JP3155335B2 - 視覚表示装置 - Google Patents

視覚表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ポータブル型視覚表示
装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持するこ
とを可能とする頭部又は顔面装着式視覚表示装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、顔面装着式視覚表示装置として、
図5に平面図を示したようなものが知られている(米国
特許第4026641号)。これは、CRTのような画
像表示素子46の像を画像伝達素子25で物体面12に
伝達し、この物体面12の像をトーリック反射面10に
よって空中に投影するようにしたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
顔面装着式視覚表示装置にとって、装置全体の大きさを
小さくすることが、装着性を損なわなくするために重要
な点となる。また、大きな画角を確保することは、画像
観察時の臨場感を上げるために必要である。装置全体を
小さくするには、観察者の眼球前部に配置して像を空中
に投影する働きと画像表示素子からくる光軸を屈曲(角
度偏向)させる働きとを持つ接眼光学系、すなわち、眼
の前部に配置する凹面反射鏡と眼球との距離を短くする
必要がある。一方、大きな画角を確保するためには、こ
の凹面反射鏡が大きくなる。また、その反射面は、凹面
でない場合、画像表示素子を大きなものとしないと、大
きな画角を確保することが難しくなり、装置全体が大き
なものとなってしまう。
【0004】以上の2点から、顔面装着式視覚表示装置
の光学的配置は、観察者の眼球直前に比較的大きな凹面
鏡を配置することが必要となる。
【0005】一方、上記の従来技術のように、光軸を観
察者眼球位置と偏心させて配置する光学系においては、
接眼光学系の焦点面は光軸に対して垂直にならず斜めに
なってしまい、焦点面から射出する光束の中のほんの一
部の光束しか観察者眼球位置に届かなくなってしまう。
【0006】つまり、平面の2次元画像表示素子又は2
次元画像表示素子の投影像から構成される物体面を上記
の接眼光学系の焦点面に配置しただけでは、観察者虹彩
位置又は眼球回旋位置に達する光束は、物体面から射出
した光束の中の物体面から斜めに射出するものしか到達
しない。
【0007】一方、一般的に、2次元画像表示素子又は
2次元画像表示素子の投影像から射出する光束は、表示
面と垂直方向に最も強くなる。そこで、上記従来技術の
ように、画像伝達素子を使って2次元画像表示面が斜め
になるように伝達させるか、2次元画像表示素子又は2
次元画像表示素子の投影像を斜めに配置した場合には、
強度が弱い大きな射出角をとる光線(物体面から斜めに
射出する光線)しか観察者眼球位置に届かないため、射
出する光束のほんの一部しか使用できなくなり、観察像
が非常に暗くなってしまい、明瞭に観察することができ
ない。
【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、特に広い画角を明
瞭に観察することができるポータブル型視覚表示装置を
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、平面形状の観察像を表示する2次
元表示素子と、前記2次元表示素子又はその投影像を空
中に拡大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光学系と
を備えた視覚表示装置において、前記接眼光学系が、偏
心配置された曲面形状の反射面を有し、前記曲面形状の
反射面は、回転非対称な非球面形状にて構成され、前記
回転非対称な曲面形状の反射面の焦点距離を、前記接眼
光学系の前記曲面反射面によって反射されて折り返され
る前後の光軸を含んだ面内において、該2次元表示素子
からみて、光軸が屈曲される位置より遠い側においてよ
り長く、光軸が屈曲される位置より近い側においてより
短くなるように構成したことを特徴とするものである。
【0010】この場合、曲面形状の反射面が、収斂作用
を有する反射面又は、収斂作用を有する半透過反射面に
て構成され、その曲率を、接眼光学系の光軸が屈曲する
面内において、2次元表示素子からみて、光軸が屈曲さ
れる位置より遠い側においてより小さく、光軸が屈曲さ
れる位置より近い側においてより大きくなるように構成
することが望ましい。
【0011】その場合の接眼光学系による光軸の屈曲角
は20°以上であることが望ましい。また、接眼光学系
の焦点距離は20〜150mmの範囲にあることが望ま
しい。
【0012】また、曲面形状の反射面が、観察者側に凹
面を向けた凹面反射鏡にて構成されていることが望まし
い。その場合に、凹面反射鏡がアナモフィック非球面反
射鏡であることが望ましい。
【0013】
【作用】以下、上記構成を採用した理由と作用について
説明する。本発明においては、図1に示すように、画像
表示素子1と凹面反射鏡2からなる観察者の頭部又は顔
面に装着する視覚表示装置において、画像表示素子1か
らほぼ垂直に出る光束が観察者眼球位置3に入射して観
察されるようにするため、凹面反射鏡2の光軸が屈曲す
る面内(図1の面内)において、画像表示素子1から見
て光軸を屈曲させる位置Aより遠い側の曲率半径をより
大きく、位置Aより近い側の曲率半径をより小さくす
る。このようにすると、位置Aより遠い領域の焦点距離
は長くなり、逆に、位置Aより近い領域の焦点距離は短
くなり、凹面反射鏡2の前側焦点面と焦点面を射出する
光束の角度がほぼ垂直になる。ただし、ここで言う光軸
とは、観察者眼球の虹彩中心又は眼球回旋中心を通過す
る光線で、2次元表示素子の表示中心を射出する、いわ
ゆる軸上光線を言う。
【0014】このようにすることにより、2次元画像表
示素子又は2次元画像表示素子の投影像を直接接眼光学
系の前側焦点面に配置することが可能になり、明るい観
察像が得られることになる。
【0015】以下、この作用について、図2を用いてさ
らに説明する。1は2次元表示素子又は2次元表示素子
の空中投影像、2は接眼光学系である球面凹面反射鏡、
3は観察者眼球回旋中心又は虹彩位置である。一般的
に、球面凹面反射鏡2で無限遠の像を結像した場合に
は、凹面の曲率半径の半分が焦点距離になる。しかし、
図5に示した先行技術のように、凹面鏡の光軸と観察者
虹彩位置又は眼球回旋位置3が偏心している場合には、
接眼光学系2によって観察光束が屈曲するために、物体
面は屈曲後の光束に対して、図2に符号1で示したよう
に、斜めに傾いたものとなってしまう。そこで、本発明
では、図2において、2の反射面の左側の曲率を比較的
ゆるく(曲率半径を大きく)して焦点距離を長くし、1
に当たる焦点面を反射光軸に対してほぼ垂直となるよう
に配置し、かつ、良好な収差補正を実現し、広い画角に
対して高い解像力を持った観察像を観察者に対して提供
するようにしたものである。なお、凹面鏡2を球面鏡で
構成する場合の収差図を図6に示す(収差の取り方、表
記方法は、後記図4と同様である。)。
【0016】なお、光軸の屈曲角(後記θ)は、20°
以上が好ましく、20°以下の場合は、観察者眼球位置
3と2次元画像表示素子1との配置が近くなってしま
い、2次元画像表示素子1の配置が不可能となる。
【0017】さらに、凹面鏡2である接眼光学系の焦点
距離は、20〜150mmの範囲が好ましく、その下限
を越えると、観察者眼球位置3と接眼光学系2との距離
が短くなりすぎ、観察者が本視覚表示装置を装着する場
合に圧迫感を感じると共に、広い画角が確保できなくな
る。一方、その上限を越えると、観察者眼球位置3と接
眼光学系2との距離が大きくなり、本装置からの接眼光
学系2の突出量が大きくなり、本視覚表示装置を装着し
たときの装着感が悪くなる。
【0018】
【実施例】以下、本発明の視覚表示装置の実施例につい
て説明する。この実施例の光学配置を図3に示す。図
中、符号1は2次元画像表示素子、2はアナモフィック
非球面鏡、3は観察者の眼球虹彩位置又は眼球回旋点
(以下、瞳と言う。)を示す。アナモフィック非球面鏡
2の軸を2aとし、瞳3中心から反射鏡2の軸2aまで
の距離(偏心量)をY1 、軸2aから2次元画像表示素
子1中心までの距離(偏心量)をY2 とする。また、2
次元画像表示素子1中心と瞳3中心を通る光線が反射鏡
2で反射されて屈曲する角度をθとする。図1の座標系
の場合、偏心量Y1 、Y2 はそれぞれ負と正で与えられ
る。
【0019】以下、2次元画像表示素子1、アナモフィ
ック非球面鏡2、観察者の瞳3相互の間隔、面形状、偏
心量等を示すが、面番号は、観察者の瞳3位置から2次
元画像表示素子1へ向かう逆追跡の面番号として示して
ある。凹面反射鏡2の近軸の曲率半径は、上下方向(X
−Z面)をRx 、左右方向(Y−Z面)をRy とする
と、これらは相互に異なる。また、非球面形状は、座標
系を図示のようにとるとき、次の式で表される。
【0020】 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 +BR[ (1-BP) X2+( 1+BP) Y2 3 +CR[ (1-CP) X2+( 1+CP) Y2 4 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、CRはそれぞれ回転対称な4次、6
次、8次の非球面係数、AP、BP、CPはそれぞれ非
対称な4次、6次、8次の非球面係数である。
【0021】 面番号 曲率半径 面間隔 偏心量 1 瞳 (3) 47.423 Y1 −31.580 2Rx −65.559(2) −32.423 Y2 1.580 Ry −56.752 (非球面) 3 像面 (1) 非球面係数 Ky =−0.708777 Kx =−2.694382 AR= 0 AP= 0 BR= 0 BP= 0 CR= 0 CP= 0 θ=50°
【0022】この実施例の横収差図を図4に示す。図
中、(a)は瞳3中心を通り軸2aに平行な直線から左
側(+Y方向)15.0°にある像を見た時の左右方向
及び上下方向の収差、(b)はこの直線方向にある像を
見た時の左右方向及び上下方向の収差、(c)はこの直
線から右側(−Y方向)15.0°にある像を見た時の
左右方向及び上下方向の収差である。上記のように逆追
跡した時の像面1は、光軸にほぼ垂直になる。この実施
例において、光軸の屈曲角θは50°であり、θが50
°以下の場合は、この配置では、観察者の顔面と光学系
が干渉することがある。
【0023】なお、上記実施例において、凹面反射鏡2
は、全反射鏡のみでなく、半透過鏡で構成することもで
きる。半透過鏡で構成する場合は、外界像との合成がで
きることは周知の事実である。
【0024】以上、本発明の視覚表示装置を実施例につ
いて説明してきたが、本発明はこの実施例に限定され
ず、種々の変形が可能である。
【0025】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の視覚表示装置のよると、2次元画像表示素子又は2次
元画像表示素子の投影像を光軸に対して垂直に配置する
ことができ、明るい観察像を得ることのできる。この視
覚表示装置は、ポータブル型の頭部又は顔面装着式視覚
表示装置に適したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の視覚表示装置の構成と作用を説明する
ための図である。
【図2】凹面反射鏡の構成と作用を説明するための図で
ある。
【図3】本発明の実施例の光学系の断面図である。
【図4】本発明の実施例の横収差図である。
【図5】従来の顔面装着式視覚表示装置の平面図であ
る。
【図6】凹面反射鏡を球面鏡で構成した場合の横収差図
である。
【符号の説明】
1…画像表示素子 2…凹面反射鏡 3…観察者眼球虹彩位置又は眼球回旋点(瞳) 2a…凹面反射鏡の軸 A…光軸が屈曲する位置
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−101709(JP,A) 特開 平3−39924(JP,A) 特開 平2−297516(JP,A) 特開 昭64−49016(JP,A) 特開 昭63−177108(JP,A) 特開 昭60−57314(JP,A) 特開 昭58−78116(JP,A) 特表 平3−500458(JP,A) 特表 昭61−501946(JP,A) 米国特許4322135(US,A) 米国特許4026641(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 27/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平面形状の観察像を表示する2次元表示
    素子と、前記2次元表示素子又はその投影像を空中に拡
    大投影すると共に光軸を屈曲させる接眼光学系とを備え
    た視覚表示装置において、 前記接眼光学系が、偏心配置された曲面形状の反射面を
    有し、 前記曲面形状の反射面は、回転非対称な非球面形状にて
    構成され、 前記回転非対称な曲面形状の反射面 の焦点距離を、前記
    接眼光学系前記曲面反射面によって反射されて折り返
    される前後の光軸を含んだ面内において、該2次元表示
    素子からみて、光軸が屈曲される位置より遠い側におい
    てより長く、光軸が屈曲される位置より近い側において
    より短くなるように構成したことを特徴とする視覚表示
    装置。
  2. 【請求項2】 前記曲面形状の反射面が、収斂作用を有
    する反射面又は、収斂作用を有する半透過反射にて
    され、その曲率を、該接眼光学系の光軸が屈曲する面
    内において、該2次元表示素子からみて、光軸が屈曲さ
    れる位置より遠い側においてより小さく、光軸が屈曲さ
    れる位置より近い側においてより大きくなるように構成
    したことを特徴とする請求項1記載の視覚表示装置。
  3. 【請求項3】 前記接眼光学系による光軸の屈曲角が2
    0°以上であることを特徴とする請求項2記載の視覚表
    示装置。
  4. 【請求項4】 前記接眼光学系の焦点距離が20〜15
    0mmの範囲にあることを特徴とする請求項3記載の視
    覚表示装置。
  5. 【請求項5】前記曲面形状の反射面が、観察者側に凹面
    を向けた凹面反射鏡にて構成されたことを特徴とする請
    求項1記載の視覚表示装置。
  6. 【請求項6】 前記凹面反射鏡がアナモフィック非球面
    反射鏡であることを特徴とする請求項5記載の視覚表示
    装置。
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