(57)【要約】【課題】薄化可能な構成のコンバイナ光学系を提供する。【解決手段】画像表示面（２０ａ）から導入される表示光束の光路を内部に形成する透明基板（１５）と、前記基板内に形成される前記光路中に挿入され、前記表示光束の少なくとも１部を透過するビームスプリッタ（１３）と、前記ビームスプリッタを透過した前記表示光束に対し光学的パワーを付与すると共に、その表示光束が前記ビームスプリッタに再入射する方向にその表示光束を反射する主反射面（１７）とを備える。前記ビームスプリッタが前記基板の表面と成す角度は、２０°以上かつ４０°以下に設定される。【選択図】      図１
2005084522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示面から導入される表示光束の光路を内部に形成する透明基板と、
前記基板内に形成される前記光路中に挿入されたビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記表示光束に対し光学的パワーを付与すると共に、その表示光束が前記ビームスプリッタに再入射する方向にその表示光束を反射する主反射面とを備え、
前記ビームスプリッタが前記基板の表面と成す角度は、２０°以上かつ４０°以下である
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
【請求項２】
請求項１に記載のコンバイナ光学系において、
前記主反射面は、前記画像表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線に対し垂直である
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のコンバイナ光学系において、
前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、
前記ビームスプリッタと前記主反射面との間の前記表示光束の光路には、１／４波長板が挿入される
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
【請求項４】
請求項３に記載のコンバイナ光学系において、
前記偏光ビームスプリッタは、前記表示光束の波長を選択波長とした反射波長選択性を有している
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
【請求項５】
請求項４に記載のコンバイナ光学系において、
前記偏光ビームスプリッタは、反射型ホログラムからなる
ことを特徴とするコンバイナ光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイグラスディスプレイなどの携帯機器に搭載され、携帯機器内の画像表示面から射出した表示光束を外光に重畳させて使用者の眼に呈示するコンバイナ光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
アイグラスディスプレイ、ウエアラブルパーソナルコンピュータ、カメラ、その他の携帯機器のビューアに、コンバイナ光学系が用いられることがある（特許文献１のコンバイナ光学系など）。
コンバイナ光学系は、外界から入射する外光を透過すると共に、携帯機器内の画像表示面の虚像を使用者の眼の前方に形成するものである。
【０００３】
その虚像の位置を安定させるため、コンバイナ光学系は、使用者の頭部に対し固定される（特許文献１の図３Ｂ参照）。
また、その固定を容易にするため、コンバイナ光学系を構成する光学部材の材料や配置関係などに対し軽量化の工夫が施される。
しかも、特許文献１のコンバイナ光学系は、使用者の眼の近傍にビームスプリッタ（特許文献１の図８符号３６０）、主反射面（特許文献１の図８符号５５０）などが密集して配置されているので、コンパクトでもある。
【特許文献１】米国特許６２２２６７７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コンバイナ光学系の姿勢（取り付け位置及び角度）を安定させるためには、軽量化するだけでなく、その形状を、使用者の眼に装着するのに適した形状にする必要もある。
このため、コンバイナ光学系の主要部を眼の大きさと同程度のサイズとし、しかも使用者の視軸の方向に薄化する（つまり、所謂眼鏡レンズの形状に近づける）ことが望ましい。実際、コンパクトさを犠牲にしてでも薄化した方が姿勢が安定し易いと考えられる。
【０００５】
そこで本発明は、薄化可能な構成のコンバイナ光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載のコンバイナ光学系は、画像表示面から導入される表示光束の光路を内部に形成する透明基板と、前記基板内に形成される前記光路中に挿入されたビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過した前記表示光束に対し光学的パワーを付与すると共に、その表示光束が前記ビームスプリッタに再入射する方向にその表示光束を反射する主反射面とを備え、前記ビームスプリッタが前記基板の表面と成す角度は、２０°以上かつ４０°以下であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載のコンバイナ光学系は、請求項１に記載のコンバイナ光学系において、前記主反射面は、前記画像表示面の中心から射出した前記表示光束の主光線に対し垂直であることを特徴とする。
請求項３に記載のコンバイナ光学系は、請求項１又は請求項２に記載のコンバイナ光学系において、前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、前記ビームスプリッタと前記主反射面との間の前記表示光束の光路には、１／４波長板が挿入されることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載のコンバイナ光学系は、請求項３に記載のコンバイナ光学系において、前記偏光ビームスプリッタは、前記表示光束の波長を選択波長とした反射波長選択性を有していることを特徴とする。
請求項５に記載のコンバイナ光学系は、請求項４に記載のコンバイナ光学系において、前記偏光ビームスプリッタは、反射型ホログラムからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
このように、ビームスプリッタが基板の表面と成す角度が４０°以下に抑えられれば、基板を薄化することができる。また、その角度が２０°以上確保されれば、基板の内部に折線状の光路を適正に形成することができる。
すなわち、本発明によれば、薄化可能な構成のコンバイナ光学系が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１，図２，図３を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態では、アイグラスディスプレイに搭載されるコンバイナ光学系１について説明する。
先ず、コンバイナ光学系１の構成を説明する。
アイグラスディスプレイの外観は、図１に示すとおりである。図１において符号１で示すのがコンバイナ光学系である。コンバイナ光学系１の断面の概略は図２に示すとおりである。
【００１１】
図１，図２に示すように、コンバイナ光学系１は、アイグラスディスプレイにおいて光源ユニット３の画像表示面２０ａから射出した表示光束を使用者の眼の瞳の方向に導く。なお、図１中、符号１６で示すのは、アイグラスディスプレイを使用者の頭部に装着するための装着具である。
図１，図２中に示す右手系のＸＹＺ座標の原点の位置が、使用者の瞳の中心の位置である。この瞳は、コンバイナ光学系１の射出瞳（アイポイントＥ．Ｐ．）でもある。なお、図１，図２に示すようにＸＹＺ座標系のＺ軸は使用者の眼の視軸方向、Ｙ軸は使用者の左右方向、Ｘ軸は使用者の上下方向とした。
【００１２】
コンバイナ光学系１は、平行基板１５を備える。また、その基板１５内に、主反射面１７、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３、及び１／４波長板１４などを備える。
基板１５は、その外縁が眼鏡レンズようなサイズ及び形状に整えられており、使用者の眼に正対して配置される。
画像表示面２０ａは、使用者の眼から十分に離れた位置に配置される。画像表示面２０ａから射出する表示光束の波長は可視光の所定の波長に設定されており、表示光束の偏光方向は、予めｐ偏光に整えられている。
【００１３】
基板１５の材料は、少なくともこの所定波長の可視光に対し透明な材料からなる。軽量化のために、光学用樹脂の使用が望ましい。
画像表示面２０ａの各位置から発散する表示光束の角度範囲は、適度に制限されている。これは、例えば、画像表示面２０ａを照明する照明光として、予め十分にコリメート（平行光束化）されたものを使用することで実現できる。
【００１４】
ＰＢＳ１３は、使用者の眼の前方に傾斜した姿勢で設けられる。ＰＢＳ１３が基板１５の使用者側の面１５ａ又は外界側の面１５ｂと成す角度θは、２０°以上かつ４０°以下である。
ＰＢＳ１３は、前記所定波長を選択波長として反射し、かつそれ以外の波長の可視光を反射しないような反射波長選択性を有している。
【００１５】
画像表示面２０ａの配置位置及び配置角度は、画像表示面２０ａから射出した表示光束が基板１５の使用者側の面１５ａ及び外界側の面１５ｂにて交互に内面反射して折線状の光路を基板１５内に形成し、かつその光路とＰＢＳ１３との成す角度が適正値になるよるよう選定される。
基板１５において画像表示面２０ａから射出した表示光束が最初に入射する領域（境界面）１５ｃは、光線の結像に対して非対称な要素が存在することを避けるため、画像表示面２０ａの中心から射出した表示光束の主光線に対し略垂直な平面となっている。
【００１６】
主反射面１７は、ＰＢＳ１３を透過した表示光束を反射できる位置に設けられる。
主反射面１７は、その表示光束に対し光学的パワーを付与するための曲率又は回折パターンを有している。
主反射面１７の姿勢は、画像表示面２０ａの中心から射出した表示光束の主光線がその主反射面１７に対し垂直に入射するような姿勢に設定される。
【００１７】
１／４波長板１４は、ＰＢＳ１３と主反射面１７との間の表示光束の光路（主反射面１７のなるべく近く）に挿入される。
次に、このコンバイナ光学系１内の光の振る舞いについて説明する。
画像表示面２０ａから射出したｐ偏光の表示光束は、基板１５内を内面反射してからＰＢＳ１３に入射し、ＰＢＳ１３を透過し、１／４波長板１４を通過し、主反射面１７に入射する。主反射面１７における反射により表示光束は平行光束に近づけられつつ、１／４波長板１４を再度通過し、ＰＢＳ１３に再入射する。
【００１８】
１／４波長板１４を往復した表示光束はｓ偏光となるので、ＰＢＳ１３に再入射した表示光束は、ＰＢＳ１３で反射される。また、表示光束の光路がＰＢＳ１３と成す角度は適正値なので、ＰＢＳ１３で反射された表示光束は、使用者の眼の方向に進行し、平行光束に近い状態で眼の瞳に入射する。
よって、画像表示面２０ａの拡大虚像がＰＢＳ１３の外界側に形成される。この状態で、使用者には、画像表示面２０ａが眼の前方にあるように見える。また、ＰＢＳ１３は外界から入射する外光の殆どを透過するので、観察者には、虚像と共に外界を見ることもできる。
【００１９】
次に、このコンバイナ光学系１の効果について説明する。
先ず、使用者の眼の視軸（Ｚ軸）上に配置される光学素子は、基板１５、基板１５内のＰＢＳのみであり、従来例よりも少ない。
しかも、そのＰＢＳ１３が基板１５の使用者側の面１５ａ又は外界側の面１５ｂと成す角度θは４０°以下であり、従来例のそれ（４５°）よりも５°小さい。５°小さければ、基板１５の使用者側の面１５ａと外界側の面１５ｂとの間隔は確実に狭められる。
【００２０】
したがって、このコンバイナ光学系１の視軸方向（Ｚ方向）の厚さは、従来例のそれよりも薄い。
また、ＰＢＳ１３と基板１５の使用者側の面１５ａ又は外界側の面１５ｂとの成す角度θが２０°以上であるので、基板１５の内部に折線状の光路は適正に形成される。つまり、基板１５の使用者側の面１５ａ又は外界側の面１５ｂのうち、表示光束をｎ回目に反射する領域と、ｎ＋１回目に反射する領域とを独立させる（重複させない）ことができる。
【００２１】
因みに、ＰＢＳ１３と基板１５の使用者側の面１５ａ又は外界側の面１５ｂとの成す角度θが２０°未満であると、光路を適正に形成することが難しくなる。
また、画像表示面２０ａの各位置から発散する光束の角度範囲が適度に制限されているので、迷光が抑えられ、虚像の近傍に迷光によるゴーストが生起する、といった事態を避けることができる。
【００２２】
また、主反射面１７の姿勢は、画像表示面２０ａの中心から射出した表示光束の主光線がその主反射面１７に対し垂直に入射するような姿勢に設定されるので、前記虚像の結像収差は最小に抑えられる。
また、ＰＢＳ１３は、反射波長選択性を有し、表示光束と異なる波長の光については全て透過するので、コンバイナ光学系１のシースルー性（外光の透過性）は高い。
（その他）
なお、画像表示面２０ａの各位置から発散する光束の角度範囲を制限するために、照明光を使用するとしたが、その代わりにフィールドレンズを画像表示面２０ａの射出側に挿入してもよい。
【００２３】
また、画像表示面２０ａには、ＬＣＤなどの透過又は反射式の二次元画像表示素子、ＥＬなどの自発光式の二次元画像表示素子などが配置される。
また、画像表示面２０ａに直接二次元画像表示素子を配置せずに、二次元画像表示素子をリレー光学系により投影してできる中間像を配置してもよい。また、画像表示面２０ａ上に、光走査による二次元画像を形成してもよい。
【００２４】
また、画像表示面２０ａの形状は、平面に限定されず、基板１５の側に凸の球面であってもよい。
なお、基板１５の境界面１５ｃは、平面に限らず、凹又は凸の曲面であってもよい。各種収差が抑えやすくなるような形状に最適化されることが望ましい。
また、画像表示面２０ａと基板１５との間に、追加レンズを挿入してもよい。追加レンズを挿入することにより、像面湾曲の制御、色収差の補正が容易となる。追加レンズは、基板１５に接合されていても、基板１５と分離されていてもよい。
【００２５】
また、光量損失を許容するのであれば、ＰＢＳ１３に代えてＢＳ（ビームスプリッタ）を備えると共に１／４波長板１４を省略してもよい。このときには、表示光束を予めｐ偏光に整える必要は無い。
また、上述した反射波長選択性を有したＰＢＳ１３は、ＧＢＯ（Giant Birefringent Optics）膜からなる偏光分離膜、反射型ホログラムからなる偏光分離膜、光学多層膜からなる偏光分離膜、ワイヤーグリッド構造の偏光分離膜などによって実現できる。
【００２６】
因みに、ホログラムからなる偏光分離膜の製造時、反射波長帯域を制御するために、照射光波長又は照射光角度を僅かにずらした多重露光を適用してもよい。
また、コンバイナ光学系１のシースルー性を高める必要が無いときには、ＰＢＳ１３に対し反射波長選択性を付与する必要は無い。反射波長選択性の無いＰＢＳ１３は、アルミニウムなどからなる偏光分離膜によって容易に実現できる。
【００２７】
また、主反射面１７は、金属膜、誘電体膜、反射型ホログラムなどによって実現できる。
また、ＰＢＳ１３と主反射面１７との位置関係については、図２に示すものの他、図３に示すようにしてもよい。
図２の主反射面１７は、ＰＢＳ１３を透過した後に基板１５の使用者側の面１５ａにて一回反射した表示光束を反射するのに対し、図３の主反射面１７は、ＰＢＳ１３を透過した表示光束を直接、反射する。
【００２８】
また、主反射面１７の形成位置は、基板１５の内部に限らず、基板１５の端面であってもよい。
【実施例１】
【００２９】
以下、本発明の第１実施例を示す。
本実施例のコンバイナ光学系の光路図は、図４のとおりである。なお、図４では、光路に作用しない面については一部省略してある。また、図４の各要素には、実施形態においてそれに対応する要素と同じ符号を付した（図６，図８，図１０，図１２においても同様。）。
【００３０】
このコンバイナ光学系のデータは、表１、表２のとおりである。
【００３１】
【表１】
2005084522.tif 000003
【００３２】
【表２】
2005084522.tif 000004
なお、表１，表２に示すデータの光線追跡の方向は、射出瞳（アイポイントＥ．Ｐ．）から画像表示面２０ａへ向かう方向とした。また、座標系は、射出瞳の中心に原点を有した右手系のＸＹＺ座標を採用した。ＸＹＺ座標系のＺ軸は使用者の眼の視軸方向、Ｙ軸は使用者の左右方向、Ｘ軸は使用者の上下方向である。また、表１，表２中の数値の単位は、個別の指定のあるものを除き、長さは［ｍｍ］である。また、表１において、屈折率，分散はｄ線に対する値である。また、表２において「Ｘ」はＸ座標値、「Ｙ」はＹ座標値、「Ｚ」はＺ座標値、「Ａ」はＸ軸からの傾き角度、「Ｂ」はＹ軸からの傾き角度、「Ｃ」はＺ軸からの傾き角度を示す（以上、他の各表においても同様）。
【００３３】
このコンバイナ光学系の収差図は、図５のとおりである。
なお、図５に示す収差図は、横収差図である。図５において、「Ｙ−ＦＡＮ」はＹ方向の横収差図、「Ｘ−ＦＡＮ」はＸ方向の横収差図である。また、中央の座標（Ｘ°，Ｙ°）は、画角である（図７，図９，図１１においても同様）。
【実施例２】
【００３４】
以下、本発明の第２実施例を示す。
本実施例のコンバイナ光学系の光路図は、図６のとおりである。なお、図６では、光路に作用しない面については一部省略してある。
このコンバイナ光学系のデータは、表３、表４のとおりである。
【００３５】
【表３】
2005084522.tif 000005
【００３６】
【表４】
2005084522.tif 000006
なお、１１面（非球面）の定義式は、式（１）のとおりである。
【００３７】
【数１】
2005084522.tif 000007
このコンバイナ光学系の収差図は、図７のとおりである。
【実施例３】
【００３８】
以下、本発明の第３実施例を示す。
本実施例のコンバイナ光学系の光路図は、図８のとおりである。なお、図８では、光路に作用しない面については一部省略してある。
このコンバイナ光学系のデータは、表５、表６のとおりである。
【００３９】
【表５】
2005084522.tif 000008
【００４０】
【表６】
2005084522.tif 000009
このコンバイナ光学系の収差図は、図９のとおりである。
【実施例４】
【００４１】
以下、本発明の第４実施例を示す。
本実施例のコンバイナ光学系の光路図は、図１０のとおりである。なお、図１０では、光路に作用しない面については一部省略してある。
このコンバイナ光学系のデータは、表７、表８のとおりである。
【００４２】
【表７】
2005084522.tif 000010
【００４３】
【表８】
2005084522.tif 000011
このコンバイナ光学系の収差図は、図１１のとおりである。
【実施例５】
【００４４】
以下、本発明の第５実施例を示す。
本実施例のコンバイナ光学系の光路図は、図１２のとおりである。なお、図１２では、光路に作用しない面については一部省略してある。
このコンバイナ光学系のデータは、表９、表１０のとおりである。
【００４５】
【表９】
2005084522.tif 000012
【００４６】
【表１０】
2005084522.tif 000013
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】アイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】実施形態のコンバイナ光学系１の断面の概略図である。
【図３】実施形態の別のコンバイナ光学系１の断面の概略図である。
【図４】第１実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図５】第１実施例のコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である。
【図６】第２実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図７】第２実施例のコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である。
【図８】第３実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図９】第３実施例のコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である。
【図１０】第４実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【図１１】第４実施例のコンバイナ光学系の収差図（横収差図）である。
【図１２】第５実施例のコンバイナ光学系の光路図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  コンバイナ光学系
２０ａ  画像表示面
１３  ビームスプリッタ（ＢＳ）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１４  １／４波長板
１５  基板
１５ａ  使用者側の面
１５ｂ  外界側の面
１５ｃ  境界面
１７  主反射面
Ｅ．Ｐ．  射出瞳（アイポイント）
【図１】
2005084522.tif 000014
【図２】
2005084522.tif 000015
【図３】
2005084522.tif 000016
【図４】
2005084522.tif 000017
【図５】
2005084522.tif 000018
【図６】
2005084522.tif 000019
【図７】
2005084522.tif 000020
【図８】
2005084522.tif 000021
【図９】
2005084522.tif 000022
【図１０】
2005084522.tif 000023
【図１１】
2005084522.tif 000024
【図１２】
2005084522.tif 000025