JP3394758B2 - 映像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映像表示装置に関し、
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映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部装着式映像表示装置にとって、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。

【０００３】図１５に従来の１つの頭部装着式映像表示
装置の光学系を示す（特開平３−１０１７０９号）。こ
の映像表示装置は、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。

【０００４】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。

【０００５】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。しかし、接眼光学系が平面の反射鏡の場合は、観
察者の眼球に上記の４０°以上の画角の光線を入射させ
ようとした場合には、非常に大きな２次元画像表示素子
を必要とし、結局、装置全体が大きくて重い物となって
しまう。

【０００６】さらに、凹面鏡はその性質上、凹面鏡の表
面に沿った凹面状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ができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来、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、小型で軽量な映像表示装置
を提供することは非常に難しかった。

【０００８】本発明は従来技術のこのような問題点に鑑
みてなされたものであり、広い観察画角を提供しつつ、
小型・軽量で、高い解像力と大きな射出瞳径を持った映
像表示装置を提供しようとするものである。

【０００９】以下、この点についてさらに説明すると、
偏心した凹面反射鏡による接眼光学系で発生する収差は
大きく、結像性能に直接影響する像面湾曲、非点収差、
コマ収差等の収差と、結像性能には直接関係がない瞳収
差との２つが発生する。

【００１０】上記の結像性能に直接影響を与える収差
は、リレー光学系に偏心面や非球面を用いて補正するこ
とがある程度可能であるが、結像性能には直接関係がな
い瞳収差の補正は、リレー光学系に偏心や非球面を使っ
て補正することはできない。これは、観察者の瞳位置と
結像関係にある接眼光学系の入射瞳とリレー光学系の射
出瞳がズレてしまうことを意味し、リレー光学系の射出
瞳径を非常に大きくとる必要がある。リレー光学系の瞳
径を大きくとらないと、観察画角周辺がケラレたり、解
像力が不足したりといった問題が生ずる。この問題に対
処するためには、リレー光学系の瞳径を大きくしなけれ
ばならないが、リレー光学系の瞳径を大きくとることは
リレー光学系の負担が非常に大きくなり、リレー光学系
が大きく複雑になってしまう。

【００１１】以下、上記瞳収差の発生をリレー光学系を
省略した図１２を用いて説明する。図１２は、従来の表
面反射鏡である接眼凹面鏡によって発生する瞳収差を示
すための図である。この図において、観察者瞳位置を
１、凹面反射鏡を２、観察者の正面に当たる視軸を３、
観察者の瞳を像として凹面鏡２によって投影した時の瞳
位置を４とする。この図面の座標系の取り方は、紙面内
をＹ−Ｚ平面内とし、紙面と垂直方向の紙面表面から裏
面に向かう垂線をＸ軸とする。この図は、観察者の瞳径
を１２ｍｍφと仮定して光線追跡をしたものである。

【００１２】さらに、観察者瞳を物点とした軸上光線の
みを追跡したのが図１３（ａ）である。図１３（ａ）に
おいて、同様に、観察者瞳位置を１、接眼凹面鏡を２、
観察者の正面にあたる視軸を３、観察者の瞳を像として
凹面鏡２によって投影した時の瞳位置を４とする。この
図において、各主光線１１〜１５の観察画角は、図１３
（ｂ）に示す画面中に示した画角の主光線を示してい
る。

【００１３】上記図１３（ａ）の光線をＸ−Ｚ断面に投
影した図が図１４（ａ）である。図１４（ａ）におい
て、同様に、観察者瞳位置を１、接眼凹面鏡を２、観察
者の正面にあたる視軸を３とする。光線２１〜２３、３
１〜３３の画面中の観察画角に対する配置は図１４
（ｂ）に示すものである。

【００１４】図１４（ａ）から、図中の光線２１が特に
Ｚ軸方向に収差を持っていることが分かる。このことか
ら、図１２においては右目の左方向の画像をケラレるこ
とがなく表示するためには、大きな有効口径で十分に収
差補正されたリレーレンズを必要とすることとなり、リ
レーレンズにかかる負担が大きくなることが分かる。

【００１５】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、４０°（±２０°）以
上の観察画角を観察でき、かつ、周辺までフラットで鮮
明な観察画像を観察でき、広い射出瞳径を確保した小型
の映像表示装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の映像表示装置は、映像を表示する平面形状の画面を
有する映像表示素子と、射出瞳を形成する接眼光学系と
を含んで構成され、前記映像中心と前記射出瞳の中心と
を結んだ光線を主光線とした時に、前記接眼光学系が、
少なくとも１つのプリズム部材を含み、前記プリズム部
材は、光束にパワーを与え前記プリズム内に光束を入射
させる曲面形状の入射面と、光束にパワーを与え前記プ
リズム内で光束を反射させる曲面形状の反射面と、光束
にパワーを与え前記プリズム外に光束を射出させる曲面
形状の射出面とを有し、前記反射面の前記曲面形状は、
前記反射面に入射する主光線と前記反射面から射出する
主光線とを含んだ平面（Ｙ−Ｚ平面）内で前記主光線に
対して偏心配置することによって発生する瞳収差を補正
するように回転非対称な非球面にて構成されたことを特
徴とするものである。

【００１７】

【００１８】

【作用】以下、本発明の作用について説明する。以下に
おいて、光学系の設計上の利便性から、観察者瞳位置か
ら２次元画像表示素子へ向けて光線を追跡する逆追跡の
光路に沿って説明する。

【００１９】接眼凹面反射光学系では、図１４（ａ）に
示したように、瞳位置１から広がって行く各像高の主光
線の反射面２に当たるまでの距離が大きく異なる。つま
り、図１４（ａ）の光線２１、３１に対しては、光線が
大きく広がる前の早い段階において凹面反射鏡２に当た
って反射するために、Ｚ軸との交点が瞳位置１に近くな
ってしまう。一方、その他の光線は比較的反射面２に当
たるまでの距離が長いために、Ｚ軸との交点が瞳位置１
から遠い方向になる。これは、反射面がＹ−Ｚ平面で大
きく傾いているためである。

【００２０】本発明は、接眼凹面鏡２の瞳収差を補正す
るためのものであり、反射凹面２での各画角の光線の光
線高を抑えて、Ｙ−Ｚ平面で大きく偏心して配置されて
いる接眼凹面鏡２での瞳収差の発生を抑える方法であ
る。

【００２１】本発明は、凹面反射面２の前に、凹面反射
面２での光線高を低く抑えるために、瞳位置１と凹面反
射面２の間に、後記の実施例に示すように、正の屈折力
（パワー）を持つ面を配置する構成をとっている。これ
により、眼球位置から各画角の光線の発散角を抑え、凹
面鏡２に入射する光線高を低くして、凹面反射面２で発
生する瞳収差を小さくすることに成功したものである。

【００２２】さらに好ましくは、上記の正の屈折力を持
つ面を正レンズとすると（実施例３）、屈折力を持つ面
が分散され、コマ収差等の発生が少なくて済む。

【００２３】また、さらに好ましくは、接眼凹面鏡２の
反射面を非球面にすることによって、リレー光学系７
（図１）に入射する瞳収差を補正することが可能とな
り、さらに、リレー光学系７の収差補正の負担が減り、
リレー光学系７を小型にできる。

【００２４】また、接眼凹面鏡２の反射面をアナモルフ
ィック面にすることが望ましく、その場合は、Ｘ軸方向
の近軸曲率半径Ｒ_x よりもＹ軸方向の近軸曲率半径Ｒ_y
の方が大きくなるように設定することが好ましい（｜Ｒ
_x ｜＜｜Ｒ_y ｜）。その理由は、接眼凹面鏡２に斜めに
光束が入射するために生じる複雑な非点収差の発生を抑
制し、観察画角周辺まで明瞭な観察像を観察することが
可能となるからである。

【００２５】さらに、接眼凹面鏡２の前側焦点位置より
も接眼凹面鏡２から離れた位置に観察者の瞳位置（射出
瞳）１を配置すると、接眼凹面鏡２によって結像される
無限遠物点の仮想像面を小さくすることが可能となり、
コンパクト化に望ましい。また、接眼凹面鏡２の焦点距
離をＦ_R 、接眼凹面鏡２と観察者虹彩位置（射出瞳）１
までの距離をＤとするとき、 Ｄ＞０．５×Ｆ_R ・・・（１） なる条件式（１）を満足することが好ましい。

【００２６】上記条件式（１）の下限を越えると、接眼
凹面鏡２で反射した光線が極端に広がってしまい、リレ
ー光学系７が大型となり、装置全体が大型のものとなっ
てしまう。

【００２７】また、接眼凹面鏡２と観察者眼球の虹彩位
置１又は眼球回旋点との距離は、接眼凹面鏡２を観察者
眼球直前に配置するために、余りに短いと、観察者の睫
毛に当たったり恐怖感を与えてしまう。このために、接
眼凹面反射光学系２と観察者虹彩位置１又は眼球回旋点
までの距離Ｄは３０ｍｍ以上離して配置することが望ま
しく、 Ｄ＞３０（ｍｍ） ・・・（２） なる条件式（２）を満足することが好ましい。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の映像表示装置の実施例１〜３
について、図面を参照にして説明するが、座標系の取り
方は、紙面内をＹ−Ｚ平面内とし、紙面と垂直方向の紙
面表面から裏面に向かう垂線をＸ軸とする。

【００２９】図１〜図３にそれぞれ実施例１〜３の右眼
用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面を示す。左眼用は、構成
する光学要素を全て対称に配備することで実現できる。

【００３０】図１を用いて実施例１を説明する。図中、
１は観察者瞳位置、２は接眼光学系の第２面を構成する
凹面鏡、３は観察者視軸、５は接眼光学系の第１面、６
は接眼光学系の第３面、７はリレー光学系、８は２次元
画像表示素子、９は第１面５と第２面（反射面）２と第
３面６からなるからなる裏面鏡である。

【００３１】本実施例は、２次元画像表示素子８を観察
者の頭部付近に配置するように、視軸３を観察者の頭部
上方に屈曲する配置の実施例を示しているが、本実施例
はこれにこだわることなく、頭部の左右方向に視軸３を
屈曲させる配置にできることは明白である。

【００３２】この実施例は、左右画角５０°、上下画角
３８．５°で、瞳径１０ｍｍφである。この実施例にお
いては、リレー光学系７に３群のレンズを配置してい
る。さらに、これら３群のレンズはお互いに偏心して配
置されている。

【００３３】図２に実施例２の右眼用の映像表示装置の
Ｙ−Ｚ断面を示す。左眼用は、構成する光学要素を全て
対称に配備することで実現できる。この実施例は実施例
１とほぼ同じであるので説明は省く。

【００３４】実施例２は、左右画角５０°、上下画角３
８．５°で瞳径１０ｍｍφであり、本実施例もリレー光
学系７は３群のレンズで構成されており、各レンズはお
互いに偏心して配置されている。

【００３５】図３に実施例３の右眼用の映像表示装置の
Ｙ−Ｚ断面を示す。左眼用は、構成する光学要素を全て
対称に配備することで実現できる。この実施例は、裏面
鏡の代わりに表面鏡２を用い、第１面の代わりに両凸面
５１、５１からなる正レンズ５’を用い、第３面は省い
ている。また、リレー光学系７は３群のレンズで構成さ
れており、各レンズはお互いに偏心して配置されてい
る。本実施例は、左右画角５０°、上下画角３８．５°
で、瞳径１０ｍｍφである。

【００３６】これら実施例１〜３の構成パラメータは後
記するが、面番は観察者瞳位置１から２次元画像表示素
子８へ向かう逆追跡の面番で示してある。

【００３７】構成パラメータにおいて、偏心量と傾き角
は、第２面２についてはＹ軸方向への偏心量と傾き角が
与えられ、偏心量はその頂点が射出瞳１中心を通る視軸
３（Ｚ軸方向）からのＹ軸方向へ偏心している距離であ
り、傾き角はその頂点を通る中心軸のＺ軸方向からの傾
き角である。また、第３面６については、第２面２で反
射された視軸３に沿っての面間隔の点を基準点とし、か
つ、その反射された視軸を凹面鏡２に向かう方向を正と
するＺ軸とし、紙面でＺ軸に直交し、２次元画像表示素
子８の右から左を正とするＹ軸とし、紙面の上から下を
正とするＸ軸として、その面頂の上記基準点からＹ軸方
向への偏心量と、そ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ている。リレー光学系７に関して
は、その第１面の面頂の射出瞳１中心を通る視軸３（Ｚ
軸方向）からのＹ軸方向及びＺ軸方向への偏心量と、そ
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
ている。この後の座標系は、まず、リレー光学系７の第
１面の中心軸が２次元画像表示素子８から凹面鏡２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８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。その後、続く
各面の偏心量と傾き角がその前の面の座標系に対して同
様に与えられ、かつ、同様に座標系が順に変換される。
また、２次元画像表示素子８については、リレー光学系
７の最後の面での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
角とで与えられる。

【００３８】また、各面において、非回転対称の非球面
形状は、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、ＡＲ、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。

【００３９】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、各面において、回転対称の非球面形状は、近軸曲
率半径をＲとすると、次の式で与えられる。

【００４０】Ｚ =（ｈ²/Ｒ) ／［1+｛ 1-(1+Ｋ) ( ｈ²/
Ｒ²)｝^1/2 ］＋Ａｈ⁴ ＋Ｂｈ⁶ （ｈ² ＝Ｘ² ＋Ｙ² ） ここで、Ｋは円錐係数、Ａ、Ｂはそれぞれ４次、６次の
非球面係数である。

【００４１】また、面間隔は、射出瞳１、第１面５又は
正レンズ５’の面５１、５１、第２面２の間について
は、Ｚ軸方向の間隔、第２面２と第３面６の間について
は、面２で反射された視軸３に沿っての上記基準点まで
の間隔、リレー光学系７の第１面からその像面（２次元
画像表示素子８）に到る間隔は、順次変換される中心軸
に沿う間隔で示してある。リレー光学系７については、
面の曲率半径をｒ₁ 〜ｒ _i で、面間隔をｄ₁ 〜ｄ_i で、
ｄ線の屈折率をｎ₁ 〜ｎ_i で、アッベ数をν₁ 〜ν_i で
示す。なお、第１面５と第２面２間及び第２面２と第６
面間の媒質、及び、正レンズ５’の媒質のｄ線の屈折率
をｎで、アッベ数をνで示す。

【００４２】 実施例１ 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） 23.000 ２（５） 162.671 22.000 ｎ =1.5163 ν = 64.1 ３（２）Ｒ_y -71.084（反射面） -25.000 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -45.105 Ｙ： 0 35.000° Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.342218 ×10^-6 ＢＲ 0.606831 ×10^-9 ＡＰ -0.570899 ＢＰ -0.119781 ４（６）Ｒ_y -13.571 0.000 Ｙ： -5.855 -23.295° Ｒ_x -13.560 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.167766 ×10^-9 ＢＲ 0.174930 ×10^-6 ＡＰ 0.399476 ×10⁺³ ＢＰ 0.740068 ５（ｒ₁ ） -28.050 （ｄ₁ ） -8.697 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｋ 0.000 Ｙ：-36.173 59.882° Ａ 0.218511 ×10^-4 Ｚ： 34.773 Ｂ 0.163510 ×10^-7 ６（ｒ₂ ） 22.469 （ｄ₂ ） -12.651 Ｋ 0.000 Ａ -0.703059 ×10^-5 Ｂ 0.163404 ×10^-7 ７（ｒ₃ ） -18.793 （ｄ₃ ） -4.174 ｎ₂=1.5163 ν₂= 64.1 Ｋ 0.000 Ｙ： -1.816 10.266° Ａ 0.291787 ×10^-4 Ｂ 0.155686 ×10^-6 ８（ｒ₄ ） 26.095 （ｄ₄ ） -7.057 Ｋ 0.000 Ａ -0.882162 ×10^-4 Ｂ 0.315710 ×10^-6 ９（ｒ₅ ） -16.570 （ｄ₅ ） -7.667 ｎ₃=1.62299 ν₃= 58.2 Ｙ： -3.599 3.783° １０（ｒ₆ ） 10.234 （ｄ₆ ） -1.000 ｎ₄=1.80518 ν₄= 25.4 １１（ｒ₇ ） 16.822 （ｄ₇ ） -6.717 １２（８） ∞（表示素子） Ｙ： 0.980 30.064°。

【００４３】 実施例２ 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） 23.000 ２（５） 103.000 22.000 ｎ =1.5163 ν = 64.1 ３（２）Ｒ_y -79.782（反射面） -25.000 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -49.639 Ｙ： 0 35.000° Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.234914 ×10^-6 ＢＲ 0.618394 ×10^-9 ＡＰ -0.541593 ＢＰ -0.153116 ４（６）Ｒ_y -15.885 0.000 Ｙ： -7.520 -25.716° Ｒ_x -16.732 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ -0.137862 ×10^-9 ＢＲ 0.535529 ×10^-7 ＡＰ 0.513779 ×10⁺³ ＢＰ 0.100607 ×10⁺¹ ５（ｒ₁ ） -27.024 （ｄ₁ ） -10.463 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｋ 0.000 Ｙ：-39.686 59.904° Ａ 0.170278 ×10^-4 Ｚ： 34.642 Ｂ 0.262812 ×10^-7 ６（ｒ₂ ） 25.179 （ｄ₂ ） -12.719 Ｋ 0.000 Ａ -0.886697 ×10^-5 Ｂ 0.939576 ×10^-8 ７（ｒ₃ ） -38.920 （ｄ₃ ） -9.850 ｎ₂=1.5163 ν₂= 64.1 Ｋ 0.000 Ｙ： -1.879 -1.883° Ａ 0.193936 ×10^-4 Ｂ -0.469704 ×10^-7 ８（ｒ₄ ） 25.441 （ｄ₄ ） -12.706 Ｋ 0.000 Ａ -0.354443 ×10^-4 Ｂ 0.390162 ×10^-7 ９（ｒ₅ ） -38.531 （ｄ₅ ） -10.276 ｎ₃=1.62299 ν₃= 58.2 Ｙ： -8.467 12.557° １０（ｒ₆ ） 13.222 （ｄ₆ ） -1.000 ｎ₄=1.80518 ν₄= 25.4 １１（ｒ₇ ） 19.564 （ｄ₇ ） -11.069 １２（８） ∞（表示素子） Ｙ： -0.060 42.451°。

【００４４】 実施例３ 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） 23.000 ２（５１） 82.081 5.000 ｎ =1.5163 ν = 64.1 ３（５２） -1088.513 17.000 ４（２）Ｒ_y -63.745（反射面） -25.000 Ｙ： 0 35.000° Ｒ_x -42.734 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ 0.846355 ×10^-6 ＢＲ 0.730307 ×10^-9 ＡＰ -0.208795 ＢＰ -0.375464 ５（ｒ₁ ） -264.626 （ｄ₁ ） -5.639 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｋ 0.000 Ｙ：-58.333 32.387° Ａ -0.738839 ×10^-6 Ｚ： 50.562 Ｂ -0.136402 ×10^-8 ６（ｒ₂ ） 755.504 （ｄ₂ ） -10.364 Ｋ 0.000 Ａ -0.388041 ×10^-5 Ｂ 0.122666 ×10^-8 ７（ｒ₃ ） -21.150 （ｄ₃ ） -6.903 ｎ₂=1.5163 ν₂= 64.1 Ｋ 0.000 Ｙ： 18.781 34.580° Ａ 0.361789 ×10^-4 Ｂ -0.217479 ×10^-7 ８（ｒ₄ ） 23.469 （ｄ₄ ） -15.003 Ｋ 0.000 Ａ -0.288721 ×10^-4 Ｂ 0.883042 ×10^-8 ９（ｒ₅ ） -25.000 （ｄ₅ ） -10.196 ｎ₃=1.62299 ν₃= 58.2 Ｙ： -3.852 -6.201° １０（ｒ₆ ） 14.280 （ｄ₆ ） -1.000 ｎ₄=1.80518 ν₄= 25.4 １１（ｒ₇ ） 26.087 （ｄ₇ ） -12.228 １２（８） ∞（表示素子） Ｙ： -4.033 53.309°。

【００４５】以上の実施例１〜３の横収差図をそれぞ
れ、図４〜図５、図６〜図７、図８〜図９に示す。これ
らの図中、（１）は画面の視軸方向（上下方向０°、左
右方向０°）、（２）は画面の上下方向０°、左右方向
−１９．３°、（３）は画面の上下方向２５°、左右方
向−１９．３°、（４）は上下方向２５°、左右方向０
°、（５）は上下方向２５°、左右方向１９．３°、
（６）は上下方向０°、左右方向１９．３°、（７）は
上下方向０°、左右方向−１３．５°、（８）は上下方
向１７．５°、左右方向−１３．５°、（９）は上下方
向１７．５°、左右方向０°、（１０）は上下方向１
７．５°、左右方向１３．５°、（１１）は上下方向０
°、左右方向１３．５°における左右方向（Ｙ方向）及
び上下方向（Ｘ方向）の値を示すものである。

【００４６】ところで、以上の説明においては、接眼光
学系の第２面になる凹面鏡２は、全反射鏡から構成する
ものと考えていたが、これを光量を所定の割合で透過す
るハーフミラーとして構成してもよい。ハーフミラーの
形態としては、例えば、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うに、裏面鏡９又は表面鏡２（図３）の光学部材１０の
表面に設けられた部分透過部分反射面４１、半透過膜４
２、偏光性半透過膜４３の何れからなるものでもよい。
すなわち、ハーフミラー２は、光量を約５０％透過し、
約５０％を反射する面であり、それ以外に、その比は
１：９から９：１の範囲で利用される。その手段として
は、入射光束を面積として分割する方式とその強度を分
割する方式、さらにはその両方を行う方式がある。図１
０（ａ）の部分透過部分反射面４１の場合は、面積で光
量を分割する例で、光学部材１０（その屈折率ｎは、ｎ
＞１）の表面の上にアルミニウム等の反射コーティング
を数μｍから０．１ｍｍ程度の網目状等飛び飛びに行
い、反射する部分と反射しないで透過する部分の面積の
比によって全体的（マクロ的）な反射率と透過率が設定
されるものである。また、図１０（ｂ）の半透過膜（ｓ
ｅｍｉｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｆｉｌｍ）４２は、光
学部材１０（その屈折率ｎは、ｎ＞１）の表面の上にア
ルミウムの極薄膜、クロムの極薄膜等の金属極薄膜、Ｓ
ｉＯ₂ 、ＭｇＦ₂等の誘電体多層膜からなる半透過膜を
コーティングして光量を分割するものである。さらに、
図１０（ｃ）のものは、入射光の偏光成分を分離するこ
とにより光量を分割するものである。すなわち、偏光性
半透過膜４３を光学部材１０（その屈折率ｎは、ｎ＞
１）の表面の上にコーティングして、Ｐ偏光とＳ偏光を
選択的に透過又は反射させて入射光を分割するものであ
る。

【００４７】以上、本発明の映像表示装置をいくつかの
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。そして、本発
明の映像表示装置を頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ）
５０として構成するには、例えば、図１１（ａ）に水平
断面図、同図（ｂ）に斜視図を示すように、例えばヘッ
ドバンド５１を取り付けて観察者の頭部に装着して使用
する。なお、図１１（ａ）の場合は、裏面鏡９の第２面
２を図１０の何れかのハーフミラーで構成し、裏面鏡９
の視線３前方にシャッター５２を設け、このシャッター
５２を開いて外界像を選択的又は２次元画像表示素子８
の映像と重畳して観察できるようにしている。なお、裏
面鏡９の代わりに図３のような表面鏡２を用いる場合に
も同様であり、この場合、正パワーの面５の代わりに正
パワーのレンズ５’を用いる。

【００４８】なお、前記の特許請求の範囲の発明を、さ
らに以下のように構成することもできる。

【００４９】（１）映像を表示する画面を有する映像表
示素子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成するリ
レー光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を屈曲
させる反射面を有し、前記リレー像の射出瞳を形成する
接眼光学系とを備えた映像表示装置において、前記接眼
光学系が、前記反射面によって屈曲された光束が前記射
出瞳に到る光路中に少なくとも正のパワーを有する光学
面を有する映像表示装置。

【００５０】（２）映像を表示する画面を有する映像表
示素子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成するリ
レー光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を屈曲
させる反射面を有し、前記リレー像の射出瞳を形成する
接眼光学系とを備えた映像表示装置において、前記接眼
光学系が、前記リレー光学系を射出して前記反射面に到
る光路中に設けられた入射側光学面と、前記反射面によ
って屈曲された光束が前記射出瞳に到る光路中に設けら
れ前記入射側光学面と異なるパワーを有する射出側光学
面とを有する映像表示装置。

【００５１】（３）映像を表示する画面を有する映像表
示素子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成するリ
レー光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を屈曲
させる反射面を有し、前記リレー像の射出瞳を形成する
接眼光学系とを有する顔面装着部と、前記顔面装着部を
観察者頭部に保持するために設けられた支持部材とを備
えた映像表示装置において、前記接眼光学系が、前記反
射面によって屈曲された光束が前記射出瞳に到る光路中
に少なくとも正のパワーを有する光学面を有する映像表
示装置。

【００５２】（４）前記正のパワーを有する光学面が、
正レンズからなる前記（１）又は（３）の映像表示装
置。

【００５３】（５）前記入射側光学面が負のパワーを有
すると共に、前記射出側光学面が正のパワーを有する前
記（２）の映像表示装置。

【００５４】（６）前記入射側光学面が負のパワーを有
し、前記リレー像近傍に設けられた前記（２）又は
（５）の映像表示装置。

【００５５】（７）前記入射側光学面と前記射出側光学
面と前記反射面とが、屈折率（ｎ）が１よりも大きい
（ｎ＞１）光学部材を挟んで一体的に形成されたプリズ
ムからなる前記（２）、前記（５）又は（６）の映像表
示装置。

【００５６】（８）前記反射面が入射光束を反射させる
全反射面からなる前記（１）〜（７）の何れかの映像表
示装置。

【００５７】（９）前記反射面が入射光束の一部を透過
し残部を反射する半透過反射面からなる前記（１）〜
（７）の何れかの映像表示装置。

【００５８】（１０）前記反射面が正のパワーを有する
凹面反射鏡からなる前記（１）〜（９）の何れかの映像
表示装置。

【００５９】（１１）前記リレー光学系が複数の光学素
子から形成され、前記複数の光学素子の中、少なくとも
１つの光学素子が前記画面に垂直な軸に対して偏心配置
された前記（１）〜（１０）の何れかの映像表示装置。

【００６０】（１２）映像を表示する画面を有する映像
表示素子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成する
リレー光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を屈
曲させる反射面を有し、前記リレー像の射出瞳を形成す
る接眼光学系とを備えた映像表示装置において、前記接
眼光学系が、前記反射面に対向する位置に設けられた少
なくとも２つの光学面を有する裏面反射鏡からなる映像
表示装置。

【００６１】（１３）前記半透過反射面が部分的に透過
する領域と反射する領域とを区分してなる前記（９）の
映像表示装置。

【００６２】（１４）前記半透過反射面が光量分割をす
る半透過薄膜によって形成されている前記（９）の映像
表示装置。

【００６３】（１５）前記半透過薄膜が金属薄膜からな
る前記（１４）の映像表示装置。

【００６４】（１６）前記半透過薄膜が誘電体の多層膜
からなる前記（１４）の映像表示装置。

【００６５】（１７）前記反射面を非球面とした前記
（１）〜（１６）の映像表示装置。

【００６６】（１８）前記反射面をアナモルフィック面
とした前記（１）〜（１７）の映像表示装置。

【００６７】（１９）前記アナモルフィック面が、以下
の条件を満足する前記（１８）の映像表示装置。

【００６８】｜Ｒ_x ｜＜｜Ｒ_y ｜ ただし、Ｒ_x はＸ軸方向の近軸曲率半径、Ｒ_y はＹ軸方
向の近軸曲率半径である。

【００６９】（２０）以下の条件を満たす前記（１）〜
（１９）の映像表示装置。

【００７０】Ｄ＞０．５×Ｆ_R ただし、Ｄは前記反射面と前記射出瞳の間の距離、Ｆ_R
は前記反射面の焦点距離である。

【００７１】（２１）以下の条件を満たす前記（１）〜
（２０）の映像表示装置。

【００７２】Ｄ＞３０（ｍｍ） ただし、Ｄは前記反射面と前記射出瞳の間の距離であ
る。

【００７３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の映像表示装置によると、広い提示画角で、周辺の画角
まで鮮明に観察できる頭部装着式映像表示装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の右眼用の映像表示装置のＹ
−Ｚ断面図である。

【図２】実施例２の右眼用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面
図である。

【図３】実施例３の右眼用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面
図である。

【図４】実施例１の横収差の一部を示す収差図である。

【図５】実施例１の横収差の残りを示す収差図である。

【図６】実施例２の横収差の一部を示す収差図である。

【図７】実施例２の横収差の残りを示す収差図である。

【図８】実施例３の横収差の一部を示す収差図である。

【図９】実施例３の横収差の残りを示す収差図である。

【図１０】本発明において用いるハーフミラーの形態を
説明するための図である。

【図１１】本発明による頭部装着式映像表示装置の水平
断面図と斜視図である。

【図１２】従来の接眼凹面鏡によって発生する瞳収差を
示すための図である。

【図１３】図１２のＸ軸方向の瞳収差を示すための図で
ある。

【図１４】図１３の光線をＸ−Ｚ断面に投影した図であ
る。

【図１５】従来の１つの頭部装着式映像表示装置の光学
系を示す図である。

【符号の説明】

１…瞳位置 ２…接眼光学系の第２面（反射面） ３…観察者の正面に当たる視軸 ４…観察者の瞳の投影位置 ５…接眼光学系の第１面（屈折面） ５’…正レンズ ６…接眼光学系の第３面（屈折面） ７…リレー光学系 ８…２次元画像表示素子 ９…裏面鏡 １０…光学部材 １１〜１５、２１〜２３、３１〜３３…光線 ４１…部分透過部分反射面 ４２…半透過膜 ４３…偏光性半透過膜 ５０…頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ） ５１…ヘッドバンド ５２…シャッター

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する平面形状の画面を有する
   映像表示素子と、射出瞳を形成する接眼光学系とを含ん
   で構成され、 前記映像中心と前記射出瞳の中心とを結んだ光線を主光
   線とした時に、前記接眼光学系が、少なくとも１つのプ
   リズム部材を含み、 前記プリズム部材は、光束にパワーを与え前記プリズム
   内に光束を入射させる曲面形状の入射面と、光束にパワ
   ーを与え前記プリズム内で光束を反射させる曲面形状の
   反射面と、光束にパワーを与え前記プリズム外に光束を
   射出させる曲面形状の射出面とを有し、 前記反射面の前記曲面形状は、前記反射面に入射する主
   光線と前記反射面から射出する主光線とを含んだ平面
   （Ｙ−Ｚ平面）内で前記主光線に対して偏心配置するこ
   とによって発生する瞳収差を補正するように回転非対称
   な非球面にて構成されたことを特徴とする映像表示装
   置。
2. 【請求項２】 前記映像表示装置は、前記映像表示素子
   と前記接眼光学系とを有する顔面装着部と、前記顔面装
   着部を観察者頭部に保持するために設けられた支持部材
   とを備えて構成されたことを特徴とする請求項１記載の
   映像表示装置。
3. 【請求項３】 前記プリズム部材が、屈折率（ｎ）が１
   よりも大きい（ｎ＞１）光学部材を挟んで、前記入射面
   と前記射出面と前記反射面の３つ光学面を一体的に形成
   して構成されたことを特徴とする請求項１記載のの映像
   表示装置。
4. 【請求項４】 前記反射面は、前記入射面から前記プリ
   ズム内に入射した光束を前記プリズム内で反射させる全
   反射面にて構成されていることを特徴とする請求項１又
   は３記載の映像表示装置。
5. 【請求項５】 前記反射面は、前記入射面から入射した
   光束を前記プリズム内で、前記光束の一部を透過し残部
   を反射する半透過反射面にて構成されていることを特徴
   とする請求項１又は３記載の映像表示装置。
6. 【請求項６】 前記反射面は、前記入射面から入射した
   光束を前記プリズム内で、前記光束の一部を透過し残部
   を反射する半透過反射面にて構成され、前記顔面装着部
   が、前記半透過反射面に対して前記射出瞳とは反対側に
   シャッターを備えていることを特徴とする請求項２記載
   の映像表示装置。
7. 【請求項７】 前記反射面の回転非対称な非球面形状
   が、アナモルフィック面にて形成されていることを特徴
   とする請求項１から６の何れか１項記載の映像表示装
   置。
8. 【請求項８】 前記アナモルフィック面が、以下の条件
   を満足することを特徴とする請求項７記載の映像表示装
   置。 ｜Ｒ_x ｜＜｜Ｒ_y ｜ ただし、Ｒ_x はＸ軸方向の近軸曲率半径、Ｒ_y はＹ軸方
   向の近軸曲率半径である。
9. 【請求項９】 前記接眼光学系は、以下の条件を満足す
   るように構成されたことを特徴とする請求項１から８の
   何れか１項記載の映像表示装置。 Ｄ＞３０（ｍｍ） ただし、Ｄは前記反射面と前記射出瞳の間の距離であ
   る。