JP3346641B2 - 映像表示装置 - Google Patents
映像表示装置Info
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Description
特に、観察者の頭部又は顔面に保持することが可能な頭
部又は顔面装着式映像表示装置に関する。
の映像を表示するCRT、LCD等のディスプレイは、
観察者の没入感、迫力感をより大きく体感したいという
要求のために、表示画面はより大きく、より高解像のも
のが要求されている。また、近年では、仮想現実感(バ
ーチャルリアリティ)の効果を得るために大型のディス
プレイが種々開発されており、その条件としても、ま
た、広画角、高解像があげられる。
を拡大視して観察することができれば、観察画角は大き
くなり、没入感、迫力感が増大し、さらにバーチャルリ
アリティ等の効果を得ることができるため、頭部装着式
の小型の映像表示装置が種々開発されている。
て配置した接眼光学系と、偏心して配置したリレー光学
系と、偏心補正光学系を利用した映像表示装置を発明
し、既に特願平5−21208号として出願している。
この実施例を図21に示す。図において、22は観察者
瞳位置、23は接眼凹面鏡、24は観察者の視軸、28
は偏心補正光学系、34は2次元画像表示素子、35は
リレー光学系である。
した上記特願平5−21208号の映像表示装置の更な
る改良の必要性を見出した。これを以下に説明する。頭
部に装着する映像表示装置の接眼光学系として偏心した
拡大鏡を用いた場合、観察者の瞳位置から接眼光学系ま
での距離は、観察者の眼の回りに干渉せず、圧迫感が生
じない程度の間隔である30mm以上が好ましいが、一
方、小型で広画角、高解像を実現するためには、できる
だけ短い方がよい。また、観察者の瞳の直後の視軸と接
眼光学系で反射した後の視軸のなす角度は、顔面又は頭
部に干渉しないためには、40°以上は必要となるが、
できるだけこの角度が小さい方が収差の発生は少なくな
る。
た映像表示装置の場合、観察者が掛けた眼鏡と光学系が
干渉したり、光路が遮断されることがある程度予想され
るため、眼鏡を掛けたまま2次元画像表示素子の電子像
を観察することは、困難な場合が考えられる。そのた
め、観察者の視力に合わせて映像表示装置の視度を補正
することが重要である。しかしながら、上述の従来の技
術に示したような接眼光学系、偏心補正光学系、リレー
光学系、及び、2次元画像表示素子によって構成され
た、広画角、高解像力を有する比較的複雑な光学系の構
成による映像表示装置における視度補正方法は実現され
ていなかった。
されたものであり、その目的は、映像表示装置の光学系
を構成する光学要素である接眼光学系、偏心補正光学
系、リレー光学系、及び、2次元画像表示素子の少なく
とも1つの光学要素を移動させるという簡単な方法によ
って、視度補正を実現することができる映像表示装置を
提供することである。
明の映像表示装置は、映像を形成する画面を有する映像
表示素子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成する
リレー光学系と、前記リレー像を観察者眼球内に投影す
るために前記リレー光学系を通過した光束によって射出
瞳を形成する接眼光学系と、前記リレー光学系と前記接
眼光学系との間に、複数の光学面を有し最も前記リレー
光学系側の面と最も前記接眼光学系側の面とが互いに偏
心配置された偏心補正光学系とを備え、前記映像表示素
子の画面、前記リレー光学系の光学面、前記偏心補正光
学系の光学面、もしくは、前記接眼光学系の中の少なく
とも1つの光学要素が、視度が補正されるように移動可
能に設けられていることを特徴とするものである。
つの光学要素は、光軸から偏心して移動するようにする
ことが望ましい。
光学要素を移動させても、観察者の瞳から前記2次元画
像表示素子までの距離が変化しないように配置すること
もできる。
原理の説明に基づいて説明する。図8に本発明の映像表
示装置(後記の実施例1)の光学系の光路図を示す。図
8に示す通り、光学系全体の構成は、観察像を表示する
2次元画像表示素子5と、この2次元画像表示素子5の
実像を空中に投影するリレー光学系4と、その実像を空
中に拡大投影する接眼光学系2と、上記リレー光学系4
と接眼光学系2の間に配備され、それぞれの面が偏心し
ている偏心補正光学系3とからなる。ここで、上記偏心
補正光学系3は、反射後の視軸7から偏心して配備され
た接眼光学系2による像面の傾き及び湾曲の補正、及
び、光軸を傾けるためのものである。
用のレンズ等を光路中に挿入する方法も考えられるが、
上記の構成による映像表示装置においては困難である。
観察者の瞳1と接眼光学系2の間には、コンタクトレン
ズ以外のものを挿入することは無理である。接眼光学系
2と偏心補正光学系3の間は、光線が縦横無尽に通って
いるため、何も挿入することはできない。偏心補正光学
系3とリレー光学系4の間、及び、リレー光学系4と2
次元画像表示素子5の間も空間的な余裕がなく、逆に、
何れかの間隔にその余裕を作ると、装置がより大きく、
複雑になってしまう。
素の何れか1つを移動することで、光学系の全体のパワ
ー配置を変化させて簡単に視度補正を行うことができれ
ば、装置全体を大きくすることなく、安価に映像表示装
置に付加価値を与えることができる。
像表示装置の視度補正要素であるパワーを持った光学要
素を移動させる場合の光線の挙動を、薄肉レンズによる
近軸理論を用いて説明する。図7に薄肉レンズによる近
軸光線追跡を示す。薄肉レンズLの焦点距離をf、パワ
ーをφとする。図7に示すように、物点Pと像点P’は
共役であり、レンズLから物点P、像点P’までの距離
をs(ただし、図ではマイナス)、s’、物点P、像点
P’での近軸光線の傾角をu(ただし、図ではマイナ
ス)、u’、レンズLでの光線高をhとすると、この場
合の結像の基本式は、 u’=u+hφ ・・・・・(1) 1/s’=1/s+1/f ・・・・・(2) で表される。
した場合の光線を図7に破線で示す。光線高がΔh低く
なり、像点側の傾角がu”、レンズLから像点までの距
離がs”になるとする。傾角について、式(1)のhが
h−Δhとなるため、u”は、 u”=u+(h−Δh)φ ・・・・・(3) で表され、h>0,Δh>0,φ>0であるから、式
(1)と式(3)を比べると、 u’>u” ・・・・・(4) が言える。
ては、式(2)のsがs−Δsとなるため、s”は、 1/s”=1/(s−Δs)+1/f ・・・・・(5) で表され、s<0,Δs<0であるから、式(2)と式
(5)を比べると、 s’<s” ・・・・・(6) が言える。
移動に伴う光線高、傾角等も式(1)、(2)に基づい
て変化すると考えればよい。
の移動量の目安はどのように決められるかを、リレー光
学系を例にして説明する。全光学系の焦点距離をfa 、
物側焦点位置から物点までをz(ただし、図ではマイナ
ス)、像側焦点位置から像点までをz’とする。図7に
おいて、レンズLを本発明の映像表示装置の全光学系と
みなして、fa とzの関係を示した。焦点基準の結像式
は、 z・z’=−fa 2 ・・・・・(7) で表される。ここで、リレー光学系の焦点距離をf1 、
その他の光学要素の倍率をβとすると、 fa =f1 ×β ・・・・・(8) で表される。また、視度を表すジオプターDは、 D=−z’/1000 ・・・・・(9) と表される。リレー光学系を視度補正要素として、その
補正移動量をΔzとすると、式(7)のzをΔzと置き
換え、式(8)、(9)より、 Δz=−fa 2 /z’=−D×(f1 ×β)2 /1000 ・・・(10) となり、例えば−2ジオプターの視度補正をするために
は、f1 =30mm、β=0.7とすれば、リレー光学
系は約0.9mm像側に移動させればよいことになる。
系全体のパワー配置について説明し、近視及び遠視に対
応する視度補正方法を説明する。図1に光学系全体のパ
ワー配置と近軸光線追跡を示す。図において、1は瞳、
2は接眼反射光学系、3は偏心補正光学系、4はリレー
光学系、5は2次元画像表示素子面(物体面)、10は
リレー光学系によって形成された実像、11は物体近軸
光線、12は瞳近軸光線である。説明の都合上、光線は
瞳1から2次元画像表示素子5に向かう逆追跡としてい
る。
強すぎて、近くの物体しか網膜上に結像しない状態であ
り、瞳であたかも正の屈折力を持つような光線を光学系
で作る必要がある。逆に、遠視の場合は瞳であたかも負
の屈折力を持つような光線を作る必要がある。近視の場
合の光線追跡を図2に、遠視の場合の光線追跡を図3に
示す。図2、図3より明らかなように、近視の場合は、
正常に比べて瞳に近い位置に物体位置51があり、反対
に遠視の場合は、遠い位置に物体位置52がある。視度
補正とは、これらのずれた物体位置51、52を光学系
を移動して、2次元画像表示素子がある正常の場合の物
体位置50に合わせることである。
のみとする。遠視についての視度補正は、近軸において
は通常その逆の移動になると考えてよいためである。接
眼光学系2を視度補正要素とした場合の光線追跡を図4
に示すが、補正前の光線追跡を実線15、補正後の光線
追跡を点線16で示す。ただし、移動後の各要素の位置
は「’」又は「”」記号を付けて記述することにする。
図に示すように、接眼光学系2の瞳1から離れるような
移動は、瞳1と接眼光学系2、偏心補正光学系3と接眼
光学系2の距離を長くすることになる。接眼光学系2で
の、光線高は低くなり、屈折角は小さくなる。偏心補正
光学系3は3’の位置になり、入射角が小さいため、屈
折角は小さくなる。その後のリレー光学系は4が4’
に、2次元画像表示素子は5が5’になっているが、パ
ワー配置は変わっていないので、図の点線16のように
元の物体位置5’(図2)になる。
合の光線追跡を図5に示す。図の構成は図4と同じであ
る。図に示すように、偏心補正光学系3を瞳側の位置
3”に移動することで、実像位置が偏心補正光学系3に
近くなり、光線高が低くなるため、屈折角が小さくな
り、物体位置を遠くにすることができる。
の光線追跡を図6に示す。図に示すように、リレー光学
系4を瞳側の位置4”に移動することで、屈折位置が実
像10(図1〜図3)に近くなるため、屈折角が小さく
なり、物体位置を遠くにすることができる。また、リレ
ー光学系4の各レンズをそれぞれ組み合わせるか、ある
いは、単独に移動させることも視度の補正に有効であ
る。リレー光学系4のあるレンズを移動することは、リ
レー光学系4の主点位置を変えることとなり、物体位置
を移動させ、視度補正が可能となる。
合は、図2〜図3に示すように、近視の場合は瞳1側
に、遠視の場合はその逆側にできる物体位置51、52
に2次元画像表示素子5を移動すればよいことは明らか
である。
を組み合わせて視度補正を行うことは当然可能である。
また、観察画角が広く、それぞれの光学要素が偏心して
いるような場合は、特に近軸理論に当てはまらないこと
が多く、視度補正要素を複数にしなければ、発生する収
差量が大きくなることも考えられる。また、それぞれの
光学要素が偏心して配備されている場合は、視度補正要
素も偏心して移動する方が収差の発生を抑えるのに有効
である。
までの距離を変えずに、視度補正要素だけを移動して視
度補正を行うことができれば、装置全体の大きさが変わ
らないため、装置の外観はシンプルであり、視度補正の
ための可動部分を小さくできるのでさらに望ましい。
〜8を用いて本発明の映像表示装置を説明するが、座標
系は、観察者の瞳1を原点として、水平方向の右から左
を正方向とするY軸、観察者の視軸方向の眼球側から接
眼光学系2側を正方向とするZ軸、上下方向の上から下
を正方向とするX軸と定義される。
瞳側より、1は観察者の瞳、2は接眼光学系、3は偏心
補正光学系、4はリレー光学系、5は2次元画像表示素
子である。
においては、実線が0ジオプターにおける光学系の配置
を、点線が−6ジオプターにおける光学系の配置を示
し、光線追跡は何れについても実線で行っている。この
実施例において、視度補正要素は、接眼光学系2のみで
あり、視度によってY−Z面内を移動することで視度補
正を行う。図において、近視の場合は瞳1からの距離は
短く(Zはマイナス)、上方向(Yはプラス)に移動
し、遠視の場合は、Z,Y共に逆に移動する。
度補正要素とした場合、Z方向にのみ移動することで
も、有効に視度補正を行うことができる。
図においては、実線が0ジオプターにおける光学系の配
置を、点線が−6ジオプターにおける光学系の配置を示
し、光線追跡は何れについても実線で行っている。この
実施例において、視度補正要素は、偏心補正光学系3の
みであり、Y−Z面内を移動することで視度補正を行
う。図において、近視の場合は接眼光学系2側(Zはプ
ラス)、及び、下方向(Yはマイナス)に移動し、遠視
の場合は、Z,Y共に逆に移動する。つまり、ある点を
中心に偏心補正光学系3を傾けることで、視度補正を行
うことができる。
を示す。図11は0ジオプター、図12は−3ジオプタ
ー、図13は−6ジオプター、図14は+2ジオプター
における光学系のそれぞれの配置を示し、光線は視軸上
の光線と瞳1周辺を通り視軸上の2次元画像表示素子5
の点に到る光線のみを示してある。この実施例におい
て、視度補正要素は、偏心補正光学系3、リレー光学系
4、2次元画像表示素子5であり、これらを同時に移動
することで視度補正を行う。近視の場合(図12、図1
3)は接眼光学系2側(Zはプラス)、及び、上方向
(Yはプラス)に移動し、遠視の場合(図14)は、
Z,Y共に逆に移動する。
ら2次元画像表示素子5までをリレー光学系4の光軸に
沿って平行に移動することでも、視度補正を行うことが
可能である。
図においては、実線が0ジオプターにおける光学系の配
置を、点線が−6ジオプターにおける光学系の配置を示
し、光線追跡は何れについても実線で行っている。この
実施例において、視度補正要素は、リレー光学系4の第
1レンズのみであり、視度によって軸からずれて移動す
ることで視度補正を行うが、光学系の全長は変化しな
い。図において、近視の場合は、2次元画像表示素子5
側(Zはプラス)、及び、上方向(Yはプラス)に移動
し、遠視の場合はZ,Y共に逆に移動する。
を示す。図16は0ジオプター、図17は−6ジオプタ
ーにおける光学系のそれぞれの配置を示し、光線は視軸
上の光線と瞳1周辺を通り視軸上の2次元画像表示素子
5の点に到る光線のみを示してある。この実施例におい
て、視度補正要素は、リレー光学系4全体であり、リレ
ー光学系4内の間隔は変えずにY−Z面内でリレー光学
系4の中心軸に沿って移動することで視度補正を行う。
近視の場合(図17)は、接眼光学系2側(Zはプラ
ス)、上方向(Yはプラス)に移動し、遠視の場合は、
Z,Y共に逆に移動する。
図においては、実線が0ジオプターにおける光学系の配
置を、点線が−6ジオプターにおける光学系の配置を示
し、光線追跡は何れについても実線で行っている。この
実施例において、視度補正要素は、リレー光学系4の第
2〜第5レンズのみであり、リレー光学系4の中心軸に
沿って平行に移動することで視度補正を行うが、光学系
の全長は変化しない。図において、近視の場合は2次元
画像表示素子5側に移動し、遠視の場合はその逆に移動
する。
図においては、実線が0ジオプターにおける光学系の配
置を、点線が−6ジオプターにおける光学系の配置を示
し、光線追跡は何れについても実線で行っている。この
実施例において、視度補正要素は、リレー光学系4の第
2、第3レンズの接合レンズのみであり、リレー光学系
4の中心軸に沿って移動することで視度補正を行う。光
学系の全長は変化しない。図において、近視の場合は2
次元画像表示素子5側に移動し、遠視の場合はその逆に
移動する。
図においては、実線が0ジオプターにおける光学系の配
置を、点線が−6ジオプターにおける光学系の配置を示
し、光線追跡は何れについても実線で行っている。この
実施例において、視度補正要素は、2次元画像表示素子
5のみであり、偏心して移動することで視度補正を行
う。図において、近視の場合はリレー光学系4から2次
元画像表示素子5までの距離は短くなり、時計回りに回
転(Aはマイナス)するように移動し、遠視の場合はリ
レー光学系4から2次元画像表示素子5までの距離は長
くなり、反時計回りに回転(Aはプラス)するように移
動する。
5をリレー光学系4の後の屈折した光軸に沿って平行に
移動することでも、視度補正を行うことが可能である。
が、面番号は観察者虹彩位置1から2次元画像表示素子
5へ向かう逆追跡の面番号として示してある。また、構
成パラメータ中の偏心量と傾き角は、接眼光学系2につ
いては、Y軸方向及びZ軸方向への偏心量が与えられ、
Y軸方向への偏心量はその面頂が射出瞳1中心を通る視
軸(Z軸方向)からY軸方向へ偏心している距離であ
り、Z軸方向への偏心量はその面頂が面間隔で与えられ
た基準位置からZ軸方向へ偏心している距離であり、偏
心補正光学系3については、各面の面頂の射出瞳1中心
からのY軸正方向及びZ軸正方向への偏心量と、その面
頂を通る中心軸のZ軸方向からの傾き角が与えられてい
る。面の中心軸の傾き角は、Z軸正方向からY軸正方向
へ向かう回転角(図で、反時計回り)が正方向の角度と
して与えられる。リレー光学系4については、その第1
面の面頂が偏心補正光学系3の各面と同様に与えられ、
その面頂を通る中心軸が光軸となり、その光軸の傾き角
が同様に与えられる。また、2次元画像表示素子5につ
いては、リレー光学系4の光軸が2次元画像表示素子5
から接眼光学系2に向かう方向を正とするZ軸となり、
紙面でZ軸に直交し、2次元画像表示素子5の右から左
を正とする軸がY軸、紙面の上から下を正とする軸がX
軸になり、その座標系におけるY軸正方向へのその中心
の偏心量と、その面の法線のZ軸からの傾き角とで与え
られる。
において、非回転対称の非球面形状は、Ry 、Rx はそ
れぞれY−Z面(紙面)内の近軸曲率半径、X−Z面内
での近軸曲率半径、Kx 、Ky はそれぞれX方向、Y方
向の円錐係数、AR、BRはそれぞれ回転対称な4次、
6次の非球面係数、AP、BPはそれぞれ非対称な4
次、6次の非球面係数とすると、非球面式は以下に示す
通りである。
{ 1-(1+Kx ) ( X2/Rx 2)-(1+Ky ) ( Y2/Ry 2)}
1/2 ]+AR[ (1-AP) X2+( 1+AP) Y2 ]2+B
R[ (1-BP) X2+( 1+BP) Y2 ]3 また、面間隔は、射出瞳1と接眼光学系2の間について
はZ軸方向の間隔、リレー光学系4の第1面からその像
面(2次元画像表示素子8)に到る間隔は、その光軸に
間隔で示してある。リレー光学系4については、面の曲
率半径をr1 〜ri で、面間隔をd1 〜di で、d線の
屈折率をn1 〜ni で、アッベ数をν1〜νi で示す。
なお、偏心補正光学系3の媒質のd線の屈折率をnで、
アッベ数をνで示す。
プターである。視度補正量は、−6ジオプター、−3ジ
オプター、+2ジオプターとした。視度補正要素の移動
量は、それぞれの視度補正量に対応して面間隔あるいは
偏心量、傾き角を順番に表示する。
ることで視度補正を行っている実施例4、8は、補正効
果が特に良好である。また、瞳位置1と2次元画像表示
素子5位置を変えずに視度補正を行っているのは、実施
例1、2、4、6、7であり、可動部分を小さくするこ
とができ、装置自体の大きさが変わらないため、より小
型にすることが可能である。
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されることなく種々の変形が可能である。な
お、前記の特許請求の範囲の発明を、さらに以下のよう
に構成することもできる。
が補正されるように移動可能に設けられた請求項1の映
像表示装置。
とも1つの光学面が、視度が補正されるように移動可能
に設けられた請求項1、又は、上記(4)の映像表示装
置。
くとも1つの光学面が、視度が補正されるように移動可
能に設けられた請求項1、もしくは、上記(4)又は
(5)の映像表示装置。
れるように移動可能に設けられた請求項1、もしくは、
上記(4)、(5)又は(6)の映像表示装置。
によれば、広画角、高解像であり、比較的複雑な光学系
である映像表示装置の光学系の少なくとも1つの光学要
素を移動するという簡単な方法によって、視度補正を実
現できる映像表示装置を提供することができる。
ワー配置と近軸光線追跡を示す図である。
線追跡を示す図である。
軸光線追跡を示す図である。
光線追跡を示す図である。
の挙動を説明するための図である。
る。
面図である。
ある。
を示すY−Z断面図である。
成を示すY−Z断面図である。
成を示すY−Z断面図である。
成を示すY−Z断面図である。
ある。
を示すY−Z断面図である。
成を示すY−Z断面図である。
ある。
ある。
ある。
置の構成を示す断面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 映像を形成する画面を有する映像表示素
子と、 前記映像をリレーしてリレー像を形成するリレー光学系
と、 前記リレー像を観察者眼球内に投影するために前記リレ
ー光学系を通過した光束によって射出瞳を形成する接眼
光学系と、 前記リレー光学系と前記接眼光学系との間に、複数の光
学面を有し最も前記リレー光学系側の面と最も前記接眼
光学系側の面とが互いに偏心配置された偏心補正光学系
とを備え、 前記映像表示素子の画面、前記リレー光学系の光学面、
前記偏心補正光学系の光学面、もしくは、前記接眼光学
系の中の少なくとも1つの光学要素が、視度が補正され
るように移動可能に設けられていることを特徴とする映
像表示装置。 - 【請求項2】 前記の移動可能な少なくとも1つの光学
要素は、光軸から偏心して移動することを特徴とする請
求項1に記載の映像表示装置。 - 【請求項3】 前記の移動可能な少なくとも1つの光学
要素を移動させても、観察者の瞳から前記2次元画像表
示素子までの距離が変化しないように配置されているこ
とを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。 - 【請求項4】 前記映像表示素子の画面が、視度が補正
されるように移動可能に設けられたことを特徴とする請
求項1に記載の映像表示装置。 - 【請求項5】 前記リレー光学系の有する少なくとも1
つの光学面が、視度が補正されるように移動可能に設け
られたことを特徴とする請求項1又は4に記載の映像表
示装置。 - 【請求項6】 前記偏心補正光学系の有する少なくとも
1つの光学面が、視度が補正されるように移動可能に設
けられたことを特徴とする請求項1、4、5又は6に記
載の映像表示装置。 - 【請求項7】前記接眼光学系が、視度が補正されるよう
に移動可能に設けられたことを特徴とする請求項1、
4、5又は6に記載の映像表示装置。 - 【請求項8】前記接眼光学系が、非回転対称の非球面形
状にて形成された反射面を有して構成されたことを特徴
とする請求項1、2、3、4、5又は6に記載の映像表
示装置。
Priority Applications (2)
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JP02539594A JP3346641B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 映像表示装置 |
US08/337,825 US5793339A (en) | 1993-11-11 | 1994-11-08 | Visual display apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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JP02539594A JP3346641B2 (ja) | 1994-02-23 | 1994-02-23 | 映像表示装置 |
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JPH07234376A JPH07234376A (ja) | 1995-09-05 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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