(57)【要約】【課題】１つの対称面にのみ面対称な光学面を有する光学素子を、見栄え良く外観部材に固定することができる安価な光学系を提供する。【解決手段】表示素子からの映像光束を通過させる開口部２ａを有する外観部材２と、上記開口部２ａの取付部２ｂに取り付けられて保持されるものであって、上記映像光束を入射するための入射面１ｂと、この入射面１ｂからの光束を射出する面であって１つの対称面にのみ面対称な形状で構成された射出面１ａと、この射出面１ａの下端側に形成されたＲ面１ｋと、この射出面１ａの外周に形成されていて上記開口部２ａの周辺の外観部材表面２ｃ，２ｄと略同一の面形状をなすように光軸Ｏに直交する上方段差面１ｄ，下方段差面１ｆ等を形成された段差部１ｃと、を有する光学素子１と、を備えた光学系。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子により表示される映像を観察するための光学系であって、
上記表示素子からの映像に係る光束を通過させ得る開口部を有する外観部材と、
上記外観部材の開口部に取り付けられて保持されるものであって、上記表示素子からの映像に係る光束を入射するための入射面と、この入射面からの光束を射出する面であって１つの対称面にのみ面対称な形状で構成された射出面と、この射出面の外周の少なくとも一部に形成されていて上記開口部に取り付けられた際には該開口部の周辺の外観部材表面と略同一の面形状をなすように構成された段差部と、を有する光学素子と、
を具備したことを特徴とする光学系。
【請求項２】
上記段差部は、異なる２つ以上の面を有して構成されており、これらの面の内の少なくとも１つは上記光学素子の光軸と直交する面となっていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
上記段差部は、上記対称面に対して対称な形状となるように形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項４】
上記光学素子は、上記射出面と段差部とを該射出面の外周の少なくとも一部で結ぶ連結面をさらに具備し、この連結面と射出面との接続部分の少なくとも一部はＲ形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学系、より詳しくは、表示素子により表示される映像を観察するための光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、眼鏡とほぼ同様にして眼前に装着し、ＴＶ放送やＤＶＤなどから供給される映像等を楽しむことができる頭部装着型映像表示装置が製品化され、販売されている。
【０００３】
このような頭部装着型映像表示装置は、ＬＣＤ等の表示素子により映像を表示して、その映像を光学素子を含む光学系を用いて観察者の眼に投射するように構成されており、該光学素子としては、小型軽量でありながら高い光学性能を備える偏心自由曲面を有する光学プリズム等が用いられている。
【０００４】
また、上述した頭部装着型映像表示装置などの外観部材に、保護用のカバーガラス、球面レンズ、非球面レンズ、メニスカスレンズなどを取り付ける技術は、従来より種々のものが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、表示素子の高画素化に伴って、より精細な映像をより大画面で楽しむことができるようにすることが望まれているが、上述したような光学プリズムのみでこのような光学性能を実現するのは困難であるために、例えば映像を拡大して観察者の眼に投影する別の光学素子を、該光学プリズムの接眼側に配置する必要が生じている。
【０００６】
この光学素子を、上述した光学プリズムと同様に、１つの対称面にのみ面対称な光学面、つまり偏心自由曲面を有するように構成すれば、軽量化を図りながら光学性能を向上することが可能になる。このような観点から、例えば射出面を偏心自由曲面とする光学素子が考えられる。
【０００７】
こうした光学素子は、例えば頭部装着型映像表示装置を構成する外観部材に組み込んで固定する配置が考えられるが、この場合には、該光学素子の光学面（射出面など）や稜線の形状が複雑であるために、外観部材の合わせ面が複雑な形状になる。このような複雑な形状の外観部材を成型するための金型は、同様に複雑であるために設計が難しく、高額となってしまう。さらに、複雑な形状の外観面は、見栄えが良いとはいえない。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、１つの対称面にのみ面対称な光学面を有する光学素子を、見栄え良く外観部材に固定することができる安価な光学系を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明による光学系は、表示素子により表示される映像を観察するための光学系であって、上記表示素子からの映像に係る光束を通過させ得る開口部を有する外観部材と、上記外観部材の開口部に取り付けられて保持されるものであって上記表示素子からの映像に係る光束を入射するための入射面とこの入射面からの光束を射出する面であって１つの対称面にのみ面対称な形状で構成された射出面とこの射出面の外周の少なくとも一部に形成されていて上記開口部に取り付けられた際には該開口部の周辺の外観部材表面と略同一の面形状をなすように構成された段差部とを有する光学素子と、を具備したものである。
【００１０】
また、第２の発明による光学系は、上記第１の発明による光学系において、上記段差部が、異なる２つ以上の面を有して構成されており、これらの面の内の少なくとも１つは上記光学素子の光軸と直交する面となっている。
【００１１】
さらに、第３の発明による光学系は、上記第１の発明による光学系において、上記段差部が、上記対称面に対して対称な形状となるように形成されたものである。
【００１２】
第４の発明による光学系は、上記第１の発明による光学系において、上記光学素子が、上記射出面と段差部とを該射出面の外周の少なくとも一部で結ぶ連結面をさらに具備し、この連結面と射出面との接続部分の少なくとも一部がＲ形状に形成されたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１から図６は本発明の第１の実施形態を示したものであり、図１は光学素子を正面側から示す斜視図、図２は光学素子を図１の矢印Ｂ方向から見た側面図、図３は光学素子を図１の矢印Ａ方向から見た平面図、図４は外観部材を示す正面図、図５は外観部材に固定された光学素子を示す断面図、図６は光学素子の設計方法の一例を示す断面図である。
【００１４】
この第１の実施形態の光学系は、左右一対で設けられたＬＣＤ等の表示素子により表示される映像を観察するためのものであって、左右一対の表示素子に各対応して設けられた左右一対の光学素子１を外観部材２に取り付けて構成されている。
【００１５】
上記光学素子１は、図１から図３に示すように、表示素子からの映像に係る光束を入射するための入射面１ｂと、この入射面１ｂからの光束を射出する面であって１つの対称面（図１の１点鎖線参照）にのみ面対称な形状で構成された射出面１ａと、この射出面１ａの外周にフランジ状に形成された段差部１ｃと、を有して構成されている。
【００１６】
なお、ここでは射出面１ａが１つの対称面にのみ面対称な形状となる偏心自由曲面であるとしたが、これに加えて、入射面１ｂが偏心自由曲面であっても構わない。
【００１７】
上記段差部１ｃは、接眼側となる射出面１ａ側に、上方段差面１ｄと、側方段差面１ｅと、下方段差面１ｆと、の３つの面を有して構成されている。これらの内の上方段差面１ｄと下方段差面１ｆは、図５に示すように、何れも光軸Ｏに直交する面であるが、光軸Ｏ方向の位置が異なる別々の面となっている。また、上記側方段差面１ｅは、上方段差面１ｄおよび下方段差面１ｆに対して平行でなく、いわばこれら上方段差面１ｄおよび下方段差面１ｆに対して傾斜した面となっている。
【００１８】
また、上記段差部１ｃの対物側（表示素子側）には、図５に示すような、外観部材２の後述する取付部２ｂに当て付く当接面１ｇ，１ｈが設けられている。
【００１９】
さらに、上記射出面１ａの下側には、該射出面１ａと上記下方段差部１ｆとを結ぶ連結面１ｌが設けられており、この連結面１ｌと射出面１ａとの間はＲ形状に形成されたＲ面１ｋとなっている。
【００２０】
上述したような段差部１ｃは、該光学素子１を外観部材２に取り付けるのに必要最小限の幅、厚さをもって射出面１ａの外周側に形成されているために、光学面を通過する光束の光路を妨げることのない範囲で、光学素子１を可能な限り小型化することが可能である。
【００２１】
このような光学素子１は、本実施形態においては、左眼用の光学素子と右眼用の光学素子との何れにも用いることができるように、上記対称面に対して面対称となるように形成されており、従って当然にして、上記段差部１ｃも該対称面に対して面対称となるように形成されている。
【００２２】
上記外観部材２は、図４に示すように、左右一対の表示素子からの映像に係る光束を各通過させるための左右一対の開口部２ａと、この開口部２ａに上記光学素子１を組み込むために該開口部２ａの周囲に設けられた取付部２ｂと、を有して構成されている。
【００２３】
上述したような光学素子１を外観部材２に取り付けると、図５に示すように、段差部１ｃが取付部２ｂに嵌め込まれ、当接面１ｇ，１ｈが取付部２ｂに当て付いた状態となる。この状態を接着剤、溶着等を用いて固着することにより、該光学素子１の外観部材２への固定した保持が行われる。
【００２４】
この光学素子１が外観部材２に取り付けられた状態では、上方段差面１ｄは開口部２ｂの上側の外観部材表面２ｃと略同一の面形状をなし、下方段差面１ｆは開口部２ｂの下側の外観部材表面２ｄと略同一の面形状をなすように構成されている。また、特に図示はしないが、側方段差面１ｅについても開口部２ｂの側方の外観部材表面２ｃと略同一の面形状となる。
【００２５】
このように段差部１ｃは、上記開口部２ａの取付部２ｂに取り付けられた際には、該開口部２ａの周辺の外観部材表面と略同一の面形状をなすように構成されたものとなっている。
【００２６】
上述したような光学素子１は、例えば図６に示すような方法によって設計されている。
【００２７】
まず、必要な光学性能を満たすように、入射面１ｂを構成する曲面と、射出面１ａを構成する曲面とが設計される。
【００２８】
これらの各光学面において、実質的に光学的な作用を行う有効面部をけることのない範囲で、なるべく光学素子１を小型化することができるように、下端側においてハッチングで示すように切り欠くことで、下側の段差部における下方段差面１ｆおよび当接面１ｈと、連結面１ｌと、を形成する。
【００２９】
さらに、射出面１ａと該連結面１ｌとの間を削成することにより、Ｒ面１ｋを形成する。
【００３０】
一方、光学素子１の上端側においては、入射面１ｂと射出面１ａとが交差する稜線から上部に突出するように、上側の段差部における上方段差面１ｄおよび当接面１ｇを形成する。
【００３１】
このときには、上述したように、上方段差面１ｄと下方段差面１ｆとはともに光軸Ｏに垂直であって、かつ光軸Ｏ方向の位置が異なる面となるように設計されている。
【００３２】
このような手順で設計された光学素子１は、実際の製造時には、金型を用いて射出成形により形成することになる。
【００３３】
なお、上述では、段差部１ｃを射出面１ａの外周側全部に渡って設けたが、これに限るものではなく、一部にのみ設けるようにしても構わない。
【００３４】
また、上述では、光学素子は略四角形状に加工されたものとなっているが、段差部を設ける構成はその他の形状に加工された光学素子に対しても適用可能であるのは勿論である。
【００３５】
さらに、上述では略四角形状に加工された光学素子の４辺側にそれぞれ段差部を形成して、偏心自由曲面の形状に応じて異なる複数の面を設けているが、光学面の形状によっては１つの面のみで段差部を構成することができる場合もあるし、あるいは更に多くの面を用いて段差部を形成した方が良い場合もあるのはいうまでもない。このように、光学面の形状に応じて段差部を構成する面を適応的に形成することにより、光学素子をより小型化することが可能となる。
【００３６】
このような第１の実施形態によれば、段差部の形状や面を外観部材の開口部の周辺の外観部材表面と略同一となるようにしたために、見栄えが良く、また外観部材の金型を複雑にする必要もなくなって、製造コストを削減することが可能となる。
【００３７】
また、光学素子を、段差部も含めて面対称となるように形成したために、外観部材の開口部の加工が容易になるとともに、該光学素子を右眼用と左眼用の何れにも用いることが可能となり、光学素子の金型の製造コストを抑制することができるとともに、組み付け時に光学素子を右眼用と左眼用に仕分けして作業する必要がなくなり、生産性が向上する。
【００３８】
さらに、段差部に光軸と直交する面を設けたために、光学素子の光軸を容易に見つけることができ、検査等における基準面として便利に使用することができる。また、平面部を基準とした寸法測定を便利に行うことができる。
【００３９】
そして、射出面と連結面との接続部分をＲ面とすることによりエッジを丸めるようにしたために、光学素子を介して観察を行う観察者や、該観察者の眼鏡などにエッジが触れたり当たったりすることがなくなる。このような構成は、射出面が偏心自由曲面となっていて、その偏心自由曲面の形状が観察者側に突出している形状である場合に、特に有効となる。
【００４０】
図７は本発明の第２の実施形態を示したものであり、光学素子を示す断面図である。この第２の実施形態において、上述の第１の実施形態と同様である部分については同一の符号を付して説明を省略し、主として異なる点についてのみ説明する。
【００４１】
この第２の実施形態の光学素子１１は、表示素子からの映像に係る光束を入射するための入射面１１ｂと、この入射面１１ｂからの光束を射出する面であって１つの対称面にのみ面対称な形状で構成された射出面１１ａと、この射出面１１ａの外周側に形成された段差部１１ｃと、を有して構成されている。なお、入射面１１ｂが偏心自由曲面であっても構わないのは上述と同様である。
【００４２】
この光学素子１１は、下端側において、入射面１１ｂ側を切り欠くとともに射出面１１ａ側に凸部を形成することにより、下側の段差部１１ｃの当接面１１ｈと下方段差面１１ｆとを形成している。
【００４３】
また、該光学素子１１は、上端側において、入射面１１ｂ側と射出面１１ａ側との双方に凸部を形成することにより、上側の段差部１１ｃの上方段差面１１ｄと当接面１１ｇとを形成している。
【００４４】
このとき、本実施形態の光学素子１１は、下方段差面１１ｆは光軸Ｏに垂直な面となっているが、上方段差面１１ｄは光軸Ｏには垂直でなく傾斜した面となっている。
【００４５】
このような構成であっても、下方段差面１１ｆを用いることにより、光学素子の光軸を容易に見つけて、検査等における基準面として利用することが可能である。また、平面部を基準とした寸法測定を便利に行うことができる。
【００４６】
このような第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態とほぼ同様の効果を奏するとともに、段差部がさらに多くの面で構成されている場合にも対応することができる。
【００４７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、１つの対称面にのみ面対称な光学面を有する光学素子を、見栄え良く外観部材に固定することができる安価な光学系となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の光学素子を正面側から示す斜視図。
【図２】上記第１の実施形態の光学素子を図１の矢印Ｂ方向から見た側面図。
【図３】上記第１の実施形態の光学素子を図１の矢印Ａ方向から見た平面図。
【図４】上記第１の実施形態の外観部材を示す正面図。
【図５】上記第１の実施形態の外観部材に固定された光学素子を示す断面図。
【図６】上記第１の実施形態における光学素子の設計方法の一例を示す断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態の光学素子を示す断面図。
【符号の説明】
１，１１…光学素子
１ａ，１１ａ…射出面
１ｂ，１１ｂ…入射面
１ｃ，１１ｃ…段差部
１ｄ，１１ｄ…上方段差面
１ｅ…側方段差面
１ｆ，１１ｆ…下方段差面
１ｇ，１１ｇ…当接面
１ｈ，１１ｈ…当接面
１ｋ…Ｒ面
１ｌ…連結面
２…外観部材
２ａ…開口部
２ｂ…取付部
２ｃ，２ｄ…外観部材表面
【図１】
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【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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