(57)【要約】【課題】眼鏡型の電子像表示装置に関し、外界像に対してシースルー機能を持ち、これに電子像を重畳し、外界像の観察を邪魔することなく、各種情報の入手や、各種操作・行動を援助する電子像の表示を行う常時装着可能な電子像表示機能付き眼鏡を得る。【解決手段】電子像と外界像とを重畳させた像を、観察者が観測できるようにした電子像表示機能付き眼鏡において、電子像を出射する表示装置と、外界像を透過させて観測者の瞳に向けて出射する導光素子と、外界像が入射する面の少なくとも一部にオーバーラップして設けられ、液晶層の片面または両面に回折面を有する液晶素子とを備え、上記導光素子が、表示装置から出射されて液晶素子に導かれ、回折面にて回折反射または回折透過された電子像と、液晶素子と導光素子とを通過する外界像とを重畳させた像を、観察者の瞳に向けて出射する機能を有する構成した。【選択図】図１
2008268846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子像と外界像とを重畳させた像を、観察者が観測できるようにした電子像表示機能付き眼鏡において、
前記電子像を出射する表示装置と、
前記外界像を透過させて前記観測者の瞳に向けて出射する導光素子と、
前記外界像が入射する面の少なくとも一部にオーバーラップして設けられ、液晶層の片面または両面に回折面を有する液晶素子と、を備え、
前記導光素子は、前記表示装置から出射されて前記液晶素子に導かれ、前記回折面にて回折反射または回折透過された前記電子像と、前記液晶素子と前記導光素子とを通過する前記外界像とを重畳させた像を、前記観察者の瞳に向けて出射する機能を有する
ことを特徴とする電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項２】
前記液晶素子における前記回折面を、表面レリーフ型の厚い格子により形成し、
回折面の格子周期は、電子像の中心波長及び中心画角において、ブラッグ条件を満たす様に設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項３】
前記導光素子における前記外界像を取り込む面と、前記観測者の瞳に向けて出射する面の少なくとも何れか一方の面に曲率を持たせ、かつ当該曲率及び導光素子の屈折率を、眼鏡の使用者の視力矯正度数に合わせて設定することで、前記導光素子に近眼矯正機能を持たせた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項４】
前記回折面の屈折率と、前記液晶層における液晶の常光線に対する屈折率とを一致させた
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項５】
前記液晶素子における、前記液晶層の片面に形成された前記回折面には、回折機能とレンズ機能を併せ持って形成される
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項６】
前記液晶素子における前記回折面は、前記液晶層の両面に形成されており、
前記回折面の一方の面は、偏向機能を持つ線形格子であり、前記回折面の他方の面は、レンズ機能を持つフレネルレンズである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項７】
前記導光素子は、前記外界像が透過する一方の面に、透過軸を前記液晶素子の常光線の偏光軸と一致させた第１の偏光子を有し、
前記導光素子における前記回折面の構造を、中心からの距離の二乗に比例する位相分布を持つように構成した
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【請求項８】
前記導光素子は、前記外界像が透過する他方の面に第２の偏光子を有し、
前記第１の偏光子の透過軸に対して、前記第２の偏光子の透過軸を回転できるように構成した
ことを特徴とする請求項７に記載の電子像表示機能付き眼鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子像表示機能付き眼鏡に関し、特に外界像に対してシースルー機能を持ち、外界像の観察を邪魔することなく、外界像の一部に電子像を重畳して観察者に導くことで、各種情報の入手や、各種操作・行動の補助・支援が可能とした電子像表示機能付き眼鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、頭部又は顔面に装着され、装着者である観察者の瞳に電子像を投影表示する表示装置として、近年の表示デバイス、光学系の小型化により、長時間装着や常時装着可能とした眼鏡型等の小型表示装置が提案されている（例えば、特許文献１から３参照のこと）。
【０００３】
この特許文献１には、ハーフミラーにより、表示装置で映し出される電子像と外界像とを合成し、観察者の瞳に投影する頭部装着型ディスプレイ装置が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、装置の小型化が困難で有り、さらに、電子像は原理的に１／４以下の光量となり、しかも外界像も１／２以下の光量となってしまうという問題を有している。また、基本的に、この装置は、表示装置で電子像表示をしない場合を想定していないため、そのときに、表示装置や投影光学系からの光束が外界像に重畳されてしまう等の不具合が生じるため、常時装着することはできないという問題も抱えている。
【０００４】
この様な問題を解消するために、特許文献２に記載の構成では、凹面反射面を有するプリズム構成を有して、装置の小型化とともに、収差を低減し、良好な電子像の表示ができる様になっている。
【０００５】
また、特許文献３に記載の構成では、ホログラム反射面を有するプリズムを設け、ホログラムの波長選択性により、外界像と電子像の重畳を行うことができる様になっている。この様に構成して、電子像とホログラムの回折効率の波長特性を十分に考慮した設計を行うことにより、カラー化においても良好な合成系を構成することができ、装置の小型化するとともに、装着の煩わしさの低減を計ることができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１９７２９２号公報（第４頁、第８図）
【特許文献２】特開平７−３３３５５１号公報（第１−１１頁、第１−４図）
【特許文献３】特開２００１−２６４６８２号公報（第７頁、第１３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献２に開示される構成の場合、光学系の薄型化は不十分であり、また、半透過面により電子像と外界像の合成を行っているので、電子像、外界像とも光量が１／２以下となってしまう。
【０００８】
また、上記特許文献３に開示される構成では、電子像と外界像の合成面にホログラムを用い薄型化を達成しているが、ホログラムの製造には、高度な設計能力と高い製造技術が必要で有り、プロセスも長くなり量産性に課題がある。
【０００９】
また、上述の構成では、シースルー性により装着の違和感が無いことをうたっているが、いずれの構成においても、電子像を表示しない場合、外界像の透過を制限したり、ノイズ光を重畳することがあり、常時装着には課題があった。例えば、表示装置、及び電子像
を導光する光学系方向からの光束が、観察者の瞳に導かれるとか、観察者以外の第３者から見て、電子像表示面が視認されてしまうため、違和感が有る等の課題がある。このような観点から、常時装着が必須である視力矯正眼鏡との併用にも課題がある。
【００１０】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、小型でシースルー機能を持ち、特に電子像の表示が不要の場合、電子像と外界像の合成を行う界面を擬似的に無くすことにより、外界像になんら変調を与えることなく観察でき、それにより、常時装着することが可能とし、さらに、視力矯正、防眩機能を併せ持つことができる電子像表示機能付き眼鏡を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の電子像表示機能付き眼鏡は、基本的には下記記載の構成要件を採用するものである。
【００１２】
この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、電子像と外界像とを重畳させた像を、観察者が観測できるようにした電子像表示機能付き眼鏡において、電子像を出射する表示装置と、外界像を透過させて観測者の瞳に向けて出射する導光素子と、外界像が入射する面の少なくとも一部にオーバーラップして設けられ、液晶層の片面または両面に回折面を有する液晶素子とを備え、上記導光素子が、表示装置から出射されて液晶素子に導かれ、回折面にて回折反射または回折透過させた像を、観察者の瞳に向けて出射する機能を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡を、前述した液晶素子における回折面を、表面レリーフ型の厚い格子により形成し、回折面の格子周期を、電子像の中心波長及び中心画角において、ブラッグ条件を満たす様に設定することが望ましい。
【００１４】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、前述した導光素子における外界像を取り込む面と、観測者の瞳に向けて出射する面の少なくとも何れか一方の面に曲率を持たせ、かつ当該曲率及び導光素子の屈折率を、眼鏡の使用者の視力矯正度数に合わせて設定することで、導光素子に近眼矯正機能を持たせることが望ましい。
【００１５】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、前述した回折面の屈折率と、液晶層における液晶の常光線に対する屈折率とを一致させることが望ましい。
【００１６】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、前述した液晶素子における液晶層の片面の回折面には、回折機能とレンズ機能を併せ持って形成されることが望ましい。
【００１７】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、前述した液晶素子における回折面が、液晶層の両面に形成されており、回折面の一方の面が、偏向機能を持つ線形格子であり、回折面の他方の面が、レンズ機能を持つフレネルレンズであることが望ましい。
【００１８】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、前述した導光素子が、外界像が透過する一方の面に、透過軸を液晶素子の常光線の偏光軸と一致させた第１の偏光子を有し、導光素子における回折面の構造を、中心からの距離の二乗に比例する位相分布を持つように構成することが望ましい。
【００１９】
また、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、前述した導光素子が、外界像が透過する他方の面に第２の偏光子を有し、第１の偏光子の透過軸に対して、第２の偏光子の透過軸を回転できるように構成することが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電子像を投影しながら、外界像を観察するシースルー機能を持ち、特に電子像を表示しない場合には、なんら外界像の観察を邪魔するものを無くすことが可能となる。特に、本来眼鏡に期待される視力矯正、防眩機能などの機能を本発明の電子像表示機能付き眼鏡に持たせるにあたって、これら機能性能を損ねることなく両立する、常時装着可能な薄型の電子像表示機能付き眼鏡が得られるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
まず、本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の一例について説明する。図１は、本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の一例を示す断面図である。
【００２３】
図１に示すように、電子像表示機能付き眼鏡は、電子像を表示して出射する表示装置１と、表示装置１からの光束（電子像）を観察者の瞳に投射する光学系とを有した構成となっている。表示装置１から放射された光束は、レンズ２を透過し、導光素子３に入射する。そして、導光素子３に入射した光束は、導光素子３の内部で２回全反射を繰り返し、液晶素子４に設けられた回折反射面により反射回折し、観察者の瞳５に導かれる。この液晶素子４の構成、及び外界像の回折反射を含む作用については後述する。ここで、電子像を示す光束は実線で、外界像を示す光束は点線で示している。
【００２４】
また、本図から判るように、外界像が入射する導光素子３の入射面の一部の領域に液晶素子４が配設されている。ここでは、導光素子３の表面の一部に形成した構成例を示しているが、本発明の電子像表示機能付き眼鏡は、これに限定されるものではなく、外界像が入射する導光素子３の入射面の全面に液晶素子４を配しても構わない。
【００２５】
この実施例において、観測者の全視域の外界像は、導光素子３の略全面を透過して観察者の瞳５に導く様になっており、液晶素子４の回折反射面で反射回折した電子像は、観察者から見て斜め下方４５度の位置に表示を行える様になっている。この様に、電子像表示領域は、観察者の全視域のうちのごく一部の領域とし、電子像表示領域において、電子像に重畳する、液晶素子４の裏面から入射する外界像の観察が可能となっている。また、液晶素子４を配していない領域の導光素子３に入射する外界像は、そのままこの導光素子３を通過して、観測者の瞳５に導かれる。
【００２６】
この様にして、本発明の電子像表示機能付き眼鏡は、シースルー機能を達成している。また、本発明の構成は、外界像を表す透過光線に対しては、導光素子３における外界像の入射面、または出射面のいずれかまたは両方に曲率を持たせ、かつ導光素子を形成する材料の屈折率を設定することにより、視力矯正レンズとして機能させることができる。例えば、導光素子３の屈折率を１．５、曲面の曲率半径を８０ｍｍとすると、６Ｄ（ジオプター）以上の近眼矯正能力を持たすことができ、強度の近視をこの導光素子３により矯正することができる。この様に、眼鏡の使用者の視力矯正度数に合わせて、導光素子３の界面の曲率及び、屈折率を設定すれば、視力矯正がされた電子像表示機能付き眼鏡とすることができる。
【００２７】
次に、液晶素子４の詳細を図２を用いて説明する。図２は、液晶素子４の断面及び正面を示す模式図である。
【００２８】
図２に示すように、液晶素子４は、２枚の対向する透明基板２１、２２を有し、この透
明基板２１、２２で液晶層２６を挟持して構成されている。また、それぞれの透明基板２１、２２には、透明電極２３、２４が形成されている。さらに、透明電極２３上には、回折光学素子としての機能を持つ微細構造２７が形成されている。ここで、微細構造２７は、液晶層２６に接している面であればこの構成例に限定されず、例えば、透明電極２４上、もしくは液晶層２６を挟む両方の面に設けることも可能である。
【００２９】
次に、微細構造の形成方法についての一例を、図３を用いて説明する。図３は、本発明に係る液晶素子４における微細構造２７の形成方法を示す図面である。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示す様に、透明基板２１上に透明電極２３を成膜する。ここに、液体状の紫外線硬化樹脂２７ａをスピンコート等により形成し、微細構造を刻んだ金型５４を押し当て、金型形状を樹脂に転写する。ここで、透明基板２１側から紫外線を照射して紫外線硬化樹脂２７ａを硬化し、透明電極２３上に微細構造を形成する。なお、紫外線効果樹脂２７ａへの照射を、石英等の透明なモールドを用いる場合、モールド側から（紙面の上方向から）行うようにしても良い。そして、金型５４を離型すれば、図３（ｂ）に示す微細構造２７を透明基板２１上に形成することができる。ここでは、微細構造２７は、フレネルレンズ形状の例を示している。
【００３１】
ここで用いた技術は、ナノインプリントの世界では一般的に行われている技術であり、紫外線硬化樹脂２７ａに限らず、熱硬化樹脂を使用することもできる。また、ロールツーロールの技術を用いて、ロール状で供給された透明基板２１に連続的に微細構造２７を転写する技術も有り、生産性を高めるためには、このような方式を採用することが望ましい。
【００３２】
また、上述した紫外線硬化樹脂２７ａに用いる樹脂材料の屈折率や分散値を変えた材料を選定すれば、透明基板２１や液晶との屈折率マッチング等を工夫することが可能となる。例えば、紫外線硬化樹脂２７ａの屈折率と、液晶の常光線に対する屈折率と一致させると、液晶の常光線と一致する偏光成分に関しては、微細構造２７を光学的に無くすことができる。さらに、電圧制御により液晶分子を完全に立たせた場合、異常光線側の偏光成分においても、透明基板２１との屈折率マッチングが可能となり、微細構造２７を光学的に無くすことができる。すなわち、観測者が電子像を観察しないときは、液晶の屈折率を制御し、微細構造２７を形成した透明材料と屈折率を一致させることにより、微細構造２７を光学的に無くすことができる。この様な作用を受けて、外界像の観察に全く影響を与えないで、そのままの外界像を観測者の瞳に導くことができる。
【００３３】
また、透明電極２３の液晶層２６側に微細構造２７を有する形態とすれば、透明基板２１表面に直接微細構造を直接形成することができるので、射出成型、ロールエンボス等の押し出し成型を使用して、微細構造２７の作成の高生産性が達成できる。なお、図２では、微細構造２７として、単純なブレーズドグレーティングを形成した構成例を示したが、この微細構造２７に、回折機能だけでなくレンズパワーを持たせることで、観測者の瞳５への結像性能に関与させたり、自由曲面形状を再現することで、収差の低減を図ることも可能である。
【００３４】
次に、図２に戻り、液晶素子４の詳細を説明する。
上述した微細構造２７を形成した透明基板２１、２２の間に配した液晶層２６は、シール２５の内側領域に封入されている。液晶層２６の厚さは、シール内にマイクロボールやマイクロファイバーからなるスペーサー（図示せず）を混入し、圧力を掛けながら熱硬化性のシール２５を焼成することにより、所定の厚み（数μｍ程度の厚み）に管理されている。液晶層２６は、透明電極２３、２４間に印加された電圧により制御され、例えば、上下の透明基板２１、２２と平行に液晶分子が並ぶホモジニアス配向の場合、液晶分子の光
軸方向が電圧により制御され、液晶分子長軸に平行な偏光成分の屈折率が変化する。これにより、液晶分子長軸と平行なある偏光成分の光束の位相変調を行うことができる。ここで、液晶の配向については、ホモジニアス配向に限らず、ホメオトロピック配向、ツイストネマティック配向など種々の方式としても良い。
【００３５】
また、液晶は実効電圧によって駆動され、その実効電圧は、例えばパルス高さ変調（ＰＨＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）された交流電圧である。
【００３６】
次に、上述した液晶素子４の微細構造に関して詳細に説明する。図４は、ブレーズ型グレーティングの断面およびその作用を説明するための図である。
【００３７】
まず、始めに微細構造２７で反射する光束について考える。図４に示す様に、入射光は、屈折率ｎ１の媒質内を進み、グレーティングに入射角度θ１で入射し、屈折率ｎ２の微細構造２７の界面で、出射角度θ２で反射している。このとき、薄い格子に用いるラマン・ナスの回折の式である下記（数１）より、微細構造のピッチｄが決まる。
【数１】
2008268846.tif 000003
また、入射角度と反射角度を正反射の関係となるように、グレーティングの断面を決定する。すなわち、このグレーティングの断面をブレーズ化すると、特定波長λで回折効率を高くすることができる。例えば、θ１＝７５°、θ２＝２５°とすると、波長５５０ｎｍにおいて、ピッチｄは、０．２６μｍとなる。
【００３８】
光学系の設計においては、回折光学素子の微細構造２７は、位相関数として表現し、光学系への位相の付加として取り扱っており、本実施例では、キノフォーム（位相型回折素子）として表現している。実際の形状と位相分布の関係は、反射型の場合、下記（数２）で表される。
【数２】
2008268846.tif 000004
【００３９】
ここで、位相の付加として回折光学素子を設計した場合、透過型も反射型と同様に考えることができる。例えば、図１と同等の構成の場合、導光素子３の右側、すなわち導光素子３を挟んで左右対称な位置に観察者の瞳５を配置して、透過型の構成とすることもできる。透過型の場合、実際の形状と位相分布の関係は、下記（数３）のようになる。
【００４０】
【数３】
2008268846.tif 000005
ここで、Δｎは、微細構造２７を形成する材質の屈折率と液晶の屈折率の差である。また、微細構造２７の段差における光路差を波長の１／２とすることで０次光がなくなり、回折効率を高くすることができる。さらに、光利用効率の観点から、微細構造２７の段差をマルチレベル化することにより、特定の次数の回折光に光を集中させる様に設計することが望ましい。
【００４１】
ここで示す様にグレーティングを形成した場合は、光偏向の機能しか持たないが、例えば、これに下記（数４）で表される回転対称多項式型の位相項を追加することで、「ｒ２ｎ」の項により、レンズパワーを持たせることができる。なお、下記に示す形式はこれに
限定されるものではなく、下記式に奇数次を含めることも可能であり、また、回転対称である必要も無く、自由曲面を設定した場合、偏心光学系の収差の低減に効果的である。
【数４】
2008268846.tif 000006
【００４２】
また、微細構造２７は、一軸性の複屈折材質である液晶層２６に接しているため、常光線と異常光線で屈折率が異なる特性を持っている。
【００４３】
ここで、簡単のために、透明基板２１、２２の屈折率と液晶の常光線屈折率が一致し、微細構造２７が単純なグレーティングの場合について、表示装置１から出射され、導光素子３を介して液晶素子４に入射する電子像と、液晶素子４を通過して導光素子３を介して観察者の瞳５に導かれる外界像の光束の振る舞いについて図１を参酌して説明する。
【００４４】
液晶素子４を配していないエリアの導光素子３に入射する外界像は、導光素子３を通過して、そのまま観測者の瞳５に導かれる。それに対して、液晶素子４の裏面から入射する外界像は、表示装置１から出射される電子像と合成されて、観測者の瞳５に出射されることとなる。
【００４５】
表示装置１から出射されて、導光素子３に入射する電子像の光束は、上述したように、入射角度、出射角度の関係からグレーティングのピッチが決まり、上記（数２）を満たす波長の光が強く微細構造２７の界面で反射回折される。ここでは、透明基板２１、２２と液晶の常光線の屈折率が一致しているため、電子像の光束は、異常光線と一致する偏光成分のみとなる。したがって、常光線と異常光線に付加される位相分布の違いによる像のズレがなくなり、良好な電子像を観察者が観察することができる。さらに、表示装置１として液晶ディスプレイのような偏光利用のディスプレイを利用する場合、液晶素子４の異常光線に一致する偏光方向と、この表示装置１の偏光方向とを一致させておくことにより、本発明の電子像表示機能付き眼鏡での光利用効率を高くすることができる。
【００４６】
また、液晶素子４の裏面から入射し、導光素子３を介して観察者の瞳５に導かれる外界像の光束は、微細構造２７を透過するときに、上記（数３）に示す位相が付加されることとなる。そして、透明基板２１、２２の屈折率を１．５、液晶の屈折率を１．７とすると、（数２）における２ｎ＝３、また（数３）におけるΔｎ＝０．２となり、透過光に付加される位相は、反射光に付加される位相分布の１／１０以下（０．２／３＝０．０６６７）と小さく、外界像は僅かに偏向されるが、観察者の観察に大きな問題は生じないことが判る。
【００４７】
また、表示装置１で電子像を表示しない場合であって、液晶素子４と導光素子３を介して外界像が観測者の瞳５に導かれる光束は、液晶素子４への電圧印加により、液晶層２６の液晶分子を立たせ、異常光線側の屈折率も透明基板２１、２２と一致させることにより、屈折率マッチングが達成されて光学的に反射面を無くすことができる。この様な作用を受けて、電子像表示系からの光束を完全に無くして、外界像のみを観測者の瞳５に導くことができる。これにより、外界像の変調も全く行われず、良好な外界像の観察が可能となり、常時装着型の電子像表示機能付き眼鏡として機能させることができる。すなわち、電子像が不要である場合は、表示装置１をオフする（表示装置１における電子像の表示を止める）とともに、液晶素子４の屈折率を透明基板２１、２２とマッチングさせることにより、電子像投影系の影響を完全に無くすことができるのである。また、導光素子３を、凹レンズ、凸レンズで構成しておけば、先に示したように、普通の視力矯正眼鏡として機能させることができる。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明の電子像表示機能付き眼鏡における他の実施例について説明をする。図５に実施例２にかかる電子像表示機能付き眼鏡の一例を示す断面図を示す。
【００４９】
本実施例と先の実施例で示した電子像表示機能付き眼鏡の相違点は、図５に示す様に、導光素子３の外界像が透過する一方の面に、偏光子６を設けた点と、図示しないが、液晶素子４に設けた微細構造（図２参照）により付加される位相分布に、中心からの距離ｒの二乗に比例する位相項を持たせた点にある。なお、図１に示した形態では、導光素子３に凹レンズや凸レンズとした形態を示し、図５では、導光素子３が矩形形状とした点も異なっているが、これは、表示装置１から出射される電子像を、液晶素子３に導く機能には代わりが無く、単に外界像に対して視力矯正として作用させるためのものであるので、省略している。
【００５０】
ここで、偏光子６の透過軸方向の設計思想について述べる。図６は、本発明の実施例２の外界像、電子像の偏光状態を説明する模式図であり、同図（ａ）は、外界像に対して変調を与えたときの状態を示し、同図（ｂ）は、外界像に対して非変調の状態を示す図面を示している。
【００５１】
まず、図５に示した形態における電子像への影響について考える。図５に示す様に、偏光子６を導光素子３の外界側の表面に設ければ、電子像は、偏光子６を通過しないので、実施例１で示したものと何ら変わらずに表示することができる。それに対して、図には示していないが、観察者側の導光素子３の表面に偏光子６設けた場合の電子像は、液晶素子４で回折反射されて、必ず偏光子を透過する形態となる。ここでの電子像は、先に示した反射型の位相型回折素子として（数２）を満たす光束のみ、強く回折反射する。そして、表示装置１から出射された電子像は、レンズ２により直線偏光となって導光素子３に入射されるため、導光素子３に被着される偏光子６の透過軸の向きにより、光強度を変化させることができる。
【００５２】
また、導光素子３は、液晶の異常光線偏光軸について（数２）を満たすように設計しているため、液晶への電圧の印加の仕方によって、液晶の異常光線のみを観察者の瞳５に導かせることができる。従って、観察者側の導光素子３の表面に偏光子６設けた場合は、偏光子６の透過軸と液晶素子４の異常光線偏光軸が一致したとき、最も光利用効率を高くすることができる。
【００５３】
外界像に関しては、図６（ａ）に示すように、液晶層２６における液晶の異常光線偏光軸と一致する偏光成分は、液晶の駆動により変調され、図６（ｂ）に示すように、常光線偏光軸と一致する偏光成分は、液晶の駆動による変調は受けない。特に、液晶の常光線屈折率と透明基板２１、２２、もしくはここでは図示しない微細構造を設けた媒質の屈折率を一致させておけば、微細構造は素ガラスと同等となり、液晶素子に入射する光束は、平行平板の透過と等価になる。ここで、一般的な液晶の常光線屈折率、ガラス基板（透明基板２１、２２）の屈折率は、１．５程度で一致している。
【００５４】
従って、偏光子６の透過軸を、液晶素子４の液晶の常光線偏光軸と一致させれば（図６（ｂ））、電子像に外界像を重畳するシースルー機能として考えた場合、何ら変調を受けない外界像を、観測者に視認させることができる。
【００５５】
一方で、本発明の電子像表示機能付き眼鏡の使用者である観察者は、液晶素子４を透過して、導光素子３により観測者の瞳５に導かれる外界像と重なる電子像に、注目する。ここで、外界像が多少変調されていても、シースルー機能としては十分であるような利用方
法として、偏光子６の透過軸を液晶素子４の異常光線偏光軸とに一致させる利用方法（図６（ａ））が考えられる。この場合、観察者に対して電子像を表示する必要がないとき、外界像を積極的に液晶素子４により変調させることができる。具体的には、上記構成では、微細構造による位相分布に、中心からの距離ｒの二乗に比例する位相項を持つ構成であるため、液晶素子４の駆動により、レンズパワーを可変とすることができる。
【００５６】
例えば、微細構造による反射光への位相分布が、下記（数５）で表され、
【数５】
2008268846.tif 000007
a＝２．１４４７、ｂ＝−０．０１２８の場合、透過光への位相付加量は、同じ形状段差ｄにおいて、反射光：２ｎｄ、透過光：Δｎｄの位相差が生じる。そのため、例えば、液晶の屈折率を１．７５、ガラス基板（透明基板２１、２２）の屈折率を１．５とすると、反射光に対するレンズパワーが、１／ｆ＝−ｂ/０．５×１０００＝２５．６４Ｄ、透過光の場合には、２５．６４×Δｎ／２ｎ＝２．１４Ｄのパワー補正機能を達成できる。例えば、老眼の人が、近距離で細かい物を観察したり、細かい作業をするときに、液晶素子４を機能させることにより、正のレンズパワーが与えられ、可変型の遠近両用眼鏡としての機能させることができる。
【００５７】
この様に、上述の可変型の遠近両用眼鏡としての機能を持たせる場合、偏光子６の透過軸と液晶素子４の異常光線偏光軸を一致させておけば良い。なお、先の説明では、光軸の絶対的な方向は不問であったが、一般に偏光サングラスというのは、反射光を効果的に減少させ、防眩効果を狙ったもので、反射光成分に多い水平方向の偏光成分を吸収するようになっている。従って、この場合でも、偏光子６の透過軸は、鉛直であることが望ましい。
【実施例３】
【００５８】
次に、本発明の電子像表示機能付き眼鏡における第３の実施例について説明をする。図７に実施例３にかかる電子像表示機能付き眼鏡の液晶素子の構成を説明する断面模式図を示す。本実施例においても、基本的な光学系の設計思想は先の実施例と同一である。
【００５９】
本実施例と実施例２で示した電子像表示機能付き眼鏡の相違点は、実施例２では、導光素子３の一方の面に偏光子が設けられていたのに対し、本実施例では、導光素子３の両面に偏光子６、７を設け、観察者の瞳側に配置した偏光子７の透過軸を、偏光子６の透過軸に対して回転可能とした点である。
【００６０】
例えば、図７に示す様に、外界像側の偏光子６の透過軸を紙面に垂直とし、液晶の分子長軸を紙面と平行、すなわち異常光線と一致する偏光成分を紙面に平行とした場合、外界像と電子像の偏光方向を互いに直交させることができる。従って、偏光子６の透過軸に対して偏光子７の透過軸を回転することにより、それぞれの像の強度を変調でき、電子像のみ、外界像のみ、両者を重畳した映像を、観察者自身が選択して導くことができる。また、必要に応じて、注目している画像の強度を上げ、その他の画像の強度を下げることができる。特に、電子像を表示している場合、背景となる外界像が邪魔をすることがあり、この様にすることでの外界像の遮光は、観察者に対して大きな効果をもたらす。
【実施例４】
【００６１】
次に、本発明の電子像表示機能付き眼鏡における他の実施例について説明をする。まず、本実施例における電子像表示装置について説明する。図８は、本実施例における電子像表示装置の構成を示す図面である。
【００６２】
本実施例で示す電子像表示装置と、実施例１で示した電子像表示機能付き眼鏡の相違は、主に液晶素子４に設けられた回折面にある。具体的には、実施例１では、微細構造によって形成される回折面を反射型とした例を示したのに対して、本実施例では透過型とし、その回折面を厚い格子（体積格子）となる様にして、実施例１に示した形態に比べ、更に回折効率を高めたところにある。この厚い格子については、後述する。
【００６３】
図８に示すように、電子像表示機能付き眼鏡は、光源８１から出射する光束が、レンズ２によって略平行光となり、表示装置１を透過し、導光素子３に入射する様に、各部材が配置されている。そして、導光素子３に入射した光束は、導光素子３の内部で２回全反射を繰り返し、液晶素子４に設けられた回折透過面により透過回折し、観察者の瞳５に導かれる。この液晶素子４に設けられた、微細構造により形成される回折面の詳細については後述する。なお、本図においては、電子像を示す光束は実線で、外界像を示す光束は点線で示している。
【００６４】
図８から判るように、この例では、外界像が入射する導光素子３に対して、液晶素子４を斜めに配設しており、液晶素子４の外形が明瞭に識別できるが、他の部材との屈折率が同じとなる光学接着剤を用いて、この素子を導光素子３の内部に固定することにより、液晶素子４の外形を、他の観測者からほぼ視認できない様にすることができる。また、液晶素子４の配置は、本図に示す配置形態に限定されるものではなく、光学系の設計により、素子の配置する角度を変えることができる。例えば、配置の容易さを優先した場合、外界像が入射する導光素子３の出射面に平行に、液晶素子４を貼り付けて配置しても、本実施例と同じ効果を得ることができる。
【００６５】
また、本実施例において、観測者の全視域の外界像は、導光素子３の略全面を透過して観察者の瞳５に導き、液晶素子４の回折透過面で透過回折した電子像は、観察者５から見て斜め下方４５度の位置に表示を行える様になっている。この様に、電子像表示領域を観察者の全視域内のごく一部の領域とし、電子像表示領域においても、外界像の回折面による回折効率が低く、液晶素子４の裏面から入射する外界像の観察が可能となっているので、この機能を備えた電子像表示機能付き眼鏡は、シースルー機能を達成する。特に、眼鏡に電子像を表示しない場合は、液晶の屈折率を代えて、液晶と回折面を構成する部材の屈折率マッチングを行うことにより、外界像の観察に対して、何ら影響を与えなくすることができるのは、実施例１と同様である。
【００６６】
次に、上述した液晶素子の透明基板表面に設けた微細構造によって形成される、回折面の機能に関して詳細に説明する。本実施例では、回折面に厚い格子（体積格子）を用いている。図９は、この厚い格子（体積格子）の構成例を表す図であり、本図（ａ）は、回折素子における回折面を反射型として用いた場合を示し、本図（ｂ）は、回折面を透過型として用いた場合を示した図である。
【００６７】
一般的に厚い格子（体積格子）と薄い格子の区別は、次式（数６）によって定義されるパラメータＱに基づいてなされる。下記に示すｄは、図９に示す格子深さである。
【数６】
2008268846.tif 000008
上記（数６）におけるＱの値が１０より大きいとき、厚い格子（体積格子）に対応してブラッグ条件（数７）を満たし、特に高い回折効率を得ることができる。そして、図９（ａ）に示す、電子像の中心を通る光線の角度θ（電子像の中心画角を通る光線の角度θ）をブラッグ角と言い、この入射する光線の角度θと、回折面で回折する光線の角度は、格子に対して等しくなっている。
【数７】
2008268846.tif 000009
【００６８】
そして、この回折格子を液晶素子と組み合わせることを考えた場合、図９（ａ）で示す厚い格子を有する反射型では、液晶に接する面から見て、深さ方向に格子パターンが存在する形態となるため、液晶の屈折率を可変とすることの効果が殆どなくなる。従って、電子像表示機能付き眼鏡に適用する回折格子では、図９（ｂ）で示す透過型で利用することが望ましい。この透過型の場合、表面の凹凸で回折格子を形成する表面レリーフ型の回折格子で表現することができる。例えば、平面基板表面に、表面と垂直な矩形格子を形成し、その面が液晶層に接する様すれば、液晶の屈折率を変えることができる。そして、液晶層に印加する電圧を制御して、平板状基板と液晶の屈折率を異なるようにした場合に、液晶素子に入射する光束を回折させ、平板状基板と液晶の屈折率を一致させた場合に、その光束を直進させることができる。なお、本図では、照明光の光束が、回折格子に入射して、上記回折面で屈折した回折光が出射している様子を示している。
【００６９】
ここで、回折格子に厚い格子（体積格子）を用いることにより、回折効率が向上したことを示すシミュレーション結果示す。図１０は、回折素子に入射する光束の出射角度に対する回折効率の関係を示す図面を示し、本図（ａ）は、その回折格子を厚い格子である矩形格子（深さ１μm）とした場合を、本図（ｂ）は、浅い格子である三角格子（深さ０．５μm）とした場合を示している。ここでは、光線入射角、波長、格子ピッチ等を統一し、格子のプロファイルのみを変えた場合の回折効率の違いを検討した。そして、グラフは、入射角：４５°、波長：０．５５μｍ、格子ピッチ：０．２４μmの場合である。
【００７０】
図１０（ａ）に示すブラッグ条件に近い矩形格子を有する回折格子は、図１０（ｂ）に示す三角格子の回折格子に対して、回折効率が高くなっていることが分かる。この様に、格子深さｄを深くすることで、角度特性や波長特性はピーキーな特性となるが、電子像の画角等を考慮し、適切な深さを設定することが肝要である。
【００７１】
なお、このような液晶素子は、実施例１と同様に、ナノインプリントの手法でガラス基板上に矩形格子を作成し、矩形格子を作成したガラス基板を用い、液晶素子のセル化を容易に製造することができる。これにより、高い回折効率を持った回折面を持つ液晶素子４を作成することができる。
【００７２】
また、上述の説明は、単純な線形格子（等間隔1次元格子）を用いて行ったが、レンズパワーや高次の位相項を持つ場合は、格子ピッチが高次の位相項で変調され、不等ピッチになっていると考えれば良く、本実施例の場合、線形格子による偏向角度が、高次の位相項による偏向角度に比べて十分に大きく、線形格子による検討で、回折効率の特性を近似的に評価することができる。
【００７３】
さらに、このような微細構造によって形成される回折面の機能を、液晶層を挟む２つの面で分離し、それぞれ偏向機能とレンズ機能に分離することもできる。例えば、液晶層の一方の面には線形格子を形成し、また、液晶層の他方の面にはフレネルレンズを形成する。図１１に、このように設定した場合の、液晶素子の模式的な断面図、及び平面図を示した。
【００７４】
図１１に示した形態は、液晶層２６を挟む両面に微細構造を設けた点のみが、先に示した形態と異なっており、他の形態は同じである。したがって、下記説明では、この相違点を主に説明し、同じ要件についての説明は、省略する。
【００７５】
図１１に示す様に、本発明で適用する液晶素子の形態は、微細構造に持たせる２つの機能を分離し、液晶層２６の両側に線形格子２８とフレネルレンズ２９を設けた構成となっている。
【００７６】
この様に機能を分離し、２層に分けて微細構造を作成すると、所望のパターンを単純化することができ、基板表面に目的のパターン形状を作り易くなるという利点がある。例えば、線形格子２８の場合、等間隔の矩形格子の作成方法としては、描画速度が遅く、製造コストが高くなる電子ビーム描画以外の微細構造形成方法として、機械加工、フォトリソグラフィー、Ｓｉ等の異方エッチングを採用することができ、フレネルレンズの場合でも、旋盤による機械加工を採用することができる。この電子ビーム描画を用いずに行う上記加工法により、線形格子１８及びフレネルレンズ２９を形成することができれば、特に大面積でこの機能素子を形成することが容易となる。
【００７７】
また、フレネルレンズのサグ量を波長に対して十分に大きくすることにより、レンズ効果は回折作用ではなく、屈折作用により生じさせることができる。さらに、フレネルゾーンプレートのような離散的なレンズパワーではなく、液晶の屈折率を変化させることにより、連続的にレンズパワーを変えることができる。これは、電子像表示機能付き眼鏡で電子像を見るときは、視度調整として機能し、透過光を見るときに、視力補正効果を持たせることができ、例えば、遠近切り替え眼鏡としての機能を、本形態により実現することができる。そして、本構成によれば、個人の視力に応じたきめ細かく調節された、視力調整機能を備えた眼鏡とすることができる。
【００７８】
また、本実施例で示した形態と、実施例１で示した、眼鏡の使用者の視力矯正度数に合わせて、導光素子３の界面の曲率、及び屈折率を設定すれば、視力矯正がされた電子像表示機能付き眼鏡とすることができる。
【００７９】
また、本実施例では、液晶層の両面の回折面を厚い格子（体積格子）で形成した例を示したが、実施例１で示した片面のみの回折面に、この厚い格子を形成しても良い。さらに、実施例２、実施例３で示した形態に、本実施例の形態を適用することができることは、言うまでもない。
【００８０】
以上のように、本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡は、小型・軽量化の制約が大きく、常時装着可能な電子像表示機能付き眼鏡に適し、特に、近眼、遠視等視力矯正が必要な利用者に適している。また、本発明は、眼鏡に限らず、自転車用ゴーグル、スキーゴーグル、シュノーケリングマスク等、スポーツ及びアウトドアアクティビティー用ゴーグル、マスク等、顔や頭に装着する機器にも適用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の構成例を示す断面図である。（実施例１）
【図２】本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡を構成する液晶素子の構成例を示す断面図と平面図である。（実施例１）
【図３】本発明にかかる液晶素子の微細構造の製造方法を説明するための図である。（実施例１）
【図４】本発明にかかる液晶素子に設ける微細構造における機能を説明するための断面図である。（実施例１）
【図５】本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の構成例を示す断面図である。（実施例２）
【図６】本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の構成例における作用を説明するための模式図である。（実施例２）
【図７】本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の構成例における作用を説明するための模式図である。（実施例３）
【図８】本発明にかかる電子像表示機能付き眼鏡の構成例を示す断面図である。（実施例４）
【図９】本発明にかかる回折面の作用を説明するための模式図である。（実施例４）
【図１０】本発明にかかる回折面の格子断面形状の違いによる回折効率を示すグラフである。（実施例４）
【図１１】本発明にかかる液晶素子の構成例を示す断面図と平面図である。（実施例４）
【符号の説明】
【００８２】
１  表示装置
２  レンズ
３  導光素子
４  液晶素子
５  観察者の瞳
６、７  偏光子
２１、２２  透明基板
２３、２４  透明電極
２５  シール
２６  液晶層
２７  微細構造
２７ａ  紫外線硬化樹脂
２８  線形格子
２９  フレネルレンズ
５４  金型
【図１】
2008268846.tif 000010
【図２】
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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】
2008268846.tif 000017
【図９】
2008268846.tif 000018
【図１０】
2008268846.tif 000019
【図１１】
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