JP3340118B2 - 偏心光学系とそれを用いた視覚表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏心光学系とそれを用
いた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頭部又は顔面装着式視覚表示装
置とその光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、テレビジョン、コンピュータ
の映像を表示するＣＲＴ、ＬＣＤ等のディスプレイは、
観察者の没入感、迫力感をより大きく体感したいという
要求のために、表示画面はより大きく、より高解像のも
のが要求されている。また、近年では、仮想現実感（バ
ーチャルリアリティ）の効果を得るために、大型のディ
スプレイが種々開発されており、その条件としてもま
た、広画角、高解像があげられる。

【０００３】他方、小さいディスプレイであっても、画
面を拡大視して観察することができれば、観察画角は大
きくなり、没入感、迫力感が増大し、さらに、バーチャ
ルリアリティ等の効果を得ることができるため、頭部装
着式の小型の視覚表示装置が種々開発されている。

【０００４】頭部装着式視覚表示装置の従来技術とし
て、偏心して配置した凹面接眼拡大鏡と、偏心して配置
したリレー光学系を使用した本出願人の特開平５−１３
４２０８号の実施例の断面図を図１５に示す。図１５に
おいて、Ｐは観察者眼球３３の回旋中心、Ｃは観察者に
とって正面に相当する観察視軸、Ｑ₁ は観察者瞳位置、
Ｓ₈ はＯを回転中心とする回転楕円体、１６はその回転
楕円体の反射面、１７はリレー光学系の光軸、Ｑ₂ は回
転楕円体の焦点、１５はリレー光学系、１４は２次元画
像表示素子である。

【０００５】さらに、偏心して配置した接眼拡大鏡と、
偏心して配置したリレー光学系と、偏心補正光学系を使
用した本出願人の先願（特願平５−２１２０８号）の実
施例の断面図を図１６に示す。図１６において、２２は
観察者瞳位置、２３は接眼凹面鏡、２４は観察者の視
軸、２８は偏心補正光学系、３４は２次元画像表示素
子、３５はリレー光学系である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】頭部に装着するタイプ
の視覚表示装置において、広い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、
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) ）。

【０００７】没入感・立体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。

【０００８】さらに、臨場感・仮想現実感を得るための
視覚表示装置には、広い画角と共に、高い解像力を有す
ること、画面周辺を観察するときに眼の回旋運動によっ
て視野がケラレないために、観察者の瞳位置を光学系の
射出瞳とした場合の瞳径をできるだけ大きくすることが
重要である。

【０００９】しかしながら、上述したような両眼観察時
に１２０°の広い画角を有する高解像な視覚表示装置
は、従来の技術では実現できなかった。

【００１０】本発明は、上記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、小型・軽量で、両眼
観察時の観察画角１２０°を可能にし、かつ、画面全体
において鮮明な画像が観察でき、さらに、広い射出瞳径
を有する視覚表示装置とその光学系を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を達成するための手段】上記目的を達成する本発
明の偏心光学系は、平面形状の観察像を表示する２次元
画像表示素子と、観察像を観察者の眼球に導く接眼光学
系とを含む偏心光学系において、前記接眼光学系が、少
なくとも、反射面と透過面とを有し、前記反射面は、光
束にパワーを与える曲面形状を有し、かつ、その曲面が
回転非対称な非球面形状にて構成され、さらに、前記観
察者の視軸に対して偏心配置されており、前記透過面
は、光路上、前記２次元画像表示素子と前記反射面との
間に配置され、かつ、前記観察者の眼球の視軸近傍で屈
折力が最大であり、外側になるに従って屈折力が弱くな
るような回転非対称な非球面形状にて構成され、前記反
射面による逆光線追跡での反射後の視軸に対する前記透
過面の中心軸の傾き角をθ₁ とするとき、 −１０°＜θ₁ ＜３０° ・・・（２） を満足することを特徴とする偏心光学系。ここで、前記
観察者が正面を向いた時の視軸の方向をＺ軸、前記観察
者の両眼を結ぶ方向であって前記Ｚ軸に対して垂直な方
向をＹ軸、前記Ｚ軸及びＹ軸のそれぞれに直交する方向
をＸ軸としたとき、θ₁ は反時計周りを正としたとき
の、Ｙ−Ｚ平面内における傾き角である。

【００１２】この場合、その回転非対称な非球面形状の
反射面は、その反射面によって反射される前後の光軸を
含んだＹ−Ｚ平面上での曲面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面に
垂直なＸ−Ｚ平面上での曲面形状とが異なるように構成
されていることが望ましい。

【００１３】また、２次元画像表示素子に形成された平
面形状の観察像を、物体としてリレー像を形成するリレ
ー光学系を配置し、接眼光学系が、そのリレー像を観察
者眼球に導くように構成されていることが望ましい。

【００１４】また、回転非対称な非球面形状の反射面
は、Ｙ−Ｚ平面における曲率半径をＲ _ym、観察者眼球位
置に形成される射出瞳位置から反射面の中心までの観察
者が正面を向いたときの視軸方向における距離をＥ_xpと
するとき、 １．３＜｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＜２．６ ・・・（１） を満足することが望ましい。

【００１５】また、透過面とは別の第２の透過面を有
し、その透過面と第２の透過面は、間をプリズム媒質で
挟んだ偏心プリズム部材を形成し、偏心プリズム部材
は、透過面の観察者の眼球の視軸近傍の肉厚を厚く、外
側は薄く構成されていることが望ましい。

【００１６】なお、本発明は、上記の何れかの偏心光学
系を含んで構成された視覚表示装置を包含するものであ
る。

【００１７】

【作用】以下、上記構成をとる理由とその作用について
説明する。

【００１８】本発明による装置全体の構成について、図
１を用いて説明する。図１は、観察者の右眼に本発明の
視覚表示装置を装着した状態を観察者の上方より観察し
た図である。また、説明の簡便のために、観察者の瞳１
から２次元画像表示素子６に向かう逆光線追跡によって
示してある。図１において、１は観察者の瞳、８は観察
者の眼球、２は観察者が正面を向いたときの視軸、１２
は観察者の鼻、１３は観察者の耳である。本発明の視覚
表示装置は、観察像を表示する２次元画像表示素子６
と、この２次元画像表示素子６の実像を空中に投影する
リレー光学系５と、その実像を空中に拡大投影すると共
に、光軸を屈曲させる働きを持つ接眼拡大鏡３と、上記
のリレー光学系５と接眼拡大鏡３の間に配置され、お互
いに偏心した面で構成された偏心補正光学系４とからな
る。

【００１９】偏心補正光学系４の接眼拡大鏡３側の面
（第１面）４１の面頂４３は、接眼拡大鏡３によって反
射された後の視軸７より内側（鼻側）に位置し、その第
１面４１は非球面であり、この面形状は面頂近傍で最も
パワーが強く、外側（耳側）になるに従ってパワーが弱
くなるような曲面で構成されている。

【００２０】以下に、このような構成をとる理由と作用
を説明する。まず、偏心補正光学系４が瞳の結像に関し
てどのように寄与しているかを説明する。以下、本発明
において、座標系を、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８側から接
眼拡大鏡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。図２は、図１の装置の
Ｙ−Ｚ面内の瞳の光線追跡を表しており、１は瞳位置、
３は接眼拡大鏡、４は偏心補正光学系、５はリレー光学
系、４５は瞳の結像位置、５１は内側の瞳の光線、５２
は外側の瞳の光線である。

【００２１】Ｙ−Ｚ面における内側（鼻側）の光線５１
の瞳結像について説明する。内側光線５１のＹ−Ｚ面内
の瞳光線追跡を接眼拡大鏡３のみを通過した場合を図３
（ａ）に、接眼拡大鏡３と偏心補正光学系４を通過した
場合を図３（ｂ）に示す。同様に、Ｘ−Ｚ面内の瞳光線
追跡を図４（ａ）、（ｂ）に示す。ただし、図４
（ａ）、（ｂ）では、光線は軸外で反射しており、接眼
拡大鏡３、偏心補正光学系４はそれぞれが偏心している
ため、図における反射面が断面の反射面と一致していな
い。また、偏心しているそれぞれの光学素子及び光軸を
Ｘ−Ｚ面に投影しているため、瞳共役位置、光路長は実
際のものと異なる。

【００２２】図３（ａ）で明らかなように、瞳１を出た
内側の光線５１はすぐに接眼拡大鏡３で反射されるた
め、瞳光線は反射後は遠い位置４６、４６′に結像する
（図３（ａ）、図４（ａ））。そのため、リレー光学系
５の中にある接眼拡大鏡３側の瞳共役位置４５に瞳を結
像させるためには、偏心補正光学系４はＹ−Ｚ面内及び
Ｘ−Ｚ面内共に正のパワーが必要となる（図３（ｂ）、
図４（ｂ））。

【００２３】一方、Ｙ−Ｚ面における外側（耳側）の瞳
の光線５２についての説明は、瞳光線５１における図３
（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）と同様の構成で、
Ｙ−Ｚ面内の瞳光線追跡を示した図５（ａ）、（ｂ）、
及び、Ｘ−Ｚ面内の瞳光線追跡を示した図６（ａ）、
（ｂ）で説明する。

【００２４】瞳を出た外側の光線５２は、接眼拡大鏡３
まで離れているため、反射後の光線は近い位置４７、４
７′で結像する（図５（ａ）、図６（ａ））。つまり、
リレー光学系５の中にある接眼拡大鏡３側の瞳共役位置
４５で瞳を結像させるためには、偏心補正光学系４はＹ
−Ｚ面内及びＸ−Ｚ面内共、非常に弱い正のパワーある
いは負のパワーでなければならない（図５（ｂ）、図６
（ｂ））。

【００２５】これらの条件を満たすためには、Ｙ−Ｚ面
内において、視軸７の近傍に第１面４１の面頂４３を位
置させることが重要である。偏心補正光学系４の第１面
４１の面頂４３が耳側にあっては、後述する偏心補正光
学系４の重要な条件である楔形状を保ちながら、最外部
付近のパワーを弱い正のパワーあるいは負のパワーにす
ることは困難である。視軸７より鼻側に第１面４１の面
頂４３が位置することで、内側のパワーを強めることが
容易な構成となる。さらに、外側になるに従って偏心補
正光学系４の肉厚が薄くなり、最外部では弱い正あるい
は負のパワーにするためには、少なくとも偏心補正光学
系の第１面は非球面であり、中心曲率が最も強く、周辺
になるに従って弱くなるような曲面で構成することが重
要である。

【００２６】また、本発明においては、偏心して配置さ
れている接眼拡大鏡３による像面の傾き及び湾曲は大き
い。内側の像は接眼拡大鏡３側に、外側の像はリレー光
学系５側に結像するため、この像面の傾きを補正するた
めには、偏心補正光学系４の内側は肉厚を厚く、外側は
薄くすることが有効である。このような楔状のレンズを
構成することで、画角によって非対称な光路長にするこ
とができ、接眼拡大鏡３による像１０をリレー光学系５
の中心軸９に対して垂直な方向に置き換える作用が得ら
れる。しかしながら、画角が広いため、補正された像面
１１は完全に垂直にならないので、その像の傾きの補正
のために、２次元画像表示素子６をリレー光学系５の中
心軸９に対し傾けて配置することがさらに望ましい。

【００２７】また、偏心補正光学系４の第２面４２はリ
レー光学系５に対して凹面を向けているほうが好まし
い。湾曲した１次像の曲面と同じ向きの曲面で形成され
ていれば、光軸近傍では光路長が長く、周辺では短くな
るため、像面湾曲の補正にも有効な効果を持つ。

【００２８】また、接眼拡大鏡３と射出瞳位置１の関係
は、瞳の結像に関与し、さらには、装置全体の大きさに
影響を与える。接眼拡大鏡３のＹ−Ｚ平面内の曲率半径
をＲ_ym、射出瞳１位置から接眼拡大鏡３の中心までのＺ
軸における距離をＥ_xpとするとき、 １．３＜｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＜２．６ ・・・（１） を満足することが望ましい。この条件式（１）の上限の
２．６を越えると、偏心補正光学系４における光線高が
小さくなり、この光学系による収差補正効果が減少す
る。その下限の１．３を越えると、瞳１の共役位置４５
がリレー光学系５の２次元画像表示素子６側から接眼拡
大鏡３側にシフトするため、リレー光学系５が大型化す
る。

【００２９】また、偏心補正光学系４の第１面４１の光
軸７に対するＹ−Ｚ平面内の傾き角をθ₁ （反時計回り
を正とする。）とするとき、次に示す条件式（２）を満
足することが望ましい。

【００３０】 −１０°＜θ₁ ＜３０° ・・・（２） 条件（２）は、偏心補正光学系４の第１面４１の中心軸
の傾きを反射後の視軸７と同様の方向にする条件であ
る。条件（２）の下限を越えて第１面４１の面頂４３が
反射後の視軸７より１０°以上外側になると、第１面４
１の中心曲率が外側に配置され、外側の肉厚が厚くなる
ため、画面外側の像面の傾き、湾曲の補正が十分できな
い。上限の３０°を越えると、偏心補正光学系４が鼻側
に張り出した形になり、大型化し、光学系が観察者の顔
面と干渉する問題が発生する。

【００３１】また、偏心補正光学系４の各面のパワーの
比率は、光学系全体の収差補正の条件として以下の範囲
を満たすことが望ましい。偏心補正光学系４の接眼拡大
鏡３側の面（第１面）４１のＹ−Ｚ平面内の曲率半径を
Ｒ_y1、リレー光学系５側の面（第２面）４２のＹ−Ｚ平
面内の曲率半径Ｒ_y2としたとき、 ０．４＜Ｒ_y1／Ｒ_y2＜１．２ ・・・（３） である。

【００３２】条件（３）は、偏心補正光学系４のＹ−Ｚ
面内のパワーを表しており、接眼拡大鏡３による像面の
傾きと湾曲を補正するために重要な条件である。ただ
し、偏心補正光学系４は、構成する各面が偏心している
ため、厳密にこの光学素子のパワーを定義することは無
理である。しかしながら、条件式（３）の下限の０．４
を越えると、第１面４１と第２面４２のパワーの差が大
きくなり、高次のコマ収差、非点収差の発生が増大し、
他の光学系によって補正しきれないほどの収差が発生す
ることになる。また、その上限の１．２を越えると、画
面全面における像面の傾き及び湾曲の補正に必要な非対
称性が得られない。リレー光学系５の偏心によって像面
の傾きを補正し、リレー光学系５の像面湾曲収差で湾曲
を補正しようとすると、リレー光学系５に負担がかか
り、瞳径を大きくすることと相まって、リレー光学系５
が大型で複雑な構成になってしまう。

【００３３】また、接眼拡大鏡３は光軸に対して偏心し
て配備されているため、光軸に回転対称ではない非点収
差が発生しており、特にサジタル像面とメリジオナル像
面の差が大きい。この非点隔差を補正するためには、接
眼拡大鏡３、あるいは、偏心補正光学系４はアナモルフ
ィック面であることが望ましい。また、画面の周辺まで
高い解像力を実現するために、接眼拡大鏡３及び偏心補
正光学系４の各面は非球面であることが望ましい。

【００３４】また、リレー光学系５は同軸上に配置され
ていることが望ましい。リレー光学系５の全てのレンズ
が同軸上にあれば、通常の鏡筒等に装填することがで
き、装置の製作、組み立てを容易に行うことができる。

【００３５】以上説明したように、偏心した接眼拡大鏡
３と、それぞれが偏心した面であり、その第１面４１は
鼻側に面頂４３を持つ非球面で構成された偏心補正光学
系４と、小型で比較的簡単なリレー光学系５によって構
成された光学系によって、広い観察画角、大きい瞳径を
確保しつつ、高い解像力を満足した視覚表示装置とする
ことが可能となる。

【００３６】

【実施例】以下に、いくつかの実施例を用いて本発明の
偏心光学系とそれを用いた視覚表示装置を説明するが、
座標系は、観察者の瞳１を原点として、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８側から接眼拡大鏡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。

【００３７】次に、観察画角の設定について、図７を用
いて説明する。右眼視の画角を図７（ａ）に、左眼視の
画角を図７（ｂ）に、両眼視の画角を図７（ｃ）に示す
ように、例えば右眼視の水平方向の画角は＋２５°〜−
６０°とし、斜線ハッチで示した±２５°を左右眼の融
像領域とする。−２５°〜−６０°は耳側の周辺の画像
として、片眼のみで認識されるように設定されている。
また、上下方向の光学系の性能はＹ軸に対称であるた
め、上半分の画角３３．７５°のみの設定としている。
つまり、水平方向の画角は、片眼では＋２５°〜−６０
°であるが、両眼視においては、１２０°の観察画角と
認識され、垂直方向は、単純に設定画角３３．７５°の
２倍の６７．５°となる。

【００３８】以下に示す実施例は、右眼用の視覚表示装
置であり、左眼用は、構成する光学要素を全てＸ−Ｚ面
に対称に配備することで実現できる。

【００３９】実施例１ 図８を参照にしてこの実施例を説明する。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時の視
軸、３は接眼拡大鏡、４は偏心補正光学系、５はリレー
光学系、６は２次元画像表示素子、７は反射後の視軸で
ある。

【００４０】接眼拡大鏡３及び偏心補正光学系４の各面
は、アナモルフィック非球面であり、リレー光学系５は
球面レンズの４群５枚構成である。

【００４１】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次元画像表示素子６
へ向かう逆追跡の面番号として示してある。

【００４２】偏心量と傾き角は、接眼拡大鏡３（面番
号：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軸方向へ偏心している距離であり、偏心補正光
学系４に関しては、各面（面番号：３、４）の面頂の射
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、その面の面頂を通る中心軸のＺ軸方向からの傾き角
が与えられる。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５については、そ
の第１面（面番号：５）及びその面頂を通るリレー光学
系５の中心軸の傾き角が偏心補正光学系４の各面と同様
に与えられる。この後の座標系は、リレー光学系５の中
心軸が２次元画像表示素子６から偏心補正光学系４に向
かう方向を正とするＺ軸となり、紙面でＺ軸に直交し、
２次元画像表示素子６の右から左を正とするＹ軸、紙面
の上から下を正とするＸ軸に変換される。また、２次元
画像表示素子６（面番号：１４）については、変換後の
座標系におけるＹ軸正方向へのその中心の偏心量と、そ
の面の法線のＺ軸からの傾き角とを与えてある。

【００４３】また、接眼拡大鏡３及び偏心補正光学系４
の各面において、Ｒ_y 、Ｒ_x はそれぞれＹ−Ｚ面（紙
面）内の近軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内での近軸曲率半径、
Ｋ_x 、Ｋ_y はそれぞれＸ方向、Ｙ方向の円錐係数、Ａ
Ｒ、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
係数とすると、非球面式は以下に示す通りである。

【００４４】Ｚ =［( Ｘ²/Ｒ_x )+ (Ｙ²/Ｒ_y ) ］／［1+
｛ 1-(1+Ｋ_x ) ( Ｘ²/Ｒ_x ²)-(1+Ｋ_y ) ( Ｙ²/Ｒ_y ²)｝
^1/2 ］＋ＡＲ［ (1-ＡＰ) Ｘ²+( 1+ＡＰ) Ｙ² ］²＋Ｂ
Ｒ［ (1-ＢＰ) Ｘ²+( 1+ＢＰ) Ｙ² ］³ また、面間隔は、射出瞳１と接眼拡大鏡３の間について
は、射出瞳１中心と接眼拡大鏡３面頂間のＺ軸方向の間
隔、リレー光学系５の第１面からその像面（２次元画像
表示素子６）に到る間隔は、その光軸に沿う間隔で示し
てある。リレー光学系５については、面の曲率半径をｒ
₁ 〜ｒ_i で、面間隔をｄ₁ 〜ｄ_i で、ｄ線の屈折率をｎ
₁ 〜ｎ_i で、アッベ数をν₁ 〜ν_i 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） 52.937 ２（３）Ｒ_y -70.986 0 Ｙ：-30.399 Ｒ_x -55.670 Ｋ_y -0.135913 Ｋ_x 0.016895 ＡＲ 0.165065 ×10^-6 ＢＲ -0.357359 ×10^-10 ＡＰ -1.10375 ＢＰ -1.38177 ３（４）Ｒ_y -13.310 0 ｎ =1.492410 ν = 57.7 Ｒ_x -25.812 Ｙ：-24.295 57.353° Ｋ_y -1.238838 Ｚ： 5.491 Ｋ_x -1.338735 ＡＲ -0.457589 ×10^-5 ＢＲ -0.696261 ×10^-10 ＡＰ -1.80420 ＢＰ -1.91510 ４ Ｒ_y -22.873 0 Ｙ：-54.239 25.312° Ｒ_x -38.381 Ｚ： 10.878 Ｋ_y -0.219669 Ｋ_x 6.895198 ＡＲ -0.13467 ×10^-4 ＢＲ -0.811146 ×10^-10 ＡＰ -0.214307 ＢＰ 4.23122 ５（ｒ₁ ） -54.563 （ｄ₁ ） -12.012 ｎ₁=1.65518 ν₁= 54.2 Ｙ：-59.457 29.819° Ｚ： -8.794 ６（ｒ₂ ） 37.853 （ｄ₂ ） -10.295 ７（ｒ₃ ） -48.164 （ｄ₃ ） -9.954 ｎ₂=1.60958 ν₂= 60.8 ８（ｒ₄ ） 17.835 （ｄ₄ ） -1 ｎ₃=1.75500 ν₃= 27.6 ９（ｒ₅ ） 115.840 （ｄ₅ ） -1 １０（ｒ₆ ） -61.279 （ｄ₆ ） -7.098 ｎ₄=1.51922 ν₄= 67.2 １１（ｒ₇ ） 68.453 （ｄ₇ ） -0.5 １２（ｒ₈ ） -26.153 （ｄ₈ ） -10.534 ｎ₅=1.60007 ν₅= 61.4 １３（ｒ₉ ）-232.494 （ｄ₉ ） -8.705 １４（６） ∞（像面） Ｙ： -2.387 18.330° 次に、前述の条件式（１）〜（３）の値を示す。

【００４５】（１）｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＝ １．３４ （２） θ₁ ＝１７．３５ （３） Ｒ_y1／Ｒ_y2 ＝ ０．５８ 上記実施例の画角は、水平画角が１２０°、垂直画角が
６７．５°で、瞳径１０ｍｍである。

【００４６】この実施例の収差補正状態を示すスポット
ダイアグラムを図９〜図１１に示す。図９〜図１１にお
いて、スポットダイアグラムの左側の４つの数字の中、
上段の２つの数字は、長方形の画面中央の座標（Ｘ，
Ｙ）を（０．００，０．００）、右端中央の座標を
（０．００，−１．００）、右上隅の座標を（１．０
０，−１．００）、上端中央の座標を（１．００，０．
００）のように表現した場合の座標（Ｘ，Ｙ）を示し、
下段の２つの数字は、視軸（画面中央）に対して上記座
標（Ｘ，Ｙ）方向がなす角度のＸ成分、Ｙ成分（度表
示）を示す。

【００４７】実施例２ 図１２を参照にして、実施例２について説明する。この
実施例の構成は実施例１と同様であるが、リレー光学系
５は４群６枚構成である。

【００４８】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次元画像表示素子６
へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のと
り方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間
隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様で
ある。 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） 53.193 ２（３）Ｒ_y -73.925 0 Ｙ：-31.587 Ｒ_x -56.047 Ｋ_y -0.121576 Ｋ_x -0.002027 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ３（４）Ｒ_y -17.937 0 ｎ =1.620000 ν = 60.3 Ｒ_x -39.743 Ｙ：-26.565 64.820° Ｋ_y -0.864551 Ｚ： 3.376 Ｋ_x 1.244101 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４ Ｒ_y -22.713 0 Ｙ：-47.798 47.700° Ｒ_x -22.032 Ｚ： 8.592 Ｋ_y -0.467511 Ｋ_x 0.697794 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ５（ｒ₁ ） -47.696 （ｄ₁ ） -19.179 ｎ₁=1.62189 ν₁= 59.9 Ｙ：-59.607 29.495° Ｚ： -5.653 ６（ｒ₂ ） 37.907 （ｄ₂ ） -8.797 ７（ｒ₃ ） -41.178 （ｄ₃ ） -7.459 ｎ₂=1.57325 ν₂= 63.0 ８（ｒ₄ ） 18.809 （ｄ₄ ） -1 ｎ₃=1.75500 ν₃= 27.6 ９（ｒ₅ ） 98.492 （ｄ₅ ） -4.484 １０（ｒ₆ ） -47.373 （ｄ₆ ） -7.908 ｎ₄=1.62000 ν₄= 60.3 １１（ｒ₇ ） 99.015 （ｄ₇ ） -0.1 １２（ｒ₈ ） -25.681 （ｄ₈ ） -13.617 ｎ₅=1.62000 ν₅= 60.3 １３（ｒ₉ ） 67.228 （ｄ₉ ） -1 ｎ₆=1.75500 ν₆= 27.6 １４（ｒ₁₀）-280.298 （ｄ₁₀） -5.255 １５（６） ∞（像面） Ｙ： -3.444 15.880° 次に、前述の条件式（１）〜（３）の値を示す。

【００４９】（１）｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＝ １．３９ （２） θ₁ ＝２４．８２ （３） Ｒ_y1／Ｒ_y2 ＝ ０．７９ 上記実施例の画角は、水平画角が１２０°、垂直画角が
６７．５°で、瞳径１０ｍｍである。

【００５０】実施例３ 図１３を参照にして、実施例３について説明する。この
実施例の構成は実施例１と同様であるが、リレー光学系
５は４群６枚構成である。

【００５１】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次元画像表示素子６
へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のと
り方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間
隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様で
ある。 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） 53.111 ２（３）Ｒ_y -74.090 0 Ｙ：-31.367 Ｒ_x -57.656 Ｋ_y -0.019788 Ｋ_x 0.052441 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ３（４）Ｒ_y -18.246 0 ｎ =1.57802 ν = 62.7 Ｒ_x -43.172 Ｙ：-27.076 54.715° Ｋ_y -1.142012 Ｚ： 6.016 Ｋ_x 1.561471 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４ Ｒ_y -24.911 0 Ｙ：-49.319 33.687° Ｒ_x -31.173 Ｚ： 5.162 Ｋ_y -0.127403 Ｋ_x 2.912338 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ５（ｒ₁ ） -39.173 （ｄ₁ ） -9.020 ｎ₁=1.75000 ν₁= 25.0 Ｙ：-58.382 33.687° Ｚ： -5.795 ６（ｒ₂ ） -17.289 （ｄ₂ ） -11.270 ｎ₂=1.70000 ν₂= 35.0 ７（ｒ₃ ） 39.426 （ｄ₃ ） -3.284 ８（ｒ₄ ） -40.170 （ｄ₄ ） -8.804 ｎ₃=1.62000 ν₃= 60.3 ９（ｒ₅ ） 16.227 （ｄ₅ ） -1 ｎ₄=1.75500 ν₄= 27.6 １０（ｒ₆ ） 80.847 （ｄ₆ ） -4.432 １１（ｒ₇ ） -48.678 （ｄ₇ ） -8.248 ｎ₅=1.62000 ν₅= 60.3 １２（ｒ₈ ） 65.536 （ｄ₈ ） -0.221 １３（ｒ₉ ） -25.065 （ｄ₉ ） -9.852 ｎ₆=1.71554 ν₆= 47.1 １４（ｒ₁₀） -70.239 （ｄ₁₀） -4.792 １５（６） ∞（像面） Ｙ： -1.482 15.041° 次に、前述の条件式（１）〜（３）の値を示す。

【００５２】（１）｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＝ １．４０ （２） θ₁ ＝１４．７１ （３） Ｒ_y1／Ｒ_y2 ＝ ０．７３ 上記実施例の画角は、水平画角が１２０°、垂直画角が
６７．５°で、瞳径１０ｍｍである。

【００５３】実施例４ 図１４を参照にして、実施例４について説明する。この
実施例の構成は実施例１と同様であるが、接眼拡大鏡３
はトーリック面であり、偏心補正光学系４の第１面はア
ナモルフィック面、第２面は球面であり、リレー光学系
５は４群６枚構成である。

【００５４】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次元画像表示素子６
へ向かう逆追跡の面番号として示してある。座標系のと
り方、偏心量、傾き角の与え方、各面の曲率半径、面間
隔、屈折率、アッベ数、非球面形状も実施例１と同様で
ある。 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） 53.274 ２（３）Ｒ_y -73.049 0 Ｙ：-30.301 Ｒ_x -57.175 ３（４）Ｒ_y -17.366 0 ｎ =1.52955 ν = 66.2 Ｒ_x -30.921 Ｙ：-25.702 61.081° Ｋ_y -0.807948 Ｚ： 4.397 Ｋ_x 0 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４ -22.473 0 Ｙ：-46.740 46.460° Ｚ： 4.511 ５（ｒ₁ ） -43.557 （ｄ₁ ） -14.786 ｎ₁=1.75500 ν₁= 27.6 Ｙ：-56.346 34.010° Ｚ： -5.506 ６（ｒ₂ ） -25.022 （ｄ₂ ） -7.163 ｎ₂=1.74185 ν₂= 44.9 ７（ｒ₃ ） 44.490 （ｄ₃ ） -1.059 ８（ｒ₄ ） -39.357 （ｄ₄ ） -11.045 ｎ₃=1.59962 ν₃= 61.4 ９（ｒ₅ ） 14.667 （ｄ₅ ） -1.880 ｎ₄=1.75500 ν₄= 27.6 １０（ｒ₆ ） 54.956 （ｄ₆ ） -4.503 １１（ｒ₇ ） -49.367 （ｄ₇ ） -7.723 ｎ₅=1.73584 ν₅= 45.4 １２（ｒ₈ ） 67.508 （ｄ₈ ） -0.487 １３（ｒ₉ ） -24.369 （ｄ₉ ） -8.229 ｎ₆=1.67363 ν₆= 51.7 １４（ｒ₁₀） -47.303 （ｄ₁₀） -5.210 １５（６） ∞（像面） Ｙ： -1.469 14.501° 次に、前述の条件式（１）〜（３）の値を示す。

【００５５】（１）｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＝ １．３７ （２） θ₁ ＝２１．０８ （３） Ｒ_y1／Ｒ_y2 ＝ ０．７７ 上記実施例の画角は、水平画角が１２０°、垂直画角が
６７．５°で、瞳径１０ｍｍである。

【００５６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、小型・軽量で、両眼観察時の観察画角１２０
°を確保し、かつ、画面全体において鮮明な画像が観察
でき、さらに、広い射出瞳径を有する視覚表示装置とそ
の光学系を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による視覚表示装置全体の構成を説明す
るための図である。

【図２】図１の装置の水平面内の瞳の光線追跡を表す図
である。

【図３】内側光線の水平面内の瞳光線追跡図である。

【図４】内側光線の垂直面内の瞳光線追跡図である。

【図５】外側光線の水平面内の瞳光線追跡図である。

【図６】外側光線の垂直面内の瞳光線追跡図である。

【図７】観察画角の設定方法を説明するための図であ
る。

【図８】本発明の実施例１の光学的構成を示す水平断面
図である。

【図９】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイア
グラムの一部である。

【図１０】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイ
アグラムの別の部分である。

【図１１】実施例１の収差補正状態を示すスポットダイ
アグラムの残りの部分である。

【図１２】本発明の実施例２の光学的構成を示す水平断
面図である。

【図１３】本発明の実施例３の光学的構成を示す水平断
面図である。

【図１４】本発明の実施例４の光学的構成を示す水平断
面図である。

【図１５】本出願人による１つの頭部装着式視覚表示装
置の構成を示す図である。

【図１６】本出願人によるもう１つの頭部装着式視覚表
示装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１…観察者の瞳 ２…観察者が正面を向いたときの視軸 ３…接眼拡大鏡 ４…偏心補正光学系 ５…リレー光学系 ６…２次元画像表示素子 ７…反射後の視軸 ８…観察者の眼球 ９…リレー光学系の中心軸 １０…接眼拡大鏡による像 １１…補正された像面 １２…観察者の鼻 １３…観察者の耳 ４１…偏心補正光学系の第１面 ４２…偏心補正光学系の第２面 ４３…偏心補正光学系の第１面の面頂 ４５…瞳の結像位置 ４６、４６′…内側の瞳の光線の結像位置 ４７、４７′…内側の瞳の光線の結像位置 ５１…内側の瞳の光線 ５２…外側の瞳の光線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

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次元画像
   表示素子と、観察像を観察者の眼球に導く接眼光学系と
   を含む偏心光学系において、 前記接眼光学系が、少なくとも、反射面と透過面とを有
   し、 前記反射面は、光束にパワーを与える曲面形状を有し、
   かつ、その曲面が回転非対称な非球面形状にて構成さ
   れ、さらに、前記観察者の視軸に対して偏心配置されて
   おり、 前記透過面は、光路上、前記２次元画像表示素子と前記
   反射面との間に配置され、かつ、前記観察者の眼球の視
   軸近傍で屈折力が最大であり、外側になるに従って屈折
   力が弱くなるような回転非対称な非球面形状にて構成さ
   れ、 前記反射面による逆光線追跡での反射後の視軸に対する
   前記透過面の中心軸の傾き角をθ₁ とするとき、 −１０°＜θ₁ ＜３０° ・・・（２） を満足することを特徴とする偏心光学系。ここで、前記
   観察者が正面を向いた時の視軸の方向をＺ軸、前記観察
   者の両眼を結ぶ方向であって前記Ｚ軸に対して垂直な方
   向をＹ軸、前記Ｚ軸及びＹ軸のそれぞれに直交する方向
   をＸ軸としたとき、θ₁ は反時計周りを正としたとき
   の、Ｙ−Ｚ平面内における傾き角である。
2. 【請求項２】 前記回転非対称な非球面形状の反射面
   は、前記反射面によって反射される前後の光軸を含んだ
   Ｙ−Ｚ平面上での曲面形状と、前記Ｙ−Ｚ平面に垂直な
   Ｘ−Ｚ平面上での曲面形状とが異なるように構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の偏心光学系。
3. 【請求項３】 前記２次元画像表示素子に形成された平
   面形状の観察像を、物体としてリレー像を形成するリレ
   ー光学系を配置し、前記接眼光学系が、前記リレー像を
   観察者眼球に導くように構成されていることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の偏心光学系。
4. 【請求項４】 前記回転非対称な非球面形状の反射面
   は、前記Ｙ−Ｚ平面における曲率半径をＲ_ym、前記観察
   者眼球位置に形成される射出瞳位置から前記反射面の中
   心までの観察者が正面を向いたときの視軸方向における
   距離をＥ_xpとするとき、 １．３＜｜Ｒ_ym／Ｅ_xp｜＜２．６ ・・・（１） を満足することを特徴とする請求項２記載の偏心光学
   系。
5. 【請求項５】 前記透過面とは別の第２の透過面を有
   し、前記透過面と該第２の透過面は、間をプリズム媒質
   で挟んだ偏心プリズム部材を形成し、 前記偏心プリズム部材は、前記透過面の前記観察者の眼
   球の視軸近傍の肉厚を厚く、外側は薄く構成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の偏心光学系。
6. 【請求項６】 請求項１から５の何れか１項記載の偏心
   光学系を含んで構成されたことを特徴とする視覚表示装
   置。