JPH06194598A - 頭部装着型ディスプレイ装置 - Google Patents

頭部装着型ディスプレイ装置

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JPH06194598A
JPH06194598A JP4346088A JP34608892A JPH06194598A JP H06194598 A JPH06194598 A JP H06194598A JP 4346088 A JP4346088 A JP 4346088A JP 34608892 A JP34608892 A JP 34608892A JP H06194598 A JPH06194598 A JP H06194598A
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JP
Japan
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optical system
image
magnification
display device
relay optical
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Withdrawn
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JP4346088A
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Masato Yasugaki
安垣誠人
Osamu Konuma
修 小沼
Hisami Kikuchi
菊池久美
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 映像表示素子に表示された映像を観察者の眼
球へ投影する頭部装着型ディスプレイ装置において、投
影倍率を切り換え可能にして、所望の画角、倍率で映像
を観察可能にする。 【構成】 映像を表示する映像表示素子１１と、映像表
示素子１１によって表示された映像を観察者の眼球に投
影するための第１のリレー光学系１２、第２のリレー光
学系１３及び接眼光学系１４からなる投影光学系とを含
み、アフォーカル光学系である第２のリレー光学系１３
を光軸に対して垂直な軸１６を中心に回転可能に設け、
この回転によって投影倍率を３段階で変更する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、観察者の頭部に保持す
る頭部装着型ディスプレイ装置に関し、特に、変倍機能
を持った頭部装着型ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の頭部装着型ディスプレイ装置は、
特開平３−１８８７７７号公報に示されるように、映像
表示素子によって形成された映像は、初めに設定された
画角で観察者の眼球に投影されている。しかし、このよ
うに画角を固定したものでは、観察する映像の種類によ
って種々の問題が生ずるおそれがある。すなわち、図１
０（ａ）に示すように画角を広めに設定した場合、倍率
は高くなるものの、長時間の観察には圧迫感が伴い、疲
れやすくなったり、撮影時に解像度の低い映像に対して
は図示のように曲線等が画素配列の凹凸の並びのように
映ってしまう。また、同図（ｂ）に示すように画角を狭
めに設定した場合、画面が小さく、迫力感に欠けたり、
細かい映像が見えなくなったりする。
【０００３】また、このように画角を固定したものにお
いて、例えば特開平４−１７７９８６号公報に示される
ように、アスペクト比４：３のＮＴＳＣ方式の映像から
１６：９のＨＤＴＶ方式の映像へ切り換えると、画面の
上下がカットされて迫力が減少するように感じられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、映像表
示素子に表示された映像を観察者の眼球へ投影する頭部
装着型ディスプレイ装置において、投影倍率を切り換え
可能にして、所望の画角、倍率で映像を観察可能にする
ことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の頭部装着型ディスプレイ装置は、映像を表示する映
像表示素子と、前記映像表示素子によって表示された映
像を観察者の眼球に投影する投影光学系とからなる頭部
装着型ディスプレイ装置において、前記投影光学系の少
なくとも一部の光学系を光軸に対して垂直な軸を中心に
回転可能に設け、前記一部の光学系の前記回転によって
投影倍率の変更を行うことを特徴とするものである。
【０００６】
【作用】本発明においては、投影光学系の少なくとも一
部の光学系を光軸に対して垂直な軸を中心に回転可能に
設け、この一部の光学系の回転によって投影倍率の変更
を行うので、コンパクトな構成で好みの観察画角、倍率
を選択することができる。また、これと電子ズームを併
用することにより、連続的な変倍も可能となる。さら
に、変倍のための光学系の状態を検知して、それによる
像歪を打ち消すように、映像表示素子に表示する映像を
補正することより、常に歪みのない映像を観察すること
ができる。
【０００７】
【実施例】本発明は、基本的に、頭部装着型ディスプレ
イ装置の投影光学系に変倍機能を持たせて、好みの観察
画角を選択できるようにするものである。また、画面の
アスペクト比を例えば横長のものにしようとするとき、
自動的に倍率を上げるようにするものである。そして、
コンパクトな構成で変倍機能を得るために、リレー光学
系を使用してその一部もしくは全部を光軸に垂直な軸の
周りで回転させることにより変倍する方式を採用する。
また、これと電子ズームを併用することにより、連続的
な変倍も可能となる。さらに、変倍のための光学系の状
態を検知して、それによる像歪を打ち消すように、映像
表示素子に表示する映像を補正することより、常に歪み
のない映像を観察可能にする。
【０００８】以下、図面を参照にして本発明のいくつか
の実施例について説明する。図１に第１実施例のターレ
ット変倍式頭部装着型ディスプレイ装置の光学系の１例
を示す。図の（ａ）は低倍率、（ｂ）は中間倍率、
（ｃ）は高倍率に切り換えた状態を示す。液晶表示素子
等からなる映像表示素子１１から出た光線は、第１のリ
レー光学系１２によって第２のリレー光学系１３へ導か
れる。この第２のリレー光学系１３の物体面と像面は、
後記するように、同一面に重なるように構成されてお
り、この物体面（像面）に第１のリレー光学系１２の像
面が一致するように配置される。第２のリレー光学系１
３の像は、接眼光学系１４によりこの頭部装着型ディス
プレイ装置の装着者の眼球１５に投影される。
【０００９】ところで、第１のリレー光学系１２、第２
のリレー光学系１３はアフォーカル光学系から構成され
ている。ここで、第２のリレー光学系１３を２枚の薄肉
レンズで表し、その前群のレンズからの物点位置をＬ1
とし、後群レンズからの像点位置をＬ2 とし、前群レン
ズの焦点距離をｆ、このアフォーカル光学系の倍率をβ
（後群レンズの焦点距離をｆ′とすると、β＝ｆ′／ｆ
で定義される。）とすると、 Ｌ2 ＝β（１＋β）ｆ＋β2 Ｌ1 ・・・・（１） の関係がある。このアフォーカル光学系１３において、
物点と像点が一致するためには、Ｌ2 ＝Ｌ1 −（１＋
β）ｆを満足する必要があるので、 Ｌ1 ＝ｆ（１＋β）／（１−β） ・・・・（２） の位置に第１のリレー光学系１２の像面が一致するよう
に構成する。
【００１０】このように、第２のリレー光学系１３は、
物体面と像面が一致するように配置されているので、そ
の物体面と像面が一致する面と光軸が交わる点１６を回
転中心として、図１（ｃ）に示すように反転させても、
接眼光学系１４の物体面、すなわち、第２のアフォーカ
ルリレー光学系１３の像面は不動である。
【００１１】ところで、上記のような回転を考える場
合、第２のアフォーカルリレー光学系１３をコンパクト
に構成するためには、その物体面と像面が一致する面
が、第２のアフォーカル光学系１３自身の中心付近に存
在することが望ましい。そのためには、 ０＜Ｌ1 ＜（１＋β）ｆ ・・・・（３） を満たす必要がある。
【００１２】また、第２のアフォーカルリレー光学系１
３をこの光学系から外しても、全体の光学系の共役関係
はくずれないため、図１（ｂ）に示すように、第２のリ
レー光学系１３を点１６を中心にしてほぼ９０°回転さ
せ、実質的に光学系から除去して光束がレンズでケラレ
ないようにすれば、第２のアフォーカルリレー光学系１
３を反転させた場合と別の中間の倍率が得られる。
【００１３】以下、図１のレンズ系の数値例を示すが、
ｒ0 、ｒ1 、ｒ2 …は各レンズ面の曲率半径、ｄ0 、ｄ
1 、ｄ2 …は各レンズ面間の間隔、ｎd1、ｎd2…は各レ
ンズのｄ線の屈折率、νd1、νd2…は各レンズのアッベ
数である。以下のレンズデータは図１（ｃ）の状態を表
す。
【００１４】 ｒ0 = ∞（表示面） ｄ0 =25.7848 ｒ1 = 306.1083 ｄ1 = 4.0000 ｎd1 =1.51633 νd1 =64.15 ｒ2 = -47.7603 ｄ2 = 1.0000 ｒ3 = 55.0646 ｄ3 = 4.0000 ｎd2 =1.51633 νd2 =64.15 ｒ4 = -102.8609 ｄ4 =56.7116 ｒ5 = 197.9326 ｄ5 = 4.0000 ｎd3 =1.51633 νd3 =64.15 ｒ6 = -27.7873 ｄ6 = 1.0000 ｒ7 = 28.9316 ｄ7 = 4.0000 ｎd4 =1.51633 νd4 =64.15 ｒ8 = -216.5943 ｄ8 = 1.1773 ｒ9 = ∞ ｄ9 = 1.0721 ｒ10= 51.3367 ｄ10= 3.0000 ｎd5 =1.51633 νd5 =64.15 ｒ11= 250.9523 ｄ11= 3.0000 ｒ12= 17.7403 ｄ12= 3.0000 ｎd6 =1.51633 νd6 =64.15 ｒ13= 8.4168 ｄ13=28.6919 ｒ14= 196.9942 ｄ14= 3.0000 ｎd7 =1.51633 νd7 =64.15 ｒ15= -50.6047 ｄ15= 6.2360 ｒ16= ∞ ｄ16= 0.7190 ｒ17= -247.9685 ｄ17= 4.4000 ｎd8 =1.51633 νd8 =64.15 ｒ18= -43.1797 ｄ18= 0.3000 ｒ19= 41.4108 ｄ19= 4.2000 ｎd9 =1.61272 νd9 =58.75 ｒ20= 185.3355 ｄ20= 0.3000 ｒ21= 21.4474 ｄ21=10.0000 ｎd10=1.60300 νd10=65.48 ｒ22= -22.0988 ｄ22= 3.0000 ｎd11=1.78472 νd11=25.68 ｒ23= 104.3221 上記において、ｒ0 は映像表示素子１１の表示面を示
し、ｄ0 は映像表示素子１１の表示面から第１のアフォ
ーカルリレー光学系１２の第１面ｒ1 までの間隔を表
す。なお、第１面ｒ1 から第８面ｒ8 までが第１のアフ
ォーカルリレー光学系１２を示し、第９面ｒ9 から第１
６面ｒ16までが第２のアフォーカルリレー光学系１３を
示し、第１７面ｒ17から第２３面ｒ23までが接眼光学系
１４を示す。図１（ａ）の状態は、上記のデータにおい
て、第９面ｒ9 と第１６面ｒ16の位置を一致させてその
間を反転（１８０°回転）させたものであり、図１
（ｂ）の状態は、第９面ｒ9 から第１６面ｒ16の間を除
去したものである。
【００１５】以上の例は、屈折共軸光学系であるが、図
２に模式的に示すように、接眼光学系を曲面反射ミラー
２５で構成することもできる。この場合、ディスプレイ
装置を顔面２７に沿わせるため、映像表示素子２１から
出た光線は、偏芯構成の第１のアフォーカルリレー光学
系２２によって第２のアフォーカルリレー光学系２３へ
導かれ、第２のリレー光学系２３の像は、偏芯構成の別
のリレー光学系２４により曲面反射ミラー２５の物体面
に導かれ、この曲面反射ミラー２５により装着者の眼球
２６に投影される。この場合も、変倍のために第２のア
フォーカルリレー光学系２３は点１６を中心に反転可能
になっている。
【００１６】このような変倍光学系の応用例の１つとし
て、ＮＴＳＣ方式とＨＤＴＶ方式の間の映像の切り換え
時の自動変倍機能があげられる。すなわち、図３（ａ）
に示すように、特開平４−１７７９８６号公報に示され
ているように、変倍しないでＮＴＳＣ画像をＨＤＴＶ画
像へ切り換えると、画面上下部３１がカットされるた
め、画面が小さくなるように感じられる。これに対し、
図１、図２に示したような変倍光学系を利用して、図３
（ｂ）に示すように、ＮＴＳＣ画像からＨＤＴＶ画像へ
の切り換え時に、自動的に第２リレー光学系１３、２３
を回転させて倍率を上げるようにすれば、画面上下部３
１がカットされても画面が小さく感じられることはな
い。
【００１７】また、本発明の第２実施例においては、上
記第１実施例の頭部装着型ディスプレイ装置において、
低倍より小さな画像、低倍と中倍もしくは中倍と高倍の
中間の大きさの映像を得たい場合に、高い方の倍率を選
び、その倍率で映像表示素子の表示領域を制限し、そこ
に圧縮された画像を表示することにより、中間の倍率の
大きさの映像を得るものである。これを電子ズームと言
う。図４において、低倍、中倍、高倍の映像は、図１、
図２のような変倍光学系により選択的に得る。そして、
例えば低倍と中倍の間の倍率の映像は、光学的には中倍
の倍率で表示し、映像表示素子の表示領域の周辺４１を
カットし、残りの領域４２に映像を圧縮して表示し、結
果的に低倍と中倍の間の倍率を得ている。このように、
光学系による変倍と電子ズームを組み合わせることによ
り、任意の倍率を得ることができ、電子ズームのみによ
っては達成できないズーム比が得られる。
【００１８】次に、第３実施例について説明する。この
実施例は、図１、図２のような変倍光学系において、各
倍率の歪曲収差（像歪）が異なるのを電子的に補正する
実施例である。第１実施例の変倍光学系において、図５
のブロック図に示すように、倍率切り換えをレバー５１
を用いた手動式で行う場合、レバー部もしくは回転体に
取り付けられたレンズ状態検出装置５２によりレンズ系
の状態（倍率）を検出するようにすることができる。そ
して、各状態での像歪補正情報をメモリー５３に記憶し
ておき、像歪補正コントローラー５４は、レンズ状態検
出装置５２からの情報を受け取り、メモリー５３を参照
して像歪補正回路５５に送るべき補正情報を選択する。
この補正情報に基づいて像歪補正回路５５は表示する映
像信号５６を補正して、映像表示素子（ＬＣＤ）１１又
は２１（図１、図２）に送る。
【００１９】手動のレバーの代わりに、電動スイッチを
用いて変倍を行う場合も、電動スイッチからレンズ状態
検出装置５２へ信号を送るか、レバー式と同様に回転体
にレンズ状態検出装置５２を付けることにより、上記と
同様の作用が得られる。
【００２０】図６に模式的に低倍、中倍、高倍の光学系
の像歪（ａ）及びメモリー５３内の像歪補正情報（ｂ）
を示してあり、例えば糸巻型の像歪を示す高倍におい
て、図６（ｂ）の像歪補正情報に基づいてＬＣＤに表示
する入力画像を補正する様子及び観察画像を図７に示
す。このようにして、観察者は何れの状態においても歪
みのない映像を観察することができる。
【００２１】次に、本発明の第４実施例について説明す
る。この実施例は、光学系の構成は第１実施例と同じで
あり、光学系の状態（倍率）ａ、ｂに応じて専用の像歪
補正回路を設け、状態に応じて映像信号の経路を切り換
える例である。すなわち、図８のブロック図に示すよう
に、図５の場合と同様、切り換えをレバー又は電動スイ
ッチ５１からレンズ状態検出装置５２によりレンズ系の
状態を検出し、その検出情報が像歪補正コントローラー
５４へ送られる。この実施例においては、像歪補正コン
トローラー５４は、受け取ったレンズ系の状態の情報に
基づいて、切り換え器５７を適切な位置へ切り換える。
映像信号５６は、切り換え器５７によって専用の像歪補
正回路５８ａ又は５８ｂが選択され、それぞれ倍率に応
じて像歪が補正され、映像表示素子（ＬＣＤ）１１又は
２１へ送られる。
【００２２】次に、第５実施例について説明する。この
実施例は、本発明の回転による変倍を前提として、この
回転による変倍の補助及び収差補正を目的として、バリ
エーターとコンペンセータからなるズームレンズ系を加
えたものであり、倍率を連続的に変化させたり、収差を
補正することができる。図９はその模式的な光路図であ
り、映像表示素子２１からの光線は、光軸に沿って移動
可能なレンズ６１と６２及びその間に配置された図１又
は図２と同様なアフォーカル光学系６３からなる光学系
により結像され、その像は偏芯構成のリレー光学系６４
により曲面反射ミラー２５の物体面に導かれ、この曲面
反射ミラー２５により装着者の眼球２６に投影される。
この場合、レンズ６１と６２の間に配置されたアフォー
カル光学系６３は点１６を中心に反転可能になってお
り、図１、図２の実施例と同様、この光学系の投影倍率
を段階的に変更できる。また、レンズ６１と６２の矢印
で示したような光軸方向の移動により、アフォーカル光
学系６３の反転又は除去による収差変動を補正する。そ
の代わりに又はそれに加えて、アフォーカル光学系６３
による段階的な変倍の間の倍率に連続的に変倍する。
【００２３】以上、本発明の頭部装着型ディスプレイ装
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。例えば、反転するアフォーカル光学系を、複数のレ
ンズで構成する代わりに、図９に示すように、１枚の厚
肉レンズ６３で構成することもできる。また、この反転
する光学系として、アフォーカル光学系でなく、通常の
レンズ系によって構成してもよい。その場合は、回転に
より一般にピントがずれるので、その補正を行うように
すればよい。
【００２４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の頭部装着型ディスプレイ装置によると、投影光学系の
少なくとも一部の光学系を光軸に対して垂直な軸を中心
に回転可能に設け、この一部の光学系の回転によって投
影倍率の変更を行うので、コンパクトな構成で好みの観
察画角、倍率を選択することができる。また、これと電
子ズームを併用することにより、連続的な変倍も可能と
なる。さらに、変倍のための光学系の状態を検知して、
それによる像歪を打ち消すように、映像表示素子に表示
する映像を補正することより、常に歪みのない映像を観
察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の頭部装着型ディスプレイ
装置の光学系の１例を示す図である。
【図２】第１実施例の変形例の光学系を模式的に示す図
である。
【図３】本発明の変倍光学系の１つの応用例を説明する
ための図である。
【図４】電子ズームと組み合わせた第２実施例の作用を
説明するための図である。
【図５】第３実施例の像歪を電子的に補正するためのブ
ロック図である。
【図６】第３実施例の光学系の像歪（ａ）とメモリー内
の像歪補正情報（ｂ）を模式的に示す図である。
【図７】表示する入力画像を補正する様子及び観察画像
を示す図である。
【図８】第４実施例の像歪を電子的に補正するためのブ
ロック図である。
【図９】第５実施例の模式的な光路図である。
【図１０】従来技術の問題点を説明するための図であ
る。
【符号の説明】
１１…映像表示素子 １２…第１のリレー光学系 １３…第２のリレー光学系 １４…接眼光学系 １５…眼球 １６…回転中心点 ２１…映像表示素子 ２２…第１のアフォーカルリレー光学系 ２３…第２のアフォーカルリレー光学系 ２４…リレー光学系 ２５…曲面反射ミラー ２６…眼球 ２７…顔面 ３１…画面上下部 ４１…表示領域の周辺 ４２…表示範囲 ５１…倍率切り換えをレバー又は電動スイッチ ５２…レンズ状態検出装置 ５３…メモリー ５４…像歪補正コントローラー ５５…像歪補正回路 ５６…映像信号 ５７…切り換え器 ５８ａ、５８ｂ…像歪補正回路 ６１、６２…移動可能なレンズ ６３…アフォーカル光学系 ６４…リレー光学系
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年４月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】
【従来の技術】従来の頭部装着型ディスプレイ装置は、
特開平３−１８８７７７号公報に示されるように、映像
表示素子によって形成された映像は、初めに設定された
画角で観察者の眼球に投影されている。しかし、このよ
うに画角を固定したものでは、観察する映像の種類によ
って種々の問題が生ずるおそれがある。すなわち、図１
０（ａ）に示すように画角を広めに設定した場合、倍率
は高くなるものの、長時間の観察には圧迫感が伴い、疲
れやすくなったり、映像表示素子の画素が高倍率で拡大
されるために、図示のように曲線等が画素配列の凹凸の
並びのように映ってしまう。また、同図（ｂ）に示すよ
うに画角を狭めに設定した場合、画面が小さく、迫力感
に欠けたり、細かい映像が見えなくなったりする。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 映像を表示する映像表示素子と、前記映
    像表示素子によって表示された映像を観察者の眼球に投
    影する投影光学系とからなる頭部装着型ディスプレイ装
    置において、前記投影光学系の少なくとも一部の光学系
    を光軸に対して垂直な軸を中心に回転可能に設け、前記
    一部の光学系の前記回転によって投影倍率の変更を行う
    ことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
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