JP3355779B2 - Ｈｍｄ用光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＨＭＤ用光学系に関す
るものであり、更に詳しくは、両眼タイプのＨＭＤ用光
学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、ヘルメット又はゴーグル感覚で顔
に装着でき、内蔵されたＬＣＤ(liquid crystal displa
y)，ＣＲＴ(cathode-ray tube)等の表示装置からの画像
情報を、接眼レンズを通して観察できる、いわゆるヘッ
ド・マウンテッド・ディスプレイ(ＨＭＤ)が多く発表さ
れている。従来のディスプレイ装置よりも携帯性に優
れ、また、両手がフリーであるといった利点から、今後
ますます発展が予想される。

【０００３】従来より発表されてきたＨＭＤは、画像情
報を片眼のみに見せるタイプ(片眼タイプ；例えば、バ
ーチャル・ビジョン社製バーチャル・ビジョン・スポー
ツ)と，画像情報を両眼に見せるタイプ(両眼タイプ)と
の２種に大別される。片眼タイプのＨＭＤはコンパクト
さ，コスト等の面で有利であるが、見易さ，疲労しにく
さ等の面では、両眼タイプのＨＭＤ方が有利である。

【０００４】この両眼タイプのＨＭＤは、さらに、表示
装置(ＬＣＤ，ＣＲＴ等)を２組(左眼用と右眼用)備えた
タイプ(特開平６−４６３５５号，米国特許第２，９５
５，１５６号，ソニー社製バイザートロン，オリンパス
社製フェイス・マウンテッド・ディスプレー等)と，表
示装置を１組備え、光路を分割することにより表示装置
により形成される１つのオリジナル像からの光を左右の
眼に導くタイプ(米国特許第４，９０２，１１６号等)と
に分けられる。

【０００５】ところで、両眼で画像情報を観察する場合
に問題となるのが、使用者の左右の眼の間隔の個人差で
ある。様々な使用者の左右の眼の間隔に対応可能とする
ための一つの方法として、左右の接眼レンズの間隔を変
化させる調整機構を設ける方法がある。例えば、双眼鏡
や双眼顕微鏡では、通常、接眼レンズ光軸に対して平行
にずれて位置する軸を中心に、左右の接眼レンズを回転
させることによって、左右の接眼レンズの間隔を変える
こと(以下「眼幅調整」という。)ができる構成となって
いる。

【０００６】表示装置を２組備えたタイプ(例えば、Ｌ
ＣＤを２板使用するタイプ)では、基本的に表示装置及
び接眼レンズのみで左右各々の観察光学系を構成するこ
とができるので、観察光学系の構成を簡単にすることが
できるというメリットがある。例えば、観察光学系を左
眼用ユニットと右眼用ユニットとに容易にまとめること
ができる。このように観察光学系をユニット化すれば、
眼幅調整はユニット同士の間隔を変えるだけで済む。し
かし、一般に、ＬＣＤ，ＣＲＴ等の表示装置は高価であ
るため、表示装置を１組備えたタイプの方がコスト面で
は有利である。

【０００７】ここで、表示装置を１組備えたタイプの従
来のＨＭＤを、図６を用いて説明する。表示装置１(こ
の場合、ＬＣＤ)に表示されたオリジナル像(不図示)
は、反射ミラー２−１，２−２によって反射され、リレ
ーレンズ３に入射する。ここで、反射ミラー２−１，２
−２は、光学系全体を小型化するために配置されてお
り、必ずしも必要なものではない。

【０００８】リレーレンズ３を経た光の一部は、ハーフ
ミラー４によって反射され、更に反射ミラー６Ｒによっ
て右眼の瞳ＥＲに向かって反射される。そして、前記オ
リジナル像の２次像(不図示)が、右眼用の２次像面ＳＲ
位置で結像される。形成された２次像は、右眼用の接眼
レンズ８Ｒによって使用者に観察される。一方、リレー
レンズ３を経た光の一部は、ハーフミラー４を透過し、
反射ミラー６Ｌ，７Ｌによって左眼の瞳ＥＬに向かって
反射される。そして、前記オリジナル像の２次像(不図
示)が、左眼用の２次像面ＳＬ位置で結像される。形成
された２次像は、左眼用の接眼レンズ８Ｌによって使用
者に観察される。接眼レンズ８Ｌ，８Ｒは、近視眼や遠
視眼にも対応できるように、前後方向に移動できるよう
になっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図６から、従来例にお
いて左右の眼の間隔(つまり、瞳ＥＬから瞳ＥＲにかけ
ての横方向の距離)を決定しているのは、反射ミラー６
Ｒと反射ミラー７Ｌとの間隔であることが分かる。従っ
て、眼幅調整を行うためには、以下の〜に示すよう
な方法を採る必要がある。

【００１０】：光学系のうち右眼用の光路に関わる部
分(即ち、反射ミラー６Ｒ，２次像面ＳＲ，接眼レンズ
８Ｒ)を、図６に向かって左右方向(例えば、眼幅を広げ
る場合には右方向)に平行移動させる。 ：光学系のうち左眼用の光路に関わる部分(即ち、反
射ミラー７Ｌ，２次像面ＳＬ，接眼レンズ８Ｌ)を、図
６に向かって左右方向(例えば、眼幅を広げる場合には
左方向)に平行移動させる。 ：を同時に行う。

【００１１】仮にの方法で眼幅調整を行った場合につ
いて考えてみる。光路分割後の光軸ＸＲに沿ってリレー
レンズ３から２次像面ＳＲまで測った長さは、光路分割
前の光軸Ｘに沿って表示装置１からリレーレンズ３まで
測った長さと，リレーレンズ３の焦点距離とによって決
まってしまう。光路分割前の光軸Ｘに沿って表示装置１
からリレーレンズ３まで測った長さと，リレーレンズ３
の焦点距離とは、共に一定であるため、光路分割後の光
軸ＸＲに沿ってリレーレンズ３から２次像面ＳＲまで測
った長さも一定である。

【００１２】従って、右眼用の光学系(即ち、反射ミラ
ー６Ｒ，接眼レンズ８Ｒ)を右方向へ移動させると、ハ
ーフミラー４と反射ミラー６Ｒとの間隔は広くなるが、
反射ミラー６Ｒと２次像面ＳＲとの間隔は狭くなってし
まう。逆に、右眼用の光学系を左方向へ移動させると、
ハーフミラー４と反射ミラー６Ｒとの間隔は狭くなる
が、反射ミラー６Ｒと２次像面ＳＲとの間隔は広くなっ
てしまう。

【００１３】眼幅調整のために反射ミラー６Ｒと反射ミ
ラー７Ｌとの間隔を変化させると、反射ミラー６Ｒと２
次像面ＳＲとの間隔が変化する結果、ピントのズレが発
生してしまう。ピントのズレを解消するためには、接眼
レンズ８Ｒを前後方向に移動させることによって、再度
視度合わせを行わなくてはならなくなる。例えば、図７
に示すように、右眼用の光学系を右方向へ移動させた場
合には、接眼レンズ８Ｒを前方に移動させることにより
視度合わせを再度行う必要がある。

【００１４】このように、の方法によって眼幅調整を
行う構成には、観察光学系が左右に独立していないため
に、操作が煩わしくなるという問題がある。また、左右
の接眼レンズ８Ｌ，８Ｒが前後方向に大きくずれること
になるので、覗きにくくなったり、視野のケラレが発生
したりするといった問題もある。の方法で眼幅調整を
行った場合でも、これと同様の問題が生じる。

【００１５】また、の方法を採った場合、左眼用の光
学系(即ち、反射ミラー７Ｌ，接眼レンズ８Ｌ)と右眼用
の光学系(即ち、反射ミラー６Ｒ，接眼レンズ８Ｒ)と
を、同じ量だけ移動させれば、接眼レンズ８Ｌ，８Ｒの
前後ズレはなくなる。しかし、視度合わせを再度行わな
くてはならないのは、の方法を採った場合と同じであ
る。さらに、構成が複雑化し可動部が増えることによっ
て、それだけ左右の光軸ずれが発生する可能性が高くな
るといった問題も生じる。

【００１６】ところで、様々な使用者の左右の眼の間隔
に対応可能とするための他の方法として、接眼レンズか
らの射出瞳径を大きくする方法が挙げられる。左右の眼
の間隔のバラツキよりも接眼レンズ８Ｌ，８Ｒからの射
出瞳径を充分大きくすれば、眼幅調整機構なしでも様々
な眼幅に対応することは可能である。しかし、大部分の
人の眼幅が入る範囲(即ち、６０〜７０ｍｍぐらいの眼
幅の範囲)をカバーするためには、射出瞳径を最低でも
φ５ｍｍ以上確保しなければならない。そのためには、
レンズ径を大きくし、しかも大きい瞳に対応した収差補
正を行う必要がある。例えば、接眼レンズの焦点距離を
２０ｍｍとすれば、接眼レンズはＦ_No.＝４より明るい
レンズとなるため、球面収差，像面湾曲，歪曲収差とい
った各収差を補正するのが困難になってしまう。必要に
応じた収差補正を行おうとすれば、レンズ枚数を多くし
なければならないという問題が生じる。

【００１７】本発明はこれらの点に鑑みてなされたもの
であって、表示装置を１組備えたタイプのＨＭＤに使用
することができ、眼幅調整を行ってもピントのズレが発
生しないＨＭＤ用光学系を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の発明に係るＨＭＤ用光学系は、光路を分割す
ることにより、１つのオリジナル像からの光束を２つの
光束に分割する光路分割手段と，前記オリジナル像の２
次像を結像させるリレーレンズ系と，前記光路分割手段
及びリレーレンズ系で形成された２つの２次像をそれぞ
れ観察させる２組の接眼レンズ系とから成る両眼タイプ
のＨＭＤ用光学系において、前記リレーレンズ系は、前
記オリジナル像の位置に前側焦点が位置する第１リレー
系と，該第１リレー系と同一の構成からなり、前記光路
分割手段を挟んで前記第１リレー系に対向して配置され
るとともに、分割後の光束のそれぞれの前記２次像の位
置に後側焦点が位置する２組の第２リレー系とから成
り、第２リレー系のいずれかと該第２リレー系による２
次像を観察させる接眼レンズ系とを光路分割手段に対し
て光軸方向に一体的に移動させて、光路分割手段と前記
第２リレー系との間隔を変更することで、２組の接眼レ
ンズ系の間隔調整を行う調整部材を有することを特徴と
する。

【００１９】また、第２の発明に係るＨＭＤ用光学系
は、光路を分割することにより、１つのオリジナル像か
らの光束を２つの光束に分割する光路分割手段と，前記
オリジナル像の２次像を結像させるリレーレンズ系と，
像を観察させる接眼レンズ系とから成る両眼タイプのＨ
ＭＤ用光学系において、前記光路分割手段は、前記オリ
ジナル像の近傍に配置され、前記リレーレンズ系は、前
記光路分割手段により分割された一方の光束上に配置さ
れた、前記オリジナル像の位置に前側焦点が位置する第
１リレー系と，前記第１リレー系と同一の構成であり、
且つ前記第１リレー系に対向して配置され、前記２次像
の位置に後側焦点が位置する第２リレー系とから成り、
該光束を使って前記２次像を結像させ、前記接眼レンズ
系は、前記光路分割手段で分割された他方の光束を使っ
て前記オリジナル像を直接観察させる第１接眼系と，前
記リレーレンズ系によって結像された２次像を観察させ
る第２接眼系とから成り、第２リレー系及び第２接眼系
を第１リレー系に対して光軸方向に一体的に移動させ
て、第１リレー系と第２リレー系との間隔を変更するこ
とで、第１接眼系と第２接眼系との間隔調整を行う調整
部材を有することを特徴とする。

【００２０】

【作用】第１の発明に係るＨＭＤ用光学系によると、リ
レーレンズ系の一部を成す第１リレー系は、オリジナル
像の位置に前側焦点が位置しているため、オリジナル像
上の１点から出た光束は、第１リレー系によって平行光
束となる。この平行光束は、光路分割手段によって２つ
の光束に分割され、リレーレンズ系の一部を成す第２リ
レー系に入射する。リレーレンズ系によって結像された
２次像は、接眼レンズ系により観察されるが、２次像の
位置に第２リレー系の後側焦点が位置しているので、眼
幅調整を行うために第１リレー系と第２リレー系との間
隔を変化させても、瞳に対する２次像の位置は変化しな
い。その結果、眼幅調整を行っても、接眼レンズを前後
に移動させる必要はなくなる。

【００２１】また、第２の発明に係るＨＭＤ用光学系に
よると、オリジナル像からの光束は、オリジナル像の近
傍に配置された光路分割手段によって２つの光束に分割
される。第１接眼系は、光路分割手段で分割された一方
の光束を使ってオリジナル像を直接観察させる。分割さ
れた他方の光束は、リレーレンズ系の一部を成す第１リ
レー系に入射する。第１リレー系は、オリジナル像の位
置に前側焦点が位置しているため、第１リレー系によっ
て平行光束となり、第２リレー系に入射した後、第２リ
レー系の後側焦点位置で結像する。第２接眼系は、この
ようにしてリレーレンズ系によって結像された２次像を
観察させるが、２次像の位置に第２リレー系の後側焦点
が位置しているので、眼幅調整を行うために第１リレー
系と第２リレー系との間隔を変化させても、瞳に対する
２次像の位置は変化しない。その結果、眼幅調整を行っ
ても、接眼レンズを前後に移動させる必要はなくなる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例に係るＨＭＤ用光学系
を図面を参照しつつ説明する。なお、従来例(図６，図
７)と同一部分，相当部分には同一の符号を付して詳し
い説明を省略する。

【００２３】図１は、本発明に係る実施例１の上面図で
あり、図２は、表示装置１の光軸Ｘ上の１点から出た光
束についての光路図である。実施例１は、両眼タイプの
ＨＭＤ用光学系であって、主として、ハーフミラー４か
ら成る光路分割手段と，第１リレー系ＲＬ１及び第２リ
レー系ＲＬ２(５Ｌ，５Ｒ)から成るリレーレンズ系と，
２組の接眼レンズ８Ｌ，８Ｒから成る接眼レンズ系とか
ら構成されている。

【００２４】ＨＭＤに使用する１組のオリジナル像形成
手段として、本実施例(実施例２〜実施例４も同様)では
ＬＣＤから成る表示装置１を用いているが、ＬＣＤ，Ｃ
ＲＴ，対物レンズ等を用いてもよい。オリジナル像はＬ
ＣＤ，ＣＲＴではその画面上に形成され、対物レンズで
はそれにより結像される物体像がオリジナル像となる。

【００２５】ハーフミラー４は、光路を分割することに
より、表示装置１によって形成される１つのオリジナル
像ＩＯからの光束を２つの光束に分割する。光路の分割
は、第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系ＲＬ２との間で
行われるため、第１リレー系ＲＬ１による結像の過程中
に光束が分割されることになる。

【００２６】図２に示すように、第１リレー系ＲＬ１
と，第２リレー系ＲＬ２を構成する左眼用のリレーレン
ズ５Ｌとで、オリジナル像ＩＯの２次像ＩＬが結像され
る。この２次像ＩＬは、ハーフミラー４での光路の分割
及び反射ミラー２，６Ｌ，７Ｌでの光路の折り曲げによ
り、左眼用の２次像面ＳＬ位置に形成される。

【００２７】一方、第１リレー系ＲＬ１と，第２リレー
系ＲＬ２を構成する右眼用のリレーレンズ５Ｒとで、オ
リジナル像ＩＯの２次像ＩＲが結像される。この２次像
ＩＲは、ハーフミラー４での光路の分割及び反射ミラー
２，６Ｒでの光路の折り曲げにより、右眼用の２次像面
ＳＲ位置に形成される。

【００２８】左眼用の接眼レンズ８Ｌは、ハーフミラー
４，第１リレー系ＲＬ１，左眼用のリレーレンズ５Ｌ等
によって形成された２次像ＩＬを使用者に観察させる。
一方、右眼用の接眼レンズ８Ｒは、ハーフミラー４，第
１リレー系ＲＬ１，右眼用のリレーレンズ５Ｒ等によっ
て形成された２次像ＩＲを使用者に観察させる。

【００２９】第１リレー系ＲＬ１は、オリジナル像ＩＯ
の位置に前側焦点Ｆ₁が位置している。言い換えると、
表示装置１は、第１リレー系ＲＬ１の前側焦点Ｆ₁の位
置に配置されている。従って、オリジナル像ＩＯ上の１
点から出た光束は、第１リレー系ＲＬ１を通過すること
によって平行光束となる。例えば、表示装置１の光軸Ｘ
上の１点から出た光束は、図２に示すように、第１リレ
ー系ＲＬ１と第２リレー系ＲＬ２との間では光軸Ｘに平
行な平行光束となる。

【００３０】また、第１リレー系ＲＬ１の焦点距離をｆ
₁とすると、光軸Ｘからｙ₁’離れた点から出た光は、光
軸Ｘに対して、次式(1)から算出される角度θを成す平
行光束となる。 ｙ₁’＝ｆ₁・tanθ ……(1)

【００３１】その後、光路はハーフミラー４により左眼
用と右眼用とに分割される。本実施例(図１，図２)で
は、２つに分割された平行光束のうち、透過光を左眼用
に使用し反射光を右眼用に使用する構成となっている
が、透過光を右眼用に使用し反射光を左眼用に使用する
ことも勿論可能である。

【００３２】左眼用のリレーレンズ５Ｌは、２次像ＩＬ
が形成される２次像面ＳＬ位置に後側焦点(像側焦点)Ｆ
_2Lが位置するように、配置されている。従って、ハーフ
ミラー４を透過した後の左眼用の平行光束が、左眼用の
リレーレンズ５Ｌに入射すると、左眼用の２次像ＩＬが
左眼用のリレーレンズ５Ｌの後側焦点Ｆ_2Lの位置に形成
されることになる。つまり、オリジナル像ＩＯ上の１点
から出た光束が、リレーレンズ系によって２次像面ＳＬ
位置で１点に集まることになる。

【００３３】右眼用のリレーレンズ５Ｒは、２次像ＩＲ
が形成される２次像面ＳＲ位置に後側焦点(像側焦点)Ｆ
_2Rが位置するように、配置されている。従って、ハーフ
ミラー４で反射された後の右眼用の平行光束が、右眼用
のリレーレンズ５Ｒに入射すると、右眼用の２次像ＩＲ
が右眼用のリレーレンズ５Ｒの後側焦点Ｆ_2Rの位置に形
成されることになる。つまり、オリジナル像ＩＯ上の１
点から出た光束は、２次像面ＳＲ位置で１点に集まるこ
とになる。

【００３４】眼幅調整は、ハーフミラー４と右眼用のリ
レーレンズ５Ｒとの間隔を変えることによって行う。つ
まり、右眼用のリレーレンズ５Ｒ，反射ミラー６Ｒ，右
眼用の２次像ＩＲ，右眼用の接眼レンズ８Ｒを一体的
に、その他の部分１，２，ＲＬ１，４，５Ｌ〜８Ｌに対
して、図１の左右方向に平行移動させることによって眼
幅調整を行う。

【００３５】接眼レンズ８Ｌ，８Ｒにより観察される２
次像ＩＬ，ＩＲの位置に、第２リレー系ＲＬ２の後側焦
点Ｆ_2L，Ｆ_2Rが位置しているので、眼幅調整を行うため
に第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系ＲＬ２との間隔
(即ち、空間の長さ；ここでは、第１リレー系ＲＬ１と
ハーフミラー４との相対的位置は変化しないので、ハー
フミラー４と右眼用のリレーレンズ５Ｒの間隔)を変化
させても、瞳ＥＬ，ＥＲに対する２次像ＩＬ，ＩＲの位
置は変化しない。また、前述したように右眼用のリレー
レンズ５Ｒ以降は一体的に移動するので、２次像ＩＲが
前後方向(図１の上下方向)に移動することはない。

【００３６】従って、本実施例では、オリジナル像上の
１点から出た光束は第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系
ＲＬ２との間では平行光束となるため、第１リレー系Ｒ
Ｌ１と第２リレー系ＲＬ２との間隔を変化させることに
より眼幅調整を行っても、ピントのズレが発生しないと
いうことになる。これに伴って、接眼レンズを前後に移
動させて視度合わせを再度行うといった操作が不要にな
るため、簡単な構成で容易に眼幅調整を行うことができ
る操作性に優れたＨＭＤを実現することができる。ま
た、眼幅調整を行っても倍率変化は発生せず、左右の眼
が観察する像の見えもほぼ同じになり、自然な観察が可
能となる。

【００３７】結果として、本実施例には、従来例に存在
していたような問題(例えば、接眼レンズの左右ズレに
より、覗きにくくなったり視野のケラレが発生したりす
るといった問題，構成が複雑化し可動部が増えることに
よって左右の光軸ずれが発生する可能性が増大するとい
った問題，接眼レンズからの射出瞳径の増大に起因する
収差劣化，レンズ枚数の増大といった問題)は生じな
い。

【００３８】また、本実施例は、見易さ，疲労しにくさ
等の面で片眼タイプのものよりも有利な両眼タイプのＨ
ＭＤに使用するものであり、しかも、前述した表示装置
を１組備えたタイプのＨＭＤに使用することができる構
成となっているため、表示装置を２組備えたタイプより
も低コストなＨＭＤを実現することができる。

【００３９】ところで、第２リレー系ＲＬ２(リレーレ
ンズ５Ｌ，５Ｒ)の焦点距離をｆ₂とすれば、オリジナル
像ＩＯの光軸Ｘからｙ₁’離れた１点から出た光束は、
光軸Ｘに対して、前述の式(1)から算出される角度θを
成す平行光束となって、第２リレー系ＲＬ２に入射す
る。

【００４０】従って、第２リレー系ＲＬ２に入射した平
行光束は、２次像面ＳＬ，ＳＲ上では、次式(2)で算出
される光軸ＸＬ，ＸＲからｙ₂’離れた１点に収束す
る。 ｙ₂’＝ｆ₂・tanθ ……(2)

【００４１】よって、２次像ＩＬ，ＩＲの大きさとオリ
ジナル像ＩＯの大きさとの比は、次式(3)で表されるこ
とになる。 ｙ₂’／ｙ₁’＝(ｆ₂・tanθ)／(ｆ₁・tanθ) ＝ｆ₂／ｆ₁ ……(3)

【００４２】例えば、ｆ₂＞ｆ₁とすれば、２次像ＩＬ，
ＩＲは、オリジナル像ＩＯより大きくなる。表示装置１
が小さい場合(例：0.7インチＬＣＤ等)は、接眼レンズ
８Ｌ，８Ｒを通じて観察される像も小さくなってしまう
が、この方法を使えば大きな迫力のある像を観察するこ
とができる。

【００４３】第１リレー系ＲＬ１，第２リレー系ＲＬ２
を全く同一の構成とし、レンズを対向させて使用すれ
ば、第１リレー系ＲＬ１，第２リレー系ＲＬ２の各々で
発生する横方向の収差(歪曲収差，倍率色収差)が、互い
に打ち消し合い、０となる。従って、縦方向の収差(球
面収差，非点収差，像面湾曲，軸上色収差)さえ補正す
ればよいので、レンズ枚数を減らすことができ、歪曲，
倍率色収差０の２次像ＩＬ，ＩＲを得ることができる。

【００４４】次に、図２に基づいて、実施例１における
オリジナル像ＩＯと２次像ＩＬ，ＩＲの向きとの関係を
説明する。表示装置１上に形成されている右向き矢印
{観察者が直接表示装置１を見たとすれば右向きに見え
る矢印(→)であって、図２では上向きに表される矢印
(↑)}のオリジナル像ＩＯ₁は、２次像面ＳＬ，ＳＲ位置
では右向き矢印{図２では右向きに表される矢印(→)}の
２次像ＩＬ₁，ＩＲ₁となって結像される。この２次像Ｉ
Ｌ₁，ＩＲ₁は、ＨＭＤ観察者の眼には右向き矢印(→)と
して見えることになる。

【００４５】一方、表示装置１上に形成されている上向
き矢印{観察者が直接表示装置１を見たとすれば上向き
に見える矢印(↑)であって、図２では紙面奥から手前に
向かう矢印}のオリジナル像ＩＯ₂は、２次像面ＳＬ，Ｓ
Ｒ位置では下向き矢印(図２では紙面手前から奥へ向か
う矢印)の２次像ＩＬ₂，ＩＲ₂となって結像される。こ
の２次像ＩＬ₂，ＩＲ₂は、ＨＭＤ観察者の眼には下向き
矢印(↓)として見えることになる。

【００４６】このように、オリジナル像と２次像とは裏
返しの関係になっている。上下方向では表示装置１その
ものを上下逆さにして表示させれば問題ないが、そうす
ると左右も逆になるため字等が読めなくなってしまう。
そこで、表示装置１に映す像を左右逆にしておく必要が
ある。そのためには、表示装置１がＬＣＤである場合、
ＬＣＤを裏返しに取り付けたり、映像信号を左右反転さ
せて入力したりすればよい。また、表示装置１がＣＲＴ
等である場合、オリジナル像ＩＯを撮像するときに、撮
影レンズ前に反射ミラーを１枚光軸に対して４５°で入
れることにより像を反転させておくといった簡単な方法
で、上記裏返しの関係を解消することができる。これ
は、後述する実施例２〜実施例４についても同様であ
る。

【００４７】図３は、本発明に係る実施例２の上面図で
ある。実施例２は、前記実施例１と同様、両眼タイプの
ＨＭＤ用光学系であって、主として、ハーフミラー４Ｒ
から成る光路分割手段と，第１リレー系ＲＬ１及び第２
リレー系ＲＬ２から成るリレーレンズ系と，接眼レンズ
８Ｌ及び接眼レンズ８Ｒから成る接眼レンズ系とから構
成されている。更に、２次像面ＳＬを上下反転させるた
めのダハミラー９が設けられている。

【００４８】ハーフミラー４Ｒは、表示装置１によって
形成されるオリジナル像(不図示)の近傍に配置されてお
り、光路を分割することにより、１つのオリジナル像か
らの光束を２つの光束(即ち、反射光束と透過光束)に分
割する。

【００４９】ハーフミラー４Ｒで分割された一方の光束
(即ち、透過光束)は、リレーレンズ系の一部を成す第１
リレー系ＲＬ１に入射する。実施例１と同様、第１リレ
ー系ＲＬ１は、オリジナル像の位置に前側焦点Ｆ₁が位
置している。言い換えると、表示装置１は、第１リレー
系ＲＬ１の前側焦点Ｆ₁の位置に配置されている。従っ
て、オリジナル像上の１点から出た光束は、第１リレー
系ＲＬ１を通過することによって平行光束となる。

【００５０】前記平行光束は、第２リレー系ＲＬ２に入
射した後、ハーフミラー４Ｌを透過する。実施例１と同
様、第２リレー系ＲＬ２は、オリジナル像の２次像(不
図示)が形成される２次像面ＳＬ位置に後側焦点Ｆ₂が位
置するように、配置されている。従って、第２リレー系
ＲＬ２の後側焦点Ｆ₂の位置に、左眼用の２次像が形成
されることになる。

【００５１】以上のようにして、オリジナル像上の１点
から出た光束は、第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系Ｒ
Ｌ２との間では平行光束となり、第２リレー系ＲＬ２通
過後、２次像面ＳＬ位置で１点に集まることになる。結
像後の光束は、上下反転用ダハミラー９を通った後、ハ
ーフミラー４Ｌで接眼レンズ８Ｌ側に反射される。

【００５２】第１接眼系を構成する右眼用の接眼レンズ
８Ｒは、ハーフミラー４Ｒで分割された他方の光束(即
ち反射光束)を使ってオリジナル像を右眼の瞳ＥＲに直
接観察させる。一方、第２接眼系を構成する左眼用の接
眼レンズ８Ｌは、リレーレンズ系(ＲＬ１，ＲＬ２)によ
って形成された２次像を左眼の瞳ＥＬに観察させる。

【００５３】眼幅調整は、第１リレー系ＲＬ１と第２リ
レー系ＲＬ２との間隔を変えることによって行う。つま
り、右側部分(即ち、表示装置１，ハーフミラー４Ｒ，
接眼レンズ８Ｒ及び第１リレー系ＲＬ１)に対し、左側
部分(即ち、第２リレー系ＲＬ２，ハーフミラー４Ｌ，
接眼レンズ８Ｌ及びダハミラー９)を一体的に光軸Ｘに
沿って(図３の左右方向に)移動させることによって眼幅
調整を行う。逆に、左側部分に対して、右側部分を一体
的に光軸Ｘに沿って(図３の左右方向に)移動させること
によって眼幅調整を行ってもよい。

【００５４】２次像面ＳＬ位置に、第２リレー系ＲＬ２
の後側焦点Ｆ₂が位置しているので、眼幅調整を行うた
めに第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系ＲＬ２との間隔
を変化させても、瞳ＥＬに対する２次像の位置は変化し
ない。また、前述したように左側部分は一体的に移動す
るので、２次像が前後方向(図３の左右方向)に移動する
ことはない。

【００５５】従って、本実施例では、実施例１と同様、
第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系ＲＬ２との間隔を変
化させることにより眼幅調整を行っても、ピントのズレ
が発生しないということになる。これに伴って、接眼レ
ンズを前後に移動させて視度合わせを再度行うといった
操作が不要になるため、簡単な構成で容易に眼幅調整を
行うことができる操作性に優れたＨＭＤを実現すること
ができる。その他、実施例１と同じ効果を得ることがで
きる。さらに、従来例や実施例１と比較して、前後方向
にコンパクトにすることができるという効果もある。

【００５６】ところで、両眼で画像情報を観察する場
合、右眼に見える像と左眼とに見える像とは同一の大き
さでなければならない。従って、第１リレー系ＲＬ１の
焦点距離ｆ₁と第２リレー系ＲＬ２の焦点距離ｆ₂とを同
じ(ｆ₁＝ｆ₂)にする必要がある。また、実施例１と同様
に、第１リレー系ＲＬ１と第２リレー系ＲＬ２とを同一
の構成とし、対向させて用いれば、収差補正に有利とな
る。

【００５７】前述のようにオリジナル像ＩＯと観察され
る像は、左右方向が裏返しの関係になっている。これを
直すためには、前述の方法を用いればよい。本実施例で
は前後方向の大きさを小さくするために、図３において
表示装置１をハーフミラー４Ｒの右側に配置している
が、前後方向の大きさに余裕があれば右眼用接眼レンズ
８Ｒの正面、すなわち図３においてハーフミラー４Ｒの
上側に配置しても構わない。この配置を図８に示す。こ
の配置にすれば、右眼においてはハーフミラー４Ｒを透
過するオリジナル像を直接観察することになり、像の裏
返しの問題はなくなる。左眼はハーフミラー４Ｒで反射
されるオリジナル像からの光束で形成される２次像を観
察することになるが、リレーレンズＲＬ１，ＲＬ２；ダ
ハミラー９；ハーフミラー４Ｌ等の働きで右眼と左眼は
同方向の正常な像を観察できるようになっているので全
く問題はない。この点については、以下の第３，第４実
施例についても同様である。

【００５８】図４は本発明に係る第３実施例の概略構成
を示しており、同図(ａ)は上面図、同図(ｂ)は正面図で
ある。実施例３は、実施例２においてダハミラー９の代
わりに反射ミラー１０〜１４を用いて像の上下反転を行
うほかは、実施例２と同様に構成されている。本実施例
によれば、実施例１，２と同様の効果を得ることができ
る。

【００５９】図５は、本発明に係る第４実施例の概略構
成を示しており、同図(ａ)は正面図、同図(ｂ)は右側面
図である。実施例４は、実施例３において表示装置１を
下方に配置し、反射ミラー１０，１３の代わりにハーフ
ミラー４Ｒと反射ミラー１４を用いて像の上下方向の反
転を行うほかは、実施例３と同様に構成されている。本
実施例によれば、実施例１〜３と同様の効果を得ること
ができる。また、このようにハーフミラー４Ｒと反射ミ
ラー１４を反転光学系として共用すれば、構成要素が少
なくて済むというメリットがある。

【００６０】実施例２〜実施例４では、ｆ₁＝ｆ₂とする
ことで両眼観察としているが、片眼での観察を可とすれ
ば、ｆ₁≠ｆ₂とすることにより２種類の違った大きさの
像を観察することができる。例えば、ｆ₂＝ｎ・ｆ₁とし
ておけば、左眼では右眼のｎ倍の大きさの像を見ること
になる。この場合、左眼用のハーフミラー４Ｌ(又は反
射ミラー１４)と接眼レンズ８Ｌとの間、同じく右眼用
のハーフミラー４Ｒと接眼レンズ８Ｒとの間に、シャッ
ターを設ければ、左右の切換えが可能となる。第１リレ
ー系ＲＬ１，第２リレー系ＲＬ２のいずれか又は両方を
ズームレンズにしておけば、連続的変倍も可能である。
また、実施例１では、右眼用のリレーレンズ５Ｒと左眼
用のリレーレンズ５Ｌの焦点距離を変化させることによ
って、上記のような効果を得ることができる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、第１，第２の発明
に係るＨＭＤ用光学系によれば、いずれもリレーレンズ
系は、オリジナル像の位置に前側焦点が位置する第１リ
レー系と，２次像の位置に後側焦点が位置する第２リレ
ー系とから成っているので、オリジナル像上の１点から
出た光束は第１リレー系と第２リレー系との間では平行
光束となる。そのため、眼幅調整を行うために第１リレ
ー系と第２リレー系との間隔を変化させても、瞳に対す
る２次像の位置は変化しない。従って、その間隔を変化
させることにより眼幅調整を行っても、ピントのズレが
発生しないという効果がある。これに伴って、接眼レン
ズを前後に移動させて視度合わせを再度行うといった操
作が不要になるため、簡単な構成で容易に眼幅調整を行
うことができる操作性に優れたＨＭＤを実現することが
できる。また、眼幅調整を行っても倍率変化は発生せ
ず、左右の眼が観察する像の見えもほぼ同じになり、自
然な観察が可能となる。

【００６２】上記効果により、本発明には従来技術に存
在していたような問題(例えば、接眼レンズの左右ズレ
により、覗きにくくなったり視野のケラレが発生したり
するといった問題，構成が複雑化し可動部が増えること
によって左右の光軸ずれが発生する可能性が増大すると
いった問題，接眼レンズからの射出瞳径の増大に起因す
る収差劣化，レンズ枚数の増大といった問題)は生じな
い。

【００６３】また、本発明は、見易さ，疲労しにくさ等
の面で片眼タイプのものよりも有利な両眼タイプのＨＭ
Ｄに使用するものであり、しかも、前述した表示装置を
１組備えたタイプのＨＭＤに使用することができる構成
となっているため、表示装置を２組備えたタイプよりも
低コストなＨＭＤを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の概略構成を示す上面図。

【図２】本発明の実施例１の光路図。

【図３】本発明の実施例２の概略構成を示す上面図。

【図４】本発明の実施例３の概略構成を示す図。

【図５】本発明の実施例４の概略構成を示す図。

【図６】従来例の概略構成を示す上面図。

【図７】従来例における眼幅調整後の状態を示す上面
図。

【図８】実施例２の変形例の概略構成を示す上面図。

【符号の説明】

１ …表示装置 ２ …反射ミラー ４ …ハーフミラー ４Ｌ …左眼用のハーフミラー ４Ｒ …右眼用のハーフミラー ５Ｌ …左眼用のリレーレンズ ５Ｒ …右眼用のリレーレンズ ６Ｌ …左眼用の反射ミラー ６Ｒ …右眼用の反射ミラー ７Ｌ …左眼用の反射ミラー ８Ｌ …左眼用の接眼レンズ ８Ｒ …右眼用の接眼レンズ ９ …ダハミラー １０〜１４ …反射ミラー ＲＬ１ …第１リレー系 ＲＬ２ …第２リレー系 ＩＯ …オリジナル像 ＩＬ …左眼用の２次像 ＩＲ …右眼用の２次像 ＳＬ …左眼用の２次像面 ＳＲ …右眼用の２次像面 Ｆ₁ …第１リレー系の前側焦点 Ｆ₂ …第２リレー系の後側焦点 Ｆ_2L …左眼用のリレーレンズの後側焦点 Ｆ_2R …右眼用のリレーレンズの後側焦点 ＥＬ …左眼の瞳 ＥＲ …右眼の瞳

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/02 H04N 5/64 511

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光路を分割することにより、１つのオリジ
   ナル像からの光束を２つの光束に分割する光路分割手段
   と，前記オリジナル像の２次像を結像させるリレーレン
   ズ系と，前記光路分割手段及びリレーレンズ系で形成さ
   れた２つの２次像をそれぞれ観察させる２組の接眼レン
   ズ系とから成る両眼タイプのＨＭＤ用光学系において、 前記リレーレンズ系は、前記オリジナル像の位置に前側
   焦点が位置する第１リレー系と，該第１リレー系と同一
   の構成からなり、前記光路分割手段を挟んで前記第１リ
   レー系に対向して配置されるとともに、分割後の光束の
   それぞれの前記２次像の位置に後側焦点が位置する２組
   の第２リレー系とから成り、 第２リレー系のいずれかと該第２リレー系による２次像
   を観察させる接眼レンズ系とを光路分割手段に対して光
   軸方向に一体的に移動させて、光路分割手段と前記第２
   リレー系との間隔を変更することで、２組の接眼レンズ
   系の間隔調整を行う調整部材を有する ことを特徴とする
   ＨＭＤ用光学系。
2. 【請求項２】光路を分割することにより、１つのオリジ
   ナル像からの光束を２つの光束に分割する光路分割手段
   と，前記オリジナル像の２次像を結像させるリレーレン
   ズ系と，像を観察させる接眼レンズ系とから成る両眼タ
   イプのＨＭＤ用光学系において、 前記光路分割手段は、前記オリジナル像の近傍に配置さ
   れ、 前記リレーレンズ系は、前記光路分割手段により分割さ
   れた一方の光束上に配置された、前記オリジナル像の位
   置に前側焦点が位置する第１リレー系と，前記第１リレ
   ー系と同一の構成であり、且つ前記第１リレー系に対向
   して配置され、前記２次像の位置に後側焦点が位置する
   第２リレー系とから成り、該光束を使って前記２次像を
   結像させ、 前記接眼レンズ系は、前記光路分割手段で分割された他
   方の光束を使って前記オリジナル像を直接観察させる第
   １接眼系と，前記リレーレンズ系によって結像された２
   次像を観察させる第２接眼系とから成り、 第２リレー系及び第２接眼系を第１リレー系に対して光
   軸方向に一体的に移動 させて、第１リレー系と第２リレ
   ー系との間隔を変更することで、第１接眼系と第２接眼
   系との間隔調整を行う調整部材を有する ことを特徴とす
   るＨＭＤ用光学系。