JP4572569B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体像を観察しながら物体像を受光素子により撮像し、また撮像した像を表示装置で表示し、物体像と共に観察可能にする表示装置に関する。

従来、観察光学系の物体像を受光し撮像する撮像装置を有し、観察光学系の光路内に撮像した電子像を表示して観察光学系の物体像と共に観察することができる表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１７４３６７号公報

しかしながら、上記開示例では、観察光学系の光路中に設けられる光路分離手段は、ハーフミラーが用いられているため、観察者の眼に到達する物体像からの光量が減衰し、物体像が暗くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みて行われたものであり、物体像（観察像）からの光量の減衰がほとんどない光学系を有する表示装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、
背景光の入射側から入射光軸に沿って順に配置された第１波長選択性光学部材と第２波長選択性光学部材と、
前記第１波長選択性光学部材と前記第２波長選択性光学部材とに挟まれ、前記入射光軸に対して傾斜して配置された波長選択偏光分離ミラーと、
前記入射光軸に対して対向して前記波長選択偏光分離ミラーを挟んで配置された表示手段と撮像装置を有し、
前記波長選択偏光分離ミラーは、第１特定波長の光と第２特定波長の光を反射するとともに、第１偏光方向の光を透過し、かつ当該第１偏光方向とは９０度方向の異なる第２偏光方向の光を反射し、
前記第１波長選択性光学部材は、前記表示手段の表示面を焦点とする実質的な屈折力を有し、前記表示手段の表示光のうち前記第１特定波長の光を反射し、かつ前記第１特定波長の光以外の光を透過し、
前記第２波長選択性光学部材は、前記撮像装置の撮像面を焦点とする実質的な屈折力を有し、前記背景光のうち前記第２特定波長の光を前記波長選択偏光分離ミラーに向けて反射し、かつ前記第２特定波長以外の光を透過し、
前記第１波長選択性光学部材は、第１波長選択素子と第１の１／４波長板とを含み、
前記第２波長選択性光学部材は、第２波長選択素子と第２の１／４波長板とを含み、
前記表示手段と前記波長選択偏光分離ミラーとの間に前記表示手段からの光を反射して前記波長選択偏光分離ミラーに向ける反射面を有し、
前記表示光は、前記反射面で反射されたのち前記波長選択偏光分離ミラーに入射し、該波長選択偏光分離ミラーは、前記表示光中の前記第２偏光方向かつ前記第１特定波長の光を前記第１波長選択性光学部材に向けて反射し、該反射された光は前記第１波長選択性光学部材の前記第１の１／４波長板を透過して前記第１波長選択素子で反射して再度前記第１の１／４波長板を透過して前記第２偏向方向から前記第１偏光方向の光に変換されて射出して前記波長選択偏光分離ミラーと前記第２波長選択性光学部材とを透過して観察者の瞳に入射し、
前記背景光中の前記第１特定波長以外の光は前記第１波長選択性光学部材を透過し、該透過した光のうち前記第１偏光方向の光は前記波長選択偏光分離ミラーを透過して前記第２波長選択性光学部材に向かい、該透過した光のうち前記第２特定波長以外の光は前記第２波長選択性光学部材を透過して観察者の瞳に入射し、
前記第２波長選択性光学部材に入射した光のうち前記第２特定波長の光は、前記第２の１／４波長板を透過して前記第２波長選択素子で反射されて再度前記第２の１／４波長板を透過して前記第１偏向方向から前記第２偏光方向の光に変換されて前記第２波長選択性光学部材から射出して前記波長選択偏光分離ミラーに入射して前記波長選択偏光分離ミラーで前記撮像装置に向けて反射されて前記撮像素子に結像することを特徴とする表示装置を提供する。

また、本発明の表示装置では、前記第１波長選択素子と前記第２波長選択素子は、回折光学素子で形成されていることが好ましい。

また、本発明の表示装置では、前記第１波長選択性光学部材の背景光が最初に入射する面側に、前記背景光の光量を調整する調光手段を有することが好ましい。

また、本発明の表示装置では、前記調光手段は、前記背景光の光量を検出する光量検出手段と、前記背景光を減光または遮光する調光部材から構成されていることが好ましい。

本発明では、物体像（観察像）からの光量の減衰がほとんどない光学系を有する表示装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に関し図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１実施の形態にかかる表示装置の概略構成図を示す。図２は、図１のＡ部分の拡大概略図を示す。図３は、第１実施の形態に用いられる波長選択性光学部材の分光特性を模式的に示す図である。図４は、第１実施の形態に用いられる波長選択偏光分離ミラーの分光特性を模式的に示す図である。図５は、本発明の第２実施の形態にかかる表示装置の概略構成図を示す。

（第１実施の形態）
図１において、略台形状の透明な第１のガラス部材１と第２のガラス部材３の相対する面１ａと面３ａの少なくともどちらか一方の面に波長選択偏光分離ミラー５が形成され、面１ａと面３ａとが光学接着剤で接着されて一体的に形成されている。波長選択偏光分離ミラー５は、多層膜コーティングで形成されており、図４に示すようなＳ偏光の特定波長の光のみを反射する特性を有している。

第１のガラス部材１の入射光束（背景光束）の入射面１ｂ側には、第１の波長選択性光学部材７が、第２のガラス部材３の出射面３ｂ側には、第２の波長選択性光学部材９が光学接着剤でそれぞれ接着されている。第１の波長選択性光学部材７と波長選択偏光分離ミラー５と第２の波長選択性光学部材９は、第１のガラス部材１と第２のガラス部材３とを介して一体的に構成され、これら３つの光学部材は入射光軸Ｉに沿って配置されている。

第１のガラス部材１の端面１ｃの近傍には表示装置１１が、第２のガラス部材３の端面３ｃの近傍には撮像装置１３がそれぞれ配置されている。表示装置１１と撮像装置１３は波長選択偏光分離ミラー５を挟んで入射光軸Ｉに対して略対向する位置に配置されている。

第１の波長選択性光学部材７は、表示装置１１の表示面を焦点とする実質的な屈折力を有しており、表示装置１１からの表示光の特定波長の光を観察者の瞳に入射して表示画像を観察可能にする。一方、第２の波長選択性光学部材９は、撮像装置１３の撮像面を焦点とする実質的な屈折力を有しており、入射光軸Ｉに沿って入射された背景光束のうち特定波長の光を撮像装置１３で撮像させ、特定波長以外の光は透過して観察者の瞳に入射させ観察可能にする。

図２において、第１の波長選択性光学部材７は、ホログラム７ａと１／４波長板７ｂとから形成され、第１のガラス部材１の入射面１ｂに１／４波長板７ｂ側が接着されている。一方、第２の波長選択性光学部材９は、ホログラム９ａと１／４波長板９ｂとから形成され、第２のガラス部材３の出射面３ｂに１／４波長板７ｂ側が接着されている。第１の波長選択性光学部材７と第２の波長選択性光学部材９との間に波長選択偏光分離ミラー５が配置されている。

ホログラム７ａとホログラム９ａの分光特性は、図３に示すような特性を有している。ホログラム７ａは、入射光束中（背景光束中）の特定波長の光、青色（以後、λ１Ｂと記す）、緑色（以後、λ１Ｇと記す）、赤色（以後、λ１Ｒと記す）の各限定された波長領域の光のみを反射し、特定波長以外の光を透過する特性を有している。

ホログラム９ａは、表示装置１１からの特定波長の表示光、青色（λ２Ｂ）、緑色（λ２Ｇ）、赤色（λ２Ｒ）の各限定された波長領域の光のみ反射し、これら以外の波長の光を透過する。

ホログラム７ａは、波長λ１Ｂ、λ１Ｇ、およびλ１Ｒのピーク波長に対して片側約１０ｎｍ程度の波長幅を有する分光特性を有している。ホログラム９ａの分光特性も同様である。また、ピーク波長λ１Ｂとピーク波長λ２Ｂとは、１５から２０ｎｍ程度ピーク波長が異なる特性を有している。

波長選択偏光分離ミラー５の分光特性は、図４に示すようにホログラム７ａとホログラム９ａの各特定波長の波長領域を包含する（λ１Ｂ＋λ２Ｂ、λ１Ｇ＋λ２Ｇ、λ１Ｒ＋λ２Ｒ）Ｓ偏光の光を反射する特性を有している。この結果、波長選択偏光分離ミラー５は、入射光束中のＳ偏光の特定波長（λ１Ｂ、λ１Ｇ、λ１Ｒ）と表示光中のＳ偏光の特定波長（λ２Ｂ、λ２Ｇ、λ２Ｒ）とを反射しその他の波長の光を透過する。このようにして、第１実施の形態にかかる表示装置が構成されている。

次に、本第１実施の形態にかかる表示装置の動作に付いて説明する。まず始めに背景光束の撮像と観察者の観察に付いて説明する。

図１、図２において、図中右側から入射する入射光束（背景光束）は、第１の波長選択光学部材７に入射する。ホログラム７ａは、図３に示す反射分光特性を有しているため、入射光束中の特定波長（λ１Ｂ、λ１Ｇ、λ１Ｒ）の光は、ホログラム７ａの入射側の表面で反射され背景側に戻る。

入射光束中の特定波長以外の光は、ホログラム７ａと１／４波長板７ｂを通過して波長選択偏光分離ミラー５に入射する。波長選択偏光分離ミラー５は、上述したように包含する波長（λ１Ｂ＋λ２Ｂ、λ１Ｇ＋λ２Ｇ、λ１Ｒ＋λ２Ｒ）でＳ偏光の光を反射する。波長選択偏光分離ミラー５を透過した光の内Ｐ偏光の光は、第２の波長選択性光学部材９の１／４波長板９ｂにより円偏光に変換されホログラム９ａで特定波長（λ２Ｂ、λ２Ｇ、λ２Ｒ）の光が反射され、再び１／４波長板９ｂに入射してＳ偏光に変換される。このＳ偏光の光は、波長選択偏光分離ミラー５で反射されて撮像装置１３に集光され背景像が撮像装置１３で撮像される。なお、ホログラム９ａと撮像素子１３の距離関係によって受光素子が大きくなりすぎる場合には、第２のガラス部材３の端面３ｃあるいは端面３ｃと撮像装置１３との間に調整用の結像レンズを配置しても良い。また、撮像装置１３の受光素子は、ＣＣＤでもＣＭＯＳでも構わない。撮像装置１３の直前の光路に置かれる光学的ローパスフィルタ等の光学要素は、本実施の形態との関連が薄いので記載を省略している。

一方、ホログラム９ａを透過した特定波長以外の波長の光は、観察者の瞳に入射し眼前の背景像が観察される。なお、ホログラム７ａ、波長選択偏光分離ミラー５、およびホログラム９ａは、特定波長に対して急峻な反射分光特性を有しているため、観察者の瞳に入射して観察される背景像の明るさや色合いには殆ど影響しない。

続いて、表示装置１１からの表示光について説明する。表示装置１１は、例えばバックライトつきのＬＣＤである。表示装置１１からの表示光は、前述のホログラム７ａ、９ａ、及び波長選択偏光分離ミラー５の分光特性に対応した特定波長（λ１Ｂ、λ１Ｇ、λ１Ｒ）の波長のＳ偏光の光に対応している。これは、ホログラム７ａ、９ａ、及び波長選択偏光分離ミラー５の分光特性が表示装置１１の表示光の波長に対応して作成されていることによる。なお、ＬＣＤはカラーフィルタ方式でもフィールドシーケンシャル方式でも構わない。また、カラーフィルタ方式のＬＣＤを使用していて、効率を無視できるのであれば冷陰極管などの白色光源で照明しても良い。

表示装置１１に表示された映像のＳ偏光の表示光は、第１のガラス部材１の端面１ｃから入射し波長選択偏光分離ミラー５に入射し、第１の波長選択性光学部材７側に反射される。Ｐ偏光の表示光は、波長選択偏光分離ミラー５を透過して撮像装置１３に入射するが、この光は迷光であって撮像装置１３の受光素子上には結像しない。なお、この迷光による撮像画像への影響を除くために、撮像時に表示装置１１の表示を消灯するとか、波長選択偏光分離ミラー５と撮像装置１３との間に表示光の特定波長（λ２Ｂ、λ２Ｇ、λ２Ｒ）を遮光するフィルタ等を設けても良い。

波長選択偏光分離ミラー５で反射された光は、１／４波長板７ｂを透過して円偏光に変換されホログラム７ａに入射、反射されて再度１／４波長板７ｂを透過してＰ偏光に変換され波長選択偏光分離ミラー５を透過し、更に第２の波長選択性光学部材９を透過して観察者の瞳に入射する。ホログラム７ａは、表示装置１１の表示面に焦点位置を有するような実質的な屈折力を有しているため、ホログラム７ａを反射した表示光は入射光軸Ｉに略平行な光束となり観察者の瞳に入射し観察される。

本第１実施の形態では、入射光束（背景光束）と表示光の特定波長の光を反射または透過する波長選択性光学部材と波長選択偏光分離ミラーとにより、背景光束と表示光とを観察者の瞳に入射して観察することが可能となると共に、特定波長の背景光束を撮像装置に入射して撮像することが可能となる。

また、撮像装置１３で撮像した眼前の背景像を不図示の画像処理手段で画像処理した後表示装置１１で表示し、画像処理された背景像と眼前の背景像とを重畳して観察することが可能となる。この際、表示装置１１に表示される画像に各種処理を加えて観察者に観察させることもでき、種々の情報を与えることが可能となる。

また、表示装置１１で眼前の背景像とは異なる画像や文字等を表示して観察することも可能である。

また、撮像装置１３で撮像された画像を不図示のメモリーに保存することによってデジタルカメラとして用いることも可能である。

このような構成にすることによって、シースルーのウエアラブルディスプレイを構成することが可能となる。また、ホログラムや多層膜コーティングを用いた波長選択偏光分離ミラー、ＬＣＤ、及び受光素子を透明の光学部材に接着して構成することによって使用する光学部材の厚さを薄くすることが可能でありより軽量なウエアラブルディスプレイを構成することが可能となる。また、背景光束が直接観察者の瞳に入射するため観察系と撮像系のパララックス等の問題も回避することが可能となる。また、波長選択性の光学部材を用いているため観察者が観察する背景光束への影響を最小にすることができ、背景像のコントラストの劣化を防止することが可能となる。

（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態にかかる表示装置について図を参照しつつ説明する。第２実施の形態では、第１実施の形態の表示装置において、背景光束の入射光量を調整する調光手段を設けた所が異なっている。第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。

図５において、第１の波長選択性光学部材７の背景光束が入射する側の面に入射光束（背景光束）の入射光量を調整したり遮光したりするエレクトロクロミック膜２１が設けられている。エレクトロクロミック膜２１には、表示装置の周辺光量を検出する光量検出手段２３と、光量検出手段２３からの情報を基にエレクトロクロミック膜２１の濃度を調整して入射光量の調整や遮光を制御する制御手段２５が接続されている。このようにして第２実施の形態の表示装置が構成されている。

本第２実施の形態の表示装置では、シースルーディスプレイでありながら、撮像した画像や眼前の背景像と無関係な画像を表示装置１１に表示して観察する際、エレクトロクロミック膜２１の濃度を調整して背景光束の入射光量を減衰させたり遮光したりすることができるため、シャープでコントラストの高い表示画像を観察することが可能となる。なお、調光膜としてエレクトロクロミック膜２１と同様の作用を有するものであれば調光部材として用いることができる。その他の作用、効果は第１実施の形態と同様であり説明を省略する。

なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

本発明の第１実施の形態にかかる表示装置の概略構成図を示す。 図１のＡ部分の拡大概略図を示す。 第１実施の形態に用いられる波長選択性光学部材の反射分光特性を模式的に示す図である。 第１実施の形態に用いられる波長選択偏光分離ミラーの反射分光特性を模式的に示す図である。 本発明の第２実施の形態にかかる表示装置の概略構成図を示す。

符号の説明

１ 第１のガラス部材
３ 第２のガラス部材
５ 波長選択偏光分離ミラー
７ 第１の波長選択性光学部材
７ａ ホログラム
７ｂ １／４波長板
９ 第２の波長選択性光学部材
９ａ ホログラム
９ｂ １／４波長板
１１ 表示装置
１３ 撮像装置
２１ エレクトロクロミック膜
２３ 光量検出手段
２５ 制御装置
Ｉ 入射光軸

Claims (4)

1. 背景光の入射側から入射光軸に沿って順に配置された第１波長選択性光学部材と第２波長選択性光学部材と、
   前記第１波長選択性光学部材と前記第２波長選択性光学部材とに挟まれ、前記入射光軸に対して傾斜して配置された波長選択偏光分離ミラーと、
   前記入射光軸に対して対向して前記波長選択偏光分離ミラーを挟んで配置された表示手段と撮像装置を有し、
   前記波長選択偏光分離ミラーは、第１特定波長の光と第２特定波長の光を反射するとともに、第１偏光方向の光を透過し、かつ当該第１偏光方向とは９０度方向の異なる第２偏光方向の光を反射し、
   前記第１波長選択性光学部材は、前記表示手段の表示面を焦点とする実質的な屈折力を有し、前記表示手段の表示光のうち前記第１特定波長の光を反射し、かつ前記第１特定波長の光以外の光を透過し、
   前記第２波長選択性光学部材は、前記撮像装置の撮像面を焦点とする実質的な屈折力を有し、前記背景光のうち前記第２特定波長の光を前記波長選択偏光分離ミラーに向けて反射し、かつ前記第２特定波長以外の光を透過し、
   前記第１波長選択性光学部材は、第１波長選択素子と第１の１／４波長板とを含み、
   前記第２波長選択性光学部材は、第２波長選択素子と第２の１／４波長板とを含み、
   前記表示手段と前記波長選択偏光分離ミラーとの間に前記表示手段からの光を反射して前記波長選択偏光分離ミラーに向ける反射面を有し、
   前記表示光は、前記反射面で反射されたのち前記波長選択偏光分離ミラーに入射し、該波長選択偏光分離ミラーは、前記表示光中の前記第２偏光方向かつ前記第１特定波長の光を前記第１波長選択性光学部材に向けて反射し、該反射された光は前記第１波長選択性光学部材の前記第１の１／４波長板を透過して前記第１波長選択素子で反射して再度前記第１の１／４波長板を透過して前記第２偏向方向から前記第１偏光方向の光に変換されて射出して前記波長選択偏光分離ミラーと前記第２波長選択性光学部材とを透過して観察者の瞳に入射し、
   前記背景光中の前記第１特定波長以外の光は前記第１波長選択性光学部材を透過し、該透過した光のうち前記第１偏光方向の光は前記波長選択偏光分離ミラーを透過して前記第２波長選択性光学部材に向かい、該透過した光のうち前記第２特定波長以外の光は前記第２波長選択性光学部材を透過して観察者の瞳に入射し、
   前記第２波長選択性光学部材に入射した光のうち前記第２特定波長の光は、前記第２の１／４波長板を透過して前記第２波長選択素子で反射されて再度前記第２の１／４波長板を透過して前記第１偏向方向から前記第２偏光方向の光に変換されて前記第２波長選択性光学部材から射出して前記波長選択偏光分離ミラーに入射して前記波長選択偏光分離ミラーで前記撮像装置に向けて反射されて前記撮像素子に結像することを特徴とする表示装置。
2. 前記第１波長選択素子と前記第２波長選択素子は、回折光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第１波長選択性光学部材の背景光が最初に入射する面側に、前記背景光の光量を調整する調光手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記調光手段は、前記背景光の光量を検出する光量検出手段と、前記背景光を減光または遮光する調光部材からなることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。

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