JP6392538B2

JP6392538B2 - 虚像観察装置

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Publication number: JP6392538B2
Application number: JP2014085750A
Authority: JP
Inventors: 良平杉原; 高橋　真也; 真也高橋; 井場　陽一; 陽一井場; 成示龍田
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Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2018-09-19
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Description

本発明は、観察者の眼に画像光を虚像として表示させる虚像観察装置に関する。

従来、表示素子上に表示される映像が接眼光学系を介して観察される映像表示装置において、表示素子が接眼光学系に対して光軸方向に沿って移動（スライド）されることにより、視度を変化させるものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平８−１５２５９１号公報

しかしながら、引用文献１の技術では、表示素子の移動量調整ひいては視度の調整が、無段階で行われるので、例えば観察者が作業中やランニング中等で映像表示装置を使用する場合に、観察者にとって視度の調整が煩雑又は困難となるおそれがあった。また、普段の生活で映像表示装置を使用する際には、そこまで微細な視度の調整は必要ではなく、数段階で視度の切り換えができれば充分であると考えられる。

また、虚像観察装置においては、視度以外にも観察される画像の画角、射出角度等の虚像の表示状態に関する光学的機能を調整可能とすることも想定される。この場合も、上述の視度調整と同様に微細に調整する必要はなく、数段階で光学的機能の切り換えができればよいことが考えられる。

したがって、この点に着目してなされた本発明の目的は、視度や画角等の光学的機能の
調整を、容易に行うことができる、虚像観察装置を提供することにある。

上記目的を達成する虚像観察装置の第１の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させ
る接眼光学部と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の光路内に配置されるインナー光学素子と、
を備え、
前記インナー光学素子は、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に回動可能であり、第１回動位置にあるときと第２回動位置にあるときとで、画像光の入射方向に対する入射面および射出面の傾斜角度を変化させることで、画像光の射出角度を変化させ、虚像の表示位置を変化させるものである。

前記インナー光学素子は、手動により前記第１回動位置又は前記第２回動位置に選択的に切換可能であることが好ましい。

また、上記目的を達成する虚像観察装置の第２の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の光路内に配置される複数のインナー光学素子と、
を備え、
前記複数のインナー光学素子は、それぞれ、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に回動可能であり、
前記複数のインナー光学素子は、それぞれ、前記第１回動位置にあるときと前記第２回動位置にあるときとで、画像光の光路内に位置するか否かが異なり、
前記複数のインナー光学素子のそれぞれの前記第１回動位置又は前記第２回動位置への変位により、前記複数のインナー光学素子の全体としての屈折率が変化するものである。

前記インナー光学素子は、前記第１回動位置と前記第２回動位置とで、視度を変化させるようにしてもよい。

また、上記目的を達成する虚像観察装置の第３の発明は、
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の光路内に配置されるインナー光学素子と、
外光を取り入れる窓と、
内部光源と、
を備え、
前記インナー光学素子は、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に回動可能であり、
前記インナー光学素子はハーフミラーを有し、
前記ハーフミラーは、前記インナー光学素子が前記第１回動位置にあるときにおいて、前記内部光源からの内部照明光を前記表示素子に向けて反射し、前記インナー光学素子が前記第２回動位置にあるときにおいて、前記外光を取り入れる窓からの外部照明光を前記表示素子に向けて反射するものである。

本発明によれば、視度や画角等の光学的機能の調整を、容易に行うことができる、虚像観察装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る虚像観察装置を取付けたメガネを、観察者が頭部に装着した状態で示す、外観斜視図である。図１の虚像観察装置の水平断面図である。図２の接眼光学部をＹ軸負方向に見たときの外観図である。図２の表示素子及び導光部を示す図である。保持手段の変形例を説明するための図である。インナー光学素子及び回動手段の変形例を説明するための図である。インナー光学素子及び回動手段の他の変形例を説明するための斜視図である。本発明の第２実施形態に係る虚像観察装置を示す水平断面図である。インナー光学素子の変形例を説明するための水平断面図である。本発明の第３実施形態に係る虚像観察装置を示す水平断面図である。本発明の第４実施形態に係る虚像観察装置を示す水平断面図である。本発明の第５実施形態に係る虚像観察装置を、第１回動位置にあるときの状態で示す、水平断面図である。図１２の虚像観察装置を、第２回動位置にあるときの状態で示す、水平断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１〜図７を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。図１に示す虚像観察装置１００は、本体部１０１と導光部１０２とを備えている。本体部１０１は、フックなどの係合部材１０３を用いて、メガネ１０４のテンプル１０５に取付け可能である。導光部１０２は、メガネ１０４を観察者が装着した状態で、本体部１０１から観察者の眼球の正面まで延びるように形成される。本体部１０１は、観察させる画像を形成して画像光として射出し、導光部１０２は、本体部１０１からの画像光を観察者の眼球に導光する。

本明細書では、説明の便宜上、虚像観察装置１００をメガネ１０４を介して装着している観察者を正面から観たときの左（図のＸ軸正方向）、右（図のＸ軸負方向）、前（図のＹ軸正方向。観察者から遠い側。）、後（図のＹ軸負方向。観察者に近い側。）、上（図のＺ軸正方向）、下（図のＺ軸負方向）、水平（図のＸＹ平面方向）、及び鉛直（図のＺ軸方向）を、それぞれ単に「左」、「右」、「前」、「後」、「上」、「下」、「水平」、及び「鉛直」という場合がある。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、互いに垂直である。

図２に示すように、本体部１０１は、筐体１１４と、筐体１１４内に配置された光源１０６、照明プリズム１０７、及び表示素子１０８とを、有する。光源１０６は、例えばＬＥＤであり、照明光を発する。

照明プリズム１０７は、入射面１０９、射出面１１０、および反射面１１１を有する。光源１０６が発する照明光が照明プリズム１０７の入射面１０９に入射するように、照明プリズム１０７は配置される。照明プリズム１０７に入射した照明光を射出面１１０が反射面１１１に向けて全反射し、全反射された照明光を射出面１１０に略垂直に入射するように反射面１１１が照明光を反射し、略垂直に入射する照明光が射出面１１０を透過するように、照明プリズム１０７は形成され、配置される。

照明プリズム１０７の射出面１１０を透過した照明光は、表示素子１０８に入射される。表示素子１０８は、本実施形態では透過型に構成されており、例えば透過型ＬＣＤ表示素子である。表示素子１０８は、入射される照明光の光束を、２次元状に配置された画素毎に変調することにより、観察者に観察させる画像に相当する画像光を形成し、射出する。

図２に示すように、導光部１０２は、筐体１３２と、左端側が筐体１３２内に収納されているとともに右端側が筐体１３２の外部へ露出している接眼光学部１３１と、筐体１３２内に格納されたインナー光学素子１３０と、インナー光学素子１３０のための回動手段１４０とを、有している。インナー光学素子１３０は、表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の光路内に配置されている。導光部１０２の筐体１３２は、本体部１０１の筐体１１４に連結されている。本体部１０１の筐体１１４と、導光部１０２の筐体１３２とには、表示素子１０８とインナー光学素子１３０との間で画像光を伝達可能にするための開口が、それぞれ形成されている。

接眼光学部１３１は、表示素子１０８からインナー光学素子１３０を介して入射された画像光を、観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させる。本例における接眼光学部１３１は、導光プリズム１１５と接眼部１１６（接眼面）とによって構成されている（図２参照）。

接眼光学部１３１の導光プリズム１１５は、例えば第１〜第６面を有するプリズムである。前後に互いに対向する第１面１１７および第２面１１８は、等脚台形状であり（図３参照）、ＸＺ平面方向に沿って延在している。インナー光学素子１３０からの画像光の入射面となる第３面１１９は、第１面１１７および第２面１１８の左端側の面であり、ＹＺ平面方向に沿って延在している（図２、図３参照）。第４面１２０は、第３面１１９に対向する面であって、第１面１１７および第３面１１９に対して４５°傾斜している。第５面及び第６面は、それぞれ上面及び下面である。導光プリズム１１５は、図３に示すように、右側（Ｘ軸負側）に向かうにつれて徐々に上下方向の長さが短くなるように形成されており、その上下方向の長さは、全長にわたって例えば４ｍｍ以下である。

接眼光学部１３１の接眼部１１６は、後方（Ｙ軸負方向）に向けて突出した平凸レンズであって、前側の平面が、導光プリズム１１５の第１面１１７の右端部に接着され又は導光プリズム１１５と一体に形成される（図２参照）。接眼部１１６は、第１面１１７の位置での上下方向の長さが例えば４ｍｍ以下であって、接眼部１１６は、メガネ１０４を介した虚像観察装置１００の観察者による装着時に、観察者の眼球にほぼ対向することとなる。

インナー光学素子１３０から接眼光学部１３１の第３面１１９に入射する画像光は、第４面１２０において接眼部１１６の方向に反射される。さらに画像光は接眼部１１６から射出されることにより、観察者の眼球に入射し、観察者は画像を観察できるようになる。

なお、本実施形態では、虚像観察装置１００の各構成要素（照明プリズム１０７、表示素子１０８、接眼光学部１３１等）が上述の構成を有するものとして説明するが、これらはそのような構成を有するものに限定されない。例えば、照明プリズム１０７や接眼光学部１３１の形状及び寸法は、本例以外のものでもよい。また、表示素子１０８は、透過型表示素子以外にも、反射型表示素子（ＬＣＯＳ表示素子等）や、自発光型表示素子（有機ＥＬ等。その場合は光源１０６を省略できる。）等で、構成してもよい。また、光源１０６と照明プリズム１０７を、ＬＣＤ用の平面バックライトに置き換えてもよい。また、本体部１０１は、メガネ１０４に対して係合部材１０３以外の手段によって取り付け可能にしてもよいし、あるいはメガネ１０４と一体化（固定）されていてもよい。また、接眼光学部１３１は、本例のように左右方向に延在するように配置される場合以外にも、例えば接眼部１１６側が下側となるように上下方向に延在するように配置されてもよい。

次に、図４を参照して、インナー素子１３０の構成についてさらに詳しく説明する。図４（ａ）は、表示素子１０８及び導光部１０２を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う要部断面図である。図４（ａ）に示す例において、インナー光学素子１３０は、回動手段１４０によって２つの回動位置（第１回動位置と第２回動位置）に選択的に切換可能に構成されている。回動手段１４０は、回動シャフト１４２と、回動シャフト１４２の操作手段としての操作レバー１４１とを、有している。回動シャフト１４２は、上下方向に延在しており、上端部がインナー光学素子１３０の下部に固定されており、中間部が導光部１０２の筐体１３２に回動自在に支持されて、下端部が筐体１３２の外部に突出している。操作レバー１４１は、筐体１３２の外部に突出した回動シャフト１４２の下端部から、水平方向に前側（Ｙ軸正側）に向かって延在しており、使用者により手動操作可能である。操作レバー１４１、回動シャフト１４２、及びインナー光学素子１３０は、一体となって連動する。

また、回動手段１４０は、インナー光学素子１３０を第１及び第２回動位置のそれぞれで保持するための保持手段１４４を、さらに有している。本例において、保持手段１４４は、図４（ｂ）の断面図に示すように、各回動位置において、操作レバー１４１と回動方向の両側で係合して操作レバー１４１の回動を抑制するように、筐体１３２の下面に設けられた計４つ（各回動位置に対して２つずつ）の突起１３２ｂ（ストッパー）として、構成されている。回動する際には操作レバー１４１は保持手段１４４を乗り越えて回動し、第１又は第２回動位置まで回動すると保持手段１４４が操作レバー１４１の回動を抑制することにより、インナー光学素子１３０は当該回動位置で保持される。

本例において、インナー光学素子１３０は、直方体に形成されており、その水平断面形状は、２つの異なる辺長さａ、ｂ（ａ＜ｂ）を有する長方形である。操作レバー１４１の回動操作により、回動シャフト１４２が水平面内で９０度回動されると、インナー光学素子１３０は、これに連動して水平面内で９０度回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。インナー光学素子１３０は、第１及び第２回動位置において、画像光の入射面及び射出面が、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対して垂直となる。

操作レバー１４１が左側に切り換えられたとき、インナー光学素子１３０は、第１回動位置（図４（ａ）に実線で示す位置）に変位される。このとき、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みは、水平断面形状における短いほうの辺長さａに等しくなる。一方、操作レバー１４１が右側に切り換えられたとき、インナー光学素子１３０は、第２回動位置（図４（ａ）に二点鎖線で示す位置）に変位される。このとき、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みは、水平断面形状における長いほうの辺長さｂに等しくなる。このような構成によって、インナー光学素子１３０は、次に説明するように、第１回動位置にあるときと第２回動位置にあるときとで、画像光の透過光路の光路長を異ならせることができ、ゆえに虚像の前後方向の表示位置、すなわち視度を変化させることができる。

例えば、接眼光学部１３１の焦点距離fを26mmとし、第１回動位置及び第２回動位置におけるインナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みa, bをそれぞれ4
mm, 6mmとし、インナー光学素子１３０の屈折率を1.5とする。このとき、インナー光学素子１３０が第１回動位置から第２回動位置へと切り替えられる場合、表示素子１０８から観察者の眼球までに至る空気換算光路長の変化x'は、
x' = (6-4) - (6-4) / 1.5 = 0.666 mm
となる。したがって、虚像の前後方向の表示位置の変化Xは、レンズの公式（ニュートンの式）より、
X = f² / x' = 26² / 0.666 = 1015 mm
となり、すなわち約1D（ディオプタ）となる。
よって、この虚像観察装置１によれば、使用者は、操作レバー１４１の操作によって、例えば無限遠（0D）から1m先（-1D）への虚像表示位置の切り替えや、例えば2m先（-0.5D）から0.66m先（-1.5D）への虚像表示位置の切り替え等を、微妙な調整することなく容易に行うことができる。
虚像表示位置を観察者から遠くへ変位させる第１回動位置は、例えば観察者が屋外でウォーキング中で遠くの物を見ることが多い場合等に好適であり、虚像表示位置を観察者の近くへ変位させる第２回動位置は、例えば観察者がデスクワーク中で近くの物を見ることが多い場合等に好適である。

第１実施形態によれば、インナー光学素子１３０が、第１回動位置にあるときと第２回動位置にあるときとで、画像光の透過光路に沿う方向の厚みを異ならせて、画像光の透過光路の光路長を異ならせることにより、虚像の表示状態（視度）を変化させることができる。使用者は、このような光学的機能の調整を２段階の切り換えにより容易に行うことができる。
なお、本発明において、「虚像の表示状態を変化させる」とは、すなわち、視度、射出角度（眼幅）、画角等（第１実施形態では、視度）を変化させることにより、虚像の表示位置等を変化させることを指している。

図５は、保持手段１４４の変形例を示している。図５（ａ）は、表示素子１０８及び導光部１０２を示す斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う要部断面図である。本変形例において、保持手段１４４は、操作レバー１４１の上面に形成された１つの凹部１４１ａと、第１及び第２回動位置のそれぞれにおいて、操作レバー１４１の凹部１４１ａと係合して操作レバー１４１の回動を抑制するように、筐体１３２の下面に設けられた２つ（各回動位置に対して１つずつ）の突起１３２ｂとから、構成されている。
なお、保持手段１４４は、図４や図５の例のものに限られない。例えば、保持手段１４４は、操作レバー１４１の上面に形成された１つの突起と、第１及び第２回動位置のそれぞれにおいて、操作レバー１４１の突起と係合して操作レバー１４１の回動を抑制するように、筐体１３２の下面に形成された２つの凹部とから、構成されてもよい。

図６は、インナー光学素子１３０及び回動手段１４０の変形例を示している。本変形例について、図４の例と異なる部分を中心に説明する。図６（ａ）は、表示素子１０８及び導光部１０２を示す斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う要部断面図である。図６に示す例において、回動手段１４０は、回動シャフト１４２と、回動シャフト１４２の操作手段としての操作ホイール１４３とを、有している。回動シャフト１４２は、前後方向に延在しており、後端部（Ｙ軸負方向の端部）がインナー光学素子１３０の前部に固定されており、前端部が筐体１３２によって回動自在に支持されている。操作ホイール１４３は、筐体１３２の内部で、回動シャフト１４２と同心軸上に回動シャフト１４２に固定されている。操作ホイール１４３の上部及び下部は、それぞれ筐体１３２を貫通して外部に露出しており、その外部に露出した上下の部分が、使用者により手動操作可能である。操作ホイール１４３、回動シャフト１４２、及びインナー光学素子１３０は、一体となって連動する。

また、回動手段１４０は、インナー光学素子１３０を第１及び第２回動位置のそれぞれで保持するための保持手段１４４を、さらに有している。本例において、保持手段１４４は、操作ホイール１４３の前面（Ｙ軸正側の面）に対向する筐体１３２の内壁面に設けられた１つの突起１３２ｂと、第１及び第２回動位置のそれぞれにおいて、操作ホイール１４３の凹部１４３ａと係合して操作ホイール１４３の回動を抑制するように、操作ホイール１４３の前面に形成された２つ（各回動位置に対して１つずつ）の凹部１４３ａとから、構成されている。インナー光学素子１３０は、第１又は第２回動位置に切り換えられたときに、保持手段１４４が操作ホイール１４３の回動を抑制することにより、当該回動位置で保持される。
なお、保持手段１４４は、図６の例のものに限られない。例えば、保持手段１４４は、操作ホイール１４３の前面に形成された１つの突起と、第１及び第２回動位置のそれぞれにおいて、操作ホイール１４３の突起と係合して操作ホイール１４３の回動を抑制するように、筐体１３２の内壁面に形成された２つの凹部とから、構成されてもよい。

図６のインナー光学素子１３０は、直方体に形成されており、そのＸＺ平面に沿う鉛直断面形状は、２つの異なる辺長さａ、ｂ（ａ＜ｂ）を有する長方形である。操作ホイール１４３がＸＺ平面内で９０度回動されると、インナー光学素子１３０は、これに連動して、回動シャフト１４２を介してＸＺ平面内で９０度回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。インナー光学素子１３０は、第１及び第２回動位置において、画像光の入射面及び射出面が、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対して垂直となる。

インナー光学素子１３０は、第１回動位置（図６（ａ）に実線で示す位置）にあるとき、画像光の透過光路に沿う方向の厚みが、鉛直断面形状における短いほうの辺長さａに等しくなる。一方、インナー光学素子１３０は、第２回動位置（図６（ａ）に二点鎖線で示す位置）にあるとき、画像光の透過光路に沿う方向の厚みが、鉛直断面形状における長いほうの辺長さｂに等しくなる。したがって、図４の例と同様に、図６の例でも、第１及び第２回動位置の切換により、インナー光学素子１３０の透過光路に沿う方向の厚み、ひいては光路長を変化させて、光学的機能を変化させることができる。使用者は、このような光学的機能の調整を２段階の切り換えにより容易に行うことができる。

図７は、インナー光学素子１３０及び回動手段１４０の他の変形例を示している。本例では、インナー光学素子１３０の構成が図６の例と同じであり、回動手段１４０の構成が図６の例と異なる。本例の回動手段１４０は、回動シャフト１４２と、操作レバー１４１とを、有している。回動シャフト１４２は、前後方向に延在しており、後端部（Ｙ軸負方向の端部）がインナー光学素子１３０の前部に固定されており、中間部が導光部１０２の筐体１３２に回動自在に支持されて、前端部が筐体１３２の外部に突出している。操作レバー１４１は、筐体１３２の外部に突出した回動シャフト１４２の前端部から、下側に向かって延在しており、使用者により手動操作可能である。また、回動手段１４０は、インナー光学素子１３０を第１及び第２回動位置のそれぞれで保持するための保持手段１４４を、さらに有している。本例において、保持手段１４４は、各回動位置において、操作レバー１４１と回動方向の両側で係合して操作レバー１４１の回動を抑制するように、筐体１３２の前面に設けられた計４つ（各回動位置に対して２つずつ）の突起１３２ｂとして、構成されている。そして、操作レバー１４１がＸＺ平面内で９０度回動されると、インナー光学素子１３０はこれに連動して回動シャフト１４２を介してＸＺ平面内で９０度回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。本例の作用効果は、図６の例と同様である。

なお、第１実施形態において、インナー光学素子１３０の回動位置の切り換えにより、画像光の透過光路に沿う方向の厚みを変化させることができる限り、インナー光学素子１３０の形状は、直方体以外の形状でも良い。また、回動シャフト１４２の操作手段としては、操作レバー１４１や操作ホイール１４３以外のものを用いてもよい。また、回動位置の切り換え時での回動角度は、９０度以外の角度でもよい。

（第２実施形態）
図８〜図９を参照して、本発明の第２実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図８は、第２実施形態の虚像観察装置１００における表示素子１０８と導光部１０２の一部とを示す水平断面図である。本実施形態の構成は、インナー光学素子１３０を除いて、図４の例のものと同じである。図８では、操作手段と保持手段と導光部１０２の筐体１３２との図示を省略している。操作手段としては、操作レバー１４１や操作ホイール１４３等を使用可能である。

図８の例のインナー光学素子１３０は、水平断面形状が、略鉛直に延在する第１〜第４面１５１〜１５４によって区画されている。水平断面において、互いに対向する第２面１５２及び第４面１５４は、互いに同一長さにわたって平行に延びており、第３面１５３は第２面１５２及び第４面１５４に対して垂直である。第３面１５３に対向する第１面１５１は、インナー光学素子１３０の外側に向けて突出した凸状の曲面からなる。

このように構成されたインナー光学素子１３０は、操作手段に連動して上下に延在する回動シャフト１４２の回動により水平面内で９０度回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。インナー光学素子１３０は、第１回動位置（図８に実線で示す位置）にあるとき、凸曲面状の第１面１５１と平面状の第３面１５３とが、それぞれ表示素子１０８からの画像光の入射面及び射出面となり、インナー光学素子１３０は平凸レンズの機能を発揮する。したがって、画像光は、インナー光学素子１３０によって屈折され、収束されることとなる。一方、インナー光学素子１３０は、第２回動位置（図８に二点鎖線で示す位置）にあるとき、平面状の第２面１５２及び第４面１５４が、それぞれ表示素子１０８からの画像光の入射面及び射出面となり、インナー光学素子１３０はレンズ機能を発揮しない。なお、このとき第２面１５２及び第４面１５４は、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対して垂直となる。また、図８の例では、第１回動位置でのインナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みａよりも、第２回動位置でのインナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みｂのほうが長い。

第２実施形態によれば、インナー光学素子１３０は、第１回動位置にあるときと第２回動位置にあるときとで、異なるレンズパワーを有するので、第１回動位置と第２回動位置とで視度、画角といった虚像の表示状態に関する光学的機能を変化させることができる。使用者は、このような光学的機能の調整を２段階の切り換えにより容易に行うことができる。また、本実施形態によれば、レンズ機能を用いない第１実施形態と比べて、インナー光学素子１３０を大型化させることなく、回動位置の切り換えによって視度等の光学的機能をより大きく変化させることも可能である。

なお、第２実施形態では、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みが、回動位置の切り換えの前後で、同じとなるようにしてもよい。

また、図８の例に限られず、インナー光学素子１３０の第１〜第４面１５１〜１５４は、それぞれ、インナー光学素子１３０の外側に向けて突出した凸状の曲面、内側に向けて窪んだ凹状の曲面、又は平坦面のいずれからなってもよい。例えば、図９に示す変形例では、互いに対向する第１面１５１及び第３面１５３が凸状の曲面からなり、互いに対向する第２面１５２及び第４面１５４が凹状の曲面からなる。このように構成されたインナー光学素子１３０は、例えば、第１回動位置にあるときに、凸曲面状の第１面１５１及び第３面１５３が、それぞれ表示素子１０８からの画像光の入射面及び射出面となり、インナー光学素子１３０は両凸レンズの機能を発揮する。したがって、画像光は、インナー光学素子１３０によって屈折され、収束されることとなる。一方、インナー光学素子１３０は、第２回動位置にあるときに、凹曲面状の第２面１５２及び第４面１５４が、それぞれ表示素子１０８からの画像光の入射面及び射出面となり、インナー光学素子１３０は両凹レンズの機能を発揮する。したがって、画像光は、インナー光学素子１３０によって屈折され、発散されることとなる。本変形例のインナー光学素子１３０は、第１及び第２回動位置の切換により、図８の例に比べて、レンズパワーをより大きく変化させて、視度、画角等の虚像の表示状態に関する光学的機能をより大きく変化させることができる。

（第３実施形態）
図１０を参照して、本発明の第３実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図１０は、第３実施形態の虚像観察装置１００における表示素子１０８と導光部１０２の一部とを示す水平断面図であり、図８に対応する図である。図１０の例のインナー光学素子１３０は、直方体に形成されており、その水平断面形状は長方形である。インナー光学素子１３０の鉛直に延在し水平断面形状を区画する４つの面を、第１〜第４面１５１〜１５４とする。

本実施形態において、インナー光学素子１３０は、操作手段の回動操作により、上下に延在する回動シャフト１４２が水平面内で９０度未満の任意の角度（図１０の例では、４５度）だけ回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。互いに平行な第１面１５１及び第３面１５３は、第１回動位置及び第２回動位置の両方において、それぞれ表示素子１０８からの画像光の入射面及び射出面となる。インナー光学素子１３０は、第１回動位置（図１０に実線で示す位置）にあるときと、第２回動位置（図１０に二点鎖線で示す位置）にあるときとで、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対する入射面（第１面１５１）及び射出面（第３面１５３）の傾斜角度が変化し、ゆえに第３面１５３から射出された画像光の中心光線ＣＲが変位（シフト）される。

本実施形態によれば、インナー光学素子１３０は、第１回動位置にあるときと第２回動位置にあるときとで、画像光の入射方向に対する入射面や射出面の傾斜角度を変化させることができるので、画像光の射出角度の調整が可能となる。つまり、虚像表示状態に関する光学的機能を変化させることができる。使用者は、このような光学的機能の調整を２段階の切り換えにより容易に行うことができる。本実施形態の虚像観察装置１００は、虚像表示位置を観察者の視野正面（画像を見やすい位置）と正面を外した位置（実視界の邪魔になりにくい位置）とで切り替えるのに特に好適であり、観察者の眼の位置に応じて眼幅調整（アライメント調整）して、ケラレを防止するのにも好適である。

（第４実施形態）
図１１を参照して、本発明の第４実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図１１は、第４実施形態の虚像観察装置１００における表示素子１０８と導光部１０２の一部とを示す水平断面図であり、図８に対応する図である。本実施形態の虚像観察装置１００は、インナー光学素子１３０として第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂを有する。第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂは、それぞれ直方体に形成されており、左右方向に互いから離間されている。また、本実施形態の虚像観察装置１００は、回動手段１４０として、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂをそれぞれ回動させるための第１及び第２回動シャフト１４２ａ、１４２ｂと、第１及び第２回動シャフト１４２ａ、１４２ｂを個別に操作可能な操作手段（図示せず）とを、有している。第１及び第２回動シャフト１４２ａ、１４２ｂは、上下に延在しており、画像光の中心光線ＣＲを間に挟んで前後方向に互いに反対側に配置されている。ただし、第１及び第２回動シャフト１４２ａ、１４２ｂは、画像光の中心光線ＣＲに対して前後方向に同じ側に配置されてもよい。

第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂは、個別に、それぞれ第１及び第２回動シャフト１４２ａ、１４２ｂに連動して水平面内で９０度回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂは、それぞれ、第１回動位置（図１１に実線で示す位置）にあるとき、画像光の入射方向（Ｘ軸方向）に対して垂直な向きで、画像光の光路内に配置される。一方、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂは、それぞれ第２回動位置（図１１に二点鎖線で示す位置）にあるとき、画像光の入射方向と平行な向きで、画像光の光路から外れた位置に配置される。本例では、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂのいずれか一方が第１回動位置にあって、他方が第２回動位置にある（すなわちいずれか一方のインナー光学素子のみが画像光の光路内にある）場合と、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの両方が第１回動位置にある（すなわち両方のインナー光学素子が画像光の光路内にある）場合と、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの両方が第２回動位置にある（すなわち両方のインナー光学素子が画像光の光路内にない）場合との、計４通りの切換パターンが可能である。

本実施形態では、各インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂを、画像光の光路内に配置される第１回動位置と、画像光の光路内に配置されない第２回動位置とで、切り換えることができるので、インナー光学素子１３０全体としての、透過光路に沿う方向の厚みひいては光路長等を変化させて、視度等の虚像表示状態に関する光学的機能を変化させることができる。使用者は、このような光学的機能の調整を段階的な切り換えにより容易に行うことができる。

さらに、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの第１回動位置での画像光の透過光路に沿う方向の厚みｃ、ｄを、それぞれ異ならせた場合には、第１インナー光学素子１３０ａのみが光路内に配置される場合と第２インナー光学素子１３０ｂのみが光路内に配置される場合とで、光路長を変化させることができる。
また、これに代えて、あるいはこれに加えて、第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの材料ひいては屈折率をそれぞれ異ならせた場合も、第１インナー光学素子１３０ａのみが光路内に配置される場合と第２インナー光学素子１３０ｂのみが光路内に配置される場合とで、インナー光学素子１３０の屈折率を変化させて、虚像の表示位置等の光学的機能を変化させることができる。

なお、インナー光学素子１３０として、図１１の例のように２つのインナー光学素子１３０ａ、１３０ｂを設ける場合に限られず、１つのみ又は３つ以上のインナー光学素子を設けてもよい。

（第５実施形態）
図１２〜図１３を参照して、本発明の第５実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。図１２は、第５実施形態の虚像観察装置１００における導光部１０２を示す水平断面図である。本実施形態では、本体部１０１の光学素子を導光部１０２に内蔵させたものである。導光部１０２は、表示素子１０８と、筐体１３２と、光源部１０６と、接眼光学部１３１と、インナー光学素子１３０と、インナー光学素子１３０のための回動手段１４０と、シャッター１６０と、シャッター１６０のための移動手段１６３とを、有している。表示素子１０８は、反射型の表示素子に構成されている。また、本実施形態の虚像観察装置１００は、インナー光学素子１３０の回動位置に応じて光源１０６のＯＮ、ＯＦＦを切り換える手段（図示なし）を備えている。

表示素子１０８と接眼光学部１３１との間の光路内に配置されたインナー光学素子１３０は、図８の例と同様の形状からなり、すなわち、水平断面形状を区画する第１〜第４面１５１〜１５４のうち、第１面１５１が凸状の曲面からなる。また、インナー光学素子１３０には、第１面１５１と第２面１５２との間の角部１５５から、第３面１５３と第４面１５４との間の角部１５６までに至る、対角線上に沿って、ハーフミラー１５７が施してある。インナー光学素子１３０のための回動手段１４０は、回動シャフト１４２と、操作ホイール１４３とを、有する。回動シャフト１４２は、上下方向に延在しており、上端部がインナー光学素子１３０の下部に固定されており、中間部が導光部１０２の筐体１３２に回動自在に支持されて、下端部が筐体１３２の外部に突出している。操作ホイール１４３は、回動シャフト１４２と同心軸上に、筐体１３２の外部に突出した回動シャフト１４２の下端部に固定されている。また、回動手段１４０は、インナー光学素子１３０を第１及び第２回動位置のそれぞれで保持するための保持手段１４４を、さらに有している。本例において、保持手段１４４は、操作ホイール１４３の上面に対向する筐体１３２の下面に設けられた１つの突起１３２ｂと、第１及び第２回動位置のそれぞれにおいて、筐体１３２の突起１３２ｂと係合して操作ホイール１４３の回動を抑制するように、操作ホイール１４３の上面に形成された２つ（各回動位置に対して１つずつ）の凹部１４３ａとから、構成されている。
操作ホイール１４３が水平面内で９０度回動されると、インナー光学素子１３０は、これに連動して、回動シャフト１４２を介して水平面内で９０度回動されて、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に変位される。

光源１０６は、インナー光学素子１３０の後方側（Ｙ軸負側）で、筐体１３２の内面に固定されている。一方、インナー光学素子１３０の前方側において、筐体１３２には外部環境からの外光を取り入れることができる窓１３２ａが形成されている。シャッター１６０は、筐体１３２の内部にて、左右方向（Ｘ軸方向）に移動されることにより、窓１３２ａを開閉可能である。シャッター１６０のための移動手段１６３は、ラック１６１と、ピニオンギア１６２とを、有する。ピニオンギア１６２は、筐体１３２の底壁とインナー光学素子１３０との間で、回動シャフト１４２と同心軸上に回動シャフト１４２に固定されている。ラック１６１は、その上部がシャッター１６０の下部に固定されており、その後端部で左右方向に配列された歯が、ピニオンギア１６２の歯と噛み合っている。これにより、ピニオンギア１６２が回動シャフト１４２に連動して水平面内で回動されると、ラック１６１が左右方向に移動されて、シャッター１６０が窓１３２ａを開閉する。

このように構成された虚像観察装置１００では、以下に詳しく説明するように、表示素子１０８に入射される照明光が、内部の光源１０６からの内部照明と、外部環境からの光による外部照明とに切り換え可能である。よって、インナー光学素子１３０の第１回動位置又は第２回動位置への変位に連動して、虚像の表示位置等の光学的機能が変化されるのに加えて、外部照明と内部照明とが切り換えられる。

インナー光学素子１３０が第１回動位置にあるときは、図１２に示すように、凸曲面状の第１面１５１が表示素子１０８と対向し、第１面１５１及び第３面１５３がそれぞれ画像光の入射面及び射出面となる。また、内部照明を用いるべく、光源１０６はＯＮ状態にあり、シャッター１６０は右側（Ｘ軸負側）に変位されていて窓１３２ａを閉状態にしている。光源１０６からの照明光（内部照明）は、インナー光学素子１３０の第４面１５４に入射して、その一部がハーフミラー１５７により反射されて、第１面１５１から射出され、表示素子１０８に入射する。その後、照明光は、表示素子１０８により反射されて画像光に変調されて射出され、インナー光学素子１３０の第１面１５１に入射し、ハーフミラー１５７を透過して、第３面１５３から射出される。このとき、インナー光学素子１３０は、画像光に対して平凸レンズの機能を発揮する。

一方、インナー光学素子１３０が第２回動位置に切り換えられると、図１３に示すように、凸曲面状の第１面１５１が光源１０６と対向し、第２面１５２及び第４面１５４がそれぞれ画像光の入射面及び射出面となる。また、外部照明を用いるべく、光源１０６はＯＦＦ状態に切り換えられ、シャッター１６０は左方向に移動されて窓１３２ａを開状態にする。窓１３２ａからの外光（外部照明）は、インナー光学素子１３０の第３面１５３に入射して、その一部がハーフミラー１５７により反射されて、第２面１５２から射出され、表示素子１０８に入射する。その後、照明光は、表示素子１０８により反射されて画像光に変調されて射出され、インナー光学素子１３０の第２面１５２に入射されて、ハーフミラー１５７を透過して、第４面１５４から射出される。このとき、インナー光学素子１３０は、画像光に対してレンズ機能を発揮しない。

第５実施形態では、インナー光学素子１３０の第１回動位置又は第２回動位置への変位に連動して、第２実施形態と同様にインナー光学素子１３０のレンズパワーを変化させて、視度、画角等の虚像表示状態に関する光学的機能を変化させるとともに、内部照明と外部照明とが切り換えられる。使用者は、このような光学的機能の調整及び照明の切り換えを、２段階で容易に行うことができる。特に、図１２〜図１３の例のように、レンズ機能及び内部照明が用いられる第１回動位置は、例えば観察者が屋内でデスクワークをする場合等に好適であり、レンズ機能が用いられずに外部照明が用いられる第２回動位置は、例えば観察者が屋外でウォーキングする場合等に好適である。

なお、図１２〜図１３の例におけるインナー光学素子１３０の代わりに、上述した他の各種のインナー光学素子１３０を用いることもできる。このような場合も、インナー光学素子１３０の回動位置の切り換えに連動して、光学的機能及び照明光の切り換えが可能である。
例えば、図４の例におけるインナー光学素子１３０を用いた場合には、インナー光学素子１３０の回動位置の切り換えに連動して、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚み、ひいては光路長を変化させて、視度（ひいては虚像表示位置）等の光学的機能を変化させるとともに、内部照明と外部照明とを切り換えることができる。この場合、内部照明を用いる第１回動位置で、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みが短くなり、外部照明を用いる第２回動位置で、インナー光学素子１３０の画像光の透過光路に沿う方向の厚みが長くなるようにすると、好適である。

なお、上述した各実施形態におけるインナー光学素子１３０には、他の実施形態におけるインナー光学素子１３０の特徴を組み合わせてもよい。また、第１〜３及び第５実施形態におけるインナー光学素子１３０や、第４実施形態における第１及び第２インナー光学素子１３０ａ、１３０ｂの回動位置の切り換えは、３段階以上で行われるようにしてもよい。また、上述した各実施形態において、インナー光学素子の回動位置の切り換えは、使用者によるボタン等の操作に応じて回動シャフト１４２を電気的に回動させる手段により行われるようにしてもよい。

１００：虚像観察装置、１０１：本体部、１０２：導光部、１０３：係合部材、１０４：メガネ、１０５：テンプル、１０６：光源、１０７：照明プリズム、１０８：表示素子、１０９：入射面、１１０：射出面、１１１：反射面、１１２：開口、１１３：マスク、１１４：筐体、１１５：導光プリズム：１１６：接眼部、１１７：第１面、１１８：第２面、１１９：第３面、１２０：第４面、１３０、１３０ａ、１３０ｂ：インナー光学素子、１３１：接眼光学部、１３２：筐体、１３２ａ：窓、１３２ｂ：突起、１４０：回動手段、１４１：操作レバー、１４１ａ：凹部、１４２、１４２ａ、１４２ｂ：回動シャフト、１４３：操作ホイール、１４３ａ：凹部、１４４：保持手段、１５１：第１面、１５２：第２面、１５３：第３面、１５４：第４面、１５５、１５６：角部、１５７：ハーフミラー、１６０：シャッター、１６１：ラック、１６２：ピニオンギア、１６３：移動手段、ＣＲ：中心光線

Claims

表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の光路内に配置されるインナー光学素子と、
を備え、
前記インナー光学素子は、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に回動可能であり、第１回動位置にあるときと第２回動位置にあるときとで、画像光の入射方向に対する入射面および射出面の傾斜角度を変化させることで、画像光の射出角度を変化させ、虚像の表示位置を変化させることを特徴とする、虚像観察装置。
前記インナー光学素子は、手動により前記第１回動位置又は前記第２回動位置に選択的に切換可能である、請求項１に記載の虚像観察装置。
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の光路内に配置される複数のインナー光学素子と、
を備え、
前記複数のインナー光学素子は、それぞれ、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に回動可能であり、
前記複数のインナー光学素子は、それぞれ、前記第１回動位置にあるときと前記第２回動位置にあるときとで、画像光の光路内に位置するか否かが異なり、
前記複数のインナー光学素子のそれぞれの前記第１回動位置又は前記第２回動位置への変位により、前記複数のインナー光学素子の全体としての屈折率が変化する、虚像観察装置。
前記インナー光学素子は、前記第１回動位置と前記第２回動位置とで、視度を変化させる、請求項３に記載の虚像観察装置。
表示素子と、
前記表示素子からの画像光を観察者の眼球に導光して、拡大された虚像として表示させる接眼光学部と、
前記表示素子と前記接眼光学部との間の光路内に配置されるインナー光学素子と、
外光を取り入れる窓と、
内部光源と、
を備え、
前記インナー光学素子は、第１回動位置又は第２回動位置に選択的に回動可能であり、
前記インナー光学素子はハーフミラーを有し、
前記ハーフミラーは、前記インナー光学素子が前記第１回動位置にあるときにおいて、前記内部光源からの内部照明光を前記表示素子に向けて反射し、前記インナー光学素子が前記第２回動位置にあるときにおいて、前記外光を取り入れる窓からの外部照明光を前記表示素子に向けて反射することを特徴とする、虚像観察装置。