JPH1039248A

JPH1039248A - 映像表示装置

Info

Publication number: JPH1039248A
Application number: JP19869296A
Authority: JP
Inventors: Masato Yasugaki; 安垣誠人; Kokichi Kenno; 研野孝吉
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】２つ以上の映像表示素子を使用して小型、軽
量で、広画角、高解像で観察画面周辺まで明瞭に映像が
観察可能な頭部装着式等の映像表示装置。【解決手段】映像表示素子１０₁、１０₂からの光線
は、透過平面１２₁、１２₂からハーフミラー面１
３₁、１３₂へ進み、ここで反射されて凹面鏡１４₁、
１４₂へ達し、そこで反射された光線はハーフミラー面
１３₁、１３₂を透過して透過平面１５₁、１５₂を経
て射出し、瞳Ｅに到達して観察者眼球に映像表示素子１
０₁、１０₂に表示された映像を一部重畳して拡大投影
する。両プリズム光学系１１₁、１１₂の接合面２０は
遮光面となっており、２つの映像表示素子１０₁、１０
₂中の一方の映像表示素子から射出した光束が他方の映
像表示素子に対応するプリズム光学系に入射しないよう
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像表示装置に関
し、特に、広画角、高解像で映像を観察することができ
る頭部装着式表示装置等の映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】バーチュアルリアリティ用、あるいは、
一人で大画面の映像を楽しむことができるようにするこ
と等を目的として、ヘルメット型、ゴーグル型の頭部装
着式表示装置の開発が進められている。

【０００３】ところで、従来、観察者の頭部装着式映像
表示装置としては、図１３に示すように、液晶表示装置
等の２次元表示素子１の表示像を使用者の眼球の前面に
４５度に傾斜配置したハーフミラー２で反射させ、ハー
フミラー２のさらに前方に配置した凹面鏡３でこれを拡
大し、この拡大された表示像を再びハーフミラー２を通
して観察できるようにしたものが知られている（特開平
３−１８８７７７号）。なお、２次元表示素子１は凹面
鏡３の前側焦点位置近くに配置されている。

【０００４】ここで、上記のような光学系と使用者の眼
球との距離（作動距離）をＷＤ、凹面鏡３の直径をＤ、
光学系の厚みをｔとおき、主光線の通過領域を考慮する
と、図１３から下式が成り立つ。なお、Ｄとｔとは、そ
れぞれ４５°に傾いたハーフミラー２の図中での縦と横
の幅にほぼ等しいものになるので、その結果、Ｄとｔは
概略同じ値となる。

【０００５】Ｄ＝２（ｔ＋ＷＤ）ｔａｎ（θ／２）ｔ＝Ｄｔ｛１−２ｔａｎ（θ／２）｝＝２ＷＤｔａｎ（θ／
２） ∴ｔ＝２ＷＤｔａｎ（θ／２）／｛１−２ｔａｎ（θ／
２）｝。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような頭部装着式
表示装置の使い勝手を考慮すると、ＷＤは１０ｍｍ以上
２５ｍｍ以内を確保する必要があり、仮に、ＷＤを２０
ｍｍ、画角θ＝４０°の場合は、上記の式より、光学系
の厚みｔは、ｔ＝５３ｍｍと大変大きくなることが分か
る。しかも、実際には、主光線に加え、従属光線の通過
領域も確保する必要があり、さらに大きな光学系が必要
となる。

【０００７】また、小型の２次元表示素子は画素数が十
分ではないため、これを拡大して観察される映像は十分
な解像力が得られないという問題もある。そこで、複数
のこのような表示素子を並設して、広い画面を得ること
を発明者は考察した。しかし、頭部装着式表示装置のよ
うに頭部に装着するタイプの表示装置用には、軽量な液
晶表示装置を用いるのが一般的であるが、液晶表示装置
は、図１４に正面図を示すように、画面Ｇの周りが基板
部Ｋで囲まれた表示画面となっているので、これらを並
設しても、この基板部Ｂが相互に邪魔になって不都合で
あった。

【０００８】また、２個以上の２次元表示手段を組み合
わせて観察画角を広くとることは以前から試みられてい
るが、米国特許第５，１５７，５０３号と独国特許第
４，１２７，９２４号のものは、観察者の頭部に装着で
きるような小型・軽量なものではなかった。また、特開
平６−３０８４２５号のものは、接眼光学系が凸レンズ
で構成されているために収差の発生が多く、さらに、観
察者の眼球位置がずれた場合の収差変化が大きく、眼幅
の異なる多くの観察者が安定して像を観察することがで
きなかった。

【０００９】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、その目的は、２つ以上の２次
元表示素子を使用して、小型、軽量で、しかも、広画
角、高解像で観察画面周辺まで明瞭に映像が観察可能な
頭部装着式表示装置等に好適な映像表示装置を提供する
ことである。

【００１０】

【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、観察者の片方の眼球に対して、少
なくとも２つの２次元表示手段と、少なくとも２つの接
眼光学系とからなり、前記接眼光学系は２次元表示手段
に対向して配置された第１の透過面と、観察者の瞳に対
向して配置された反射と透過作用を有する面と、正のパ
ワーを有する凹面鏡と、瞳に対向して配置された第２の
透過面とからなる全体として正のパワーを有する接眼光
学系として構成され、前記２次元表示手段を射出した光
線は、第１の透過面、反射と透過作用を有する面、正の
パワーを有する面、第２の透過面の順に進み、観察者眼
球に到達する光路を形成し、前記の少なくとも２つの２
次元表示手段は、観察者眼球に導かれる映像の少なくと
も一部を含む第１の映像を表示する第１映像表示手段
と、前記の観察者眼球に導かれる映像の前記第１の映像
と異なる他の部分の映像を含む第２の映像を表示する第
２映像表示手段とからなり、前記の少なくとも２つの映
像表示手段の中の一方の映像表示手段から射出した光束
が他方の映像表示手段に対応する接眼光学系に入射しな
いように前記の少なくとも２つの接眼光学系の間に遮光
手段を設けたことを特徴とするものである。

【００１１】この場合、少なくとも２つの接眼光学系の
第２の透過面間の間隔が４ｍｍ以下であることが望まし
い。

【００１２】また、少なくとも２つの２次元表示手段に
表示される映像は、隣り合った２次元表示手段の映像の
一部と重複する領域を設けることが望ましい。そして、
その映像の重複部は、視野角において１１°以上設ける
ことが望ましい。

【００１３】また、少なくとも２つの接眼光学系の隣り
合う第２の透過面の接続部分において、その面の法線が
接続境界面に対して１０°以上の角度をなしていること
が望ましい。

【００１４】以下、本発明において、上記構成をとる理
由と作用について説明する。接眼光学系を、上記のよう
に、２次元表示手段に対向して配置された第１の透過面
と、観察者の瞳に対向して配置された反射と透過作用を
有する面と、正のパワーを有する凹面鏡と、瞳に対向し
て配置された第２の透過面とからなる全体として正のパ
ワーを有するものとして構成する場合には、反射と透過
作用を有する面と凹面鏡により光路を折り返している。
しかし、このように光路を折り返すための反射面が接眼
光学系内に存在するため、単に２つの接眼光学系を並べ
ただけでは互いに隣接する他の接眼光学系からの不要反
射光が入ってくるために、ゴーストが多く発生し、明瞭
な観察像を観察することが不可能になる。そのため、少
なくとも２つの接眼光学系の境界面近傍にお互いの接眼
光学系からくる光線が他の接眼光学系に入射するのを防
ぐ遮光手段を設けることが重要になる。

【００１５】さらに好ましくは、２つの接眼光学系の境
界面以外に、２つの映像表示素子から接眼光学系までの
光路においても、お互いの光線が他の接眼光学系に入射
しないように、遮光手段を配置することが重要である。

【００１６】次に、映像の接合部分付近で滑らかに繋が
る映像を実現するためには、繋ぎ目が目立たないよう
に、光線が途切れる角度がないことが重要である。この
ためには、接眼光学系を構成する第２の透過面間の繋ぎ
目が少ないことが重要である。観察者の瞳は通常の観察
時には約４ｍｍの直径をしいてるので、この繋ぎ目部分
の映像が供給されない部分を４ｍｍ以下にすることによ
って、観察映像の連続性が保つことが可能となる。

【００１７】さらに好ましくは、第２透過面間の間隔、
つまり、繋ぎ目部分を１ｍｍ以下にすることが望まし
く、０．５ｍｍ以下がさらに好ましい。

【００１８】次に、映像の一部が重複する領域を設ける
ことについて説明する。２つの接眼光学系によって観察
映像を画角を分けて投影する場合には、１つの光学系が
担当する画角と他の光学系が担当する画角との間に重複
する画角がないと、１つの光学系から他の光学系に観察
映像が切り変わった瞬間に、元の光学系からの光線が急
になくなり、映像の接続部分が不自然になる。

【００１９】この様子を図１０に示す。図（ａ）は重複
画角を設けない場合の左右画角に対するそれぞれの接眼
光学系の瞳の様子を示す図であり、図の上が右側光学系
の瞳、中央が左側光学系の瞳、下が両光学系の瞳を重ね
たものである。接続部分では、左右の光学系からの光線
が来るので、それぞれが補い合って円形の瞳を形成する
が、そこから僅かにずれた視野領域では、片側の光学系
からの光だけがきて、その一部ないし大部分は合成光学
系の接続境界面によってケラレて瞳は円形にならない。

【００２０】これを重複画角によって補償するには、瞳
がケラレ始める画角まで左右の映像を重複させる必要が
ある。図１０（ｂ）は重複領域が小さい場合であり、接
続部から僅かにずれた視野領域では、重なった瞳は完全
には円形にならず、中心の一部がケラレている。これに
対し、図１０（ｃ）は重複領域が大きい場合であり、接
続部以外の何れの画角においても重なった瞳は完全に円
形になっている。

【００２１】さらに好ましくは、このときに必要とされ
る重複領域の画角は、アイリリーフと必要とされる瞳径
から決定され、以下の式で表される。２ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２Ｌ）ここで、Ｄは必要とされる瞳径、Ｌはアイリリーフであ
る。

【００２２】上記計算式において、瞳孔径Ｄ＝４ｍｍ、
アイリリーフＬ＝２０ｍｍとして、この量は１１°（片
側で５．５°）となる。つまり、１１°以上の重複画角
をとることがさらに好ましい。

【００２３】次に観察者の瞳から２次元表示素子に向か
う逆光線追跡により光線を説明する。瞳を出た光線は接
眼光学系の第２の透過面を経て光学系内に入射し、２次
元表示素子に向かう。このとき、少なくとも２つの接眼
光学系の境界面に観察者眼球からの光線が当たると、そ
の境界面が観察されることになる。２つの接眼光学系の
合成光学系の境界面を目立たなくするためには、境界面
から発する光線が瞳孔に入射しないようにすればよい。
瞳中心に最も近づく光線は、境界面に極く近くに沿って
進む光線である。この光線が瞳孔から外れるようにする
ためには、第２の透過面から順光線追跡で光線が射出す
るときに、境界面から離れる方向に屈折するように接眼
光学系を配置すればよい。

【００２４】以下、図１１を参照にしてこの点を説明す
る。この図の場合、２つの接眼光学系はプリズム１
１₁、１１₂からなる光学系であり、眼側の面（第２の
透過面）１５₁、１５₂の法線ｎがそれらの面よりも眼
側の領域で交わるように傾けて配置する必要がある。こ
のとき、各面の必要な傾け角度ｉは、図１１から明らか
なように、境界面２０に沿って眼側に射出する光線と視
軸２のなす角θの中に瞳孔Ｅが入らないように設定すれ
ばよい。境界面２０に沿って眼側に射出する光線の射出
角をｊ、プリズム１１₁、１１₂の屈折率をｎとする
と、ｎ・ｓｉｎｉ＝ｓｉｎｊｎ・ｓｉｎｉ＝ｓｉｎ（θ＋ｉ）近似して、ｎ・ｉ＝θ＋ｉよって、ｉ＝θ／（ｎ−１）となる。境界面２０に沿って眼側に射出する光線が最低
限瞳孔Ｅの外へ出るためには、瞳孔径４ｍｍ、アイリリ
ーフ２０ｍｍとして、θは約５°以上必要となるため、
ｎを１．５とすると、ｉは１０°以上が望ましい。

【００２５】眼側の面（第２の透過面）１５₁、１５₂
を上記のように傾けて配置する代わりに、眼側の面（第
２の透過面）１５₁、１５₂を眼側に凸の面で構成して
もよい。

【００２６】なお、接眼光学系の第２の透過面１５₁、
１５₂が凸面、凹面等の曲面の場合には、隣り合う第２
の透過面の接続部分の角度ｉが上記条件の１０°以上で
あることが好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の映像表示装置の
実施例１〜９について説明する。この中、実施例１〜４
は２つの接眼光学系を接合して片目用の映像表示装置を
構成した例を示すもので、実施例４については１個の接
眼光学系の構成パラメータを示す。また、実施例５〜９
については画角を広げるために実施例１〜４のように接
合する複数の接眼光学系の中の１つの接眼光学系の構成
パラメータのみを示す。

【００２８】〔実施例１〕実施例１の映像表示装置の斜
視図を図１に示す。この実施例は２組のプリズム光学系
１１₁、１１₂を接合面２０で並列に接合してなるもの
であり、観察者の片方の眼球の瞳Ｅに対して、第１の映
像表示素子１０₁と第２の映像表示素子１０₂をそれぞ
れ第１の透過平面１２₁、１２₂に対向配置した第１プ
リズム光学系１１₁、第２プリズム光学系１１₂からな
り、各プリズム光学系１１₁、１１₂は、第１の透過平
面面１２₁、１２₂と、観察者の瞳Ｅに対向して配置さ
れた反射と透過作用を有するハーフミラー面１３₁、１
３₂と、正のパワーを有する凹面鏡１４₁、１４₂と、
瞳に対向して配置された第２の透過平面１５₁、１５₂
とからなり、全体として正のパワーを有する。このよう
な構成において、映像表示素子１０₁、１０₂を射出し
た光線は、第１の透過平面１２₁、１２₂からハーフミ
ラー面１３₁、１３₂へ進み、ここで反射されて凹面鏡
１４₁、１４₂へ達し、そこで反射された光線は今度は
ハーフミラー面１３₁、１３₂を透過して第２の透過平
面１５₁、１５₂を経てプリズム光学系１１₁、１１₂
から射出し、瞳Ｅに到達して、各プリズム光学系１
１₁、１１₂は観察者眼球に映像表示素子１０₁、１０
₂に表示された映像を拡大投影する。そして、映像表示
素子１０₁は、観察者眼球に導かれる全体の映像の中心
部を含む左側の映像を、映像表示素子１０₂は、観察者
眼球に導かれる全体の映像の中心部を含む右側の映像を
表示する。

【００２９】この実施例において、１個のプリズム光学
系１１₁、１１₂の観察画角は水平方向３０°である。
瞳径を４ｍｍ、アイリリーフが２２ｍｍで、必要なオー
バーラップ量は、２ａｒｃｔａｎ（Ｄ／２Ｌ）より１０
°であるため、合成画角は水平方向５０°となる。

【００３０】この実施例においては、２個の映像表示素
子（具体的には、例えば液晶表示素子（ＬＣＤ））１０
₁、１０₂をそれぞれ上方、下方に対向して配置させる
ことで、ＬＣＤ１０₁、１０₂同士の干渉を防止してい
る。２個のプリズム光学系１１₁、１１₂の接合面２０
は砂目処理をし、墨を塗った上で、接合している。ま
た、プリズム光学系１１₁、１１₂のＬＣＤ１０₁、１
０₂と反対側になる面も遮光を行い、プリズム光学系１
１₁、１１₂の映像形成に関わらないＬＣＤ１０₁、１
０₂からの光線が眼に入射しないようにしている。

【００３１】なお、この実施例においては、第２の透過
平面１５₁、１５₂は、それらの法線がそれらの面より
も瞳Ｅ側で交わるように相互に傾けて配置してあり、そ
れらのなす角度は２０°以上にしてある。

【００３２】〔実施例２〕実施例２の映像表示装置の平
面図を図２に示す。実施例１においては、ＬＣＤ１
０₁、１０₂をそれぞれ上方、下方に対向して配置した
が、この実施例では、接合したプリズム光学系１１₁、
１１₂の左側、右側に対向して配置してある。その他は
実施例１と同様である。

【００３３】〔実施例３〕実施例３の映像表示装置の斜
視図を図３に示す。この実施例は、実施例１の接眼光学
系の眼側の平面（第２の透過面）１５₁、１５₂を凸面
に置き換えたものである。その他は実施例１と同様であ
る。これにより、合成光学系の境界面２０から射出する
光線が瞳よりより離れるように屈折されることとなるた
め、境界面がより目立たなくなる。

【００３４】〔実施例４〕実施例４の映像表示装置の斜
視図を図４に示す。この実施例は、各プリズム光学系１
１₁、１１₂として図５に示すような３つの光学面１
２、１３、１４からなる接眼光学系１１を採用したもの
である。その他は実施例１と同様である。

【００３５】図５の断面図を参照にして接眼光学系１１
を説明すると、１は観察者瞳位置、２は観察者視軸、１
３は接眼光学系の第１面、１４は接眼光学系の第２面、
１２は接眼光学系の第３面、１０は映像表示素子であ
る。

【００３６】実際の光線経路は、映像表示素子１０から
発した光線束は、接眼光学系１１の第３面１２で屈折し
て接眼光学系１１に入射し、第１面１３で内部反射し、
第２面１４で反射されて、再び第１面１３に入射して屈
折されて、観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を
射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。

【００３７】この実施例の単一の接眼光学系の水平画角
４５°、垂直画角３４．５°、瞳経４ｍｍである。後記
する構成パラメータにおいて、２、３、４、５面はアナ
モフィック非球面である。

【００３８】図４の映像表示素子１０₁、１０₂は図５
中の映像表示素子１０に対応し、第１の透過面１２₁、
１２₂は第３面１２に対応し、反射と透過作用を有する
面１３₁、１３₂及び第２の透過面１５₁、１５₂は第
１面１３に対応し、正のパワーを有する凹面鏡１４₁、
１４₂は第２面１４に対応し、瞳Ｅは射出瞳１に対応す
る。この光学系においては、第１面１３は反射と透過作
用を有する面と第２の透過面を兼ねている。図５の接眼
光学系の構成パラメータは後記する。

【００３９】〔実施例５〕図６に実施例５の単一の接眼
光学系の断面図を示す。この実施例の接眼光学系を図１
〜図４のように２つ接合して片目用の映像表示装置が構
成される。

【００４０】この実施例は３つの光学面１２、１３、１
４”からなる接眼光学系１１を採用したものである。図
６において、１は観察者の瞳位置、２は観察者視軸、１
３は接眼光学系１１の第１面、１２は接眼光学系１１の
第２面、１４”は接眼光学系１１の第３面、１０は映像
表示素子である。

【００４１】実際の光線経路は、映像表示素子１０から
発した光線束は、接眼光学系１１の第２面１２で屈折し
て接眼光学系１１に入射し、順番に、第１面１３の内部
反射、第２面１２の内部反射、第１面１３の内部反射、
第３面１４”の内部反射を経て、第１面１３に入射して
屈折されて、直接観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋
中心を射出瞳１として観察者の眼球内に投影される。

【００４２】この実施例の単一の接眼光学系の水平画角
４０°、垂直画角３０°、瞳経４ｍｍ、映像表示面の物
体高１９．８１ｍｍである。後記する構成パラメータに
おいて、２、３、４、５、６、７面はアナモフィック非
球面である。

【００４３】なお、この光学系において、第２面１２は
第１の透過面及び正のパワーを有する凹面鏡（一部）に
対応し、第１面１３は反射と透過作用を有する面及び第
２の透過面に対応し、第３面１４”は正のパワーを有す
る凹面鏡（一部）に対応する。この光学系においては、
第１面１３は反射と透過作用を有する面及び第２の透過
面を兼ねており、第２面１２は第１の透過面と正のパワ
ーを有する凹面鏡（一部）を兼ねている。図６の接眼光
学系の構成パラメータは後記する。

【００４４】〔実施例６〕図７に実施例６の単一の接眼
光学系の断面図を示す。この実施例の接眼光学系を図１
〜図４のように２つ接合して片目用の映像表示装置が構
成される。

【００４５】この実施例は４つの光学面１２、１３、１
４、１６からなる接眼光学系１１を採用したものであ
る。図７においては、１は観察者の瞳位置、２は観察者
視軸、１０は映像表示素子、１３は接眼光学系１１の第
１面、１４は接眼光学系１１の第２面、１６は接眼光学
系１１の第３面、１２は接眼光学系１１の第４面であ
る。

【００４６】実際の光線経路は、映像表示素子１０から
発した光線束は、接眼光学系１１の第４面１２で屈折し
て接眼光学系１１に入射し、第３面１６で反射されて、
第１面１３で内部反射し、第２面１４で反射され、第１
面１３に入射して屈折されて接眼光学系１１を射出し、
観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳１と
して観察者の眼球内に投影される。

【００４７】この実施例の単一の接眼光学系の水平画角
３０°、垂直画角２２．８°、瞳経４ｍｍである。後記
する構成パラメータにおいて、２、４面は平面、３、
５、６面はアナモフィック非球面である。

【００４８】なお、この光学系において、第４面１２は
第１の透過面に対応し、第１面１３は反射と透過作用を
有する面及び第２の透過面に対応し、第２面１４は正の
パワーを有する凹面鏡に対応する。この光学系において
は、第１面１３は反射と透過作用を有する面及び第２の
透過面を兼ねている。図７の接眼光学系の構成パラメー
タは後記する。

【００４９】〔実施例７〕図８に実施例７の単一の接眼
光学系の断面図を示す。この実施例の接眼光学系を図１
〜図４のように２つ接合して片目用の映像表示装置が構
成される。

【００５０】この実施例は共心光学系からなる接眼光学
系１１を採用したものである。図８において、１は１は
観察者の瞳位置、２は観察者視軸、１３は第１の半透過
反射面、１４は第２の半透過反射面、１０は映像表示素
子である。なお、実際には、映像表示素子１０からの光
線は逆方向に進む。この実施例は、２個のメニスカスレ
ンズＬ₁、Ｌ₂を用い、メニスカスレンズＬ₁の凸面を
第１の半透過反射面１３とし、メニスカスレンズＬ₂の
凸面を第２の半透過反射面１４としている。本実施例の
単一の接眼光学系の画角は４５°で、焦点距離はＦ＝１
０ｍｍ、Ｆナンバーは３．５である。

【００５１】なお、この光学系において、第２の半透過
反射面１２は第１の透過面及び正のパワーを有する凹面
鏡に対応し、第１の半透過反射面１３は反射と透過作用
を有する面に対応し、メニスカスレンズＬ₁の凹面は第
２の透過面に対応する。この光学系においては、第２の
半透過反射面１２は第１の透過面と正のパワーを有する
凹面鏡を兼ねている。図８の接眼光学系の構成パラメー
タは後記する。

【００５２】〔実施例８〕図９に実施例８の単一の接眼
光学系の断面図を示す。この実施例の接眼光学系を図１
〜図４のように２つ接合して片目用の映像表示装置が構
成される。

【００５３】この実施例は偏心共心光学系からなる接眼
光学系１１を採用したものである。図９において、１は
１は観察者の瞳位置、２は観察者視軸、１３は第１の半
透過鏡、１４は第２の半透過鏡、１０は映像表示素子で
ある。

【００５４】この実施例は、瞳位置１側から順に、３枚
のレンズＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃を貼り合わせ、レンズＬ₁と
Ｌ₂の接合面に第１の半透過鏡１３を、レンズＬ₂とＬ
₃の接合面に第２の半透過鏡１４を設けたものである。

【００５５】実際の光線経路は、映像表示素子１０から
発した光線束は、レンズＬ₃に入射し、第２の半透過鏡
１４を透過して、第１の半透過鏡１３によって反射さ
れ、さらに、第２の半透過鏡１４によって反射され、第
１の半透過鏡１３を透過して、接眼光学系１１を射出
し、観察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳
１として観察者の眼球内に投影される。本実施例の単一
の接眼光学系の画角は画角は４０°で、焦点距離はＦ＝
４０ｍｍ、Ｆナンバーは２．６６である。

【００５６】なお、この光学系において、第１の半透過
鏡１３は反射と透過作用を有する面に対応し、第２の半
透過鏡１４は正のパワーを有する凹面鏡に対応し、レン
ズＬ₁の瞳１側の面は第２の透過面に対応し、レンズＬ
₃の映像表示素子１０側の面は第１の透過面に対応す
る。

【００５７】以下に、実施例４〜８の単一の接眼光学系
の構成パラメータを示す。以下の構成パラメータにおい
て、面番号は、観察者の瞳位置１から接眼光学系１１へ
向う逆追跡の面番号として示してある。

【００５８】実施例４〜６については偏心光学系である
ので、座標の取り方は、図５に示すように、観察者の虹
彩位置１を原点とし、観察者視軸２を原点から接眼光学
系１１に向かう方向を正とするＺ軸、観察者視軸２に直
交し、観察者眼球から見て上下方向の下から上を正とす
るＹ軸、観察者視軸２に直交し、観察者眼球からみて左
右方向の右から左を正とするＸ軸と定義する。つまり、
後記する図５の紙面内をＹーＺ面とし、紙面と垂直方向
の面をＸ−Ｚ面とする。また、光軸は紙面のＹ−Ｚ面内
で折り曲げられるものとする。

【００５９】そして、後記する構成パラメータ中におい
て、偏心量Ｙ，Ｚと傾き角θが記載されている面につい
ては、基準面である１面（瞳位置１）からのその面の面
頂のＹ軸方向、Ｚ軸方向の偏心量、及び、その面の中心
軸のＺ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが正は反
時計回りを意味する。なお、面間隔に意味はない。

【００６０】また、各面において、非回転対称な非球面
形状は、その面を規定する座標上で、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−Ｚ面、Ｙ−
Ｚ面内の円錐係数、ＡＲ、ＢＲはそれぞれＺ軸に対して
回転対称な４次、６次の非球面係数、ＡＰ、ＢＰはそれ
ぞれＺ軸に対して回転非対称な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。

【００６１】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 ただし、以下の実施例５の構成パラメータ中において
は、ＢＲ、ＢＰは何れもゼロであるので、表記してな
い。なお、面と面の間の媒質の屈折率はｄ線の屈折率で
表す。長さの単位はｍｍである。

【００６２】実施例７、８については球面からなる同軸
光学系あるいは球面からなる同軸光学系の各レンズ面を
偏心させてなる光学系であるので、構成パラメータは慣
用された表記に従う。ただし、構成パラメータ中、ｎｄ
はレンズの屈折率、νｄはそのアッベ数である。また、
各面の偏心については、各面の傾き角Ａは、視軸２に対
して面の中心軸がなす角度で与えてあり、映像表示素子
のディセンタリングＹは、瞳位置１中心を通る視軸２か
ら垂直方向の面の中心のシフト量で与えてある。また、
各面の面間隔は、偏心前の視軸に沿った面間隔としてあ
る。

【００６３】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 ∞（瞳）２Ｒ_y-178.469 1.4922 57.50 Ｒ_x -75.710 Ｙ -42.983 θ -19.56° Ｋ_y -4.700072 Ｚ 19.657 Ｋ_x -1.222689 ＡＲ 9.71232×10^-7 ＢＲ -1.79187×10^-10 ＡＰ -0.426826 ＢＰ -0.380615 ３Ｒ_y -81.632 1.4922 57.50 Ｒ_x -66.826 Ｙ 30.011 θ 40.46° Ｋ_y -0.070545 Ｚ 26.362 Ｋ_x -0.574123 ＡＲ 3.90381×10^-11 ＢＲ -2.95604×10^-14 ＡＰ -62.1044 ＢＰ 3.68602 ４Ｒ_y-178.469 1.4922 57.50 Ｒ_x -75.710 Ｙ -42.983 θ -19.56° Ｋ_y -4.700072 Ｚ 19.657 Ｋ_x -1.222689 ＡＲ 9.71232×10^-7 ＢＲ -1.79187×10^-10 ＡＰ -0.426826 ＢＰ -0.380615 ５Ｒ_y -78.809 Ｙ -28.629 θ -69.21° Ｒ_x -15.380 Ｚ 27.051 Ｋ_y -12.000 Ｋ_x -7.201382 AR -9.38885×10^-7 ＢＲ -3.46619×10^-9 ＡＰ -0.995315 ＢＰ 0.706461 ６（映像表示素子）Ｙ -30.077 θ -55.73° Ｚ 38.578 。

【００６４】実施例５面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２Ｒ_y-166.876 1.5163 64.15 Ｒ_x -65.773 Ｙ 37.539 θ 24.527 ° Ｋ_y 0 Ｚ 17.866 Ｋ_x 0 ＡＲ 5.02515×10^-11 ＡＰ 3.11048×10¹ ３Ｒ_y-108.299 1.5163 64.15 Ｒ_x -86.358 Ｙ 1.725 θ -21.322 ° Ｋ_y 0 Ｚ 38.056 Ｋ_x 0 ＡＲ 3.64236×10^-7 ＡＰ 2.80481×10^-1 ４Ｒ_y-166.876 1.5163 64.15 Ｒ_x -65.773 Ｙ 37.539 θ 24.527 ° Ｋ_y 0 Ｚ 17.866 Ｋ_x 0 ＡＲ 5.02515×10^-11 ＡＰ 3.11048×10¹ ５Ｒ_y-102.060 1.5163 64.15 Ｒ_x -50.625 Ｙ 2.753 θ 17.919 ° Ｋ_y 0 Ｚ 46.228 Ｋ_x 0 ＡＲ -1.47143×10^-7 ＡＰ 3.37832×10^-1 ６Ｒ_y-166.876 1.5163 64.15 Ｒ_x -65.773 Ｙ 37.539 θ 24.527 ° Ｋ_y 0 Ｚ 17.866 Ｋ_x 0 ＡＲ 5.02515×10^-11 ＡＰ 3.11048×10¹ ７Ｒ_y-102.060 Ｙ 2.753 θ 17.919 ° Ｒ_x -50.625 Ｚ 46.228 Ｋ_y 0 Ｋ_x 0 ＡＲ -1.47143×10^-7 ＡＰ 3.37832×10^-1 ８（映像表示素子）Ｙ 45.305 θ 37.688 ° Ｚ 31.574 。

【００６５】実施例６面番号曲率半径間隔屈折率アッベ数（偏心量）（傾き角）１ ∞（瞳）２ ∞ 1.4870 70.40 Ｙ 0.000 θ 7.70° Ｚ 33.232 ３Ｒ_y -92.681 1.4870 70.40 Ｒ_x -91.368 Ｙ 10.225 θ 37.34° Ｋ_y 2.9442 Ｚ 34.669 Ｋ_x -6.4492 ＡＲ 6.7868 ×10^-9 ＢＲ 1.2064 ×10^-12 ＡＰ 1.1032 ×10 ＢＰ -3.6642 ４ ∞ 1.4870 70.40 Ｙ 0.000 θ 7.70° Ｚ 33.232 ５Ｒ_y-227.431 1.4870 70.40 Ｒ_x -73.582 Ｙ 30.000 θ 48.36° Ｋ_y 0 Ｚ 2.395 Ｋ_x 0 ＡＲ 4.6395 ×10^-7 ＢＲ 1.1004 ×10^-11 ＡＰ 5.1263 ×10^-1 ＢＰ -3.0762 ６Ｒ_y 66.981 Ｒ_x 16.415 Ｙ -36.765 θ 57.28° Ｋ_y 0 Ｚ 69.400 Ｋ_x 0 ＡＲ 2.2637 ×10^-6 ＢＲ -7.3017 ×10^-8 ＡＰ -3.7748 ×10^-1 ＢＰ -6.6901 ×10^-1 ７（映像表示素子）Ｙ -33.673 θ 45.00° Ｚ 44.201 。

【００６６】実施例７面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ１ ∞（瞳） 9.158 ２ -5.5382 1.624 1.5163 64.1 ３ -7.7395 0.071 ４ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ５ -9.1995 （反射面） -2.777 1.5163 64.1 ６ -7.8437 -0.071 ７ -7.7395 （反射面） 0.071 ８ -7.8437 2.777 1.5163 64.1 ９ -9.1995 5.141 10 （映像表示素子）。

【００６７】実施例８面番号曲率半径面間隔ｎｄ νｄ 1 ∞（瞳） 26.483 2 278.0659 7.752 1.5163 64.1 Ａ 8.015° 3 -89.1281 7.876 1.5163 64.1 Ａ22.388° 4 -65.3728 （反射面） -7.876 1.5163 64.1 Ａ 2.013° 5 -89.1281 （反射面） 7.876 1.5163 64.1 Ａ22.388° 6 -65.3728 6.423 1.7552 27.5 Ａ 2.013° 7 -83.9275 8.411 Ａ10.935° 8 （映像表示素子）Ａ58.644° Ｙ25.640 。

【００６８】さて、以上の実施例１〜８の何れかの本発
明による映像表示装置を頭部装着式映像表示装置として
構成した場合に、観察者が身体にその頭部装着式映像表
示装置を装着した状態の１例を示す斜視図を図１２に示
す。図中、６１はディスプレイ本体部を示し、その中に
眼幅距離だけ離間して実施例１〜８の何れかの２つの接
眼光学系と２つの映像表示素子からなる合成接眼光学系
が左右一対配置され、ディスプレイ本体部６１を観察者
の顔面に保持するように支持部材が頭部を介して固定し
ている。その支持部材としては、一端をディスプレイ本
体部６１に接合し、観察者のこめかみから耳の上部にか
けて延在する左右の前フレーム６２と、前フレーム６２
の他端に接合され、観察者の側頭部を渡るように延在す
る左右の後フレーム６３と、左右の後フレーム６３の他
端に挟まれるように自らの両端を一方ずつ接合し、観察
者の頭頂部を支持する頭頂フレーム６４とから構成され
ている。

【００６９】また、前フレーム６２における後フレーム
６３との接合部近傍には、弾性体からなり例えば金属板
バネ等で構成されたリヤプレート６５が接合されてい
る。このリヤプレート６５は、上記支持部材の一翼を担
うリヤカバー６６が観察者の後頭部から首の付け根にか
かる部分で耳の後方に位置して支持可能となるように接
合されている。

【００７０】映像・音声信号等を外部から送信するため
のケーブル７２が一端を電装部品に接続し、頭頂フレー
ム６４、後フレーム６３、前フレーム６２、リヤプレー
ト６５の内部を介してリヤカバー６６の後頭部より外部
に突出している。そして、このケーブル７２は、ビデオ
再生装置７０に接続されている。また、７１はビデオ再
生装置７０のスイッチやボリュウム調整部である。

【００７１】なお、ケーブル７２は先端をジャックにし
て、既存のビデオデッキ等に取り付け可能としてもよ
い。さらに、ＴＶ電波受信用チューナーに接続してＴＶ
鑑賞用としてもよいし、コンピュータに接続してコンピ
ュータグラフィックスの映像や、コンピュータからのメ
ッセージ映像等を受信するようにしてもよい。また、邪
魔なコードを排斥するために、アンテナを接続して外部
からの信号を電波によって受信するようにしてもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、２つ以上の２次元表示素子を用いる場合に２
つの接眼光学系の境界面近傍にお互いの接眼光学系から
くる光線が他の接眼光学系に入射するのを防ぐことがで
き、繋ぎ目が目立たず、小型、軽量で、しかも、広画
角、高解像で観察画面周辺まで明瞭に映像が観察可能な
頭部装着式表示装置等に好適な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】本発明の実施例１の映像表示装置の斜視図であ
る。

【図２】本発明の実施例２の映像表示装置の平面図であ
る。

【図３】本発明の実施例３の映像表示装置の斜視図であ
る。

【図４】本発明の実施例４の映像表示装置の斜視図であ
る。

【図５】本発明の実施例４における接眼光学系の断面図
である。

【図６】本発明の実施例５における接眼光学系の断面図
である。

【図７】本発明の実施例６における接眼光学系の断面図
である。

【図８】本発明の実施例７における接眼光学系の断面図
である。

【図９】本発明の実施例８における接眼光学系の断面図
である。

【図１０】２つの接眼光学系によって観察映像を画角を
分けて投影する場合の瞳の様子を説明するための図であ
る。

【図１１】２つの接眼光学系の合成光学系の境界面を目
立たなくするための配置を説明するための図である。

【図１２】本発明による映像表示装置を頭部装着式映像
表示装置として構成した場合の斜視図である。

【図１３】従来の頭部装着式映像表示装置の１例の光路
図である。

【図１４】液晶表示装置の表示画面を示す正面図であ
る。

【符号の説明】

２…視軸１０…映像表示素子１０₁、１０₂…映像表示素子１１…接眼光学系１１₁、１１₂…プリズム光学系（接眼光学系）１２、１３、１４、１４’、１４”、１５、１６…光学
面１２₁、１２₂…第１の透過面１３₁、１３₂…反射と透過作用を有する面１４₁、１４₂…正のパワーを有する凹面鏡１５₁、１５₂…第２の透過面（眼側の面）２０…境界面（遮光面）６１…ディスプレイ本体部６２…前フレーム６３…後フレーム６４…頭頂フレーム６５…リヤプレート６６…リヤカバー７０…ビデオ再生装置７１…スイッチ、ボリュウム調整部７２…ケーブルＥ…瞳孔Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃…レンズｎ…法線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察者の片方の眼球に対して、少なくと
も２つの２次元表示手段と、少なくとも２つの接眼光学
系とからなり、前記接眼光学系は２次元表示手段に対向
して配置された第１の透過面と、観察者の瞳に対向して
配置された反射と透過作用を有する面と、正のパワーを
有する凹面鏡と、瞳に対向して配置された第２の透過面
とからなる全体として正のパワーを有する接眼光学系と
して構成され、前記２次元表示手段を射出した光線は、
第１の透過面、反射と透過作用を有する面、正のパワー
を有する面、第２の透過面の順に進み、観察者眼球に到
達する光路を形成し、前記の少なくとも２つの２次元表
示手段は、観察者眼球に導かれる映像の少なくとも一部
を含む第１の映像を表示する第１映像表示手段と、前記
の観察者眼球に導かれる映像の前記第１の映像と異なる
他の部分の映像を含む第２の映像を表示する第２映像表
示手段とからなり、前記の少なくとも２つの映像表示手
段の中の一方の映像表示手段から射出した光束が他方の
映像表示手段に対応する接眼光学系に入射しないように
前記の少なくとも２つの接眼光学系の間に遮光手段を設
けたことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】前記の少なくとも２つの接眼光学系の第
２の透過面間の間隔が４ｍｍ以下であることを特徴とす
る請求項１記載の映像表示装置。
【請求項３】前記の少なくとも２つの２次元表示手段
に表示される映像は、隣り合った２次元表示手段の映像
の一部と重複する領域を設けることを特徴とする請求項
１又は２記載の映像表示装置。
【請求項４】前記映像の重複部は、視野角において１
１°以上設けることを特徴とする請求項３記載の映像表
示装置。
【請求項５】前記の少なくとも２つの接眼光学系の隣
り合う第２の透過面の接続部分において、その面の法線
が接続境界面に対して１０°以上の角度をなしているこ
とを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の映像
表示装置。