index difference with air, and the refractive index difference with air is 0.1 or less. . Therefore, there is almost no reflection at the interface with air. Inside the plurality of openings 6c, there is almost no reflection from transparent solid surfaces having a small refractive index difference with air on both the eye-side first surface 6a and the eyepiece lens system 10-side second surface 6b. . Light entering the plurality of openings 6c from the outside enters the interior without being reflected.
  • Antireflection treatment is applied to the second surface 6b on the side of the eyepiece lens system 10, the first surface 6a on the eye side, and the wall portions 6d of the inner surfaces of the plurality of openings 6c in the angle-selective transmission element 6. .
  • the angle-selective transmissive element can be created with a 3D printer, and antireflection treatment can be achieved by antireflection coating.
  • light rays 18 represent light that has passed through the sides of the user's head.
  • the light ray 18 is incident inside through holes of a plurality of openings 6c provided on the first surface 6a of the angle-selective transmission element 6.
  • the light that has entered the plurality of openings 6c reaches the wall 6d, but since the wall 6d is subjected to antireflection treatment, the reflected light is attenuated. Therefore, even if the reflected light reaches the eyepiece system 10, almost no ghost occurs.
  • the thickness of the angle-selective transmission element 6 is denoted by t
  • the opening width of the opening 6c is denoted by w
  • the incident angle of unnecessary light is denoted by ⁇ 0 .
  • the condition for preventing unnecessary light from reaching the eyepiece system 10 directly is shown in the following formula (1).
  • t ⁇ w/tan ⁇ 0 (1) Tan represents a tangent function, and satisfies the condition of formula (1) in this embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the first surface 6a of the angle-selective transmissive element 6.
  • the angle-selective transmission element 6 has inner openings 6e1 and 6e2 and a plurality of openings 6c therearound.
  • 9 is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 8.
  • a plurality of openings 6c provided in the angle-selective transmission element 6 are formed in a hexagonal shape by a second surface 6b, which is the entrance side of the finder light beam, and a first surface 6a, which is the exit side of the finder light beam.
  • Adjacent hexagonal portions are partitioned by a wall portion 6d, and the inside is filled with a transparent solid having a small refractive index difference with air.
  • FIG. 9 (CC sectional view of FIG. 8) shows the direction of the plurality of openings 6c.
  • the directions of the plurality of openings 6c are set along the direction of light directed toward the eyepoint 13, respectively.
  • the distance between the eye point 13 and the first plane 6a is denoted as E1
  • the distance between the eye point 13 and the second plane 6b is denoted as E2.
  • the formation pitch of the plurality of openings 6c on the first surface 6a is denoted as P1.
  • a plurality of openings 6c are provided at equal pitches, and the distance from the center of the optical axis is denoted by Hi.
  • i in "Hi" represents an arbitrary natural number from 1 to 9.
  • the eyepiece system 10 when the eyepiece system 10 is viewed from the user's eyes, the eyepiece system 10 can be seen through the plurality of openings 6c. Since the wall portion 6d is substantially parallel to the direction of light reaching the user's eyes, it is almost invisible. Also, when the eye of the user is present at the eye point 13, the first surface 6a is close to the eye and out of visual focus. Since the wall portion 6d is made thin, the flat portion of the entrance portion of the wall portion 6d is almost invisible.
  • the user can visually recognize the displayed information only from the vicinity of the eye point 13, and needs to fix the eye position near the eye point 13.
  • the head-mounted unit 5 by fixing the relative positional relationship between the user's head and the HMD 1 by the head-mounted unit 5, it is possible to place the eye on the eye point 13.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the EVF portion.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the EVF portion along the optical axis.
  • the angle selective transmissive element 6, the eyepiece system 10, the second optical path splitting prism 20, the first optical path splitting prism 19, and the display unit 9 are shown in this order from the eye point 13 side.
  • the first optical path splitting prism 19 and the second optical path splitting prism 20 constitute an optical path splitting prism unit 21 .
  • the optical path splitting prism unit 21 is optical path splitting means configured by bonding the first optical path splitting prism 19 and the second optical path splitting prism 20 together.
  • the infrared LEDs 22 and 23 are light-emitting elements that illuminate eyeballs for line-of-sight detection.
  • the infrared LEDs 22 and 23 constitute a light projecting section and are arranged on the side of the first surface 6 a of the angle selective transmission element 6 .
  • the infrared LEDs 22 and 23 are arranged to irradiate infrared light toward different positions, respectively, and are paired to detect the distance between the EVF portion (including the light receiving portion) and the eyeball of the observer.
  • a lens 24 is a line-of-sight imaging lens of the line-of-sight detection optical system.
  • a sensor 25 constituting a light receiving portion is a line-of-sight detection sensor.
  • a dichroic film that reflects infrared light is formed on the first surface 20b of the second optical path splitting prism 20 .
  • FIG. 10 shows the optical paths of the light emitted from the infrared LEDs 22 and 23 and reflected by the cornea 27 of the eyeball.
  • FIG. 11 shows optical paths 26a, 26b, and 26c along which light is reflected by the cornea 27 and directed to the line-of-sight detection sensor 25.
  • FIG. The inner openings 6e1 and 6e2 (see FIG. 8) of the angle-selective transmissive element 6 through which the light along the optical path 26a passes are formed substantially parallel to the optical path 26a so as not to cause vignetting.
  • the openings 6e1 and 6e2 are formed larger than the adjacent opening 6c.
  • the portion 6f of the angle-selective transmissive element 6 is thicker than the peripheral portion. In other words, the thickness of the portion 6f of the angle-selective transmissive element 6 increases along the opposing surface (curved surface) of the eyepiece system 10, and openings 6e1 and 6e2 are formed in this portion.
  • FIG. 12 is a schematic diagram explaining the eyeball distance between the eyeball image and the corneal reflection image.
  • An iris 28, a pupil 29, and corneal reflection images 30, 31 by infrared LEDs 22, 23 for illumination are shown, respectively.
  • the direction of the line of sight is detected from the relationship between the center of the pupil 29 and the corneal reflection image.
  • line-of-sight detection a method of utilizing reflected light obtained when the surface of the eyeball of the observer is illuminated is known.
  • a correction coefficient for correcting individual differences in the user's eyeball is obtained in line-of-sight correction, and then line-of-sight input processing is performed, and an arithmetic expression corresponding to the correction coefficient is used to determine the angle of the line-of-sight direction and the viewing plane. Calculation of the upper coordinate values is performed. Specifically, it can be realized by the method disclosed in Patent Document 2, so the detailed description is omitted.
  • countermeasures can be taken by detecting the line-of-sight direction of the user and using the line-of-sight detection result. Further, it is possible to provide a viewfinder having a line-of-sight detection function that realizes a function such as range-finding point selection while reducing ghosts caused by light coming from behind the user.
  • a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Descriptions of the same items as in the first embodiment are omitted, and differences from the first embodiment are described. This method of omitting descriptions is the same for the embodiments described later.
  • FIG. 13 is an external view of the angle-selective transmissive element 6 of this embodiment, showing the side of the first surface 6a.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of the DD cross section in FIG.
  • the line-of-sight detection sensor 25 of this embodiment is arranged outside the eyepiece lens system 10 .
  • An angle-selective transmission element 6 is provided on the front side of the infrared LEDs 22 and 23 and the line-of-sight detection sensor 25 (on the eye point 13 side). Since it is difficult for sunlight, which is outside light, to directly enter the line-of-sight detection sensor 25, it is possible to suppress the occurrence of erroneous detection.
  • FIG. 14 the light path 32 from the eye point 13 toward the line-of-sight detection sensor 25 is shown.
  • the direction of the optical path 32 is not the same as the direction of the aperture 6c, which is set in the direction of the light from the eyepiece system 10 toward the eye point 13.
  • FIG. The aperture 6g of the angle-selective transmission element 6 through which the light along the optical path 32 passes has a conical shape with its axis substantially parallel to the optical path 32 and having a taper angle (see FIG. 14: ⁇ t) so as not to cause vignetting. It is formed.
  • angle-selective transmission element 6 is made of an infrared-transmissive resin material.
  • the angle-selective transmission element 6 is made of a material that transmits infrared light and absorbs visible light. According to this embodiment, it is possible to suppress the intrusion of outside light such as sunlight without changing the direction of the opening of the angle-selective transmissive element 6 in accordance with the optical path from the eyepoint 13 to the line-of-sight detection sensor 25. can.

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Abstract

角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出を可能にする。　視線検出機能を有するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）は、使用者の目に対してファインダー光路中にそれぞれ配置される角度選択型透過素子と、視線検出用の投光部および受光部を備え、検出された視線方向にファインダーの方向を調整可能な構成である。角度選択型透過素子はそれぞれの方向が異なる第１乃至第３の開口部を有する。第１および第２の開口部はファインダー光路における第１および第２の領域での光の通過方向をそれぞれ制限する。第３の開口部はアイポイントと受光素子とを結ぶ線を中心として形成される。

Description

光学装置および表示装置
　本発明は、ヘッドマウントディスプレイや双眼鏡、カメラのファインダー等におけるゴースト低減技術に関し、特に角度選択型透過素子を備える光学装置および表示装置に関する。
　使用者がヘッドマウントディスプレイやカメラのファインダーを屋外等で使用する際、使用者の後方から到来する光によりゴーストが発生する可能性があった。特許文献１では表示部の目側にルーバーフィルムを配置することで、ゴーストの原因となる光をカットする技術が開示されている。
　また、使用者の視線方向を検出することで、測距点選択等の機能を実現した視線検出機能を有するカメラが実用化されている（特許文献２）。
特開平５－２１５９０８号公報 特許第３１８６０７２号公報
　従来の技術では、アイボックスが狭いことによるケラレの発生、開口率の低下が問題となる。また、アイポイントから視線検出センサに向かう赤外光源（ＬＥＤ）の光に対するケラレへの対策が必要である。
　本発明の目的は、角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出を可能にすることである。
　本発明の一実施形態の装置は、ファインダーを備える光学装置であって、前記ファインダーの光路中に配置される角度選択型透過素子と、前記角度選択型透過素子を通過する光により視線検出を行う検出手段と、前記検出手段により検出された視線方向に前記ファインダーの方向を調整することが可能な機構部と、を備える。
　本発明によれば、角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出が可能である。
本発明を適用した表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）の外観図である。 表示装置を使用者が頭部に装着した使用状態を示す図である。 図２の状態から表示部を上方にはね上げた状態を示す図である。 表示装置の使用時の構成を示す断面図である。 図２のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 使用者の頭部および眼球と表示装置との関係を表す断面図である。 図６のＢ部を示す詳細図である。 角度選択型透過素子の第１の面側を示す図である。 図８のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。 視線検出時の光路図である。 視線検出時の構成を示す断面図である。 視線検出時の眼球像の模式図である。 第２実施例に係る角度選択型透過素子の第１の面側を示す図である。 図１３のＤ－Ｄ線に沿う断面図である。
　以下に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。ファインダー等の光路中に配置される角度選択型透過素子を利用した表示装置の一例としてヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと記す）を示す。なお、本発明はＨＭＤに限らず各種光学装置への適用が可能である。
第１実施例
　図１から図１２を参照して、本実施例に係る視線検出機能を有する電子ビューファインダー（以下、ＥＶＦと記す）について説明する。図１はＨＭＤ１の構成例を示す外観図である。ＨＭＤ１は、本体部２、ＥＶＦ３および４、頭部装着部５を備える。対をなすＥＶＦは使用者の両目に対応する、左目用ＥＶＦ３と右目用ＥＶＦ４から構成される。
　ＨＭＤ１の本体部２と頭部装着部５は、本体部２側のヒンジ２ａと頭部装着部５側のヒンジ５ａで回転可能であって、本体部２と使用者の目との間隔（図５：アイポイント１３と目側の面６ａとの距離Ｅ１）の調整が可能な状態で結合している。左目用ＥＶＦ３と右目用ＥＶＦ４は本体部２に対して眼幅調整が可能な状態で保持されている。
　図２および図３は使用者がＨＭＤ１を頭部に装着した状態を示す。図２は使用者が表示画面を見ている状態を示し、図３はＨＭＤ１の本体部２を上側にはね上げて使用者が周囲を視認し得る状態を示している。
　使用者がＥＶＦ３とＥＶＦ４を覗く部分には、角度選択型透過素子６、７がそれぞれ取り付けられている。本実施例の角度選択型透過素子６と角度選択型透過素子７は同一の構成を有するが、両素子の構成を異ならせることで右目と左目との輻輳角やゴーストカット特性を最適化することが可能である。以下では角度選択型透過素子６、７においてファインダーの光軸側を内側と定義し、ファインダーの光軸から離れる側を外側と定義する。
　図４はＨＭＤ１の使用時の状態にて本体部２およびＥＶＦ３の構成を示す断面図であり、使用者の左目に対応する部分を示す。表示部９と接眼レンズ系１０はＥＶＦ３の外装部材１１の内部に設けられている。表示部９は有機ＥＬ（Electro-Luminescence）表示パネルを有する。接眼レンズ系１０は角度選択型透過素子６側の面が曲面である。角度選択型透過素子６は、外装部材１１にて使用者の左目に対向する位置に配置されている。角度選択型透過素子６において第１の面６ａを使用者の目側の面とし、第２の面６ｂを接眼レンズ系１０側の面とする。表示部９と接眼レンズ系１０との間に配置される光路分割プリズムユニット２１の詳細については後述する。
　角度選択型透過素子６には複数の開口部６ｃが設けられており、光通過方向を制限する機能を有する。複数の開口部６ｃは、接眼レンズ系１０から使用者の目の位置であるアイポイント１３に向かう光束の方向に開口している。図４には接眼レンズ系１０から出射した光束のうち、アイポイント１３に届くファインダー光束１２を模式的に示している。アイポイント１３は、接眼レンズ系１０により決定される。
　本体部２の外装部材１４は、その内部にＨＭＤ１全体を制御するコントロール回路１５を有する。コントロール回路１５は表示部９を制御し、表示部９からの光は接眼レンズ系１０により集光され、角度選択型透過素子６に設けられた複数の開口部６ｃを通過してアイポイント１３にある目で表示部９の表示情報が観察される。
　図５は図２のＡ－Ａ線に沿う断面図であり、ＨＭＤ１の使用時のＥＶＦ３、ＥＶＦ４と頭部および眼球との関係を表している。図６は、ＨＭＤ１の使用時の頭部および眼球とＨＭＤ１との関係を表している。図７は図６に示すＢ部の詳細図である。
　図５にはＥＶＦ３、ＥＶＦ４と眼球との関係で調整可能な箇所を表している。使用者はアイポイント位置付近からのみ表示を視認することができるので、常に目の位置をアイポイント位置付近に保つ必要がある。そのためにＨＭＤ１は、使用者の視線方向を検出し、視線検出結果を利用することで、位置調整が可能な第１乃至第３の機構部を有する。
　第１の機構部は、使用者の両目の幅に合わせて調整を行えるように、眼幅（Ｗ）の調整が可能な構成である。具体的な構成としては、ＥＶＦ３，４は本体部２に対してガイドバー等でガイドされていて、各々独立して動く構成となっている。第２の機構部は、アイポイント１３と角度選択型透過素子６（７）の目側の面６ａとの距離（Ｅ１）の調整が可能な構成である。第３の機構部は、視線を振ったり、輻輳角が変わったりといった眼球回転移動に伴い、ケラレや開口率の変化が生じないように回転方向の角度（θ）の調整が可能な構成である。使用者の視線方向を検出することで、目側の面６ａと接眼レンズ系１０の光軸が交わる領域４０を中心にＥＶＦ３（ＥＶＦ４）は回転方向（θ方向）に調整可能な構成となっている。具体的な構成としては、ＥＶＦ３（ＥＶＦ４）は領域４０を中心に回転方向に調整可能なＨＭＤ１のユニットを構成している。ＨＭＤ１のユニットは、本体部２に対して眼幅（Ｗ）が調整可能になるように取り付けられている。ＥＶＦ３、ＥＶＦ４はそれぞれ独立した動きが可能な機構を有するので、ＨＭＤ１は、使用者の左右の目に対して各々配置された視線検出部により、左右の目の最適な位置にＥＶＦ３、ＥＶＦ４を調整可能な構造である。つまりＨＭＤ１の制御部は視線検出によって使用者の両目の位置を算出し、左右の目の位置に対してＥＶＦ３、ＥＶＦ４を合わせるために基準位置からの差分を演算してそれぞれ最適な位置に調整する制御を行う。
　視線検出機能と角度選択型透過素子とを組み合わせることで、アイボックスが狭いためにケラレや開口率の低下が生じるという問題を解決することが可能である。また第１乃至第３の機構部にて調整可能な箇所については、使用者がレバー等を用いて手動で動かす構成と動力源であるモータ等を組み込んで自動で動かす構成の２通りがあり、どちらの構成でも実施可能である。
　図６に示されるＨＭＤ１の使用時にて、完全な順光、つまり使用者が光源（太陽等）を背に向けた方向からの光を想定する。この場合、角度選択型透過素子６と接眼レンズ系１０に逆入光する光の大半は使用者の頭部で遮られている。しかし、この状態から使用者が顔を数十度の角度で横に回転させると、顔の側面を通過する光（図６のクロスハッチング部を通過する光）が角度選択型透過素子６と接眼レンズ系１０の位置に到達する。
　接眼レンズ系１０にて逆入光がゴーストを発生させる可能性のある領域は、左目の場合、図６の点１６と頭部の側面部を結んだ線１７で示すように、クロスハッチング部である。本実施例では、アイポイント１３から接眼レンズ系１０に向けて複数の開口部６ｃが設けられている。複数の開口部６ｃより使用者から離れる側に位置する接眼レンズ系１０に光が到達するためには、開口部６ｃの穴の方向に光源が存在する必要がある。図６の線１７は、複数の開口部６ｃの方向と光線の方向とが最も近くなり、逆入光が接眼レンズ系１０に到達しやすくなる位置を示している。
　図７に示されるように、角度選択型透過素子６の内部の複数の開口部６ｃは、隣接する穴と穴との間が壁部６ｄで仕切られている。本実施例では、複数の開口部６ｃの内部に空気との屈折率差が小さい透明の固体が充填されている。角度選択型透過素子６の内部に空気との屈折率差が小さい透明の固体を充填することで、複数の開口部６ｃ内へのゴミの侵入を防止できる。また、壁部６ｄが外力により変形することを防止できる。本実施例では、空気との屈折率差が小さい透明の固体として、空気を９０％以上含む多孔質の透明物質を利用しており、空気との屈折率差は０．１以下となっている。このため、空気との境界面での反射が殆ど無い。複数の開口部６ｃの内部において、目側の第１の面６ａと接眼レンズ系１０側の第２の面６ｂのいずれでも空気との屈折率差が小さい透明の固体表面での反射は殆ど無い。外部から複数の開口部６ｃに入射する光は殆ど反射せずに内部に入射する。
　角度選択型透過素子６にて接眼レンズ系１０側の第２の面６ｂ、目側の第１の面６ａ、複数の開口部６ｃの内面の壁部６ｄには反射防止処理が施されている。角度選択型透過素子は３Ｄプリンタでの作成が可能であり、反射防止塗装により反射防止処理を実現できる。
　図７において、光線１８は使用者の頭部の側面部を通過した光を表す。光線１８は角度選択型透過素子６の第１の面６ａに設けられた複数の開口部６ｃの穴から内部に入射する。複数の開口部６ｃの内部に入った光は壁部６ｄに到達するが、壁部６ｄには反射防止処理が施されているので反射光は減衰する。よって反射光が仮に接眼レンズ系１０に到達してもゴーストは殆ど発生しない。
　角度選択型透過素子６の厚みをｔと表記し、開口部６ｃの開口幅をｗと表記し、不要光の入射角度をθ0と表記する。不要光が接眼レンズ系１０に直接到達しない為の条件を下記式（１）に示す。
　ｔ≧ｗ／ｔａｎθ0　　　　　　　　　　　（１）
　ｔａｎは正接関数を表し、本実施例では式（１）の条件を満たしている。
　図８は角度選択型透過素子６の第１の面６ａを模式的に示す図である。角度選択型透過素子６は内側の開口部６ｅ１，６ｅ２とその周辺の複数の開口部６ｃを有する。図９は図８のＣ－Ｃ断面図である。角度選択型透過素子６に設けられた複数の開口部６ｃは、ファインダー光線の入り口側である第２の面６ｂとファインダー光線の出口側である第１の面６ａにて六角形に形成されている。また、隣接する六角形状部の間は壁部６ｄで仕切られるとともに、内部には空気との屈折率差が小さい透明の固体が充填されている。
　図９（図８のＣ－Ｃ断面図）は複数の開口部６ｃの方向を示している。複数の開口部６ｃの方向はそれぞれ、アイポイント１３に向かう光の向きに沿うように設定されている。アイポイント１３と第１の面６ａとの距離をＥ１と表記し、アイポイント１３と第２の面６ｂとの距離をＥ２と表記する。第１の面６ａ上での複数の開口部６ｃの形成ピッチをＰ１と表記する。
　複数の開口部６ｃは等ピッチで設けられており、光軸中心からの距離をそれぞれＨｉと表記する。光軸中心を基準とした図９の右半面において、「Ｈｉ」中のｉは１～９までの任意の自然数を表す。
　Ｈ１＝Ｐ１
　Ｈ２＝Ｐ１×２
　　・
　　・
　Ｈ８＝Ｐ１×８
　Ｈ９＝Ｐ１×９
　つまり、「Ｈｉ＝Ｐ１×ｉ」の関係である。
　光軸中心を基準として、アイポイント１３と複数の開口部６ｃを結ぶ各直線の角度をそれぞれθｉと表記する。「θｉ」中のｉは１～９までの任意の自然数を表す。
　θ１＝ｔａｎ-1（Ｈ１／Ｅ１）
　θ２＝ｔａｎ-1（Ｈ２／Ｅ１）
　　・
　　・
　θ８＝ｔａｎ-1（Ｈ８／Ｅ１）
　θ９＝ｔａｎ-1（Ｈ９／Ｅ１）
　ｔａｎ-1は逆正接関数を表し、「θｉ＝ｔａｎ-1（Ｈｉ／Ｅ１）」の関係である。
　第２の面６ｂ上での複数の開口部６ｃのピッチＰ２は、下記式（２）に示すとおりである。
　Ｐ２＝Ｅ２×ｔａｎθ１　　　　　　（２）
　図９では光軸中心を基準として右半面を説明したが、光軸に関して対称な構成であるので左半面についても前記と同様の関係が成り立つ。
　アイポイント１３を基準として、使用者の目から接眼レンズ系１０を見た場合、複数の開口部６ｃを通して接眼レンズ系１０が見える。壁部６ｄについては使用者の目に到達する光の方向と略平行になっているので、殆ど視認できなくなっている。また、アイポイント１３に使用者の目が存在する場合には、第１の面６ａは目に近接しており、目視のピントは合わない。壁部６ｄは厚みが薄く作成されているので、壁部６ｄの入り口部分の平面部も殆ど視認できない。
　使用者はアイポイント１３の付近からのみ表示情報の視認が可能であり、目の位置をアイポイント１３の付近に固定する必要がある。本実施例では、頭部装着部５により使用者の頭部とＨＭＤ１との相対位置関係を固定することでアイポイント１３に目を置くことを実現している。
　図１０はＥＶＦ部分の構成を示す斜視図である。図１１はＥＶＦ部分の光軸上での横断面図である。アイポイント１３に近い方から順に、角度選択型透過素子６、接眼レンズ系１０、第２光路分割プリズム２０、第１光路分割プリズム１９、表示部９を図示している。
　第１光路分割プリズム１９と第２光路分割プリズム２０は、光路分割プリズムユニット２１を構成する。光路分割プリズムユニット２１は、第１光路分割プリズム１９と第２光路分割プリズム２０を接着して構成される光路分割手段である。
　赤外ＬＥＤ２２，２３は、視線検出用の眼球照明を行う発光素子である。赤外ＬＥＤ２２，２３は投光部を構成しており、角度選択型透過素子６の第１の面６ａ側に配置される。赤外ＬＥＤ２２，２３は、それぞれ異なる位置に向けて赤外光を照射する配置になっており、ＥＶＦ部分（受光部を含む）と観察者の眼球との距離を検出するために２個一組で使用される。レンズ２４は視線検出光学系の視線結像レンズである。受光部を構成するセンサ２５は視線検出センサである。
　赤外ＬＥＤ２２，２３により照明された眼球からの光は、角度選択型透過素子６と接眼レンズ系１０を通過して第２光路分割プリズム２０に第２面２０ａから入射する。図６にはこれを光路２６ａで示している。第２光路分割プリズム２０の第１面２０ｂには、赤外光を反射するダイクロイック膜が形成されている。
　赤外ＬＥＤ２２，２３により照明された眼球からの光は第２光路分割プリズム２０の第１面２０ｂにより反射する。光は第２面２０ａの方向に反射する。この反射光路を光路２６ｂで示す。反射光路２６ｂに沿う光は第２面２０ａにより全反射し、結像光路２６ｃに沿って光は視線結像レンズ２４により視線検出センサ２５に結像する。
　視線検出の為には照明による眼球像と併せて、赤外ＬＥＤ光の角膜による正反射で形成される角膜反射像が用いられる。図１０では赤外ＬＥＤ２２，２３から出射した光が眼球の角膜２７で反射した光路を示している。
　図１１において、角膜２７で光が反射してから視線検出センサ２５に向かう光路２６ａ，２６ｂ，２６ｃを示す。これらの光路のうち、光路２６ａの方向は接眼レンズ系１０からアイポイント１３に向かう光の向きに設定されている開口部６ｃの方向と同じになっていない。光路２６ａに沿う光が通過する、角度選択型透過素子６における内側の開口部６ｅ１，６ｅ２（図８参照）は、ケラレが生じないように光路２６ａと略平行に形成されている。また、光路２６ａについては光の出方に個人差（角膜の曲率差）があるので、開口部６ｅ１，６ｅ２は隣接する開口部６ｃに対して大きめに形成される。開口部６ｅ１，６ｅ２の開口を大きくすることで使用者の頭部の側面を通過する光は開口部の内部に入り易くなるが、角度選択型透過素子６の厚みを大きくすることにより、開口部６ｅ１，６ｅ２の内部では光がより多くの回数で反射して減衰する。本実施例では、角度選択型透過素子６の一部６ｆは、その厚みが周辺部よりも大きい。つまり角度選択型透過素子６の一部６ｆの厚みは接眼レンズ系１０の対向面（曲面）に沿って大きくなっており、この部分に開口部６ｅ１，６ｅ２が形成されている。
　図１２は眼球像と角膜反射像の眼球距離を説明する模式図である。虹彩２８、瞳孔２９、および照明用の赤外ＬＥＤ２２，２３による角膜反射像３０，３１をそれぞれ示す。瞳孔２９の中心と角膜反射像との関係から視線の方向が検出される。視線検出については、観察者の眼球面上を照明したときに得られる反射光を利用する方法が知られている。例えば、視線補正にて使用者の眼球の個人差を補正するための補正係数が取得されたうえで視線入力処理が行われ、補正係数に対応する演算式を用いて視線方向の角度や観察面上の座標値の算出が行われる。具体的には、特許文献２に開示の方法により実現できるので詳細な説明を省略する。
　角度選択型透過素子の開口部の方向がレンズからアイポイントに向かう光の向きに設定されている構成では、アイボックスが狭いことによるケラレの発生、開口率の低下への対策が必要である。また、アイポイントから視線検出センサに向かう赤外ＬＥＤの光に対するケラレを抑制する対策が必要である。
　本実施例では、角度選択型透過素子を利用したファインダーにおいて、使用者の視線方向を検出し、視線検出結果を利用することで対策を講じることができる。また、使用者の後方から到来する光によるゴーストを低減しつつ、測距点選択等の機能を実現する視線検出機能を有するファインダーを提供することができる。
第２実施例
　図１３および図１４を参照して、本発明の第２実施例を説明する。第１実施例と同様の事項については説明を省略し、第１実施例との相違点を説明する。このような説明の省略方法は後述の実施例でも同じである。
　本実施例では、視線検出センサ２５を角度選択型透過素子６の近傍に配置した例を示す。図１３は本実施例の角度選択型透過素子６の外観図であり、第１の面６ａ側を示す。図１４は図１３におけるＤ－Ｄ断面での構成図である。
　本実施例の視線検出センサ２５は接眼レンズ系１０の外側に配置されている。赤外ＬＥＤ２２，２３および視線検出センサ２５の前面側（アイポイント１３側）には、角度選択型透過素子６が設けられている。外光である太陽光が視線検出センサ２５に対して直接入射し難い構成であるので、誤検知の発生を抑制可能である。
　図１４において、アイポイント１３から視線検出センサ２５に向かう光を光路３２に示す。光路３２の方向は、接眼レンズ系１０からアイポイント１３に向かう光の向きに設定されている開口部６ｃの方向と同じになっていない。光路３２に沿う光が通過する角度選択型透過素子６の開口部６ｇは、ケラレが生じないようにその軸心が光路３２と略平行でテーパ角度（図１４：θｔ参照）を有する円錐状に形成される。
第３実施例
　次に、本発明の第３実施例を説明する。本実施例では、角度選択型透過素子６が赤外線透過性の樹脂材料で作成される点が、前記実施例との相違点である。
　角度選択型透過素子６は、赤外光を透過し、かつ可視光を吸収する材料で形成される。本実施例によれば、アイポイント１３から視線検出センサ２５に向かう光路に合わせて角度選択型透過素子６の開口部の向きを変えることなく、太陽光等の外光の侵入を抑制することができる。
　前記実施例によれば、使用者の視線方向を検出することにより、ケラレや開口率の低下を抑制するとともに、使用者の後方から到来する光によるゴーストを低減しつつ、測距点選択等の機能を実現可能な、視線検出機能を有する光学装置を提供することができる。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
　３，４　ＥＶＦ
　６，７　角度選択型透過素子
　６ｃ，６ｅ１，６ｅ２，６ｇ　開口部

Claims (13)

  1. 　ファインダーを備える光学装置であって、
    　前記ファインダーの光路中に配置される角度選択型透過素子と、
    　前記角度選択型透過素子を通過する光により視線検出を行う検出手段と、
    　前記検出手段により検出された視線方向に前記ファインダーの方向を調整することが可能な機構部と、を備える
    　ことを特徴とする光学装置。
  2. 　前記角度選択型透過素子は光束の通過方向を制限する複数の開口部を有する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
  3. 　前記検出手段は投光部および受光部を有し、
    　前記ファインダーの光軸に対して、前記複数の開口部のうちの、第１の開口部は前記光束に対する第１の領域での通過方向を制限する第１の角度を有し、第２の開口部は前記光束に対する第２の領域での通過方向を制限する第２の角度を有し、第３の開口部は前記ファインダーにおけるアイポイントと前記受光部とを結ぶ線で定義される第３の角度を有する
    　ことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
  4. 　前記第３の開口部は、前記第１または第２の開口部よりも大きい開口を有する
    　ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
  5. 　前記第３の開口部は、前記第１または第２の開口部よりも前記ファインダーの光軸側に形成されている
    　ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学装置。
  6. 　前記角度選択型透過素子にて前記第３の開口部が形成された部分は、当該部分の周辺の部分の厚みより大きい
    　ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の光学装置。
  7. 　接眼レンズ系を備え、
    　前記角度選択型透過素子にて前記第３の開口部が形成された部分は、前記接眼レンズ系に対向する曲面に沿って形成されている
    　ことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
  8. 　前記第３の開口部は、前記第１または第２の開口部よりも前記ファインダーの光軸から離れた位置に形成されている
    　ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光学装置。
  9. 　両目にそれぞれ対応する複数のファインダーを備え、
    　前記ファインダーは、検出された視線方向に対して独立に調整が可能である
    　ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光学装置。
  10. 　前記角度選択型透過素子は赤外線透過性の材料で形成されている
    　ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光学装置。
  11. 　請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学装置を備え、
    　前記ファインダーは表示手段および接眼レンズ系を有する
    　ことを特徴とする表示装置。
  12. 　前記表示手段と前記接眼レンズ系との間に光路分割プリズムユニットを備え、
    　前記検出手段は前記光路分割プリズムユニットを通過した光を検出する
    　ことを特徴とする請求項１１に記載の表示装置。
  13. 　前記検出手段は、前記接眼レンズ系と前記角度選択型透過素子との間に配置される投光部および受光部を有する
    　ことを特徴とする請求項１１に記載の表示装置。
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