JPH07140416A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

ヘッドマウントディスプレイ

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Publication number
JPH07140416A
JPH07140416A JP6073777A JP7377794A JPH07140416A JP H07140416 A JPH07140416 A JP H07140416A JP 6073777 A JP6073777 A JP 6073777A JP 7377794 A JP7377794 A JP 7377794A JP H07140416 A JPH07140416 A JP H07140416A
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JP
Japan
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liquid crystal
image
display device
mirror
eyes
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Application number
JP6073777A
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English (en)
Inventor
Katsunori Ebara
克典 江原
Takeshi Matsuoka
毅 松岡
Kunio Okada
国雄 岡田
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Casio Computer Co Ltd
Original Assignee
Casio Computer Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH07140416A publication Critical patent/JPH07140416A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低価格で、目に悪影響を及ぼすことがなく、
画像の拡大虚像を良好に観察することのできるヘッドマ
ウントディスプレイを提供する。 【構成】 1つの画像を拡大し、その虚像を両眼で観察
するという点に着目することにより、接眼レンズなどの
レンズを用いずに、第1ミラー27および第2ミラー2
8からなる偏心ミラー系26を用いて1つの液晶表示装
置25に表示された画像を拡大し、その虚像を両眼で観
察するようにした。したがって、瞳を中心に考えると対
象軸、対象面が存在しない光学系となり、従来の双眼式
のように、瞳と光学系の光軸との軸合わせ、および適切
な輻輳角と眼幅調整機能などの調整をする必要がないた
め、目に悪影響を及ぼすことがなく、画像の拡大虚像を
良好に観察することができるとともに、光学系24は1
組で済み、これに伴って液晶表示装置25も1個で済
み、構造が単純で、低価格なものを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明はヘッドマウントディス
プレイに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、頭部に装着して画像を観察するヘ
ッドマウントディスプレイとしては、図11に示すよう
な双眼式のものが広く知られている。この双眼式のヘッ
ドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着するリ
ング状のヘッドバンド1と、このヘッドバンド1に取り
付けられた機器ケース2とを備えている。機器ケース2
は前面側が使用者の顔面に密接する曲面形状に形成され
た箱形のものであり、その前面には左右2つのファイン
ダ3が設けられている。また、この機器ケース2内に
は、図12に示すような2組の光学系4、5が左右2つ
のファインダ3にそれぞれ対応して設けられている。す
なわち、各光学系4、5は、テレビ映像などの画像を表
示する液晶表示装置6a、6bと、この液晶表示装置6
a、6bに表示された画像を各ファインダ3に向けて反
射する全反射ミラー7a、7bと、各ファインダ3に設
けられた接眼レンズ8a、8bとからなっている。な
お、ヘッドバンド1の両側部にはバンド内を通って音声
信号が送られるイヤホーン9が設けられている。
【0003】このヘッドマウントディスプレイでは、機
器ケース2の前面側を顔面に当て、ヘッドバンド1を頭
部に装着してイヤホーン9を左右の耳に挿入し、この状
態で2つの液晶表示装置6a、6bを駆動させて左右の
ファインダ3を覗き見ると、全反射ミラー7a、7bに
よって反射された各液晶表示装置6a、6bの画像をそ
れぞれ接眼レンズ8a、8bで拡大し、この拡大された
各虚像を観察するとともに、イヤホーン9により画像に
応じた音声を聞くことができる。
【0004】なお、このようなヘッドマウントディスプ
レイには、接眼レンズ8a、8bに換えてそれぞれ非球
面プラスチックレンズやフレネルレンズなどを使用し、
これらのレンズで液晶表示装置の画像を拡大して全反射
ミラーでファインダに反射させるようにしたもの、ある
いはこれらのレンズで液晶表示装置の画像を拡大し、こ
の拡大された虚像を直接ファインダから観察するように
したものなどもある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のヘッドマウントディスプレイでは、各光学系4、
5に接眼レンズ8a、8bなどのレンズを使用している
から、各光学系4、5は基本的に回転対称系である。こ
のため、左右の目にそれぞれ光学系4、5を装填するこ
とは、瞳10a、10bと光学系4、5の光軸4a、5
aとの軸合わせ、および適切な輻輳角(両眼の視軸の挾
む角)と眼幅調整機能(眼幅は人によって異なる)など
が重要なこととなり、もしこれらの調整が不良である
と、目の調整機能に重大な影響を及ぼし、眼精疲労の原
因になるなどの問題がある。また、このヘッドマウント
ディスプレイでは、接眼レンズ8a、8bなどのレンズ
を使用した双眼式であるから、2組の光学系4、5が必
要であり、これに伴って液晶表示装置も2個必要とな
り、このため構造が複雑で、コストも高くなるという問
題もある。
【0006】この発明は、上記事情に鑑みてなされたも
ので、低価格で、目に悪影響を及ぼすことがなく、画像
の拡大虚像を良好に観察することのできるヘッドマウン
トディスプレイを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するために、1つの画像を拡大し、その虚像を両眼
で観察するという点に着目することにより、接眼レンズ
などのレンズを用いずに、偏心ミラー系を用い、この偏
心ミラー系で1つの表示装置に表示された画像を拡大
し、その虚像を両眼で観察するようにしたものである。
【0008】
【作用】この発明によれば、偏心ミラー系を用いて表示
装置に表示された画像を拡大するようにしたから、レン
ズを用いた従来の光学系のような回転対称系にはなら
ず、瞳を中心に考えると対称軸、対称面が存在しない光
学系となる。このため、従来の双眼式のように、瞳と光
学系の光軸との軸合わせ、および適切な輻輳角と眼幅調
整機能などの調整をする必要がないので、目に悪影響を
及ぼすことがなく、偏心ミラー系で拡大された1つの虚
像を両眼で良好に観察することができる。また、1つの
表示装置に表示された画像を偏心ミラー系で拡大し、そ
の虚像を両眼で観察するので、光学系は1組で済み、こ
れに伴って表示装置も1個で済むので、構造が単純にな
り、低価格なものを得ることができる。
【0009】この場合、請求項2に記載の如く、偏心ミ
ラー系の少なくとも1枚以上のミラーを球面もしくは非
球面に形成すれば、歪の少ない鮮明な拡大虚像を瞳に導
くことが可能になる。また、請求項3に記載の如く、偏
心ミラー系で表示装置の画像を正立虚像に拡大すれば、
表示装置の画像表示が簡単になる。また、請求項4に記
載の如く、偏心ミラー系における両眼の前方に位置する
ミラーを半透明ミラーにすれば、表示装置に表示された
画像の虚像を観察しながら前方外部をも観察することが
できる。また、請求項5に記載の如く、偏心ミラー系に
おける両眼の前方に位置するミラーを開閉可能に配設す
れば、ミラーを閉じることにより表示装置に表示された
画像の虚像を観察することができ、またミラーを開くこ
とにより前方外部を観察することができる。さらに、請
求項6に記載の如く、表示装置に右眼用の画像と左眼用
の画像を交互に表示させ、かつ両眼の前方に右眼用の液
晶シャッタと左眼用の液晶シャッタをそれぞれ配設すれ
ば、表示装置に表示された画像の拡大虚像を立体的に観
察することができる。
【0010】
【実施例】以下、図1〜図6を参照して、この発明のヘ
ッドマウントディスプレイの第1実施例について説明す
る。図1および図2はヘッドマウントディスップレイを
示す図である。このヘッドマウントディスプレイは、図
11に示された従来例と同様、使用者の頭部に装着する
リング状のヘッドバンド20と、このヘッドバンド20
に取り付けられた機器ケース21とを備えている。ヘッ
ドバンド20は周方向に伸縮性を有するものであり、そ
の両側部にはバンド内を通って音声信号が送られるイヤ
ホーン22が設けられている。機器ケース21は前面側
が使用者の顔面に密接する曲面形状に形成された箱形の
ものであり、その前面には透明なガラス板もしくは透明
なプラスチック板からなる1つのファインダ23が左右
の目に亘って設けられている。また、この機器ケース2
1内には、1組の光学系24がファインダ23に対応し
て設けられている。この光学系24は、テレビ映像など
の画像を表示する液晶表示装置25と、この液晶表示装
置25に表示された画像を拡大してファインダ23に向
けて反射する偏心ミラー系26とを備えている。この偏
心ミラー系26は後述する第1ミラー27および第2ミ
ラー28とからなっている。なお、液晶表示装置25の
背面側(図2では上面側)には液晶表示装置25を照明
するバックライトユニット29が配設されており、ま
た、機器ケース21内には液晶表示装置25を駆動する
ための回路基板(図示せず)が設けられている。
【0011】図3は光学系24の斜視図である。この図
に示したように、左右の瞳E1、E2の前側上方(同図で
は右側上方)には液晶表示装置25が偏心して配置さ
れ、瞳E1、E2の前側下方(同図では右側下方)には偏
心ミラー系26の第1ミラー27が偏心して配置され、
瞳E1、E2の前方(同図では右方)には偏心ミラー系2
6の第2ミラー28が偏心して配置されている。そし
て、液晶表示装置25に表示された画像は、第1ミラー
27および第2ミラー28で反射された後、第2ミラー
28の前方(同図では右方)において拡大虚像として観
察される。なお、虚像の位置、倍率、視野角は、偏心ミ
ラー系26の合成焦点距離および液晶表示装置25の偏
心ミラー系26に対する位置関係で決定される。
【0012】次に、図4を参照して、光学系24を具体
的に説明する。図4は図3のO、P、M1、M2の各点を
含む面で切断した断面図である。この図で使用されてい
る液晶表示装置25は画面の大きさが1.4インチまた
は1.8インチのものであり、第1ミラー27は前後方
向(図3に矢印Xで示す方向)のみに130mmの曲率
半径(R1)で湾曲形成されており、第2ミラー28は
左右方向(図3に矢印Yで示す方向)のみに500mm
の曲率半径(R2)で湾曲形成されている。そして、第
2ミラー28は、左右の瞳の中点Oから前方d1(49
mm)だけ離れた光軸OM1上の位置を基準にして、光
軸OM1の垂直下方にs1(10mm)移動させ、その点
1を中心にt1(30°)だけチルト(傾く)して配置
されている。第1ミラー27は、第2ミラー28のチル
ト基準位置Q1から法線方向にd2(10mm)だけ離れ
た位置を基準にして、法線方向に対して直交する下方に
2(13mm)移動させ、その点Q2を中心にt2(6
0°)だけチルトして配置されている。液晶表示装置2
5は、第1ミラー27のチルト基準位置Q2から垂直上
方にd3(43mm)離れた位置を基準にして、瞳側に
向けて水平方向にs3(27mm)移動させ、その点Q3
を中心にt3(5°)だけチルトして配置されている。
なお、液晶表示装置25のチルト基準位置Q3は点Pと
一致しているが、必ずしも一致する必要はない。
【0013】このような光学系24では、1.4インチ
の液晶表示装置25の拡大虚像を観察すると、液晶表示
装置25の画面の長辺が図5(a)に示すような視野角
30°で、画面の短辺が図5(b)に示すような視野角
22°の拡大虚像が観察できる。また、この光学系24
では、偏心ミラー系26の第1ミラー27を前後方向の
みに130mmの曲率半径(R1)で湾曲形成し、第2
ミラー28を左右方向のみに500mmの曲率半径(R
2)で湾曲形成したから、液晶表示装置25と偏心ミラ
ー系26とを大きく偏心させているにもかかわらず、拡
大された虚像は液晶表示装置25に表示された画像と概
ね相似形をなす。すなわち、図6(a)は光学系24の
光軸上の点Oに瞳をおいて観察される虚像を液晶表示装
置25の画像の大きさに変換したスポットダイヤグラム
である。図6(b)は光学系24の光軸外の点E1に瞳
をおいて観察される虚像を液晶表示装置25の画像の大
きさに変換したスポットダイヤグラムである。これらの
図を比較すると、図6(b)には上下のみならず、左右
にも非対称な歪が若干現われている。しかし、この程度
の歪は人間の脳の作用で十分に補正することができる。
【0014】このように、このヘッドマウントディスプ
レイでは、偏心ミラー系24を用いて液晶表示装置25
に表示された画像を拡大するようにしたから、レンズを
用いた従来の光学系のような回転対称系にはならず、瞳
を中心に考えると対称軸、対称面が存在しない光学系と
なり、このため従来の双眼式のように、瞳と光学系の光
軸との軸合わせ、および適切な輻輳角と眼幅調整機能な
どの調整をする必要がないので、目に眼精疲労などのよ
うな悪影響を及ぼすことがなく、偏心ミラー系24で拡
大された1つの虚像を両眼で良好に観察することができ
る。この場合、偏心ミラー系26の第1、第2ミラー2
7、28は所定の曲率半径で湾曲形成されているから、
歪の少ない鮮明な拡大虚像を瞳に導くことができる。実
際には、左右の目で虚像を見ると、左右の目に異なる歪
の画像が見えるが、その歪は上述したように僅かである
から、人間の脳の作用により十分に補正することができ
る。
【0015】また、このヘッドマウントディスプレイで
は、1つの液晶表示装置25に表示された画像を偏心ミ
ラー系26で拡大し、その虚像を両眼で観察するので、
機器ケース21内に1組の光学系24を設けるだけでよ
く、これに伴って液晶表示装置25も1個で済むので、
構造が単純になり、低価格なものを得ることができる。
この場合、偏心ミラー系26は第1、第2ミラー27、
28の2枚で構成されているから、液晶表示装置25に
表示された画像を正立虚像に拡大することができ、これ
により液晶表示装置25の画像表示が簡単になり、より
一層の低価格化を図ることができる。
【0016】なお、上記実施例の具体例では、偏心ミラ
ー系26の第1ミラー27を130mmの曲率半径(R
1)で形成し、第2ミラー28を500mmの曲率半径
(R2)で形成したが、これに限らず、第1ミラー27
の曲率半径(R1)は100mm〜200mmの範囲
で、第2ミラー28の曲率半径(R2)は350mm〜
650mmの範囲であればよく、しかも各ミラー27、
28、および液晶表示装置25の各位置およびチルト角
は、表1に示すような範囲であればよい。
【表1】 また、上記実施例では、偏心ミラー系26の第1ミラー
27を前後方向のみに湾曲形成し、第2ミラー28を左
右方向のみに湾曲形成したが、これに限らず、第1ミラ
ー27と第2ミラー28のいずれか一方、もしくはその
両方を前後左右に湾曲させた球面状に形成したものでも
よい。
【0017】また、上記実施例では、液晶表示装置25
に表示された画像の拡大虚像しか観察することができな
いが、例えば両眼の前方に位置する第2ミラー28を半
透明ミラーで形成し、かつこの第2ミラー28の虚像側
における機器ケース21の側壁に透明な窓部を設けれ
ば、液晶表示装置25に表示された画像の拡大虚像を観
察しながら透明な窓部を通して前方外部をも観察するこ
とができる。また、図7に示すように、両眼の前方に位
置する第2ミラー28の上部両端を一対の支持ピン31
により機器ケース21内に回動自在に取り付け、第2ミ
ラー28の下端部を機器ケース21に設けられた位置規
制部32により所定位置に規制し、かつ第2ミラー28
の虚像側における機器ケース21の側壁21aに開口部
33を形成した構造にすれば、第2ミラー28を閉じて
第2ミラー28の下端部を位置規制部32で規制するこ
とにより、液晶表示装置25に表示された画像の拡大虚
像を観察することができ、また支持ピン31を中心に第
2ミラー28を回動させて第2ミラー28を開くことに
より、開口部33を通して前方外部を観察することがで
きる。
【0018】次に、図8〜図10を参照して、この発明
のヘッドマウントディスプレイの第2実施例について説
明する。なお、図1〜図6に示された第1実施例と同一
部分には同一符号を付し、その説明は適宜省略する。こ
のヘッドマウントディスプレイは、第1実施例と同様、
機器ケース21内に液晶表示装置25および偏心ミラー
系26を備えているほかに、両眼(左右の瞳E1、E
2)の前方つまり1つのファインダ23に右眼用の液晶
シャッタ35および左眼用の液晶シャッタ36を配置し
た構造になっている。左右の液晶シャッタは、例えばオ
フ状態つまり非選択電圧を印加したときに第2ミラー2
8で反射された光を透過させる光透過状態となり、オン
状態つまり選択電圧を印加したときに第2ミラー28で
反射された光を遮断する光遮断状態となる構造になって
いる。
【0019】図9はビデオ装置37から出力された信号
に基づいて液晶表示装置25および左右の液晶シャッタ
35、36を駆動するための回路構成を示す図であり、
図10は液晶表示装置25および左右の液晶シャッタ3
5、36の動作タイミングを示す図である。ビデオ装置
37は、フロッピディスク38に記憶されている画像デ
ータを読み取り、この画像データに基づいてビデオ信号
を液晶表示装置駆動回路39に出力する。液晶表示装置
駆動回路39は、ビデオ信号に基づいて右眼用の画像信
号と左眼用の画像信号を液晶表示装置25に出力する。
液晶表示装置25は、液晶表示装置駆動回路39から出
力された信号に基づいて、図10に示すように右眼用の
画像と左眼用の画像を例えば1/60secごとに交互に表示
する。
【0020】また、ビデオ装置37は、画像データに基
づいてコントロール信号を駆動回路40に出力する。こ
の駆動回路40では、左右判別回路41にて左右の液晶
シャッタ35、36に出力される信号を判別し、この判
別された信号を右眼用液晶シャッタ駆動回路42と左眼
用液晶シャッタ駆動回路43に出力し、各液晶シャッタ
駆動回路42、43が各液晶シャッタ35、36にそれ
ぞれ駆動信号を出力する。各液晶シャッタ35、36
は、各駆動信号に基づいて駆動されることにより、液晶
表示装置25に表示される画像に同期して、それぞれ光
透過状態と光遮断状態とをタイミングをずらして交互に
繰り返す。すなわち、図10に示すように、液晶表示装
置25に右眼用の画像が表示されているときには、右眼
用の液晶シャッタ35は光透過状態となり、左眼用の液
晶シャッタ36は光遮断状態となる。また、液晶表示装
置25に左眼用の画像が表示されているときには、右眼
用の液晶シャッタ35は光遮断状態となり、左眼用の液
晶シャッタ36は光透過状態となる。
【0021】このようなヘッドマウントディスプレイで
は、第1実施例と同様の効果があるほか、液晶表示装置
25に表示された右眼用の画像の拡大虚像を右眼用の液
晶シャッタ35を通して右眼だけで観察し、液晶表示装
置25に表示された左眼用の画像の拡大虚像を左眼用の
液晶シャッタ36を通して左眼だけで観察することがで
き、この結果、液晶表示装置25に表示された画像の拡
大虚像を立体的に観察することができる。
【0022】なお、上記第2実施例においても、前述と
同様、両眼の前方に位置する第2ミラー28を半透明ミ
ラーで形成し、かつこの第2ミラー28の虚像側におけ
る機器ケース21の側壁に透明な窓部を設ければ、液晶
表示装置25に表示された画像の拡大虚像を立体的に観
察しながら透明な窓部を通して前方外部をも観察するこ
とができる。また、両眼の前方に位置する第2ミラー2
8の上部両端を一対の支持ピンにより機器ケース内に回
動自在に取り付け、第2ミラー28の下端部を機器ケー
ス21の位置規制部で所定位置に規制し、かつ第2ミラ
ー28の虚像側における機器ケース21の側壁に開口部
を形成した構造にすれば、第2ミラー28を閉じて第2
ミラー28の下端部を位置規制部で規制することによ
り、液晶表示装置25に表示された画像の拡大虚像を立
体的に観察することができ、また支持ピンを中心に第2
ミラー28を回動させて第2ミラー28を開くことによ
り、開口部を通して前方外部を観察することができる。
さらに、上記各実施例では、表示装置として液晶表示装
置25を用いた場合について述べたが、これに限らず、
例えばCRTディスプレイ、エレクトロルミネッセンス
ディスプレイ、プラズマディスプレイなどを用いてもよ
い。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、偏心ミラー系を用いて表示装置に表示された画像を
拡大するようにしたから、瞳を中心に考えると対称軸、
対称面が存在しない光学系となり、このため従来の双眼
式のように、瞳と光学系の光軸との軸合わせ、および適
切な輻輳角と眼幅調整機能などの調整をする必要がない
ので、目に悪影響を及ぼすことがなく、偏心ミラー系で
拡大された1つの虚像を両眼で良好に観察することがで
きる。また、1つの表示装置に表示された画像を偏心ミ
ラー系で拡大し、その虚像を両眼で観察するので、光学
系は1組で済み、これに伴って表示装置も1個で済むの
で、構造が単純になり、低価格なものを得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のヘッドマウントディスプレイの第1
実施例を示す外観斜視図。
【図2】図1の拡大断面図。
【図3】図2の光学系の概略構成を示す斜視図。
【図4】図3のO、P、M1、M2の各点を含む面で切断
した断面図。
【図5】1.4インチの液晶表示装置の虚像を観察した
ときの視野角を示し、(a)は液晶表示装置の長辺の視
野角を示す図、(b)は液晶表示装置の短辺の視野角を
示す図。
【図6】(a)は光学系の光軸上の点Oに瞳をおいて観
察される虚像を液晶表示装置の画像の大きさに変換した
スポットダイヤグラムを示す図、(b)は光学系の光軸
外の点E1に瞳をおいて観察される虚像を液晶表示装置
の画像の大きさに変換したスポットダイヤグラムを示す
図。
【図7】第1実施例の変形例を示す断面図。
【図8】この発明のヘッドマウントディスプレイの第2
実施例の概略構成を示す斜視図。
【図9】ビデオ装置から出力された信号に基づいて液晶
表示装置および液晶シャッタを駆動するための回路構成
を示す図。
【図10】液晶表示装置および左右の液晶シャッタの動
作タイミングを示す図。
【図11】従来のヘッドマウントディスプレイを示す外
観斜視図。
【図12】図11の光学系の概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
21 機器ケース 23 ファインダ 24 光学系 25 液晶表示装置 26 偏心ミラー系 27 第1ミラー 28 第2ミラー 31 支持ピン 33 開口部 35 右眼用の液晶シャッタ 36 左眼用の液晶シャッタ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 頭部に装着して画像を観察するヘッドマ
    ウントディスプレイにおいて、 画像を表示する1つの表示装置と、この表示装置に表示
    された画像を拡大する偏心ミラー系とを備え、この偏心
    ミラー系で拡大された1つの虚像を両眼で観察すること
    を特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 【請求項2】 前記偏心ミラー系は、少なくとも1枚以
    上のミラーが球面もしくは非球面に形成されていること
    を特徴とする請求項1記載のヘッドマウントディスプレ
    イ。
  3. 【請求項3】 前記偏心ミラー系は、前記表示装置に表
    示された画像を正立虚像に拡大することを特徴とする請
    求項1、2記載のヘッドマウントディスプレイ。
  4. 【請求項4】 前記偏心ミラー系は、両眼の前方に位置
    するミラーが半透明ミラーで構成されていることを特徴
    とする請求項1〜3記載のヘッドマウントディスプレ
    イ。
  5. 【請求項5】 前記偏心ミラー系は、両眼の前方に位置
    するミラーが開閉可能に設けられた構造であることを特
    徴とする請求項1〜3記載のヘッドマウントディスプレ
    イ。
  6. 【請求項6】 前記表示装置は右眼用の画像と左眼用の
    画像が交互に表示され、かつ両眼の前方には右眼用の液
    晶シャッタと左眼用の液晶シャッタがそれぞれ配設され
    ていることを特徴とする請求項1〜5記載のヘッドマウ
    ントディスプレイ。
JP6073777A 1993-09-27 1994-03-22 ヘッドマウントディスプレイ Abandoned JPH07140416A (ja)

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Cited By (8)

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