JP2011133633A

JP2011133633A - 視覚表示装置

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Publication number: JP2011133633A
Application number: JP2009292295A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Kenno; 孝吉研野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-07
Also published as: CN102109668B; US8351124B2; CN102109668A; US20110157709A1

Abstract

【課題】
視度と輻輳が略一致した画像を両眼で観察することで、観察者の疲労を抑えることが可能な視覚表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明の視覚表示装置は、アイポイント４から２次元表示面３に至る逆追跡の光路順に、第１反射面１１がアイポイント４と対向するように配置され、第２反射面２１が２次元画像表示面３と対向するように配置され、かつ、第１反射面１１とアイポイント４とを結ぶ光軸が、第２反射面２１と２次元画像表示面３を結ぶ光軸と交差するように配置されており、第１反射面１１及び第２反射面２１共に正のパワーを有し、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓが略一致していることを特徴とするものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、両眼で観察することが可能な視覚表示装置に関する。

視覚表示装置には、例えば、特許文献１〜特許文献４のようなものがみられる。
特許文献１には、第１の反射面が２次元画像表示素子と対向し、第２の反射面がアイポイントと対向するように配置され、かつ、第１の反射面と２次元画像表示素子とを結ぶ光軸が、第２の反射面とアイポイントとを結ぶ光軸と交差するような配置を採用する視覚表示装置が記載されている。本視覚表示装置では、このような配置を採用することで、全体のサイズがコンパクトで、接眼光学系内での光量低下が少なく、かつ、広画角で収差が良好に補正されることを可能にしている。

また、特許文献２、３には、特定の形状を有する２枚の反射面を向かい合わせ、一方向に配置された物体を、他の方向から観察することで、リアルな物体の虚像を観察可能とする視覚表示装置について開示がみられる。

また、特許文献４には、２枚の凹面鏡を物体に対して特定位置に配置することで、観察者に対し、空間上に物体の３次元像を形成する視覚表示装置、さらには、３次元像をビデオテープにより映し出された映像と合成可能な視覚表示装置について開示がみられる。

特許３４８６４６５号公報特許３０９２１６２号公報米国特許第４８０２７５０号明細書米国特許第５３１１３５７号明細書

特許文献１〜特許文献４に記載の視覚表示装置には、両眼で観察する場合の問題点について詳細な言及はされていない。特許文献１に記載される視覚表示装置において、両眼で観察することを試みる場合、片眼に表示素子と接眼光学系からなる一組の表示ユニットを配し、これを２組用いて観察する程度に留まるものであり、両眼で観察する場合に生じる問題点については何ら記載されていない。

また、特許文献２は、装置内の複数の表示面を装置外の異なる空間に投影する光学系である。特許文献３、特許文献４も装置内の表示面や物体を装置外の観察者との間の空間に投影する光学系に関するものであって、特に両眼で観察する場合の問題点について何ら記載はない。

本発明は従来技術において、両眼で観察する視覚表示装置の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、１つの２次元画像表示面にて、両眼で観察できる遠方に虚像を表示し、虚像の視度と両眼で観察した場合の輻輳を略一致させることで、観察者の眼の疲労を抑えることを可能とする視覚表示装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明の視覚表示装置は、観察像を表示する１つの２次元画
像表示面と、前記観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイントを形成する接眼光学系とからなる視覚表示装置において、
前記接眼光学系が少なくとも第１反射面を有する第１光学素子と、第２反射面を有する第２光学素子とを有し、
前記アイポイントから２次元表示面に至る逆追跡の光路順に、前記第１反射面が前記アイポイントと対向するように配置され、
前記第２反射面が前記２次元画像表示面と対向するように配置され、かつ、前記第１反射面と前記アイポイントとを結ぶ光軸が、前記第２反射面と前記２次元画像表示面を結ぶ光軸と交差するように配置されており、
前記第１反射面及び前記第２反射面共に正のパワーを有し、
視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）が、略一致していることを特徴とするものである。

この構成の作用を説明する。一般に正のパワーを持った大型の透過レンズやフレネルレンズを用いて小さい表示面を拡大して観察する方法があるが、光路長を直線で確保した場合には装置が奥行き方向に大型化する問題がある。偏心光路を採用して光路を折り曲げる小型化を図ることも可能であるが、このような場合、観察者と表示面が干渉して偏心角度が大きくなり、大きな偏心収差が発生し、広いアイポイントや高精彩な映像を観察することが出来なかった。

従来、両眼それぞれに接眼光学系と表示素子を配置して観察像を提供する所謂ＨＭＤ（Head Mount Display）のような視覚表示装置はあるが、このような両眼にて観察可能な像を提供する視覚表示装置において、偏心光路を取った場合には接眼光学系の偏心収差は無視できないものとなる。

両眼で観察する本発明のような光学系の場合、人間の眼幅は５５〜６５ｍｍ離れているため、これを満足するような広いアイポイントを無収差にすることは不可能であり何かしらの収差が発生する。この様な収差が２つのアイポイント間で発生する為に輻輳による虚像位置が発生する。一方、映像を観察する瞳径は約４ｍｍであり収差による像の劣化は少なく、視度による虚像位置の変化は少ない為、視度と輻輳による虚像位置の食い違いが発生してしまう。このような視度による虚像位置と、輻輳による虚像位置の食い違いは、画像を観察する観察者の眼の疲労の原因となる。

本発明では２面の反射面を用いて交差光路を採用するとともに、２つの反射面が共に正のパワーを有する反射面として構成することにより、装置の小型化を図るとともに、表示面と観察者との干渉を避け、広角で高精細な観察像を広いアイポイントで提供可能な視覚表示装置において、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置とを略一致させることで、観察者にとって眼の疲労の少ない観察像を提供することとしている。

さらに好ましくは、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）が、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
−０．５≦ Ｓ ≦０．５・・・（１）

この構成の作用を説明する。視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）の上限を０．５ｍ^-1、下限を−０．５ｍ^-1にすることで、さらに観察者の目の疲労を抑制することを可能としている。

さらに好ましくは、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）が、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
−０．２≦ Ｓ ≦０．２・・・（２）

この構成の作用を説明する。視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）の上限を０．２ｍ^-1、下限を−０．２ｍ^-1にすることで、さらに効果的に観察者の眼の疲労を抑制することを可能としている。

さらに好ましくは、前記第１反射面、前記第２反射面の内、少なくとも１面は自由曲面であることが望ましい。

この構成の作用を説明する。第１反射面、第２反射面の内、少なくとも１面を自由曲面にすることで、画面上下方向に非対称に発生する偏心収差を補正し、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓを効果的に抑制することが可能となる。

また、前記第１反射面、前記第２反射面の内、少なくとも１面は、前記第１反射面と前記第２反射面の距離が短くなるにしたがって、前記２つのアイポイントを結ぶ方向の曲率がゆるくなる形状であることが望ましい。

この構成の作用を説明する。正のパワーを有する第１の反射面と第２の反射面を対向させた場合、第１反射面と第２反射面の距離が短くなるにしたがって共役距離は短くなり、このような共役距離の差は像面湾曲の原因となる。本構成では、第１反射面、第２反射面の内、少なくとも１面は、第１反射面と第２反射面の距離が短くなるにしたがって、２つのアイポイントを結ぶ方向（Ｘ方向）の曲率がゆるくなる形状を採用することで、第１反射面と第２反射面の距離が短い箇所でのパワーを弱め、像面湾曲の発生を抑えることを可能にしている。

また、このような形状を採用することで、輻輳による虚像位置が観察画面上下で異なり、視度による虚像位置は画面上下で一定の距離にあっても、輻輳による虚像位置が上下非対称に変化してしまい両眼で観察すると表示面が傾いた様に観察されてしまう問題を解決することも可能となる。

さらに好ましくは、前記第１反射面の自由曲面にＸ²Ｙ項を持たせることで、第１反射
面と第２反射面の距離が短くなるにしたがって、２つのアイポイントを結ぶ方向（Ｘ方向）の曲率を効果的にゆるくさせることとしている。自由曲面の定義式において、Ｘ²Ｙ項
を適切に与えることにより、輻輳による観察虚像面の傾きを容易に補正することが可能となる。

また、前記アイポイントから前記２次元画像表示面に至る光路の順番で前記第１光学素子の焦点距離をＦ１、前記第２光学素子の焦点距離をＦ２とするとき
０．１＜｜Ｆ１／Ｆ２｜＜２・・・（３）
なる条件を満足することを特徴としている。

この構成の作用を説明する。上記条件式の下限を超えても、上限を超えても１つの光学素子が極端にパワーを持ってしまうこととなる。このようなパワーの偏りは、光学系全体の偏心収差を大きくしてしまい、視度と輻輳による虚像位置が異なってしまう。本構成では、第１光学素子と第２光学素子のパワーのバランスに配慮することで、偏心収差の発生を抑えることを可能としたものである。

また、第１反射面、第２反射面の内少なくとも１面はトーリック面であることを特徴とするものである。特に発生が多い非点収差を補正する為にアイポイントから表示面に至る光路上でアイポイントに近い第１反射面をトーリック面で構成することが望ましい。トーリック面にすることでＹ−Ｚ断面とＸ−Ｚ断面の曲率を変えることが可能となり、非点収
差を補正することが可能となる。そして、非点収差の発生を抑えつつ輻輳による虚像位置を効果的に補正することが可能となる。

さらに好ましくは、第１反射面と第２反射面を共にトーリック面にすることが好ましい。両面をトーリック面にすることにより更に非点収差の発生を補正することが可能となる。

さらに本発明において、投影光学系により小型の表示素子を拡大投影することにより２次元画像表示面を形成することも可能である。投影像近傍に拡散性のある拡散面を配置することにより投影光学系の光束径を細くすることが可能となり、投影光学系の負担が減ると同時に観察者が多少動いても観察映像を観察することが可能な広い観察領域を確保することが可能となる。

さらには、左右の眼球に対応した２つの投影光学系を配置し、２つの投影光学系の投影像を拡散面に投影すると同時に、２つの映像のクロストークが起きないように拡散面の拡散角をコントロールして立体像を観察することも可能である。また、偏光板と偏光眼鏡を使用したり、液晶シャッター眼鏡を用いた時分割表示でも両眼立体視が可能となる。さらに、アイポイントと対向する第１光学素子を半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重畳表示する所謂コンバイナーとして構成することも可能である。

以上、本発明によれば、視度と輻輳が略一致した画像を両眼で観察可能な視覚表示装置により、観察者の眼の疲労を抑えることが可能となる。

本発明の実施例１の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例１の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。本発明の実施例２の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例２の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。本発明の実施例３の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例３の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。本発明の実施例４の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例４の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例４の光学系全体の横収差図を示す図である。本発明の実施例５の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例５の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。本発明の実施例５の光学系全体の横収差図を示す図である。本発明の各実施例における観察画角に対するＸ方向の像ずれ量を示す図である。

以下、実施例１〜実施例５に基づいて本発明の視覚表示装置について説明する。なお、これら実施例では、観察される虚像面（追跡上は物体面）は２ｍ先を想定しているが、これは任意に設定できる。まず、以下の数値実施例の説明で用いる座標系及び偏心面について説明を行う。ここでは、実施例１を説明する図１、図２を例にとって説明を行うこととするが、他の実施例における座標系及び偏心面についても同様である。

図１は、実施例１における光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図であり、図２は、実施例１の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。図２に示されるように、左右の両絞り中心４１Ｌと４１Ｒの中間点を原点Ｏとする。本実施形態における光学系は、左右両絞り中心４１Ｌ、４１Ｒを接続する直線に垂直で、かつ、原点Ｏを含む平面Ａ（Ｙ−Ｚ平面）について対称となるように配置されている。なお、各実施例では、左右両絞り４１Ｌ、４１Ｒ間の距離、すなわち、観察者両眼の眼幅は６０ｍｍとして設計されている。

図１は、右の絞り中心４１Ｒを含むとともに、平面Ａと平行な平面で切断した断面図、並びに、この平面Ａと平行な平面への光線の投影図が示されている。なお、本実施形態の光学系は、平面Ａに関して対称に配されているため、左の絞り中心４１Ｌについての断面図、光線の投影図も図１と同様のものとなる。

この断面図において、像面３（２次元画像表示面）の中心から放射された光は、第２光学素子２の反射面２１、第１光学素子１の反射面１１にて反射され、絞り中心４１Ｒに入射する光路を有する。この光路を中心光線１０と定義する。図２に示される左右の中心光線１０Ｒ、１０Ｌを延長すると、これら中心光線１０Ｒ、１０Ｌは互いに交差する。本実施形態では、原点Ｏとこの交差点を結ぶ直線がＺ軸となる。図１には、このＺ軸の正方向を右方向に有するＹ−Ｚ平面と、紙面の手前から裏面側に向かう方向を正方向とするＸ軸が示されている。また、図２には、Ｚ軸の正方向を右方向に有するＸ−Ｚ平面と、紙面の裏面側から手前に向かう方向を正方向とするＹ軸が示されている。

偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ、単位：ｍｍ）と、その面の中心軸（自由曲面については、後記（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、単位：°）とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα、β、γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、各数値実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられている。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７.５６ｎｍ）に対するものを表記してある。

なお、下記データ中“e-00n（ｎは整数）”は、“×１０^-n”を意味する。

図１〜図３を参照しつつ実施例１について、その構成、並びに、数値実施例を説明する
。図１は、実施例１の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図であり、図２は、実施例１の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。これらの図では、絞り４から像面３（２次元画像表示面）に向かう逆光線追跡による光線が記載されている。

図１に記載されるよう、本実施形態における視覚表示装置は、画像を表示する像面３（２次元画像表示面）と、第１光学素子１と第２光学素子２を有する接眼光学系を含んで構成されている。この接眼光学系は、像面３に表示される観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイント（ちょうど絞り４に相当する）を形成している。

像面３は、各種表示素子により形成することが可能である。この像面を形成する表示素子としては、液晶表示素子のように像面３にて直接画像を形成するものの他、像面をスクリーンとして利用する投影光学系を採用することが可能である。投影光学系を採用した場合には、投影像近傍に拡散性のある拡散面を配置することで、投影光学系の光束径を細くすることが可能であり、投影光学系の負担が減ると同時に観察者が多少動いたとしても観察映像を観察することが可能な広い観察領域を確保することが可能となる。

さらには、左右の眼球に対応した２つの投影光学系を配置し、２つの投影光学系の投影像を拡散面に投影すると同時に、２つの映像のクロストークが起きないように拡散面の拡散角をコントロールして立体像を観察することも可能である。また、偏光板と偏光眼鏡を使用したり、液晶シャッター眼鏡を用いた時分割表示でも両眼立体視が可能となる。

第１光学素子１と第２光学素子２とは、その裏面にそれぞれ、第１反射面１１、第２反射面２１を有する（いわゆる「裏面鏡」）光学素子である。なお、アイポイントと対向する側に位置する第１光学素子１を半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重畳表示する所謂コンバイナーとして構成することも可能である。

像面３（２次元画像表示面）に形成された画像は、第２光学素子２の第２反射面２１、第１光学素子１の第１反射面１１にて反射され、絞り４に導かれ、観察者に観察される。本実施形態では、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置とを略一致させることで、観察者にとって眼の疲労の少ない観察像を提供することとしている。これら視度による虚像位置と輻輳による虚像位置、及び、これらの視度の差については、全実施例についてまとめて説明する。

実施例１の光学系全体の横収差図を図３に示す。この横収差図において、左上に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

数値実施例１
単位ｍｍ
画角 35° 上下20°
入射瞳径（逆追跡） 15.00

面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面シリンドリカル面[1] -2000.00
1 絞り面偏心(1)
2 -822.82 偏心(2) 1.4918 57.4
3 -822.82（反射面）偏心(3) 1.4918 57.4
4 -822.82 偏心(2)
5 1044.14 偏心(4) 1.4918 57.4
6 1044.14（反射面）偏心(5) 1.4918 57.4
7 1044.14 偏心(4)
像面 ∞ 偏心(6)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -2000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 255.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 260.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -75.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -80.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 78.98 Ｚ 181.58
α 90.00 β 0.00 γ 0.00

図４〜図６を参照しつつ実施例２について、その構成、並びに、数値実施例を説明する。図４は、実施例２の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図であり、図５は、実施例２の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。これら図では、絞り４から像面３（２次元画像表示面）に向かう逆光線追跡による光線が記載されている。

図４に記載されるよう、本実施形態における視覚表示装置は、画像を表示する像面３（２次元画像表示面）と、第１光学素子１と第２光学素子２を有する接眼光学系を含んで構成されている。この接眼光学系は、像面３に表示される観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイント（ちょうど絞り４に相当する）を形成している。

像面３は、画像が表示される面を示しており、実施例１で説明したように投影光学系など各種表示素子により形成することが可能である。

第１光学素子１と第２光学素子２とは、その裏面にそれぞれ、第１反射面１１、第２反射面２１を有する（いわゆる「裏面鏡」）光学素子である。特に本実施形態では、各光学素子において、光が入射する側の形状（本実施形態では曲率半径を∞とする平面形状）と反射する側（反射面）の形状とを異ならせたことで、偏心収差を抑える設計が可能となっている。なお、アイポイントと対向する側に位置する第１光学素子１を半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重畳表示する所謂コンバイナーとして構成することも可
能である。

実施例２の光学系全体の横収差図を図６に示す。この横収差図において、左上に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

数値実施例２
単位ｍｍ
画角 35° 上下20°
入射瞳径（逆追跡） 15.00

面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面シリンドリカル面[1] -2000.00
1 絞り面偏心(1)
2 ∞ 偏心(2) 1.4918 57.4
3 -1133.47（反射面）偏心(3) 1.4918 57.4
4 ∞ 偏心(2)
5 ∞ 偏心(4) 1.4918 57.4
6 2573.09（反射面）偏心(5) 1.4918 57.4
7 ∞ 偏心(4)
像面 ∞ 偏心(6)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -2000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 250.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 260.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -70.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -80.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 78.98 Ｚ 181.35
α 90.00 β 0.00 γ 0.00

図７〜図９を参照しつつ実施例３について、その構成、並びに、数値実施例を説明する。図７は、実施例３の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図であり、図８は、実施例３の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。これら図では、絞り４から像面３（２次元画像表示面）に向かう逆光線追跡による光線が記載されている。

図７に記載されるよう、本実施形態における視覚表示装置は、画像を表示する像面３（２次元画像表示面）と、第１光学素子１と第２光学素子２を有する接眼光学系を含んで構成されている。この接眼光学系は、像面３に表示される観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイント（ちょうど絞り４に相当する）を形成している。

第１光学素子１と第２光学素子２とは、その裏面にそれぞれ、第１反射面１１、第２反射面２１を有する（いわゆる「裏面鏡」）光学素子である。特に本実施形態では、各光学素子において、光が入射する側の形状（本実施形態では曲率半径を∞とする平面形状）と反射する側（反射面）の形状とを異ならせたことで、偏心収差を抑える設計が可能となっている。なお、アイポイントと対向する側に位置する第１光学素子１を半透過面にすることにより、外界の映像と電子像を重畳表示する所謂コンバイナーとして構成することも可能である。

実施例３の光学系全体の横収差図を図９に示す。この横収差図において、左上に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

本実施形態では、第１反射面１１、第２反射面１２にフレネル面が採用されている。フレネル面を採用することで、第１光学素子１、第２光学素子２の薄型化を図るとともに、装置全体を小型化することが可能となる。

なお、数値実施例に記載されるフレネル面を定義するｋは、以下の非球面を定義する定義式に示される円錐定数である。
Ｚ＝（ｙ²／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｙ²／Ｒ²｝^1/2］
＋Ａｙ⁴＋Ｂｙ⁶＋Ｃｙ⁸＋Ｄｙ¹⁰＋……
ここで、Ｒは近軸曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数であって、本実施形態のフレネル面ではこれら非球面係数を０としている。

数値実施例３
単位ｍｍ
画角 35° 上下20°
入射瞳径（逆追跡） 15.00

面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面シリンドリカル面[1] -2000.00
1 絞り面偏心(1)
2 ∞ 偏心(2) 1.4918 57.4
3 フレネル[1]（反射面）偏心(3) 1.4918 57.4
4 ∞ 偏心(2)
5 ∞ 偏心(4) 1.4918 57.4
6 フレネル[2]（反射面）偏心(5) 1.4918 57.4
7 ∞ 偏心(4)
像面 ∞ 偏心(6)

フレネル面[1]
曲率半径 -1152.59
k 0
フレネル面[2]
曲率半径 2813.34
k 0

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -2000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 255.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 260.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -75.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -80.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 78.98 Ｚ 180.80
α 90.00 β 0.00 γ 0.00

以上、実施例１〜実施例３について、その構成、及び、数値実施例について説明を行った。これら実施例では、第１反射面１１、第２反射面２１の形状として、球面あるいはフ
レネル面を採用するものである。以下に説明する実施例４、実施例５では、第１反射面１１、第２反射面２１の形状に自由曲面を採用することを特徴としている。自由曲面を採用することで、画面上下方向に非対称に発生する偏心収差を補正し、視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓを効果的に抑制することが可能となる。なお、自由曲面は、これら実施例のように第１反射面１１、第２反射面２１の両面に採用するのみならず、どちらか一方に採用されるものであってもよい。なお、ＦＦＳで示される面は、当該面が自由曲面であることを示している。

本発明で用いる自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。

ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項以降は自由曲面項である。
球面項中、
Ｒ:頂点の曲率半径
ｋ:コーニック定数（円錐定数）ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²）
である。

自由曲面項は、

ただし、Ｃｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明では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つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2、Ｃ5、Ｃ7、Ｃ9、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

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つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3、Ｃ5、Ｃ8、Ｃ10、Ｃ12
、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、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る。

また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。

また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本実施例は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他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。なお、データが記載されていない自由曲面に関する項は０である。

図１０〜図１２を参照しつつ実施例４について、その構成、並びに、数値実施例を説明する。図１０は、実施例４の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図、および、光線の投影図であり、図１１は、実施例２の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。これら図では、絞り４から像面３（２次元画像表示面）に向かう逆光線追跡による光線が記載されている。

図１０に記載されるよう、本実施形態における視覚表示装置は、画像を表示する像面３（２次元画像表示面）と、第１光学素子１と第２光学素子２を有する接眼光学系を含んで構成されている。この接眼光学系は、像面３に表示される観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイント（ちょうど絞り４に相当する）を形成している。

実施例４の光学系全体の横収差図を図１２に示す。この横収差図において、左上に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

数値実施例４
単位ｍｍ
画角 35° 上下20°
入射瞳径（逆追跡） 15.00

面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面シリンドリカル面[1] -2000.00
1 絞り面偏心(1)
2 FFS[1] 偏心(2) 1.4918 57.4
3 FFS[1]（反射面）偏心(3) 1.4918 57.4
4 FFS[1] 偏心(2)
5 FFS[2] 偏心(4) 1.4918 57.4
6 FFS[2]（反射面）偏心(5) 1.4918 57.4
7 FFS[2] 偏心(4)
像面 ∞ 偏心(6)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -2000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

FFS[1]
Ｃ4 -5.5587e-004 Ｃ6 -5.6747e-004 Ｃ8 8.0445e-007
Ｃ10 -5.0324e-007 Ｃ11 -1.1264e-009 Ｃ13 -5.1668e-009
Ｃ15 -1.5244e-009 Ｃ68 1.0000e+000
FFS[2]
Ｃ4 7.0512e-004 Ｃ6 4.0881e-004 Ｃ8 2.3952e-006
Ｃ10 -5.9781e-007 Ｃ11 -1.7211e-010 Ｃ13 -2.5225e-009
Ｃ15 -2.7814e-009 Ｃ68 1.0000e+000

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 255.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 260.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -75.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -80.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 78.98 Ｚ 181.37
α 90.00 β 0.00 γ 0.00

図１３〜図１５を参照しつつ実施例５について、その構成、並びに、数値実施例を説明する。図１３は、実施例５の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図であり、図１４は、実施例５の光学系の中心光線を含むＸ−Ｚ断面図、および、光線の投影図である。これら図では、絞り４から像面３（２次元画像表示面）に向かう逆光線追跡による光線が記載されている。

図１３に記載されるよう、本実施形態における視覚表示装置は、画像を表示する像面３（２次元画像表示面）と、第１光学素子１と第２光学素子２を有する接眼光学系を含んで
構成されている。この接眼光学系は、像面３に表示される観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイント（ちょうど絞り４に相当する）を形成している。

実施例５の光学系全体の横収差図を図１５に示す。この横収差図において、左上に示された角度は、（水平方向画角、垂直方向の画角）を示し、その画角におけるＹ方向（メリジオナル方向）とＸ方向（サジタル方向）の横収差を示す。なお、マイナスの画角は、水平方向画角については、Ｙ軸正方向を向いて右回りの角度、垂直方向画角については、Ｘ軸正方向を向いて右回りの角度を意味する。

数値実施例５
単位ｍｍ
画角 35° 上下20°
入射瞳径（逆追跡） 15.00

面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
物体面シリンドリカル面[1] -2000.00
1 絞り面偏心(1)
2 FFS[1] 偏心(2) 1.4918 57.4
3 FFS[1]（反射面）偏心(3) 1.4918 57.4
4 FFS[1] 偏心(2)
5 FFS[2] 偏心(4) 1.4918 57.4
6 FFS[2]（反射面）偏心(5) 1.4918 57.4
7 FFS[2] 偏心(4)
像面 ∞ 偏心(6)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 -2000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

FFS[1]
Ｃ4 -5.4853e-004 Ｃ6 -6.1811e-004 Ｃ8 7.7508e-007
Ｃ10 -4.2317e-007 Ｃ11 -1.1524e-009 Ｃ13 -4.6044e-009
Ｃ15 -7.7566e-010 Ｃ68 1.0000e+000
FFS[2]
Ｃ4 7.0817e-004 Ｃ6 2.9023e-004 Ｃ8 2.3776e-006
Ｃ10 -7.1659e-007 Ｃ11 -4.6255e-011 Ｃ13 -1.3687e-009
Ｃ15 -1.7104e-009 Ｃ68 1.0000e+000

偏心[1]
Ｘ 30.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 255.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 260.00
α 22.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -75.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -80.00 Ｚ 180.00
α 67.50 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 78.98 Ｚ 181.36
α 90.00 β 0.00 γ 0.00

以上、実施例１〜実施例５についてその構成、並びに、数値実施例について説明を行ったが、各実施例について、輻輳による虚像位置（単位：ｍｍ）、視度による虚像位置（単位：ｍｍ）、並びに、それらの視度の差（輻輳、視度、各虚像位置の逆数の差）について数値を以下に示す。視度の差Ｓ（単位：ｍ^-1）は、その絶対値を０．５以下とすることにより、観察者の眼の疲労をある程度抑えることが可能となる。好ましくは、本実施形態のような構成を採用することで、視度の差Ｓの絶対値を０．２以下に抑えることで、より良好に観察者の目の疲労を抑えることが可能となる。さらに好ましくは、実施例４、実施例５にみられるように第１反射面１１、第２反射面２１に自由曲面を採用することで、視度の差Ｓの絶対値を０．１以下に抑えることでさらなる効果が期待できる。

図１６は、実施例１〜実施例５の各実施例について観察画角（単位：ｄｅｇ）に対するＸ方向の像ずれ量（ｍｍ）を示したものである。この図においても、自由曲面を採用する実施例４、実施例５において、像ずれ量が小さく抑えられることが読み取れる。

実施例１実施例２実施例３実施例４実施例５
輻輳による虚像位置 1544 1477 1449 2024 1960
視度による虚像位置 2000 2000 2000 2000 2000
視度の差Ｓ 0.148 0.177 0.190 -0.00593 0.0102

また、以下に、Ｘ方向、Ｙ方向それぞれについて、第２光学素子２の焦点距離Ｆ２に対する、第１光学素子１の焦点距離Ｆ１の比の絶対値を示しておく。本実施形態では、この絶対値を下限を０．１、上限を２内に収めることで、第１光学素子１と第２光学素子２のパワーのバランスに配慮し、偏心収差の発生を抑えている。なお、自由曲面を採用する実施例４、実施例５のみ｜Ｆ１Ｘ／Ｆ２Ｘ｜の値が存在している。

実施例１実施例２実施例３実施例４実施例５
|F1X/F2X| 1.274 1.300
|F1Y/F2Y| 0.784 0.441 0.410 0.711 0.454

なお、実施例中には挙げられていないが、第１反射面１１、第２反射面１２の内少なくとも１面にトーリック面を採用することとしてもよい。特に発生が多い非点収差を補正する為にアイポイントから表示面に至る光路上でアイポイントに近い第１反射面１１をトーリック面で構成することでＹ−Ｚ断面とＸ−Ｚ断面の曲率を変えることが可能となり、非点収差を補正することが可能となる。そして、非点収差の発生を抑えつつ輻輳による虚像位置を効果的に補正することが可能である。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…第１光学素子
１１…第１反射面
２…第２光学素子
２１…第２反射面
３…像面（２次元画像表示面）
４（Ｒ、Ｌ）…絞り
４１（Ｒ、Ｌ）…絞り中心
１０（Ｒ、Ｌ）…中心光線

Claims

観察像を表示する１つの２次元画像表示面と、前記観察像を観察者の両眼に導くための２つのアイポイントを形成する接眼光学系とからなる視覚表示装置において、
前記接眼光学系が少なくとも第１反射面を有する第１光学素子と、第２反射面を有する第２光学素子とを有し、
前記アイポイントから２次元表示面に至る逆追跡の光路順に、前記第１反射面が前記アイポイントと対向するように配置され、
前記第２反射面が前記２次元画像表示面と対向するように配置され、かつ、前記第１反射面と前記アイポイントとを結ぶ光軸が、前記第２反射面と前記２次元画像表示面を結ぶ光軸と交差するように配置されており、
前記第１反射面及び前記第２反射面共に正のパワーを有し、
視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）が略一致していることを特徴とする
視覚表示装置。
視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）が以下の条件式（１）を満足することを特徴とする
−０．５≦ Ｓ ≦０．５・・・（１）
請求項１に記載の視覚表示装置。
視度による虚像位置と輻輳による虚像位置との視度の差Ｓ（ｍ^-1）が以下の条件式（２）を満足することを特徴とする
−０．２≦ Ｓ ≦０．２・・・（２）
請求項１に記載の視覚表示装置。
前記第１反射面、前記第２反射面の内、少なくとも１面は自由曲面であることを特徴とする
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の視覚表示装置。
前記第１反射面、前記第２反射面の内、少なくとも１面は、前記第１反射面と前記第２反射面の距離が短くなるにしたがって、前記２つのアイポイントを結ぶ方向の曲率がゆるくなる形状であることを特徴とする
請求項４に記載の視覚表示装置。
前記アイポイントから前記２次元画像表示面に至る光路の順番で前記第１光学素子の焦点距離をＦ１、前記第２光学素子の焦点距離をＦ２とするとき、以下の条件式（３）を満足することを特徴とする
０．１＜｜Ｆ１／Ｆ２｜＜２・・・（３）
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の視覚表示装置。