JP3212784B2

JP3212784B2 - 視覚表示装置

Info

Publication number: JP3212784B2
Application number: JP32212593A
Authority: JP
Inventors: 研野孝吉
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 2001-09-25
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JPH07175009A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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】頭部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と重量を軽くすること
は、その装着性を損なわないようにするために重要な点
である。この装置全体の大きさを決定する要因は、光学
系のレイアウトである。図２２に従来の１つの頭部装着
式視覚表示装置の光学系を示す（特開平３−１０１７０
９号）。この視覚表示装置は、２次元画像表示素子の表
示画像を正レンズよりなるリレー光学系にて空中像とし
て伝達し、凹面反射鏡からなる接眼光学系でこの空中像
を拡大して観察者の眼球内に投影するものである。ま
た、従来、装置全体を小型にするために、２次元画像表
示素子を凸レンズで拡大して直接観察する直視型のもの
も知られている。これらのレイアウトでは、観察者顔面
からの装置突出量が大きくなってしまう。さらに、広い
観察画角をとるためには、大きな正レンズ径と大きな２
次元画像表示素子を使用する必要があり、装置がますま
す大きくなると同時に、重くなってしまう。

【０００３】疲労を感じさせずに長時間の観察を可能と
したり、簡単に着脱できるためには、観察者の眼球直前
に短くて軽い接眼光学系を配置した構成が望ましい。こ
うすると、２次元画像表示素子と照明光学系等を観察者
の頭部前方への突出量を小さくして配置でき、装置の突
出量が減ると同時に、軽量化が可能となる。

【０００４】次に、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。特に、提示
される画像の立体感は、提示画角によって決まってしま
う（テレビジョン学会誌 Vol.45, No.12, pp.1589-1596
(1991)）。広い画角と高い解像力が得られる光学系をい
かにして実現するかが、次に重要な問題となる。立体感
・迫力感等を観察者に与えるためには、水平方向で４０
°（±２０°）以上の提示画角を確保することが必要で
あると同時に、１２０°（±６０°）付近でその効果は
飽和してしまうことが知られている。つまり、４０°以
上でなるべく１２０°に近い観察画角にすることが望ま
しい。

【０００５】ところで、米国再発行特許第２７３５６号
のものは、図２３に示すように、半透過凹面鏡６と半透
過平面鏡１６により、物体面６２を遠方に投影する接眼
光学系であるが、この配置は、画像表示素子６２から観
察者眼球位置６６までの光路を繰り返し反射させて短く
することが可能となり、視覚表示装置の観察者頭部前方
への突出量を短くすることが可能なものである。

【０００６】しかしながら、凹面鏡６は、その性質上、
凹面鏡６の表面に沿った凹面の強い像面湾曲を発生する
ために、平面の２次元画像表示素子を凹面鏡６の焦点位
置に配置すると、その観察像面は湾曲を起こしてしま
い、視野周辺まで明瞭な観察像を得ることはできない。
そのために、物体面６２を湾曲させてこの像面湾曲を補
正する必要がある。

【０００７】しかし、一般に、表示面を湾曲を持った曲
面で構成することは、ＣＲＴの表示素子を使用する場合
は比較的容易に実現できるが、ＣＲＴ自体の重量はＬＣ
Ｄ等の液晶表示素子に比して重くなってしまう。また、
広画角で周辺まで解像力の良い画像を観察者に提供する
ためには、画面密度の高い大きな２次元画像表示素子を
使用することが必要であり、ＬＣＤ等の薄くて軽量の画
像表示素子を使用することが望ましいが、ＬＣＤ等の平
面型画像表示素子は、その構造上表示面を湾曲させるこ
とは非常に難しい。

【０００８】したがって、このような接眼光学系を用い
ても、視野周辺まで明瞭に観察でき、広い観察画角で観
察者に観察像を提示でき、なおかつ、小型で軽量な視覚
表示装置を実現することは難しかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
従来技術の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、３０°（±１５°）以上の広い画角
で、周辺までフラットで鮮明な観察画像を平面の２次元
画像表示素子を用いて観察できる、小型・軽量で高い解
像力と大きい射出瞳径を持った視覚表示装置を提供する
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の視覚表示装置は
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、画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段
によって形成された画像を投影し、観察者眼球に導く接
眼光学系とからなる視覚表示装置において、前記接眼光
学系は、略光軸上に曲率中心を有し前記曲率中心の方向
に凹面を向けた第１の半透過反射面と、前記第１の半透
過反射面の曲率中心と略同位置に曲率中心を有する第２
の半透過反射面とを有する接眼光学系により構成されて
いることを特徴とするものである。

【００１１】この場合、前記の接眼光学系は、各々の曲
率中心を略同位置に有する第１及び第２の半透過反射面
を有し、第１の半透過反射面を透過した光束が、第２の
半透過反射面によって反射されると共に、第２の半透過
反射面によって反射された反射光束が、第１の半透過反
射面によって反射された後に第２の半透過反射面を透過
するように、第１及び第２の半透過反射面を構成するこ
とが望ましい。

【００１２】また、この接眼光学系は、観察者眼球の瞳
位置近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少な
くとも２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射
面の各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも
１回の光線の反射をするように配置されていることが望
ましい。

【００１３】また、この接眼光学系の各々の半透過反射
面を１回も反射しないで透過する光線に対する接眼光学
系の屈折力が実質的に略ゼロであることが望ましい。

【００１４】また、２つの半透過反射面で１回も反射し
ないで透過する光線を遮断するために、偏光光学素子で
構成された遮断手段が配置されていることが望ましい。

【００１５】また、画像表示素子と接眼光学系とを観察
者頭部に対して位置決めする位置決め手段を有すること
が望ましい。

【００１６】また、画像表示素子と接眼光学系を観察者
頭部に対して支持する支持手段を有し、観察者頭部に装
着できるようにすることが望ましい。

【００１７】さらに、また、このような視覚表示装置の
少なくとも２組を一定の間隔で支持する支持手段を有す
ることが望ましい。

【００１８】また、第１及び第２の半透過反射面の曲率
半径をＲ₁、Ｒ₂とするとき、０．５＜｜Ｒ₁／Ｒ₂｜＜１．８・・・（２）なる条件を満足することが好ましい。

【００１９】また、第１半透過反射面の曲率半径を
Ｒ₁、瞳からこの瞳に近い第１半透過反射面までの距離
をＤ₁、第１半透過反射面と第２半透過反射面との間の
面間隔をＤ₂とするとき、０．４＜｜（Ｄ₁＋Ｄ₂）／Ｒ₂｜＜１．７・・・（３）なる条件を満足することが好ましい。

【００２０】また、瞳に近い方の第１半透過反射面の曲
率半径をＲ₁、瞳から遠い方の第２半透過反射面の曲率
半径をＲ₂、第１半透過反射面と第２半透過反射面との
間の面間隔をＤ₂とするとき、１＜（｜Ｒ₁｜＋Ｄ₂）／｜Ｒ₂｜＜１．８・・・（４）なる条件を満足することが好ましい。

【００２１】また、瞳に近い方の第１半透過反射面の曲
率半径をＲ₁、瞳からこの瞳に近い第１半透過反射面ま
での距離をＤ₁とするとき、｜Ｄ₁／Ｒ₁｜＜１．５・・・（５）なる条件を満足することが好ましい。

【００２２】

【作用】以下、本発明においてこのような構成を採用す
る理由と作用について説明する。本発明は上記のような
問題点を解決するためになされたものであり、画像表示
手段に表示された画像を投影して観察者眼球に導く接眼
光学系として、略光軸上に曲率中心を有し曲率中心の方
向に凹面を向けた第１の半透過反射面と、第１の半透過
反射面の曲率中心と略同位置に曲率中心を有する第２の
半透過反射面とを有する接眼光学系を用いたことに特徴
があるものである。

【００２３】以下においては、説明の都合上、光線が接
眼光学系の射出瞳位置から物体面に向かう逆追跡で、本
発明の接眼光学系を結像光学系として説明するが、実際
の本発明の光学系は、その像面を物点とし逆方向に光線
が進むものである。本発明の曲率中心が略同位置に配置
された光学系は、一般に共心光学系と呼ばれる。図１は
本発明による共心光学系の基本的構成と収差発生が少な
い理由を説明するための図であり、図１において、瞳位
置を１、第１面の半透過反射面を２、第２面の半透過反
射面を３、像面を４とする。この図１は、第１面２の曲
率中心と第２面３の曲率中心とが瞳位置１に完全に一致
している場合の光路図である。この光路図から分かるこ
とは、瞳面１と第１面２の曲率中心と第２面３の曲率中
心が一致しているために、軸上光線も軸外光線も瞳位置
１を中心に回転対称となっていることである。このこと
は、軸外収差である非点収差とコマ収差の発生がないこ
とを意味している。また、屈折力を持っている面は全て
反射面であるので、色収差の発生も原理的にない。ま
た、Ｆナンバーが２以下の場合には、球面収差の発生も
ほぼ無視してよい。ただし、第２面３による像面は瞳位
置１を中心とする球面となり、像面湾曲が発生するだけ
である。

【００２４】また、本発明の共心光学系は、図２３で示
した米国再発行特許第２７３５６号のものと同様に、２
つの半透過反射面２、３の間を光線が繰り返し反射する
ために、１枚の凸レンズ等で構成されたレンズ系より入
射瞳１位置から像面４までの機械的長さを短くすること
ができるため、これを接眼光学系として用いて、観察者
顔面からの装置突出量が小さい小型の視覚表示装置を構
成することができる。

【００２５】本発明は、上記したように収差発生の非常
に少ない共心光学系の像面湾曲を良好に補正することに
成功したものである。以下に、本発明による像面湾曲の
補正手段について説明する。

【００２６】図２３の米国再発行特許第２７３５６号で
は、凹面鏡６で発生する像面湾曲を補正するために、像
面（本発明では物体面）６２を湾曲させてその像面湾曲
の補正を行っている。しかし、一般には、湾曲を持った
２次元画像表示素子は、ＣＲＴで構成することは容易で
あるが、ＬＣＤ等の液晶表示素子でその表示面を曲面と
することは非常に難しい。

【００２７】そこで、本発明では、前述の図１に示すよ
うに、凹面鏡３によって発生する像面湾曲の収差を凸面
鏡２によって補正するように構成した。

【００２８】すなわち、像面湾曲の発生量として一般に
よく注目されるペッツバール和ＰＳは、以下の式で表さ
れる。ＰＳ＝Σ（１／ｎ・ｆ）・・・（１）ここで、ｎは屈折率、ｆは面の焦点距離である。米国再
発行特許第２７３５６号の場合は、本発明の凸面鏡２を
平面鏡１６で置き換えたものに相当するので、凹面鏡６
で光線が反射する時に発生するペッツバール和は、平面
鏡１６の焦点距離が∞なので、全く補正されない。そこ
で、本発明では、この平面鏡１６を凸面鏡２として、凹
面鏡３で発生するペッツバール和をこの凸面鏡２で補正
できるように構成している。

【００２９】また、ＬＣＤ等の２次元画像表示素子は、
斜めから見るとコントラストが低下して視覚特性が悪い
ので、観察者眼球に投影される光線はなるべく２次元画
像表示素子を垂直に射出する光線を使用したい。つま
り、接眼光学系を射出する軸外主光線が光軸と平行にな
るように、瞳面１は凹面鏡３又は凸面鏡２の周辺や、凹
面鏡３より像４側にあってはならないのである。つま
り、凹面鏡３の曲率中心のある方向に瞳面１を配置する
ことが重要な手段となる。

【００３０】さらに、良好な収差補正を実施するため
に、以下に示す各条件式を満足することが好ましい。以
下の条件式はそれぞれ各収差に対応しており、画角やＦ
ナンバー等実際の使用によって各々の条件式は独立であ
り、相関関係はない。また、全ての条件式を満足するこ
とも、使用条件によっては必要となる。

【００３１】先ず、第１面２と第２面３の関係について
説明する。良好な収差補正を実現するためには、ペッツ
バール和の補正が特に重要であることは上記の説明で述
べた通りであり、本発明ではこのペッツバール和の補正
のために、以下の条件を満足することが重要である。０．５＜｜Ｒ₁／Ｒ₂｜＜１．８・・・（２）ただし、Ｒ₁は第１面２の曲率半径、Ｒ₂は第２面３の
曲率半径である。

【００３２】この条件式（２）は、正の第２面３と負の
第１面２のパワー配置を規定するものであり、下限の
０．５を越えると、第１面２と第２面３で補正し合って
いる主にペッツバール和の補正バランスが崩れ、負のペ
ッツバール和が大きく発生してしまう。また、上限の
１．８を越えると、ペッツバール和が正に大きく発生し
てしまい、他の面で補正することが不可能となってしま
う。

【００３３】さらに、近年、ハイビジョンＴＶ等に代表
される高品位な映像に対応する必要がある場合には、よ
り良好なペッツバール和の補正が必要であり、以下の条
件を満足することがより重要である。０．７＜｜Ｒ₁／Ｒ₂｜＜１．７・・・（６）次に、第２面３の半透過反射面について説明する。瞳面
１から第１面２までの間隔をＤ₁、第１面２と第２面３
の面間隔をＤ₂とすると、好ましくは、０．４＜｜（Ｄ₁＋Ｄ₂）／Ｒ₂｜＜１．７・・・（３）なる条件を満足にすることが望ましい。

【００３４】上記条件式（３）の下限の０．４を越える
と、第２面３を透過する射出主光線傾角が大きくなり、
非点収差とコマ収差が負に大きく発生する。また、上限
の１．７を越えると、非点収差、コマ収差共に負の発生
量が減る。これは、第１面２を透過する時に発生する正
の非点収差とコマ収差を打ち消しているので、レンズ系
全体として正の非点収差とコマ収差の発生が大きくなっ
てしまう。

【００３５】また、好ましくは、第２面３が本発明では
共心であることが重要である。第１面２の曲率半径をＲ
₁、第２面３の曲率半径をＲ₂、第１面２と第２面３の
面間隔をＤ₂とすると、１＜｜（｜Ｒ₁｜＋Ｄ₂）／Ｒ₂｜＜１．８・・・（４）なる条件を満足することが重要である。

【００３６】上記条件（４）は第２面３で発生するコマ
収差と非点収差の発生を全系で補正できるようにする条
件であり、下限の１を越えると、完全な共心光学系に近
くなり、ペッツバール和の補正が不可能となり、大きな
像面湾曲が発生する。また、上限の１．８を越えると、
第２面３に入射する主光線の入射角度が大きくなり、正
のコマ収差が大きくなってしまう。どちらの場合も、周
辺まで鮮明な像を形成することが不可能となってしま
う。

【００３７】また、好ましくは、瞳面１から第１面２ま
での距離をＤ₁、第１面２の曲率半径をＲ₁とする時、｜Ｄ₁／Ｒ₁｜＜１．５・・・（５）なる条件を満足することが望ましい。

【００３８】上記条件式（５）の上限の１．５を越える
と、第１面２に入射する主光線の入射高が大きくなり、
正のコマ収差と非点収差の発生が大きくなってしまい、
周辺まで鮮明な像を形成することが不可能となってしま
う。

【００３９】次に、面間隔について説明する。瞳面１と
第１面２の面間隔をＤ₁とし、全系の焦点距離をＦとす
る時、Ｄ₁／Ｆ＜１．６・・・（７）なる条件を満足することが重要である。

【００４０】上記条件式（７）は、第１面２で発生する
コマ収差を小さくするための条件である。上限の１．６
を越えると、第１面２で発生するコマ収差の発生が大き
くなり、他の面で補正することが不可能となる。また、
本発明の光学系を接眼光学系として使用する場合には、０．５＜Ｄ₁／Ｆ・・・（８）なる条件を満足することが重要となる。

【００４１】上記条件式（８）は、接眼光学系の場合に
は、接眼レンズのアイポイントとなり、下限の０．５を
越えると、観察者の瞳位置と接眼光学系の射出瞳位置１
がズレてしまい、視野全域を観察することが不可能とな
る。

【００４２】第１面２と第２面３の面間隔をＤ₂とする
時、０．２＜Ｄ₂／Ｆ＜０．７・・・（９）なる条件を満足することが重要となる。本条件は、第１
面２でのペッツバール和発生と第２面３でのペッツバー
ル和発生のバランスをとるために必要となる。上限の
０．７を越えても下限の０．２を越えても、第１面２と
第２面３で発生する上記収差のバランスが崩れ、ほぼ修
正し合っているペッツバール和収差が大きく発生してし
まう。

【００４３】また、第１面２でも第２面３でも１回も反
射しないで透過して像面４に達してしまうフレアー光を
カットするためには、偏光を利用した偏光光学素子を配
置とすることが重要となる。例えば、第１面２の瞳１側
に第１偏光板と４分の１波長板を配置して入射光を円偏
光とし、第１面２と第２面３の半透過反射面の間に別の
４分の１波長板を配置し、第２面３の半透過反射面の後
に第１偏光板とパラニコルの偏光面を配置した第２偏光
板を配置する。このような偏光光学素子を配置すると、
第１面２と第２面３でそれぞれ１回反射した正規の光線
は、第１面２と第２面３の間の４分の１波長板を３回通
過することになり、正規の光線はトータル４回、４分の
１波長板を通過することになる。したがって、第１偏光
板を通過した光の偏光面は回転せずに、パラニコルに配
置された第２偏光板を通過する。しかし、第１面２の半
透過反射面を反射しないで通過した光線はトータル２回
の４分の１波長板通過しかしないで、偏光面は９０゜回
転して、第２偏光板でカットされる。

【００４４】この様に、偏光光学素子を使うことによっ
て、フレアー光をカットすることが可能となる。また、
上に説明した以外の偏光光学素子の配置も可能であり、
ここではほんの一例を示しただけである。

【００４５】さて、本発明による視覚表示装置は、この
ような共心光学系と２次元画像表示素子からなる組を左
右一対用意し、それらを眼輻距離だけ離して支持するこ
とにより、両眼で観察できる据え付け型又は頭部装着式
視覚表示装置のようなポータブル型のものに構成でき
る。図２は、このような視覚表示装置を据え付け型とし
てゲームマシーンＭに組み込んだ例の斜視図（ａ）とそ
の接眼部Ｓの拡大図（ｂ）であり、観察者頭部Ｈを接眼
部Ｓに突き当ててこの視覚表示装置を覗き込むとき、頭
部Ｈを接眼部Ｓに対して両側から位置決めさせる突起
７、７が位置決め手段として接眼部Ｓ両側に設けられて
いる。また、図３は、このような視覚表示装置をゴーグ
ルタイプの頭部装着式視覚表示装置Ｇとして構成した例
の斜視図であり、この視覚表示装置Ｇを観察者頭部に支
持するのに、ヘッドバンド８を用いる。このように、本
発明の視覚表示装置は、観察者の眼球との相対的位置を
決める手段を備えることで、さらに観察しやすくなる。
これは、装置側の光学系の射出瞳位置が広いと言っても
限界があり、ＴＶ画面のようにどの方向から観察しても
観察できるものではないからである。

【００４６】

【実施例】以下、図面を参照にして本発明の視覚表示装
置の光学系の第１実施例〜第９実施例について説明す
る。第１実施例図４を参照にして第１実施例を説明する。図中、１は絞
り位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反
射面、４は像面である。なお、実際には、像面４にＬＣ
Ｄ等の２次元画像表示素子が配置され、光線は逆方向に
進む（以下の実施例においても同様）。この実施例は、
２個のメニスカスレンズＬ１、Ｌ２を用い、メニスカス
レンズＬ１の凸面を第１の半透過反射面２とし、メニス
カスレンズＬ２の凸面を第２の半透過反射面３としてい
る。数値実施例は以下に示す通りである。ただし、ｎｄ
はレンズのｄ線での屈折率、νｄはアッベ数である（以
下、同様）。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ
＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは３．５である。

【００４７】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 9.158 ２ -5.5382 1.624 1.5163 64.1 ３ -7.7395 0.071 ４ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ５ -9.1995 （反射面３） -2.777 1.5163 64.1 ６ -7.8437 -0.071 ７ -7.7395 （反射面２） 0.071 ８ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ９ -9.1995 5.141 10 像面４図１３（ａ）に本実施例の球面収差、非点収差、歪曲収
差を表す縦収差図を、図１３（ｂ）に横収差図を示す。

【００４８】第２実施例図５を参照にして第２実施例を説明する。図中、１は瞳
位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射
面、４は像面である。この実施例は、１個のメニスカス
レンズＬを用い、その凹面を第１の半透過反射面２と
し、その凸面を第２の半透過反射面３としている。数値
実施例は以下に示す通りである。本実施例の画角は６０
°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは１．５で
ある。

【００４９】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 10.130 ２ -13.6165 5.239 1.5163 64.1 ３ -14.6357 （反射面３） -5.239 1.5163 64.1 ４ -13.6165 （反射面２） 5.239 1.5163 64.1 ５ -14.6357 1.216 ６像面４図１４に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００５０】本実施例は、半透過反射面２、３で１回も
反射しないで透過する光線に対する焦点距離は５００ｍ
ｍとなり、焦点距離をＦ、屈折力をφとすると、 φ＝１／Ｆとなり、この場合は、 φ＝０．００２となる。この場合には、画像表示素子４を接眼光学系前
面より取り除くことによって、接眼光学系を通して外界
の像を観察することが可能となる。つまり、装置本体を
いちいち取り外さなくても、観察画像以外の周辺の画像
を観察することができる。

【００５１】さらに好ましくは、上記接眼光学系を１回
も反射しないで透過する光線に対する屈折力φが −０．０４＜φ＜０．０１なる条件式を満足することが重要である。上記条件式の
下限の−０．０４を越えると、遠景の外界像は２５ｃｍ
まで近くに見え、これ以上近くに見えると、観察者の眼
の調節力が不足する。また、上限の０．０１を越える
と、１ｍの外界像が無限遠に観察でき、この上限を越え
ると、観察者の眼の調節力を越えてハッキリ外界を観察
することができなくなってしまう。

【００５２】第３実施例図６を参照にして第３実施例を説明する。図中、１は瞳
位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反射
面、４は像面である。この実施例は、１個のメニスカス
レンズＬを用い、その凹面を第１の半透過反射面２と
し、その凸面を第２の半透過反射面３としており、さら
に、像歪み補正用の非球面レンズＬＡをその像面４側に
配置している。数値実施例は以下に示す通りである。本
実施例の画角は６０°で、焦点距離はＦ＝１０ｍｍ、Ｆ
ナンバーは２．０である。

【００５３】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 11.423 ２ -14.4225 4.817 1.5163 64.1 ３ -14.9832 （反射面３） -4.817 1.5163 64.1 ４ -14.4225 （反射面２） 4.817 1.5163 64.1 ５ -14.9832 0.046 ６ 12.5539 （非球面） 0.914 1.5163 64.1 Ｋ= 0 Ａ=-0.352385×10^-3 Ｂ=-0.213608×10^-5 Ｃ= 0 ７ 110.7802 1.857 ８像面４上記において、非球面は、円錐定数をＫ、非球面係数を
Ａ、Ｂ、Ｃとした時に、下記の式によって表される回転
対称面のことである。ただし、下記の式において、Ｒは
近軸曲率半径であり、光軸上の光の進行方向にＺ軸、光
軸と直交する方向にＹ軸をとっている。Ｚ＝（Ｙ²/Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（Ｙ／Ｒ）²｝^1/2］＋ＡＹ⁴ ＋ＢＹ⁶ ＋ＣＹ⁸ 図１５に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００５４】第４実施例図７を参照にして第４実施例を説明する。本実施例は第
２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りで
ある。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０
ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。

【００５５】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 13.127 ２ -11.2445 5.633 1.5163 64.1 ３ -14.0354 （反射面３） -5.633 1.5163 64.1 ４ -11.2445 （反射面２） 5.633 1.5163 64.1 ５ -14.0354 0.348 ６像面４図１６に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００５６】第５実施例図８を参照にして第５実施例を説明する。本実施例も第
２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りで
ある。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０
ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。

【００５７】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 5.805 ２ -24.3790 4.437 1.5163 64.1 ３ -17.4632 （反射面３） -4.437 1.5163 64.1 ４ -24.3790 （反射面２） 4.437 1.5163 64.1 ５ -17.4632 3.193 ６像面４図１７に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００５８】第６実施例図９を参照にして第６実施例を説明する。本実施例も第
２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通りで
ある。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１０
ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。

【００５９】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 7.259 ２ -27.0911 4.287 1.5163 64.1 ３ -18.0607 （反射面３） -4.287 1.5163 64.1 ４ -27.0911 （反射面２） 4.287 1.5163 64.1 ５ -18.0607 3.534 ６像面４図１８に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００６０】第７実施例図１０を参照にして第７実施例を説明する。本実施例も
第２実施例と同様である。数値実施例は以下に示す通り
である。本実施例の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１
０ｍｍ、Ｆナンバーは３．０である。

【００６１】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 9.152 ２ -10.2521 5.711 1.5163 64.1 ３ -13.6695 （反射面３） -5.711 1.5163 64.1 ４ -10.2521 （反射面２） 5.711 1.5163 64.1 ５ -13.6695 0.100 ６像面４図１９に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００６２】第８実施例図１１を参照にして第８実施例を説明する。本実施例は
第１実施例とほぼ同様である。数値実施例は以下に示す
通りである。本実施例の画角は７０°で、焦点距離はＦ
＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．５である。

【００６３】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 8.255 ２ ∞ 2.813 1.5163 64.1 ３ -22.1680 0.355 ４ -19.6995 5.058 1.5163 64.1 ５ -18.7996 （反射面３） -5.058 1.5163 64.1 ６ -19.6995 -0.355 ７ -22.1680 （反射面２） 0.355 ８ -19.6995 5.058 1.5163 64.1 ９ -18.7996 0.520 10 像面４図２０に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００６４】第９実施例図１２を参照にして第９実施例を説明する。図中、１は
瞳位置、２は第１の半透過反射面、３は第２の半透過反
射面、４は像面である。この実施例は、単一屈折率の平
行平面板ＰＰ中に第１の半透過反射面２と第２の半透過
反射面３を設けたものである。数値実施例は以下に示す
通りである。本実施例の画角は７０°で、焦点距離はＦ
＝１０ｍｍ、Ｆナンバーは２．５である。

【００６５】面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１瞳位置１ 8.255 ２ ∞ 5.426 1.5163 64.1 ３ -12.7792 2.822 1.5163 64.1 ４ -12.9610 （反射面３） -2.822 1.5163 64.1 ５ -12.7792 （反射面２） 3.322 1.5163 64.1 ６ ∞ 3.455 ７像面４図２１に本実施例の図１３と同様な収差図を示す。

【００６６】以上の各実施例の上記条件式（２）（＝
（６））、（３）、（４）、（５）、（７）（＝
（８））、（９）の値を次の表に示す。

【００６７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の視覚表示装置によると、平面の２次元画像表示素子を
用いて、広い画角で周辺の画角まで鮮明に観察できる小
型・軽量の頭部装着式視覚表示装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による接眼光学系である共心光学系の基
本的構成と収差発生が少ない理由を説明するための図で
ある。

【図２】本発明の視覚表示装置を据え付け型としてゲー
ムマシーンに組み込んだ例の斜視図（ａ）とその接眼部
の拡大図（ｂ）である。

【図３】本発明の視覚表示装置をゴーグルタイプの頭部
装着式視覚表示装置として構成した例の斜視図である。

【図４】本発明の第１実施例の視覚表示装置の光学系の
断面図である。

【図５】第２実施例の断面図である。

【図６】第３実施例の断面図である。

【図７】第４実施例の断面図である。

【図８】第５実施例の断面図である。

【図９】第６実施例の断面図である。

【図１０】第７実施例の断面図である。

【図１１】第８実施例の断面図である。

【図１２】第９実施例の断面図である。

【図１３】第１実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差
を表す縦収差図（ａ）と横収差図（ｂ）である。

【図１４】第２実施例の図１３と同様な収差図である。

【図１５】第３実施例の図１３と同様な収差図である。

【図１６】第４実施例の図１３と同様な収差図である。

【図１７】第５実施例の図１３と同様な収差図である。

【図１８】第６実施例の図１３と同様な収差図である。

【図１９】第７実施例の図１３と同様な収差図である。

【図２０】第８実施例の図１３と同様な収差図である。

【図２１】第９実施例の図１３と同様な収差図である。

【図２２】従来の１つの頭部装着式視覚表示装置の光学
系を示す断面図である。

【図２３】従来の１つの反射接眼光学系の断面図であ
る。

【符号の説明】

１…瞳位置２…第１の半透過反射面３…第２の半透過反射面４…像面（２次元画像表示素子）７…位置決め手段（突起）８…支持手段（ヘッドバンド）Ｍ…ゲームマシーンＨ…観察者頭部Ｓ…接眼部Ｌ、Ｌ１、Ｌ２…メニスカスレンズＬＡ…非球面レンズＰＰ…平行平面板

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画像を表示する画像表示手段と、前記画
像表示手段によって形成された画像を投影し、観察者眼
球に導く接眼光学系とからなる視覚表示装置において、前記接眼光学系は、略光軸上に曲率中心を有し前記曲率
中心の方向に凹面を向けた第１の半透過反射面と、前記
第１の半透過反射面の曲率中心と略同位置に曲率中心を
有する第２の半透過反射面とを有する接眼光学系により
構成されていることを特徴とする視覚表示装置。
【請求項２】前記の接眼光学系は、各々の曲率中心を
略同位置に有する第１及び第２の半透過反射面を有し、
第１の半透過反射面を透過した光束が、第２の半透過反
射面によって反射されると共に、第２の半透過反射面に
よって反射された反射光束が、第１の半透過反射面によ
って反射された後に第２の半透過反射面を透過するよう
に、第１及び第２の半透過反射面を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。
【請求項３】前記接眼光学系は、観察者眼球の瞳位置
近傍に曲率中心を配置し、瞳側に凹面を向けた少なくと
も２つの半透過反射面を持ち、これらの半透過反射面の
各々は、少なくとも１回の光線の透過と少なくとも１回
の光線の反射をするように配置されていること特徴とす
る請求項１又は２記載の視覚表示装置。
【請求項４】前記接眼光学系は、各々前記２つの半透
過反射面を１回も反射しないで透過する光線に対する接
眼光学系の屈折力が実質的に略ゼロであるように構成さ
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】前記接眼光学系は、前記２つの半透過反
射面で１回も反射しないで透過する光線を遮断するため
に、偏光光学素子で構成された遮断手段が配置されてい
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６】前記視覚表示装置が、前記画像表示素子
と前記接眼光学系とを観察者頭部に対して位置決めする
位置決め手段を有することを特徴とする請求項１から５
の何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項７】前記視覚表示装置は、前記画像表示素子
と前記接眼光学系を観察者頭部に対して支持する支持手
段を有し、観察者頭部に装着でき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５の何れか１項記載の
視覚表示装置。
【請求項８】前記接眼光学系と前記画像表示手段との
組を少なくとも２組備え、前記２組の前記接眼光学系と
前記画像表示手段の組それぞれを一定の間隔で支持する
支持手段を有することを特徴とする請求項１から５の何
れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項９】前記接眼光学系は、前記第１の半透過反
射面の曲率半径をＲ₁、前記第２の半透過反射面の曲率
半径をＲ₂としたときに、０．５＜｜Ｒ₁／Ｒ₂｜＜１．８・・・（２）なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５の
何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項１０】前記接眼光学系は、前記第１の半透過
反射面の曲率半径をＲ₁、瞳からこの瞳に近い第１の半
透過反射面までの距離をＤ₁、前記第１の半透過反射面
と前記第２の半透過反射面との間の面間隔をＤ₂とした
ときに、０．４＜｜（Ｄ₁＋Ｄ₂）／Ｒ₂｜＜１．７・・・（３）なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５の
何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項１１】前記接眼光学系は、瞳に近い方の第１
の半透過反射面の曲率半径をＲ₁、瞳から遠い方の第２
の半透過反射面の曲率半径をＲ₂、第１の半透過反射面
と第２の半透過反射面との間の面間隔をＤ₂としたとき
に、１＜｜（｜Ｒ₁｜＋Ｄ₂）／Ｒ₂｜＜１．８・・・（４）なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５の
何れか１項記載の視覚表示装置。
【請求項１２】前記接眼光学系は、瞳に近い方の第１
の半透過反射面の曲率半径をＲ₁、瞳からこの瞳に近い
第１の半透過反射面までの距離をＤ₁としたときに、｜Ｄ₁／Ｒ₁｜＜１．５・・・（５）なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５の
何れか１項記載の視覚表示装置。