JPH07218859A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ４０°以上の観察画角を観察でき、かつ、周
辺までフラットで鮮明な観察画像を観察でき、広い射出
瞳径を確保した小型の映像表示装置。 【構成】 映像を表示する画面を有する映像表示素子８
と、この映像をリレーしてリレー像を形成するリレー光
学系７と、リレー光学系７を射出した光束を反射させる
と共に、この光束によって射出瞳を形成する接眼光学系
とからなる映像表示装置であって、接眼光学系が、屈折
率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ＞１）光学部材を間に挟
んだ湾曲形状の第１の面５及び第２の面２を有する裏面
反射鏡６を含み、リレー光学系７を射出した光束が、第
１の面５を透過した後、光学部材を透過して第２の面２
にて反射され、その反射光束が光学部材を透過して再び
第１の面５を透過するように設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映像表示装置に関し、
特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能とす
る頭部又は顔面装着式映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部装着式映像表示装置にとって、装置
全体の大きさを小さくすることと重量を軽くすること
は、その装着性を損なわないようにするために重要な点
である。この装置全体の大きさを決定する要因は、光学
系のレイアウトである。図２０に従来の１つの頭部装着
式映像表示装置の光学系を示す（特開平３−１０１７０
９号）。この映像表示装置は、２次元画像表示素子の表
示画像を正レンズよりなるリレー光学系にて空中像とし
て伝達し、凹面反射鏡からなる接眼光学系でこの空中像
を拡大して観察者の眼球内に投影するものである。ま
た、従来、装置全体を小型にするために、２次元画像表
示素子を凸レンズで拡大して直接観察する直視型のもの
も知られている。これらのレイアウトでは、観察者顔面
からの装置突出量が大きくなってしまう。さらに、広い
観察画角をとるためには、大きな正レンズ径と大きな２
次元画像表示素子を使用する必要があり、装置がますま
す大きくなると同時に、重くなってしまう。

【０００３】疲労を感じさせずに長時間の観察を可能と
したり、簡単に着脱できるためには、観察者の眼球直前
に短くて軽い接眼光学系を配置した構成が望ましい。こ
うすると、２次元画像表示素子と照明光学系等を観察者
の頭部前方への突出量を小さくして配置でき、装置の突
出量が減ると同時に、軽量化が可能となる。

【０００４】次に、大きな画角を確保することは、画像
観察時の臨場感を上げるために必要である。特に、提示
される画像の立体感は、提示画角によって決まってしま
う（テレビジョン学会誌 Vol.45, No.12, pp.1589-1596
(1991)）。広い画角と高い解像力が得られる光学系をい
かにして実現するかが、次に重要な問題となる。立体感
・迫力感等を観察者に与えるためには、水平方向で４０
°（±２０°）以上の提示画角を確保することが必要で
あると同時に、１２０°（±６０°）付近でその効果は
飽和してしまうことが知られている。つまり、４０°以
上でなるべく１２０°に近い観察画角にすることが望ま
しい。しかし、接眼光学系が平面の反射鏡の場合は、観
察者の眼球に上記の４０°以上の画角の光線を入射させ
ようとした場合には、非常に大きな２次元画像表示素子
を必要とし、結局、装置全体が大きくて重い物となって
しまう。

【０００５】さらに、凹面鏡はその性質上、凹面鏡の表
面に沿った凹面状の強い像面湾曲を発生するために、平
面の２次元画像表示素子を凹面鏡の焦点位置に配置する
と、その観察像面は湾曲を起こしてしまい、視野周辺ま
で明瞭な観察像を得ることができない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来、視
野周辺まで明瞭に観察でき、広い観察画角で観察者に観
察像を提示でき、なおかつ、小型で軽量な映像表示装置
を提供することは非常に難しかった。本発明は従来技術
のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、広い
観察画角を提供しつつ、小型・軽量で、高い解像力と大
きな射出瞳径を持った映像表示装置を提供しようとする
ものである。

【０００７】以下、この点についてさらに説明すると、
偏心した凹面反射鏡による接眼光学系で発生する収差は
大きく、結像性能に直接影響する像面湾曲、非点収差、
コマ収差等の収差と、結像性能には直接関係がない瞳収
差との２つが発生する。

【０００８】上記の結像性能に直接影響を与える収差
は、リレー光学系に偏心面や非球面を用いて補正するこ
とがある程度可能であるが、結像性能には直接関係がな
い瞳収差の補正は、リレー光学系に偏心や非球面を使っ
て補正することはできない。これは、観察者の瞳位置と
結像関係にある接眼光学系の入射瞳とリレー光学系の射
出瞳がズレてしまうことを意味し、リレー光学系の射出
瞳径を非常に大きくとる必要がある。リレー光学系の瞳
径を大きくとらないと、観察画角周辺がケラレたり、解
像力が不足したりといった問題が生ずる。この問題に対
処するためには、リレー光学系の瞳径を大きくしなけれ
ばならないが、リレー光学系の瞳径を大きくとることは
リレー光学系の負担が非常に大きくなり、リレー光学系
が大きく複雑になってしまう。

【０００９】以下、上記瞳収差の発生をリレー光学系を
省略した図１７を用いて説明する。図１７は、従来の表
面反射鏡である接眼凹面鏡によって発生する瞳収差を示
すための図である。この図において、観察者瞳位置を
１、凹面反射鏡を２、観察者の正面に当たる視軸を３、
観察者の瞳の凹面鏡２による投影位置（瞳位置）を４と
する。この図面の座標系の取り方は、紙面内をＹ−Ｚ平
面内とし、紙面と垂直方向の紙面表面から裏面に向かう
垂線をＸ軸とする。この図は、観察者の瞳径を１２ｍｍ
φと仮定して光線追跡をしたものである。

【００１０】さらに、観察者瞳を物点とした軸上光線の
みを追跡したのが図１８（ａ）である。図１８（ａ）に
おいて、同様に、観察者瞳位置を１、接眼凹面鏡を２、
観察者の正面にあたる視軸を３、観察者の瞳の接眼凹面
鏡２による投影位置を４とする。この図において、各主
光線１１〜１５の観察画角は、図１８（ｂ）に示す画面
中に示した画角の主光線を示している。

【００１１】上記図１８（ａ）の光線をＸ−Ｚ断面に投
影した図が図１９（ａ）である。図１９（ａ）におい
て、同様に、観察者瞳位置を１、接眼凹面鏡を２、観察
者の正面にあたる視軸を３とする。光線２１〜２３、３
１〜３３の画面中の観察画角に対する配置は図１９
（ｂ）に示すものである。

【００１２】図１９（ａ）から、図中の光線２１が特に
Ｚ軸方向に収差を持っていることが分かる。このことか
ら、図１７においては右目の左方向の画像をケラレるこ
とがなく表示するためには、大きな有効口径で十分に収
差補正されたリレーレンズを必要とすることとなり、リ
レーレンズにかかる負担が大きくなることが分かる。

【００１３】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、４０°（±２０°）以
上の観察画角を観察でき、かつ、周辺までフラットで鮮
明な観察画像を観察でき、広い射出瞳径を確保した小型
の映像表示装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の映像表示装置は、映像を表示する画面を有する映像
表示素子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成する
リレー光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を反
射させると共に、該光束によって射出瞳を形成する接眼
光学系とからなる映像表示装置において、前記接眼光学
系が、湾曲した第１の面と第２の面とを有し、前記リレ
ー光学系を射出した光束が、前記第１の面を透過した
後、前記第２の面にて反射され、その反射光束が再び前
記第１の面を透過するように設けられたことを特徴とす
るものである。

【００１５】本発明のもう１つの映像表示装置は、映像
を表示する画面を有する映像表示素子と、前記映像をリ
レーしてリレー像を形成するリレー光学系と、前記リレ
ー光学系を射出した光束を反射させると共に、該光束に
よって射出瞳を形成する接眼光学系とからなる映像表示
装置において、前記接眼光学系が、屈折率（ｎ）が１よ
りも大きい（ｎ＞１）光学部材を間に挟んだ湾曲形状の
第１の面及び第２の面を有する裏面反射鏡を含み、前記
リレー光学系を射出した光束が、前記第１の面を透過し
た後、前記光学部材を透過して前記第２の面にて反射さ
れ、その反射光束が前記光学部材を透過して再び前記第
１の面を透過するように設けられたことを特徴とするも
のである。

【００１６】本発明のさらにもう１つの映像表示装置
は、映像を表示する画面を有する映像表示素子と、前記
映像をリレーしてリレー像を形成するリレー光学系と、
前記リレー光学系を射出した光束を反射させると共に、
該光束によって射出瞳を形成する接眼光学系とからなる
顔面装着部と、前記顔面装着部を観察者頭部に保持する
ための支持部材とを有する映像表示装置において、前記
接眼光学系が、第１の面と第２の面との少なくとも２つ
の面を有し、前記リレー光学系を射出した光束が、前記
第１の面を透過後、前記第２の面で反射され、再び前記
第１の面を透過するよう設けられたことを特徴とするも
のである。

【００１７】

【作用】以下、本発明の作用について説明する。以下に
おいて、光学系の設計上の利便性から、観察者瞳位置か
ら２次元画像表示素子へ向けて光線を追跡する逆追跡の
光路に沿って説明する。

【００１８】接眼凹面反射光学系では、図１９（ａ）に
示したように、瞳位置１から広がって行く各像高の主光
線の反射面２に当たるまでの距離が大きく異なる。つま
り、図１９（ａ）の光線２１、３１に対しては、光線が
大きく広がる前の早い段階において凹面反射鏡２に当た
って反射するために、Ｚ軸との交点が瞳位置１に近くな
ってしまう。一方、その他の光線は比較的反射面２に当
たるまでの距離が長いために、Ｚ軸との交点が瞳位置１
から遠い方向になる。これは、反射面がＹ−Ｚ平面で大
きく傾いているためである。

【００１９】そこで、本発明では、裏面鏡を使用するこ
とによって上記の問題を解決している。図１は、本発明
の接眼凹面鏡によるＸ軸方向の瞳収差を示すための図で
ある。図１において、観察者瞳位置を１、接眼光学系の
第２の面を２、観察者の正面に当たる視軸を３、観察者
の瞳の凹面鏡２による投影位置（瞳位置）を４、接眼光
学系の第１の面を５、裏面鏡を６とする。図面の座標系
の取り方は、紙面内をＹ−Ｚ平面内とし、紙面と垂直方
向の紙面表面から裏面に向かう垂線をＸ軸とし、本図の
場合は、観察者眼球位置を水平に切った水平断面とし
て、観察者頭部上方より観察した断面図である。

【００２０】この図において、各主光線の観察画角は、
図１８（ｂ）に示す画角の主光線１１〜１５を示してい
る。この図１の光線をＸ−Ｚ断面に投影したものが図２
である。図２において、観察者瞳位置を１、接眼光学系
の第２の面を２、観察者の正面に当たる視軸を３、接眼
光学系の第１の面を５、裏面鏡を６とする。光線の観察
画角に対する配置は図１９（ｂ）に示すものである。図
２において、光線２１と３１が特に図１９（ａ）に比較
して、眼球側から凹面鏡２側に変化しているのが分か
る。

【００２１】このように、接眼凹面鏡に第１面５として
透過面を配置し、この透過面５に適切な曲率半径を設定
することによって、第２面２の接眼凹面鏡で発生する瞳
収差を良好に補正することができる。第１面５と第２面
２との面形状の関係は、例えば、図１に示すように、第
１面５と第２面２との間隔をＹ方向に向かって大きくな
るようにして、上記の瞳収差を良好に補正することがで
きる。

【００２２】さらに、接眼凹面鏡２で発生する像面の傾
きを補正するために、後記の実施例に示すように、像面
に相当する２次元画像表示素子をリレー光学系の軸に対
して傾けて配置することが重要となる。これは、一般に
カメラレンズ等で使用されるアオリ機構と同様に、物体
面、リレー光学系、像面（２次元画像表示素子）を各々
傾けて配置する必要がある。傾け方については、一般に
知られているアオリと同様に、リレー光学系を２次元画
像表示素子の画面に対して垂直方向に延びる光軸に対し
てティルト配置又はシフト配置する方法がある。

【００２３】以上の構成により、瞳径が小さくて小型で
軽量のリレー光学系を用いて、画角が広く、画像の周辺
まで良好に収差補正の行われた鮮明な像を観察すること
ができる映像表示装置を提供することが可能となる。

【００２４】また、さらに好ましくは、接眼凹面鏡２の
反射面を非球面にすることによって、リレー光学系７
（図３）に入射する瞳収差を補正することが可能とな
り、さらに、リレー光学系７の収差補正の負担が減り、
リレー光学系７を小型にできる。

【００２５】また、接眼凹面鏡２の反射面をアナモルフ
ィック面にすることが望ましく、その場合は、Ｘ軸方向
の近軸曲率半径Ｒ_x よりもＹ軸方向の近軸曲率半径Ｒ_y
の方が大きくなるように設定することが好ましい（｜Ｒ
_x ｜＜｜Ｒ_y ｜）。その理由は、接眼凹面鏡２に斜めに
光束が入射するために生じる複雑な非点収差の発生を抑
制し、観察画角周辺まで明瞭な観察像を観察することが
可能となるからである。

【００２６】さらに、接眼凹面鏡２の前側焦点位置より
も接眼凹面鏡２から離れた位置に観察者の瞳位置（射出
瞳）１を配置すると、接眼凹面鏡２によって結像される
無限遠物点の仮想像面を小さくすることが可能となり、
コンパクト化に望ましい。また、接眼凹面鏡２の焦点距
離をＦ_R 、接眼凹面鏡２と観察者虹彩位置（射出瞳）１
までの距離をＤとするとき、 Ｄ＞０．５×Ｆ_R ・・・（１） なる条件式（１）を満足することが好ましい。

【００２７】上記条件式（１）の下限を越えると、接眼
凹面鏡２で反射した光線が極端に広がってしまい、リレ
ー光学系７が大型となり、装置全体が大型のものとなっ
てしまう。

【００２８】また、接眼凹面鏡２と観察者眼球の虹彩位
置１又は眼球回旋点との距離は、接眼凹面鏡２を観察者
眼球直前に配置するために、余りに短いと、観察者の睫
毛に当たったり恐怖感を与えてしまう。このために、接
眼凹面反射光学系２と観察者虹彩位置１又は眼球回旋点
までの距離Ｄは３０ｍｍ以上離して配置することが望ま
しく、 Ｄ＞３０（ｍｍ） ・・・（２） なる条件式（２）を満足することが好ましい。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の映像表示装置の実施例１〜４
について、図面を参照にして説明するが、座標系の取り
方は、紙面内をＹ−Ｚ平面内とし、紙面と垂直方向の紙
面表面から裏面に向かう垂線をＸ軸とする。図３〜図６
にそれぞれ実施例１〜４の右眼用の映像表示装置のＹ−
Ｚ断面を示す。左眼用は、構成する光学要素を全て対称
に配備することで実現できる。

【００３０】図３を用いて実施例１を説明する。図中、
１は観察者瞳位置、２は接眼光学系の第２面になる凹面
鏡、３は観察者視軸、５は接眼光学系の第１面、６は第
１面５と第２面からなる裏面鏡、７はリレー光学系、８
は２次元画像表示素子である。

【００３１】本実施例は、２次元画像表示素子８を観察
者の頭部付近に配置するように、視軸３を観察者の頭部
上方に屈曲する配置の実施例を示しているが、本実施例
はこれにこだわることなく、頭部の左右方向に視軸３を
屈曲させる配置にできることは明白である。

【００３２】この実施例は、左右画角５０°、上下画角
３８．５°で、瞳径１０ｍｍφである。この実施例にお
いては、リレー光学系７に３群のレンズを配置してい
る。さらに、これら３群のレンズはそれぞれ偏心して配
置されている。

【００３３】図４、図５、図６にそれぞれ実施例２〜４
の右眼用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面を示す。左眼用
は、構成する光学要素を全て対称に配備することで実現
できる。これら実施例は、何れも実施例１とほぼ同じで
あるので説明は省く。

【００３４】実施例２は、左右画角５０°、上下画角３
８．５°で瞳径１０ｍｍφであり、本実施例もリレー光
学系７は３群のレンズで構成されており、各レンズはそ
れぞれ偏心して配置されている。

【００３５】実施例３は、左右画角５０°、上下画角３
８．５°で、瞳径１０ｍｍφであり、リレー光学系７は
３群のレンズで構成されているが、第１群と第２群は共
軸に配置されていて、第３群とは偏心している。

【００３６】実施例４は、左右画角５０°、上下画角３
８．５°で、瞳径１０ｍｍφであり、本実施例は相互に
偏心した２群でリレー光学系７が構成されている。

【００３７】これら実施例１〜４の構成パラメータは後
記するが、面番は観察者瞳位置１から２次元画像表示素
子８へ向かう逆追跡の面番で示してある。

【００３８】構成パラメータにおいて、偏心量と傾き角
は、第１面５、第２面２についてはＹ軸方向への偏心量
と傾き角が与えられ、偏心量はその頂点が射出瞳１中心
を通る視軸３（Ｚ軸方向）からのＹ軸方向へ偏心してい
る距離であり、傾き角はその頂点を通る中心軸のＺ軸方
向からの傾き角である。リレー光学系７に関しては、そ
の第１面の面頂の射出瞳１中心を通る視軸３（Ｚ軸方
向）からのＹ軸方向及びＺ軸方向への偏心量と、その面
頂を通る中心軸のＺ軸方向からの傾き角が与えられてい
る。この後の座標系は、まず、リレー光学系７の第１面
の中心軸が２次元画像表示素子８から裏面鏡６に向かう
方向を正とするＺ軸となり、紙面でＺ軸に直交し、２次
元画像表示素子８の右から左を正とするＹ軸、紙面の上
から下を正とするＸ軸に変換される。その後、続く各面
の偏心量と傾き角がその前の面の座標系に対して同様に
与えられ、かつ、同様に座標系が順に変換される。ま
た、２次元画像表示素子８については、リレー光学系７
の最後の面での変換後の座標系におけるＹ軸正方向への
その中心の偏心量と、その面の法線のＺ軸からの傾き角
とで与えられる。

【００３９】また、各面において、非回転対称の非球面
形状は、Ｒ_y 、Ｒ_x はそれぞれＹ−Ｚ面（紙面）内の近
軸曲率半径、Ｘ−Ｚ面内での近軸曲率半径、Ｋ_x 、Ｋ_y
はそれぞれＸ方向、Ｙ方向の円錐係数、ＡＲ、ＢＲはそ
れぞれ回転対称な４次、６次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰ
はそれぞれ非対称な４次、６次の非球面係数とすると、
非球面式は以下に示す通りである。

【００４０】Ｚ =［( Ｘ²/Ｒ_x )+ (Ｙ²/Ｒ_y ) ］／［1+
｛ 1-(1+Ｋ_x ) ( Ｘ²/Ｒ_x ²)-(1+Ｋ_y ) ( Ｙ²/Ｒ_y ²)｝
^1/2 ］＋ＡＲ［ (1-ＡＰ) Ｘ²+( 1+ＡＰ) Ｙ² ］²＋Ｂ
Ｒ［ (1-ＢＰ) Ｘ²+( 1+ＢＰ) Ｙ² ］³ また、各面において、回転対称の非球面形状は、近軸曲
率半径をＲとすると、次の式で与えられる。

【００４１】Ｚ =（ｈ²/Ｒ) ／［1+｛ 1-(1+Ｋ) ( ｈ²/
Ｒ²)｝^1/2 ］＋Ａｈ⁴ ＋Ｂｈ⁶（ｈ² ＝Ｘ² ＋Ｙ² ） ここで、Ｋは円錐係数、Ａ、Ｂはそれぞれ４次、６次の
非球面係数である。

【００４２】また、面間隔は、射出瞳１、第１面５、第
２面２の間については、Ｚ軸方向の間隔、リレー光学系
７の第１面からその像面（２次元画像表示素子８）に到
る間隔は、順次変換される中心軸に沿う間隔で示してあ
る。リレー光学系７については、面の曲率半径をｒ₁ 〜
ｒ_i で、面間隔をｄ₁ 〜ｄ_i で、ｄ線の屈折率をｎ₁〜
ｎ_i で、アッベ数をν₁ 〜ν_i で示す。なお、第１面５
と第２面２間の媒質のｄ線の屈折率をｎで、アッベ数を
νで示す。

【００４３】実施例１ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 （偏心量） （傾き角） １（１） ∞（瞳） 55.478 ２（５）Ｒ_y -79.448 2.183 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -54.185 Ｙ： 0 38.178° Ｋ_y 2.920316 Ｋ_x 1.033415 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ３（２）Ｒ_y -75.750（反射面） -2.183 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -53.139 Ｙ： 0 35.000° Ｋ_y 0.952212 Ｋ_x 0.236231 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４（５）Ｒ_y -79.448 0.000 Ｙ： 0 38.178° Ｒ_x -53.185 Ｋ_y 2.920316 Ｋ_x 1.033415 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ５（ｒ₁ ） -32.532 （ｄ₁ ） -3.876 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｙ：-48.645 45.962° Ｚ： 40.120 Ｋ 0.000 Ａ 0.150932 ×10^-4 Ｂ -0.111906 ×10^-6 ６（ｒ₂ ） ∞ （ｄ₂ ） -7.172 ７（ｒ₃ ） -62.160 （ｄ₃ ） -10.169 ｎ₂=1.5163 ν₂= 64.1 Ｙ： -1.752 6.723° Ｋ 0.000 Ａ 0.173361 ×10^-3 Ｂ 0.183862 ×10^-5 ８（ｒ₄ ） 11.390 （ｄ₄ ） -4.587 Ｋ 0.000 Ａ -0.771652 ×10^-4 Ｂ 0.397531 ×10^-6 ９（ｒ₅ ） -14.945 （ｄ₅ ） -1.000 ｎ₃=1.80518 ν₃= 25.4 Ｙ： -4.249 17.790° １０（ｒ₆ ） -9.997 （ｄ₆ ） -9.570 ｎ₄=1.62299 ν₄= 58.2 １１（ｒ₇ ） 22.177 （ｄ₇ ） -6.081 １２（８） ∞（表示素子） Ｙ： 1.292 25.274°。

【００４４】実施例２ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 （偏心量） （傾き角） １（１） ∞（瞳） 55.478 ２（５）Ｒ_y -66.710 1.615 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -46.471 Ｙ： 0 38.405° Ｋ_y 1.552160 Ｋ_x 0.328920 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ３（２）Ｒ_y -71.230（反射面） -1.615 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -50.647 Ｙ： 0 35.000° Ｋ_y 0.653431 Ｋ_x -0.028880 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４（５）Ｒ_y -66.710 0.000 Ｙ： 0 38.405° Ｒ_x -46.471 Ｋ_y 1.552160 Ｋ_x 0.328920 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ５（ｒ₁ ） -26.436 （ｄ₁ ） -3.565 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｙ：-48.076 50.540° Ｚ： 35.767 ６（ｒ₂ ） 1882.524 （ｄ₂ ） -10.618 ７（ｒ₃ ） -36.075 （ｄ₃ ） -8.804 ｎ₂=1.5163 ν₂= 64.1 Ｙ： -3.865 2.575° Ｋ 0.000 Ａ 0.177586 ×10^-3 Ｂ 0.199270 ×10^-5 ８（ｒ₄ ） 12.098 （ｄ₄ ） -2.485 Ｋ 0.000 Ａ -0.843954 ×10^-4 Ｂ 0.773669 ×10^-6 ９（ｒ₅ ） -22.343 （ｄ₅ ） -1.000 ｎ₃=1.80518 ν₃= 25.4 Ｙ： -3.029 20.685° １０（ｒ₆ ） -12.777 （ｄ₆ ） -9.106 ｎ₄=1.62299 ν₄= 58.2 １１（ｒ₇ ） 17.230 （ｄ₇ ） -6.860 １２（８） ∞（表示素子） Ｙ： 2.734 19.857°。

【００４５】実施例３ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 （偏心量） （傾き角） １（１） ∞（瞳） 55.478 ２（５）Ｒ_y -40.468 1.744 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -31.469 Ｙ： 0 40.451° Ｋ_y -1.328390 Ｋ_x -1.588026 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ３（２）Ｒ_y -51.506（反射面） -1.744 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -39.370 Ｙ： 0 35.000° Ｋ_y -1.118580 Ｋ_x -1.176330 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４（５）Ｒ_y -40.468 0.000 Ｙ： 0 40.451° Ｒ_x -31.468 Ｋ_y -1.328390 Ｋ_x -1.588026 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 BP 0 ５（ｒ₁ ） -21.374 （ｄ₁ ） -3.125 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｙ：-43.979 43.423° Ｚ： 35.940 ６（ｒ₂ ） 800.331 （ｄ₂ ） -1.453 ７（ｒ₃ ） -63.646 （ｄ₃ ） -13.803 ｎ₂=1.5163 ν₂= 64.1 Ｙ： -3.865 2.575° Ｋ 0.000 Ａ 0.924995 ×10^-4 Ｂ 0.211168 ×10^-6 ８（ｒ₄ ） 17.122 （ｄ₄ ） -0.100 Ｋ 0.000 Ａ -0.267880 ×10^-4 Ｂ -0.520031 ×10^-7 ９（ｒ₅ ） -12.680 （ｄ₅ ） -7.393 ｎ₃=1.62299 ν₃= 58.2 Ｙ： -5.586 4.670° １０（ｒ₆ ） 11.422 （ｄ₆ ） -1.000 ｎ₄=1.80518 ν₄= 25.4 １１（ｒ₇ ） 27.614 （ｄ₇ ） -8.341 １２（８） ∞（表示素子） Ｙ： -1.549 37.828°。

【００４６】実施例４ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 アッベ数 （偏心量） （傾き角） １（１） ∞（瞳） 55.478 ２（５）Ｒ_y -56.427 2.027 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -40.352 Ｙ： 0 38.802° Ｋ_y -1.854057 Ｋ_x -1.725595 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ３（２）Ｒ_y -62.797（反射面） -2.027 ｎ =1.5163 ν = 64.1 Ｒ_x -45.362 Ｙ： 0 35.000° Ｋ_y -1.122810 Ｋ_x -1.101846 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ４（５）Ｒ_y -56.427 0.000 Ｙ： 0 38.802° Ｒ_x -40.352 Ｋ_y -1.854057 Ｋ_x -1.725595 ＡＲ 0 ＢＲ 0 ＡＰ 0 ＢＰ 0 ５（ｒ₁ ） -25.011 （ｄ₁ ） -18.001 ｎ₁=1.5163 ν₁= 64.1 Ｙ：-50.956 60.986° Ｚ： 32.884 Ｋ 0 Ａ 0.568562 ×10^-4 Ｂ 0.268245 ×10^-6 ６（ｒ₂ ） 17.125 （ｄ₂ ） -4.211 Ｋ 0 Ａ -0.294893 ×10^-4 Ｂ 0.793536 ×10^-7 7(r₃ ） -13.769 （ｄ₃ ） -13.759 ｎ₂=1.62299 ν₂= 58.2 Ｙ： -4.080 -11.028° ８（ｒ₄ ） 12.447 （ｄ₄ ） -1.000 ｎ₃=1.80518 ν₃= 25.4 ９（ｒ₅ ） 41.400 （ｄ₅ ） -6.489 １０（８） ∞（表示素子） Ｙ： -2.228 40.443°。

【００４７】以上の実施例１〜４の横収差図をそれぞ
れ、図７〜図８、図９〜図１０、図１１〜図１２、図１
３〜図１４に示す。これらの図中、（１）は画面の視軸
方向（上下方向０°、左右方向０°）、（２）は画面の
上下方向０°、左右方向−１９．３°、（３）は画面の
上下方向２５°、左右方向−１９．３°、（４）は上下
方向２５°、左右方向０°、（５）は上下方向２５°、
左右方向１９．３°、（６）は上下方向０°、左右方向
１９．３°、（７）は上下方向０°、左右方向−１３．
５°、（８）は上下方向１７．５°、左右方向−１３．
５°、（９）は上下方向１７．５°、左右方向０°、
（１０）は上下方向１７．５°、左右方向１３．５°、
（１１）は上下方向０°、左右方向１３．５°における
左右方向（Ｙ方向）及び上下方向（Ｘ方向）の値を示す
ものである。

【００４８】ところで、以上の説明においては、接眼光
学系の第２面になる凹面鏡２は、全反射鏡から構成する
ものと考えていたが、これを光量を所定の割合で透過す
るハーフミラーとして構成してもよい。ハーフミラーの
形態としては、例えば、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うに、裏面鏡６の光学部材９の表面に設けられた部分透
過部分反射面４１、半透過膜４２、偏光性半透過膜４３
の何れからなるものでもよい。すなわち、ハーフミラー
２は、光量を約５０％透過し、約５０％を反射する面で
あり、それ以外に、その比は１：９から９：１の範囲で
利用される。その手段としては、入射光束を面積として
分割する方式とその強度を分割する方式、さらにはその
両方を行う方式がある。図１５（ａ）の部分透過部分反
射面４１の場合は、面積で光量を分割する例で、光学部
材９（その屈折率ｎは、ｎ＞１）の表面の上にアルミニ
ウム等の反射コーティングを数μｍから０．１ｍｍ程度
の網目状等飛び飛びに行い、反射する部分と反射しない
で透過する部分の面積の比によって全体的（マクロ的）
な反射率と透過率が設定されるものである。また、図１
５（ｂ）の半透過膜（ｓｅｍｉｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ
ｆｉｌｍ）４２は、光学部材９（その屈折率ｎは、ｎ
＞１）の表面の上にアルミウムの極薄膜、クロムの極薄
膜等の金属極薄膜、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＦ₂ 等の誘電体多層
膜からなる半透過膜をコーティングして光量を分割する
ものである。さらに、図１５（ｃ）のものは、入射光の
偏光成分を分離することにより光量を分割するものであ
る。すなわち、偏光性半透過膜４３を光学部材９（その
屈折率ｎは、ｎ＞１）の表面の上にコーティングして、
Ｐ偏光とＳ偏光を選択的に透過又は反射させて入射光を
分割するものである。

【００４９】以上、本発明の映像表示装置をいくつかの
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。そして、本発
明の映像表示装置を頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ）
５０として構成するには、例えば、図１６（ａ）に水平
断面図、同図（ｂ）に斜視図を示すように、例えばヘッ
ドバンド５１を取り付けて観察者の頭部に装着して使用
する。なお、図１６（ａ）の場合は、裏面鏡６の第２面
２を図１５の何れかのハーフミラーで構成し、裏面鏡６
の視線３前方にシャッター５２を設け、このシャッター
５２を開いて外界像を選択的又は２次元画像表示素子８
の映像と重畳して観察できるようにしている。

【００５０】なお、前記の特許請求の範囲の発明を、さ
らに以下のように構成することもできる。 （４）前記第１の面及び前記第２の面とが共に凹面を前
記リレー光学系及び前記射出瞳側に向けた請求項１、２
又は３の映像表示装置。

【００５１】（５）前記第２の面の凹面側に前記第１の
面が設けられ、前記第２の面が光束を反射する反射面か
らなる前記（４）の映像表示装置。

【００５２】（６）前記第２の面の凹面側に前記第１の
面が設けられ、前記第２の面が光束を一部透過残部反射
させる半透過反射面からなる前記（４）の映像表示装
置。

【００５３】（７）前記第１の面と前記第２の面との間
隔が、任意の方向に向かって大きくなっている請求項
１、２又は３の映像表示装置。

【００５４】（８）前記任意の方向が、前記リレー光学
系側から前記射出瞳側に向かう前記（７）の映像表示装
置。

【００５５】（９）前記リレー光学系の少なくとも一部
が、前記画面に対して垂直方向に延びる前記映像表示素
子からの光軸に対して、偏心配置されている請求項１、
２又は３の映像表示装置。

【００５６】（１０）前記偏心がティルト配置である前
記（９）の映像表示装置。

【００５７】（１１）前記偏心がシフト配置である前記
（９）の映像表示装置。

【００５８】（１２）前記第２の面を非球面とした請求
項１から３又は前記（１）〜（１１）の映像表示装置。

【００５９】（１３）前記第２の面をアナモルフィック
面とした請求項１から３又は前記（１）〜（１２）の映
像表示装置。

【００６０】（１４）前記アナモルフィック面が、以下
の条件を満足する前記（１３）の映像表示装置。

【００６１】｜Ｒ_x ｜＜｜Ｒ_y ｜ ただし、Ｒ_x はＸ軸方向の近軸曲率半径、Ｒ_y はＹ軸方
向の近軸曲率半径である。

【００６２】（１５）以下の条件を満たす請求項１から
３又は前記（１）〜（１４）の映像表示装置。

【００６３】Ｄ＞０．５×Ｆ_R ただし、Ｄは前記第２の面と前記射出瞳の間の距離、Ｆ
_R は前記第２の面の焦点距離である。

【００６４】（１６）以下の条件を満たす請求項１から
３又は前記（１）〜（１５）の映像表示装置。

【００６５】Ｄ＞３０（ｍｍ） ただし、Ｄは前記第２の面と前記射出瞳の間の距離であ
る。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の映像表示装置によると、広い提示画角で、周辺の画角
まで鮮明に観察できる頭部装着式映像表示装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の接眼凹面鏡によるＸ軸方向の瞳収差を
示すための図である。

【図２】図１の光線をＸ−Ｚ断面に投影した図である。

【図３】本発明の実施例１の右眼用の映像表示装置のＹ
−Ｚ断面図である。

【図４】実施例２の右眼用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面
図である。

【図５】実施例３の右眼用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面
図である。

【図６】実施例４の右眼用の映像表示装置のＹ−Ｚ断面
図である。

【図７】実施例１の横収差の一部を示す収差図である。

【図８】実施例１の横収差の残りを示す収差図である。

【図９】実施例２の横収差の一部を示す収差図である。

【図１０】実施例２の横収差の残りを示す収差図であ
る。

【図１１】実施例３の横収差の一部を示す収差図であ
る。

【図１２】実施例３の横収差の残りを示す収差図であ
る。

【図１３】実施例４の横収差の一部を示す収差図であ
る。

【図１４】実施例４の横収差の残りを示す収差図であ
る。

【図１５】本発明において用いるハーフミラーの形態を
説明するための図である。

【図１６】本発明による頭部装着式映像表示装置の水平
断面図と斜視図である。

【図１７】従来の接眼凹面鏡によって発生する瞳収差を
示すための図である。

【図１８】図１７のＸ軸方向の瞳収差を示すための図で
ある。

【図１９】図１８の光線をＸ−Ｚ断面に投影した図であ
る。

【図２０】従来の１つの頭部装着式映像表示装置の光学
系を示す図である。

【符号の説明】

１…瞳位置 ２…接眼光学系の第２面（反射面） ３…観察者の正面に当たる視軸 ４…観察者の瞳の投影位置 ５…接眼光学系の第１面（屈折面） ６…裏面鏡 ７…リレー光学系 ８…２次元画像表示素子 ９…光学部材 １１〜１５、２１〜２３、３１〜３３…光線 ４１…部分透過部分反射面 ４２…半透過膜 ４３…偏光性半透過膜 ５０…頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ） ５１…ヘッドバンド ５２…シャッター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する画面を有する映像表示素
   子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成するリレー
   光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を反射させ
   ると共に、該光束によって射出瞳を形成する接眼光学系
   とからなる映像表示装置において、 前記接眼光学系が、湾曲した第１の面と第２の面とを有
   し、前記リレー光学系を射出した光束が、前記第１の面
   を透過した後、前記第２の面にて反射され、その反射光
   束が再び前記第１の面を透過するように設けられた映像
   表示装置。
2. 【請求項２】 映像を表示する画面を有する映像表示素
   子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成するリレー
   光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を反射させ
   ると共に、該光束によって射出瞳を形成する接眼光学系
   とからなる映像表示装置において、 前記接眼光学系が、屈折率（ｎ）が１よりも大きい（ｎ
   ＞１）光学部材を間に挟んだ湾曲形状の第１の面及び第
   ２の面を有する裏面反射鏡を含み、 前記リレー光学系を射出した光束が、前記第１の面を透
   過した後、前記光学部材を透過して前記第２の面にて反
   射され、その反射光束が前記光学部材を透過して再び前
   記第１の面を透過するように設けられた映像表示装置。
3. 【請求項３】 映像を表示する画面を有する映像表示素
   子と、前記映像をリレーしてリレー像を形成するリレー
   光学系と、前記リレー光学系を射出した光束を反射させ
   ると共に、該光束によって射出瞳を形成する接眼光学系
   とからなる顔面装着部と、前記顔面装着部を観察者頭部
   に保持するための支持部材とを有する映像表示装置にお
   いて、 前記接眼光学系が、第１の面と第２の面との少なくとも
   ２つの面を有し、前記リレー光学系を射出した光束が、
   前記第１の面を透過後、前記第２の面で反射され、再び
   前記第１の面を透過するよう設けられた映像表示装置。