JP3524569B2 - 視覚表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、視覚表示装置に関し、
特に、広画角、高解像で映像を観察することができる頭
部装着式表示装置等の視覚表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】バーチュアルリアリティ用、あるいは、
一人で大画面の映像を楽しむことができるようにするこ
と等を目的として、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部装
着式表示装置の開発が進められている。

【０００３】ところで、従来、観察者の頭部装着式表示
装置としては、図２４に示すように、液晶表示装置等の
２次元表示素子１の表示像を使用者の眼球の前面に４５
度に傾斜配置したハーフミラー２で反射させ、ハーフミ
ラー２の更に前方に配置した凹面鏡３でこれを拡大し、
この拡大された表示像を再びハーフミラー２を通して観
察できるようにしたものが知られている（特開平３−１
８８７７７号）。なお、２次元表示素子１は凹面鏡３の
前側焦点位置近くに配置されている。

【０００４】ここで、上記のような光学系と使用者の眼
球との距離（作動距離）をＷＤ、凹面鏡３の直径をＤ、
光学系の厚みをｔとおき、主光線の通過領域を考慮する
と、図２４から下式が成り立つ。なお、Ｄとｔとは、そ
れぞれ４５°に傾いたハーフミラー２の図中での縦と横
の幅にほぼ等しいものになるので、その結果、Ｄとｔは
概略同じ値となる。

【０００５】 Ｄ＝２（ｔ＋ＷＤ）ｔａｎ（θ／２） ｔ＝Ｄ ｔ｛１−２ｔａｎ（θ／２）｝＝２ＷＤｔａｎ（θ／２） ∴ｔ＝２ＷＤｔａｎ（θ／２）／｛１−２ｔａｎ（θ／２）｝ 。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような頭部装着式
表示装置の使い勝手を考慮すると、ＷＤは１０ｍｍ以上
２５ｍｍ以内を確保する必要があり、仮に、ＷＤを２０
ｍｍ、画角θ＝４０°の場合は、上記の式より、光学系
の厚みｔは、ｔ＝５３ｍｍと大変大きくなることが分か
る。しかも、実際には、主光線に加え、従属光線の通過
領域も確保する必要があり、更に大きな光学系が必要と
なる。

【０００７】また、小型の２次元表示素子は画素数が十
分ではないため、これを拡大して観察される映像は十分
な解像力が得られないという問題もある。そこで、複数
のこのような表示素子を並設して、広い画面を得ること
を発明者は考察した。しかし、頭部装着式表示装置のよ
うに頭部に装着するタイプの表示装置用には、軽量な液
晶表示装置を用いるのが一般的であるが、液晶表示装置
は、図２５に正面図を示すように、画面Ｇの周りが基板
部Ｋで囲まれた表示画面となっているので、これらを並
設しても、この基板部Ｂが相互に邪魔になって不都合で
あった。

【０００８】本発明は上記のような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、頭部装着式表
示装置等の視覚表示装置において、広画角、高解像で映
像を観察することができるようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の視覚表示装置は、２次元表示手段と、前記２次元表
示手段によって形成された映像を投影し、観察者眼球に
導く接眼光学系とからなる視覚表示装置において、 （ａ）前記２次元表示手段が、少なくとも、観察者眼球
に導かれる映像の内、少なくとも一部領域の映像を表示
する第１の映像表示手段と、前記観察者眼球に導かれる
映像の内、少なくとも前記第１の映像表示手段とは異な
った領域の映像を表示する第２の映像表示手段とを有
し、かつ、前記接眼光学系にて観察時に互いに隣接する
部分において共に第１映像表示手段が表示する映像の一
部と第２映像表示手段が表示する映像の一部とが互いに
共通の映像部分であるオーバーラップ領域を有し、前記
接眼光学系が、前記第１映像表示手段により形成された
第１の映像を反射する第１の反射面と、前記第２映像表
示手段により形成された第２の映像を反射する第２の反
射面と、前記第１の映像と前記第２の映像との合成像を
拡大投影して観察者眼球内に導く正のパワーを有する光
学系とを含み、前記第１の反射面に対して前記第２の反
射面が角度をなして配置されており、 （ｂ）前記観察者眼球に導かれる映像の前記第１映像表
示手段の表示領域の内、前記オーバーラップ領域から射
出され、前記第１の反射面の反射領域中前記第２の反射
面との隣接部で反射される光量が、前記第１の反射面の
反射領域により制限されて、前記観察者眼球に導かれる
映像の前記第１映像表示手段の表示領域の内、前記オー
バーラップ領域以外の映像領域から射出し前記第１の反
射面で反射される光量より少なくなるように構成され、 （ｃ）かつ、前記観察者眼球に導かれる映像の前記第２
映像表示手段の表示領域の内、前記オーバーラップ領域
から射出され、前記第２の反射面の反射領域中前記第１
の反射面との隣接部で反射される光量が、前記第２の反
射面の反射領域により制限されて、前記観察者眼球に導
かれる映像の前記第２映像表示手段の表示領域の内、前
記オーバーラップ領域以外の映像領域から射出し前記第
２の反射面で反射される光量より少なくなるように構成
され、 （ｄ）前記接眼光学系の射出瞳位置において、同じ画像
部分を構成する前記第１映像表示手段の前記オーバーラ
ップ領域から射出され前記第１反射面にて反射された光
束と前記第２映像表示手段の前記オーバーラップ領域か
ら射出され前記第２反射面にて反射された光束とが相互
に補完しあって、光束全体として所定の瞳径を満たす射
出瞳を形成するように構成したことを特徴とするもので
ある。

【００１０】この場合、第１の反射面と第２の反射面と
を共に、第１映像表示手段と第２映像表示手段との間に
配置することが望ましい。また、正のパワーを有する光
学系を凹面鏡から構成することができる。なお、正のパ
ワーを有する光学系が曲面形状の波長板を含むことが望
ましい。

【００１１】

【００１２】

【作用】以下、図１〜図３を参照にして本発明の視覚表
示装置の基本的な構成と作用について説明する。本発明
による視覚表示装置は、図１（ａ）に示すように、表示
面が互いに対向する２枚の２次元表示素子４、５と、そ
れらの表示素子４、５と対をなし、図中で「Ｖ」の字形
に組み合わされた２枚のハーフミラー６、７と、その
「Ｖ」の字形に組み合わされた２枚のハーフミラー６、
７の中心軸と同じ軸を持つ凹面鏡８とを配置して構成さ
れている。ハーフミラー６、７は、図１（ａ）の場合、
それぞれ表示素子４、５に近い方に配置されているが、
図２（ａ）のように、それぞれ表示素子５、４に近い方
に配置してもよい。また、凹面鏡８の代わりに、図３
（ａ）に示すように、凸レンズ８′を用いてもよい。

【００１３】このような構成において、２枚の２次元表
示素子４、５に、それぞれ図１（ｄ）、図２（ｄ）、図
３（ｄ）に示したような最終的に表示装置が映し出す映
像「Ｒ」のオーバーラップ領域９を含む半分より広い領
域の像１１、１０（図１（ｂ）、（ｃ））又は１１′、
１０′（図２（ｃ）、（ｂ））又は１１″、１０″（図
３（ｂ）、（ｃ））を表示させる。これらの表示像は、
２次元表示素子４の像はハーフミラー６で、同じく５の
像は７で反射されるように、「Ｖ」字形に組み合わせた
２枚のハーフミラー６、７でそれぞれ反射され、１つの
繋がった映像に合成される。そして、この映像が更に凹
面鏡８で反射、あるいは、凸レンズ８′で屈折され、拡
大された空中像となる。そして、使用者はこの拡大像を
観察することができる。

【００１４】特に、図１、２の凹面鏡８による拡大像の
形成は、収差の発生が少ないので、大きな画角で鮮明な
映像を得ることができ、大きな画角を必要とするときに
向いている。そして、大きな画角になる程、従来技術の
光学系に比べ、光学系全体の厚みが著しく薄くなる。以
下、図１の光学系について、その厚みｔを主光線通過領
域から概算を行う。なお、図１、２から明らかなよう
に、図２４に示した従来光学系ではＤ＝ｔであったが、
本光学系ではＤ＝２ｔである。

【００１５】 Ｄ＝２（ｔ＋ＷＤ）ｔａｎ（θ／２） ２ｔ｛１−ｔａｎ（θ／２）｝＝２ＷＤｔａｎ（θ／２） ∴ｔ＝ＷＤｔａｎ（θ／２）／｛１−ｔａｎ（θ／２）｝ したがって、作動距離ＷＤが２０ｍｍ、画角θが４０°
の場合、光学系の厚みｔは、上記の式より、１１．５ｍ
ｍとなる。実際には、従属光線の透過領域を確保する必
要等から、厚みはもっと必要ではあるが、それでも、同
一条件で計算した従来光学系の厚みが５３ｍｍであり、
これに比べて約５分の１の薄さになっており、厚みにつ
いて大きな改善がなされることは確実である。

【００１６】また、２次元表示素子４、５は、凹面鏡８
の前側焦点位置近くに配置され、使用者の眼の瞳は、後
側焦点位置近くに配置することになるので、凹面鏡８を
基準に光路をたどると、２次元表示素子４、５までの距
離と眼までの距離はほぼ一致する。よって、図１、２よ
り、光路ｓ、ｔと光路ｓ′、ｔ′はそれぞれ同じ長さで
あることが容易に分かり、さらに、ＷＤが同じであれ
ば、ｓに比べてｓ′が短くなることが分かる。すなわ
ち、図２に示すように、「Ｖ」の字に組み合わされたハ
ーフミラー６、７の稜線が凹面鏡８とは反対側に位置す
るタイプでは、光学系の高さ方向も小型化できる。

【００１７】また、２枚の２次元表示素子４、５を用い
て１つの映像を作り出すため、実効的画素数が１枚の画
素数の約２倍となり、高解像化もなされる。特に、上記
のオーバーラップ領域９は、２次元表示素子４、５の画
素を、映像がハーフミラー６、７で合成された時に、画
素が互いに半ピッチずれるよう配置すると、一層高解像
効果が得られる。

【００１８】さらに、本発明においては、下記の実施例
に示すように、「Ｖ」の字に組み合わされたハーフミラ
ーを用いる代わりに、２枚のハーフミラーを側面から見
ると「Ｘ」の字になるように並列させて構成することも
できる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の視覚表示装置のいくつかの実
施例について説明する。 第１実施例 図４（ａ）〜（ｃ）に本実施例の要部を示す。図中、１
２、１３は２次元表示素子、１４、１５は互いに直角に
組み合わされたハーフミラー、１６は凹面鏡である。図
４（ｄ）は、この実施例の表示装置で観察される映像
（観察像）を示している。なお、ハーフミラー１４、１
５は、後記するように、ルーバー型フィルターを基板と
して、その表面にハーフミラーコートを施して製作され
ている。

【００２０】この実施例において、図示されていない映
像信号処理装置の働きで、外部から送られてくる映像
は、上下半分（又は、左右半分）とオーバーラップ領域
（図１の領域９と同様な領域）を含む２等分より大きな
領域の映像に分離され、その映像信号が２次元表示素子
１２、１３に送り出される。２次元表示素子１２、１３
の表示面の領域Ａ、Ａ′は、それぞれ送られてきた映像
の上半分（又は、右半分）と下半分（又は、左半分）を
表示する領域であり、同じく領域Ｂ、Ｂ′は、送られて
きた映像の下半分（又は、左半分）の上端近傍（又は、
右端近傍）と、上半分（又は、右半分）の下端近傍（又
は、左端近傍）を表示する領域である。すなわち、２次
元表示素子１２、１３は、それぞれ領域ＡとＢ、領域
Ａ′とＢ′からなり、観察像の上下半分（又は、左右半
分）より若干大きく一部共通する映像を表示している。
そして、その２次元表示素子１２、１３の共通の映像を
表示する部分には、ハーフミラー１４、１５の間の稜線
Ｌを挟み、互いに１８０°反対側に対をなす映像が表示
されている。このため、２次元表示素子１２の映像がハ
ーフミラー１４で、２次元表示素子１３の映像がハーフ
ミラー１５で反射すると、分割された映像は光学的に１
つの連続した映像に合成される。そして、この映像を凹
面鏡１６が反射し、空中に拡大像を形成する。

【００２１】以下、２次元表示素子１２、１３の各点が
発する光束がどのように空中像を形成するか、２次元表
示素子１２、１３上の数点を代表に詳細な説明を行う。
初めに、観察像の周辺部分の映像がどのように形成され
るか、観察像Ｐ１（図４（ｄ））の像形成を例に説明す
る。図４（ａ）において、２次元表示素子１２の表示面
上のｐ１が発する光束は、主光線が２次元表示素子１２
に垂直であり、この光束は、まずハーフミラー１４で反
射し、凹面鏡１６側へ向かう。凹面鏡１６は２次元表示
素子１２、１３の表示面近傍にその前側焦点位置を有し
ており、したがって、光束はこの凹面鏡１６で反射し、
略平行光束となる。そして、再びハーフミラー１４を通
過し、凹面鏡１６の後側焦点位置に射出瞳を形成する。
この位置に合わせて使用者の瞳を配置し、装置を覗く
と、２次元表示素子１２の表示するｐ１の空中像Ｐ１
（図４（ｄ））が観察できる。このように、観察像周辺
は、２次元表示素子１２又は１３のどちらかが表示する
映像のみから形成される。

【００２２】次に、観察像中央付近の映像Ｐ２（図４
（ｄ））がどのように形成されるかを説明する。図４
（ｂ）において、この映像Ｐ２は２次元表示素子１２の
表示点ｐ２と２次元表示素子１３の表示点ｐ２′が合成
され投影された像である。ｐ２、ｐ２′は、上述したよ
うに、ハーフミラー１４、１５の稜線Ｌを軸に１８０°
反対側に位置する２点で、互いに同じ映像を表示してい
る。互いの位置関係から、ハーフミラー１４、１５での
反射像は同一位置に形成される。そして、ｐ２、ｐ２′
何れの点から発せられた光束も、ハーフミラー１４又は
１５の大きさが足りないために、全光束が反射されず一
部の光束のみが凹面鏡１６へ向かう。しかし、ｐ２、ｐ
２′両点から発せられた光束全体としては、図から分か
るように、ｐ１のハーフミラー１４での反射光束と同じ
所定の太さを持つ光束となる。そして、ｐ１の光束同様
に、凹面鏡１６で反射し、略平行光束となり、空中に拡
大像を形成し、射出瞳位置で所定の瞳径を満足する射出
瞳を形成する。

【００２３】観察像の中心部の映像Ｐ３（図４（ｄ））
の像形成を説明する。図４（ａ）において、この像Ｐ３
を形成する２次元表示素子１２、１３上の表示点は、ｐ
３、ｐ３′である。特に、この２点は、ｐ２、ｐ２′同
様にハーフミラー１４、１５の稜線Ｌに対し１８０°反
対側に位置するだけでなく、この２点ｐ３、ｐ３′を結
ぶ直線が凹面鏡１６の光軸に直交する位置にある。すな
わち、前記領域ＡとＢ又はＡ′とＢ′の境界上になる。
そして、これら２点を射出する光束は、ｐ２、ｐ２′と
同様、ハーフミラー１４、１５で合成されて１つの正規
光束径となり、凹面鏡１６で反射して映像Ｐ３（図４
（ｄ））を形成する。

【００２４】次に、図４（ｃ）を参照して、２次元表示
素子１２、１３上の点ｐ４、ｐ４′について説明する。
ｐ４は、ここを射出する光束が点ｐ１と同様ハーフミラ
ー１４で全て反射するか、あるいは、点ｐ２同様その一
部が反射できないかの境界位置にある点である。そし
て、少なくともこの点ｐ４と点ｐ３に挟まれた表示点に
対しては、ｐ２に対応点ｐ２′があったのと同様、２次
元表示素子１３側に対応点を確保する必要がある。な
お、ｐ４の対応点はｐ４′である。また、このことは、
２次元表示素子１３上の点に対する２次元表示素子１２
上の対応点についても全く同様である。

【００２５】なお、２次元表示素子１２、１３の発する
光がハーフミラー１４、１５を通過し、更にハーフミラ
ー１５、１４で再び反射すると、これらの光は使用者の
眼に向かうことになり、フレアーを作る原因となる。そ
こで、この光をどこかで遮断する必要がある。そこで、
ルーバー型フィルター基板の表面にハーフミラーコート
１９を施してハーフミラー１４、１５を作製してある。
ハーフミラー１４、１５の部分断面図をそれぞれ図５
（ａ）、（ｂ）に示す。ルーバー型フィルターは、透光
孔１７と遮光壁１８とが図のように交互に形成されてお
り、特定方向の光を通過させ、特定方向の光を遮光する
働きを持つフィルターである。このフィルターを基板に
用いたハーフミラー１４、１５は、２次元表示素子１
２、１３からの光がその表面のハーフミラーコート部１
９を通過しても、ルーバー型フィルター部でその光が遮
断されてしまうので、フレアーの原因光が生じない。ま
た、凹面鏡１６から反射してくる光は、ハーフミラーコ
ート部１９を通過後、ルーバー型フィルター部を通過す
ることできる。なお、遮光壁１８のピッチは０．２ｍｍ
以上がよい。これより小さいと、光の回折作用により観
察像が乱れてしまう。

【００２６】第２実施例 図６を参照して第２実施例について説明する。本実施例
は、第１実施例と一部を除いて同じである。そこで、異
なる部分のみを説明する。図中、２０はポラライザー、
２１はλ／４板、２２はアナライザーである。また、ハ
ーフミラー１４、１５は、ルーバー型フィルターを基板
としたものではなく、普通のガラス板にハーフミラーコ
ートを付けたものである。２次元表示素子１２から射出
した光線は、ポラライザー２０を通り直線偏光の光とな
り、ハーフミラー１４で反射する。しかし、一部の光は
ハーフミラーを通り抜け、ハーフミラー１５で反射し、
使用者の眼に向かう。もし、この光が眼球に達する場
合、フレアーを作り問題となる。しかし、眼球の前に
は、この光とは偏光方向が直交するアナライザー２２が
配置されているため、ここで遮光され、眼球に到達する
ことはない。

【００２７】一方、ハーフミラー１４で反射した光は、
λ／４板２１を通過し、凹面鏡１６で反射し、再びλ／
４板２１を通過する。この２度のλ／４板２１の通過に
より、偏光方向が９０°回転するため、アナライザー２
２と平行な偏光となり、アナライザー２２を通過し眼球
に達する。２次元表示素子１３から射出する光も同様で
ある。これにより、使用者はフレアーのないクリアーな
映像を観察することができる。

【００２８】第３実施例 図７を参照して第３実施例について説明する。本実施例
は、第１実施例と一部を除いて同じである。そこで、異
なる部分のみを説明する。図中、２３は厚み１ｍｍ以上
の水晶の波長板である。また、ハーフミラー１４、１５
の基板は、ルーバー型フィルターではなく、互いに直交
する直線偏光板であり、表面はハーフミラーコートが施
され、裏面は反射防止コートが施されている。

【００２９】２次元表示素子１２から射出した光線は、
ハーフミラー１４を反射する。しかし、一部の光はハー
フミラー１４を通り抜けるが、このとき、ハーフミラー
基板が直線偏光板であるために、この透過光は直線偏光
となる。そして、ハーフミラー１５に入射するが、この
裏面は反射防止コートが施されているため、光はここで
反射して使用者の眼に向かうことはなく、基板内に進入
する。しかし、この基板は、入射光とは偏光方向が直交
する直線偏光板となっているから、入射光は全て吸収さ
れてしまう。よって、フレアー原因光は発生しない。ま
た、凹面鏡１６に向かった光は往復で２度波長板２３を
通過する。このとき、波長の僅かな違いにより偏光状態
に大きな変化が生じ、実質的には偏光が解消した光とな
る。これにより、この反射光はハーフミラー１４、１５
の何れの基板をも透過するので、使用者はクリアーな映
像を観察することができる。

【００３０】第４実施例 図８を参照して第４実施例について説明する。本実施例
は、第１実施例と一部を除いて同じである。そこで、異
なる部分のみを説明する。図中、２４は凸レンズであ
る。図示のように、凹面鏡１６で反射した主光線の傾角
が凸レンズ２４により屈折して更に大きくなる。すなわ
ち、第１実施例の光学系でも、従来の光学系に比べて、
厚さを増やさずに大きな画角を得ることができるが、本
実施例では、ハーフミラー１４、１５と眼球の間に凸レ
ンズ２４を配置することにより、画角が更に大きくな
る。また、この凸レンズ２４の働きで、光学系全体の前
側焦点位置がより凹面鏡１６に近付くので、２次元表示
素子１２、１３の位置をハーフミラー１４、１５側に近
付けることができ、光学系の高さ寸法を小さくする作用
もある。さらに、凹面鏡１６のペッツバール和と凸レン
ズ２４のペッツワール和は符号が逆であり、互いに打ち
消す作用がある。よって、光学系全系の像面湾曲を良好
にする作用もある。

【００３１】第５実施例 図９を参照して第５実施例について説明する。本実施例
は、第４実施例と一部を除いて同じである。そこで、異
なる部分のみを説明する。図中、２５は図示のように、
大きく偏心した非球面凹レンズである。第４実施例で
は、凸レンズ２４により作動距離が短くなってしまって
いるが、本実施例では、第４実施例で示した光学系の前
側焦点付近である２次元表示素子１２、１３の近くに凹
レンズ２５を配置することで、全系の焦点距離をあまり
変えずに、後側焦点位置を光学系から後方に遠ざけてい
る。これにより、画角の減少をあまり伴わずに、作動距
離を大きくできる。なお、凹レンズ２５の光軸（回転
軸）はｐ３、ｐ３’（図４（ａ））の主光線と一致して
いる。なお、非球面凹レンズ２５は、その非球面作用に
より、凹面鏡１６で生じる糸巻型の像歪を補正する作用
を有しており、非球面は、光軸から遠ざかるに従って曲
率が次第に大きくなる形状をしている。

【００３２】第６実施例 図１０を参照して第６実施例について説明する。本実施
例は、第２実施例と一部を除いて同じである。そこで、
異なる部分のみを説明する。図中、２６は三角プリズ
ム、２７はＶ字プリズム、２８は凸レンズの裏面をミラ
ーコートした凹面鏡である。三角プリズム２６とＶ字プ
リズム２７は接合されていて、全体として１つのプリズ
ムを形成している。そして、その接合面は、ハーフミラ
ーコートが施され、第２実施例で示したハーフミラー１
４、１５と同じ働きを持つ。また、凹面鏡２８も、第２
実施例の凹面鏡１６と同様、２次元表示素子１２、１３
の像を空中に拡大投影する働きを持つが、このように凸
レンズの裏面をミラコートした凹面鏡は、第２実施例に
示した凹面鏡１６に比べて像面湾曲の発生が少なく、良
好な像が得られる。

【００３３】図示の通り、凹面鏡２８と使用者の眼の間
の大部分の光路はプリズムで埋められるているが、これ
は、凹面鏡２８の前側と後側の両焦点位置を遠ざける働
きを持つ。その分、凹面鏡２８の焦点距離を短くするこ
とができる。よって、２次元表示素子１２、１３の拡大
率が大きく取れるので、大きな画角を得ることができ
る。

【００３４】第７実施例 図１１を参照して第７実施例について説明する。本実施
例は、第６実施例と一部を除いて同じである。そこで、
異なる部分のみを説明する。図中、２９は三角プリズ
ム、３０はＶ字プリズムである。三角プリズム２９とＶ
字プリズム３０は互いに接合されており、その接合面に
は偏光ハーフミラーコートが施されている。このため、
Ｐ偏光はここを効率良く透過し、Ｓ偏光は効率良く反射
する。２次元表示素子１２、１３はＴＦＴ型ＬＣＤ（液
晶表示装置）で、図示されていないバックライトで背面
より照明され、Ｓ偏光の光を発する。この光は、上記の
偏光ハーフミラーコート部で効率良く反射され、凹面鏡
２８で反射され再び偏光ハーフミラーコートに入射す
る。この間、λ／４板２１を２度通過するため、光はＰ
偏光に変化しており、この偏光ハーフミラーを効率良く
通過する。このため、より明るい像が観察できる。な
お、Ｖ字型プリズム３０の入射面は偏心凹面となってお
り、第５実施例に示した偏心凹レンズ２５の働きを持た
せてあり、また、三角プリズム２９の射出面は凸面にな
っており、第５実施例に示した凸レンズ２４の働きを持
たせてある。

【００３５】第８実施例 図１２を参照して第８実施例について説明する。本実施
例は、第７実施例と一部を除いて同じである。そこで、
異なる部分のみを説明する。図中、３１は凹レンズと凸
レンズを接合し、その凸面にミラーコートした凹面鏡で
ある。プリズム２９、３０は、プラスチックやガラスで
製作されており、これら材料は色分散を持つ。このた
め、波長が長い光に比べて短い光に対する光路長が短く
なる。そして、これが原因で色収差が発生する。また、
この他、三角プリズム２９の射出面の凸面でも色収差が
発生する。これを補正するために、本実施例では、第７
実施例の凸レンズ２８に代えて、互いに分散特性の異な
る凹レンズと凸レンズの接合型凹面鏡３１を使用して、
色収差を補正している。

【００３６】第９実施例 図１３を参照して第９実施例について説明する。本実施
例は、第１実施例と一部を除いて同じである。そこで、
異なる部分のみを説明する。図中、３２、３３は基板に
一般光学ガラスを用いたハーフミラーである。ハーフミ
ラー３２、３３は、互いに１１０°（α）の角度で
「Ｖ」の字形に組み合わされている。第１実施例では、
２次元表示素子１２と１３の互いの対応点（例、ｐ２と
ｐ２’、ｐ３とｐ３’、ｐ４とｐ４’）は、ハーフミラ
ー１２、１３の稜線Ｌを挟んで互いに１８０°反対側に
位置していたが、本実施例では、対応点は、稜線Ｌを挟
んで１４０°（β＝３６０°−２α）の位置にある。こ
れにより、２枚の２次元表示素子１２、１３に分割表示
さた映像がハーフミラー３２、３３で反射し、１つの映
像に合成される。

【００３７】第１実施例では、フレアーの原因となる光
を除去するために、ハーフミラー１４、１５の基板とし
てルーバー型フィルターを使用した。しかし、本実施例
では、一般光学ガラスを用いているために、２次元表示
素子１２、１３を出た光の一部はハーフミラー３２、３
３をそのまま通過してしまう。しかし、上述のように、
ハーフミラー３２、３３を直角ではなく鈍角（α＝１１
０°）に組み合わせているため、ハーフミラー３２又は
３３を通過し、次のハーフミラー３３又は３２で反射す
る光も、図の点線で示した光路の通り、使用者の瞳から
外れるため、フレアーを作る原因とはならない。

【００３８】第１０実施例 図１と同様な図１４を参照して第１０実施例について説
明する。本実施例は、第２実施例と一部を除いて同じで
ある。そこで、異なる部分のみを説明する。第２実施例
では、ハーフミラー１４と１５の稜線Ｌは凹面鏡１６側
を向いていたが、本実施例では、同図（ａ）に示すよう
に、その逆側を向いている。そして、２次元表示素子１
２、１３と対をなすハーフミラーはそれぞれ１５、１４
である。すなわち、２次元表示素子１２（１３）を出た
光はハーフミラー１４（１５）を通過し、ハーフミラー
１５（１４）で反射して、１つの合成像となる。２次元
表示素子１２、１３に表示される映像も、それぞれ第２
実施例では２次元表示素子１３、１２に表示していた映
像を表示させる。例えば同図（ｄ）の合成像を作るに
は、２次元表示素子１２、１３には、それぞれ１０′
（同図（ｂ））、１１′（同図（ｃ））の映像を表示さ
せる。本実施例では、第２実施例に比べて作動距離を長
めにとっても、２次元表示素子１２、１３の位置がハー
フミラー１４、１５の近くに寄るので、光学系全体の高
さをコンパクトにできる。

【００３９】なお、第１実施例等の凹面鏡１６をハーフ
ミラーコートの凹面鏡とすれば、２次元表示素子１２、
１３に外界像を重ねて観察することも可能であり、さら
に、第４実施例のように、使用者の眼の直前に凸レンズ
が配置されている場合にも、凹面鏡１６をハーフミラー
のコートとし、更にその外界側に適当な屈折力の凹レン
ズを配置すれば外界像を重ねて観察することが可能とな
る。

【００４０】第１１実施例 図１５を参照して第１１実施例について説明する。図
中、３８、３９はハーフミラーでなく全反射鏡であり、
４０は凸レンズである。本実施例も、これまでの実施例
と同様、２次元表示素子１２、１３の映像を「Ｖ」の字
形に組み合わせたミラー３８、３９で１つの映像に合成
し、これを凸レンズ４０で空中に拡大投影している。し
たがって、凸レンズ４０の前側焦点位置近くに２次元表
示素子１２、１３の表示面を配置してある。この光学系
は、「Ｖ」の字形の光学系がハーフミラーではなく全反
射ミラーとなっているため、光の利用効率が良く、より
明るい映像が観察できる。

【００４１】参考例１ 次に、「Ｖ」の字に組み合わされたハーフミラーの代わ
りに、２枚のハーフミラーを側面から見ると「Ｘ」の字
になるように並列に配置する参考例について、図１６の
斜視図を参照にして説明する。図中、１２、１３は２次
元表示素子であり、それらの表示面は、相互に表示画面
分ずれて向き合いかつ使用者の視軸にほぼ平行になるよ
うに配置されており、４１、４２は相互に視軸に交差す
る左右方向に並列されたビームスプリッタープリズムで
あり、４４、４５はそれぞれのハーフミラーであり、そ
れらの反射面は相互にほぼ９０°の角度をなしかつ視軸
に対してほぼ４５°の角度をなしており、ハーフミラー
４４、４５の面に沿った横方向から見ると、「Ｘ」の字
になるように配置されている。そして、視軸を挟んで各
２次元表示素子１２、１３に対向するように凹面鏡４
６、４７が配置されている。凹面鏡４６、４７は、それ
ぞれハーフミラー４４、４５でほぼ９０°曲げられた視
軸を中心軸とする偏心面からなる。

【００４２】このような配置においても、２次元表示素
子１２の映像は、ハーフミラー４４を透過し、凹面鏡４
６で反射されてハーフミラー４４で今度は反射され、ま
た、２次元表示素子１３の映像は、ハーフミラー４５を
透過し、凹面鏡４７で反射されてハーフミラー４５で反
射されて、分割表示された映像は光学的に１つの連続し
た映像に合成されて観察され、つなぎ目をなくすことが
できる。２つの２次元表示素子１２、１３からの射出瞳
が一致するように、凹面鏡４６、４７は上記のように偏
心している。なお、２次元表示素子１２、１３に表示す
る映像はお互いに上下を反転させる。

【００４３】この配置において、ビームスプリッタープ
リズムとして偏光ビームスプリッタープリズムを使用
し、第６実施例のように、ビームスプリッタープリズム
４１、４２と凹面鏡４６、４７の間にλ／４板２１を配
置してもよいし、凹面鏡４６、４７はプリズム４１、４
２と一体に構成してもよいし別体にしてもよい。また、
プリズム４１、４２は左右方向ではなく、上下方向に並
列配置してもよく、この場合は、上下方向に広い画角が
とれる。なお、この参考例では、プリズム４１、４２の
前面を透過面とすることにより、簡単に２次元表示素子
１２、１３に外界像を重ねて観察することができる。

【００４４】参考例２ 図１７の斜視図を参照して別の参考例について説明す
る。本参考例は、参考例１と基本的に同じであるが、ビ
ームスプリッタープリズム４４、４５の代わりにハーフ
ミラー１４、１５を用いている。この参考例の場合、プ
リズムを用いていないので軽い。また、視軸上を外界か
ら入って来る光に対してパワーを持つ面がないので、外
界像が等倍の自然な外界として見える。また、半透過面
が１つしか外界光に対して挿入されていないので、シー
スルー像の明るさを明るくできる。

【００４５】参考例３ 図１８の斜視図を参照してさらに別の参考例について説
明する。本参考例は、参考例１の変形である。この参考
例においては、偏心した凹面鏡を２枚用いる代わりに、
視軸を中心軸とする１枚の凹面鏡４８を用いている。す
なわち、図１８において、２次元表示素子１２、１３
を、それらの表示面が相互に表示画面分ずれて向き合い
かつ使用者の視軸にほぼ平行になるように配置し、視軸
に交差する左右方向に並列してビームスプリッタープリ
ズム４１、４２を配置し、それらのハーフミラー４４、
４５が相互にほぼ９０°の角度をなしかつ視軸に対して
ほぼ４５°の角度をなすようにし、かつ、プリズム４
１、４２の視軸前方に凹面鏡４８を配置してある。

【００４６】この配置において、２次元表示素子１２の
映像は、ハーフミラー４４で前方へ反射され、凹面鏡４
８で反射されて今度はハーフミラー４４を透過し、ま
た、２次元表示素子１３の映像は、ハーフミラー４５で
前方へ反射され、凹面鏡４８で反射されてハーフミラー
４４を透過し、分割表示された映像は光学的に１つの連
続した映像に合成されて観察され、つなぎ目をなくすこ
とができる。この場合も、２次元表示素子１２、１３に
表示する映像はお互いに上下を反転させる。

【００４７】この参考例においては、凹面鏡４８を半透
過鏡にしない限り２次元表示素子１２、１３に外界像を
重ねて観察することができない。なお、この場合は、参
考例１に比較して部品点数が少ないので、製作しやす
い。

【００４８】第１２実施例 ところで、以上の各実施例においては、フレアー光を防
止するために、平面状の波長板２１、２３を凹面鏡１
６、２８、３１とハーフミラー１４、１５又はプリズム
２７、３０、４１、４２の間に配置している。この波長
板２１、２３を凹面鏡１６に沿った曲面形状の波長板２
１′、２３′とすることにより、装置全体を小型化する
ことができる。

【００４９】図１９（ａ）は、第２、第１０実施例に対
応する例を示す図であり、ポラライザー２０等は図示を
省いてある。この図のように、λ／４板２１′を凹面鏡
１６に沿った曲面形状として密着させることにより、凹
面鏡１６の球欠の分だけ装置全体の厚さを薄くすること
ができ、装置をより小型化できる。

【００５０】図１９（ｂ）は、第３実施例に対応する例
を示す図であり、この場合は、水晶の波長板２３′を同
様に曲面形状として凹面鏡１６に密着させることによ
り、凹面鏡１６の球欠の分だけ装置全体の厚さを薄くす
ることができる。

【００５１】図１９（ｃ）は、第６〜８実施例に対応す
る例を示す図である。これらの実施例では、光路を短く
するために、光路をプリズム及びレンズで埋めていた
が、凹面鏡１６とλ／４板２１′を一体にしたので、凹
面鏡１６を裏面鏡とするレンズが必要なくなり、プリズ
ム２７、３０、４１、４２の凹面鏡１６側の面を変形す
るだけで、構成がより簡単になり、部品点数も減る。

【００５２】第１３実施例 図２０を参照にして第１３実施例について説明する。本
実施例は、第５実施例及び第９実施例と一部を除いて同
じである。そこで、異なる部分のみ説明する。図中、５
０は６６°プリズム、５１はＶ字プリズム、１６はミラ
ーコートが施されてなる凹面鏡である。第６実施例と同
様に、６６°プリズム５０とＶ字プリズムは５１は接合
されていて、全体として１つのプリズムを形成し、その
接合面５４、５５にはハーフミラーコートが施されてい
る。ハーフミラーコートが施された接合面５４、５５
は、互いに６６°（α）の角度でＶ字形に形成されてい
る。また、対応点は、稜線Ｌを挟んで２２８°（β）の
位置にある。ハーフミラーコートが施された接合面５
４、５５を直角ではなく鋭角（α＝６６°）に組み合わ
せることによって、ハーフミラー５４又は５５を通過
し、次のハーフミラー５５又は５４で反射する光は、点
線で示した光路の通り、使用者の瞳から外れるため、フ
レアーを作る原因とはならない。

【００５３】また、凹面鏡１６で生じる糸巻型の像歪
を、本実施例では、光軸から遠ざかるに従って曲率が次
第に小さくなるような凸の非球面５６をＶ字プリズム５
１に側面に施すことによって補正している。

【００５４】ところで、以上の各実施例で説明してきた
光学系を左右両眼用に一対用意する場合には、２次元表
示素子１２、１３を、図２１（ａ）に示すように、光学
系を挟み縦に配列する方法と、図２２（ａ）に示すよう
に、横に配列する方法がある。なお、図２１（ａ）、図
２２（ａ）において、３４は光学系全体を、３５、３６
はバックライトを示しており、図２１（ｂ）、（ｃ）、
図２２（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ２次元表示素子１
２、１３に表示する映像の例を示し、図２１（ｄ）、図
２２（ｄ）は、それらによる合成像を示す。

【００５５】図２１（ａ）のように縦に配列する方法で
は、画像が上下に合成されるので、２次元表示素子１
２、１３としては、図２１（ｂ）、（ｃ）に示すよう
に、上下の短い（図（ａ）では奥行きの短い）表示素子
を用いることができ、装置全体の厚みを減じる効果が大
きい。また、図２２（ａ）のように光学系３４を挟み２
次元表示素子１２、１３を横に配列する方法では、２次
元表示素子１２、１３を背面から照明しなければならな
い場合に、１つの光源で２個の２次元表示素子１２、１
３を同時に照明することが可能である（図２２（ａ）の
バックライト３６はその左右の２次元表示素子１２、１
３を同時に照明している。）。なお、図２２（ａ）の配
置は、左右方向に画角が広くとれ、より自然なものであ
る。

【００５６】ところで、左右の光学系３４、３４を図２
２（ａ）のように横に配列する場合、図２３（ａ）に平
面図を示したように、左右の光学系３４_L 、３４_R を一
直線上に並べて配置するのではなく、それぞれの光学系
３４_L 、３４_R の射出光軸が左右の外側から左右の眼の
瞳に入るように「Λ」の字形に傾けて配置してもよい。
図２３（ａ）では、左眼用の光学系３４_L の左側の映像
を表示する２次元表示素子を１２_L 、右側の映像を表示
する２次元表示素子を１３_L とし、右眼用の光学系３４
_R の左側の映像を表示する２次元表示素子を１２_R 、右
側の映像を表示する２次元表示素子を１３_R としてお
り、この実施例では、各２次元表示素子１２_L 、１
３_L 、１２_R 、１３_R は３０°ずつの画面を表示するよ
うに配置されている。そして、２次元表示素子１３_L 、
１２_R に同じ映像を表示すると、装置全体の表示画面
は、図２３（ｂ）に示すように、２次元表示素子１
３_L 、１２_R の表示映像が中心で重なり、その左側に２
次元表示素子を１２_L の表示映像が、また、その右側に
２次元表示素子を１３_R の表示映像が広がり、左右に±
４５°の広い画角となる。なお、このように、２次元表
示素子１３_L 、１２_R に同じ映像を表示するようにする
と、電子回路が簡単になる。なお、２次元表示素子１３
_L、１２_R に視差のある映像を表示して水平画角９０°
の立体表示を行うこともできる。

【００５７】以上、本発明の視覚表示装置をいくつかの
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の視覚表示装置によると、光学系を小型にしながら、広
画角、高解像で映像を観察することができる頭部装着式
表示装置等の視覚表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による視覚表示装置の第１の基本形態と
表示映像、合成像を示す図である。

【図２】第２の基本形態と表示映像、合成像を示す図で
ある。

【図３】第３の基本形態と表示映像、合成像を示す図で
ある。

【図４】第１実施例の要部と観察映像を示す図である。

【図５】ルーバー型フィルター基板を用いたハーフミラ
ーの部分断面図である。

【図６】第２実施例の要部を示す図である。

【図７】第３実施例の要部を示す図である。

【図８】第４実施例の要部を示す図である。

【図９】第５実施例の要部を示す図である。

【図１０】第６実施例の要部を示す図である。

【図１１】第７実施例の要部を示す図である。

【図１２】第８実施例の要部を示す図である。

【図１３】第９実施例の要部を示す図である。

【図１４】第１０実施例の要部と表示映像、合成像を示
す図である。

【図１５】第１１実施例の要部を示す図である。

【図１６】参考例１の要部を示す斜視図である。

【図１７】参考例２の要部を示す斜視図である。

【図１８】参考例３の要部を示す斜視図である。

【図１９】第１２実施例のいくつかの形態の要部を示す
図である。

【図２０】第１３実施例の要部を示す図である。

【図２１】縦配列の場合の要部と表示映像、合成像を示
す図である。

【図２２】横配列の場合の要部と表示映像、合成像を示
す図である。

【図２３】横配列の変形の要部と合成表示画面を示す図
である。

【図２４】従来の１つの頭部装着式表示装置の要部を示
す図である。

【図２５】単一の液晶表示装置の正面図である。

【符号の説明】

４、５…２次元表示素子 ６、７…ハーフミラー ８…凹面鏡 ８′…凸レンズ ９…オーバーラップ領域 １０、１１、１０′、１１′、１０″、１１″…表示映
像 １２、１２_L 、１２_R 、１３、１３_L 、１３_R …２次元
表示素子 １４、１５…ハーフミラー １６…凹面鏡 １７…透光孔 １８…遮光壁 １９…ハーフミラーコート ２０…ポラライザー ２１、２１′…λ／４板 ２２…アナライザー ２３、２３′…波長板 ２４…凸レンズ ２５…偏心非球面凹レンズ ２６…三角プリズム ２７…Ｖ字プリズム ２８…凹面鏡 ２９…三角プリズム ３０…Ｖ字プリズム ３１…凹面鏡 ３２、３３…ハーフミラー ３４、３４_L 、３４_R …表示光学系 ３５、３６…バックライト ３８、３９…全反射鏡 ４０…凸レンズ ４１、４２…ビームスプリッタープリズム ４４、４５…ハーフミラー ４６、４７、４８…凹面鏡 ５０…６６°プリズム ５１…Ｖ字プリズム ５４、５５…ハーフミラーコート接合面 ５６…非球面 Ａ、Ａ′、Ｂ、Ｂ′…２次元表示素子表示面の領域 Ｐ１〜Ｐ４…観察像 ｐ１〜ｐ４、ｐ１′〜ｐ４′…表示点 Ｌ…稜線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−257487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−195984（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−85879（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−68777（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−228180（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元表示手段と、前記２次元表示手段
   によって形成された映像を投影し、観察者眼球に導く接
   眼光学系とからなる視覚表示装置において、（ａ）前記
   ２次元表示手段が、少なくとも、観察者眼球に導かれる
   映像の内、少なくとも一部領域の映像を表示する第１の
   映像表示手段と、 前記観察者眼球に導かれる映像の内、少なくとも前記第
   １の映像表示手段とは異なった領域の映像を表示する第
   ２の映像表示手段とを有し、 かつ、前記接眼光学系にて観察時に互いに隣接する部分
   において共に第１映像表示手段が表示する映像の一部と
   第２映像表示手段が表示する映像の一部とが互いに共通
   の映像部分であるオーバーラップ領域を有し、 前記接眼光学系が、前記第１映像表示手段により形成さ
   れた第１の映像を反射する第１の反射面と、前記第２映
   像表示手段により形成された第２の映像を反射する第２
   の反射面と、前記第１の映像と前記第２の映像との合成
   像を拡大投影して観察者眼球内に導く正のパワーを有す
   る光学系とを含み、前記第１の反射面に対して前記第２
   の反射面が角度をなして配置されており、 （ｂ）前記観察者眼球に導かれる映像の前記第１映像表
   示手段の表示領域の内、前記オーバーラップ領域から射
   出され、前記第１の反射面の反射領域中前記第２の反射
   面との隣接部で反射される光量が、前記第１の反射面の
   反射領域により制限されて、前記観察者眼球に導かれる
   映像の前記第１映像表示手段の表示領域の内、前記オー
   バーラップ領域以外の映像領域から射出し前記第１の反
   射面で反射される光量より少なくなるように構成され、 （ｃ）かつ、前記観察者眼球に導かれる映像の前記第２
   映像表示手段の表示領域の内、前記オーバーラップ領域
   から射出され、前記第２の反射面の反射領域中前記第１
   の反射面との隣接部で反射される光量が、前記第２の反
   射面の反射領域により制限されて、前記観察者眼球に導
   かれる映像の前記第２映像表示手段の表示領域の内、前
   記オーバーラップ領域以外の映像領域から射出し前記第
   ２の反射面で反射される光量より少なくなるように構成
   され、 （ｄ）前記接眼光学系の射出瞳位置において、同じ画像
   部分を構成する前記第１映像表示手段の前記オーバーラ
   ップ領域から射出され前記第１反射面にて反射された光
   束と前記第２映像表示手段の前記オーバーラップ領域か
   ら射出され前記第２反射面にて反射された光束とが相互
   に補完しあって、光束全体として所定の瞳径を満たす射
   出瞳を形成するように構成したことを特徴とする視覚表
   示装置。
2. 【請求項２】 前記第１の反射面と前記第２の反射面と
   が共に、前記第１映像表示手段と前記第２映像表示手段
   との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載
   の視覚表示装置。
3. 【請求項３】 前記正のパワーを有する光学系が凹面鏡
   からなることを特徴とする請求項１記載の視覚表示装
   置。
4. 【請求項４】 前記正のパワーを有する光学系が曲面形
   状の波長板を含むことを特徴とする請求項１記載の視覚
   表示装置。