JP6238801B2 - 虚像観察光学系及び虚像観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像光を導光して虚像を観察させるための虚像観察光学系及び該虚像観察光学系を用いる虚像観察装置に関するものである。

近年、小型の表示素子からの画像光を導光し、レンズにより拡大して虚像として観察させるための虚像観察装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。かかる虚像観察装置は、表示素子からの画像光を入射させる入射面及び入射した画像光を反射させる反射面を有する導光プリズムと、反射面で反射された画像光を観察者の眼球に入射させて拡大虚像として観察させるための接眼部（レンズ）とを有する虚像観察光学系を有している。このような虚像観察光学系は、小型軽量に構成されることから、頭部に装着可能な装置に搭載することで、ウェアラブルディスプレイとして利用可能である。

特開２０１０−１２２４７８号公報 特開２０１２−２０３１１３号公報

特許文献１、２に開示のような虚像観察光学系を形成するにあたっては、接眼部に画像光を入射させる導光プリズムの反射面における画像光の入射光軸及び反射光軸を含む面に対して垂直な方向の導光プリズム及び接眼部の寸法を同じとすることが想定される。図１２は、この場合の一構成例を示すもので、（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は部分拡大斜視図を示している。図１２に示す虚像観察光学系１００は、導光プリズム１１０と接眼部１２０とを有している。導光プリズム１１０は、表示素子１３０からの画像光を入射させる入射面１１１と、入射した画像光を反射させる反射面１１２と、反射された画像光を射出する射出面１１３とを有している。接眼部１２０は、射出面１１３から射出される画像光を観察者の眼球（図示せず）に入射させて拡大虚像として観察させるためのもので、導光プリズム１１０と一体に形成されるか、あるいは別体に形成されて導光プリズム１１０に接合して設けられる。

図１２（ａ）において、Ｘ軸は導光プリズム１１０の反射面１１１に入射する画像光の光軸と平行な方向を示し、Ｚ軸は反射面１１１で反射される画像光の光軸と平行な方向すなわち接眼部１２０の光軸と平行な方向を示し、Ｙ軸はＸ軸及びＺ軸と直交する方向を示している。接眼部１２０は、Ｙ軸方向において導光プリズム１１０と一致するように、Ｙ軸方向の寸法が導光プリズム１１０と同じに形成されている。そのため、例えば、接眼部１２０がプラスチック等の射出成形によって形成される場合は、接眼部１２０の周辺部の面精度が、成形時のエッジ部のダレ等によって中心部よりも悪化することがある。また、不要な反射による画像コントラストの低下を防ぐために、接眼部１２０に反射防止をコーティングすることが有る。しかし、反射防止コーティングは、そのエッジまで均一に施すことは困難である。

その結果、図１３に示すように、接眼部１２０の周辺部で不所望に屈折あるいは反射した画像光が観察者の眼球に入射して観察画像にボケやゴーストが生じ、観察画像の画質が劣化することがある。

したがって、かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、画質の良好な虚像を観察可能な虚像観察光学系及び虚像観察装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明に係る虚像観察光学系は、
画像光を導光する導光プリズムと、
該導光プリズムにより導光される前記画像光を観察者の眼球に入射させて拡大虚像として観察させるための接眼部と、を備え、
前記導光プリズムは、前記画像光を入射する入射面と、該入射面から入射された前記画像光を前記接眼部に向けて反射させる反射面とを有し、
前記接眼部は、前記反射面における前記画像光の入射光軸及び反射光軸を含む面に対して垂直な方向において、前記導光プリズムから突出する突出部を有し、該突出部の前記導光プリズム側の少なくとも一部は、当該接眼部の光軸に対して傾斜した傾斜面からなる、
ことを特徴とするものである。

さらに、上記目的を達成する本発明に係る虚像観察装置は、
表示素子と、
前記虚像観察光学系と、
前記表示素子及び前記虚像観察光学系を観察者の頭部に支持する支持部と、を備え、
前記表示素子からの画像光を、前記虚像観察光学系を経て前記観察者の眼球に入射させて拡大虚像として観察させる、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、画質の良好な虚像を観察可能な虚像観察光学系及び虚像観察装置を提供することができる。

第１実施の形態に係る虚像観察装置を示す斜視図である。 図１の虚像観察光学系の構成を説明するための図である。 図２の突出部の作用を説明するための図である。 突出部の突出量を決定する説明図である。 第２実施の形態に係る虚像観察光学系の要部の構成を示す部分拡大斜視図である。 図５の突出部の傾斜面の作用を説明するための図である。 図５の突出部の傾斜面の傾斜角度を説明するための図である。 図７の傾斜角度を決定する説明図である。 第３実施の形態に係る虚像観察光学系の要部の構成を示す部分拡大斜視図である。 第３実施の形態の変形例を説明するための図である。 第４実施の形態に係る虚像観察装置を説明するための図である。 従来の虚像観察光学系の構成を説明するための図である。 従来の虚像観察光学系における課題を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る虚像観察装置を示す斜視図である。この虚像観察装置１は、いわゆる横型のもので、装置全体を観察者の頭部に固定支持するための眼鏡形状からなる支持部２と、支持部２の一方のテンプル２ａに固定された本体部３と、本体部３により一端部で支持された虚像観察光学系４と、を備える。本体部３には、表示素子や該表示素子に画像を表示するための電子回路、表示すべき画像データを本体部３の外部から有線又は無線により受信するための通信機能等が内蔵されている。また、虚像観察光学系４は、支持部２が観察者の頭部に支持された状態で、他端部が観察者の眼前に位置するように延在する。

図２は、図１の虚像観察光学系４を示すもので（ａ）は平面図であり、（ｂ）は部分拡大斜視図である。図２に示すように、虚像観察光学系４は、画像光を導光する導光プリズム５と、導光プリズム５により導光される画像光を観察者の眼球に入射させて拡大虚像として観察させるための接眼部６とを備える。導光プリズム５は、表示素子７からの画像光を入射する入射面５ａと、入射した画像光を反射させる反射面５ｂと、反射された画像光を射出する射出面５ｃとを有する。なお、本実施の形態において、反射面５ｂは一つであるが、入射面５ａと反射面５ｂとの間にさらに一つ以上の反射面が形成される場合もある。接眼部６は、レンズ作用を有し、導光プリズム５の射出面５ｃから射出される画像光を観察者の眼球（図示せず）に入射させて拡大虚像として観察させる。

ここで、表示素子７は、観察すべき画像を表示する液晶表示素子や有機ＥＬ素子等であり、図１に示した本体部３内に内蔵される。表示素子７に表示された画像の画像光は、導光プリズム４の入射面５ａに入射される。表示素子７と虚像観察光学系４の入射面５ａとの間には、表示素子７を保護するための保護窓（図示せず）を設けることが望ましい。

導光プリズム５は、透明な樹脂からなる一方向に長いプリズムである。導光プリズム５は、画像光の進行方向である長手方向の両端部に入射面５ａと反射面５ｂとを備える。入射面５ａと反射面５ｂとの間には、画像光の光路を取り囲むように、第１の側面８ａ、第２の側面８ｂ、第３の側面８ｃ、及び第４の側面８ｄを有している。観察者が虚像観察装置１を装着した状態で、第１の側面８ａは観察者の正面に向いて位置し、第２の側面８ｂは観察者の正面とは反対側に向いて位置する。また、第３の側面８ｃは導光プリズム５の上側に向いて位置し、第４の側面８ｄは導光プリズム５の下側に向いて位置する。すなわち、第１の側面８ａと第２の側面８ｂとは互いに対向し、第３の側面８ｃと第４の側面８ｄとは互いに対向する。

図２では、第１〜第４の側面８ａ〜８ｄは、平面として構成され、それぞれ入射面５ａとほぼ直交している。なお、第１〜第４の側面８ａ〜８ｄは多少の湾曲を有していても良く、また、反射面５ｂ側より入射面５ａ側の方が幅広に構成されてもよい。例えば、第３の側面８ｃと第４の側面８ｄとの間の距離は、入射面５ａ側よりも反射面５ｂ側の方が狭くなるよう構成されてもよい。

反射面５ｂは、導光プリズム５の長手方向に対して、内側面を観察者側に向けて約４５度傾斜した斜面として形成される。反射面５ｂは、導光プリズム５内を長手方向に進行する画像光が反射されるように、アルミスパッタリングなどによってミラー面として形成される。なお、導光プリズム５の材料の屈折率及び反射面の角度などの条件によっては、表面を反射膜でコーティングしなくとも、全反射面を形成することができる。射出面５ｃは、導光プリズム５の反射面５ｂ側の端部において第１の側面８ａに位置している。

接眼部６は、導光プリズム５の射出面５ｃに設けられる。すなわち、接眼部６は、射出面５ｃから射出される画像光を眼球に入射させるように第１の側面８ａに設けられる。接眼部６は、例えば凸面として導光プリズム５と一体に成形される。このように、導光プリズム５及び接眼部６を樹脂等により一体成型することによって、虚像観察光学系４を大量且つ安価に製造することが可能になる。しかし、接眼部６は、導光プリズム５と別体に形成して、平面として形成された第１の側面８ａの射出面５ｃ上に接合してもよい。

なお、図２において、Ｘ軸は導光プリズム５の反射面５ｂに入射する画像光の光軸と平行な方向を示し、Ｚ軸は反射面５ｂで反射される画像光の光軸と平行な方向すなわち接眼部６の光軸と平行な方向を示し、Ｙ軸はＸ軸及びＺ軸と直交する方向を示している。また、一点鎖線は接眼部６の光軸を示している。光軸は、反射面５ｂで屈曲し表示素子７の中心を通る。入射面５ａと反射面５ｂとの間で、光軸の方向は、虚像観察光学系４の長手方向と一致している。

本実施の形態において、接眼部６は、導光プリズム５の反射面５ｂにおける画像光の入射光軸及び反射光軸を含む面（ＸＺ面）に対して垂直な方向において、第３の側面８ｃ及び第４の側面８ｄから突出する突出部６ａ及び６ｂを有する。つまり、接眼部６は、Ｙ軸方向において導光プリズム５の射出面５ｃの寸法よりも大きく形成されている。なお、第３の側面８ｃから突出する突出部６ａの突出量、及び、第４の側面８ｄから突出する突出部６ｂの突出量は、等しくても良いし、異なっても良い。

かかる構成によれば、導光プリズム５の画像光の射出部分に、接眼部６の面精度の良好な部分を位置させることができる。これにより、図３に示すように、導光プリズム５の射出面５ｃから射出される画像光を、Ｙ軸方向において接眼部６のエッジ部分を通過させることなく、面精度の良好な部分を透過させることができる。したがって、導光プリズム５を透過した画像光に対して、接眼部６により所望のレンズ作用を行うことができるので、観察画像にボケやゴーストを生じることなく、良好に画像を観察することができる。

ここで、突出部６ａの第３の側面８ｃからの突出量は、以下のように決定することができる。図４は、虚像観察装置１の光学系をＹ軸に沿った断面の直線モデルで示すものである。なお、図４において、表示素子７は、破線で示す物理的な位置から実線で示す光学的位置に換算して示している。図４において、接眼部６の焦点距離をｆ、表示素子７の縦寸法（図２のＹ軸方向の寸法）をＤ、導光プリズム５の縦寸法（図２のＹ軸方向の寸法）をＨ、接眼部６の厚みをｔ、導光プリズム５の屈折率をｎ、とする。この場合、接眼部６を透過する表示素子７からの最外側の軸外光線が光軸Ｏとなす角度θは、下式（１）で表される。また、突出部６ａの突出量ｈは、下式（２）で表される。
θ＝atan｛（H/2+D/2）/(n×f-t)｝ ・・・（１）
ｈ＞ｔ×tanθ ・・・（２）

したがって、例えば、Ｈ＝４ｍｍ〜１０ｍｍ、Ｄ＝２．５ｍｍ〜４ｍｍ、ｎ＝１．５、ｆ＝２０ｍｍ〜３０ｍｍ、ｔ＝１ｍｍ〜２ｍｍとすると、θは５度〜１４度程度となり、突出部６ａの突出量ｈは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度以上とすれば良いことになる。この条件を満たすことにより、表示素子７からの画像光が接眼部６のエッジ部や側面に当たることがなくなる。なお、接眼部６の周辺部に反射防止膜をコーティングする場合、ヤトイ（冶具）などの関係で接眼部６の周囲に未コート部分（０．２ｍｍ程度）が生じるため、その場合は突出量ｈを０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ程度とするのが好ましい。他方の突出部６ｂについても、突出部６ａと同様に突出量を決定すればよい。

（第２実施の形態）
図５は、第２実施の形態に係る虚像観察光学系の要部の構成を示す部分拡大斜視図である。図５に示す虚像観察光学系４は、第１実施の形態の虚像観察光学系４において、接眼部６の突出部６ａ及び６ｂの導光プリズム５側（背面側）を、接眼部６の光軸に対して傾斜させた傾斜面９ａ及び９ｂとしたものである。なお、図５において、傾斜面９ａ及び９ｂは、導光プリズム５の第３の側面８ｃ及び第４の側面８ｄ上に形成されているが、突出部６ａ及び６ｂの背面側を面取りするように形成されてもよい。

かかる構成によれば、図６に示すように、突出部６ａ及び６ｂの背面側から接眼部６に入射した外光（破線で示す）は、傾斜面９ａ及び９ｂで屈折されて、観察者の眼球Ｅに入射することなく、眼球Ｅから遠い方へ抜けることになる。したがって、接眼部６のエッジ部が光って見えるのを防止できる。また、突出部６ａ及び６ｂの背面側を傾斜面９ａ及び９ｂとすることで、取り扱い中における引っ掛かりも防止できる。

ここで、図７に示すように、導光プリズム５の射出面５ｃすなわち接眼部６の入射面に対する傾斜面９ａの角度（傾斜角）をαとする。また、図８に示すように、接眼部６の焦点距離をｆ、導光プリズム５の縦寸法（図２のＹ軸方向の寸法）をＨ、接眼部６から観察者の瞳Ｉまでの距離（アイリリーフ）をＥＬ、瞳Ｉの孔径をＰｕ、とする。この場合、突出部６ａの背面側から接眼部６に入射した外光が、瞳Ｉに入射しない光線の光軸Ｏとなす角度βは、下式（３）で表される。
β＝atan｛（H/2+Pu/2）/EL｝ ・・・（３）

例えば、ＥＬ＝１８ｍｍ、Ｐｕ＝４ｍｍ、Ｈ＝４ｍｍ、とすると、βは１２．５度となる。また、図７において、α＝０、つまり傾斜面９ａを形成しない場合、ＥＬ＝１８ｍｍ、Ｐｕ＝４ｍｍ、Ｈ＝４ｍｍ、ｆ＝２５ｍｍ、とすると、突出部６ａの背面側から接眼部６に入射した外光は、瞳Ｉの位置で光軸からの高さ０．５６ｍｍの位置に入射する。この場合の入射光線の光軸Ｏとなす角度γは、ほぼ４．６度となる。

以上のことから、突出部６ａの背面側から接眼部６に入射した外光が瞳Ｉに入射させないためには、傾斜面９ａにより接眼部６ａを透過した外光を（β−γ）以上、つまり、β−γ＝７．９度以上偏向させればよいことになる。この場合の導光プリズムの屈折率を１．５とすると、傾斜面９ａの傾斜角αは、ほぼ１５．５度以上となる。したがって、傾斜面９ａの傾斜角αは、α＞１５．５度、とするのが好ましい。他方の傾斜面９ｂについても同様である。

（第３実施の形態）
図９は、第３実施の形態に係る虚像観察光学系の要部の構成を示す部分拡大斜視図である。図９に示す虚像観察光学系４は、第１実施の形態の虚像観察光学系４において、接眼部６が突出部６ａ及び６ｂの他に、導光プリズム５の第１の側面８ａからＸ軸方向において反射面５ｂ側に突出する突出部６ｃを有するものである。なお、接眼部６は、Ｘ軸方向において突出部６ｃとは反対側も、導光プリズム５の射出面５ｃよりも外側に位置している。

かかる構成によれば、Ｘ軸方向においても導光プリズム５の画像光の射出部分に、接眼部６の面精度の良好な部分を位置させることができるので、より良好に画像を観察することができる。また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、導光プリズム５の第１の側面８ａ及び接眼部６を除く部分を覆う外装１０により導光プリズム５を保護するとともに、突出部６ａ、６ｂ、６ｃの背面を外装１０によって塞ぐことで、突出部６ａ、６ｂ、６ｃからの外光入射による影響を無くすこともできる。この場合、突出部６ａ、６ｂ、６ｃと当接する外装１０の対応する部分の板厚は、突出部６ａ、６ｂ、６ｃの突出量とほぼ一致させるとよい。このようにすれば、接眼部６との段差がなくなり外観上好ましいとともに、取り扱い中における引っ掛かりも防止できる。なお、突出部６ａ、６ｂ、６ｃは、第２実施の形態と同様に、背面側を傾斜面として形成してもよい。

（第４実施の形態）
図１１は、第４実施の形態に係る虚像観察装置を示すもので、（ａ）は外観斜視図であり、（ｂ）は虚像観察光学系の部分拡大斜視図である。この虚像観察装置１１は、いわゆる縦型のもので、装置全体を観察者の頭部に固定支持するための眼鏡形状から支持部１２と、支持部１２の一方の上部リム１２ａに支持された本体部１３及び虚像観察光学系１４と、を備える。

本体部１３には、表示素子や該表示素子に画像を表示するための電子回路、表示すべき画像データを本体部１３の外部から有線又は無線により受信するための通信機能等が内蔵されている。本体部１３は、上部リム１２ａの所定の位置に、例えば着脱自在に装着されて、支持部１２が観察者の頭部に支持された状態で、他方の上部リム１２ｂに向けてほぼ水平方向に画像光を射出する。

虚像観察光学系１４は、第１導光プリズム１５と、第２導光プリズム１６と、接眼部１７とを備える。第１導光プリズム１５は、入射面１５ａと、反射面１５ｂと、射出面１５ｃとを備える。第２導光プリズム１６は、入射面１６ａと、反射面１６ｂ及び１６ｃと、射出面１６ｄとを備える台形状をなしている。第２導光プリズム１６は、入射面１６ａが第１導光プリズム１５の射出面１５ｃに接合されている。接眼部１７は、第２導光プリズム１６の射出面１６ｄに接合されている。接眼部１７は、第３実施の形態と同様に、第２導光プリズム１６の射出面１６ｄから突出する突出部１８を有している。なお、接眼部１７は、第２導光プリズム１６と一体に形成されてもよい。

虚像観察光学系１４は、支持部１２が観察者の頭部に支持された状態で、本体部１３からの画像光が第１導光プリズム１５の入射面１５ａに入射するように、上部リム１２ａの所定の位置に、例えば着脱自在に装着される。本体部１３から入射面１５ａに入射された画像光は、反射面１５ｂで反射されて射出面１５ｃから射出され、第２導光プリズム１６の入射面１６ａに入射される。そして、入射面１６ａから入射された画像光は、反射面１６ｂ及び１６ｃで反射された後、射出面１６ｄを経て接眼部１７から観察者の眼球に向けて射出される。なお、第２導光プリズム１６において、画像光は反射面１６ｂと反射面１６ｃとの間でさらに反射されてもよい。

本実施の形態においても、上述した実施の形態と同様に、第２導光プリズム１６の画像光の射出部分に、接眼部１７の面精度の良好な部分を位置させることができるので、観察画像にボケやゴーストを生じることなく、良好に画像を観察することができる。なお、第２導光プリズム１６は、第３実施の形態で説明したと同様に、外装で覆うようにしてもよい。また、接眼部１７には、第１実施の形態や第２実施の形態で説明したような突起部を形成してもよい。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、第１〜３実施の形態においては、導光プリズム５の入射面５ａを、導光プリズム５の延在方向に対して直交するように設けて、画像光を導光プリズム５の延在方向から入射させるようにしたが、導光プリズム５の構成はこれに限らない。例えば、導光プリズム５は、第４実施の形態の第２導光プリズム１６と同様に、少なくとも両端部に反射面を有する台形状として、画像光を導光プリズム５の延在方向と直交する方向から入射させるようにしてもよい。

１ 虚像観察装置
２ 支持部
３ 本体部
４ 虚像観察光学系
５ 導光プリズム
５ａ 入射面
５ｂ 反射面
５ｃ 射出面
６ 接眼部
６ａ、６ｂ、６ｃ 突出部
７ 表示素子
９ａ、９ｂ 傾斜面
１０ 外装
１１ 虚像観察装置
１２ 支持部
１３ 本体部
１４ 虚像観察光学系
１５ 第１導光プリズム
１５ａ 入射面
１６ 第２導光プリズム
１６ｃ 反射面
１７ 接眼部
１８ 突出部

Claims (2)

1. 画像光を導光する導光プリズムと、
   該導光プリズムにより導光される前記画像光を観察者の眼球に入射させて拡大虚像として観察させるための接眼部と、を備え、
   前記導光プリズムは、前記画像光を入射する入射面と、該入射面から入射された前記画像光を前記接眼部に向けて反射させる反射面とを有し、
   前記接眼部は、前記反射面における前記画像光の入射光軸及び反射光軸を含む面に対して垂直な方向において、前記導光プリズムから突出する突出部を有し、該突出部の前記導光プリズム側の少なくとも一部は、当該接眼部の光軸に対して傾斜した傾斜面からなる、
   ことを特徴とする虚像観察光学系。
2. 表示素子と、
   請求項１に記載の虚像観察光学系と、
   前記表示素子及び前記虚像観察光学系を観察者の頭部に支持する支持部と、を備え、
   前記表示素子からの画像光を、前記虚像観察光学系を経て前記観察者の眼球に入射させて拡大虚像として観察させる、
   ことを特徴とする虚像観察装置。

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