(57)【要約】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。
2009014256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、及び前記第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。
【請求項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、９０度±３０度である、
請求の範囲第１項記載の拡大光学系。
【請求項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、９０度±１５度である、
請求の範囲第１項記載の拡大光学系。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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、
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、ヘッドマウントディスプレイ用の光学系。
【請求項１６】
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、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイからの像光を拡大する拡大光学系は、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９０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化の要求は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。
拡大光学系を小型化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１００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１００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１００は、三角柱の側面にあたる３つの面、即ち、第１面１１０、第２面１２０、第３面１３０を有している。第１面１１０は、ディスプレイＤからの像光ｌを受入れる面である。第２面１２０は、第１面１１０から自由曲面プリズム１００に入ったディスプレイＤからの像光ｌを反射する面であるとともに、後述したように第３面１３０で反射された像光ｌを自由曲面プリズム１００の外部に出射させる面である。第３面１３０は、第２面１２０で反射されたディスプレイＤからの像光ｌを反射するものである。
自由曲面プリズム１００における第１面１１０、第２面１２０、及び第３面１３０は、自由曲面とされている。したがって、自由曲面プリズム１００は、像光ｌが第１面１１０と第２面１２０を通過するときにレンズとして機能し、また、像光ｌが第２面１２０と第３面１３０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１２０から自由局面プリズム１００外に出た像光ｌ（これは、一般的にはユーザの眼へそのまま導かれる。）は、拡大されている。このように、自由曲面プリズム１００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ｌ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１００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ｌ（の光軸）と、第２面１２０から出た像光ｌ（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ァ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、樹脂が硬化しきる前に、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化を「ひけ」というが、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、拡大光学系を小型化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】
【０００３】
か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、ディ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。
しかも、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化を達成することができた。これは、技術的な難易度の低さ、コストの低さに加えて、本願発明の拡大光学系の大きなア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、像光によっ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、像光によっ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、及び第３面の外側の少なくとも一方に配されていればよい。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、及び前記第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化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化するには、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べく９０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面から出射した像光の光軸とがなす角が、９０度±３０度とする、より好ましくはこの角度を９０度±１５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ァ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、及び第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。
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、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】
【０００４】
図１は、第１実施形態のヘ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２Ａは、図１に示したヘ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２Ｂは、図１に示したヘ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２Ｃは、図１に示したヘ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に示したヘ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に示したヘ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のヘ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実施形態のヘ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カ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】
【０００５】
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実施形態におけるヘ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１１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１２と、その内部に光学系を内蔵した表示部１３とを備えている。
つる１１は、使用者の頭部へヘ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１１は２本であり、導波板１２の両側に設けられている。つる１１と導波板１２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１１を導波板１２に対して平行になるような向きで折畳めるようになっていてもよい。つる１１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１１により使用者の頭部を挟み込むことで、使用者の頭部にヘッドマウントディスプレイ１が固定される。
導波板１２は、回折格子のような構造とされている。導波板１２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、ヘッドマウントディスプレイ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）をヘ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）をヘ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いる。導波板１２は、この実施形態では樹脂製である。なお、導波板１２は必ずしも矩形である必要はない。また、導波板１２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い。
導波板１２は、その内部に後述するようにして表示部１３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１２としては、例えば、特表２００６−５１００５９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１２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２０〜３０ｍｍ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１２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１１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導波板１２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１２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１２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１２を支えるような構成にすることも可能である。
表示部１３は、導波板１２に臨む側が開放されている中空のケース１３Ａの内部に、図２Ａ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１３Ａ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１３Ａは、必ずしも導波板１２に臨む側の全面が開放されている必要はなく、導波板１２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１２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１３Ａの内部には、この実施形態では、支持部材１３Ｂ、ディスプレイＤ、プリズムＰ、及びレンズＬが設けられている。
支持部材１３Ｂは、ケース１３Ａ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１３Ｂ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１３Ｂは、基本的には図２Ａに示したような断面形状とされているが、その両端部（図２Ａ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。ディスプレイ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ＥＬディスプレイにより構成することができる。なお、ケース１３Ａ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が、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１３Ａ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１３２はアンテナを内蔵している。もっとも、制御基板は、か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１３２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機器としては、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、ＭＰ３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い。第１面と第３面の形状は、レンズＬ（及び後述する第２レンズＬ２）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２Ａに示したプリズムＰは、図２Ｂ、図２Ｃに示したプリズムＰに置換えることができる。図２Ｂ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２Ｃ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、後者が非球面の凸面となっている。プリズムＰ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Ｐ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、両凸レンズである。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っている。レンズＬの両面の軸対称の軸はともに、プリズムＰ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Ｐ及びレンズ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１２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１２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１２の距離（図２Ａにおけるｓ）は、１０ｍｍ以下、この実施形態では略３ｍｍ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２Ａ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、このヘ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。ヘ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、ヘッドマウントディスプレイ１のつる１１を、使用者の耳へ係止するか、ヘッドマウントディスプレイ１のつる１１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１２は、使用者の眼から凡そ２０ｍｍ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、ヘ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、それらの機器からヘ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２Ａ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ｌ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ついての像光は、ディスプレイＤからプリズムＰへ向かい、第１面Ｐ１からプリズムＰ内に入る。この光は第１面Ｐ１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Ｐ２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ｌは、入射角、反射角ともに、４５度となるようにされている。ここで像光は、９０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Ｐ２で反射された光は、次に第３面Ｐ３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Ｐ３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化する。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１２の内部をその前後の面で反射されながら、導波板１２の左右方向に分かれて進み、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ｌと、プリズムＰの第３面Ｐ３から出射した像光の光軸ｌ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、９０度±１５度、少なくとも９０度±３０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Ｐ１と第２面Ｐ２と第３面Ｐ３の間の角度を調整することにより変化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にかかるヘッドマウ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実施形態におけるヘ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にかかるヘッドマウントディスプレイが第１実施形態におけるヘッドマウントディスプレイと異なるのは、第２レンズＬ２が設けられているという点である。第２レンズＬ２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かれている。第２レンズＬ２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Ｌ２のディスプレイＤに臨む側の面が凹、その逆側の面が凸形状とされている。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いが、軸対称な非球面となっている。第２レンズＬ２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にかかるヘ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Ｌ２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Ｌ２の形状（両凸、両凹、凹凸等）は、レンズＬと第２レンズＬ２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か、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２０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２０は、つる２１を有する。つる２１は、第１実施形態のつる１１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っている。眼鏡２０は、また、右眼用と左眼用のフレーム２２を備えている。もっとも、眼鏡２０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２２は不要である。各フレーム２２には、眼鏡レンズ２３が入っている。この眼鏡レンズ２３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い。更にいえば、眼鏡レンズ２３は、なくてもよい。右眼用と左眼用のフレーム２２は、ブリッジ２４により接続されている。
ヘッドマウントディスプレイ２は、ブリッジ２４に接続された接続ケース３０を備えている。この接続ケース３０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３０はより小型化でき、場合によってはなくすことも可能である。
接続ケース３０には、ノーズパッド３１が設けられている。これは、ユーザが眼鏡２０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２０のずり落ちを防ぐためのものである。
接続ケース３０には、表示部３２が接続されている。
表示部３２は、第１実施形態における表示部１３と同様に構成されている。
第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ表示部３２を平面視した場合の断面図を、図７として示す。
表示部３２は、第１実施形態の表示部１３と同様、ケース１３Ａを備えている。ケース１３Ａには、この実施形態では矩形とされた開口３３が設けられている。ケース１３Ａの内部には、第１実施形態の場合と同様、支持部材１３Ｂ、ディスプレイＤ、プリズムＰ、レンズＬを備えている。支持部材１３Ｂ、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３３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３３を通過して、ユーザの眼Ｅへ導かれるようになっている。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、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に一致するようになっている。プリズムＰ、レンズＬは、レンズＬからレンズ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にかかるヘッドマウントディスプレイについて説明する。
変形例２にかかるヘッドマウントディスプレイは、接続ケース３０の眼鏡２０のブリッジ２４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３０のブリッジ２４に対する着脱自在な固定は、磁力による吸着、ボ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３０を眼鏡２０から外した場合に、眼鏡２０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３０を眼鏡２０に取付けてヘッドマウントディスプレイとして、画像を見る必要がない場合には接続ケース３０を眼鏡２０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２０から接続ケース３０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３０を外した場合に眼鏡２０のブリッジ２４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３０を外した眼鏡２０にその他のノーズパッドを取付けるようにすればよい。
＜変形例３＞
上述したように、接続ケース３０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３３のみ、或いは表示部３３に極小さな接続ケース３０を付属させたものを、既存の眼鏡２０に取付け可能なヘッドマウ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イは、既存の眼鏡の前側に取付けることも可能である。例えば、吸盤や両面テープを用いて、既存の眼鏡のレンズにヘ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、デジタルカメラを示す。
図３は、デジタルカメラ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４０に、種々の部品を取付け、或いは内蔵させてなる。
ケース４０の前側には、対物レンズ４１が取付けられ、ケース４０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４０の内部には、撮像素子４２、制御回路４３が内蔵されている。
対物レンズ４０は、デジタルカメラ３で撮像を行う対象物からの像光を、撮像素子４１に結像させるためのものである。撮像素子４１は、対物レンズ４０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ＣＣＤ、或いはＣＭＯＳにより構成することができる。制御回路４３は、撮像素子４１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る。
撮像素子４１による撮像は、ケース４０に設けられたシャッターボタンＢの操作に基づいて制御される。撮像素子４１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。シャッターボタンＢが操作されると、制御回路４３はシャッターボタン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ボタン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。ビューファインダは、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４１が撮像し続けている対象物についての動画が、制御回路４３の制御により撮像素子４１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をユーザが覗くと、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、リアルタイムに表示される。ユーザは、レンズＬをビューファインダとして用い、シャッターボタン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が、レンズＬと第２レンズＬ２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４０から露出させるか、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い。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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