JPH1184309A - 両眼映像観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型かつ軽量の両眼映像観察装置を提供す
る。 【解決手段】 表裏両面を表示面とした両面表示装置
に、互いに略左右対称な関係にある２つの映像を表示す
る。一方の映像を反転光学系により左右反転して観察者
の一方の眼に導き、他方の映像を非反転光学系により左
右反転させずに他方の眼に導く。反転光学系と非反転光
学系の光路長を等しくして、これらと両眼の間に観察光
学系を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像を表示して観
察者の両眼に与える両眼映像観察装置に関し、特に、装
置全体を小型に形成することが可能な表示装置と光学系
とを備えた両眼映像観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部に装着して使用し眼前に映像を表示
する頭部載置型表示装置（ＨＭＤ）が、バーチャルリア
リティやフライトシミュレーションの分野で多用されて
いる。ＨＭＤは、陰極線管（ＣＲＴ）や液晶表示装置
（ＬＣＤ）等の表示装置を１対と、接眼レンズを含む観
察光学系を１対備える構成が一般的であり、観察者は、
表示装置に表示された映像を観察光学系を介して左右両
眼で観察する。表示装置に表示する２つの映像に視差を
もたせると、観察者は奥行きを認識することが可能にな
り、立体感を得ることができる。

【０００３】通常、表示装置はそれぞれ独立に、例え
ば、観察者の左右の眼の前方または上方に配置される。
また、表示される左右の映像は、視差に起因する僅かな
差異を除き、同一である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＨＭＤのように観察者
の身体に装着される映像観察装置は、小型かつ軽量であ
ることが望ましい。このため、ＣＲＴに比して軽量で、
しかもはるかに薄く形成することが可能なＬＣＤが多用
されている。しかしながら、２つのＬＣＤを左右独立に
配置する構成では、ＬＣＤの面積の２倍の面積を確保す
る必要があり、装置全体を小型化することに大きな制約
がある。

【０００５】また、反射型ＬＣＤを使用するときや、透
過型ＬＣＤをバックライトと組み合わせて使用するとき
は、左右のＬＣＤそれぞれを照明する必要があり、光源
を２つ備えるか、あるいは１つの光源からの光を左右の
ＬＣＤに導くための構成を備えるかしなければならず、
これによっても装置の小型化が妨げられる。当然、装置
の軽量化も困難になる。

【０００６】本発明は、小型かつ軽量に形成することが
可能な両眼映像観察装置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】上記目的を達成するため
に本発明では、映像を表示して観察者の両眼に与える両
眼映像観察装置において、互いに略左右対称な関係にあ
る２つの映像の一方を表面に、他方を裏面に表示する両
面表示装置と、両面表示装置の表面に表示された映像を
左右反転させない非反転光学系と、非反転光学系の光路
長と等しい光路長を有し、両面表示装置の裏面に表示さ
れた映像を左右反転させる反転光学系とを備えて、両面
表示装置の表面に表示された映像を非反転光学系を介し
て観察者の一方の眼に与え、両面表示装置の裏面に表示
された映像を反転光学系を介して観察者の他方の眼に与
えるようにする。

【０００８】両面表示装置の表面および裏面に表示され
る２つの映像は、略左右対称な関係にあり、一方を左右
反転させることにより略同一の映像となる。ここで、表
面および裏面の呼称は単に両面表示装置の２つの面を区
別するためのものであり、これら２つの面の任意の一方
を表面、他方を裏面とよぶ。非反転光学系と反転光学系
の光路長は等しいから、両光学系と観察者の左右の眼と
の間に左右非等価な光学系を介在させない限り、観察者
の左右の眼には略同一な映像が、等しい大きさで与えら
れる。表示する２つの映像に適度な視差をもたせておけ
ば、観察者は映像を立体的に観察することができる。

【０００９】非反転光学系と反転光学系は、具体的に
は、次の２通りの構成とする。第１の構成では、非反転
光学系は、両面表示装置に対して垂直な基準線に沿う方
向に進む両面表示装置の表面からの光束を基準線に対し
て垂直な方向に反射し、その反射先の方向からの光束を
透過させる第１の面と、第１の面によって反射された光
束を逆方向に反射する第２の面より成り、反転光学系
は、基準線に沿う方向に進む両面表示装置の裏面からの
光束を第１の面の反射方向と逆方向に反射する第３の面
より成る。

【００１０】両面表示装置の表面からの光束は第１の面
と第２の面によって反射され、裏面からの光束は第３の
面によって反射されて、両者は同じ方向に向けられる。
この方向は両面表示装置の表示面すなわち表裏両面に沿
う方向である。表面からの光束は反射回数が２回である
ため反転しないが、裏面からの光束は反射回数が１回で
あるため反転することになる。ここで、表面からの光束
が第１の面と第２の面の間を往復するとともに第１の面
を１回透過することで、非反転光学系はその光路長の半
分程度の大きさとなる。両面表示装置をその表示面に沿
う方向に移動させると、観察される表面の映像と裏面の
映像は、互いに同じ方向に移動する。

【００１１】第２の構成では、非反転光学系は、両面表
示装置に対して垂直な基準線に沿う方向に進む両面表示
装置の表面からの光束を透過させ、その透過先の方向か
らの光束を基準線に対して垂直な方向に反射する第１の
面と、第１の面を透過した光束を逆方向に反射する第２
の面より成り、反転光学系は、基準線に沿う方向に進む
両面表示装置の裏面からの光束を第１の面の反射方向と
同方向に反射する第３の面より成る。

【００１２】この構成においても、表面からの光束は第
１の面と第２の面によって反射され、裏面からの光束は
第３の面によって反射されて、両者は両面表示装置の表
示面に沿う同じ方向に向けられる。反射回数が２回であ
る表面からの光束は反転せず、反射回数が１回である裏
面からの光束は反転する。この構成でも、表面からの光
束が第１の面と第２の面の間を往復するとともに第１の
面を１回透過することで、非反転光学系はその光路長の
半分程度の大きさとなる。また、両面表示装置をその表
示面に沿う方向に移動させると、観察される表面の映像
と裏面の映像は、同じ方向に移動する。

【００１３】上記のいずれの構成においても、第１の面
が光束を反射し始めてから反射し終わるまでの光路長、
第１の面が光束を透過させ始めてから透過させ終わるま
での光路長、および第３の面が光束を反射し始めてから
反射し終わるまでの光路長を等しくし、両面表示装置の
裏面からの光束が第３の面に入射し始めるまでの光路長
を、両面表示装置の表面からの光束が第１の面に入射し
始めるまでの光路長よりも、第２の面によって反射され
た光束が第１の面に入射し始めるまでの光路長の２倍
と、第１の面が光束を反射し始めてから反射し終わるま
での光路長との和だけ、長くする。

【００１４】非反転光学系と反転光学系とでは光束が往
復するか否かの差異があるが、このように設定すること
で両者の光路長が等しくなる。また、両面表示装置の表
面からの光束のどの部位も光路長が等しくなる。したが
って、非反転光学系を介して観察される表面の映像と反
転光学系を介して観察される裏面の映像に大きさの差異
が生じることがなく、それぞれの映像に歪みが生じるこ
ともない。

【００１５】非反転光学系および反転光学系を構成する
光学素子としては、例えば、第１の面に薄いハーフミラ
ーを使用し、第３の面に全反射ミラーを使用することが
できる。また、底面が正方形のプリズムの対角面をハー
フミラーとして、これを第１の面として使用し、上記プ
リズムと屈折率が等しく底面が直角二等辺三角形である
プリズムの斜面を全反射ミラーとして、これを第３のミ
ラーとして使用することも可能である。第２の面は単な
る全反射ミラーでよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の両眼映像観察装置
について図面を参照して説明する。図１に、ＨＭＤとし
て構成した両眼映像観察装置の外観を示す。ＨＭＤは本
体１ａと装着部１ｂを有しており、観察者の頭部に装着
されたときに、本体１ａが観察者の両眼の前方に位置す
る。

【００１７】第１の実施形態のＨＭＤの本体内部の概略
構成を図２に示す。ＨＭＤ１は、両面表示装置１０、非
反転光学系２０、反転光学系３０、および接眼レンズを
含む左右１対の観察光学系４１、４２を備えている。両
面表示装置１０は第１のＬＣＤ１１、第２のＬＣＤ１
２、および照明部１３を一体化して成る。第１のＬＣＤ
１１と第２のＬＣＤ１２は照明部１３を挟んで互いに平
行な関係にあり、両面表示装置１０の表面と裏面を成
す。ＬＣＤ１１とＬＣＤ１２に性能上の差異はなく、い
ずれを両面表示装置１０の表面としても構わない。

【００１８】ＬＣＤ１１、１２および照明部１３の構成
をそれぞれ図３の（ａ）および（ｂ）に示す。ＬＣＤ１
１、１２の隣合う端面には、表面と裏面を結ぶ方向に、
電極１０ａと電極１０ｂが複数形成されている。電極１
０ａは、ＬＣＤ１１の液晶セルの一方の面とＬＣＤ１２
の液晶セルの一方の面にまで延設されており、走査電極
を成す。電極１０ｂは、ＬＣＤ１１の液晶セルの他方の
面とＬＣＤ１２の液晶セルの他方の面にまで延設されて
おり、信号電極を成す。電極１０ａ、１０ｂは不図示の
駆動回路に接続されており、ＬＣＤ１１、１２はその単
一の駆動回路から電圧を印加されて駆動される。

【００１９】このように構成されたＬＣＤ１１とＬＣＤ
１２は、照明部１３に関して対称な関係にあり、ＬＣＤ
１１に表示される映像とＬＣＤ１２に表示される映像は
互いに左右対称な関係となる。図３の（ｃ）は表示映像
の例を示した透視図である。なお、ここでは画素数が１
６０程度の構成例を示しているが、ＬＣＤ１１、１２の
解像度は表示する映像の内容に応じて設定する。

【００２０】照明部１３は、平面状に接合した複数の棒
状のクロスプリズム１３ａと棒状の光源１３ｂより成
る。光源１３ｂからクロスプリズム１３ａに向けて発せ
られた光は、各クロスプリズム１３ａを透過する際に、
進行方向に対して垂直にかつ両側に反射され、ＬＣＤ１
１およびＬＣＤ１２を背面から照射する。したがって、
ＬＣＤ１１、１２に表示された映像は、両面表示装置１
０の光軸（両面表示装置１０に対して垂直でその中心を
通る軸）に略平行な光束として射出される。

【００２１】第１のＬＣＤ１１の光束は、非反転光学系
２０および観察光学系４１を経て観察者の右眼に与えら
れ、第２のＬＣＤ１２の光束は、反転光学系３０および
観察光学系４２を経て観察者の左眼に与えられる。観察
光学系４１、４２は、映像を拡大するとともに、映像の
上下および左右をそれぞれ反転する機能を有している。
非反転光学系２０と反転光学系３０は、互いに左右対称
な関係にある２つの表示映像が観察者の眼に与えられる
ときの向きを、同じにするために設けられている。

【００２２】非反転光学系２０は、２つのプリズム２
１、２２と反射ミラー２４より成る。プリズム２１およ
び２２は、それぞれ底面が直角二等辺三角形の三角柱で
あり、斜面同士接合されて正四角柱を形成している。プ
リズム２１、２２の屈折率は等しい。反射ミラー２４は
両面表示装置１０に対して垂直に配置され、プリズム２
１、２２は、その接合面２３が両面表示装置１０および
反射ミラー２４それぞれに対して４５゜傾斜する向きに
配置されている。

【００２３】プリズム２１、２２の接合面２３はハーフ
ミラーとされており、両面表示装置１０側から入射する
光を反射ミラー２４側に反射し、反射ミラー２４側から
入射する光を透過させる。したがって、第１のＬＣＤ１
１からの光束は、接合面２３によって反射されて進路を
９０゜変えられ、さらに反射ミラー２４によって反射さ
れて進路を１８０゜変えられ、その後接合面２３を透過
してプリズム２２を抜ける。光は接合面２３と反射ミラ
ー２４の間を１回往復することになる。

【００２４】反転光学系３０は、プリズム３１およびプ
リズム３２より成る。プリズム３１は直方体の形状をし
ており、１つの面が両面表示装置１０と平行になるよう
に配置されている。プリズム３２はプリズム２１、２２
と形状、大きさ、屈折率が同じであり、その斜面３３は
反射ミラーとされている。プリズム３２は斜面３３が両
面表示装置１０に対して４５゜傾斜する向きに配置され
ており、第２のＬＣＤ１２からの光束は、プリズム３１
を透過した後プリズム３２に入射し、斜面３３によって
反射されて進路を９０゜変えられ、プリズム３２を抜け
る。

【００２５】第１のＬＣＤ１１の映像は、接合面２３と
反射ミラー２４とによって都合２回反射されるため、Ｌ
ＣＤ１１に表示された向きを保ったまま観察光学系４１
に導かれる。一方、第２のＬＣＤ１２の映像は、斜面３
３によって一回だけ反射されるため、左右反転して観察
光学系４２に導かれる。これにより、観察者に与えられ
る２つの映像の向きが揃えられる。ＬＣＤ１１、１２に
表示される映像の向き、非反転光学系２０および反転光
学系３０内での向き、観察される向きの関係を図４に示
す。

【００２６】観察者の両眼に与えられる像は、向きが同
じであるだけでなく、大きさも同じである必要がある。
このため、ＨＭＤ１では、非反転光学系２０の光路長と
反転光学系３０の光路長とを等しくするととともに、非
反転光学系２０と観察光学系４１の距離と反転光学系３
０と観察光学系４２の距離を等しくして、ＬＣＤ１１か
ら観察光学系４１に至る全光路長と、ＬＣＤ１２から観
察光学系４２に至る全光路長を、等しく設定している。

【００２７】ＨＭＤ１の光路を図５に示す。図５におい
て、符号ＡＸは接合面２３の中心と斜面３３の中心を結
ぶ軸を表している。この中心軸ＡＸは、両面表示装置１
０の光軸に平行であり、図においては一致している。
ａ、ｂ、ｃの符号はそれぞれ、実際の距離に媒質（空気
またはプリズム）の屈折率を乗じた光路長を表す。ＬＣ
Ｄ１１とこれに対面するプリズム２１の面との間の光路
長はａであり、反射ミラー２４とこれに対面するプリズ
ム２１の面との間の光路長はｃである。また、ＬＣＤ１
１に対面するプリズム２１の面と接合面２３との間の中
心軸ＡＸ上の光路長はｂである。

【００２８】したがって、第１のＬＣＤ１１からの光束
が、接合面２３で反射され、反射ミラー２４で再度反射
され、接合面２３を透過して、プリズム２２を通過し終
わるまでの総光路長は（ａ＋ｂ×２＋ｃ×２＋ｂ×２）
となる。すなわち、非反転光学系２０の光路長は（ａ＋
４ｂ＋２ｃ）である。

【００２９】一方、第２のＬＣＤ１２とこれに対面する
プリズム３１の面との間の光路長はａであり、プリズム
３１とプリズム３２の間の光路長は２ｃである。また、
プリズム３１内の光路長は２ｂに設定されている。プリ
ズム３２は屈折率および大きさがプリズム２１、２２と
等しいから、ＬＣＤ１２からの光束のプリズム３２内で
の光路長は２ｂである。

【００３０】したがって、第２のＬＣＤ１２からの光束
が、プリズム３１を透過し、プリズム３２に入射して斜
面３３で反射されて、プリズム３２を通過し終わるまで
の総光路長は（ａ＋２ｂ＋２ｃ＋２ｂ）となる。すなわ
ち、反転光学系３０の光路長は（ａ＋４ｂ＋２ｃ）であ
り、非反転光学系２０の光路長に等しい。

【００３１】ここで、非反転光学系２０と反転光学系３
０の光路長を等しくするために必須な条件は、ＬＣＤ１
２からプリズム３２までの光路長を（ａ＋２ｂ＋２ｃ）
とすることのみである。したがって、例えば、ＬＣＤ１
２とプリズム３１の間の光路長とプリズム３１とプリズ
ム３２の間の光路長とを逆にしても構わない。プリズム
３１は、光路長を等しくする上で必ずしも必要なもので
はないが、このように空気よりも屈折率の大きい媒質を
光路内に介在させることで、ＬＣＤ１２とプリズム３２
との距離を短くすることが可能になり、ＨＭＤ１を小型
化することができる。また、光路長ｃを０としてもよ
い。その場合、プリズム２１と反射ミラー２４が接する
ことになり、ＨＭＤ１がより小型になる。

【００３２】上記のように設定された非反転光学系２０
は、ＬＣＤ１１のどの部位からの光も同じ光路長で観察
光学系４１に導き、反転光学系３０は、ＬＣＤ１２のど
の部位からの光も同じ光路長で観察光学系４２に導くこ
とができる。よって、観察光学系４１、４２により左右
の眼に与えられる拡大された映像は、同じ大きさとなり
歪みも生じない。

【００３３】ところで、左右の眼の間隔は人によって異
なるから、非反転光学系２０から観察光学系４１に進む
光束と反転光学系３０から観察光学系４２に進む光束と
の間隔は、調節可能であることが望ましい。これを実現
するためには非反転光学系２０と反転光学系３０の光路
長をそれぞれ可変とする必要がある。

【００３４】ＨＭＤ１では、非反転光学系２０および観
察光学系４１を１つの保持部材に保持し、反転光学系３
０および観察光学系４２を別の保持部材に保持して、そ
れぞれを中心軸ＡＸ方向に可動とし、等距離ずつ逆方向
に移動させるようにしている。すなわち、光路長ａが可
変である。これにより、非反転光学系２０と反転光学系
３０の光路長を等しく保ちつつ、観察光学系４１、４２
に向かう光束間の間隔を自在に調節することが可能にな
っている。

【００３５】なお、ここでは、表示映像を途中で結像さ
せることなく観察者の眼に直接導く構成としたが、映像
光を途中で一旦結像させ、その像を観察光学系４１、４
２を介して観察する構成としてもよい。例えば、観察光
学系４１、４２の前にスクリーンを配置するとともに、
非反転光学系２０および反転光学系３０とスクリーンと
の間にそれぞれリレー光学系を配置して、リレー光学系
によってスクリーンに結像させるようにする。非反転光
学系と反転光学系の光路長が等しいため、このような構
成であっても、観察される左右の映像は同じ大きさにな
る。

【００３６】第２の実施形態のＨＭＤの概略構成を図６
に示す。このＨＭＤ２は、上記ＨＭＤ１のプリズム２
１、２２に代えてハーフミラー２５を備え、プリズム３
２に代えて反射ミラー３５を備え、プリズム３１を省略
したものである。ハーフミラー２５は、接合面２３と同
じく、第１のＬＣＤ１１からの光束を反射ミラー２４に
向けて反射し、反射ミラー２４によって反射された光束
を透過させる。

【００３７】ＨＭＤ２の光路図は図５と同じである。ハ
ーフミラー２５および反射ミラー２４より成る非反転光
学系２０および反射ミラー３５より成る反転光学系３０
は、媒質が全て空気である点でＨＭＤ１と異なるが、こ
こでも非反転光学系２０の光路長と反転光学系３０の光
路長は、等しく（ａ＋４ｂ＋２ｃ）に設定されている。
なお、ハーフミラー２５はきわめて薄く形成されてお
り、光路長への寄与は無視できる。

【００３８】第２のＬＣＤ１２と反射ミラー３５の間
に、ＨＭＤ１のプリズム３１のような、空気よりも大き
い媒質を介在させて、第２のＬＣＤ１２と反射ミラー３
５の間隔を短縮するようにしてもよい。ＨＭＤ２の横幅
をより小さくすることができる。

【００３９】第３の実施形態のＨＭＤの概略構成を図７
に示す。このＨＭＤ３は、非反転光学系２０が第１の実
施形態のＨＭＤ１と異なり、他の構成は同じである。Ｈ
ＭＤ３の非反転光学系２０は、２つのプリズム２６、２
７と反射ミラー２９より成る。プリズム２６、２７は、
形状、大きさ、屈折率が反転光学系３０のプリズム３２
と同じで、斜面同士接合されて正四角柱を形成してい
る。プリズム２６、２７は、その接合面２８が両面表示
装置１０に対して４５゜傾斜する向きに配置されおり、
接合面２８の中心とプリズム３２の斜面の中心とを結ぶ
中心軸は、両面表示装置１０の光軸に平行である。反射
ミラー２９はこの中心軸上に、両面表示装置１０に対し
て平行に配置されている。

【００４０】プリズム２６、２７の接合面２８はハーフ
ミラーとされており、両面表示装置１０側から入射する
光を透過させ、反射ミラー２９側から入射する光を反射
させる。この反射方向はプリズム３２の反射方向と同じ
である。第１のＬＣＤ１１からの光束は、接合面２８を
透過し、反射ミラー２９によって反射されて進路を１８
０゜変えられ、さらに接合面２８によって反射されて進
路を９０゜変えられてプリズム２７を抜けることにな
り、光は接合面２８と反射ミラー２９の間を１回往復す
る。

【００４１】ＨＭＤ３の光路を図８に示す。ＬＣＤ１１
とこれに対面するプリズム２６の面との間の光路長はａ
であり、反射ミラー２９とこれに対面するプリズム２７
の面との間の光路長はｃである。また、ＬＣＤ１１に対
面するプリズム２６の面と接合面２８との間の中心軸Ａ
Ｘ上の光路長はｂであり、非反転光学系２０の光路長は
反転光学系３０の光路長と等しく（ａ＋４ｂ＋２ｃ）で
ある。ＨＭＤ３の非反転光学系２０は、プリズムによる
光束の透過と反射の順序が逆である点を除き、ＨＭＤ１
のものと等価である。

【００４２】なお、第２の実施形態のように、プリズム
２６、２７の接合面２８をハーフミラーとすることに代
えて薄板のハーフミラーを備え、プリズム３２の斜面を
反射ミラーとすることに代えて平板の反射ミラーを備え
る構成としてもよい。

【００４３】第４の実施形態のＨＭＤの概略構成を図９
に示す。このＨＭＤ４は、一部に精細度の高い領域を有
する視野角の大きい映像を観察者に提供するためのもの
であり、広視野な映像と高精細な映像を個別に表示し
て、両者の映像光を合成して観察者の眼に与える。高精
細な領域の位置は、観察者の視線の方向に応じて変化さ
せる。

【００４４】高精細な映像は両面表示装置６０に表示す
る。第１ないし第３の実施形態の両面表示装置１０は左
右対称な同一の映像を表示するものであったが、本実施
形態のＨＭＤ４では、立体感を観察者に提供するため
に、両面表示装置６０は視差のある２つの映像を表面と
裏面に表示する。したがって、表示される映像は互いに
略左右対称な関係である。

【００４５】両面表示装置６０は、第１のＬＣＤ６１と
第２のＬＣＤ６２の間に照明部６３を挟み、これらを一
体化して成る。照明部６３は、図３（ｂ）に示したＨＭ
Ｄ１の照明部１３と同様に、複数の棒状のクロスプリズ
ムを平面状に接合して成り、ＬＣＤ６１とＬＣＤ６２を
背面から垂直に照射する。ＬＣＤ６１とＬＣＤ６２はそ
れぞれ別の駆動回路によって駆動される。

【００４６】第１のＬＣＤ６１からの光束は非反転光学
系２０によって観察光学系４１に導かれ、第２のＬＣＤ
６２からの光束は反転光学系３０によって観察光学系４
２に導かれる。非反転光学系２０および反転光学系３０
は、第１の実施形態のＨＭＤ１のものと同じであり、非
反転光学系２０における第１のＬＣＤ６１からの光束の
光路長と、反転光学系３０における第２のＬＣＤ６２か
らの光束の光路長は等しく設定されている。

【００４７】広視野な映像はＬＣＤ５１に表示する。Ｌ
ＣＤ５１は両面表示装置６０に対して平行に、ＨＭＤ４
の側部に配置されている。ＨＭＤ４は、ハーフミラー５
２、リレー光学系５３、反射ミラー５４、および２つの
ハーフミラー５５、５６を備えている。ＬＣＤ５１、ハ
ーフミラー５２、リレー光学系５３および反射ミラー５
４は両面表示装置６０の光軸に平行な直線上に設けられ
ている。

【００４８】ハーフミラー５５は非反転光学系２０と観
察光学系４１の間に設けられており、非反転光学系２０
からの光を透過させる。ハーフミラー５６は反転光学系
３０と観察光学系４２の間に配置されており、反転光学
系３０からの光を透過させる。反射ミラー５４およびハ
ーフミラー５２は、それぞれハーフミラー５５およびハ
ーフミラー５６の上方に配置されている。これらのミラ
ーは全て、ＬＣＤ５１からの光束を反射してその進路を
９０゜変える向きに配置されている。ハーフミラー５２
はＬＣＤ５１からの光の半分を反射し、残り半分を透過
させる。

【００４９】両面表示装置６０の第１のＬＣＤ６１から
の光束は、非反転光学系２０によってハーフミラー５５
に導かれ、ここでハーフミラー５２を透過したＬＣＤ５
１からの光束と合成されて、観察光学系４１を経て観察
者の左眼に与えられる。第２のＬＣＤ６２からの光束
は、反転光学系３０によってハーフミラー５６に導か
れ、ここでハーフミラー５２によって反射されたＬＣＤ
５１からの光束と合成されて、観察光学系４２を経て観
察者の右眼に与えられる。

【００５０】リレー光学系５３は、ＬＣＤ５１から観察
光学系４１に至る光路長とＬＣＤ５１から観察光学系４
２に至る光路長の差を補正し、観察光学系４１および４
２に入射するＬＣＤ５１からの光束を実質的に等しくす
るために設けられている。

【００５１】ＨＭＤ４は、高精細な領域の位置を観察者
の視線の方向に応じて変化させるために、観察者の眼球
の向きを検出する不図示のアイトラッカーと、両面表示
装置６０を移動させる駆動機構を備えている。アイトラ
ッカーは、人の眼が感知し得ない波長の光を発する発光
部とその受光部より成り、眼球によって反射された発光
部からの光を受光部で受けて、その像に現れる瞳孔の位
置から眼球の向きを検出する。

【００５２】駆動機構の構成を図１０に示す。駆動機構
７０は、非反転光学系２０の中心と反転光学系３０の中
心を結ぶ中心軸に対して垂直に固定された固定枠部７
１、固定枠部７１に保持され垂直方向に可動な垂直可動
部７２、および垂直可動部７２に保持され水平方向に可
動な水平可動部７３より成り、両面表示装置６０は水平
可動部７３に固定されている。固定枠部７１には垂直可
動部７２を移動させるためのインパクト式圧電アクチュ
エータ７４が固定されており、垂直可動部７２には水平
可動部７３を移動させるためのインパクト式圧電アクチ
ュエータ７５が固定されている。

【００５３】固定枠部７１には圧電アクチュエータ７４
に下端を結合され上下方向に振動可能な振動軸７６が垂
直に設けられており、垂直可動部７２には振動軸７６が
貫通する貫通孔７８が設けられている。振動軸７６の外
周面と貫通孔７８の内面は摺接しており、その摩擦力
は、垂直可動部７２が振動軸７６の比較的低速な動きに
のみ追随して振動軸７６と共に動く程度に設定されてい
る。固定枠部７１には、垂直可動部７２の移動を滑らか
に案内するためのガイド軸８０も設けられている。

【００５４】垂直可動部７２には圧電アクチュエータ７
５に一端を結合され水平方向に振動可能な振動軸７７が
水平に設けられており、水平可動部７３には振動軸７７
が貫通する貫通孔７９が設けられている。振動軸７７の
外周面と貫通孔７９の内面は摺接しており、その摩擦力
は、水平可動部７３が振動軸７７の比較的低速な動きに
のみ追随して振動軸７７と共に動く程度に設定されてい
る。

【００５５】圧電アクチュエータ７４、７５は印加され
る駆動電圧に応じて伸張または収縮し、振動軸７６、７
７を変位させる。圧電アクチュエータ７４、７５の伸張
または収縮の速度は印加電圧の波形に依存し、したがっ
て、この波形によって振動軸７６、７７の変位の速度を
調節することができる。

【００５６】ここでは、駆動電圧として鋸歯状パルスを
１０ミリ秒程度の短周期で印加することにより、圧電ア
クチュエータ７４、７５を短い周期で伸縮させて振動軸
７６、７７を振動させるとともに、振動軸７６、７７の
それぞれの振動の一方向への変位を高速に、逆方向への
変位を比較的低速に行わせるようにしている。垂直可動
部７２は、振動軸７６が高速で変位するときは追随せず
に静止し、比較的低速で変位するときは振動軸７６とと
もに変位するから、振動軸７６の振動により一方向への
変位が累積されて、その方向に移動する。水平可動部７
３の移動も同様である。

【００５７】垂直可動部７２や水平可動部７３の移動量
および移動速度は、それぞれ、駆動電圧の鋸歯状パルス
の数および周期によって調節することができる。また、
それらの移動方向は、鋸歯状パルスの波形の方向、すな
わちパルスの前部と後部のいずれを緩傾斜としいずれを
急傾斜とするか、によって任意に定めることができる。

【００５８】照明部６３の光源６３ｂは、クロスプリズ
ム６３ａと分離して、垂直可動部７２に備えられてい
る。両面表示装置６０と光源６３ｂの間には蛇腹状に形
成された伸縮自在の導光部６３ｃが設けられており、光
源６３ｂが発する光は、導光部６３ｃによって、両面表
示装置６０内に配設されたクロスプリズム６３ａに導か
れる。

【００５９】上記構成の駆動機構７０に保持された両面
表示装置６０は、その表示面に平行な面内で水平方向と
垂直方向に移動可能である。両面表示装置６０が移動す
るとき、ハーフミラー５５およびハーフミラー５６にお
けるＬＣＤ６１およびＬＣＤ６２からの光束の移動方向
は同じになる。すなわち、ＨＭＤ４では、ＬＣＤ６１の
映像とＬＣＤ６２の映像は互いに略左右対称な関係にあ
りながら、ＬＣＤ６１とＬＣＤ６２を一体的に移動させ
ることで、これらの映像を同じ方向に移動させることが
可能になっている。

【００６０】仮に、ＬＣＤ６１とＬＣＤ６２に同じ向き
の映像を表示するとすれば、これらをハーフミラー５
５、５６に導くための光学系を、両方とも非反転光学系
とするか両方とも反転光学系とする必要があるが、その
ような構成では、両面表示装置が水平方向に移動したと
きのハーフミラー５５、５６上の光束の移動方向は互い
に逆になり、一方が右に移動すれば他方は左に移動す
る。したがって、その場合は、ハーフミラー５５、５６
上の光束の移動方向を同じにするためにＬＣＤ６１とＬ
ＣＤ６２を独立に移動させる必要が生じ、両面表示装置
を用いることはできなくなる。また、駆動機構や照明部
も２つ備えなけれならなくなって、装置の小型化、軽量
化が困難になる。

【００６１】ＨＭＤ４は、ＬＣＤ６１、ＬＣＤ６２およ
びＬＣＤ５１への映像信号の供給と、駆動機構７０の動
作を制御するためのマイクロコンピュータを備えてい
る。マイクロコンピュータは、アイトラッカーによって
検出された眼球の向きに応じて、両面表示装置６０を移
動させるとともに、ＬＣＤ６１、ＬＣＤ６２に与える映
像信号を変化させる。これにより、広視野な映像の中の
高精細な領域の位置が視線の方向に合致する。また、マ
イクロコンピュータは、高精細な映像と広視野な映像と
が重なり合うことを防止するために、ＬＣＤ５１に与え
る映像信号のうち、高精細な領域に対応する部分を除去
する。

【００６２】この制御により、注視する点を含む領域が
常に高精細となる映像が、観察者に提供される。人の視
覚は全視野のうち中央部のきわめて狭い範囲のみを精度
よく識別し得るという特性を有しているから、このよう
に注視点を含む領域を常に高精細にすることで、高い臨
場感が得られる。しかも、第１のＬＣＤ６１に表示する
映像と第２のＬＣＤ６２に表示する映像には視差をもた
せるから、観察者は高精細な映像から遠近感を得ること
が可能であり、臨場感は一層高いものとなる。

【００６３】左右の眼に与えられる広視野な映像は、Ｌ
ＣＤ５１に表示された同一映像であるため視差をもた
ず、また特に高精細なものでもないが、これにより高い
臨場感が損なわれることはない。なお、表示する映像の
内容によっては、注視点を含む領域が高精細であるだけ
で、視差がなくても十分な臨場感を得ることができる。
高精細な映像に視差をもたせない構成とするときは、前
述のＨＭＤ１の両面表示装置１０のように、駆動回路を
１つだけ備えればよい。

【００６４】

【発明の効果】請求項１の両眼映像観察装置によるとき
は、１つの両面表示装置を使用するだけであるから、表
示装置が占有する面積を従来に比べて半減することが可
能であり、装置全体を小型化することができる。また、
両面表示装置の内側から表面と裏面を同時に照明するこ
とが可能であるから、表面と裏面を個別に照明するため
の構成は不要であり、装置を軽量化することができる。

【００６５】請求項２および請求項３の両眼映像観察装
置では、両面表示装置の表裏両面からの光束は互いに平
行な光束とされるから、容易に観察者の左右の眼に導く
ことができる。また、非反転光学系と反転光学系がとも
に簡素な構成である上、非反転光学系において光束が同
一光路を往復するから、簡素かつ小型の装置となる。し
かも、単に両面表示装置をその表示面に沿う方向に移動
させるだけで、観察される左右の映像を同一方向に移動
させることができるから、例えば、観察者の眼球の向き
に応じて観察される映像の位置を移動させる場合でも、
制御はきわめて容易である。

【００６６】請求項４の両眼映像観察装置では、大きさ
が等しくしかも歪みのない左右の映像を提供することが
できる。非反転光学系および反転光学系と観察者の両眼
との間に観察光学系を配設する場合でも、映像に歪みは
生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＨＭＤとして構成した両眼映像観察装置の外
観を示す図。

【図２】 第１の実施形態のＨＭＤの概略構成を示す
図。

【図３】 第１の実施形態のＨＭＤの両面表示装置の構
成と表示例を示す図。

【図４】 両面表示装置に表示される映像の向きと観察
される映像の向きの関係を示す図。

【図５】 第１の実施形態のＨＭＤの光路を示す図。

【図６】 第２の実施形態のＨＭＤの概略構成を示す
図。

【図７】 第３の実施形態のＨＭＤの概略構成を示す
図。

【図８】 第３の実施形態のＨＭＤの光路を示す図。

【図９】 第４の実施形態のＨＭＤの概略構成を示す
図。

【図１０】 第４の実施形態のＨＭＤの両面表示装置の
駆動機構の構成を示す図。

【符号の説明】

１、２、３、４ ＨＭＤ １０ 両面表示装置 １１、１２ ＬＣＤ １３ 照明部 ２０ 非反転光学系 ２１、２２ プリズム ２３ プリズム接合面 （第１の面） ２４ 反射ミラー （第２の面） ２５ ハーフミラー （第１の面） ２６、２７ プリズム ２８ プリズム接合面 （第１の面） ２９ 反射ミラー （第２の面） ３０ 反転光学系 ３１ プリズム ３２ プリズム ３３ プリズム斜面 （第３の面） ３５ 反射ミラー （第３の面） ４１、４２ 観察光学系 ５１ ＬＣＤ ５２、５５、５６ ハーフミラー ５３ リレー光学系 ５４ 反射ミラー ６０ 両面表示装置 ６１、６２ ＬＣＤ ６３ 照明部 ７０ 駆動機構 ７１ 固定枠部 ７２ 垂直可動部 ７３ 水平可動部 ７４、７５ 圧電アクチュエータ ７６、７７ 振動軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示して観察者の両眼に与える両
   眼映像観察装置において、 互いに略左右対称な関係にある２つの映像の一方を表面
   に、他方を裏面に表示する両面表示装置と、 前記両面表示装置の表面に表示された映像を左右反転さ
   せない非反転光学系と、 前記非反転光学系の光路長と
   等しい光路長を有し、前記両面表示装置の裏面に表示さ
   れた映像を左右反転させる反転光学系とを備え、 前記両面表示装置の表面に表示された映像を前記非反転
   光学系を介して観察者の一方の眼に与え、前記両面表示
   装置の裏面に表示された映像を前記反転光学系を介して
   観察者の他方の眼に与えることを特徴とする両眼映像観
   察装置。
2. 【請求項２】 前記非反転光学系は、前記両面表示装置
   に対して垂直な基準線に沿う方向に進む前記両面表示装
   置の表面からの光束を前記基準線に対して垂直な方向に
   反射し、その反射先の方向からの光束を透過させる第１
   の面と、前記第１の面によって反射された光束を逆方向
   に反射する第２の面より成り、 前記反転光学系は、前記基準線に沿う方向に進む前記両
   面表示装置の裏面からの光束を前記第１の面の反射方向
   と逆方向に反射する第３の面より成ることを特徴とする
   請求項１に記載の両眼映像観察装置。
3. 【請求項３】 前記非反転光学系は、前記両面表示装置
   に対して垂直な基準線に沿う方向に進む前記両面表示装
   置の表面からの光束を透過させ、その透過先の方向から
   の光束を前記基準線に対して垂直な方向に反射する第１
   の面と、前記第１の面を透過した光束を逆方向に反射す
   る第２の面より成り、 前記反転光学系は、前記基準線に沿う方向に進む前記両
   面表示装置の裏面からの光束を前記第１の面の反射方向
   と同方向に反射する第３の面より成ることを特徴とする
   請求項１に記載の両眼映像観察装置。
4. 【請求項４】 前記第１の面が光束を反射し始めてから
   反射し終わるまでの光路長、前記第１の面が光束を透過
   させ始めてから透過させ終わるまでの光路長、および前
   記第３の面が光束を反射し始めてから反射し終わるまで
   の光路長は等しく、 前記両面表示装置の裏面からの光束が前記第３の面に入
   射し始めるまでの光路長は、前記両面表示装置の表面か
   らの光束が前記第１の面に入射し始めるまでの光路長よ
   りも、前記第２の面によって反射された光束が前記第１
   の面に入射し始めるまでの光路長の２倍と、前記第１の
   面が光束を反射し始めてから反射し終わるまでの光路長
   との和だけ、長いことを特徴とする請求項２または請求
   項３に記載の両眼映像観察装置。