JP2000105349A

JP2000105349A - 複数の反射画像を合成する視覚表示装置

Info

Publication number: JP2000105349A
Application number: JP10274828A
Authority: JP
Inventors: Kazuhito Hayakawa; 和仁早川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2000-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】２つ以上の反射型２次元表示素子を使用し
て、薄型、小型、軽量で、しかも、広画角、高解像で観
察画面周辺まで明瞭に映像が観察可能な頭部装着式表示
装置。【解決手段】第１の反射型２次元表示素子４と第２の
反射型２次元表示素子５を有し、接眼光学系３は、反射
作用と透過作用とを有する第１面１１と、少なくとも反
射作用を有する第２面１２と、少なくとも反射作用を有
する第３面１３とを含み、第１面１１が観察者眼球６に
対向するように配置され、第２面１２が第１面１１と対
向するように配置され、第３面１３が第１面１１と対向
し、かつ、第２面１２と並設されるように配置されるこ
とにより、第１の反射型２次元表示素子４と第２の反射
型２次元表示素子５との表示画像を観察者眼球６に導く
視覚表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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１１に示すように、液晶表示装置等の
２次元表示素子５１の表示像を使用者の眼球の前面に４
５度に傾斜配置したハーフミラー５２で反射させ、ハー
フミラー５２のさらに前方に配置した凹面鏡５３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５
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３−１８８７７７号）。なお、２次元表示素子
５１は凹面鏡５３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５３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１１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５２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＝Ｄｔ｛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
４０ｍｍ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、さら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１２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Ｋが相互に邪魔になって不都合で
あった。

【０００８】また、２個以上の２次元表示手段を組み合
わせて観察画角を広くとることは以前から試みられてい
るが、米国特許第５，１５７，５０３号と独国特許第
４，１２７，９２４号のものは、観察者の頭部に装着で
きるような小型・軽量なものではなかった。また、特開
平６−３０８４２５号のものは、接眼光学系が凸レンズ
で構成されているために収差の発生が多く、さらに、観
察者の眼球位置がずれた場合の収差変化が大きく、眼幅
の異なる多くの観察者が安定して像を観察することがで
きなかった。

【０００９】本発明は従来技術の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、２つ以上の反射
型２次元表示素子を使用して、薄型、小型、軽量で、し
かも、広画角、高解像で観察画面周辺まで明瞭に映像が
観察可能な頭部装着式表示装置等に好適な視覚表示装置
を提供することである。

【００１０】

【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次元表示手段によって形成され
た画像を観察者眼球に導くことにより虚像として拡大投
影する接眼光学系を有した視覚表示装置において、前記
２次元表示手段が、第１の反射型２次元表示手段と第２
の反射型２次元表示手段と前記第１及び第２の反射型２
次元表示手段を照明する照明手段とにを有し、前記接眼
光学系は、反射作用と透過作用とを有する第１面と、少
なくとも反射作用を有する第２面と、少なくとも反射作
用を有する第３面とを含み、前記第１面が観察者眼球
に対向するように配置され、前記第２面が前記第１面と
対向するように配置され、前記第３面が前記第１面と対
向し、かつ、前記第２面と並設されるように配置される
ことにより、前記第１の２次元表示手段と前記第２の２
次元表示手段との表示画像を観察者眼球に導くと共に以
下の条件を満足することを特徴とするものである。

【００１１】１０°＜φ＜６０° ただし、φは反射型２次元画像表示手段の像面の法線、
その像面に光源より入射する光束中の軸上主光線との成
す角度である。

【００１２】以下、本発明において上記のような構成を
とる理由と作用について説明する。本発明の特徴は、第
１の反射型２次元表示素子の表示画像を拡大表示する接
眼光学系が第２の反射型２次元表示素子の表示画像をも
拡大表示することが特徴である。図１を参照にして本発
明を説明する。図１は後記する本発明の実施例１の視覚
表示装置の光学系の断面図であり、この図は右眼あるい
は左眼の単眼用の光学系を示すものである。図におい
て、１は観察者虹彩位置、２は観察者視軸、３は接眼光
学系、４は第１の反射型２次元表示素子（例えば反射型
液晶表示素子）、５は第２の反射型２次元表示素子（例
えば反射型液晶表示素子）、６は観察者眼球、１１は第
１面、１２は第２面、１３は第３面、１４は第１の反射
型２次元表示素子４を拡大投影するための正レンズ、１
５は第２の反射型２次元表示素子５を拡大投影するため
の正レンズ、６０は前記第１の反射型２次元表示素子の
像面を照明するための光源、６１は前記第２の反射型２
次元表示素子の像面を照明するための光源である。

【００１３】図における座標軸は、観察者の虹彩位置１
を原点とし、観察者視軸２を原点から接眼光学系に向か
う方向を正とするＺ軸、観察者虹彩１を通り視軸２に直
交し、紙面において左右方向の右から左を正とするＹ
軸、観察者虹彩１を通り視軸２に直交し、紙面の表から
裏を正とするＸ軸と定義する。

【００１４】図１の構成において、光源６０から射出さ
れ、第１の反射型２次元表示素子４の像面上を反射した
光線は、観察者眼球６方向に進行し、正レンズ１４を介
して反射作用と透過作用を有する第３面１３から透過作
用により接眼光学系３を構成する光学素子内に入射し、
反射作用と透過作用を有する第１面１１で反射作用によ
り反射し、観察者眼球６から離れる方向に進行し、反射
作用と透過作用を有する第２面１２で反射作用により反
射して再び観察者眼球方向に進行し、反射作用と透過作
用を有する第１面１１で透過作用により透過して、観察
者の眼球６に到達するように構成されている。

【００１５】また、光源６１から射出され、第２の反射
型２次元表示素子５の像面上を反射した光線は、正レン
ズ１５を介して上記の光学素子の反射作用と透過作用を
有する第２面１２からその光学素子内に入射し、反射作
用と透過作用を有する第１面１１で反射し、反射作用と
透過作用を有する第３面１２で反射作用により反射し、
反射作用と透過作用を有する第１面１１で透過作用によ
り透過して、観察者の眼球６に到達するように構成され
ている。

【００１６】このように２つの反射型２次元表示素子
４、５に表示された画像を１つの接眼光学系に異なる方
向から入射させ、略同一の方向（観察者眼球位置）に射
出する構成にすることにより、特開平８−３２７９４６
号のように２つの２次元表示素子と２つの光学系を並べ
て配置する方法に比べて、光学系を小型に構成すること
が可能となる。また、２つの光学系で構成する場合は、
その２つの光学系の境界部分での映像が光学系の保持部
材等により遮断され、滑らかに連続した観察像を観察す
ることが難しくなる。この問題も、１つの光学系で構成
することにより、滑らかな連続した観察像を観察するこ
とが可能となる。

【００１７】特に、本発明の２次元表示素子は反射型２
次元表示素子を必須の構成とするため、照明光源等を、
装置の厚みが広がる方向である表示素子の裏面に設ける
必要がなく、装置全体の薄型化が実現できる。また、反
射型２次元画像表示素子を用いるため、光源は、透過型
２次元画像表示素子のような面発光型の光源以外に、点
光源での照明も可能となる。この場合、薄型化に加え、
光源自体が小型化になるため、装置全体の小型化が実現
でき、且つ装置の消費電力を削減でき、バッテリー装置
などをも小型化できる。

【００１８】また、好ましくは、光源からの照明光が接
眼光学系の一部を透過するように構成すれば、装置の側
面方向への突出面積を減らすことができ、装置全体の小
型化をより一層効果的に実現できる。

【００１９】さらに、反射型２次元画像表示手段の像面
の法線と、その像面に光源より入射する光束中の軸上主
光線との成す角度をφとした時に、以下の条件を満足す
ることが望ましい。

【００２０】１０°＜φ＜６０° このφの上限を越えると、像面の傾きが光学系全体で補
正しきれなくなり、収差補正上好ましくなく、しかも光
源からの入射光路が側方へ突出する量が著しく大きくな
ってしまい、装置全体の大型化を招いてしまい望ましく
ない。また、このφの下限を越えると、反射型２次元画
像表示素子の像面を観察する観察光路上にこの光源若し
くは照明光学系を配置せざるを得なくなってしまい、観
察像を遮断してしまうため望ましくない。

【００２１】また、さらに小型化を実現するため、接眼
光学系の光学面を照明光学系の光学面と一部兼用する構
成をとる場合には、以下の条件を満足することが望まし
い。１０°＜φ＜３５° この場合、上限を超えると接眼光学系が大型化するた
め、小型化に逆行し重量が重くなってしまい望ましくな
く、下限を越えると反射型２次元画像表示素子の像面を
観察する観察光路上にこの光源若しくは照明光学系を配
置せざるを得なくなってしまい、観察像を遮断してしま
うため望ましくない。

【００２２】また、光学系の簡素化の観点から、接眼光
学系の光学面とは独立した照明光路を形成する場合には
以下の条件を満足することが望ましい。３５°＜φ＜６０° この場合、上限を越えると、像面の傾きが光学系全体で
補正しきれなくなり、収差補正上好ましくなく、しかも
光源からの入射光路が側方へ突出する量が著しく大きく
なってしまい、装置全体の大型化を招いてしまい、下限
を越えると、接眼光学系に照明光路が重なってしまい、
照明光のケラレや、観察光路にフレアーやゴーストを発
生させる原因となり望ましくない。

【００２３】次に、接眼光学系３の各面の働きについて
説明する。まず、反射作用と透過作用を有する第１面１
１について説明する。光源６０からの光を受け第１の反
射型２次元表示素子４の像面より反射された光に対して
は、反射作用と透過作用を有する第２面１２に向けて反
射する作用を有する。一方、光源６１からの光を受け第
２の反射型２次元表示素子５の像面より反射された光に
対しては反射作用と透過作用を有する第３面１３に向け
て反射する作用を有している。この反射作用と透過作用
を有する第１面１１は、それぞれ２つの反射型２次元表
示素子４、５からの光線を反射する領域が重なっている
ことが好ましい。この反射領域を重ねることによって、
大きな２次元表示素子を配置することができるため、広
画角の観察像を観察者に提供することが可能となる。

【００２４】さらに好ましくは、反射作用と透過作用を
有する第１面１１が反射作用を有するとき、１つの連続
した曲面で構成されていることが重要である。この第１
面１１を連続した曲面にすることによって、少なくとも
２つの反射型２次元表示素子からの光線の反射領域を重
ねて配置しても、観察像が歪むことなく観察することが
可能となるからである。

【００２５】また、さらに好ましくは、接眼光学系３は
観察者眼球６に対向して配置された反射作用と透過作用
を持つ第１面１１、観察者視軸２に対して傾けて配置さ
れた反射作用と透過作用を有する第２面１２、観察者視
軸２に対して第２の面１２と反対方向に傾けた反射作用
と透過作用を有する第３面１３からなる空間を屈折率が
１より大きい媒質によって満たされたプリズム光学系
（プリズム部材）で構成されることである。この場合に
は、反射作用と透過作用を有する第１面１１を透過する
ときに、光線を屈曲させ表示画角を大きくする作用を有
することにより、より小型で広画角の画像表示装置を構
成することが可能となる。

【００２６】さらに好ましくは、そのプリズム光学系の
屈折率は１．４５以上で構成することにより、小型の光
学系を達成することが可能となる。また、屈折率を１．
５以上の透明媒質で構成するとより好ましい。さらに、
反射作用と透過作用を有する第１面１１における反射作
用は臨界角以上の反射角を有していることがより好まし
い。この場合は全反射することになるため、第１面１１
にハーフミラーコーティング等の特別なコーティングを
施す必要がない。したがって、この面においては反射
率、透過率の低下がないため、明るい映像を観察者眼球
に投影することができる。さらに、この面の透過領域と
反射領域をオーバーラップさせることができるため、光
学系を小型に構成することが可能となる。

【００２７】次に、反射作用と透過作用を有する第２面
１２、第３面１３について説明する。第２面１２と第３
面１３の反射作用と透過作用を有す面が反射作用により
反射面として作用する場合は、第１面１１で反射された
第１の反射型２次元表示素子４と第２の反射型２次元表
示素子５からの光線は、この第２面１２と第３面１３の
反射作用により観察者眼球６方向に反射される。したが
って、第１の反射型２次元表示素子４と第２の反射型２
次元表示素子５の画像は、観察者視軸２に対して各反射
型２次元表示素子が配置されている方向と反対側の映像
として観察者に知覚させる働きを持つ。

【００２８】また、第２面１２と第３面１３の透過率と
反射率を１０〜９０％の間に設定することにより、透過
作用と反射作用を有することが好ましい。さらに好まし
くは、４０〜５０％の透過率と反射率にすることが望ま
しい。特に、アルミニウム又は銀等の金属薄膜により上
記作用を有する面として構成することにより、安価で取
り扱いが容易な光学系を構成することが可能となる。

【００２９】また、他の方法として、部分的な反射面と
透過面による方法や、ホログラフィック面、誘電体多層
膜等によっても上記作用を有する面を構成できることは
言うまでもない。

【００３０】さらに好ましくは、第２面１２と第３面１
３の反射作用と透過作用を持つ面は、正のパワーを持っ
ていることが重要である。この正のパワーによって、第
１の２次元表示素子４の映像を虚像として拡大して表示
させることが可能となる。第２面１２と第３面１３に正
のパワーを持たせることにより、正のパワーの光学素子
をより観察者眼球近傍に配置することが可能となり、焦
点距離の短い光学系を配置することが可能となり、広画
角の接眼光学系３を構成することが可能となる。

【００３１】さらに好ましくは、第２面１２と第３面１
３の反射作用と透過作用を有する面は回転非対称な面で
構成することが好ましい。これは、第２面１２が観察者
の前方に当たる視軸２に対して傾いて配置されているか
らである。

【００３２】回転対称な光学系が偏心した場合、回転非
対称な収差が発生し、これを回転対称な光学系でのみ補
正することは不可能である。この偏心により発生する回
転非対称な収差は、像歪、像面湾曲、さらに、軸上でも
発生する非点収差、コマ収差、がある。図８に偏心した
凹面鏡Ｍにより発生する像面湾曲を、図９に偏心した凹
面鏡Ｍにより発生する非点収差を、図１０に偏心した凹
面鏡Ｍにより発生するコマ収差を示す。本発明は、上記
の偏心により発生する回転非対称な収差の補正のために
回転非対称な面を光学系中に配置して、この回転非対称
な収差を補正している。

【００３３】すなわち、偏心して配置された凹面鏡によ
り発生する回転非対称な収差に、回転非対称な像面湾曲
がある。例えば、無限遠の物点から偏心した凹面鏡Ｍに
入射した光線は、凹面鏡Ｍに当たって反射結像される
が、光線が凹面鏡Ｍに当たって以降、像面までの後側焦
点距離は、光線が当たった部分の曲率の半分になる。す
ると、図８に示すように、軸上主光線に対して傾いた像
面を形成する。

【００３４】このように回転非対称な像面湾曲を補正す
るには回転対称な光学系では不可能である。凹面鏡Ｍを
回転非対称な面で構成することにより、傾いた像面湾曲
を補正することが可能となる。図８に示した配置では、
図中に示した座標系（図９、図１０も同様）におけるＹ
軸正の方向に対して曲率を強く（屈折力を強く）し、Ｙ
軸負の方向に対して曲率を弱く（屈折力を弱く）するこ
とにより補正することができる。また、上記構成と同様
な効果を持つ回転非対称な面を凹面鏡Ｍとは別に光学系
中に配置することにより、少ない構成枚数でフラットの
像面を得ることが可能となる。

【００３５】次に、回転非対称な非点収差について説明
する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡Ｍ
では軸上光線に対しても図９に示すような非点収差が発
生する。この非点収差を補正するためには、上記説明と
同様に、回転非対称面のＸ軸方向の曲率とＹ軸方向の曲
率を適切に変えることによって可能となる。

【００３６】さらに、回転非対称なコマ収差について説
明する。上記説明と同様に、偏心して配置された凹面鏡
Ｍでは軸上光線に対しても図１０に示すようなコマ収差
が発生する。このコマ収差を補正するためには、回転非
対称面のＹ軸の原点から離れるに従って面の傾きを変え
ると共に、Ｙ軸の正負によって面の傾きを適切に変える
ことによって可能となる。

【００３７】ここで、本発明で使用する回転非対称面
（自由曲面）は以下の式で定義されるものである。Ｚ＝Ｃ₂ ＋Ｃ₃ｙ＋Ｃ₄ｘ＋Ｃ₅ｙ²＋Ｃ₆ｙｘ＋Ｃ₇ｘ² ＋Ｃ₈ｙ³＋Ｃ₉ｙ²ｘ＋Ｃ₁₀ｙｘ²＋Ｃ₁₁ｘ³ ＋Ｃ₁₂ｙ⁴＋Ｃ₁₃ｙ³ｘ＋Ｃ₁₄ｙ²ｘ²＋Ｃ₁₅ｙｘ³＋Ｃ₁₆ｘ⁴ ＋Ｃ₁₇ｙ⁵＋Ｃ₁₈ｙ⁴ｘ＋Ｃ₁₉ｙ³ｘ²＋Ｃ₂₀ｙ²ｘ³＋Ｃ₂₁ｙｘ⁴＋Ｃ ₂₂ ｘ⁵ ＋Ｃ₂₃ｙ⁶＋Ｃ₂₄ｙ⁵ｘ＋Ｃ₂₅ｙ⁴ｘ²＋Ｃ₂₆ｙ³ｘ³＋Ｃ₂₇ｙ²ｘ⁴＋Ｃ₂₈ｙｘ⁵ ＋Ｃ₂₉ｘ⁶＋Ｃ₃₀ｙ⁷＋Ｃ₃₁ｙ⁶ｘ＋Ｃ₃₂ｙ⁵ｘ²＋Ｃ₃₃ｙ⁴ｘ³＋Ｃ₃₄ ｙ³ｘ⁴ ＋Ｃ₃₅ｙ²ｘ⁵＋Ｃ₃₆ｙｘ⁶＋Ｃ₃₇ｘ⁷ ・・・（ａ）ただし、Ｃ_m（ｍは２以上の整数）は係数である。この
他、いかなる定義式により表現される曲面でもよいこと
は言うまでもない。

【００３８】さらに好ましくは、上記回転非対称面は、
対称面を１面のみ有する面対称自由曲面を使用すること
により、収差補正上好ましい結果を得ることができる。
さらに好ましくは、第２面１２と第３面１３の反射作用
と透過作用を有する面は、Ｙ―Ｚ面に対して面対称であ
る面対称自由曲面なることが望ましい。ｘの奇数次項を
全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が
１つだけ存在する面対称自由曲面となる。例えば、上記
定義式（ａ）においては、Ｃ₄，Ｃ₆，Ｃ₉，Ｃ₁₁，Ｃ
₁₃，Ｃ₁₅，Ｃ₁₈，Ｃ₂₀，Ｃ₂₂，Ｃ₂₄，Ｃ₂₆，Ｃ₂₈，
Ｃ₃₁，Ｃ₃₃，Ｃ₃₅，Ｃ₃₇，・・・の各項の係数を０にす
ることによって可能である。

【００３９】また、ｙの奇数次項を全て０にすることに
よって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する面
対称自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）におい
ては、Ｃ₃，Ｃ₆，Ｃ₈，Ｃ₁₀，Ｃ₁₃，Ｃ₁₅，Ｃ₁₇，Ｃ
₁₉，Ｃ₂₁，Ｃ₂₄，Ｃ₂₆，Ｃ₂₈，Ｃ₃₀，Ｃ₃₂，Ｃ₃₄，
Ｃ₃₆，・・・の各項の係数を０にすることによって可能
であり、また、以上のような対称面を持つことにより製
作性を向上することが可能となる。

【００４０】この対称面を有する面対称自由曲面にする
ことにより、製作性を向上することが可能となる。上記
定義式（ａ）は、回転非対称な自由曲面の１つの例とし
て示したものであり、本発明の特徴は偏心により発生す
る回転非対称な収差を補正することであり、他のトーリ
ック面やアナモルフィック面等のいかなる定義式に対し
ても同じ効果が得られることは言うまでもない。

【００４１】さらに好ましくは、第１面１１は対称面を
２面有する面で構成することが重要である。特に、２つ
の２次元表示素子４、５の投影像の大きさを同一にする
場合には、上記定義式のＣ₅、Ｃ₇、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、
Ｃ₁₆、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉のみを使用し、観察者視
軸２に対して傾けない配置にすると、Ｘ−Ｚ断面とＹ−
Ｚ断面の２つの面に対して対称となり、第１の反射型２
次元表示素子４と第２の反射型２次元表示素子５の２つ
の映像が視軸２を中心としＹ軸方向に対称な像歪みを持
つこととなり、観察時に観察者に違和感を与えることが
少なくなる。

【００４２】さらに好ましくは、観察者瞳位置１から反
射型２次元表示素子４、５に向けた逆光線追跡におい
て、反射型２次元表示素子４、５上での光線の横収差が
５０μｍ以下にすることにより、明瞭な観察像を観察す
ることが可能となる。

【００４３】さらに好ましくは、この逆追跡における入
射瞳径は４ｍｍ以上であることが広い観察画角を提示す
る接眼光学系においては重要になる。これは、観察画角
が広い場合は、眼球を回旋して観察することになる。こ
の場合でも観察映像が途切れないように、接眼光学系の
逆追跡の場合の入射瞳径は４ｍｍ以上が好ましい。さら
に好ましくは、１０ｍｍ以上であることが好ましい。

【００４４】以下の本発明の作用の説明においては、光
学設計上の便利性から、観察者の観察する虚像位置を物
点とし、観察者瞳位置を絞り面とし、反射型２次元表示
素子の表示面を像点とする逆追跡により説明する。

【００４５】第１の反射型２次元表示素子において、仮
想物点中心を通り、絞り（瞳）中心を通過して、像面中
心に到達する光線を第１の軸上主光線とし、観察者の正
面に相当する軸を視軸として、この視軸が光学系の第１
面に交差するまでの直線によって定義される視軸をＺ軸
とし、前記Ｚ軸と直交し、かつ、接眼光学系を構成する
各面の偏心面内の軸をＹ軸と定義し、前記視軸と直交
し、かつ、前記Ｙ軸と直交する軸をＸ軸とする。

【００４６】そして、前記接眼光学系３に逆追跡に従
い、Ｘ軸方向に微小距離ｄ離れた光線をＸ軸に平行に入
射させ、像面と交差するときのその光線と軸上主光線と
のなす角のｔａｎを上記微小距離ｄで割った値この光学
系のＸ方向のパワーＰｘとし、この逆数をＸ方向の焦点
距離ｆｘとする。同様にＹ方向のパワーＰｙと焦点距離
ｆｙを定義すると、ｘ、ｙ方向の画角θｘ、θｙから、ｆｘ×ｔａｎθｘ＝Ｉｘ・・・（１−１）ｆｙ×ｔａｎθｙ＝Ｉｙ・・・（１−２）の２つの式で決まる理想像高Ｉｘ、Ｉｙに対して実際の
像高との違いをそれぞれＸ方向、Ｙ方向の像歪みとする
とき、その像歪みが２０％以下であることが望ましい。
この定義式は、観察像が平面の場合であるが、観察像を
観察者眼球位置を中心とする球とするときは、ｆｘ×θｘ＝Ｉｘ・・・（２−１）ｆｙ×θｙ＝Ｉｙ・・・（２−２）の２つの式で決まる理想像高Ｉｘ、Ｉｙに対して実際の
像高との違いをそれぞれＸ方向、Ｙ方向の像歪みとする
とき、その像歪みが、２０％以下であることが望まし
い。

【００４７】どちらの場合も、この条件の２０％を越え
ると、２つの反射型２次元表示素子の接続が滑らかに行
われず、連続した観察像を観察することが不可能にな
る。さらに好ましくは、前記の第２と第３の反射作用と
透過作用を有する面は１つの曲線で交差し（Ｙ−Ｚ断面
で見ると交差点になるが、Ｘ−Ｚ断面で見ると交差点が
連続した曲線となる状態）、この曲線近傍で２つの面の
がなす角（Ｙ−Ｚ断面で見た交差点近傍での２つの面の
がなす角）をδとするとき、９０°＜δ＜１８０° ・・・（３）なる条件を満足することが重要である。この条件の上限
の１８０°を越えると、本発明のような光路を構成する
ことが不可能になり、１つの光学系で２つの２次元表示
素子の映像を拡大する光学系を構成することができな
い。また、下限の９０°を越えると、第１面と第２面の
間で繰り返し反射が起り、この光線がゴーストとして観
察されるので好ましくない。

【００４８】さらに好ましくは、１１０°＜δ＜１７０° ・・・（３）' なる条件を満足することが重要である。上限の１７０°
と下限の１１０°は上記条件式（３）と同様である。

【００４９】さらに好ましくは、１３０°＜δ＜１５０° ・・・（３）" なる条件を満足することが重要である。上限の１５０°
と下限の１３０°は上記条件式（３）と同様である。

【００５０】さらに好ましくは、少なくとも２つの反射
型２次元表示素子の投影像が接する部分、つまり、視軸
近傍の像歪みが少ないことが重要である。この部分の映
像に歪みがあると、２つの映像の接続部分が滑らかに繋
がらず、特に直線や動く物体を表示した場合に不自然に
観察される。

【００５１】さらに好ましくは、前記像歪みは１５％以
下であることがより望ましく、１０％以下であればなお
よい。また、観察者視軸方向の観察画角がＸ軸負から正
に変化するときの逆追跡における反射型２次元表示素子
上でのＹ軸方向の像歪みの変化が少ないことが特に重要
となる。この部分の像歪みが大きいと２つの表示素子上
に表示される視軸方向の映像がダブッて表示されること
になり、特に見苦しくなってしまうからである。

【００５２】上記Ｘ軸負から正に変化するときの反射型
２次元表示素子上でのＹ軸方向の変化は、１ｍｍ以下が
望ましく、さらに望ましくは０．１ｍｍ以下がよい。ま
た、２つの反射型２次元表示素子は、実施例１に示すよ
うに、視軸方向にその映像の一部が重畳するように配置
されていることが望ましい。この重畳部を設けることに
より、観察者瞳がずれた場合でも少なくとも片方の映像
が途切れることなく観察することが可能となる。

【００５３】また、反射型２次元表示素子から射出する
角度（視野角）は、２次元表示素子の法線に対してある
一定以上の値よりも小さくすることが好ましい。２次元
表示素子から射出する光線の中、観察者側に大きい視野
角を有する光線は、接眼光学系の第３面を屈折して入射
し、第１面で屈折して観察者側に射出してしまう場合が
ある。観察者眼球にこの光線が入射した場合にはフレア
若しくはゴースト像として知覚され、観察像に悪影響を
与える危惧が生じることになる。したがって、反射型２
次元表示素子から射出する光線の視野角を制限すること
で上述したフレア、ゴーストを除去する効果が得られ
る。

【００５４】なお、本発明における接眼光学系の第１面
に対向している第２面と第３面は、観察者に対して水平
方向に並設して配置されていることが望ましい。このよ
うな配置にすると、小さい２次元表示素子を用いても水
平方向にワイド（広角）な映像を実現でき、装置をコン
パクトに抑えつつ臨場感の高い視覚表示装置とすること
ができる。

【００５５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の視覚表示装置の
実施例１〜４について説明する。実施例１図１に実施例１の視覚表示装置の光学系の断面図を示
す。図１の光学系は右眼あるいは左眼の単眼用の光学系
を示すものであり、図において、１は観察者虹彩位置、
２は観察者視軸、３は接眼光学系、４は第１の反射型２
次元表示素子、５は第２の反射型２次元表示素子、６は
観察者眼球、１１は第１面、１２は第２面、１３は第３
面、１４は第１の反射型２次元表示素子４を拡大投影す
るための正レンズ、１５は第２の反射型２次元表示素子
５を拡大投影するための正レンズ、６０は第１の反射型
２次元画像表示素子を照明する光源、６１は第２の反射
型２次元画像表示素子を照明する光源である。

【００５６】図１の構成において、光源６０からの照明
光を受け第１の反射型２次元表示素子４の像面を反射し
た光線は、観察者眼球６方向に進行し、正レンズ１４を
介して反射作用と透過作用を有する第３面１３から透過
作用により接眼光学系３を構成する光学素子内に入射
し、反射作用と透過作用を有する第１面１１で反射作用
により反射し、観察者眼球６から離れる方向に進行し、
反射作用と透過作用を有する第２面１２で反射作用によ
り反射して再び観察者眼球方向に進行し、反射作用と透
過作用を有する第１面１１で透過作用により透過して、
観察者の眼球６に到達するように構成されている。

【００５７】また、光源６１からの照明光を受け第２の
２次元表示素子５の像面を反射した光線は、正レンズ１
５を介して上記の光学素子の反射作用と透過作用を有す
る第２面１２からその光学素子内に入射し、反射作用と
透過作用を有する第１面１１で反射し、反射作用と透過
作用を有する第３面１２で反射作用により反射し、反射
作用と透過作用を有する第１面１１で透過作用により透
過して、観察者の眼球６に到達するように構成されてい
る。

【００５８】本実施例は、接眼光学系３を反射作用と透
過作用を有する平面の３面１１〜１３で構成したもので
ある。そして、２次元表示素子４、５を拡大する光学系
として、透過型の正レンズ１４、１５を使用している。
また、３つの面１１、１２、１３は表面鏡として構成さ
れている。

【００５９】さらに好ましくは、第２面１２、第３面１
３の透過率と反射率は１０〜９０％の間に設定すること
により、明るい観察像を観察することができる。さらに
好ましくは、第２面１２、第３面１３は４０〜５０％の
透過率と反射率にすることが望ましい。

【００６０】また、第２面１２と第３面１３は視軸２に
対して対称に配置することが、構成を簡略化する上で望
ましい。特に、各面１１〜１３を別々に製作して組み合
わせる場合には、このように対称に配置することが好ま
しい。

【００６１】なお、この実施例において、第２面１２と
第３面１３がなす角δ、及び反射型２次元画像表示素子
（４・５）の像面とその像面に光源（６０・６１）より
入射する光束中の軸上主光線との成す角度をφは、 δ＝１２３° φ＝５２° である。実施例２図２に実施例２の視覚表示装置の光学系の断面図を示
す。図２の構成において、光源６０からの照明光を受け
第１の反射型２次元表示素子４の像面を反射した光線
は、接眼光学系３を構成するプリズム光学系の瞳１方向
に進行し、プリズム光学系３の反射作用と透過作用を有
する第３面１３から透過作用によりプリズム光学系３内
に入射し、反射作用と透過作用を有する第１面１１で反
射作用により反射し、瞳１から離れる方向に進行し、反
射作用と透過作用を有する第２面１２で反射作用により
反射して再び瞳１方向に進行し、反射作用と透過作用を
有する第１面１１で透過作用により透過してプリズム光
学系３から出て、瞳１に到達するように構成されてい
る。そして、光源６０から射出された照明光は、このプ
リズム光学系３の第１面１１と第３面１３を透過して第
１の反射型２次元画像表示素子４の像面に照射され、光
源６０とプリズム光学系３の第１面１１と第３面１３と
で照明光学系を形成する。

【００６２】また、光源６１からの照明光を受け第２の
反射型２次元表示素子５の像面を反射した光線は、瞳１
方向に進行し、プリズム光学系３の反射作用と透過作用
を有する第２面１２から透過作用によりプリズム光学系
３内に入射し、反射作用と透過作用を有する第１面１１
で反射作用により反射し、瞳１から離れる方向に進行
し、反射作用と透過作用を有する第３面１３で反射作用
により反射して再び瞳１方向に進行し、反射作用と透過
作用を有する第１面１１で透過作用により透過してプリ
ズム光学系３から出て、瞳１に到達するように構成され
ている。そして、光源６１から射出された照明光は、こ
のプリズム光学系３の第１面１１と第２面１２を透過し
て第２の反射型２次元画像表示素子５の像面に照射さ
れ、光源６１とプリズム光学系３の第１面１１と第２面
１２とで照明光学系を形成する。

【００６３】そして、プリズム光学系３の第１面１１、
第２面１２、第３面１３共、自由曲面で構成されてお
り、第１面１１はＸ−Ｚ面及びＹ−Ｚ面に対して対称で
あり、第２面１２と第３面１３はＹ−Ｚ面に対して対称
である。そして、第２面１２と第３面１３とはＸ−Ｚ面
に対して相互に対称な面形状になっている。しかも、第
１の反射型２次元表示素子４と第２の反射型２次元表示
素子５もＸ−Ｚ面に対して相互に対称な位置に配置され
ている。したがって、プリズム光学系３はＸ−Ｚ面及び
Ｙ−Ｚ面に対して対称な構成になっている。

【００６４】この実施例及び下記の実施例３〜４の逆光
線追跡での構成パラメータは後記するが、その構成パラ
メータにおいては、図２に示すように、瞳位置１を原点
とし、観察者視軸２を原点からプリズム光学系３に向か
う方向を正とするＺ軸、瞳位置１を通り視軸２に直交
し、プリズム光学系によって視軸２に沿って進む軸上主
光線が折り曲げられる面内にあり、紙面において左右方
向の右から左を正とするＹ軸、瞳位置１を通り視軸２に
直交し、紙面の表から裏を正とするＸ軸と定義する。な
お、光線追跡はプリズム光学系３の瞳１側からプリズム
光学系３に入射する逆追跡としている。

【００６５】そして、偏心が与えられている面について
は、その面の面頂位置の光学系３の原点である瞳１の中
心からのＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量と、そ
の面の中心軸（前記の（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα、β、
γ）とが与えられている。なお、その場合、αとβの正
はそれぞれの軸の正方向に対しての反時計回りを、γの
正はＺ軸の正方向に対しての時計回りを意味する。その
他、曲率半径、面間隔、媒質の屈折率、アッベ数が慣用
法に従って与えられている。

【００６６】そして、回転非対称面（自由曲面）の形状
は前記の（ａ）式により定義する。その定義式のＺ軸が
回転非対称面の軸となる。なお、後記する構成パラメー
タ中の像面位置データとしては、第１の反射型２次元表
示素子４の位置データしか示していないが、第２の反射
型２次元表示素子５はＸ−Ｚ面に対して第１の反射型２
次元表示素子４と対称に配置されている（実施例３〜４
も同じ。）。

【００６７】さて、本実施例２は、入射瞳（逆光線追跡
で見た場合、瞳１は入射瞳になる。順光線追跡で見る
と、射出瞳である。）径４ｍｍ、１つの２次元表示素子
に対する画角は２５°、Ｘ方向の焦点距離２４．４ｍ
ｍ、Ｙ方向の焦点距離２４．０ｍｍである。

【００６８】なお、この実施例において、第２面１２と
第３面１３のＹ−Ｚ断面で見た交差点近傍でのなす角
δ、及び反射型２次元画像表示素子（４・５）の像面と
その像面に光源（６０・６１）より入射する光束中の軸
上主光線との成す角度をφは、 δ＝６０．５° φ＝３２．０° である。実施例３図３に実施例３の視覚表示装置の光学系の断面図を示
す。第２の反射型２次元表示素子５はＸ−Ｚ面に対して
第１の反射型２次元表示素子４と対称に配置されるの
で、図示は省く。

【００６９】図３の構成において、光源６０からの照明
光を受け第１の反射型２次元表示素子４の像面を反射し
た光線は、接眼光学系３を構成するプリズム光学系の瞳
１方向に進行し、プリズム光学系３の反射作用と透過作
用を有する第３面１３から透過作用によりプリズム光学
系３内に入射し、反射作用と透過作用を有する第１面１
１で反射作用により反射し、瞳１から離れる方向に進行
し、反射作用と透過作用を有する第２面１２で反射作用
により反射して再び瞳１方向に進行し、反射作用と透過
作用を有する第１面１１で透過作用により透過してプリ
ズム光学系３から出て、瞳１に到達するように構成され
ている。

【００７０】プリズム光学系３を構成する第１面１１と
第２面１２と第３面１３との構成、作用は実施例２と同
様であるので、説明は省く。また、構成パラメータは後
記する。

【００７１】この実施例は、入射瞳径４ｍｍ、１つの反
射型２次元表示素子に対する画角は３０°、Ｘ方向の焦
点距離３７．５ｍｍ、Ｙ方向の焦点距離３９．２ｍｍで
ある。

【００７２】なお、この実施例において、第２面１２と
第３面１３のＹ−Ｚ断面で見た交差点近傍でのなす角
δ、及び反射型２次元画像表示素子（４・５）の像面と
その像面に光源（６０・６１）より入射する光束中の軸
上主光線との成す角度をφは、 δ＝５９．４° φ＝４１．５° である。実施例４図４に実施例４の視覚表示装置の光学系の断面図を示
す。第２の反射型２次元表示素子５はＸ−Ｚ面に対して
第１の２次元表示素子４と対称に配置されるので、図示
は省く。

【００７３】図４の構成において、光源６０からの照明
光を受け第１の反射型２次元表示素子４の像面を反射し
た光線は、接眼光学系３を構成するプリズム光学系の瞳
１方向に進行し、プリズム光学系３の反射作用と透過作
用を有する第３面１３から透過作用によりプリズム光学
系３内に入射し、反射作用と透過作用を有する第１面１
１で反射作用により反射し、瞳１から離れる方向に進行
し、反射作用と透過作用を有する第２面１２で反射作用
により反射して再び瞳１方向に進行し、反射作用と透過
作用を有する第１面１１で透過作用により透過してプリ
ズム光学系３から出て、瞳１に到達するように構成され
ている。そして、光源６０から射出された照明光は、平
板反射ミラー６２を反射し、プリズム光学系３の第１面
１１と第３面１３を透過して第１の反射型２次元画像表
示素子４の像面に照射され、光源６０と平板反射ミラー
６２とプリズム光学系３の第１面１１と第３面１３とで
照明光学系を形成する。

【００７４】プリズム光学系３を構成する第１面１１と
第２面１２と第３面１３との構成、作用は実施例２と同
様であるので、説明は省く。また、構成パラメータは後
記する。

【００７５】この実施例は、入射瞳径４ｍｍ、１つの反
射型２次元表示素子に対する画角は３０°、Ｘ方向の焦
点距離３８．９ｍｍ、Ｙ方向の焦点距離４０．１１ｍｍ
である。

【００７６】なお、この実施例において、第２面１２と
第３面１３のＹ−Ｚ断面で見た交差点近傍でのなす角
δ、及び反射型２次元画像表示素子（４・５）の像面と
その像面に光源（６０・６１）より入射する光束中の軸
上主光線との成す角度をφは、 δ＝６０．５° φ＝２５．０° である。

【００７７】以下、上記実施例２〜４の構成パラメータ
を示す。実施例２面番号曲率半径間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.0000 1 ∞（瞳） 2 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 5 自由曲面[3] 偏心(3) 6 ∞（像面）偏心(4) 7 自由曲面[3] 偏心(3) 1.5254 56.2 8 自由曲面[1] 偏心(1) 9 ∞（光源面）偏心(5) 自由曲面[1] Ｃ₄ -5.5645×10^-3 Ｃ₆ 3.0263×10^-3 Ｃ₁₁ 8.3836×10^-6 Ｃ₁₃ 2.2588×10^-6 Ｃ₁₅ 7.7295×10^-8 自由曲面[2] Ｃ₄ -8.9121×10^-3 Ｃ₆ -4.3332×10^-3 Ｃ₈ 1.6710×10^-5 Ｃ₁₀ -2.8838×10^-5 Ｃ₁₁ 9.5267×10^-7 Ｃ₁₃ -1.9952×10^-7 Ｃ₁₅ 1.1534×10^-6 Ｃ₁₇ -8.2138×10^-8 Ｃ₁₉ -4.5360×10^-8 Ｃ₂₁ -1.0421×10^-7 自由曲面[3] Ｃ₄ -8.9121×10^-3 Ｃ₆ -4.3332×10^-3 Ｃ₈ -1.6710×10^-5 Ｃ₁₀ 2.8838×10^-5 Ｃ₁₁ 9.5267×10^-7 Ｃ₁₃ -1.9952×10^-7 Ｃ₁₅ 1.1534×10^-6 Ｃ₁₇ 8.2138×10^-8 Ｃ₁₉ 4.5360×10^-8 Ｃ₂₁ 1.0421×10^-7 偏心(1) ｘ 0.00 ｙ 0.00 ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) ｘ 0.00 ｙ -8.30 ｚ 42.68 α -30.24 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) ｘ 0.00 ｙ 8.30 ｚ 42.68 α 30.24 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) ｘ 0.00 ｙ 19.31 ｚ 39.69 α 22.58 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) ｘ 0.00 ｙ 17.13 ｚ 22.14 α 15.16 β 0.00 γ 0.00 。実施例３面番号曲率半径間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.0000 1 ∞（瞳） 2 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 5 自由曲面[3] 偏心(3) 6 ∞（像面）偏心(4) 7 ∞（光源面）偏心(5) 自由曲面[1] Ｃ₄ -5.0934×10^-3 Ｃ₆ 2.2284×10^-3 Ｃ₁₁ 1.3224×10^-5 Ｃ₁₃ 3.7501×10^-6 Ｃ₁₅ 7.8140×10^-7 自由曲面[2] Ｃ₄ -6.0209×10^-3 Ｃ₆ -1.4150×10^-3 Ｃ₈ 4.3355×10^-5 Ｃ₁₀ 5.8731×10^-5 Ｃ₁₁ 3.4192×10^-6 Ｃ₁₃ 2.1750×10^-6 Ｃ₁₅ 5.5550×10^-7 Ｃ₁₇ -8.2771×10^-8 Ｃ₁₉ -4.9570×10^-8 Ｃ₂₁ -1.5881×10^-7 自由曲面[3] Ｃ₄ -6.0209×10^-3 Ｃ₆ -1.4150×10^-3 Ｃ₈ -4.3355×10^-5 Ｃ₁₀ -5.8731×10^-5 Ｃ₁₁ 3.4192×10^-6 Ｃ₁₃ 2.1750×10^-6 Ｃ₁₅ 5.5550×10^-7 Ｃ₁₇ 8.2771×10^-8 Ｃ₁₉ 4.9570×10^-8 Ｃ₂₁ 1.5881×10^-7 偏心(1) ｘ 0.00 ｙ 0.00 ｚ 30.00 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) ｘ 0.00 ｙ -10.92 ｚ 48.09 α -29.69 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) ｘ 0.00 ｙ 10.92 ｚ 48.09 α 29.69 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) ｘ 0.00 ｙ 31.41 ｚ 49.29 α 9.95 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) ｘ 0.00 ｙ 47.10 ｚ 23.67 α -31.66 β 0.00 γ 0.00 。実施例４面番号曲率半径間隔偏心屈折率アッベ数物体面 ∞ -1000.0000 1 ∞（瞳） 2 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 3 自由曲面[2] 偏心(2) 1.5254 56.2 4 自由曲面[1] 偏心(1) 1.5254 56.2 5 自由曲面[3] 偏心(3) 6 ∞（像面）偏心(4) 7 自由曲面[3] 偏心(3) 1.5254 56.2 8 自由曲面[1] 偏心(1) 9 ∞（反射面）偏心(5) 10 ∞（光源面）偏心(6) 自由曲面[1] Ｃ₄ -3.9682×10^-3 Ｃ₆ 1.6555×10^-3 Ｃ₁₁ 2.7723×10^-6 Ｃ₁₃ 1.4204×10^-6 Ｃ₁₅ -2.9924×10^-7 自由曲面[2] Ｃ₄ -4.7317×10^-3 Ｃ₆ -2.6647×10^-3 Ｃ₈ 1.2840×10^-5 Ｃ₁₀ -2.8019×10^-5 Ｃ₁₁ 3.0472×10^-7 Ｃ₁₃ 1.3889×10^-7 Ｃ₁₅ 1.2025×10^-7 Ｃ₁₇ -1.1487×10^-8 Ｃ₁₉ -5.0183×10^-9 Ｃ₂₁ -2.2412×10^-8 自由曲面[3] Ｃ₄ -4.7317×10^-3 Ｃ₆ -2.6647×10^-3 Ｃ₈ -1.2840×10^-5 Ｃ₁₀ 2.8019×10^-5 Ｃ₁₁ 3.0472×10^-7 Ｃ₁₃ 1.3889×10^-7 Ｃ₁₅ 1.2025×10^-7 Ｃ₁₇ 1.1487×10^-8 Ｃ₁₉ 5.0183×10^-9 Ｃ₂₁ 2.2412×10^-8 偏心(1) ｘ 0.00 ｙ 0.00 ｚ 37.35 α 0.00 β 0.00 γ 0.00 偏心(2) ｘ 0.00 ｙ -14.47 ｚ 65.04 α -30.28 β 0.00 γ 0.00 偏心(3) ｘ 0.00 ｙ 14.47 ｚ 65.04 α 30.28 β 0.00 γ 0.00 偏心(4) ｘ 0.00 ｙ 37.29 ｚ 55.15 α 25.08 β 0.00 γ 0.00 偏心(5) ｘ 0.00 ｙ 29.13 ｚ 27.31 α 59.27 β 0.00 γ 0.00 偏心(6) ｘ 0.00 ｙ 48.42 ｚ 26.00 α 93.83 β 0.00 γ 0.00 。

【００７８】さて、以上説明したような視覚表示装置を
片眼装着用に構成しても、両眼装着用に構成してもよ
い。片眼に装着する構成にした場合の様子を図５に（こ
の場合は、左眼に装着）、両眼に装着する構成にした場
合の様子を図６にそれぞれ示す。また、両眼に装着する
構成の場合の観察者の左右の眼６Ｌ、６Ｒに対する左右
の接眼光学系３Ｌ、３Ｒ（図の場合は、実施例２〜４の
プリズム光学系を想定している。）の配置を示す上面図
を図７に示す。

【００７９】図５、図６中、３１は表示装置本体部を示
し、図５の場合は観察者の顔面の左眼の前方に、図６の
場合は観察者の顔面の両眼の前方に保持されるよう支持
部材が頭部を介して固定している。その支持部材として
は、一端を表示装置本体部３１に接合し、観察者のこめ
かみから耳の上部にかけて延在する左右の前フレーム３
２と、前フレーム３２の他端に接合され、観察者の側頭
部を渡るように延在する左右の後フレーム３３とから
（図５の場合）、あるいは、さらに、左右の後フレーム
３３の他端に挟まれるように自らの両端を一方づつ接合
し、観察者の頭頂部を支持する頭頂フレーム３４とから
（図６の場合）構成されている。

【００８０】また、前フレーム３２における上記の後フ
レーム３３との接合近傍には、弾性体からなり例えば金
属板バネ等で構成されたリヤプレート３５が接合されて
いる。このリヤプレート３５は、上記支持部材の一翼を
担うリヤカバー３６が観察者の後頭部から首のつけねに
かかる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように
接合されている（図６の場合）。リヤプレート３５又は
リヤカバー３６内にの観察者の耳に対応する位置にスピ
ーカ３９が取り付けられている。

【００８１】映像・音声信号等を外部から送信するため
のケーブル４１が表示装置本体部３１から、頭頂フレー
ム３４（図６の場合）、後フレーム３３、前フレーム３
２、リヤプレート３５の内部を介してリヤプレート３５
あるいはリヤカバー３６の後端部より外部に突出してい
る。そして、このケーブル４１はビデオ再生装置４０に
接続されている。なお、図中、４０ａはビデオ再生装置
４０のスイッチやボリュウム調整部である。

【００８２】なお、ケーブル４１は先端をジャックし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもかまわ
ない。

【００８３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、２つ以上の反射型２次元表示素子を使用し
て、薄型、小型、軽量で、しかも、広画角、高解像で観
察画面周辺まで明瞭に映像が観察可能な頭部装着式表示
装置等に好適な視覚表示装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の視覚表示装置の光学系の断
面図である。

【図２】本発明の実施例２の視覚表示装置の光学系の断
面図である。

【図３】本発明の実施例３の視覚表示装置の光学系の断
面図である。

【図４】本発明の実施例４の視覚表示装置の光学系の断
面図である。

【図５】本発明の視覚表示装置を片眼装着用構成にした
場合の様子を示す図である。

【図６】本発明の視覚表示装置を両眼装着用構成にした
場合の様子を示す図である。

【図７】図６の場合の観察者の左右の眼に対する左右の
接眼光学系の配置を示す上面図である。

【図８】偏心した凹面鏡により発生する像面湾曲を説明
するための図である。

【図９】偏心した凹面鏡により発生する非点収差を説明
するための図である。

【図１０】偏心した凹面鏡により発生するコマ収差を説
明するための図である。

【図１１】従来の１つの頭部装着式表示装置の光学系を
説明するための図である。

【図１２】液晶表示装置の画面周りが基板部で囲まれて
いることを説明するための図である。

【符号の説明】

１観察者虹彩位置（瞳）２観察者視軸３接眼光学系（プリズム光学系）３Ｌ左の接眼光学系３Ｒ右の接眼光学系４第１の反射型２次元表示素子５第２の反射型２次元表示素子６観察者眼球６Ｌ観察者の左眼６Ｒ観察者の右眼１１接眼光学系第１面１２接眼光学系第２面１３接眼光学系第３面１４、１５正レンズ３１表示装置本体部３２前フレーム３３後フレーム３４頭頂フレーム３５リヤプレート３６リヤカバー３９スピーカ４０ビデオ再生装置４０ａスイッチ、ボリュウム調整部４１ケーブルＭ凹面鏡６０第1 の反射型２次元表示素子を照明する光源６１第２の反射型２次元表示素子を照明する光源６２平板反射ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元表示手段によって形成された画像
を観察者眼球に導くことにより虚像として拡大投影する
接眼光学系を有した視覚表示装置において、前記２次元表示手段が、第１の反射型２次元表示手段と
第２の反射型２次元表示手段と前記第１及び第２の反射
型２次元表示手段を照明する照明手段とにを有し、前記接眼光学系は、反射作用と透過作用とを有する第１
面と、少なくとも反射作用を有する第２面と、少なくと
も反射作用を有する第３面とを含み、前記第１面が観察者眼球に対向するように配置され、前
記第２面が前記第１面と対向するように配置され、前記
第３面が前記第１面と対向し、かつ、前記第２面と並設
されるように配置されることにより、前記第１の反射型
２次元表示手段と前記第２の反射型２次元表示手段との
表示画像を観察者眼球に導くと共に、以下の条件を満足
するように構成されことを特徴とする視覚表示装置。１０°＜φ＜６０° ただし、φは反射型２次元画像表示手段の像面の法線、
その像面に光源より入射する光束中の軸上主光線との成
す角度である。
【請求項２】請求項１において、前記第１面と前記第
２面と前記第３面とが、間を屈折率（ｎ）が１．３より
大きい（ｎ＞１．３）媒質で埋めたプリズム部材の光学
面を形成していることを特徴とする視覚表示装置。
【請求項３】請求項２において、前記第１の反射型２
次元表示手段により形成される表示画像と前記第２の反
射型２次元表示手段により形成される表示画像とが少な
くとも一部同一の画像を含み、観察者眼球に導かれる画
像は前記同一の画像部分が重畳されて観察されるように
前記接眼光学系を形成したことを特徴とする視覚表示装
置。
【請求項４】請求項２又は３において、前記接眼光学
系は、前記照明手段からの照明光を受け前記第１の反射
型２次元表示手段から反射された光束が、前記第３面を
透過し、前記第１面で反射し、前記第２面で反射した
後、前記第１面を透過して観察者眼球に導かれると共
に、前記照明手段からの照明光を受け前記第２の反射型
２次元表示手段から反射された光束が、前記第２面を透
過し、前記第１面で反射し、前記第３面で反射した後、
前記第１面を透過して観察者眼球に導かれるように構成
されたことを特徴とする視覚表示装置。
【請求項５】請求項２又は３において、前記照明手段
が光源と前記光源からの光を前記反射型２次元表示手段
に導く照明光学系とを有し、前記接眼光学系は、少なく
とも一部の光学面を前記照明光学系と兼用するように構
成されたことを特徴とする視覚表示装置。
【請求項６】請求項５において、前記接眼光学系は、
前記照明手段からの照明光を受け前記第１の反射型２次
元表示手段から反射された光束が、前記第３面を透過
し、前記第１面で反射し、前記第２面で反射した後、前
記第１面を透過して観察者眼球に導かれると共に、前記
照明手段からの照明光を受け前記第２の反射型２次元表
示手段から反射された光束が、前記第２面を透過し、前
記第１面で反射し、前記第３面で反射した後、前記第１
面を透過して観察者眼球に導かれるように構成され、前記照明光学系は、少なくとも前記光源から射出した光
束が、前記第１面を透過し、前記第３面を透過して前記
反射型２次元表示手段に導くように構成されたことを特
徴とする視覚表示装置。
【請求項７】請求項６において、前記照明手段が、前記
接眼光学系の第１面と前記光源との間に反射面を備えた
ことを特徴とする視覚表示装置。
【請求項８】請求項４、６、又は７において、前記第１
面の反射作用は、光線の反射角が臨界角以上の反射角を
有する全反射作用であることを特徴とする視覚表示装
置。
【請求項９】請求項１〜８の何れか１項において、右眼
用接眼光学系と左眼用接眼光学系を備えていることを特
徴とする視覚表示装置。
【請求項１０】請求項１〜９の何れか１項において、前
記接眼光学系が、前記第１面に対向し、かつ、相互に並
設関係にある前記第２面と前記第３面とを観察者に対し
て水平方向に並設して配置されていることを特徴とする
視覚表示装置。
【請求項１１】請求項１〜１０の何れか１項において、
前記第１の反射型２次元表示手段と前記第２の反射型２
次元表示手段と前記接眼光学系の射出瞳とを含む面をＹ
−Ｚ断面とするとき、前記第１面のＹ−Ｚ断面の形状
が、観察者側に凹面を向けた形状であることを特徴とす
る視覚表示装置。
【請求項１２】請求項１〜１１の何れか１項において、
前記第１の反射型２次元表示手段と前記第２の反射型２
次元表示手段と前記接眼光学系の射出瞳とを含む面をＹ
−Ｚ断面とするとき、前記第２面と前記第３面のＹ−Ｚ
断面の形状が、前記第１面側に凹面を向けた形状である
ことを特徴とする視覚表示装置。
【請求項１３】請求項１〜１２の何れか１項において、
前記第１面の面形状は回転非対称面形状であることを特
徴とする視覚表示装置。
【請求項１４】請求項１３において、前記第１面は対称
面を１つのみ有する面対称自由曲面からなることを特徴
とする視覚表示装置。
【請求項１５】請求項１〜１４の何れか１項において、
前記第２面及び前記第３面は回転非対称面形状であるこ
とを特徴とする視覚表示装置。
【請求項１６】請求項１５において、前記第２面及び前
記第３面は対称面を１つのみ有する面対称自由曲面から
なることを特徴とする視覚表示装置。
【請求項１７】請求項１６において、前記第１の反射型
２次元表示手段と前記第２の反射型２次元表示手段と前
記接眼光学系の射出瞳とを含む面をＹ−Ｚ断面とし、そ
の断面に垂直なＸ−Ｚ断面とするとき、前記第２面と前
記第３面の対称面がＸ−Ｚ断面若しくはそれと平行な面
上に位置することを特徴とする視覚表示装置。
【請求項１８】請求項１〜１７の何れか１項において、
前記接眼光学系が、その射出瞳側から前記第１及び第２
の２次元表示手段への逆光線追跡によって、前記第１及
び第２の反射型２次元表示手段上の光線の横収差が共に
５０μｍ以下となるように構成されていることを特徴と
する視覚表示装置。
【請求項１９】請求項４〜１８の何れか1 項において、
前記の第２と第３の反射作用と透過作用を有する面は１
つの曲線で交差し（Ｙ−Ｚ断面で見ると交差点になる
が、Ｘ−Ｚ断面で見ると交差点が連続した曲線となる状
態）、この曲線近傍で２つの面のがなす角（Ｙ−Ｚ断面
で見た交差点近傍での２つの面のがなす角）をδとする
とき、以下の条件を満足することを特徴とする視覚表示
装置。９０°＜δ＜１８０° ・・・（３）