JP2000249975A

JP2000249975A - 映像表示装置

Info

Publication number: JP2000249975A
Application number: JP11056418A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kobayashi; 恭小林; Takeshi Endo; 毅遠藤
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】観察者の眼前にて使用される構成でありなが
ら、視野がきわめて広く質の優れた映像を提供し得る映
像表示装置を実現する。【解決手段】拡散反射特性を有する１つの凹面スクリ
ーンと、ハーフミラーと、それぞれ１対の液晶表示器
と、投射レンズと、接眼レンズで映像表示装置を構成す
る。液晶表示器に表示した映像の光を投射レンズによっ
て、ハーフミラーを介して凹面スクリーンに投射し、凹
面スクリーン上に液晶表示器の映像の拡大された２次像
を形成する。その反射光をハーフミラーを介して接眼レ
ンズに入射させて、観察者の眼に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察者の眼前に配
置されて使用される映像表示装置に関し、特に、きわめ
て広視野で臨場感豊かな映像を提供する映像表示装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部に装着され、あるいは手で保持され
て、観察者の眼前にて使用される映像表示装置があり、
仮想の現実を臨場感豊かに提供する手段としてバーチャ
ルリアリティの分野で多用されている。このような装置
では、一般に、液晶表示器等の表示素子に映像を表示
し、その映像光を接眼光学系を介して観察者の眼に導く
ようにしている。観察者は接眼光学系を介して、表示さ
れた映像の虚像を観察することになり、接眼光学系の倍
率に応じた大きさの拡大された映像を観察することがで
きる。通常、表示素子は１対備えられ、これらに視差の
ある映像を表示して、映像光を左右の眼に個別に導くこ
とにより、立体像を提供するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の映像
表示装置では、実際に表示される映像自体が小さいか
ら、表示素子と接眼レンズの距離をあまり大きくするこ
とができない。このため、十分なアイレリーフと大きな
瞳を確保しながら、提供する映像の視野を大きくするこ
とには限界がある。

【０００４】表示素子あるいは接眼光学系として大きな
ものを備えれば、この問題はある程度解決できる。しか
しながら、コストが大きく上昇するという問題が生じる
上、表示素子を大きくすると、ぶつかり合わないように
２つの表示素子を配置することは無理になり、立体像の
提供ができなくなる。また、左右の眼の間隔による制約
のある接眼光学系を大きくすることは容易ではなく、収
差が大きくなって映像の質の低下を招き易い。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、観察者の眼前にて使用される構成でありながら、
視野がきわめて広く質の優れた映像を提供し得る映像表
示装置を実現することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、観察者の両眼の直前に配置されて使用
され、両眼に提供する映像を個別に表示する映像表示装
置を、左右の眼に提供する映像を表示する１対の表示素
子と、光を反射して反射光を拡散させる拡散反射特性を
有する１つの凹面スクリーンと、１対の表示素子からの
光を凹面スクリーンに向けて反射するとともに、凹面ス
クリーンからの光を透過させるコンバイナーと、１対の
表示素子からの光をコンバイナーを介して凹面スクリー
ンに投射して、１対の表示素子に表示された映像の拡大
された像を凹面スクリーン上に形成する１対の投射光学
系と、コンバイナーを透過した凹面スクリーンからの光
を左右の眼に導いて、凹面スクリーン上に形成された像
の虚像を観察者に提供する１対の接眼光学系とで構成す
る。

【０００７】この映像表示装置は、観察者の眼に正対す
る位置にスクリーンを有し、表示素子に表示された映像
の光をスクリーンに投射することにより拡大された２次
像を形成して、その２次像を接眼光学系を介して虚像と
して観察させるものである。表示素子、投射光学系、お
よび接眼光学系はそれぞれ左右の眼に対応して１対備え
られ、スクリーンはただ１つである。

【０００８】表示素子としては小型のものを用いること
ができる。スクリーンは凹面であるから、同じ大きさで
も平面よりも視野角の大きい映像を形成することが可能
であり、しかも、拡散反射特性を有するから、接眼光学
系がスクリーンのあらゆる部位からの光を眼に導くこと
ができて、視野の広い映像を提供することができる。ま
た、スクリーンの拡散反射特性により、眼に導かれる光
の光束径が大きくなって、大きな瞳が確保される。スク
リーンが凹面であることは、投射光学系および接眼光学
系の収差の低減にも寄与する。

【０００９】表示素子からの光は、接眼光学系と凹面ス
クリーンとの間に配置されたコンバイナーを介してスク
リーンに投射され、スクリーンからの光はコンバイナー
を介して接眼光学系に入射する。このため、投射光学系
の光軸と接眼光学系の光軸を略一致させることが可能で
あり、１対の投射光学系をコンパクトに配置しながら
も、視野が水平方向にきわめて広い映像を提供すること
ができる。また、凹面であるスクリーンに対する投射光
学系の偏心度を小さくすることができて、歪曲収差をは
じめとする種々の光学的性能の補正が容易である。

【００１０】上記の映像表示装置は、観察者の頭部に装
着するための装着部材を備えて、頭部載置型表示装置
（ＨＭＤ）とすることができる。この構成では、観察者
は映像を観察しながら、両手を自由に動かすことが可能
である。

【００１１】凹面スクリーンと１対の接眼光学系との間
隔は１００ｍｍ以上とするのがよい。このように設定す
ると、接眼光学系のパワーを特に大きくすることなく映
像を提供することが可能になり、接眼光学系の収差を容
易に抑えることができる。

【００１２】１対の表示素子に左右の眼の間隔に応じた
視差のある映像を表示させるとよい。立体像が提供され
ることになり、視野の広さとあいまって、臨場感が大き
く向上する。

【００１３】その場合、１対の表示素子はそれぞれ、偏
光面が直交する直線偏光の一方および他方によって映像
を表示するものとするか、または、１対の表示素子から
の光を互いに偏光面が直交する直線偏光として１対の投
射光学系に導く直線偏光化手段を設ける。そして、凹面
スクリーンに偏光状態を保って光を反射する偏光保持特
性をもたせて、１対の接眼光学系にはそれぞれ、偏光面
が直交する直線偏光の一方および他方を透過させる偏光
板を備える。このようにすると、左眼用の映像の光は左
眼のみに、右眼用の映像の光は右眼のみに導かれること
になり、ゴーストのない立体像を提供することができ
る。

【００１４】１対の表示素子からの光を互いに逆方向に
回転する円偏光として１対の投射光学系に導く円偏光化
手段を設け、１対の接眼光学系にそれぞれ、逆方向に回
転する円偏光の一方のみおよび他方のみを透過させる選
択透過特性をもつ素子を備えるようにしてもよい。この
場合も、凹面スクリーンには偏光保持特性をもたせる。
この構成でもゴーストのない立体像を提供することがで
きる。

【００１５】光を入射方向に強く反射する再帰反射特性
を凹面スクリーンにもたせ、１対の投射光学系の射出瞳
と１対の接眼光学系の入射瞳をコンバイナーに対して略
等価な位置に設定するとよい。スクリーンによって反射
される光の大部分を接眼光学系に入射させることが可能
になり、明るい映像を提供することができる。しかも、
１対の表示素子に視差のある映像を表示させるときで
も、左眼用の映像の光を左眼のみに、右眼用の映像の光
を右眼のみに導くことができて、特に他の手段を備える
ことなくゴーストのない立体像を提供することが可能で
ある。

【００１６】凹面スクリーンは、曲率中心が観察者の左
右の眼から等距離にかつ左右の眼よりも後方に位置する
略球面のスクリーンとするとよい。球面とすることでス
クリーンの製造が容易になる。また、その曲率中心を左
右の眼から等距離とすることで、対を成す表示素子、投
射光学系および接眼光学系をそれぞれ対称に設定するこ
とが可能になる。さらに、曲率中心を左右の眼よりも後
方に位置させること、すなわち曲率半径を大きくするこ
とで、スクリーンに対する投射光学系の光軸の偏心を抑
えることができて、歪曲収差の補正が容易になる。

【００１７】この構成では、１対の投射光学系の光軸が
凹面スクリーンの曲率中心を通るようにするとよい。投
射光学系とスクリーンとが共軸になって、スクリーン上
の像に歪曲収差が発生するのが防止される。また、スク
リーンのどの部位に対しても焦点が合うように投射光学
系を設定することが容易になる。

【００１８】また、１対の接眼光学系の光軸が凹面スク
リーンの曲率中心を通るようにするとよい。水平方向の
視野が広がるとともに、より歪みのない映像を提供する
ことができる。接眼光学系同士がぶつかり合うのを避け
るように配置することもきわめて容易である。

【００１９】投射光学系または接眼光学系の光軸がスク
リーンの曲率中心を通るようにした設定では、凹面スク
リーンと１対の接眼光学系との間隔を１００ｍｍ以上と
し、凹面スクリーンの曲率半径から凹面スクリーンと１
対の接眼光学系との間隔を減じた値を１００ｍｍ以上か
つ４００ｍｍ以下にするのが、特に好ましい。視野を広
くしながらも、左右の眼に提供する映像が重なり合う範
囲を大きくすることができて、観察者は高い臨場感を得
ることができる。

【００２０】投射光学系の光軸がスクリーンの曲率中心
を通るようにした設定では、コンバイナーに向きが異な
る２つの部位をもたせるとよい。これらの部位は一体で
もよいし、別体でも構わない。コンバイナーの２つの部
位の向きを互いに独立に設定することができるため、投
射光学系の配設位置の制約が大幅に緩和されて、装置の
設計が容易になる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の映像表示装置の実
施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実
施形態の映像表示装置１の光学系の概略構成を図１、２
に示す。図１は平面図であり、図２は側面図である。映
像表示装置１は、１つの凹面スクリーン１１、１対の表
示素子として液晶表示器（ＬＣＤ）１２Ｌ、１２Ｒ、１
対の投射光学系として投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒ、１対
の接眼光学系として接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒ、および
コンバイナーとしてハーフミラー１５を備えている。

【００２２】凹面スクリーン１１は反射型の球面スクリ
ーンであり、映像表示装置１の使用時に、観察者の左眼
ＥＬと右眼ＥＲに正対し、その中心を通る法線（以下、
凹面スクリーン１１の中心線という）が水平になって左
眼ＥＬと右眼ＥＲの中央を通るように配置されている。
凹面スクリーン１１の曲率半径は３００ｍｍ程度に設定
されている。また、凹面スクリーン１１は、反射光を拡
散させる拡散反射特性を有している。

【００２３】ハーフミラー１５は、凹面スクリーン１１
の中心線上に、かつその中心線に対して４５゜の角度で
配置されている。投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒはそれぞ
れ、ハーフミラー１５によって折り返された凹面スクリ
ーン１１の中心線に対して、光軸が平行になるように配
置されている。ＬＣＤ１２Ｌは、その中心を投射レンズ
１３Ｌの光軸が通り、表示面が投射レンズ１３Ｌの光軸
に対して垂直になるように配置されている。ＬＣＤ１２
Ｒも同様に、その中心を投射レンズ１３Ｒの光軸が通
り、表示面が投射レンズ１３Ｒの光軸に対して垂直にな
るように配置されている。

【００２４】接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒは、ハーフミラ
ー１５に関して凹面スクリーン１１の反対側の位置す
る。接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒはそれぞれ、凹面スクリ
ーン１１の中心線に対して光軸が平行になるように配置
されている。接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの光軸は、ハー
フミラー１５上で、それぞれ投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒ
の光軸と直交する。接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの間隔
は、左右の眼ＥＬ、ＥＲの間隔に略一致し、接眼レンズ
１４Ｌ、１４Ｒから凹面スクリーン１１までの距離は１
５０ｍｍ程度に設定されている。

【００２５】ＬＣＤ１２Ｌは観察者の左眼ＥＬに提供す
るための映像を表示し、ＬＣＤ１２Ｒは観察者の右眼Ｅ
Ｒに提供するための映像を表示する。投射レンズ１３
Ｌ、１３Ｒはそれぞれ、ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒに表示さ
れた映像の光を、ハーフミラー１５に向けて射出してハ
ーフミラー１５によって反射させ、凹面スクリーン１１
上に結像させる。これにより、ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒに
表示された映像の拡大された２次像が凹面スクリーン１
１上に形成される。投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒによって
凹面スクリーン１１上に形成される２つの像の位置は一
致せず、両者は部分的に重なる。

【００２６】凹面スクリーン１１に入射した投射レンズ
１３Ｌ、１３Ｒのから光は、反射されてハーフミラー１
５に入射し、これを透過して接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒ
に入射する。接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒは入射した光を
左右の眼ＥＬ、ＥＲにそれぞれ導く。観察者は、凹面ス
クリーン１１に形成された映像を、接眼レンズ１４Ｌ、
１４Ｒを介して、さらに拡大された虚像として観察する
ことになる。

【００２７】前述のように、凹面スクリーン１１は拡散
反射特性を有しており、入射する光を様々な方向に反射
する。したがって、凹面スクリーン１１のあらゆる部位
で反射された光が接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒに入射する
ことになり、観察者は、凹面スクリーン１１に形成され
た映像の全体を観察することができる。しかも、凹面ス
クリーン１１上の各点からの光が接眼レンズ１４Ｌ、１
４Ｒの口径全体に入射するため、眼ＥＬ、ＥＲに導かれ
る光の光束径は大きく、大きな瞳が確保される。

【００２８】また、凹面スクリーン１１には大きな像が
形成されるため、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒのパワーを
特に高くすることなく、大きな映像すなわち視野の広い
映像を提供することができる。特に、水平方向の視野は
きわめて広い。パワーをあまり大きくする必要がないこ
とにより、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの収差は良好に抑
えられる。また、凹面スクリーン１１の曲率半径が大き
いため、凹面スクリーン１１に対する投射レンズ１３
Ｌ、１３Ｒの偏心度が低く、凹面スクリーン１１上に形
成される像自体にも歪曲がほとんどない。したがって、
観察者は、歪みや色ずれのない良質の映像を観察するこ
とができる。

【００２９】接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒのパワーがあま
り大きくなく、また、凹面スクリーン１１と接眼レンズ
１４Ｌ、１４Ｒがあまり接近していないため、眼ＥＬ、
ＥＲを接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒからある程度離間させ
ても光がけられ難い。したがって、アイレリーフも十分
に確保される。

【００３０】映像表示装置１を使用している状態を図７
に示す。映像表示装置１は、頭部に装着するための装着
部１９を備えており、ＨＭＤとして構成されている。し
たがって、観察者Ｕは両手が自由な状態で映像観察をす
ることができる。なお、ＨＭＤとすることに代えて、手
で保持して使用する形態としてもよい。

【００３１】ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒに映像を表示するた
めの回路構成の概略を図８に示す。映像表示装置１には
ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒをそれぞれ駆動するためのドライ
バ回路２１Ｌ、２１Ｒ、および表示する映像を生成する
映像生成回路２２が備えられている。映像生成回路２２
は、生成した映像に基づいて左眼用の映像信号ＳＬと右
眼用の映像信号ＳＲを作成して、ドライバ回路２１Ｌ、
２１Ｒにそれぞれ与える。ドライバ回路２１Ｌ、２１Ｒ
は与えられた映像信号に応じてＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒを
駆動する。

【００３２】投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒによって凹面ス
クリーン１１上に形成される２つの像は、前述のように
部分的に重なる。また、凹面スクリーン１１のどの部位
からの光も観察者の両眼ＥＬ、ＥＲに導かれる。そこ
で、映像生成回路２２は、左眼用の映像信号ＳＬの一部
と右眼用の映像信号ＳＲの一部を共通にし、その部分の
映像が凹面スクリーン１１の左右中央に形成されるよう
にする。これにより、左眼ＥＬのみに提供すべき映像が
右眼ＥＲにも提供されたり、その逆が生じたりするのが
防止され、視野が広く、しかもずれや間隙のない連続し
た映像を観察者に提供することができる。

【００３３】以下、本発明の他の実施形態の映像表示装
置について説明するが、既に説明した構成要素と同一ま
たは類似の構成要素には同じ符号を付して、重複する説
明は省略する。

【００３４】第２の実施形態の映像表示装置２の光学系
の概略構成を図３の平面図に示す。映像表示装置２で
は、ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒはそれぞれ、偏光面が互いに
直交する２つの直線偏光の一方および他方で映像を表示
する。また、接眼光学系の一部として、接眼レンズ１４
Ｌ、１４Ｒの後方にはそれぞれ、偏光面が互いに直交す
る２つの直線偏光の一方および他方を透過させる偏光板
１６Ｌ、１６Ｒが備えられている。偏光板１６ＬはＬＣ
Ｄ１２Ｌの光を透過させ、偏光板１６ＲはＬＣＤ１２Ｒ
の光を透過させる。

【００３５】凹面スクリーン１１は、拡散反射特性に加
えて、入射光の偏光状態を反射光に保持させる偏光保持
特性を有する。したがって、投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒ
により投射され凹面スクリーン１１によって反射された
光は、それぞれＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒが射出した直線偏
光のままである。接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒのどちらに
も双方の光が入射するが、偏光板１６Ｌ、１６Ｒがそれ
ぞれＬＣＤ１２Ｒ、１２Ｌからの光を遮断することによ
り、左眼ＥＬには左眼用の映像のみが提供され、右眼Ｅ
Ｒには右眼用の映像のみが提供される。

【００３６】映像表示装置２も、映像表示のために、図
８に示した構成を備えている。ただし、映像表示装置２
では、映像生成回路２２は、左右の眼ＥＬ、ＥＲの間隔
に応じた視差のある２つの映像を生成し、それらを表す
別個の映像信号ＳＬ、ＳＲをドライバ回路２１Ｌ、２１
Ｒを供給する。観察者は、左右の眼ＥＬ、ＥＲで視差の
ある映像を見て融像させることになり、立体像を観察す
ることができる。これにより遠近感が得られ、視野の広
さとあいまって、臨場感が大きく向上する。しかも、左
右の眼ＥＬ、ＥＲに他方の映像を表す光が混入すること
がなく、ゴーストのない映像が提供される。

【００３７】なお、ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒが偏光面の異
なる偏光で映像を表示することに代えて、ＬＣＤ１２
Ｌ、１２Ｒが同じ光で映像を表示した後に、それらの光
を互いに直交する偏光とするようにしてもよい。これを
行う直線偏光化手段としては、例えば、１／２波長位相
板を使用する。１／２波長位相板をＬＣＤ１２Ｌと投射
レンズ１３Ｌの間、またはＬＣＤ１２Ｒと投射レンズ１
３Ｒの間に配置することで、ＬＣＤ１２Ｌ、１２Ｒの一
方からの光の偏光面を９０゜回転させることができる。

【００３８】第３の実施形態の映像表示装置３の光学系
の概略構成を図４の側面図に示す。映像表示装置３は、
ＬＣＤ１２Ｌと投射レンズ１３Ｌの間およびＬＣＤ１２
Ｒと投射レンズ１３Ｒの間にそれぞれ、直線偏光を円偏
光とする位相板１７Ｌ、１７Ｒを備えている。位相板１
７Ｌ、１７Ｒは互いの円偏光の回転方向を逆向きとする
もので、例えば、１／４波長位相板と３／４波長位相板
が用いられる。

【００３９】また、接眼光学系の一部として、接眼レン
ズ１４Ｌ、１４Ｒの後方にはそれぞれ、回転方向に応じ
て円偏光を選択的に透過させるコレステリック液晶板１
８Ｌ、１８Ｒが備えられている。コレステリック液晶板
１８Ｌ、１８Ｒは、前者が位相板１７Ｌによって円偏光
とされた光を透過させ、後者が位相板１７Ｒによって円
偏光とされた光を透過させるように、選択性を逆に設定
されている。

【００４０】映像表示装置３においても、映像表示装置
２と同様に、凹面スクリーン１１は、拡散反射特性に加
えて偏光保持特性を有しており、映像生成回路２２は視
差のある映像を生成する。投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒに
より投射された光は、凹面スクリーン１１によって反射
された後も回転方向が変わらず、コレステリック液晶板
１８Ｌ、１８Ｒによってそれぞれ左右の眼ＥＬ、ＥＲに
選択的に導かれる。観察者は、立体像を観察することに
なり、高い臨場感を得ることができる。

【００４１】第４の実施形態の映像表示装置４の光学系
の概略構成を図５の側面図に示す。本実施形態の映像表
示装置４は、入射方向に特に強く光を反射する再帰特性
をもたせた拡散反射性の凹面スクリーン１１を備えてい
る。ここでは、微小なガラスビーズ１１ａを凹面上に設
けることによって再帰反射特性を実現しているが、ガラ
スビーズ１１ａに代えてコーナーキューブを使用するこ
ともできる。

【００４２】投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒの射出瞳と接眼
レンズ１４Ｌ、１４Ｒの入射瞳とは、ハーフミラー１５
に対して略等価な位置に設定されている。凹面スクリー
ン１１が再帰反射特性をもつため、投射レンズ１３Ｌ、
１３Ｒから投射された光は、他の方向にはあまり拡散せ
ず、大部分が接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒに入射して、明
るい映像を提供することができる。

【００４３】映像表示装置４においても、映像生成回路
２２が視差のある映像を生成するようにしており、立体
像が提供される。ここでは、映像表示装置２や３のよう
に、投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒに導く光の偏光特性を違
えたり、接眼光学系に偏光選択特性を有する素子を備え
たりすることはしていない。しかしながら、凹面スクリ
ーン１１の再帰反射特性により、投射レンズ１３Ｌから
の光が接眼レンズ１４Ｒに入射することや、投射レンズ
１３Ｒからの光が接眼レンズ１４Ｌに入射することはほ
とんどなく、ゴーストは発生し難い。なお、偏光特性を
利用することと組み合わせて、さらに鮮明な映像を提供
するようにすることもできる。

【００４４】第５の実施形態の映像表示装置５の光学系
の概略構成を図６の平面図に示す。本実施形態の映像表
示装置５では、凹面スクリーン１１に再帰反射特性をも
たせるとともに、ハーフミラー１５によって折り返され
凹面スクリーン１１によってさらに折り返された投射レ
ンズ１３Ｌ、１３Ｒの光軸が、凹面スクリーン１１の曲
率中心Ｃを通るように設定している。また、接眼レンズ
１４Ｌ、１４Ｒの光軸も凹面スクリーン１１の曲率中心
Ｃを通るように設定している。

【００４５】投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒの光軸が曲率中
心Ｃを通るように設定したことで、より視野の広い映像
を形成することが可能になる。しかも、凹面スクリーン
１１に対する投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒの偏心が皆無と
なり、歪曲のない像を凹面スクリーン１１に形成するこ
とができる。また、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの光軸が
曲率中心Ｃを通るように設定したことで、凹面スクリー
ン１１に対する接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの偏心が皆無
となり、凹面スクリーン１１上に形成された映像を歪曲
なく眼ＥＬ、ＥＲに提供することができる。

【００４６】なお、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの光軸が
凹面スクリーン１１の曲率中心Ｃを通るようにすること
に代えて、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒの光軸を凹面スク
リーン１１の中心線と平行にするようにしてもよい。凹
面スクリーン１１に対して接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒが
偏心することになるが、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒのパ
ワーは小さくてよいから、容易に収差を除去することが
できる。

【００４７】臨場感豊かな映像を提供するためには、視
野角を大きくするとともに、視差のある２つの映像のう
ちの同一範囲を表す部分を多くして、立体感を向上させ
るのが望ましい。これらは、当然、投射レンズ１３Ｌ、
１３Ｒの光軸がなす角をはじめとする種々の光学的パラ
メータに依存する。

【００４８】接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒと凹面スクリー
ン１１の間隔ｄ、凹面スクリーン１１の曲率半径ｒ、２
つの投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒの光軸がなす角θと、投
射レンズ１３Ｌ、１３Ｒによって凹面スクリーン１１上
に形成される２つの映像のオーバーラップ率、水平方向
の全視野角との関係を表１に例示する。

【００４９】

【表１】

【００５０】この例は、左右の眼ＥＬ、ＥＲの間隔を６
５ｍｍ、眼ＥＬ、ＥＲから接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒま
での距離を３０ｍｍ、投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒのそれ
ぞれの投射画角を１２０゜として算出したものである。
オーバーラップ率は、一方の映像の水平方向の角度に対
する、両方の映像が重なる部分の水平方向の角度であ
る。投射画角１２０゜は、投射レンズ１３Ｌ、１３Ｒが
大きくなり過ぎることのない標準的な値であり、接眼レ
ンズ１４Ｌ、１４Ｒと凹面スクリーン１１の間隔ｄの１
００ｍｍは、接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒに特に大きなパ
ワーを必要としない下限に近い値である。

【００５１】表１より明らかなように、凹面スクリーン
１１の曲率半径ｒから接眼レンズ１４Ｌ、１４Ｒと凹面
スクリーン１１の間隔ｄを引いた値（ｒ−ｄ）が１００
ｍｍよりも小さくなると、オーバーラップ率は急激に低
下する。一方、値（ｒ−ｄ）が４００ｍｍよりも大きく
なると、オーバーラップ率は大きくなるが全視野角が小
さくなる。したがって、値（ｒ−ｄ）を１００ｍｍ以
上、４００ｍｍ以下の範囲に設定するのが望ましいとい
える。

【００５２】なお、映像表示装置５では、コンバイナー
であるハーフミラー１５を別体の２つのハーフミラー１
５Ｌ、１５Ｒで構成し、これらを向きを違えて配置して
いる。このように、ハーフミラー１５Ｌ、１５Ｒの向き
を違えることで、光軸が曲率中心Ｃを通るように投射レ
ンズ１３Ｌ、１３Ｒを配置するのが容易になる。ハーフ
ミラー１５Ｌ、１５Ｒを別体とせず、向きの異なる２つ
の部位を有する一体のハーフミラーとしてもよい。

【００５３】上記各実施形態では、表示素子としてＬＣ
Ｄを使用しているが、本発明に用い得る表示素子はＬＣ
Ｄには限られない。特に、第１の実施形態のように視差
のない映像を表示する場合や、第４、第５の実施形態の
ように再帰反射特性を有する凹面スクリーンを使用する
場合は、映像を表す光の偏光特性は重要ではないから、
どのような方式の表示素子でも利用可能である。また、
ここでは、最も簡素な球面スクリーンを使用する例を示
したが、拡散反射特性を有する限り、凹面スクリーンと
して非球面のものを使用してもよい。

【００５４】

【発明の効果】本発明の映像表示装置では、表示素子の
映像そのものではなく、その映像をスクリーンに投射し
て拡大した２次像を接眼光学系によって観察するように
しているため、表示素子や接眼光学系を大型化すること
なく、観察対象の映像と接眼光学系との間隔を広くする
ことができる。これにより、瞳の大きさとアイレリーフ
を十分に確保しながら視野角をきわめて大きくすること
が可能になる。しかも、スクリーンとして拡散反射特性
を有する凹面のものを使用するため、視野を一層大きく
することが可能になるとともに、収差が軽減されて、良
質の映像を提供することができる。したがって、臨場感
豊かな装置となり、特にバーチャルリアリティに適す
る。

【００５５】観察者の頭部に装着するための装着部材を
備えてＨＭＤとした構成では、使い勝手のよい装置とな
る。

【００５６】凹面スクリーンと接眼光学系との間隔を１
００ｍｍ以上に設定すると、接眼光学系に要求されるパ
ワーが低下して、その収差を容易に抑えることができ
る。

【００５７】表示素子に左右の眼の間隔に応じた視差の
ある映像を表示させる構成では、提供する映像に立体感
が加わり、臨場感が大きく向上する。

【００５８】表示素子がそれぞれ直交する直線偏光によ
って映像を表示するようにし、または表示素子からの光
を直交する直線偏光とする直線偏光化手段を設けて、凹
面スクリーンに偏光保持特性をもたせるとともに、接眼
光学系に偏光板を備える構成では、ゴーストのない立体
像を提供することができる。

【００５９】表示素子からの光を逆方向に回転する円偏
光とする円偏光化手段を設けて、凹面スクリーンに偏光
保持特性をもたせ、接眼光学系に円偏光に対する選択透
過特性をもつ素子を備える構成でも、ゴーストのない立
体像を提供することができる。

【００６０】また、凹面スクリーンに再帰反射特性をも
たせるとともに、投射光学系の射出瞳と接眼光学系の入
射瞳をコンバイナーに対して等価な位置に設定すると、
明るい映像を提供することができる上、立体像を提供す
る場合でも、他の手段を備えることなくゴーストの発生
を避けることができる。

【００６１】凹面スクリーンを曲率中心が観察者の左右
の眼から等距離にかつ左右の眼よりも後方に位置する略
球面のスクリーンとすると、構成要素の配置が対称にな
って、対を成す表示素子、投射光学系および接眼光学系
の設計が容易になる。また、スクリーンの曲率半径が大
きくなるから、スクリーンに対する投射光学系の光軸の
偏心を抑えられ、歪曲収差の補正も容易になる。スクリ
ーン自体の製造も簡単である。

【００６２】ここで、投射光学系の光軸が凹面スクリー
ンの曲率中心を通るようにすると、投射光学系とスクリ
ーンとが共軸になって、スクリーン上の像に歪曲収差が
発生するのを避けることができる。また、スクリーンの
どの部位に対しても焦点が合うように投射光学系を設定
することが容易になって、広い視野全体にわたって鮮明
な映像を提供することができる。

【００６３】また、接眼光学系の光軸が凹面スクリーン
の曲率中心を通るようにすると、水平方向の視野が広が
る上、より歪みのない映像を提供することができる。接
眼光学系の配置も容易になる。

【００６４】凹面スクリーンと接眼光学系との間隔を１
００ｍｍ以上とし、凹面スクリーンの曲率半径から凹面
スクリーンと接眼光学系との間隔を減じた値を１００ｍ
ｍ以上かつ４００ｍｍ以下にすると、視野を広くしなが
ら、左右の眼に提供する映像が重なり合う範囲を大きく
することができるため、きわめて高い臨場感を提供する
ことができる。

【００６５】投射光学系の光軸がスクリーンの曲率中心
を通るようにし、向きが異なる２つの部位をコンバイナ
ーにもたせた構成では、コンバイナーの向きの自由度が
増すため、投射光学系の配設位置の制約が大幅に緩和さ
れる。その結果、装置の設計が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の映像表示装置の光学系の構
成を示す平面図。

【図２】第１の実施形態の映像表示装置の光学系の構
成を示す側面図。

【図３】第２の実施形態の映像表示装置の光学系の構
成を示す平面図。

【図４】第３の実施形態の映像表示装置の光学系の構
成を示す側面図。

【図５】第４の実施形態の映像表示装置の光学系の構
成を示す側面図。

【図６】第５の実施形態の映像表示装置の光学系の構
成を示す平面図。

【図７】各実施形態の映像表示装置を使用している状
態を示す図。

【図８】各実施形態の映像表示装置の映像表示のため
の回路構成を示す図。

【符号の説明】

１、２、３、４、５映像表示装置１１凹面スクリーン１１ａガラスビーズ１２Ｌ、１２Ｒ液晶表示器（表示素子）１３Ｌ、１３Ｒ投射レンズ（投射光学系）１４Ｌ、１４Ｒ接眼レンズ（接眼光学系）１５ハーフミラー（コンバイナー）１６Ｌ、１６Ｒ偏光板１７Ｌ、１７Ｒ位相板（円偏光化手段）１８Ｌ、１８Ｒコレステリック液晶板（選択透過素
子）１９装着部２１Ｌ、２１Ｒドライバ回路２２映像生成回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察者の両眼の直前に配置されて使用さ
れ、両眼に提供する映像を個別に表示する映像表示装置
において、左右の眼に提供する映像を表示する１対の表示素子と、光を反射して反射光を拡散させる拡散反射特性を有する
１つの凹面スクリーンと、前記１対の表示素子からの光を前記凹面スクリーンに向
けて反射するとともに、前記凹面スクリーンからの光を
透過させるコンバイナーと、前記１対の表示素子からの光を前記コンバイナーを介し
て前記凹面スクリーンに投射して、前記１対の表示素子
に表示された映像の拡大された像を前記凹面スクリーン
上に形成する１対の投射光学系と、前記コンバイナーを透過した前記凹面スクリーンからの
光を左右の眼に導いて、前記凹面スクリーン上に形成さ
れた像の虚像を観察者に提供する１対の接眼光学系とを
備えることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】観察者の頭部に装着するための装着部材
を備え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】前記凹面スクリーンと前記１対の接眼光
学系との間隔は１００ｍｍ以上であ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１対の表示素子は左右の眼の間隔に
応じた視差のある映像を表示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５】前記１対の表示素子はそれぞれ、偏光面
が直交する直線偏光の一方および他方によって映像を表
示し、または、前記１対の表示素子からの光を互いに偏
光面が直交する直線偏光として前記１対の投射光学系に
導く直線偏光化手段を備え、前記凹面スクリーンは偏光状態を保って光を反射する偏
光保持特性を有し、前記１対の接眼光学系はそれぞれ、偏光面が直交する直
線偏光の一方および他方を透過させる偏光板を有するこ
とを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項６】前記１対の表示素子からの光を互いに逆
方向に回転する円偏光として前記１対の投射光学系に導
く円偏光化手段を備え、前記凹面スクリーンは偏光状態を保って光を反射する偏
光保持特性を有し、前記１対の接眼光学系はそれぞれ、逆方向に回転する円
偏光の一方のみおよび他方のみを透過させる選択透過特
性をもつ素子を有することを特徴とする請求項４に記載
の映像表示装置。
【請求項７】前記凹面スクリーンは光を入射方向に強
く反射する再帰反射特性を有し、前記１対の投射光学系の射出瞳と前記１対の接眼光学系
の入射瞳は前記コンバイナーに対して略等価な位置にあ
ることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の映
像表示装置。
【請求項８】前記凹面スクリーンは、曲率中心が観察
者の左右の眼から等距離にかつ左右の眼よりも後方に位
置する略球面のスクリーンであ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９】前記１対の投射光学系の光軸は前記凹面
スクリーンの曲率中心を通ることを特徴とする請求項８
に記載の映像表示装置。
【請求項１０】前記１対の接眼光学系の光軸は前記凹
面スクリーンの曲率中心を通ることを特徴とする請求項
８または請求項９に記載の映像表示装置。
【請求項１１】前記凹面スクリーンと前記１対の接眼
光学系との間隔は１００ｍｍ以上であり、前記凹面スクリーンの曲率半径から前記凹面スクリーン
と前記１対の接眼光学系との間隔を減じた値は１００ｍ
ｍ以上かつ４００ｍｍ以下であることを特徴とする請求
項９または請求項１０に記載の映像表示装置。
【請求項１２】前記コンバイナーは向きが異なる一体
または別体の２つの部位を有することを特徴とする請求
項９に記載の映像表示装置。