JP3833207B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ及びはヘルメットディスプレイ、めがね型ディスプレイ、バーチャルリアリィティディスプレイに適した表示装置に関するもので、特にコンパクトな反射光学系に関するものである。

従来ヘッドアップディスプレイに関しては、多くの特許文献が存在し、航空機用のヘルメットに関するものが多い。まず第１に特許文献１のようにＣＲＴ等の画像をレンズ系を通して１回結像させる１次結像タイプ。第２としては、特許文献２のように画像から光を結像させずに眼球に導き虚像を作る虚像タイプ。またこの特許は、反射光学系の反射鏡のパワーをやや強くし、眼球の直前に一般的に置かれる、像を拡大する凸レンズを取り除き、さらにＣＲＴ画面が人間の頭の方向に傾くよう、反射鏡とＣＲＴを設定し、コンパクト化している。第３のタイプとしては特許文献３のように、反射光学系をコンパクトにするためにプリズムを利用したプリズムタイプ。またプリズムを利用した１次結像タイプとしては特許文献４、プリズムを利用した虚像タイプとしては特許文献５等がある。

処でゴーグル形ディスプレイの様な小型で軽い構造を求めている場合には前述した１次結像タイプは光学性能はよいが、多くのレンズ枚数が必要で大型化してしまう、またプリズムタイプはコンパクトにはなるが重くなってしまう。そこで小型軽量の点では虚像タイプが好ましいが、光学性能はあまりよくはない。この点前述した特許文献２は、反射光学系の反射面をトーリック面、さらにオリジナル画像面自体をトーリック面として良好な光学性能を得ている。しかしながらＣＲＴ等のフラットな画像面を、トーリック面に変換するにはグラスファイバー等により行わなければならず、技術的にむずかしく、コスト的に高い。また実施例では、最終面からアイポイントまでの距離ＩＰが６０ｍｍ以上あり、コンパクト化を防げる１つの原因になっている。

尚、本出願では、アイポイントは後述の図２に示すように、像の長辺方向最大像高光束のうち、その中心光束が目の光軸と交わる点をアイポイントと定義している。そして目の光軸上で最終有効面からアイポイントまでの距離をＩＰとしている。尚、最終有効面は防塵用窓のガラスなどは含まない。
米国特許第３９４０２０４号明細書 米国特許第４０２６６４１号明細書 米国特許第４９６９７２４号明細書 米国特許第４８５９０３０号明細書 米国特許第４０８１２０９号明細書

本発明は、頭部に装着できる程度に小型で軽量化が可能でありながら像性能の良好な表示装置の提供を課題としている。

上記課題を解決するため、本発明では、オリジナル画像を眼球に導く反射光学系を有し、そのオリジナル画像を観察可能とする装置において、反射光学系は、アジムス（ａｚｉｍｕｔｈ）の方向によりパワーが異なる反射面と、他の部材を介することなくオリジナル画像に隣接し、アジムスの方向によりパワーが異なる屈折面とを有し、その反射面と屈折面が共に、オリジナル画像、反射面、屈折面、そして眼球と交わる平面内で非球面作用を持つ形状とした。

尚、付言すればこの装置は、一般にフラットな基準面としてのオリジナル画像を反射光学系を介して虚像とするもので、その中の反射面はパワーを持ち、眼の直前に像を拡大する正レンズを設けなくても良い。一方、別の観点で言えば、オリジナル画像を反射光学系を介して眼球に導き、観察可能とする装置において、反射光学系中にはアジムスの方向によりパワーが異なる部材を１つ以上設け、且つ反射光学系を通して得られる像が歪みを生じない様にオリジナル画像を形成する。更に以下の構成を考慮することが望ましい。

即ち眼に導きかれる像中心光束の中で、眼球直前の反射部材の入射中心光線とその射出光線のなす角度θを望ましくは１０°以上８０°以下に設定することにより、オリジナル画像を提供する陰極線管（ＣＲＴ）あるいは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を人間の頭の方に近づけコンパクト化するのに有効である。
１０°≦θ≦８０° ・・・・・（１）

この時、反射鏡はパワーを持っているため、θが大きくなれば成る程、偏芯収差（特に偏芯非点収差、偏芯像面湾曲）が発する。この偏芯収差を小さくするために、反射面をトーリック面のようなアジムス方向によりパワーが違う部材を使用する。図１はトーリック面の説明図でアジムス角ω（０≦ω≦１８０°）により曲率半径が異なる。

またコンパクトなゴーグル型ディスプレイの場合、めがねをかけた人でも、前述したＩＰの距離は５０ｍｍあれば十分である。そこでＩＰを５０ｍｍ以下に設定すると、コンパクト化できるだけでなく、特許文献２のように反射鏡において軸外光束が中心光束に比べかなり周辺付近で反射されるのに対し、軸外光束がかなり反射鏡の中心付近で反射されるため、前述した偏芯収差の発生を少なくすることができた。
５ｍｍ≦ＩＰ≦５０ｍｍ ・・・・・（２）
を満足するのが好ましい。

また反射光学系で発生した偏芯ディストーションを像上でキャンセルするようオリジナル画像を図７の形状に補正すれば、反射光学系では偏芯ディストーションを放置（ｆｒｅｅ）できる。そのため反射光学系のレンズ枚数を少なくできコンパクト化ができ、かつ平面の画像を拡大投影して虚像を作ってもディストーション及び諸収差が小さいものができる。更に反射鏡に、少なくとも１つ以上のアジムス方向の断面で、非球面作用を持たせたことにより、前述した偏芯収差を少なくすることも可能にした。尚、図８は観察する画面の形状である。図７の形状は、液晶表示器の表示面自体がこの形状を映出する様に各画素を配置して製造するか、あるいはビデオ信号に電気的処理を施して歪みを与えておく方法などを採用できる。

以上述べた様に光学系の最終光学面からアイポイントまでの距離ＩＰを短かめに設定し、オリジナル画像からの画像補正にトーリック非球面（トーリック面を基礎面として非球面化した面）を採用したことにより、グラスファイバーの様な変換素子を使用せず、例えフラットなオリジナル画像を投影した場合でも良好な性能を得ることができた。

上述した条件式の極値の意味であるが、条件式（１）の下限については、１０°よりも小さくなると、ＩＰの値をかなり大きな値にしないとオリジナル画像の部分（ＬＣＤ、ＣＲＴ）が人間の顔にぶつかってしまい、大型化してしまう。また上限は、この値を越えると、偏芯収差の発生が多きすぎ、これを補正しようとするとやはり大型化してしまう。

また条件式（２）の下限に付いては、この値以下だと、目を一般的な観察位置（ＩＰ２０ｍｍ）に置いた時、全く像が見えなくなってしまう。上限については前述した通りである。他方、眼球直前の反射部材に関しオリジナル画像、反射部材、眼球が光学上同一平面内に存る時のアジムス方向のパワーをψ０、その平面と垂直な平面におけるアジムス方向のパワーをψ９０としたとき、
０．３＜ψ０／ψ９０＜１．２ ・・・・・（３）
の条件を満足するのが望ましい。但し、パワーは焦点距離の逆数である。条件式（３）の下限値の意味は、この値を越えるとψ９０が大きくなり、ψ９０のアジムス方向の光線がアンダーになり、マイナスのディオプターが強くなり過る。逆に上限を越えた時はψ０が大きくなり、ψ０のアジムス方向の光線に偏芯コマ収差の発生が大きくなる。

更にオリジナル画像と反射部材の間にフィールドレンズを設けることが好ましく画像を小さくするのに役立つ。ことにフィールドレンズの屈折面にトーリック非球面を採用することにより光学性能を向上させるのに有効で、特に非点隔差を小さくすることができる。

後述の本例は主に、左眼用、右眼用独立した反射光学系としている。米国特許第５００６０７２号明細書、米国特許第５０００５４４号明細書等は、左眼用、右眼用共通の反射面を定義し、像を形成している左右共用型反射光学系がある。共通の反射面ということは、反射面の面頂点が１つしか存在しない。周知の通り、面頂点から離れた部分を光が透過または反射される際は高次収差が大きく発生する。従って面頂点が１つの反射曲面を左眼用光路と右眼用光路が使用する場合、両光路とも面頂点からかなり離れた部分で反射されなければならず、高次収差の発生が大きい。そのため像の画角を小さくする。または大型化する等の欠点が生じ易い。

そこで本例は、左眼用右眼用独立した反射光学系とし、反射光学系中の部材は左眼用右眼用互いに独立した面頂点を持つ様にしている。こうすることにより面頂点付近の部分が光路として使用され、高次収差を抑えコンパクトで高画角の像が達成できた。また左眼用右眼用の部材を連ね、１つ部材としても、左眼用右眼用独立した面頂点は必ず持つ。さらに単眼用と使用しても同様である。

本発明によれば著しく小型で軽量の装置が実現でき、しかも良好な画質の画像を観察できる効果がある。また装置が小型、軽量になるので頭部等に装着した場合でも圧迫感が減少し、身振りの自由度を損うことがないと言う効果が派生する。

まず図１を使って、実施例に関係するトーリック反射面の説明をする。

符番１０はトーリックな凸反射面で、Ｘ軸を光軸とし、Ｘ−Ｚ平面に子線があってψ０方向とし、Ｘ−Ｙ平面に母線があってψ９０方向とする。また子線を非球面としたとき、子線非球面の定義式は、

とする。
非球面係数Ｂ、Ｃの一例としては、
−１．０＜Ｂ＜１．０ ・・・・・（ａ）
−１．０＜Ｃ＜１．０ ・・・・・（ｂ）
即ちＢ、ＣともＯにならない。（ａ）（ｂ）式の下限を下回ると負レンズとして非球面作用が強すぎ、上限を越えると正レンズの非球面作用が強くなり過ぎる。また面頂点付近の非球面形状に関しては面頂点から離れる程、面頂点でのパワーを更に強める方向の非球面形状とすることにより反射光学系で生じる偏芯コマ収差を良好にできる。

図２はゴーグル型表示装置の右眼用について上方から図式的に描いている。但し、装置を頭に装着する部材は図示を省いているが、これはバンド式、眼鏡のつるあるいはヘッドギア式などが使用できる。左眼用はほぼ対称構成となる。本例では１インチのオリジナル画像を１ｍ先（−１ディオプター）に投影し、２９インチ程度の大画面の像（虚像）として見ようとするもので、画角としては焦点距離約５０ｍｍのレンズ相当である。

図２で、１１は照明ユニットで、１１ａの光源、１１ｂの放物面鏡、１１ｂのコンデンサレンズから成る。１２はオリジナル画像を提供する液晶表示器で、照明ユニット１１で背面から照明される。但し、１２が小型陰極線管の場合は照明ユニットは不要である。

１３は、後で詳細を述べる反射部材で、内部にトーリック凸反射面を具える。Ｐは観察者のアイポイントで、ＩＰは、無限を見ている眼球の光軸上で反射部材の最終面とアイポイントまでの距離である。

反射部材１３の反射面はトーリック非球面を使用しているが、オリジナル面像と反射部材と眼球が同一平面にある時のアジムス方向の断面に上述の非球面を持たせるのが良い。その理由はこのアジムス方向（ψ０の方向）の方が、この方向と直交するアジムス方向（ψ９０方向）より収差、特に偏芯収差の発生が大きいためである。

以下、数値データを表に記載する実施例について説明する。

これらの実施例では偏芯収差を制御するために種々の方法を使用している。尚、図３は表１、図４は表２、図５は表３、図６は表４に対応する。また図３、図４、図６は頬の側方にオリジナル画像が配置されるタイプ、図５額の前方にオリジナル画像が配置されるタイプである。

図３において、トーリック反射面またはトーリック反射非球面を具える反射部材１３と、表示器１２に隣接したトーリックレンズ面またはトーリック非球面を具えたフィールドレンズ１４を断面図上（ψ０方向）に平行偏芯させている。Ｘ１３は反射部材１３の光軸で、Ｘ１４はフィールドレンズ１４の光軸である。更にフィールドレンズ１４とオリジナル像面１２をチルト（傾斜）させることにより偏芯収差を小さくできる。尚、反射面はハーフミラー等から成り、反射も透過もなされる。

図５も平行偏芯させたフィールドレンズ１４を設けた例である。反射部材１３は外観は平行平面板で、眼球の光軸に対して３５度傾いており、中間面Ｒ５がトーリック反射面もしくはトーリック反射非球面で、２つのガラスでサンドイッチされている。

図６で（Ａ）は側方から見た形態、（Ｂ）は上方から見た形態で、（Ｃ）に反射部材の一部を拡大して斜視形態を示しており微細な反射面を夫々３次元的に角度設定して配置したもので、極限でホログラフィックプレートとなる。反射部材１３は眼球の光軸に対して垂直に置くことができる。その際、反射部材１３を雌型とすると、雄型に当る透明部材を接合して平行平板とすれば、透過使用時に透過光による風景が全く歪みを生じないと言うメリットがある。

上述した図３や図４に示した反射部材１３は、眼球側の反射面裏側の透過面を同一のトーリック面またはトーリック非球面形状とすることで、透過光の歪みは大部分改善され、反射光学系の収差も良好で、重量も軽くできる。

図３、図４、図６は反射部材により水平方向に光線を折り曲げるタイプである。図５は反射部材により垂直方向に光線を折り曲げるタイプである。実施例の反射光学系で作られる像は水平方向が垂直方向よりも長い。即ち左右方向が長辺で上下方向が短辺の長方形の画像となるので、図５の例の様に垂直方向に光線を折り曲げるタイプは、画角の小さな短辺方向に折り曲げるため、長辺方向に折り曲げる水平方向の折り曲げタイプ（図３、図４、図６）に比べて光学系自体を薄くすることができる。

またψ０方向の方がψ９０方向より収差発生が多い傾向がある。図３、図４、図６の水平方向折り曲げタイプはψ０方向が画角の大きい長辺方向の光線であるのに対し、図５の垂直方向折り曲げタイプはψ０方向が画角の小さい短辺方向の光線であるための垂直方向の折り曲げタイプの方が収差発生が少なく良好な性能が得られる。

尚、本発明はヘッドアップディスプレイの１次結像タイプにも応用できる。

トーリック反射面を説明するための斜視図。 本発明の実施例の配置を示す平面図。 本発明の別実施例を示す平面図。 本発明の更に別実施例を示す平面図。 本発明の他の実施例を示す立面図。 本発明の更に他の実施例を示す平面図。 オリジナル画像を示す図。 観察画像を示す図。

符号の説明

１２ オリジナル画像の表示器
１３ 反射部材
１４ フィールドレンズ
Ｐ アイポイント

Claims (5)

1. オリジナル画像を眼球に導く反射光学系を有し、該オリジナル画像を観察可能とする装置において、該反射光学系は、アジムスの方向によりパワーが異なる反射面と、他の部材を介することなく該オリジナル画像に隣接し、アジムスの方向によりパワーが異なる屈折面とを有し、該反射面及び該屈折面は共に、該オリジナル画像、該反射面、該屈折面、そして眼球と交わる平面内で非球面作用を持つ形状であることを特徴とする表示装置。
2. 前記反射面への入射中心光線とその反射射出光線とのなす角度をθとしたとき、
   １０°≦θ≦８０°
   を満たすことを特徴とする請求項１の表示装置。
3. 前記反射面において前記オリジナル画像、前記反射面、前記屈折面、そして眼球と交わる平面内におけるアジムス方向のパワーをψ０、その平面と垂直な平面におけるアジムス方向のパワーをψ９０としたとき、
   ０．３＜ψ０／ψ９０＜１．２
   を満たすことを特徴とする請求項１又は２の表示装置。
4. 前記反射面と前記屈折面はアジムス方向によって曲率半径を異にすることを特徴とする請求項１乃至３いずれかの表示装置。
5. 前記反射面は面頂点を持ち、該面頂点は右眼用反射光学系、左眼用反射光学系で互いに独立に存在していることを特徴とする請求項４の表示装置。

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