JP3655666B2 - 頭部装着型ディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、使用者の頭部に装着し立体的映像、ステレオ音響を楽しむことができる頭部装着型ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭部装着型ディスプレイ装置（以下、ＨＭＤと略称する）は、ゴーグル型、眼鏡型等の装置を頭部に装着し、ケーブルを介して送られてくる映像、音響を視聴するものである。立体映像、ステレオ音響を屋内、屋外を問わず楽しむことができるものとして、若年層を中心に注目されてきている。
一方、医療分野での利用も注目を浴びてきている。これは、外科手術等の医療現場で、医師が患者の手術、治療部位に関する映像情報を見ることによって、肉眼観察できない情報を得ることを目的としている。同時に、装置の切り換え操作によって肉眼観察いわゆるシースルー観察を行う。
【０００３】
このＨＭＤに関して、これまで種々提案されてきており、例えば特開平４−６３０７８号公報、特開平４−６８７７７号公報には、図１１に示すような装置が提案されている。
この従来例に係る画像表示装置には、画像を視覚化して映し出す小画面５０と、広い範囲が映せる凸面鏡の広角反射鏡５１と、透明な材質で凹面形成されている拡大反射鏡５２が設けられている。そして、小画面５０に反射型ＬＣＤパネルを使用した場合、画像を表示する側に照明装置５３を配設している。
また、小画面５０を透過型ＬＣＤパネルとして照明装置５３の代わりに前方より来る外光を利用する構成も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例には多くの不具合点がある。先ず、透明な材質で凹面形成されている拡大反射鏡を用いることにより、拡大反射鏡で反射してくる画像と拡大反射鏡を透過してくる外界像とが観察者の同じ視野内に入ってしまう不具合がある。特に観察する画像と視距離が近い外界物とは視認されやすく、２つの画像が重なって観察されてしまう。
この対応策として遮光板を用いて外界からの光路を遮ることが考えられるが、透明な材質からなる拡大反射鏡を用いているため、正規の反射面以外の面からの反射光が発生し、正規の反射面以外の面からの反射光はゴースト像あるいはフレアー光として視認されやすくなる。
【０００５】
次に、広い範囲を映せる凸面鏡の広角反射鏡を用いることにより、反射した映像は縮小して観察される。したがって、観察する映像の画角を広くするには拡大反射鏡の倍率を上げなければならない。しかし、拡大反射鏡の倍率をいたずらに上げると大きな収差が発生する恐れがあり、特に周辺部の像がボケたり歪んでしまい良好な画像が得にくくなるという問題がある。
次に、装置構成部材のレイアウト上の問題がある。つまり、上記従来例の構成では広角反射鏡が反射型ＬＣＤパネルと拡大反射鏡に対してややずれた位置に向かい合わせに配設されている。したがって、観察される映像の光軸が偏心した状態にあり、画像には非軸対称の収差が発生しやすく、この非軸対称の収差は単純な一定曲率の拡大反射鏡を使用するだけでは取り除くことができない。このように観察される映像の光軸が偏心した状態では、画角を大きくすればするほど観察する画像が歪んだり、ボケたりして良好な映像を得にくい。
【０００６】
さらに、小画面を透過型ＬＣＤパネルとして照明装置の代わりに前方より来る外光を利用する構成は、外光を直接照明光として入射させることと、透過型ＬＣＤパネルに直接外光を入射させることによる不具合がある。つまり、透過型ＬＣＤパネルに直接外光を入射させると、照明が不均一になり観察される映像に明るさむらが生じる。また、透過型ＬＣＤパネルを使用するため、透過率を稼ぐことが難しくなる。
【０００７】
本発明は、上記不具合を解決すべく提案されるもので、コンパクトな本体でありながら、照明光の一部が不要光として直接眼に入射することなく、明るくて良好な映像を観察できる頭部装着型ディスプレイ装置を提供することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る頭部装着型ディスプレイ装置の発明は、
反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、
前記反射光を形成する照明手段と、
前記反射型映像表示素子と前記照明手段との間に配設され、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、
半透過反射面と、
凹面形状の反射面と、
前記照明手段と前記半透過反射面との間に設けた第１の偏光板と、
前記半透過反射面と観察者との間に設けられ、偏光方向が前記第１の偏光板と直交する第２の偏光板と、
前記半透過反射面と前記凹面形状の反射面との間に設けたλ／４波長板とを有し、
前記照明手段からの照明光を前記第１の偏光板および前記半透過反射面を経て前記反射型映像表示素子に導き、該反射型映像表示素子での反射光を前記半透過反射面および前記λ／４波長板を経て前記凹面形状の反射面で反射させ、該反射光を前記λ／４波長板、前記半透過反射面および前記第２の偏光板を経て観察者に導くようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
請求項１に係る発明によると、照明手段からの照明光が第１の偏光板および半透過反射 面を経て反射型映像表示素子に導かれ、該反射型映像表示素子での反射光が半透過反射面およびλ／４波長板を経て凹面形状の反射面で反射され、さらにλ／４波長板、半透過反射面および第２の偏光板を経て観察者の眼球に導かれて、反射型映像表示素子に表示された映像が観察される。
【００１０】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明していく。
図１は、装置を使用している状態を示した図である。図中１は、ディスプレイ装置本体を示し、観察者の顔面に保持されるよう支持部材を介して頭部に固定する。この支持部材は一端がディスプレイ装置本体１に接合され、観察者のこめかみから耳上部にかけて延在する左右の前フレーム２と、この前フレーム２の他端に接合され観察者の側頭部を渡るように延在する左右の後フレーム３と、この後フレーム３の他端同士を結合するように設けられた頭頂フレーム４を有している。 また、前フレーム２における後フレーム３との接合部近傍には、弾性体例えば金属板バネ等で形成されたリアプレート５が接合されている。このリアプレート５は、観察者の後頭部から首のつけ根にかかる部分で耳の後方に位置するリアカバー６に支持されている。７は音響スピーカーである。
【００１１】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル８は、一端が図示されていない電装部品に接続され、頭頂フレーム４、後フレーム３、前フレーム２、リアプレート５の内部を通りリアカバー６の後端部から外部に引き出されている。 さらに、ケーブル８の他端はビデオ再生装置９に接続されている。９ａはビデオ再生装置９のスイッチやボリュウム調整部である。
なお、ケーブル８は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に接続可能にしてもよい。また、ＴＶ電波受信用チューナに接続してＴＶ鑑賞用としてもよく、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、コードを用いずアンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【００１２】
図２Ａ，Ｂ、図３は、本発明とともに開発した第１参考例における装置の概要断面図である。ここで装置とは、照明手段と反射型映像表示素子と接眼光学系を有するものである。図中、図２Ａと図３では照明手段として蛍光管１０と円柱形の集光用凹面鏡１１と拡散板１２を設けている。一方、図２Ｂでは照明手段として平板型蛍光管１３を用いている。
なお、蛍光管１０と円柱形の集光用凹面鏡１１の代わりに小型のランプ球と半球形の集光用凹面鏡を用いてもよい。
反射型映像表示素子としては、反射型ＬＣＤパネル１４を用いる。この反射型ＬＣＤパネル１４は、透過型液晶パネルに比較して電極部を画素として利用できる特徴があるため、開口率とコントラストの向上を図れる。
接眼光学系は、図２Ａ、図３の場合はハーフミラー１５と全反射の拡大凹面鏡１６を有している。この点、図２Ｂに示すように、ハーフミラー面１７ａを有するビームスプリッタ１７と、凸面を反射面１８ａにした平凸レンズ１８とを一体にしたプリズム光学系１９で構成してもよい。
【００１３】
次にレイアウトであるが、図２Ａ、図２Ｂに示すように、上部に照明手段、下部に表示系を配設して向かい合わせ、両者の間に接眼光学系を配設する。この場合、接眼光学系を形成する拡大凹面鏡１６あるいは平凸レンズ１８の反射面は、観察者の眼２０の前方に位置するようになっている。
また、図３に示すように、上部に表示系、下部に接眼光学系の一部を形成する拡大凹面鏡１６、観察者の眼２０の前方に照明手段を配設し、それらの間に他の接眼光学系を配設してもよい。なお、以上のレイアウトは上下を反転させた構成であってもよい。
【００１４】
以上のごとく構成されている第１参考例の作用を図２Ａを参照しながら説明する。先ず図示されていない電源をＯＮにして、装置が動作する状態にする。すると、蛍光管１０が発光し光は拡散板１０で直接散乱されるか、一旦集光用凹面鏡１１で反射してから拡散板１０で散乱される。このように、拡散板１０を配設することにより光が均一に散乱され、むらの少ない照明光を得ることができる。
次に、照明光は、ハーフミラー１５を透過し、反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー１５で反射し拡大凹面鏡１６に向かい、ここで反射しハーフミラー１５を透過して眼２０に導かれる。このように拡大凹面鏡１６を利用することにより、反射型ＬＣＤパネル１４に映し出された映像は拡大された虚像として観察される。
【００１５】
図２Ｂの場合についても、平行型蛍光管１３から出射された光の眼２０に至るまでの光路は同様であるので、説明を省略する。なお、図２Ｂの場合は、平行型蛍光管１３からの光であるので、拡散板１２は用いていない。
図３の場合は、蛍光管１０からの光は拡散板１０で散乱されてハーフミラー１５に向かい、ここで反射されて反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー１５を透過して拡大凹面鏡１６に向かい、ここで反射しハーフミラー１５で反射されて眼２０に導かれる。
【００１６】
このように第１参考例によれば、照明光にむらが少なく、反射型ＬＣＤパネルの使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、ハーフミラーと拡大凹面鏡を用い光路を屈曲させているので、表示系がコンパクトになるとともに、非軸対称の収差の発生がなくなり良好な映像の観察が可能となる。また、接眼光学系にプリズム光学系を用いた場合は、表示系をよりコンパクトにできるとともに、アイリリーフを長くとることができるという効果がある。
【００１７】
図４，図５Ａ，Ｂは本発明とともに開発した第２参考例を示したもので、第１参考例と対応する箇所には同一符号を付した（以下の参考例、実施例についても同様）。第２参考例では、照明手段からの照明光を、ハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過させずに、反射型ＬＣＤパネル１４に斜め方向あるいは側面方向から照射させるようにしている。
つまり、図４では、照明手段を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を拡大凹面鏡１６の横に配設して、反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。なお、照明手段に小型化するため小型の蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を設けているが、拡散板を設けていない。小型の拡散板を設けてもよいことはいうまでもない。
【００１８】
図５Ａでは、照明手段を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を拡大凹面鏡１６とハーフミラー１５との間に配設して、反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４とハーフミラー１５を通常の位置より傾けて配設している。
図５Ｂでは、照明手段を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１をハーフミラー１５と反射型ＬＣＤパネル１４の間に配設して、反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４とハーフミラー１５を通常の位置より傾けて配設している。なお、照明手段の照明光をハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過させないようにする各部材のレイアウトは、以上の構成に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００１９】
このように構成されている第２参考例の作用を説明すると、蛍光管１０からのの光は集光用凹面鏡１１で反射された後、反射型ＬＣＤパネル１４を直接照射し反射型ＬＣＤパネ ル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー１５を透過した後、拡大凹面鏡１６とハーフミラー１５で反射し観察者の眼２０に導かれる（図４）。あるいは反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、ハーフミラー１５と拡大凹面鏡１６で反射した後、ハーフミラー１５を透過して観察者の眼２０に導かれる（図５Ａ，Ｂ）。
【００２０】
このように第２参考例によれば、反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、ハーフミラーと拡大凹面鏡を用いているので、表示系がコンパクトになるとともに、非軸対称の収差の発生がなくなり良好な映像の観察が可能となる。
さらに、第１参考例では照明装置からの照明光がハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過した後（図２Ａ、Ｂの場合）、またはハーフミラーで反射された後（図３の場合）、反射型ＬＣＤパネルに入射するようになっていたため、照明光の一部が観察者の眼に到達することととなり、この光はフレアー光となって映像を白っぽくしていたが、第２参考例では照明光そのものが眼に入射することが避けられ、不要光の少ないクリアな映像を観察できるようになった。
【００２１】
図６Ａは、本発明の一実施例を示したものである。本実施例では、照明装置からの照明光を偏光させ、ハーフミラー、ハーフミラー面、反射型ＬＣＤパネルからの不要光を遮断する構成としたものである。
つまり図６Ａに示すように、上部に照明手段、下部に表示系を配設して向かい合わせ、両者の間に接眼光学系を配設する。この場合、接眼光学系を形成する平凸レンズ１８の反射面は、観察者の眼２０の前方に位置するようになっている。
【００２２】
また、照明手段である平板型蛍光管１３と接眼光学系であるプリズム光学系１９の間に第１の偏光板としての偏光板（Ｐ）２１を設け、プリズム光学系１９と観察者の眼２０の間に第２の偏光板としての偏光板（Ｓ）２２を設けている。さらに、プリズム光学系１９を形成するビームスプリッタ１７と平凸レンズ１８との間にλ／４波長板２３を設けている。
ここで、各偏光板についてみると、平板型蛍光管１３とプリズム光学系１９の間の偏光板（Ｐ）２１は、プリズム光学系１９と観察者の眼２０の間の偏光板（Ｓ）２２とは直交する方向に位置させてあるとともに、ビームスプリッタ１７と平凸レンズ１８との間のλ／４波長板２３とも直交する方向に位置させてある。
また、平板型蛍光管１３とプリズム光学系１９の間の偏光板（Ｐ）２１の向きはＰ偏光にし、プリズム光学系１９と眼２０の間の偏光板（Ｓ）２２の向きはＳ偏光にしている。
【００２３】
以上のごとく構成されている本実施例の作用を説明する。平板型蛍光管１３からの照明光は、偏光板（Ｐ）２１、ビームスプリッタ１７を透過し、反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー面１７ａで反射しλ／４波長板２３を透過し平凸レンズ１８の反射面１８ａに向かい、ここで反射しλ／４波長板２３、ビームスプリッタ１７、偏光板２２（Ｓ）を透過して眼２０に導かれる。
【００２４】
この場合、照明手段から観察者の眼に至るまでの光の偏光の向きは、偏光板（Ｐ）２１からλ／４波長板２３に至るまではＰ偏光で、平凸レンズ１８反射面１８ａで反射してλ／４波長板２３を透過するとＳ偏光になり、偏光板（Ｓ）２２を透過して眼２０に導かれるまではそのままである。
一方、平板型蛍光管１３から出射されハーフミラー面１７ａで反射された照明光の偏光の向きはＰ偏光であるため、眼２０の前方に位置する偏光板（Ｓ）２２で遮断される。また、反射型ＬＣＤパネル１４で散乱された光がハーフミラー面１７ａを透過して眼２０に向かう場合もＰ偏光のままであるため、眼２０の前方に位置する偏光板（Ｓ）２２で遮断される。
このように本実施例によれば、反射型ＬＣＤパネルの使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。
さらに照明装置からの照明光がハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過または反射した後、反射型ＬＣＤパネルに入射するようになっていると、照明光の一部はハーフミラーあるいはハーフミラー面で反射または透過されて眼に到達することととなり、この光はフレアー光となって映像を白っぽくしていたが、本実施例では照明光そのものあるいは散乱光を偏光させることにより眼に入射することが避けられ、不要光の少ないクリアな映像を観察できるようになった。
【００２５】
図６Ｂは、本発明とともに開発した第３参考例を示すもので、照明装置を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１からの照明光が異形プリズム光学系２４を介して反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４と異形プリズム光学系２４の偏光ハーフミラー２５を通常の位置より傾けるように構成している。
このように、接眼光学系は平凸レンズ１８、偏光ハーフミラー２５を有する異形プリズム光学系２４として一体化している。また、照明装置と異形プリズム光学系２４との間に偏光板２６を設け、異形プリズム光学系２４を形成する偏光ハーフミラー２５と平凸レンズ１８の反射面１８ａとの間にλ／４波長板２３を設けている。
また、反射型ＬＣＤパネル１４の偏光の向きは、照明装置と異形プリズム光学系２４との間の偏光板２６の向きと同じで、偏光ハーフミラー２５で反射する偏光の向きと同じにしてある。ここではＳ偏光の向きにしてある。なお、照明装置の照明光を偏光させるための各部材のレイアウトは、以上の構成に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００２６】
以上のごとく構成されている図６Ｂの作用を説明する。蛍光管１０からの光は集光用凹面鏡１１で反射された後、偏光板２６、異形プリズム光学系２４を透過し反射型ＬＣＤパネル１４を直接照射し反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報として偏光ハーフミラー２５で反射し、さらにλ／４波長板２３を透過して平凸レンズ１８に向かい反射面１８ａで反射し、λ／４波長板２３、偏光ハーフミラー２５を透過して観察者の眼２０に導かれる。
【００２７】
この場合、照明手段から観察者の眼に至るまでの光の偏光の向きは、偏光板２６からλ／４波長板２３に至るまではＳ偏光で、平凸レンズ１８の反射面１８ａで反射してλ／４波長板２３を透過するとＰ偏光になり、偏光ハーフミラー２５を透過して眼２０に導かれるまではそのままである。
一方、反射型ＬＣＤパネル１４で散乱された光が眼２０に向かう場合はＳ偏光のままであるため、偏光ハーフミラー２５で遮断される。
【００２８】
このように第３参考例においても、反射型ＬＣＤパネルの使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。
さらに照明装置からの照明光がハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過または反射した後、反射型ＬＣＤパネルに入射するようになっていると、照明光の一部はハーフミラーあるいはハーフミラー面で反射または透過されて眼に到達することととなり、この光はフレアー光となって映像を白っぽくしていたが、第３参考例においても照明光そのものあるいは散乱光を偏光させることにより眼に入射することが避けられ、不要光の少ないクリアな映像を観察できるようになった。
【００２９】
図７は、本発明とともに開発した第４参考例を示したものである。この参考例ではハーフミラー面と反射面としての凹面鏡を有する接眼光学系を、反射面を無くして少なくとも１枚以上の凸レンズを有する屈折系の接眼光学系２７として構成している。
また、接眼光学系２７の前方には反射型ＬＣＤパネル１４を配設し、この反射型ＬＣＤパネル１４の両側部近傍にそれぞれ蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を有する照明装置を設けてある。
【００３０】
このように構成されている第４参考例では、蛍光管１０ａ，１０ｂから出射された照明光は、直接あるいは集光用凹面鏡１１ａ、１１ｂで反射されて反射型ＬＣＤパネル１４に入射する。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報として接眼光学系２７を透過し、観察者の眼２０に導かれる。
以上のごとくこの第４参考例では、前記実施例および参考例と同様に反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、屈折系の接眼光学系２７を使用しているので、反射面を利用するものに比較し光学系自体が簡素化されるとともに、コストの低減化を図れるという効果がある。
【００３１】
図８は、本発明とともに開発した第５参考例を示したものである。この参考例では、反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光を反射させて観察者の眼２０に導く反射面を、偏心するように配設している。そして、この反射面をアナモルフィック反射面２９としている。また、照明装置はランプ球２８と集光用凹面鏡１１を有し、アナモルフィック反射面２９の側部近傍に配設している。なお、必要に応じて、反射型ＬＣＤパネル１４とアナモルフィック反射面２９との間にリレー光学系を挿入してもよい。
【００３２】
このように構成されているので、ランプ球２８から出射された照明光は、直接あるいは集光用凹面鏡１１で反射されて反射型ＬＣＤパネル１４に入射する。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてアナモルフィック反射面２９に向かいここで反射され、観察者の眼２０に導かれる。
この場合、反射型ＬＣＤパネル１４は反射面に対して偏心しているため、反射面を一定曲率の凹面に形成すると、観察される映像に非軸対称の収差が生じてしまう。しかし、第５参考例のように反射面にアナモルフィック反射面２９を用いることにより、非軸対称の収差を補正することができる。
以上のごとく構成されている第５参考例では、前記実施例および参考例と同様に反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、偏心したアナモルフィック反射面２９を用いることにより、簡素な構成でありながら画角を広げることができ良好な映像を観察できるようになる。
【００３３】
図９Ａ，Ｂ、図１０は、本発明とともに開発した第６参考例を示したものである。この参考例では、前記実施例における照明手段と異なり、蛍光管と集光用凹面鏡、あるいは平板型蛍光管を用いず、外光を照明光として用いている。
図９Ａは、上方に照明手段からの外光を取り入れる外光採り入れ部、下部に表示系である反射型ＬＣＤパネル（反射型映像表示素子）１４を配設して向かい合わせ、両者の間に接眼光学系を配設する。この場合、接眼光学系をハーフミラー面１７ａを有するビームスプリッタ１７と、凸面を反射面１８ａにした平凸レンズ１８とを一体にしたプリズム光学系１９で構成している。
【００３４】
照明手段としては外部照明機器３０を用い、外光採り入れ部には窓３１が設けられ、この窓３１には拡散板１２が付設されている。なお、窓３１、拡散板１２の配設位置は反射型ＬＣＤパネル１４との対応関係で最適な位置を選択すればよく、上方に限定されるものではない。また、窓３１には集光用のレンズを取り付けておいてもよい。また、拡散板１２にはすりガラス、乳白板、微細なマイクロレンズを集積したプレート、回折格子板等を適宜選択使用すればよい。
【００３５】
このように構成されているので、外部照明機器３０からの外光は拡散板１２で散乱された後、プリズム光学系１９に導かれる。次に、外光である照明光は、ハーフミラー面１７ａを透過し、反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー面１７ａで反射し平凸レンズ１８に向かい、反射面１８ａで反射し再びハーフミラー面１７ａを透過して眼２０に導かれる。
【００３６】
図９Ｂでは、窓３１と拡散板１２を拡大凹面鏡１６とハーフミラー１５との間に配設し、外部照明機器３０からの外光が反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４とハーフミラー１５を通常の位置より傾けて配設している。
このように構成されているので、外部照明機器３０からの外光は拡散板１２で散乱された後、反射型ＬＣＤパネル１４を直接照射し反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、ハーフミラー１５と拡大凹面鏡１６で反射した後、ハーフミラー１５を透過して観察者の眼２０に導かれる。
【００３７】
図１０では、反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光を反射させて観察者の眼２０に導く反射面を、偏心するように配設している。そして、この反射面をアナモルフィック反射面２９としている。また、窓３１と拡散板１２をアナモルフィック反射面２９の側部近傍に配設している。
このように構成されているので、外部照明機器３０から出射された照明光は、拡散板１２で拡散され反射型ＬＣＤパネル１４に入射する。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてアナモルフィック反射面２９に向かいここで反射され、観察者の眼２０に導かれる。
【００３８】
以上のごとく構成されている第６参考例では、前記実施例と同様に反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、照明光として外光を利用するようになっているので、消費電力を少なく押さえることができるという効果がある。
【００３９】
以上の実施例、参考例に記載された内容は、以下のように捉えることもできる。
１．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する照明手段と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けるとともに、前記接眼光学系に凹形状の全反射部材を設け、接眼光学系により形成される光軸に対し表示面が略直交するように反射型映像表示素子を設けたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第１項によれば、反射型映像表示素子を用いているので、得られる映像が明るく高コントラストになる。また、全反射部材を用いているので、得られる映像が明るく、さらに光路が屈曲されることにより表示系がコンパクトになる。
【００４０】
２．前記接眼光学系にビームスプリッタと全反射する凹面形成の反射部材を設けるとともに、前記反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に前記反射部材の反射面を位置するように構成したことを特徴とする第１項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第２項によれば、ビームスプリッタと凹面形成の反射部材を用いているので、表示系がきわめてコンパクトになる。また、反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に反射部材の反射面を位置するようにしているため、光軸が屈曲していても偏心しないため、非軸対称の収差の発生を防止できる。
【００４１】
３．前記ビームスプリッタをプレートまたはキューブ状のハーフミラーとしたことを特徴とする第２項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第３項によれば、ビームスプリッタとキューブ状の反射部材を用いているので、表示系がきわめてコンパクトになる。
【００４２】
４．前記接眼光学系に、ビームスプリッタと凹面形成の反射部材を一体化したプリズムを設けたことを特徴とする第２項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。 第４項によれば、プリズムを用いたので表示系がコンパクトになるとともに、眼と接眼光学系の間のアイリリーフを長くとることができる。
【００４３】
５．前記接眼光学系の光路中に、互いに直交する第１の偏光板と第２の偏光板さらにλ／４波長板を設けるとともに、前記第１の偏光面は前記ビームスプリッタの前記照明手段側に、第２の偏光面は前記ビームスプリッタの観察者側に、前記λ／４波長板は前記ビームスプリッタと前記凹面形成の反射部材との間にそれぞれ設け、前記第１の偏光面の向きは前記反射型映像表示素子の偏光面の向きと同じにしたことを特徴とする第２項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第５項によれば、光学系の光路中に互いに直交する第１の偏光板と第２の偏光板さらにλ／４波長板を設けたので、照明手段からの照明光あるいは反射型映像表示素子からの散乱光が不要光として遮断される。
【００４４】
６．前記凹形状の全反射部材をアナモルフィック反射部材で形成するとともに前記アナモルフィック反射部材に対して偏心した位置に前記反射型映像表示素子を配設したことを特徴とする第１項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第６項によれば、アナモルフィック反射部材に対して偏心した位置に反射型映像表示素子を設けているので、発生する非軸対称の収差を補正しながら、画角を広くすることができる。
【００４５】
７．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する照明手段と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けるとともに、前記接眼光学系に１枚以上の凸レンズを含む屈折系のレンズを設けたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第７項によれば、反射型映像表示素子を用いているので、得られる映像が明るく高コントラストになる。また、屈折系の接眼光学系を用いているので、装置構成の簡素化、組み立て容易性、低コスト化を図れる。
【００４６】
８．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する外界光を導入する位置に配設した拡散板と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第８項によれば、反射型映像表示素子を用いているので、得られる映像が明るく高コントラストになる。また、照明光として外界光を用いるため、消費電力を低く押さえることができる。
【００４７】
９．前記拡散板として、すりガラス、乳白板、マイクロレンズ板、回折格子のいずれかを選択使用することを特徴とする第８項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第９項によれば、外界光をむらなく均一に導入することができる。
【００４８】
１０．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する照明手段と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けるとともに、前記反射型映像表示素子を液晶表示素子で形成し、前記照明手段は前記液晶表示素子から観察者の眼球までの光路外に配設したことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第１０項によれば、液晶表示素子で形成した反射型映像表示素子を用いたので観察する映像が明るく、高コントラストになる。また、照明手段を観察者の眼球までの光路外に配設したので、照明系が直接眼に入射することを防止でき、フレアー光を低減することができる。
【００４９】
１１．前記接眼光学系にビームスプリッタと全反射する凹面形成の反射部材を設けるとともに、前記反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に前記反射部材の反射面を位置するように構成したことを特徴とする第１０項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第１１項によれば、ビームスプリッタと凹面形成の反射部材を用いているので、表示系がきわめてコンパクトになる。また、反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に反射部材の反射面を位置するようにしているため、光軸が屈曲していても偏心しないため、非軸対称の収差の発生を防止できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下の効果を奏する。
請求項１に係る発明によると、照明手段からの照明光を第１の偏光板および半透過反射面を経て反射型映像表示素子に導き、該反射型映像表示素子での反射光を半透過反射面およびλ／４波長板を経て凹面形状の反射面で反射させ、さらにλ／４波長板、半透過反射面、および第１の偏光板とは偏光方向が直交する第２の偏光板を経て観察者の眼球に導くようにしたので、全体として、コンパクトな本体でありながら、照明光の一部が不要光として直接眼に入射するのを防止できると共に、偏光板の使用によって照明光の利用効率を高めることができ、明るくて良好な映像を観察者に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 装置を使用している状態を示した斜視図である。
【図２】 本発明とともに開発した第１参考例に係る装置の概要断面図である。
【図３】 同第１参考例に係る装置の概要断面図である。
【図４】 本発明とともに開発した第２参考例に係る装置の概要断面図である。
【図５】 同第２参考例に係る装置の概要断面図である。
【図６】 本発明の一実施例に係る装置の概要断面図、および本発明とともに開発した第３参考例に係る装置の概要断面図である。
【図７】 本発明とともに開発した第４参考例に係る装置の概要断面図である。
【図８】 本発明とともに開発した第５実施例に係る装置の概要断面図である。
【図９】 本発明とともに開発した第６参考例に係る装置の概要断面図である。
【図１０】 同第６参考例に係る装置の概要断面図である。
【図１１】 従来例に係る装置を使用している状態を示した斜視図である。
【符号の説明】
１３ 平板型蛍光管
１４ 反射型ＬＣＤパネル
１７ ビームスプリッタ
１７ａ ハーフミラー面
１８ 平凸レンズ
１８ａ 反射面
１９ プリズム光学系
２０ 眼
２１，２２ 偏光板
２３ λ／４波長板
【産業上の利用分野】
本発明は、使用者の頭部に装着し立体的映像、ステレオ音響を楽しむことができる頭部装着型ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭部装着型ディスプレイ装置（以下、ＨＭＤと略称する）は、ゴーグル型、眼鏡型等の装置を頭部に装着し、ケーブルを介して送られてくる映像、音響を視聴するものである。立体映像、ステレオ音響を屋内、屋外を問わず楽しむことができるものとして、若年層を中心に注目されてきている。
一方、医療分野での利用も注目を浴びてきている。これは、外科手術等の医療現場で、医師が患者の手術、治療部位に関する映像情報を見ることによって、肉眼観察できない情報を得ることを目的としている。同時に、装置の切り換え操作によって肉眼観察いわゆるシースルー観察を行う。
【０００３】
このＨＭＤに関して、これまで種々提案されてきており、例えば特開平４−６３０７８号公報、特開平４−６８７７７号公報には、図１１に示すような装置が提案されている。
この従来例に係る画像表示装置には、画像を視覚化して映し出す小画面５０と、広い範囲が映せる凸面鏡の広角反射鏡５１と、透明な材質で凹面形成されている拡大反射鏡５２が設けられている。そして、小画面５０に反射型ＬＣＤパネルを使用した場合、画像を表示する側に照明装置５３を配設している。
また、小画面５０を透過型ＬＣＤパネルとして照明装置５３の代わりに前方より来る外光を利用する構成も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例には多くの不具合点がある。先ず、透明な材質で凹面形成されている拡大反射鏡を用いることにより、拡大反射鏡で反射してくる画像と拡大反射鏡を透過してくる外界像とが観察者の同じ視野内に入ってしまう不具合がある。特に観察する画像と視距離が近い外界物とは視認されやすく、２つの画像が重なって観察されてしまう。
この対応策として遮光板を用いて外界からの光路を遮ることが考えられるが、透明な材質からなる拡大反射鏡を用いているため、正規の反射面以外の面からの反射光が発生し、正規の反射面以外の面からの反射光はゴースト像あるいはフレアー光として視認されやすくなる。
【０００５】
次に、広い範囲を映せる凸面鏡の広角反射鏡を用いることにより、反射した映像は縮小して観察される。したがって、観察する映像の画角を広くするには拡大反射鏡の倍率を上げなければならない。しかし、拡大反射鏡の倍率をいたずらに上げると大きな収差が発生する恐れがあり、特に周辺部の像がボケたり歪んでしまい良好な画像が得にくくなるという問題がある。
次に、装置構成部材のレイアウト上の問題がある。つまり、上記従来例の構成では広角反射鏡が反射型ＬＣＤパネルと拡大反射鏡に対してややずれた位置に向かい合わせに配設されている。したがって、観察される映像の光軸が偏心した状態にあり、画像には非軸対称の収差が発生しやすく、この非軸対称の収差は単純な一定曲率の拡大反射鏡を使用するだけでは取り除くことができない。このように観察される映像の光軸が偏心した状態では、画角を大きくすればするほど観察する画像が歪んだり、ボケたりして良好な映像を得にくい。
【０００６】
さらに、小画面を透過型ＬＣＤパネルとして照明装置の代わりに前方より来る外光を利用する構成は、外光を直接照明光として入射させることと、透過型ＬＣＤパネルに直接外光を入射させることによる不具合がある。つまり、透過型ＬＣＤパネルに直接外光を入射させると、照明が不均一になり観察される映像に明るさむらが生じる。また、透過型ＬＣＤパネルを使用するため、透過率を稼ぐことが難しくなる。
【０００７】
本発明は、上記不具合を解決すべく提案されるもので、コンパクトな本体でありながら、照明光の一部が不要光として直接眼に入射することなく、明るくて良好な映像を観察できる頭部装着型ディスプレイ装置を提供することを目的としたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る頭部装着型ディスプレイ装置の発明は、
反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、
前記反射光を形成する照明手段と、
前記反射型映像表示素子と前記照明手段との間に配設され、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、
半透過反射面と、
凹面形状の反射面と、
前記照明手段と前記半透過反射面との間に設けた第１の偏光板と、
前記半透過反射面と観察者との間に設けられ、偏光方向が前記第１の偏光板と直交する第２の偏光板と、
前記半透過反射面と前記凹面形状の反射面との間に設けたλ／４波長板とを有し、
前記照明手段からの照明光を前記第１の偏光板および前記半透過反射面を経て前記反射型映像表示素子に導き、該反射型映像表示素子での反射光を前記半透過反射面および前記λ／４波長板を経て前記凹面形状の反射面で反射させ、該反射光を前記λ／４波長板、前記半透過反射面および前記第２の偏光板を経て観察者に導くようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
請求項１に係る発明によると、照明手段からの照明光が第１の偏光板および半透過反射 面を経て反射型映像表示素子に導かれ、該反射型映像表示素子での反射光が半透過反射面およびλ／４波長板を経て凹面形状の反射面で反射され、さらにλ／４波長板、半透過反射面および第２の偏光板を経て観察者の眼球に導かれて、反射型映像表示素子に表示された映像が観察される。
【００１０】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明していく。
図１は、装置を使用している状態を示した図である。図中１は、ディスプレイ装置本体を示し、観察者の顔面に保持されるよう支持部材を介して頭部に固定する。この支持部材は一端がディスプレイ装置本体１に接合され、観察者のこめかみから耳上部にかけて延在する左右の前フレーム２と、この前フレーム２の他端に接合され観察者の側頭部を渡るように延在する左右の後フレーム３と、この後フレーム３の他端同士を結合するように設けられた頭頂フレーム４を有している。 また、前フレーム２における後フレーム３との接合部近傍には、弾性体例えば金属板バネ等で形成されたリアプレート５が接合されている。このリアプレート５は、観察者の後頭部から首のつけ根にかかる部分で耳の後方に位置するリアカバー６に支持されている。７は音響スピーカーである。
【００１１】
映像・音声信号等を外部から送信するためのケーブル８は、一端が図示されていない電装部品に接続され、頭頂フレーム４、後フレーム３、前フレーム２、リアプレート５の内部を通りリアカバー６の後端部から外部に引き出されている。 さらに、ケーブル８の他端はビデオ再生装置９に接続されている。９ａはビデオ再生装置９のスイッチやボリュウム調整部である。
なお、ケーブル８は先端をジャックにして、既存のビデオデッキ等に接続可能にしてもよい。また、ＴＶ電波受信用チューナに接続してＴＶ鑑賞用としてもよく、コンピュータに接続してコンピュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、コードを用いずアンテナを接続して外部からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。
【００１２】
図２Ａ，Ｂ、図３は、本発明とともに開発した第１参考例における装置の概要断面図である。ここで装置とは、照明手段と反射型映像表示素子と接眼光学系を有するものである。図中、図２Ａと図３では照明手段として蛍光管１０と円柱形の集光用凹面鏡１１と拡散板１２を設けている。一方、図２Ｂでは照明手段として平板型蛍光管１３を用いている。
なお、蛍光管１０と円柱形の集光用凹面鏡１１の代わりに小型のランプ球と半球形の集光用凹面鏡を用いてもよい。
反射型映像表示素子としては、反射型ＬＣＤパネル１４を用いる。この反射型ＬＣＤパネル１４は、透過型液晶パネルに比較して電極部を画素として利用できる特徴があるため、開口率とコントラストの向上を図れる。
接眼光学系は、図２Ａ、図３の場合はハーフミラー１５と全反射の拡大凹面鏡１６を有している。この点、図２Ｂに示すように、ハーフミラー面１７ａを有するビームスプリッタ１７と、凸面を反射面１８ａにした平凸レンズ１８とを一体にしたプリズム光学系１９で構成してもよい。
【００１３】
次にレイアウトであるが、図２Ａ、図２Ｂに示すように、上部に照明手段、下部に表示系を配設して向かい合わせ、両者の間に接眼光学系を配設する。この場合、接眼光学系を形成する拡大凹面鏡１６あるいは平凸レンズ１８の反射面は、観察者の眼２０の前方に位置するようになっている。
また、図３に示すように、上部に表示系、下部に接眼光学系の一部を形成する拡大凹面鏡１６、観察者の眼２０の前方に照明手段を配設し、それらの間に他の接眼光学系を配設してもよい。なお、以上のレイアウトは上下を反転させた構成であってもよい。
【００１４】
以上のごとく構成されている第１参考例の作用を図２Ａを参照しながら説明する。先ず図示されていない電源をＯＮにして、装置が動作する状態にする。すると、蛍光管１０が発光し光は拡散板１０で直接散乱されるか、一旦集光用凹面鏡１１で反射してから拡散板１０で散乱される。このように、拡散板１０を配設することにより光が均一に散乱され、むらの少ない照明光を得ることができる。
次に、照明光は、ハーフミラー１５を透過し、反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー１５で反射し拡大凹面鏡１６に向かい、ここで反射しハーフミラー１５を透過して眼２０に導かれる。このように拡大凹面鏡１６を利用することにより、反射型ＬＣＤパネル１４に映し出された映像は拡大された虚像として観察される。
【００１５】
図２Ｂの場合についても、平行型蛍光管１３から出射された光の眼２０に至るまでの光路は同様であるので、説明を省略する。なお、図２Ｂの場合は、平行型蛍光管１３からの光であるので、拡散板１２は用いていない。
図３の場合は、蛍光管１０からの光は拡散板１０で散乱されてハーフミラー１５に向かい、ここで反射されて反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー１５を透過して拡大凹面鏡１６に向かい、ここで反射しハーフミラー１５で反射されて眼２０に導かれる。
【００１６】
このように第１参考例によれば、照明光にむらが少なく、反射型ＬＣＤパネルの使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、ハーフミラーと拡大凹面鏡を用い光路を屈曲させているので、表示系がコンパクトになるとともに、非軸対称の収差の発生がなくなり良好な映像の観察が可能となる。また、接眼光学系にプリズム光学系を用いた場合は、表示系をよりコンパクトにできるとともに、アイリリーフを長くとることができるという効果がある。
【００１７】
図４，図５Ａ，Ｂは本発明とともに開発した第２参考例を示したもので、第１参考例と対応する箇所には同一符号を付した（以下の参考例、実施例についても同様）。第２参考例では、照明手段からの照明光を、ハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過させずに、反射型ＬＣＤパネル１４に斜め方向あるいは側面方向から照射させるようにしている。
つまり、図４では、照明手段を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を拡大凹面鏡１６の横に配設して、反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。なお、照明手段に小型化するため小型の蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を設けているが、拡散板を設けていない。小型の拡散板を設けてもよいことはいうまでもない。
【００１８】
図５Ａでは、照明手段を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を拡大凹面鏡１６とハーフミラー１５との間に配設して、反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４とハーフミラー１５を通常の位置より傾けて配設している。
図５Ｂでは、照明手段を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１をハーフミラー１５と反射型ＬＣＤパネル１４の間に配設して、反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４とハーフミラー１５を通常の位置より傾けて配設している。なお、照明手段の照明光をハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過させないようにする各部材のレイアウトは、以上の構成に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００１９】
このように構成されている第２参考例の作用を説明すると、蛍光管１０からのの光は集光用凹面鏡１１で反射された後、反射型ＬＣＤパネル１４を直接照射し反射型ＬＣＤパネ ル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー１５を透過した後、拡大凹面鏡１６とハーフミラー１５で反射し観察者の眼２０に導かれる（図４）。あるいは反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、ハーフミラー１５と拡大凹面鏡１６で反射した後、ハーフミラー１５を透過して観察者の眼２０に導かれる（図５Ａ，Ｂ）。
【００２０】
このように第２参考例によれば、反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、ハーフミラーと拡大凹面鏡を用いているので、表示系がコンパクトになるとともに、非軸対称の収差の発生がなくなり良好な映像の観察が可能となる。
さらに、第１参考例では照明装置からの照明光がハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過した後（図２Ａ、Ｂの場合）、またはハーフミラーで反射された後（図３の場合）、反射型ＬＣＤパネルに入射するようになっていたため、照明光の一部が観察者の眼に到達することととなり、この光はフレアー光となって映像を白っぽくしていたが、第２参考例では照明光そのものが眼に入射することが避けられ、不要光の少ないクリアな映像を観察できるようになった。
【００２１】
図６Ａは、本発明の一実施例を示したものである。本実施例では、照明装置からの照明光を偏光させ、ハーフミラー、ハーフミラー面、反射型ＬＣＤパネルからの不要光を遮断する構成としたものである。
つまり図６Ａに示すように、上部に照明手段、下部に表示系を配設して向かい合わせ、両者の間に接眼光学系を配設する。この場合、接眼光学系を形成する平凸レンズ１８の反射面は、観察者の眼２０の前方に位置するようになっている。
【００２２】
また、照明手段である平板型蛍光管１３と接眼光学系であるプリズム光学系１９の間に第１の偏光板としての偏光板（Ｐ）２１を設け、プリズム光学系１９と観察者の眼２０の間に第２の偏光板としての偏光板（Ｓ）２２を設けている。さらに、プリズム光学系１９を形成するビームスプリッタ１７と平凸レンズ１８との間にλ／４波長板２３を設けている。
ここで、各偏光板についてみると、平板型蛍光管１３とプリズム光学系１９の間の偏光板（Ｐ）２１は、プリズム光学系１９と観察者の眼２０の間の偏光板（Ｓ）２２とは直交する方向に位置させてあるとともに、ビームスプリッタ１７と平凸レンズ１８との間のλ／４波長板２３とも直交する方向に位置させてある。
また、平板型蛍光管１３とプリズム光学系１９の間の偏光板（Ｐ）２１の向きはＰ偏光にし、プリズム光学系１９と眼２０の間の偏光板（Ｓ）２２の向きはＳ偏光にしている。
【００２３】
以上のごとく構成されている本実施例の作用を説明する。平板型蛍光管１３からの照明光は、偏光板（Ｐ）２１、ビームスプリッタ１７を透過し、反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー面１７ａで反射しλ／４波長板２３を透過し平凸レンズ１８の反射面１８ａに向かい、ここで反射しλ／４波長板２３、ビームスプリッタ１７、偏光板２２（Ｓ）を透過して眼２０に導かれる。
【００２４】
この場合、照明手段から観察者の眼に至るまでの光の偏光の向きは、偏光板（Ｐ）２１からλ／４波長板２３に至るまではＰ偏光で、平凸レンズ１８反射面１８ａで反射してλ／４波長板２３を透過するとＳ偏光になり、偏光板（Ｓ）２２を透過して眼２０に導かれるまではそのままである。
一方、平板型蛍光管１３から出射されハーフミラー面１７ａで反射された照明光の偏光の向きはＰ偏光であるため、眼２０の前方に位置する偏光板（Ｓ）２２で遮断される。また、反射型ＬＣＤパネル１４で散乱された光がハーフミラー面１７ａを透過して眼２０に向かう場合もＰ偏光のままであるため、眼２０の前方に位置する偏光板（Ｓ）２２で遮断される。
このように本実施例によれば、反射型ＬＣＤパネルの使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。
さらに照明装置からの照明光がハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過または反射した後、反射型ＬＣＤパネルに入射するようになっていると、照明光の一部はハーフミラーあるいはハーフミラー面で反射または透過されて眼に到達することととなり、この光はフレアー光となって映像を白っぽくしていたが、本実施例では照明光そのものあるいは散乱光を偏光させることにより眼に入射することが避けられ、不要光の少ないクリアな映像を観察できるようになった。
【００２５】
図６Ｂは、本発明とともに開発した第３参考例を示すもので、照明装置を形成する蛍光管１０、集光用凹面鏡１１からの照明光が異形プリズム光学系２４を介して反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４と異形プリズム光学系２４の偏光ハーフミラー２５を通常の位置より傾けるように構成している。
このように、接眼光学系は平凸レンズ１８、偏光ハーフミラー２５を有する異形プリズム光学系２４として一体化している。また、照明装置と異形プリズム光学系２４との間に偏光板２６を設け、異形プリズム光学系２４を形成する偏光ハーフミラー２５と平凸レンズ１８の反射面１８ａとの間にλ／４波長板２３を設けている。
また、反射型ＬＣＤパネル１４の偏光の向きは、照明装置と異形プリズム光学系２４との間の偏光板２６の向きと同じで、偏光ハーフミラー２５で反射する偏光の向きと同じにしてある。ここではＳ偏光の向きにしてある。なお、照明装置の照明光を偏光させるための各部材のレイアウトは、以上の構成に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００２６】
以上のごとく構成されている図６Ｂの作用を説明する。蛍光管１０からの光は集光用凹面鏡１１で反射された後、偏光板２６、異形プリズム光学系２４を透過し反射型ＬＣＤパネル１４を直接照射し反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報として偏光ハーフミラー２５で反射し、さらにλ／４波長板２３を透過して平凸レンズ１８に向かい反射面１８ａで反射し、λ／４波長板２３、偏光ハーフミラー２５を透過して観察者の眼２０に導かれる。
【００２７】
この場合、照明手段から観察者の眼に至るまでの光の偏光の向きは、偏光板２６からλ／４波長板２３に至るまではＳ偏光で、平凸レンズ１８の反射面１８ａで反射してλ／４波長板２３を透過するとＰ偏光になり、偏光ハーフミラー２５を透過して眼２０に導かれるまではそのままである。
一方、反射型ＬＣＤパネル１４で散乱された光が眼２０に向かう場合はＳ偏光のままであるため、偏光ハーフミラー２５で遮断される。
【００２８】
このように第３参考例においても、反射型ＬＣＤパネルの使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。
さらに照明装置からの照明光がハーフミラーあるいはハーフミラー面を透過または反射した後、反射型ＬＣＤパネルに入射するようになっていると、照明光の一部はハーフミラーあるいはハーフミラー面で反射または透過されて眼に到達することととなり、この光はフレアー光となって映像を白っぽくしていたが、第３参考例においても照明光そのものあるいは散乱光を偏光させることにより眼に入射することが避けられ、不要光の少ないクリアな映像を観察できるようになった。
【００２９】
図７は、本発明とともに開発した第４参考例を示したものである。この参考例ではハーフミラー面と反射面としての凹面鏡を有する接眼光学系を、反射面を無くして少なくとも１枚以上の凸レンズを有する屈折系の接眼光学系２７として構成している。
また、接眼光学系２７の前方には反射型ＬＣＤパネル１４を配設し、この反射型ＬＣＤパネル１４の両側部近傍にそれぞれ蛍光管１０、集光用凹面鏡１１を有する照明装置を設けてある。
【００３０】
このように構成されている第４参考例では、蛍光管１０ａ，１０ｂから出射された照明光は、直接あるいは集光用凹面鏡１１ａ、１１ｂで反射されて反射型ＬＣＤパネル１４に入射する。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報として接眼光学系２７を透過し、観察者の眼２０に導かれる。
以上のごとくこの第４参考例では、前記実施例および参考例と同様に反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、屈折系の接眼光学系２７を使用しているので、反射面を利用するものに比較し光学系自体が簡素化されるとともに、コストの低減化を図れるという効果がある。
【００３１】
図８は、本発明とともに開発した第５参考例を示したものである。この参考例では、反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光を反射させて観察者の眼２０に導く反射面を、偏心するように配設している。そして、この反射面をアナモルフィック反射面２９としている。また、照明装置はランプ球２８と集光用凹面鏡１１を有し、アナモルフィック反射面２９の側部近傍に配設している。なお、必要に応じて、反射型ＬＣＤパネル１４とアナモルフィック反射面２９との間にリレー光学系を挿入してもよい。
【００３２】
このように構成されているので、ランプ球２８から出射された照明光は、直接あるいは集光用凹面鏡１１で反射されて反射型ＬＣＤパネル１４に入射する。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてアナモルフィック反射面２９に向かいここで反射され、観察者の眼２０に導かれる。
この場合、反射型ＬＣＤパネル１４は反射面に対して偏心しているため、反射面を一定曲率の凹面に形成すると、観察される映像に非軸対称の収差が生じてしまう。しかし、第５参考例のように反射面にアナモルフィック反射面２９を用いることにより、非軸対称の収差を補正することができる。
以上のごとく構成されている第５参考例では、前記実施例および参考例と同様に反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、偏心したアナモルフィック反射面２９を用いることにより、簡素な構成でありながら画角を広げることができ良好な映像を観察できるようになる。
【００３３】
図９Ａ，Ｂ、図１０は、本発明とともに開発した第６参考例を示したものである。この参考例では、前記実施例における照明手段と異なり、蛍光管と集光用凹面鏡、あるいは平板型蛍光管を用いず、外光を照明光として用いている。
図９Ａは、上方に照明手段からの外光を取り入れる外光採り入れ部、下部に表示系である反射型ＬＣＤパネル（反射型映像表示素子）１４を配設して向かい合わせ、両者の間に接眼光学系を配設する。この場合、接眼光学系をハーフミラー面１７ａを有するビームスプリッタ１７と、凸面を反射面１８ａにした平凸レンズ１８とを一体にしたプリズム光学系１９で構成している。
【００３４】
照明手段としては外部照明機器３０を用い、外光採り入れ部には窓３１が設けられ、この窓３１には拡散板１２が付設されている。なお、窓３１、拡散板１２の配設位置は反射型ＬＣＤパネル１４との対応関係で最適な位置を選択すればよく、上方に限定されるものではない。また、窓３１には集光用のレンズを取り付けておいてもよい。また、拡散板１２にはすりガラス、乳白板、微細なマイクロレンズを集積したプレート、回折格子板等を適宜選択使用すればよい。
【００３５】
このように構成されているので、外部照明機器３０からの外光は拡散板１２で散乱された後、プリズム光学系１９に導かれる。次に、外光である照明光は、ハーフミラー面１７ａを透過し、反射型ＬＣＤパネル１４を照射して、反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。
反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてハーフミラー面１７ａで反射し平凸レンズ１８に向かい、反射面１８ａで反射し再びハーフミラー面１７ａを透過して眼２０に導かれる。
【００３６】
図９Ｂでは、窓３１と拡散板１２を拡大凹面鏡１６とハーフミラー１５との間に配設し、外部照明機器３０からの外光が反射型ＬＣＤパネル１４を斜め方向から直接照射するようにしている。また、反射型ＬＣＤパネル１４とハーフミラー１５を通常の位置より傾けて配設している。
このように構成されているので、外部照明機器３０からの外光は拡散板１２で散乱された後、反射型ＬＣＤパネル１４を直接照射し反射型ＬＣＤパネル１４に表示された映像が照明光によって照らし出される。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、ハーフミラー１５と拡大凹面鏡１６で反射した後、ハーフミラー１５を透過して観察者の眼２０に導かれる。
【００３７】
図１０では、反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光を反射させて観察者の眼２０に導く反射面を、偏心するように配設している。そして、この反射面をアナモルフィック反射面２９としている。また、窓３１と拡散板１２をアナモルフィック反射面２９の側部近傍に配設している。
このように構成されているので、外部照明機器３０から出射された照明光は、拡散板１２で拡散され反射型ＬＣＤパネル１４に入射する。反射型ＬＣＤパネル１４で反射した光は、映像情報としてアナモルフィック反射面２９に向かいここで反射され、観察者の眼２０に導かれる。
【００３８】
以上のごとく構成されている第６参考例では、前記実施例と同様に反射型ＬＣＤパネル１４の使用によって明るくコントラストのよい映像が得られる。さらに、照明光として外光を利用するようになっているので、消費電力を少なく押さえることができるという効果がある。
【００３９】
以上の実施例、参考例に記載された内容は、以下のように捉えることもできる。
１．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する照明手段と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けるとともに、前記接眼光学系に凹形状の全反射部材を設け、接眼光学系により形成される光軸に対し表示面が略直交するように反射型映像表示素子を設けたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第１項によれば、反射型映像表示素子を用いているので、得られる映像が明るく高コントラストになる。また、全反射部材を用いているので、得られる映像が明るく、さらに光路が屈曲されることにより表示系がコンパクトになる。
【００４０】
２．前記接眼光学系にビームスプリッタと全反射する凹面形成の反射部材を設けるとともに、前記反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に前記反射部材の反射面を位置するように構成したことを特徴とする第１項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第２項によれば、ビームスプリッタと凹面形成の反射部材を用いているので、表示系がきわめてコンパクトになる。また、反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に反射部材の反射面を位置するようにしているため、光軸が屈曲していても偏心しないため、非軸対称の収差の発生を防止できる。
【００４１】
３．前記ビームスプリッタをプレートまたはキューブ状のハーフミラーとしたことを特徴とする第２項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第３項によれば、ビームスプリッタとキューブ状の反射部材を用いているので、表示系がきわめてコンパクトになる。
【００４２】
４．前記接眼光学系に、ビームスプリッタと凹面形成の反射部材を一体化したプリズムを設けたことを特徴とする第２項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。 第４項によれば、プリズムを用いたので表示系がコンパクトになるとともに、眼と接眼光学系の間のアイリリーフを長くとることができる。
【００４３】
５．前記接眼光学系の光路中に、互いに直交する第１の偏光板と第２の偏光板さらにλ／４波長板を設けるとともに、前記第１の偏光面は前記ビームスプリッタの前記照明手段側に、第２の偏光面は前記ビームスプリッタの観察者側に、前記λ／４波長板は前記ビームスプリッタと前記凹面形成の反射部材との間にそれぞれ設け、前記第１の偏光面の向きは前記反射型映像表示素子の偏光面の向きと同じにしたことを特徴とする第２項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第５項によれば、光学系の光路中に互いに直交する第１の偏光板と第２の偏光板さらにλ／４波長板を設けたので、照明手段からの照明光あるいは反射型映像表示素子からの散乱光が不要光として遮断される。
【００４４】
６．前記凹形状の全反射部材をアナモルフィック反射部材で形成するとともに前記アナモルフィック反射部材に対して偏心した位置に前記反射型映像表示素子を配設したことを特徴とする第１項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第６項によれば、アナモルフィック反射部材に対して偏心した位置に反射型映像表示素子を設けているので、発生する非軸対称の収差を補正しながら、画角を広くすることができる。
【００４５】
７．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する照明手段と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けるとともに、前記接眼光学系に１枚以上の凸レンズを含む屈折系のレンズを設けたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第７項によれば、反射型映像表示素子を用いているので、得られる映像が明るく高コントラストになる。また、屈折系の接眼光学系を用いているので、装置構成の簡素化、組み立て容易性、低コスト化を図れる。
【００４６】
８．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する外界光を導入する位置に配設した拡散板と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第８項によれば、反射型映像表示素子を用いているので、得られる映像が明るく高コントラストになる。また、照明光として外界光を用いるため、消費電力を低く押さえることができる。
【００４７】
９．前記拡散板として、すりガラス、乳白板、マイクロレンズ板、回折格子のいずれかを選択使用することを特徴とする第８項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第９項によれば、外界光をむらなく均一に導入することができる。
【００４８】
１０．反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、前記反射光を形成する照明手段と、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系を設けるとともに、前記反射型映像表示素子を液晶表示素子で形成し、前記照明手段は前記液晶表示素子から観察者の眼球までの光路外に配設したことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
第１０項によれば、液晶表示素子で形成した反射型映像表示素子を用いたので観察する映像が明るく、高コントラストになる。また、照明手段を観察者の眼球までの光路外に配設したので、照明系が直接眼に入射することを防止でき、フレアー光を低減することができる。
【００４９】
１１．前記接眼光学系にビームスプリッタと全反射する凹面形成の反射部材を設けるとともに、前記反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に前記反射部材の反射面を位置するように構成したことを特徴とする第１０項記載の頭部装着型ディスプレイ装置。
第１１項によれば、ビームスプリッタと凹面形成の反射部材を用いているので、表示系がきわめてコンパクトになる。また、反射型映像表示素子からの反射光光軸に対し直交する方向に反射部材の反射面を位置するようにしているため、光軸が屈曲していても偏心しないため、非軸対称の収差の発生を防止できる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下の効果を奏する。
請求項１に係る発明によると、照明手段からの照明光を第１の偏光板および半透過反射面を経て反射型映像表示素子に導き、該反射型映像表示素子での反射光を半透過反射面およびλ／４波長板を経て凹面形状の反射面で反射させ、さらにλ／４波長板、半透過反射面、および第１の偏光板とは偏光方向が直交する第２の偏光板を経て観察者の眼球に導くようにしたので、全体として、コンパクトな本体でありながら、照明光の一部が不要光として直接眼に入射するのを防止できると共に、偏光板の使用によって照明光の利用効率を高めることができ、明るくて良好な映像を観察者に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 装置を使用している状態を示した斜視図である。
【図２】 本発明とともに開発した第１参考例に係る装置の概要断面図である。
【図３】 同第１参考例に係る装置の概要断面図である。
【図４】 本発明とともに開発した第２参考例に係る装置の概要断面図である。
【図５】 同第２参考例に係る装置の概要断面図である。
【図６】 本発明の一実施例に係る装置の概要断面図、および本発明とともに開発した第３参考例に係る装置の概要断面図である。
【図７】 本発明とともに開発した第４参考例に係る装置の概要断面図である。
【図８】 本発明とともに開発した第５実施例に係る装置の概要断面図である。
【図９】 本発明とともに開発した第６参考例に係る装置の概要断面図である。
【図１０】 同第６参考例に係る装置の概要断面図である。
【図１１】 従来例に係る装置を使用している状態を示した斜視図である。
【符号の説明】
１３ 平板型蛍光管
１４ 反射型ＬＣＤパネル
１７ ビームスプリッタ
１７ａ ハーフミラー面
１８ 平凸レンズ
１８ａ 反射面
１９ プリズム光学系
２０ 眼
２１，２２ 偏光板
２３ λ／４波長板
Claims (1)
- 反射光により映像を表示する反射型映像表示素子と、
前記反射光を形成する照明手段と、
前記反射型映像表示素子と前記照明手段との間に配設され、前記映像を観察者の眼球に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、
半透過反射面と、
凹面形状の反射面と、
前記照明手段と前記半透過反射面との間に設けた第１の偏光板と、
前記半透過反射面と観察者との間に設けられ、偏光方向が前記第１の偏光板と直交する第２の偏光板と、
前記半透過反射面と前記凹面形状の反射面との間に設けたλ／４波長板とを有し、
前記照明手段からの照明光を前記第１の偏光板および前記半透過反射面を経て前記反射型映像表示素子に導き、該反射型映像表示素子での反射光を前記半透過反射面および前記λ／４波長板を経て前記凹面形状の反射面で反射させ、該反射光を前記λ／４波長板、前記半透過反射面および前記第２の偏光板を経て観察者に導くようにしたことを特徴とする頭部装着型ディスプレイ装置。
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