JPH07104209A

JPH07104209A - 表示装置

Info

Publication number: JPH07104209A
Application number: JP5249417A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Yamazaki; 章市山崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-10-05
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1995-04-21
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: US7420751B2; US20070171532A1; JP3496890B2; US6532116B1

Abstract

(57)【要約】【目的】ゴーグル形式あるいはヘッドギア形式で頭部
に装着して、ビデオ映像を観察し得る様にしたヘッドア
ップディスプレイで、表示装置による画質を良好ならし
めるとともに小型、軽量化を図る。【構成】オリジナル画像を反射光学を介して眼球に光
を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が１つ以上存
在し、この部材は少なくとも１つのアジムス方向のアジ
ムス方向の断面で非球面作用を持つ様にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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。

【０００２】

【従来の技術】従来ヘッドアップディスプレイに関して
は、多くの米国特許明細書（以下ＵＳＰ）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Ｕ
ＳＰ３９４０２０４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、ＵＳＰ４０２６６４１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ＵＳＰ４９６９７２４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ＵＳＰ４８５９０３０、プリズムを利用した虚
像タイプとしてはＵＳＰ４０８１２０９等がある。

【０００３】処でゴーグル形テ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ＵＳＰ４０２６６４１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。

【０００４】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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】基準面を反射光学系を介
して観察者の眼と光学的に関係付け観察などを可能とす
る装置において、反射光学系中にアジムス（ａｚｉｍｕ
ｔｉ）の方向によりパワーが異る部材が１つ以上存在
し、この部材は少なくとも１つのアジムス方向の断面で
非球面作用を持つ様にした。

【０００７】尚、付言すればこの装着は、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、観察可能とする装着において、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。

【０００８】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（ＣＲ
Ｔ）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てある。

【０００９】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。

【００１０】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、ＵＳＰ
４０２６６４１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。

【００１１】５ｍｍ≦ＩＰ≦５０ｍｍ・・・・・（２）を満足するのが好ましい。

【００１２】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の形状に補正しているため、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た。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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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、全く像か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。

【００１６】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。

【００１７】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。ＵＳＰ５００６０７２、ＵＳ
Ｐ５０００５４４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。

【００１８】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。

【００１９】

【実施例】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。

【００２０】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、

【００２１】

【外１】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
下向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。

【００２２】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
はほぼ対象構成となる。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。

【００２３】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、１
２が小型陰極線管の場合は照明ユニットは不要である。

【００２４】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。

【００２５】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（ψ
０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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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１
２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。

【００２９】図５も平行偏芯させたフィールドレンズ１
４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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】尚、本発明はヘッドアップディスプレイの
１次結像タイプリズムタイプにも応用できる。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】

【発明の効果】以上述べた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。

【図面の簡単な説明】

【図１】トーリック反射面を説明するための斜視図。

【図２】本発明の実施例の配置を示す平面図。

【図３】本発明の別実施例を示す平面図。

【図４】本発明の更に別実施例を示す平面図。

【図５】本発明の他の実施例を示す立面図。

【図６】本発明の更に他の実施例を示す平面図。

【図７】オリジナル画像を示す図。

【図８】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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、該反射光学系
中にはアジムスの方向によりパワーが異なる部材が１つ
以上存在し、該部材は少なくとも１つ以上のアジムス方
向の断面で非球面作用を持つことを特徴とする表示装
置。
【請求項２】前記部材は反射面であって、該部材への
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
た時、１０°≦θ≦８０° を満たすことを特徴とする請求項１の表示装置。
【請求項３】前記部材は反射面であって、該部材にお
いて前記オリジナル画像、該部材そして眼球が同一平面
内にあるとき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を満たすことを特徴とする請求項１又は２の表示装置。
【請求項４】前記部材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の表示装
置。
【請求項５】前記部材は面頂点を持ち、右眼用反射光
学系、左眼用反射光学系で該面頂点を互いに独立に有し
ていることを特徴とする請求項４の表示装置。
【請求項６】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、該反射光学系
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、且つ該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ことを特徴と
する表示装置。
【請求項７】前記部材は反射面であって、該部材への
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６の表示装置。
【請求項８】前記部材は反射面であって、該部材にお
いて前記オリジナル画像、該部材そして眼球が同一平面
内にあるとき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を満たすことを特徴とする請求項６乃至７の表示装置。
【請求項９】前記部材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６乃至８の表示装
置。
【請求項１０】前記部材は面頂点を持ち、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９の表示装置。
【請求項１１】オリジナル画像を反射光学系を介して
眼球へ導き、観察可能とする装置において、該反射光学
系中にはアジムスの方向にパワーが異なる反射部材が１
つ以上存在し、眼球に導かれる光路上で最終光学面から
アイポイントまでの距離をＩＰとしたとき、５ｍｍ≦ＩＰ≦５０ｍｍの条件を満たし、且つ眼球に導かれる像中心光束におい
て、該反射部材への入射中心光線とその反射射出光線の
なす角をθとしたとき、１０°≦θ≦８０° の条件を満たすことを特徴とする表示装置。
【請求項１２】前記反射部材において、前記オリジナ
ル画像、該反射部材そして眼球が同一平面内にあるとき
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を満たすことを特徴とする請求項１１の表示装置。
【請求項１３】前記反射部材はトーリック面であるこ
とを特徴とする請求項１１乃至１２の表示装置。
【請求項１４】前記反射部材は該反射部材上に面頂点
を持ち、該面頂点は右眼用反射光学系、左眼用反射光学
系において、互いに独立していることを特徴とする請求
項１１乃至１３の表示装置。
【請求項１５】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、該反射光学系
中にはアジムス方向によりパワーが異なる反射部材が１
つ以上存在し、眼球に導かれる光路上の最終光学面から
アイポイントまでの距離をＩＰとしたとき、５ｍｍ≦ＩＰ≦５０ｍｍの条件を満たし、且つ該反射部材においてオリジナル画
像、該反射部材そして眼球が同一平面内にあるときのア
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の条件を満たすことを特徴とする表示装置。