(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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。
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
(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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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)
【0025】
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。
【0026】
(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。
【0027】
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。
【0028】
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)
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
(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。
【0032】
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。
【0033】
(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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。