JP2000338446A - 視覚表示装置 - Google Patents
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- JP2000338446A JP2000338446A JP2000118016A JP2000118016A JP2000338446A JP 2000338446 A JP2000338446 A JP 2000338446A JP 2000118016 A JP2000118016 A JP 2000118016A JP 2000118016 A JP2000118016 A JP 2000118016A JP 2000338446 A JP2000338446 A JP 2000338446A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 注視点近傍の解像力を必要とする部分のみ高
い解像力の画像を提供して、注視していない周辺の画像
はケラレることなく観察できる。 【構成】 観察像を表示する２次元表示素子９、９′
と、２次元表示素子９、９′の表示した観察像を観察者
眼球に導き拡大虚像を観察させる観察光学系とを含んだ
視覚表示装置において、観察光学系が、少なくとも回転
非対称な成分を含んだ非球面形状の曲面反射面３を有す
ると共に、観察光学系の形成する射出瞳位置１を観察者
眼球の回転中心位置と略一致するように構成した視覚表
示装置。
い解像力の画像を提供して、注視していない周辺の画像
はケラレることなく観察できる。 【構成】 観察像を表示する２次元表示素子９、９′
と、２次元表示素子９、９′の表示した観察像を観察者
眼球に導き拡大虚像を観察させる観察光学系とを含んだ
視覚表示装置において、観察光学系が、少なくとも回転
非対称な成分を含んだ非球面形状の曲面反射面３を有す
ると共に、観察光学系の形成する射出瞳位置１を観察者
眼球の回転中心位置と略一致するように構成した視覚表
示装置。
Description
【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、観察者の頭部又は顔面に保持することが可能
な、小型で、広画角の、解像力の良いポータブル型頭部
又は顔面装着式視覚表示装置の光学系に関するものであ
る。
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することが可能
な、小型で、広画角の、解像力の良いポータブル型頭部
又は顔面装着式視覚表示装置の光学系に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】このような頭部装着式視覚表示装置とし
ては、２次元表示素子を接眼光学系で空中に拡大投影す
る本出願人による特願平３−２９５８７４号のものの他
に、特願平４−１０６９１２号、同４−１０６９１３
号、同４−１９９４８７号等の例がある。
ては、２次元表示素子を接眼光学系で空中に拡大投影す
る本出願人による特願平３−２９５８７４号のものの他
に、特願平４−１０６９１２号、同４−１０６９１３
号、同４−１９９４８７号等の例がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】観察画角３０°（片側
１５°）を超えるような広角の接眼光学系においては、
眼球を回転させて視野周辺を観察しようとした場合に、
眼球の回転により眼球の虹彩位置のズレが発生する。こ
の虹彩位置のズレによって、観察しようとする視野周辺
と反対側の視野の光線が虹彩でケラレてしまい、観察す
ることができなくなってしまう。この様子を図２から図
４を用いて説明する。
１５°）を超えるような広角の接眼光学系においては、
眼球を回転させて視野周辺を観察しようとした場合に、
眼球の回転により眼球の虹彩位置のズレが発生する。こ
の虹彩位置のズレによって、観察しようとする視野周辺
と反対側の視野の光線が虹彩でケラレてしまい、観察す
ることができなくなってしまう。この様子を図２から図
４を用いて説明する。
【０００４】図２（ａ）に示すように、接眼光学系の射
出瞳を眼球の虹彩位置に合わせると、観察画像の中心を
見ている時は視野周辺まで観察できる。しかし、図２
（ｂ）に示すように、眼球を回転させて視野周辺を観察
しようとした場合は、接眼光学系の射出瞳位置と眼球の
虹彩位置がズレて、観察しようとする観察像の周辺と反
対側の画角の光線は虹彩でケラレてしまい、観察するこ
とができなくなってしまう。
出瞳を眼球の虹彩位置に合わせると、観察画像の中心を
見ている時は視野周辺まで観察できる。しかし、図２
（ｂ）に示すように、眼球を回転させて視野周辺を観察
しようとした場合は、接眼光学系の射出瞳位置と眼球の
虹彩位置がズレて、観察しようとする観察像の周辺と反
対側の画角の光線は虹彩でケラレてしまい、観察するこ
とができなくなってしまう。
【０００５】また、図３（ａ）のように、接眼光学系の
射出瞳と眼球の回転中心を一致させた場合には、光軸上
の中心付近を観察している時に周辺が見えなくなってし
まう。しかし、図３（ｂ）のように、周辺を観察しよう
とした場合には、観察しようとした方向はその部分のみ
が観察することができる。
射出瞳と眼球の回転中心を一致させた場合には、光軸上
の中心付近を観察している時に周辺が見えなくなってし
まう。しかし、図３（ｂ）のように、周辺を観察しよう
とした場合には、観察しようとした方向はその部分のみ
が観察することができる。
【０００６】さらに、図４（ａ）のように、接眼光学系
の射出瞳を眼球の回転中心と眼球の虹彩位置との中間に
配置した場合は、画像中心を観察した場合（ａ）にも、
画像周辺を観察した場合（ｂ）にも、接眼光学系を射出
した光線の一部は眼球の虹彩を通過するので、全視野の
観察は、どこを注視していようが観察することができ
る。しかし、光彩による光線のケラレは発生しているの
で、周辺画像の明るさ不足等の問題が発生する。また、
図示した画角以上の画角を設定した場合には、図３の場
合と同様に、視野周辺の観察ができない問題が発生す
る。
の射出瞳を眼球の回転中心と眼球の虹彩位置との中間に
配置した場合は、画像中心を観察した場合（ａ）にも、
画像周辺を観察した場合（ｂ）にも、接眼光学系を射出
した光線の一部は眼球の虹彩を通過するので、全視野の
観察は、どこを注視していようが観察することができ
る。しかし、光彩による光線のケラレは発生しているの
で、周辺画像の明るさ不足等の問題が発生する。また、
図示した画角以上の画角を設定した場合には、図３の場
合と同様に、視野周辺の観察ができない問題が発生す
る。
【０００７】上記問題点を解決するためには、接眼光学
系の射出瞳径を大きく設計することが必要となるが、接
眼光学系の射出瞳径を大きくすることは、接眼光学系の
Ｆナンバーを小さくすることとなり、特に小型軽量化が
求められる頭部装着式視覚表示装置では、装置全体が大
きく重くなってしまうという問題が生じる。
系の射出瞳径を大きく設計することが必要となるが、接
眼光学系の射出瞳径を大きくすることは、接眼光学系の
Ｆナンバーを小さくすることとなり、特に小型軽量化が
求められる頭部装着式視覚表示装置では、装置全体が大
きく重くなってしまうという問題が生じる。
【０００８】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたものであり、その目的は、観察画角が広くか
つ解像力が高い視覚表示装置を提供する場合に、注視点
近傍の特に解像力を必要とする部分のみ高い解像力の画
像を提供して、注視していない周辺の画像はケラレるこ
となく観察できる小型でポータブル型の視覚表示装置を
提供することである。
になされたものであり、その目的は、観察画角が広くか
つ解像力が高い視覚表示装置を提供する場合に、注視点
近傍の特に解像力を必要とする部分のみ高い解像力の画
像を提供して、注視していない周辺の画像はケラレるこ
となく観察できる小型でポータブル型の視覚表示装置を
提供することである。
【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、観察像を表示する２次元表示素子
と、前記２次元表示素子の表示した観察像を観察者眼球
に導き拡大虚像を観察させる観察光学系とを含んだ視覚
表示装置において、前記観察光学系が、少なくとも回転
非対称な成分を含んだ非球面形状の曲面反射面を有する
と共に、前記観察光学系の形成する射出瞳位置を観察者
眼球の回転中心位置と略一致するように構成したことを
特徴とするものである。
明の視覚表示装置は、観察像を表示する２次元表示素子
と、前記２次元表示素子の表示した観察像を観察者眼球
に導き拡大虚像を観察させる観察光学系とを含んだ視覚
表示装置において、前記観察光学系が、少なくとも回転
非対称な成分を含んだ非球面形状の曲面反射面を有する
と共に、前記観察光学系の形成する射出瞳位置を観察者
眼球の回転中心位置と略一致するように構成したことを
特徴とするものである。
【００１０】以下、上記構成をとる理由と作用について
説明する。
説明する。
【００１１】本発明の要点は、眼球を回転させて注視し
ている観察方向の解像力を確保しつつ、解像力をそれほ
ど必要としない周辺画像がケラレることなく観察できる
接眼光学系を提供することである。
ている観察方向の解像力を確保しつつ、解像力をそれほ
ど必要としない周辺画像がケラレることなく観察できる
接眼光学系を提供することである。
【００１２】人間の視野内の情報受容特性は、注視して
いる方向を向いている眼球の視軸上の極小さい角度内に
おいてのみ、優れた解像力と色彩感覚を持っている（テ
レビジョン学会技術報告ＶＶＩ ４７−３ ｐ．６
０）。すなわち、眼球が回転して注視している方向の解
像力を損なうことがないように、接眼光学系の収差を補
正すればよい。さらに、注視していない方向の観察画像
については、眼球虹彩で光線のケラレがなく眼球の網膜
まで達していることが重要であり、元々注視点以外の周
辺部の網膜上においては解像力がないので、注視してい
ない方向の収差はそれほど補正されている必要はない。
いる方向を向いている眼球の視軸上の極小さい角度内に
おいてのみ、優れた解像力と色彩感覚を持っている（テ
レビジョン学会技術報告ＶＶＩ ４７−３ ｐ．６
０）。すなわち、眼球が回転して注視している方向の解
像力を損なうことがないように、接眼光学系の収差を補
正すればよい。さらに、注視していない方向の観察画像
については、眼球虹彩で光線のケラレがなく眼球の網膜
まで達していることが重要であり、元々注視点以外の周
辺部の網膜上においては解像力がないので、注視してい
ない方向の収差はそれほど補正されている必要はない。
【００１３】接眼光学系の射出瞳を大きく設定し、その
瞳径内で収差補正を行ってもよいが、大きな瞳径内で収
差補正を行うことには非常な困難が伴い、現実的ではな
い。そこで、本発明の重要な２つの手段について以下に
説明する。
瞳径内で収差補正を行ってもよいが、大きな瞳径内で収
差補正を行うことには非常な困難が伴い、現実的ではな
い。そこで、本発明の重要な２つの手段について以下に
説明する。
【００１４】まず、接眼光学系の射出瞳位置と眼球の虹
彩位置との関係を、図３のように、接眼光学系の射出瞳
位置と観察者の眼球の回転中心とを一致させるように配
置することが重要である。この配置をとることによっ
て、観察者が注視している方向の観察像を形成する光束
は、通常の明るさにおける虹彩径２〜４ｍｍφの部分だ
けになる。つまり、眼球が回転してどの方向を注視して
いようと、回転中心と接眼光学系の射出瞳位置を一致さ
せておくと、最も解像力の必要とされる注視方向の解像
力は、この２〜４ｍｍφの射出瞳径を通過する光束だけ
に対して収差補正を行っておけば、高いままで維持され
る。このような配置をとることによって、高い解像力を
得るための収差補正が比較的容易に実現できる。この様
子を図５を用いて説明する。
彩位置との関係を、図３のように、接眼光学系の射出瞳
位置と観察者の眼球の回転中心とを一致させるように配
置することが重要である。この配置をとることによっ
て、観察者が注視している方向の観察像を形成する光束
は、通常の明るさにおける虹彩径２〜４ｍｍφの部分だ
けになる。つまり、眼球が回転してどの方向を注視して
いようと、回転中心と接眼光学系の射出瞳位置を一致さ
せておくと、最も解像力の必要とされる注視方向の解像
力は、この２〜４ｍｍφの射出瞳径を通過する光束だけ
に対して収差補正を行っておけば、高いままで維持され
る。このような配置をとることによって、高い解像力を
得るための収差補正が比較的容易に実現できる。この様
子を図５を用いて説明する。
【００１５】図５は、接眼光学系の射出瞳位置を眼球の
回転中心に一致させた場合の様子を示すもので、同図
（ａ）は観察画角の中心を注視している状態であり、注
視点周辺は、「光軸側ビネット光束」、すなわち、接眼
光学系の射出瞳径外の光軸に近い側を通る収差補正の必
要のないの光束によって観察している。同図（ｂ）は、
図中の上の方向を注視している状態であり、注視点は、
「収差補正の必要な射出瞳径内の光束」で観察してい
る。また、注視点周辺の画像は、同図（ａ）と同様に、
「光軸側ビネット光束」で観察している。
回転中心に一致させた場合の様子を示すもので、同図
（ａ）は観察画角の中心を注視している状態であり、注
視点周辺は、「光軸側ビネット光束」、すなわち、接眼
光学系の射出瞳径外の光軸に近い側を通る収差補正の必
要のないの光束によって観察している。同図（ｂ）は、
図中の上の方向を注視している状態であり、注視点は、
「収差補正の必要な射出瞳径内の光束」で観察してい
る。また、注視点周辺の画像は、同図（ａ）と同様に、
「光軸側ビネット光束」で観察している。
【００１６】図５から明らかなように、注視方向観察画
像の解像力を決定する瞳径は、この収差補正の必要な射
出瞳径のみで済むことが分かる。
像の解像力を決定する瞳径は、この収差補正の必要な射
出瞳径のみで済むことが分かる。
【００１７】次に、本発明においては、眼球の回転中心
と一致させた接眼光学系の射出瞳位置と共役な位置にな
るリレー光学系の瞳位置近傍に、注視点の観察光路とそ
の周辺画像の観察光路とを分割する光路分割手段を配置
することが重要である。この光路分割手段により、解像
力の最も必要とする注視点とほとんど解像力の必要とし
ない注視点周辺の周辺画像とを、観察者の眼球がどこを
向いていようが関係なく、分割することが可能となる。
と一致させた接眼光学系の射出瞳位置と共役な位置にな
るリレー光学系の瞳位置近傍に、注視点の観察光路とそ
の周辺画像の観察光路とを分割する光路分割手段を配置
することが重要である。この光路分割手段により、解像
力の最も必要とする注視点とほとんど解像力の必要とし
ない注視点周辺の周辺画像とを、観察者の眼球がどこを
向いていようが関係なく、分割することが可能となる。
【００１８】光路分割手段として、接眼光学系の射出瞳
位置と共役な位置になるリレー光学系の瞳位置近傍に、
例えば、穴のあいた穴空き鏡等を配置すると、解像力を
必要とする注視点付近の観察画像と解像力をさほど必要
としない注視点周辺の周辺画像とを効率よく分割するこ
とができる。
位置と共役な位置になるリレー光学系の瞳位置近傍に、
例えば、穴のあいた穴空き鏡等を配置すると、解像力を
必要とする注視点付近の観察画像と解像力をさほど必要
としない注視点周辺の周辺画像とを効率よく分割するこ
とができる。
【００１９】このようにして分割された光路の光学系の
それぞれを、以上に従うように特徴付けて構成すること
によって、広い画角に対して適切な画像を観察者に提供
することができる。
それぞれを、以上に従うように特徴付けて構成すること
によって、広い画角に対して適切な画像を観察者に提供
することができる。
【００２０】例えば、１つの光路は小さな射出瞳径に対
して最適化してあり、良好な収差を持つ第１リレー光学
系で構成し、他方は大きな射出瞳径で比較的大きな収差
を持つ第２リレー光学系で構成する。それぞれの光学系
で投影される投影像は、光路分割手段で合成されると、
注視点に関しては、第１リレー光学系で形成された収差
のよく補正された解像力の良い観察画像を提供し、注視
点周辺の画像に対しては、比較的大きな収差を持つ第２
リレー光学系で形成された画像を観察するように構成す
ることができる。
して最適化してあり、良好な収差を持つ第１リレー光学
系で構成し、他方は大きな射出瞳径で比較的大きな収差
を持つ第２リレー光学系で構成する。それぞれの光学系
で投影される投影像は、光路分割手段で合成されると、
注視点に関しては、第１リレー光学系で形成された収差
のよく補正された解像力の良い観察画像を提供し、注視
点周辺の画像に対しては、比較的大きな収差を持つ第２
リレー光学系で形成された画像を観察するように構成す
ることができる。
【００２１】また、前記第１リレー光学系と第２リレー
光学系を同じ光学系で構成し、２次元表示素子の表示密
度や、提示画角を分割することも可能である。
光学系を同じ光学系で構成し、２次元表示素子の表示密
度や、提示画角を分割することも可能である。
【００２２】このように構成すると、観察画像を例えば
コンピューターグラフィックス（ＣＧ）等で生成する場
合には、大幅な計算時間の節約になる。解像力の必要と
される注視点のみ厳密な計算を行って画像を生成し、解
像力のさほど必要としない注視点周辺のほとんどの領域
の画像を大幅に簡略化して生成することが可能となるか
らである。
コンピューターグラフィックス（ＣＧ）等で生成する場
合には、大幅な計算時間の節約になる。解像力の必要と
される注視点のみ厳密な計算を行って画像を生成し、解
像力のさほど必要としない注視点周辺のほとんどの領域
の画像を大幅に簡略化して生成することが可能となるか
らである。
【００２３】また、観察者の頭部に頭の向いている方向
を検出する手段を配置した場合は、解像力の必要とされ
る注視点の画像を表示する２次元表示素子を小型にする
ことも可能である。一般に、人間の眼球の回転のみで観
察する視野は、観察者頭部に対して３０°程度である
（テレビジョン学会技術報告ＶＶＩ ４７−３ ｐ．６
０）。これ以上広い画角を観察する場合には、人間は無
意識に頭を回転して「見たい方向をみる」ことを行って
いる。つまり、解像力の必要とする注視点は３０°まで
の観察画角で対応すればよく、３０°以上の周辺の方向
を見ようとした場合には、頭を回転したときに始めて視
野中央（３０°以下の画角）に再生画像が移動して、視
野に入ってくるのが自然である。
を検出する手段を配置した場合は、解像力の必要とされ
る注視点の画像を表示する２次元表示素子を小型にする
ことも可能である。一般に、人間の眼球の回転のみで観
察する視野は、観察者頭部に対して３０°程度である
（テレビジョン学会技術報告ＶＶＩ ４７−３ ｐ．６
０）。これ以上広い画角を観察する場合には、人間は無
意識に頭を回転して「見たい方向をみる」ことを行って
いる。つまり、解像力の必要とする注視点は３０°まで
の観察画角で対応すればよく、３０°以上の周辺の方向
を見ようとした場合には、頭を回転したときに始めて視
野中央（３０°以下の画角）に再生画像が移動して、視
野に入ってくるのが自然である。
【００２４】上記のような構成をとると、解像力のない
周辺画像の画角を大きくとっても、解像力の必要となる
注視点近傍の画像生成の領域は３０°以下でよくなるの
で、画像生成のための計算処理は、例えば９０°の画角
の場合には、その面積で考えると、１／９の３０°領域
のみでよいということになる。しかし、観察画角は始め
から３０°まででよいかという点については、物の有る
無ししか判別できないような解像力の低い注視点周辺の
画像も、観察者に臨場感を与えるために特に重要な要素
となることが上記文献にも記載されており、したがっ
て、観察画角は９０°必要になる。
周辺画像の画角を大きくとっても、解像力の必要となる
注視点近傍の画像生成の領域は３０°以下でよくなるの
で、画像生成のための計算処理は、例えば９０°の画角
の場合には、その面積で考えると、１／９の３０°領域
のみでよいということになる。しかし、観察画角は始め
から３０°まででよいかという点については、物の有る
無ししか判別できないような解像力の低い注視点周辺の
画像も、観察者に臨場感を与えるために特に重要な要素
となることが上記文献にも記載されており、したがっ
て、観察画角は９０°必要になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の視覚表示装置の実
施例１について説明する。
施例１について説明する。
【００２６】図１に実施例１の視覚表示装置の水平方向
の断面図を示す。図中、１は観察者瞳位置、２は観察者
が正面を観察しているときの視軸、３は凹面鏡によって
構成された接眼光学系、４はリレー光学系、５はリレー
光学系の第１群、６はリレー光学系の第２群、７はリレ
ー光学系の第３群、８はリレー光学系の第４群、９、
９′は２次元表示素子、１０はハーフミラーである。
の断面図を示す。図中、１は観察者瞳位置、２は観察者
が正面を観察しているときの視軸、３は凹面鏡によって
構成された接眼光学系、４はリレー光学系、５はリレー
光学系の第１群、６はリレー光学系の第２群、７はリレ
ー光学系の第３群、８はリレー光学系の第４群、９、
９′は２次元表示素子、１０はハーフミラーである。
【００２７】座標系を、図示のように、観察者の左右方
向の右から左を正方向とするＹ軸、観察者の視軸２方向
の眼球側から凹面鏡３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軸と定義する。つまり、図
１は、観察者の右目に本発明の光学系を配置した場合の
観察者上部より見た図となっている。
向の右から左を正方向とするＹ軸、観察者の視軸２方向
の眼球側から凹面鏡３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軸と定義する。つまり、図
１は、観察者の右目に本発明の光学系を配置した場合の
観察者上部より見た図となっている。
【００２８】以下、この光学系の構成パラメータを示す
が、面番号は射出瞳１位置から２次元表示素子９へ向か
う逆追跡の面番号として示してある。
が、面番号は射出瞳１位置から２次元表示素子９へ向か
う逆追跡の面番号として示してある。
【００２９】各面の偏心量と傾き角は、凹面鏡３（面
番：２）については、Ｙ軸方向への偏心量のみが与えら
れ、その頂点が射出瞳１中心を通る視軸２（Ｚ軸方向）
からのＹ軸方向への偏心距離であり、リレー光学系４の
第１群５（面番号：３、４）については、各面の頂点の
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、その面の頂点を通る中心軸の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（図では、反時計方
向）を正方向の角度として与えられる。リレー光学系４
の第２群６については、その第１面（面番号：５）の頂
点位置が第１群５の各面と同様に与えられ、その頂点を
通る中心軸が光軸になり、その光軸の傾き角が同様に与
えられる。リレー光学系４の第３群７については、その
第１面（面番号：８）の偏心量と傾き角は、その面の頂
点を通る中心軸（光軸）のその前の面の光軸に直角な方
向への偏心量（便宜上、Ｙで与えてある。）とその光軸
に対する傾き角で与えられる。偏心量と傾き角の表示の
ない面（面番号：６〜７、９〜１２）は、その前の面と
同軸であることを表す。リレー光学系４の第４群８は、
リレー光学系４の瞳位置近傍に配置したハーフミラー１
０（面番号：１４）で光路を分岐された注視点周辺の周
辺画像を表示するリレー光学系の一部を構成するもので
あり、ハーフミラー１０及び第４群８についても、各面
の偏心量と傾き角は、第３群７と同様に与えられる。さ
らに、第３群７、第４群８の射出側（実際には、入射
側）に配置される２次元表示素子９、９′の偏心量と傾
き角も、その中心のその前の面（面番：１２、１６）の
光軸に直角な方向への偏心量（便宜上、Ｙで与えてあ
る。）とその中心を通る法線の光軸に対する傾き角で与
えられる。
番：２）については、Ｙ軸方向への偏心量のみが与えら
れ、その頂点が射出瞳１中心を通る視軸２（Ｚ軸方向）
からのＹ軸方向への偏心距離であり、リレー光学系４の
第１群５（面番号：３、４）については、各面の頂点の
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、その面の頂点を通る中心軸の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（図では、反時計方
向）を正方向の角度として与えられる。リレー光学系４
の第２群６については、その第１面（面番号：５）の頂
点位置が第１群５の各面と同様に与えられ、その頂点を
通る中心軸が光軸になり、その光軸の傾き角が同様に与
えられる。リレー光学系４の第３群７については、その
第１面（面番号：８）の偏心量と傾き角は、その面の頂
点を通る中心軸（光軸）のその前の面の光軸に直角な方
向への偏心量（便宜上、Ｙで与えてある。）とその光軸
に対する傾き角で与えられる。偏心量と傾き角の表示の
ない面（面番号：６〜７、９〜１２）は、その前の面と
同軸であることを表す。リレー光学系４の第４群８は、
リレー光学系４の瞳位置近傍に配置したハーフミラー１
０（面番号：１４）で光路を分岐された注視点周辺の周
辺画像を表示するリレー光学系の一部を構成するもので
あり、ハーフミラー１０及び第４群８についても、各面
の偏心量と傾き角は、第３群７と同様に与えられる。さ
らに、第３群７、第４群８の射出側（実際には、入射
側）に配置される２次元表示素子９、９′の偏心量と傾
き角も、その中心のその前の面（面番：１２、１６）の
光軸に直角な方向への偏心量（便宜上、Ｙで与えてあ
る。）とその中心を通る法線の光軸に対する傾き角で与
えられる。
【００３０】また、各面の非球面形状は、座標系を図示
のようにとり、各面の近軸曲率半径を、Ｙ−Ｚ面（紙
面）に垂直な面内での曲率半径をＲx 、Ｙ−Ｚ面内での
曲率半径をＲy とすると、次の式で表される。
のようにとり、各面の近軸曲率半径を、Ｙ−Ｚ面（紙
面）に垂直な面内での曲率半径をＲx 、Ｙ−Ｚ面内での
曲率半径をＲy とすると、次の式で表される。
【００３１】Ｚ =［( Ｘ2/Ｒx )+ (Ｙ2/Ｒy ) ］／［1+
｛ 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 … ここで、Ｋx はＸ方向の円錐係数、Ｋy は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 … ここで、Ｋx はＸ方向の円錐係数、Ｋy は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
非球面係数である。
【００３２】また、面間隔は、瞳１と凹面鏡３の間につ
いては、瞳１中心と凹面鏡３頂点間のＺ軸方向の間隔、
リレー光学系４の第２群６の第１面からその像面（２次
元表示素子９）に到る間隔は、光軸に沿う間隔で示して
ある。リレー光学系４の第２群６から第３群７について
は、面の曲率半径をｒ1 〜ｒi で、面間隔をｄ1 〜ｄ i
で、ｄ線の屈折率をｎ1 〜ｎi で、アッベ数をν1 〜ν
i で示す。また、リレー光学系４の第２群６の最終面
（面番：７）ら第４群８の像面（２次元表示素子９′）
に到る間隔は、光軸に沿う間隔で示してあり、面の曲率
半径はｒ4'〜ｒ6'で、面間隔はｄ3'〜ｄ6'で、ｄ線の屈
折率はｎ3'で、アッベ数はν3'で示す。 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 （偏心量） （傾き角） １（１） ∞（瞳） 47.010 ２（３）Ｒy -71.040 0 Ｙ：-29.891 Ｒx -53.671 Ｋy 0.059148 Ｋx -0.136469 ＡＲ 0.360349 ×10-7 ＢＲ 0.513037 ×10-12 ＡＰ -0.648988 ＢＰ -0.313565 ３（５）Ｒy -53.284 0 ｎ =1.554618 ν = 64.3 Ｒx -39.696 Ｙ：-50.331 -7.811° Ｋy 1.206766 Ｚ： 25.359 Ｋx 0.766839 ＡＲ -0.134492 ×10-6 ＢＲ 0 ＡＰ -0.172095 ×10+1 ＢＰ 0 ４ Ｒy -42.641 0 Ｙ：-38.199 40.344° Ｒx -36.603 Ｚ： 23.012 Ｋy 0.399124 Ｋx 2.956479 ＡＲ 0.219886 ×10-6 ＢＲ 0 ＡＰ 0.134389 ×10+1 ＢＰ 0 ５（ｒ1 ） -32.003 （ｄ1 ） -2 ｎ1=1.7466 ν1= 36.2 Ｙ：-46.509 24.174° Ｚ： 7.7456 ６（ｒ2 ） -13.011 （ｄ2 ） -13.735 ｎ2=1.5540 ν2= 63.7 ７（ｒ3 ） 34.716 （ｄ3 ） -20.957 ８（ｒ4 ） -171.983 （ｄ4 ） -2 ｎ3=1.75458 ν3= 27.6 Ｙ： -5.912 2.250° ９（ｒ5 ） -28.012 （ｄ5 ） -5.638 ｎ4=1.49815 ν4= 69.2 １０（ｒ6 ） 42.038 （ｄ6 ） -0.5 １１（ｒ7 ） -35.519 （ｄ7 ） -11.257 ｎ5=1.64916 ν5= 55.1 １２（ｒ8 ） 99.244 （ｄ8 ） -27.944 １３（９） ∞（像面） Ｙ： -5.140 19.829° また、ハーフミラー１０で分割される周辺画像用第２光学系は以下の通りであ る。 ７（ｒ3 ） 34.716 （ｄ3'） -7.000 １４（ｒ4'） ∞ （ｄ4'） 15.000 -40.000° １５（ｒ5'） 98.197 （ｄ5'） 3.347 ｎ3' =1.64916 ν3' = 55.1 Ｙ： -2.386 １６（ｒ6'） -43.427 （ｄ6'） 41.569 １７（９′） ∞（像面） Ｙ：-10.338 -21.088° この実施例は、左右画角４５°、上下画角３４．６５°
で、瞳径４ｍｍφである。
いては、瞳１中心と凹面鏡３頂点間のＺ軸方向の間隔、
リレー光学系４の第２群６の第１面からその像面（２次
元表示素子９）に到る間隔は、光軸に沿う間隔で示して
ある。リレー光学系４の第２群６から第３群７について
は、面の曲率半径をｒ1 〜ｒi で、面間隔をｄ1 〜ｄ i
で、ｄ線の屈折率をｎ1 〜ｎi で、アッベ数をν1 〜ν
i で示す。また、リレー光学系４の第２群６の最終面
（面番：７）ら第４群８の像面（２次元表示素子９′）
に到る間隔は、光軸に沿う間隔で示してあり、面の曲率
半径はｒ4'〜ｒ6'で、面間隔はｄ3'〜ｄ6'で、ｄ線の屈
折率はｎ3'で、アッベ数はν3'で示す。 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 （偏心量） （傾き角） １（１） ∞（瞳） 47.010 ２（３）Ｒy -71.040 0 Ｙ：-29.891 Ｒx -53.671 Ｋy 0.059148 Ｋx -0.136469 ＡＲ 0.360349 ×10-7 ＢＲ 0.513037 ×10-12 ＡＰ -0.648988 ＢＰ -0.313565 ３（５）Ｒy -53.284 0 ｎ =1.554618 ν = 64.3 Ｒx -39.696 Ｙ：-50.331 -7.811° Ｋy 1.206766 Ｚ： 25.359 Ｋx 0.766839 ＡＲ -0.134492 ×10-6 ＢＲ 0 ＡＰ -0.172095 ×10+1 ＢＰ 0 ４ Ｒy -42.641 0 Ｙ：-38.199 40.344° Ｒx -36.603 Ｚ： 23.012 Ｋy 0.399124 Ｋx 2.956479 ＡＲ 0.219886 ×10-6 ＢＲ 0 ＡＰ 0.134389 ×10+1 ＢＰ 0 ５（ｒ1 ） -32.003 （ｄ1 ） -2 ｎ1=1.7466 ν1= 36.2 Ｙ：-46.509 24.174° Ｚ： 7.7456 ６（ｒ2 ） -13.011 （ｄ2 ） -13.735 ｎ2=1.5540 ν2= 63.7 ７（ｒ3 ） 34.716 （ｄ3 ） -20.957 ８（ｒ4 ） -171.983 （ｄ4 ） -2 ｎ3=1.75458 ν3= 27.6 Ｙ： -5.912 2.250° ９（ｒ5 ） -28.012 （ｄ5 ） -5.638 ｎ4=1.49815 ν4= 69.2 １０（ｒ6 ） 42.038 （ｄ6 ） -0.5 １１（ｒ7 ） -35.519 （ｄ7 ） -11.257 ｎ5=1.64916 ν5= 55.1 １２（ｒ8 ） 99.244 （ｄ8 ） -27.944 １３（９） ∞（像面） Ｙ： -5.140 19.829° また、ハーフミラー１０で分割される周辺画像用第２光学系は以下の通りであ る。 ７（ｒ3 ） 34.716 （ｄ3'） -7.000 １４（ｒ4'） ∞ （ｄ4'） 15.000 -40.000° １５（ｒ5'） 98.197 （ｄ5'） 3.347 ｎ3' =1.64916 ν3' = 55.1 Ｙ： -2.386 １６（ｒ6'） -43.427 （ｄ6'） 41.569 １７（９′） ∞（像面） Ｙ：-10.338 -21.088° この実施例は、左右画角４５°、上下画角３４．６５°
で、瞳径４ｍｍφである。
【００３３】この実施例の接眼光学系の射出瞳位置は、
観察者の眼球の回転中心と一致するように配置されてお
り、その特徴は、光路分割手段１０に（面番号：１４）
にハーフミラーを使用していることである。ハーフミラ
ー１０を使用することによって、注視点方向の観察像と
注視点周辺の観察像が重なって観察されることになり、
光路の違いによる観察像の境目が目立たなくなる。
観察者の眼球の回転中心と一致するように配置されてお
り、その特徴は、光路分割手段１０に（面番号：１４）
にハーフミラーを使用していることである。ハーフミラ
ー１０を使用することによって、注視点方向の観察像と
注視点周辺の観察像が重なって観察されることになり、
光路の違いによる観察像の境目が目立たなくなる。
【００３４】
【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、小型でありながら、注視点近傍の特に解像力
を必要とする部分のみ高い解像力の画像を提供し、注視
していない周辺の画像はケラレることなく観察できるよ
うにして、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察
できる小型の頭部装着型表示装置を提供することができ
る。
によると、小型でありながら、注視点近傍の特に解像力
を必要とする部分のみ高い解像力の画像を提供し、注視
していない周辺の画像はケラレることなく観察できるよ
うにして、広い提示画角で、周辺の画角まで鮮明に観察
できる小型の頭部装着型表示装置を提供することができ
る。
【図１】本発明の視覚表示装置の実施例１の水平方向の
断面図である。
断面図である。
【図２】接眼光学系の射出瞳位置と光彩位置を一致させ
る場合の説明図である。
る場合の説明図である。
【図３】接眼光学系の射出瞳位置を眼球回転中心と一致
させる場合の説明図である。
させる場合の説明図である。
【図４】接眼光学系の射出瞳位置を眼球回転中心と光彩
位置の中間に配置する場合の説明図である。
位置の中間に配置する場合の説明図である。
【図５】本発明による必要射出瞳径と収差補正の必要な
射出瞳径を説明するための図である。
射出瞳径を説明するための図である。
１…観察者瞳位置 ２…観察者が正面を観察しているときの視軸 ３…凹面鏡（接眼光学系） ４…リレー光学系 ５…リレー光学系の第１群 ６…リレー光学系の第２群 ７…リレー光学系の第３群 ８…リレー光学系の第４群 ９、９′…２次元表示素子 １０…ハーフミラー
Claims (5)
- 【請求項１】 観察像を表示する２次元表示素子と、前
記２次元表示素子の表示した観察像を観察者眼球に導き
拡大虚像を観察させる観察光学系とを含んだ視覚表示装
置において、 前記観察光学系が、少なくとも回転非対称な成分を含ん
だ非球面形状の曲面反射面を有すると共に、前記観察光
学系の形成する射出瞳位置を観察者眼球の回転中心位置
と略一致するように構成したことを特徴とする視覚表示
装置。 - 【請求項２】 前記観察光学系の有する反射面は、観察
者の左右方向をＹ軸、観察者の視軸方向をＺ軸としたと
きに、Ｙ−Ｚ断面における形状が射出瞳側に凹面を向け
た回転非対称成分を含んだ非球面形状にて構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の視覚表示装置。 - 【請求項３】 前記観察光学系が、前記反射面と前記２
次元表示素子との間に、前記２次元表示素子からの光を
空気媒質からレンズ媒質に向けて入射させる第１屈折面
を含み、 前記第１屈折面が、回転非対称成分を含んだ非球面形状
にて構成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。 - 【請求項４】 前記観察光学系が形成する画角が、左右
方向（Ｙ−Ｚ断面）の画角の方が、上下方向（Ｘ−Ｚ断
面）の画角よりも大きくなるように構成されていること
を特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の視覚表
示装置。 - 【請求項５】 前記観察光学系が、前記反射面と前記第
１屈折面との間に、前記２次元表示素子からの光をレン
ズ媒体から空気媒質に向けて射出させる第２屈折面を含
み、 前記第２屈折面が、回転非対称成分を含んだ非球面形状
にて構成されていることを特徴とする請求項２記載の視
覚表示装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000118016A JP2000338446A (ja) | 2000-01-01 | 2000-04-19 | 視覚表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000118016A JP2000338446A (ja) | 2000-01-01 | 2000-04-19 | 視覚表示装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10136993A Division JP3212179B2 (ja) | 1993-04-27 | 1993-04-27 | 視覚表示装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000338446A true JP2000338446A (ja) | 2000-12-08 |
Family
ID=18629231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000118016A Pending JP2000338446A (ja) | 2000-01-01 | 2000-04-19 | 視覚表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000338446A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014102368A (ja) * | 2012-11-20 | 2014-06-05 | Seiko Epson Corp | 虚像表示装置 |
| JP2014228805A (ja) * | 2013-05-24 | 2014-12-08 | 富士通株式会社 | 画像表示装置及び画像表示方法 |
-
2000
- 2000-04-19 JP JP2000118016A patent/JP2000338446A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014102368A (ja) * | 2012-11-20 | 2014-06-05 | Seiko Epson Corp | 虚像表示装置 |
| JP2014228805A (ja) * | 2013-05-24 | 2014-12-08 | 富士通株式会社 | 画像表示装置及び画像表示方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020410 |