JPH06268944A

JPH06268944A - 映像表示装置

Info

Publication number: JPH06268944A
Application number: JP5430093A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takahashi; 浩一高橋; Yuji Ogasawara; 裕司小笠原
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単かつ小型で、広画角が得られる映像表示
装置を提供する。【構成】観察画像を表示する二次元画像表示素子(11)
と、この二次元画像表示素子(11)に表示される観察画像
を拡大投影するように、該二次元画像表示素子(11)と対
向して配置した、焦点距離ｆが、２０ｍｍ≦ｆ≦６０ｍ
ｍ、を満足する凹面鏡(13)と、この凹面鏡(13)で反射さ
れる光束を観察者の眼球内に導くように、該凹面鏡(13)
と二次元画像表示素子(11)との間に配置した光束分岐用
の接合プリズム(12)とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、観察画像を拡大投影
する映像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶パネルを用いたゴーグル型、
ヘルメット型の映像表示装置が開発されている。この種
の装置においては、携帯が容易であり、しかも装着時に
おける疲労感、不快感を少なくするために、小型、軽量
であることが要求され、また観察者が臨場感ある映像を
体験するためには、小さい液晶パネルの画面を拡大視し
て大画面を見ているような効果を有することが要求され
る。

【０００３】この種の従来の映像表示装置としては、例
えば特開平３−１９１３８９号公報に、表示素子、ハー
フミラー、凹面鏡を用いたものが、また米国特許第４２
６９４７６号明細書には、表示素子、リレー光学系、凹
面鏡、ハーフミラーまたは接合プリズムを用いたもの
が、それぞれ提案されている。

【０００４】図７は、特開平３−１９１３８９号公報に
開示された映像表示装置を示すものである。この映像表
示装置においては、液晶パネル１に表示される観察画像
を、その表示面に対して４５°傾斜して配置したハーフ
ミラー２を透過させて凹面鏡３で反射させ、この凹面鏡
３で反射されて拡大された観察画像をハーフミラー２で
反射させて観察者の瞳４に入射させると共に、外界の像
もハーフミラー２を透過させて瞳４に入射させるように
している。

【０００５】一方、両眼で拡大画像を観察する場合に
は、左右の接眼光学系の距離を観察者の瞳孔距離に応じ
て調整する必要がある。この調整機構として、例えば特
開平４−２６２８８号公報には、ラックとピニオンギヤ
とを用いるものが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した映像表示装置
においては、その大きさが凹面鏡の大きさによってほぼ
決定されるが、この大きさを決定するにあったっては、
眼球から装置までの距離（Ｄ；ワーキングズィスタン
ス）を考慮する必要がある。この距離Ｄは、個人差もあ
るが、観察者の目の周りに当たらないようにするために
は、１５ｍｍ以上を必要とする。

【０００７】ここで、図８を参照して、図７に示した映
像表示装置における凹面鏡３の直径Ｌと、半画角ｕとの
関係について説明する。なお、説明の便宜上、図８にお
いては、凹面鏡３から瞳４までの光線を示すと共に、液
晶パネルの画面および凹面鏡３の反射面は正方形とし、
ハーフミラー２と凹面鏡３との間の空気は全体の光路長
に比べて非常に短いので無視している。

【０００８】図８において、瞳径をｄとすると、ハーフ
ミラー２で光束のケラレがない条件は、２×tan ｕ×（Ｌ＋Ｄ）≦Ｌ−ｄとなる。これを、半画角ｕについて表すと、ｕ≦ tan^-1〔（Ｌ−ｄ）／｛２（Ｌ＋Ｄ）｝〕・・・（１）となる。

【０００９】図９は、Ｄ＝１５ｍｍ、ｄ＝６ｍｍとした
とき、上記の（１）式で表されるｕとＬとの関係を示す
もので、グラフの下側部分（斜線で示す）が実現可能な
領域となる。この図９から明らかなように、図７に示す
構成の従来の映像表示装置においては、画角４０°の光
学系を実現しようとすると、凹面鏡３の直径がほぼ６０
ｍｍとなり、全体が非常に大型になってしまうという問
題がある。

【００１０】また、上記の米国特許第４２６９４７６号
明細書に記載された映像表示装置にあっては、リレー光
学系を用いているため、装置全体が大型で、複雑になる
という問題がある。

【００１１】さらに、上記の特開平４−２６２８８号公
報におけるように、左右の接眼光学系の距離を、ラック
およびピニオンギヤを有する調整機構によって調整する
ものにあっては、バックラッシュ等のために精度良く距
離を調整することが困難であると共に、左右の接眼光学
系に不均等な角度誤差が生じ易くなるという問題があ
る。また、ピニオンギヤを観察者の指で発生されるひね
りトルクによって回転させるため、調整機構に十分な耐
久性を持たせる必要があり、これがため全体が重くなる
という問題がある。

【００１２】この発明の第１の目的は、簡単かつ小型
で、広画角が得られるよう適切に構成した映像表示装置
を提供することにある。

【００１３】この発明の第２の目的は、重量を重くする
ことなく、左右の接眼光学系の距離を精度良く、しかも
角度誤差を生じることなく安定して調整し得るよう適切
に構成した映像表示装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、この発明の映像表示装置では、観察画像を表示
する二次元画像表示素子と、この二次元画像表示素子に
表示される観察画像を拡大投影するように、該二次元画
像表示素子と対向して配置した、焦点距離ｆが、２０ｍ
ｍ≦ｆ≦６０ｍｍ、を満足する凹面鏡と、この凹面鏡で
反射される光束を観察者の眼球内に導くように、該凹面
鏡と前記二次元画像表示素子との間に配置した光束分岐
用の接合プリズムとを設ける。

【００１５】また、第２の目的を達成するため、この発
明の映像表示装置では、観察画像を表示する二次元画像
表示素子と、この二次元画像表示素子に表示される観察
画像を拡大投影して観察者の眼球内に導く接眼光学系と
を有する映像表示装置において、前記接眼光学系を右眼
用接眼光学系および左眼用接眼光学系をもって構成する
と共に、これら右眼用接眼光学系および左眼用接眼光学
系を左右対称に直線状に移動させるパンタグラフ機構を
設け、このパンタグラフ機構により前記右眼用接眼光学
系と左眼用接眼光学系との距離を、観察者の瞳孔距離に
応じて調整し得るよう構成する。

【００１６】

【作用】上記第１の発明によれば、二次元画像表示素子
に表示される観察画像は、接合プリズムを経て、焦点距
離ｆが２０ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍの凹面鏡で反射され、さ
らに接合プリズムで反射されて拡大されて観察者の眼球
内に導かれる。

【００１７】上記第２の発明によれば、右眼用接眼光学
系および左眼用接眼光学系は、パンタグラフ機構により
左右対称に直線状に移動し、これにより観察者の瞳孔距
離に応じて、右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系との
距離を調整することが可能となる。

【００１８】

【実施例】図１は、この発明の第１実施例を示すもので
ある。この映像表示装置は、液晶パネル１１、接合プリ
ズム１２および凹面鏡１３を有する。凹面鏡１３は、接
合プリズム１２を介して液晶パネル１１の表示面に対向
して配置する。また、接合プリズム１２は、その接合面
１２ａを液晶パネル１１の表示面に対して４５°傾斜し
て配置すると共に、接合面１２ａには、凹面鏡１３で反
射して入射する光束の一部を反射させるコーティングを
施しておく。

【００１９】このようにして、液晶パネル１１からの光
束を接合プリズム１２に入射させ、その光束の一部を接
合面１２ａを透過させて凹面鏡１３で反射させ、この凹
面鏡１３で反射されて接合プリズム１２に入射する光束
の一部を、接合面１２ａで反射させて観察者の瞳１４に
入射させることにより、液晶パネル１１に表示される観
察画像を拡大して観察し得るようにする。また、外界の
物体から発した光束は、接合面１２ａにおいて一部透過
させて瞳１４に入射させ、これにより外界の像をも観察
し得るようにする。

【００２０】以下、この実施例の映像表示装置における
光学性能について、図２を参照して説明する。なお、図
２では、凹面鏡１３から瞳１４までの光線を示すと共
に、凹面鏡１３の直径をＬ、半画角をｕ、接合プリズム
１２の屈折率をｎ、瞳１４の直径をｄとして示してい
る。

【００２１】ここで、比較のために、上述した従来例に
おける条件設定と同様に、液晶パネル１１の画面および
凹面鏡１３の反射面を正方形とし、接合プリズム１２と
凹面鏡１３との間の空気は、全体の光路長に比べて非常
に短いため無視して、凹面鏡１３の直径Ｌと、半画角ｕ
との関係について考察する。この場合、接合プリズム１
２で光束のケラレがない条件は、２×｛tan ｕ×（Ｌ／ｎ＋Ｄ）｝≦Ｌ−ｄとなる。これを、半画角ｕについて表すと、ｕ≦ tan^-1〔（Ｌ−ｄ）／｛２（Ｌ／ｎ＋Ｄ）｝〕・・・（２）となる。

【００２２】図３は、上記（２）式より表されるｕとＬ
との関係を、Ｄ＝１５ｍｍ、ｄ＝６ｍｍとし、屈折率ｎ
をパラメータとして示したものである。図３において、
屈折率ｎ＝１は、従来の映像表示装置に対応し、ｎ＝
１．５およびｎ＝１．８は、この実施例によるそれぞれ
の映像表示装置に対応している。各グラフにおいて、映
像表示装置の実現可能領域は、それぞれのグラフの下側
部分となる。

【００２３】図３から明らかなように、この実施例によ
れば、Ｌの小さい領域、すなわち小さい凹面鏡１３およ
び接合プリズム１２で広画角の光学系を実現することが
できる。

【００２４】次に、具体的な寸法、重量等を考慮する
と、寸法については映像表示装置が眼の直前に配備され
るため、液晶パネル１１あるいは凹面鏡１３の一辺は、
最大で５０ｍｍ位が望ましく、また重量の点では接合プ
リズム１２を比較的軽い光学プラスチック（ｎが約１．
５）とするのが望ましい。ここで、凹面鏡１３の直径を
５０ｍｍとしたときの最大画角は、図３からｎ＝１．５
で４８°なる。

【００２５】また、液晶パネル１１の一辺の長さをｈ、
凹面鏡１３の焦点距離をｆ、半画角をｕとすると、液晶
パネル１１からの光線が接合プリズム１２でケラレなく
凹面鏡１３に到達するには、ｆ≦ｈ／（２×tan ｕ）の条件を満たす必要がある。したがって、画角２ｕが４
８°、ｈの最大が５０ｍｍでは、ｆ≦５０／（２×tan ２４）〔ｍｍ〕・・・（３）となる。

【００２６】一方、液晶パネル１１では、物体側テレセ
ントリックである方が、観察される光量の均一性が良
く、望ましい。この条件としては、ｆ＝Ｌ／ｎ＋Ｄとな
るように、瞳１４、凹面鏡１３および液晶パネル１１の
位置を設定すればよいが、装置が頭部と干渉しないよう
にするためには、少なくとも以下の条件を満たす必要が
ある。ｆ≧Ｌ／ｎ＋１５〔ｍｍ〕ここで、ｎ＝１．５、Ｌの最小は１０ｍｍ程度であるの
で、ｆ≧１０／１．５＋１５〔ｍｍ〕・・・（４）となる。

【００２７】したがって、この実施例においては、凹面
鏡１３の焦点距離ｆは、２０≦ｆ≦６０〔ｍｍ〕・・・（５）を満たすことが条件となる。

【００２８】なお、図１に示す構成において、接合プリ
ズム１２の瞳１４とは反対側の面にシャッタ等の遮光手
段を設け、液晶パネル１１の表示像を観察する場合には
遮光手段により外光を遮光し、外界の像を観察する場合
にはこれを開放するようにすることもできる。このよう
にすれば、液晶パネル１１による観察像のコントラスト
を高めることができる。また、接合プリズム１２および
凹面鏡１３は、一体成形することもできる。

【００２９】さらに、接合プリズム１２は、その接合面
１２ａを偏光ビームスプリッタとして構成することもで
きる。この場合には、接合プリズム１２と凹面鏡１３と
の間に１／４波長板を挿入することにより、液晶パネル
１１から瞳１４に入射する光束の利用効率を高めること
ができ、したがってコントラストを高めることができ
る。また、液晶パネル１１に代えて、二次元画像表示素
子としてエレクトロ・ルミネッセンス表示素子等の他の
公知のものを用いることもできる。

【００３０】図４は、この発明の第２実施例を示すもの
である。この実施例は、右眼用接眼光学系の鏡枠２１と
左眼用接眼光学系の鏡枠２２とを、パンタグラフ機構２
３により、左右対称に直線状に移動するように、すなわ
ち互いに接近および離間するように構成したものであ
る。鏡枠２１および２２は、ベース板２４に移動可能に
支持する。このため、鏡枠２１および２２には、直線移
動方向に離間してそれぞれ一対のガイド軸２５ａ，２５
ｂおよび２６ａ，２６ｂを設け、またベース板２４に
は、鏡枠２１，２２に対応してそれぞれ直線状のガイド
穴２７，２８を設けて、ガイド軸２５ａ，２５ｂをガイ
ド穴２７に、ガイド軸２６ａ，２６ｂをガイド穴２８に
それぞれ係合させて、鏡枠２１および２２をガイド穴２
７，２８に沿って直線状にスライド可能に支持する。な
お、ベース板２４には、観察者の鼻に対応する部分に、
鼻逃げ部２４ａを形成する。

【００３１】パンタグラフ機構２３は、パンタグラフ２
３ａ−１，２３ａ−２と、パンタグラフ２３ｂ−１〜２
３ｂ−４とをもって構成して、ベース板２４と押さえ板
２９との間に配置する。パンタグラフ２３ａ−１，２３
ａ−２は、その各々の中央部をベース板２４の中央部に
おいて、平座金３０、バネ座金３１および押さえ板２９
を介してセンタネジ３２により回動可能に取り付ける。
また、パンタグラフ２３ｂ−１は、その一端をパンタグ
ラフ２３ａ−１の一端に、パンタグラフ２３ｂ−２は、
その一端をパンタグラフ２３ａ−２の一端にそれぞれ回
動可能に取り付けと共に、これらパンタグラフ２３ｂ−
１，２３ｂ−２の他端を、鏡枠２１に設けたピン３３に
回動可能に取り付ける。同様に、パンタグラフ２３ｂ−
３は、その一端をパンタグラフ２３ａ−１の他端に、パ
ンタグラフ２３ｂ−４は、その一端をパンタグラフ２３
ａ−２の他端にそれぞれ回動可能に取り付けと共に、こ
れらパンタグラフ２３ｂ−３，２３ｂ−４の他端を、鏡
枠２２に設けたピン３４に回動可能に取り付ける。ここ
で、パンタグラフ２３ａ−１，２３ａ−２およびパンタ
グラフ２３ｂ−１〜２３ｂ−４は、各回動点間の長さが
それぞれ等しくなるようにする。なお、ピン３３は、ガ
イド穴２７から突出するようにガイド軸２５ａと２５ｂ
との間に設け、ピン３４は、ガイド穴２８から突出する
ようにガイド軸２６ａと２６ｂとの間に設ける。

【００３２】また、ピン３３，３４には、それぞれ調整
ノブ３５，３６を嵌合して設け、これら調整ノブ３５，
３６の下端部を、押さえ板２９に形成したノブ穴３７，
３８から突出させる。ノブ穴３７，３８は、鏡枠２１，
２２の移動方向に沿って長円状に形成する。なお、押さ
え板２９にも、ベース板２４と同様に、観察者の鼻に対
応する部分に、鼻逃げ部２９ａを形成する。

【００３３】一方、鏡枠２１内の右眼用接眼光学系は、
この実施例では、図５に下側から見た概略図を示すよう
に、観察画像を表示する液晶パネル４１ａと、そのバッ
クライトユニット４２ａと、ルーペ４３ａとをもって構
成し、液晶パネル４１ａに表示される映像を背面のバッ
クライトユニット４２ａにより照明して、その映像をル
ーペ４３ａにより拡大して観察者４４の右眼４５ａに入
射させるようにする。同様に、鏡枠２２内の左眼用接眼
光学系は、観察画像を表示する液晶パネル４１ｂと、そ
のバックライトユニット４２ｂと、ルーペ４３ｂとをも
って構成して、液晶パネル４１ｂに表示される映像を拡
大して観察者４４の左眼４５ｂに入射させるようにす
る。

【００３４】この実施例においては、パンタグラフ２３
ａ−１，２３ａ−２およびパンタグラフ２３ｂ−１〜２
３ｂ−４の各回動点間の長さがそれぞれ等しいので、パ
ンタグラフ機構２３は、図６に示すように両端の回動点
が左右対称に直線移動することになる。したがって、観
察者がノブ穴３７，３８からそれぞれ突出する調整ノブ
３５，３６の少なくとも一方を手で移動させれば、鏡枠
２１，２２をガイド穴２７，２８に沿って互いに近接ま
たは離間する方向に直線状に移動させることができ、こ
れにより鏡枠２１，２２間の距離を、観察者の瞳孔距離
に応じて調整することができる。ここで、鏡枠２１，２
２が最も近接する位置は、ガイド軸２５ａがガイド穴２
７の一方の端部に、ガイド軸２６ａがガイド穴２８の一
方の端部に当接することにより規制され、また最も離間
する位置は、ガイド軸２５ｂがガイド穴２７の他方の端
部に、ガイド軸２６ｂがガイド穴２８の他方の端部に当
接することにより規制される。また、調整ノブ３５，３
６を移動させる力量は、センタネジ３２によって調整す
ることができる。

【００３５】このように、この実施例によれば、パンタ
グラフ機構２３を、菱形を二つ並べた左右対称のパンタ
グラフ構造をもって構成したので、鏡枠２１，２２を直
線状にガタなく、安定して、高精度に移動することがで
きる。また、調整の際は、パンタグラフの少なくとも一
端を指で直線的に駆動すればよく、従来のラックおよび
ピニオンギヤを用いる場合のように、ひねりトルクを発
生させることがないので、強度対策もあまり必要としな
い。したがって、全体を軽くできる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、第１の発明によれば、二
次元画像表示素子に表示される観察画像を、接合プリズ
ムを経て、焦点距離ｆが２０ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍの凹面
鏡で反射し、さらに接合プリズムで反射して拡大投影す
るようにしたので、簡単かつ小型な構成で、広画角を得
ることができる。

【００３７】また、第２の発明によれば、右眼用接眼光
学系および左眼用接眼光学系を、パンタグラフ機構によ
り左右対称に直線状に移動可能とし、これにより観察者
の瞳孔距離に応じて、右眼用接眼光学系と左眼用接眼光
学系との距離を調整するようにしたので、重量を重くす
ることなく、左右の接眼光学系の距離を精度良く、しか
も角度誤差を生じることなく安定して調整することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す図である。

【図２】図１に示す実施例の光学性能を説明するための
図である。

【図３】図１に示す実施例による凹面鏡の直径Ｌと、半
画角ｕとの関係を、接合プリズムの屈折率ｎをパラメー
タとして示す図である。

【図４】この発明の第２の実施例を示す図である。

【図５】図４の接眼光学系を説明するための図である。

【図６】図４のパンタグラフ機構の動作を説明するため
の図である。

【図７】従来の技術を説明するための図である。

【図８】その光学性能を説明するための図である。

【図９】図７の凹面鏡の直径Ｌと、半画角ｕとの関係を
示す図である。

【符号の説明】

１１液晶パネル１２接合プリズム１２ａ接合面１３凹面鏡１４瞳２１鏡枠（右眼用接眼光学系）２２鏡枠（左眼用接眼光学系）２３パンタグラフ機構２４ベース板２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂガイド軸２７，２８ガイド穴２９押さえ板３２センタネジ３３，３４ピン３５，３６調整ノブ３７，３８ノブ穴４１ａ，４１ｂ液晶パネル４２ａ，４２ｂバックライトユニット４３ａ，４３ｂルーペ４４観察者４５ａ右眼４５ｂ左眼

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【手続補正書】

【提出日】平成５年５月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した映像表示装置
においては、その大きさが凹面鏡の大きさによってほぼ
決定されるが、この大きさを決定するにあったっては、
眼球から装置までの距離（Ｄ；ワーキングディスタン
ス）を考慮する必要がある。この距離Ｄは、個人差もあ
るが、観察者の目の周りに当たらないようにするために
は、１５ｍｍ以上を必要とする。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察画像を表示する二次元画像表示素子
と、この二次元画像表示素子に表示される観察画像を拡大投
影するように、該二次元画像表示素子と対向して配置し
た、焦点距離ｆが、２０ｍｍ≦ｆ≦６０ｍｍ、を満足す
る凹面鏡と、この凹面鏡で反射される光束を観察者の眼球内に導くよ
うに、該凹面鏡と前記二次元画像表示素子との間に配置
した光束分岐用の接合プリズムとを具えることを特徴と
する映像表示装置。
【請求項２】観察画像を表示する二次元画像表示素子
と、この二次元画像表示素子に表示される観察画像を拡
大投影して観察者の眼球内に導く接眼光学系とを有する
映像表示装置において、前記接眼光学系を右眼用接眼光学系および左眼用接眼光
学系をもって構成すると共に、これら右眼用接眼光学系
および左眼用接眼光学系を左右対称に直線状に移動させ
るパンタグラフ機構を設け、このパンタグラフ機構により前記右眼用接眼光学系と左
眼用接眼光学系との距離を、観察者の瞳孔距離に応じて
調整し得るよう構成したことを特徴とする映像表示装
置。