JP3155336B2 - 視覚表示装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
のように、トーリック面を反射鏡に用いた場合には、図
6に示すような像歪が発生し(同図において、点線は理
想的像位置を示し、実線はこの光学系の結像位置を示
す。)、また、楕円面を反射鏡に用いた場合には、図7
に示すような像歪みが発生し、また、球面を用いた場合
も同様である。これは、光軸を屈曲(角度偏向)させる
ように反射鏡を偏心して配置するために、光軸が屈曲す
る面内と直交する方向、図6、7においてはX’軸方向
の像歪みがY’軸の正方向と負の方向で異なってくるこ
とによる。
際に、右目と左目で同一方向の像を観察しようとした場
合に、像の大きさが異なり、像が融像し難くなったり、
全く融像できずに二重像に観察されたり、疲労感を伴っ
たりする。
せ、立体視を行おうとした場合に、左右の像が融像しな
いと、立体感が得られなくなってしまう。
になされたものであり、その目的は、ディストーション
の少ない像を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。
明の視覚表示装置は、平面形状の観察像を表示する2次
元画像表示素子と、前記2次元画像表示素子の実像をリ
レー像として投影するリレー光学系と、そのリレー像を
拡大投影すると共に光軸を屈曲させ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、偏心配
置された曲面形状の反射面を有すると共に、その曲面形
状が、回転非対称な非球面形状にて構成され、前記リレ
ー光学系の有する光学面の一部又は全部が、前記2次元
画像表示素子の表示する観察像の中心位置と、前記リレ
ー像の中心位置とを結んだ直線よりも、前記観察像の法
線方向に傾いた位置に偏心配置されるように構成された
ことを特徴とするものである。
光軸を物体中心と像中心を結んだ直線より物体面の法線
方向に傾ける角度をθとするとき、 θ>2° ・・・(1) なる条件を満足するようにすることが望ましい。
説明する。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。
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。
広い観察画角を確保するために画角が大きくなり、さら
に光軸を屈曲させている偏心系のため、図6、7に示す
ような台形の像歪みが発生する。ここで、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。
本発明では、2次元画像表示素子の実像を投影するリレ
ー光学系を配置し、その実像を凹面鏡からなる接眼光学
系により空中に拡大投影し、同時に光軸を観察者の眼へ
屈曲させる配置において、像リレー光学系に偏心面を持
つレンズ系を利用することにより、このようなディスト
ーションを補正するものである。
いて、投影される像に予め接眼光学系で発生する像歪を
打ち消すような像歪を発生させておく。この方法によ
り、観察者の眼で観察する像には、上記像歪みを発生さ
せないことが可能となる。
アオリ撮影の方法によって、台形状の像歪みが補正でき
ることが知られている。図4(a)に低い位置から高い
ビルディング等を撮影する場合に写る像を示してある
が、図中の像のように、ビルディングの高い所程カメラ
レンズから遠いために、小さく写り、低い所は大きく写
ってしまう。これを補正するために、図4(b)に示す
ように、レンズの光軸を上側に平行に移動して、カメラ
を時計方向に回転させ、物体中心と像中心を結ぶ直線に
対して光軸を角度Aたけ傾けると、像の歪みが補正され
た写真が撮影される。
積極的に発生させ、接眼光学系のもつ台形歪みと丁度打
ち消すべく、2次元画像表示素子の実像を投影するリレ
ー光学系を傾けるようにする。
大きな凹面反射鏡は大きなコマ収差を発生するため、こ
れを補正するためには、トーリック面、アナモフィック
面、楕円面等の反射鏡にすると、像周辺まで鮮明な像を
観察することが可能となる。しかし、定性的には、何れ
の凹面鏡を用いても、同じ台形歪みが生じる。この台形
歪みの方向は、観察者虹彩位置を基準に、光軸が屈曲す
る面と垂直方向の倍率が、光軸を屈曲する位置から遠い
方向では大きくなり、その反対側では小さくなる。これ
を補正するためには、図4に示したように、台形の長い
方の底辺から物体側にレンズ系を傾ける(図1、図4
(a)で時計回り方向)ようにすることにより、台形歪
みを良好に補正することができる。本発明はこの補正効
果を利用している。
てリレー光学系の傾け角を規定しているが、その下限を
越えると、本発明の効果である台形の像歪みの補正作用
が不十分なものとなってしまう。
て説明する。この実施例の光学配置を図1に示す。図
中、1はLCD(液晶表示装置)タイプの2次元画像表
示素子、2は偏心リレー光学系、5はアナモフィック非
球面反射鏡からなる凹面鏡、6は観察者の眼球虹彩位置
又は眼球回旋点(以下、瞳と言う。)であり、3はリレ
ー光学系2の光軸、4は2次元表示素子1中心とリレー
光学系2によるその像中心とを結ぶ直線、5aは凹面鏡
5の軸である。座標系を図示のように与え、瞳6に対す
る凹面鏡5の軸5aの偏心量をY1 、リレー光学系2の
第1面中心に対する軸5aの偏心量をY2 、2次元表示
素子1中心からリレー光学系2の光軸3のY軸方向の偏
心量をY3 、リレー光学系2の光軸3に対する凹面鏡5
の軸5aの傾き角をα1 、2次元表示素子1の表示面に
対するリレー光学系2の光軸3に垂直な面の傾き角をα
2 、直線4に対するリレー光学系2の光軸3の傾き角を
θ、とする。したがって、図1の場合、Y1 は負、Y2
は正、Y3 は正であり、α1 は正、α2 は負、θは正で
与えられる。
が、面番号は、観察者の瞳6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。また、
面間隔は、瞳6と凹面鏡5の間については、瞳6中心と
凹面鏡5中心間のZ軸方向の間隔、凹面鏡5とリレー光
学系2の第1面の間については、凹面鏡5中心とその第
1面間のZ軸方向の間隔、リレー光学系2の第1面から
その像面(2次元画像表示素子1)に到る間隔は、光軸
3に沿う間隔で示してある。リレー光学系2について
は、第1面から第7面のレンズ面をr1 〜r7 で、面間
隔をd1 〜d7 で示す。
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1のようにとるとき、次の式で表され
る。 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。
す。図2中、点線は理想的像位置を示し、実線はこの光
学系の結像位置を示す。
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。
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。
の視覚表示装置によると、ディストーションの少ない、
鮮明で画角の広い頭部又は顔面装着型視覚表示装置を提
供することができる。
す図である。
る。
る。
を結ぶ直線 5…凹面鏡 6…観察者眼球虹彩位置又は眼球回旋点 5a…凹面鏡の軸
Claims (5)
- 【請求項1】 平面形状の観察像を表示する2次元画像
表示素子と、前記2次元画像表示素子の実像をリレー像
として投影するリレー光学系と、そのリレー像を拡大投
影すると共に光軸を屈曲させ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、偏心配置された曲面形状の反射面を
有すると共に、その曲面形状が、回転非対称な非球面形
状にて構成され、 前記リレー光学系の有する光学面の一部又は全部が、前
記2次元画像表示素子の表示する観察像の中心位置と、
前記リレー像の中心位置とを結んだ直線よりも、前記観
察像の法線方向に傾いた位置に偏心配置されるように構
成されたことを特徴とする視覚表示装置。 - 【請求項2】 前記リレー光学系の有する光学面の一部
又は全部の、前記2次元画像表示素子の表示する観察像
の中心位置と、前記リレー像の中心位置とを結んだ直線
よりも、前記観察像の法線方向に傾ける角度をθとする
とき、 θ>2° ・・・(1) なる条件を満足す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】 前記曲面形状の反射面が、観察者側に凹
面を向けた凹面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。 - 【請求項4】 前記凹面鏡を半透過鏡としたことを特徴
とする請求項3記載の視覚表示装置。 - 【請求項5】 前記接眼光学系の持つ台形歪みを打ち消
すべく、前記リレー光学系を傾けることにより前記2次
元画像表示素子の実像の台形歪みを発生させることを特
徴とする請求項1記載の視覚表示装置。
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