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JP3487859B2 - ヘッドマウントディスプレー装置及び該装置に用いるディスプレー用光学系 - Google Patents

ヘッドマウントディスプレー装置及び該装置に用いるディスプレー用光学系

Info

Publication number
JP3487859B2
JP3487859B2 JP51748896A JP51748896A JP3487859B2 JP 3487859 B2 JP3487859 B2 JP 3487859B2 JP 51748896 A JP51748896 A JP 51748896A JP 51748896 A JP51748896 A JP 51748896A JP 3487859 B2 JP3487859 B2 JP 3487859B2
Authority
JP
Japan
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image
combiner
optical system
display means
reflecting mirror
Prior art date
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Application number
JP51748896A
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English (en)
Inventor
茂 中山
健司 戸崎
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Enplas Corp
Original Assignee
Enplas Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Enplas Corp filed Critical Enplas Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP3487859B2 publication Critical patent/JP3487859B2/ja
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、ヘッドマウントディスプレー装置に関する
ものである。
又、本発明は、ヘッドマウントディスプレー装置や眼
鏡式ディスプレー装置等のディスプレーにおいて映像情
報手段よりの映像と外界の像とを重ね合わせて観察する
ための光学系に関するものである。
背景技術 ヘッドマウントディスプレー装置は、第１図に示すよ
うに、前部ハウジング12と後部ハウジング14とよりな
り、使用時前部ハウジング12が人間の眼の付近に位置す
るように又後部ハウジングが後頭部に位置するようにし
て頭部に固定し、前部ハウジング内の映像表示手段に表
示された映像情報を拡大観察する装置である。このヘッ
ドマウントディスプレー装置の前部ハウジング12の符号
16にて示す部分には映像表示・観察部が内蔵されてい
る。
この映像表示・観察部の構成は、例えば第２図に拡大
して示す通りの光学系を備えたもので、第２図におい
て、１は液晶表示装置（以下LCD）や陰極線管（以下CR
T）等の映像表示手段、２は屈折型レンズ（いわゆるル
ーペ）、３は少なくとも２方向よりの光を結合する役割
をもつ半透過鏡（以下コンバイナーと呼ぶ）、４は観察
者の眼である。このような構成の映像表示・観察部にお
いて、映像表示手段１による映像よりの光はレンズ系２
を通り更にコンバイナー３により反射され観察者の眼４
の方向にむけられる。このようにして、映像情報はレン
ズ系２により拡大して観察される。一方、外界よりの光
10は、前部ハウジング12の前面15より入射しコンバイナ
ー３を透過して外界の像が直接観察者により観察され
る。つまり、第１図に示す従来のヘッドマウントディス
プレー装置によれば、外界の像と映像情報手段の映像と
をコンバイナーを介して重ね合わせて見ることが出来
る。
ヘッドマウントディスプレー装置の他の映像表示・観
察部として第３図に示す光学系が知られている。即ち第
３図において、１はLCD、CRT等の映像情報手段、３はコ
ンバイナー、５は凹面形状のコンバイナーである。この
従来のヘッドマウントディスプレー装置は、映像情報手
段による映像よりの光がコンバイナー３により反射され
て観察者とは反対側の凹面形状のコンバイナー５側へ向
けられる。ここで、凹面形状のコンバイナー５にて反射
されてコンバイナー３を通って観察者の側へ向けられ
る。又、外界よりの光10は、凹面形状のコンバイナー５
を透過し、更にコンバイナー３を透過して観察者の眼４
の方向に向けられる。そして、映像情報手段からの画像
と外界の像とが重ね合わさって観察される。
上記従来例のうち第２図に示すような映像表示・観察
部を備えたヘッドマウントディスプレー装置は、レンズ
系２により映像情報手段１の画像を拡大して観察を行な
うようにしている。レンズ系２により像を拡大して観察
する場合、拡大された像が良好な画像になるように、レ
ンズ系２は各種収差が良好に補正されなければならな
い。その為には、レンズ系２を構成するレンズは、良好
な画質で高倍率な映像を要する光学系程、多数のレンズ
を使用した複雑な光学部品構成が必要になる。特に、観
察する像がカラー画像である場合には、レンズ系は、色
収差をも良好に補正されている必要がある。その為に、
接合レンズを含めて多くのレンズを必要とし、レンズ系
２が大型で重くなり組立が複雑になることによりコスト
高になる。その上、映像情報手段１とレンズ系２とがコ
ンバイナー３の上方に位置し、図面から明らかなように
比較的重量のある映像情報手段１と上記のように重いレ
ンズ系２とが比較的接近して配置される為、ヘッドマウ
ントディスプレー装置としてはアンバランスな光学部材
の配置になっている。
又第３図に示す映像表示・観察部を備えたヘッドマウ
ントディスプレー装置は、コンバイナーの外界側に凹面
形状のコンバイナーを配置したもので、第２図に示すも
のに比べれば高倍率で収差が良く補正された画像が少な
い光学部品にて得られる配置になっているが、図面から
判かるように映像情報手段１の画像からの光はコンバイ
ナー３と非球面凹面形状のコンバイナーにて反射され更
にコンバイナー３を透過すると、コンバイナーを透過及
び反射する度に光量が減少し、観察者に達する光量が1/
10程度までになってしまう。その為に、LCDの背面のバ
ックライトやCRTの輝度を本発明と同等にするには輝度
を倍にしなければならない。更に、凹面形状のコンバイ
ナーにおいて収差補正効果が大きい非球面を用いる場
合、プラスチックの使用が安価で大量生産に向いてい
る。しかし、プラスチックをベースにしたコンバイナー
は基板上に多層コーティングを行なう困難さから性能の
低下と歩留りの低下およびコストアップを招く。また、
光学系の組立は前記映像表示手段の中心軸に対して第３
図に示すように直交する軸に凹面形状のコンバイナーを
精度良く組立なければならない。特に本発明を含めた反
射光学系は軸ずれに対する精度が透過型光学系に比較し
てシビアであるので、本発明の垂直軸上の組立と比較し
て直交軸上の光学部品の組立は歩留りの低下やコストア
ップが避けられない。
発明の開示 本発明の目的は、映像表示手段による画像を外界の像
と重ね合わせて観察するヘッドマウントディスプレー装
置において、前記映像表示手段の画像からの光を透過及
び反射するコンバイナーと、前記コンバイナーに関して
前記映像手段と反対側に配置された拡大反射鏡とよりな
り、前記映像表示手段の画像からの光が前記コンバイナ
ーを透過し、拡大反射鏡にて反射の後コンバイナーにて
反射されて観察者の眼の方向へ向けられ、一方外界より
の光はコンバイナーを透過して観察者の眼の方向へ向け
られ、これによって映像表示手段の像と外界の像とを重
ね合わせて観察するようにしたヘッドマウントディスプ
レー装置を提供することにある。
また本発明の他の目的は、映像表示手段にある画像を
外界の像と重ね合わせて観察するヘッドマウントディス
プレー装置において、前記映像表示手段の画像からの光
を透過及び反射するコンバイナーと、前記コンバイナー
に関して前記映像手段と反対側に配置された拡大反射鏡
とよりなり、また、前記映像表示手段とコンバイナーと
の間に収差補正用のパワーの弱いレンズを配置する事に
より、前記映像表示手段の画像からの光が前記収差補正
用レンズを透過の後、前記コンバイナーを透過し、拡大
反射鏡にて反射の後コンバイナーにて反射されて観察者
の眼の方向へ向けられ、一方外界よりの光はコンバイナ
ーを透過して観察者の眼の方向へ向けられ、これによっ
て映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせて観察す
るようにしたヘッドマウントディスプレー装置を提供す
ることにある。
尚、本発明でいう拡大反射鏡とは、凹面反射鏡、フレ
ネル反射鏡等を指すものであり、その凹面あるいはフレ
ネル面に反射機能を持たせることにより形成されている
ものである。
また本発明の他の目的は、映像表示手段と、前記映像
表示手段よりの光を透過及び反射させるコンバイナー
と、前記コンバイナーに関し前記映像表示手段と反対側
に配置された拡大反射鏡と、前記映像表示手段と前記コ
ンバイナーとの間に配置された補助レンズとよりなり、
前記映像表示手段の画像からの光は、前記補助レンズと
前記コンバイナーを通過し反射鏡にて反射された後に前
記コンバイナーにて観察者の眼の方向に向けられ、又外
界の光は前記コンバイナーを透過して観察者の眼の方向
を向けられ、映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わ
せ観察する光学系で、下記条件式（１）と（２）を満足
するディスプレー用光学系を提供することにある。
0.8＜f/fR≦1.0 （１） 0.65＜d/fR＜0.9 （２） 上記式でｆは光学系全体の焦点距離、fRは凹面反射鏡
のみの焦点距離、ｄは凹面反射鏡と補助レンズのコンバ
イナー側の面の０ディオプター時の間隔である。
また本発明の他の目的は、映像表示手段と、コンバイ
ナーと、前記コンバイナーに関して前記映像表示手段と
は反対側に配置されている凹面反射鏡とよりなり、映像
表示手段よりのコンバイナーを透過して凹面反射鏡にて
反射された後コンバイナーにて反射されて観察者の眼の
方向へ向けられる光と、外界よりコンバイナーを透過し
て観察者の眼の方向に向けられる光とを重ね合わせて観
察するようにした光学系で、凹面反射鏡が次の式（３）
で表わされる楕円回転面S1と式（４）で表わされる楕円
回転面S2との間に存在する非球面であるディスプレー用
光学系を提供することにある。
ここでk1C2＝7.5×10-5 ここでk2C2＝1.0×10-3 尚上記の（３）式、（４）式においてk1,k2は非球面
係数、Ｃは面の曲率（曲率半径の逆数）である。
また本発明の他の目的は、映像表示手段と、該映像表
示手段よりの光を透過及び反射させるコンバイナーと、
前記コンバイナーに関し前記映像表示手段と反対側に配
置されたフレネル反射鏡と前記映像表示手段と前記コン
バイナーとの間に配置された補助レンズよりなり、前記
映像表示手段の画像からの光は、前記コンバイナーを通
過しフレネル反射鏡にて反射された後に前記コンバイナ
ーにて観察者の眼の方向に向けられ、又外界の光は前記
コンバイナーを透過して観察者の眼の方向に向けられ、
映像表示手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光
学系で、下記条件式（５）と（６）を満足するディスプ
レー用光学系を提供することにある。
0.8＜f/fR≦1.0 （５） 0.65＜d/fR＜0.95 （６） 上記式でｆは光学系全体の焦点距離、fRはフレネル反
射鏡のみの焦点距離、ｄはフレネル反射鏡と補助レンズ
のコンバイナー側の面の０ディオプター時の間隔であ
る。
また本発明の更に他の目的は、映像表示手段と、該映
像表示手段よりの光を透過及び反射させるコンバイナー
と、前記コンバイナーに関し前記映像表示手段と反対側
に配置されたフレネル反射鏡とよりなり、前記映像表示
手段の画像からの光は、前記コンバイナーを通過しフレ
ネル反射鏡にて反射された後に前記コンバイナーにて観
察者の眼の方向に向けられ、又外界の光は前記コンバイ
ナーを透過して観察者の眼の方向に向けられ、映像表示
手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学系で、
フレネル反射鏡のフレネル面がその面を連続単一面に復
元した場合の式（７）で表わされる楕円回転面S3と式
（８）で表わされる楕円回転面S4との間に存在する非球
面であるのディスプレー用光学系を提供することにあ
る。
ここでk3C2＝−7.5×10-5 ここでk4C2＝−1.0×10-3 尚上記の（７）式、（８）においてk3,k4は非球面係
数、Ｃは面の曲率（曲率半径の逆数）である。
図面の簡単な説明 第１図はヘッドマウントディスプレー装置の概要を示
す図、第２図は従来のヘッドマウントディスプレー装置
の映像表示・観察部の構成を示す図、第３図は従来のヘ
ッドマウントディスプレー装置の映像表示・観察部の構
成の他の例を示す図、第４図は本発明のヘッドマウント
ディスプレー装置の構成を示す図、第５図は本発明のヘ
ッドマウントディスプレー装置の映像表示・観察部の第
１の実施の形態の構成を示す図、第６図乃至第10図は夫
々本発明の第１乃至第５実施例の光学系の収差曲線図、
第11図は本発明のヘッドマウントディスプレー装置の映
像表示・観察部の他の構成を示す図、第12図及び第13図
は夫々本発明の光学系の第６実施例及び第７実施例の収
差曲線図、第14図は第６、７実施例における外界から眼
に至る系の構成を示す図、第15図は第６実施例における
外界から眼に至る系の収差曲線図、第16図は第７実施例
における外界から眼に至る系の外界側平行平面板に非球
面を用いない場合の収差曲線図、第17図は第７実施例に
おける外界から眼に至る系の外界側平行平面板に非球面
を用いた場合の収差曲線図である。
発明を実施するための最良の形態 第４図は本発明のヘッドマウントディスプレー装置の
全体図であって、12は前部ハウジング、14は後部ハウジ
ング、16は前部ハウジング12内に収納されている映像表
示・観察部で、後に詳細に述べるようなものである。又
22はサポート部材、頭頂部に圧接可能なパッド材、26は
前頭部に圧接可能なパッド材でいずれもサポート部材に
設けられている。45は後部ハウジング14に設けられた後
頭部パッド材、51は側頭部に対応した内側が曲面をなす
中空ハウジング、52は中空ハウジング51に設けられてい
る一定幅のスライダー、61はレール、62は中空ハウジン
グ51に進退自在に取り付けられた中空ハウジングであ
る。
このヘッドマウントディスプレー装置は、図示するよ
うに使用者の頭部に取り付けられ、中空ハウジング62を
ハウジング51内に挿入してパッド45が後頭部に圧着され
るようにして取り付ける。
この図示するヘッドマウントディスプレー装置の前部
ハウジング内の映像表示観察部は、第５図に示す通り
で、１はLCD、CRT等の映像情報手段、３はコンバイナ
ー、６は拡大反射鏡としての凹面反射鏡、７は殆どパワ
ーのない収差補正レンズにより構成される補助レンズで
あり必要に応じて用いる。この本発明の実施例のヘッド
マウントディスプレー装置は、映像表示・観察部が前記
の構成であって、映像情報手段の像よりの光は補助レン
ズ７を透過し、コンバイナー３を透過し凹面反射鏡６に
て反射され、元の方向に戻され、コンバイナー３にて45
゜反射されて観察者の眼４の方向に向けられるように構
成されている。ここで、凹面反射鏡６により形成される
拡大された虚像が観察者に観察される。
一方、外界からの光10は、コンバイナー３を透過して
直接観察者の眼４の方向に向けられ観察される。
このようにして、映像情報手段による像と外界の像と
が重ね合わされた状態にて観察される。尚、外界からの
光を入射させる開口部に外界からの光を遮断する遮光板
を開閉可能に取り付けたり、遮光板の代わりにフィルタ
ーを設けたり、または、液晶シャッターを用いても良
い。このように遮光板等を配置すれば外界からの光は遮
断され、映像情報手段の像のみが観察される。また遮光
板の代わりに適当なフィルターや液晶シャッターを配置
することにより、外界からの光の量をコントロールして
映像情報手段の像と外界の像とをバランスよい明るさで
重ね合わせた像を観察出来る。
この本発明のヘッドマウントディスプレー装置は、映
像表示・観察部が映像情報手段１及び補助レンズ７と凹
面反射鏡６とをコンバイナー３に関してほぼ対称に配置
した構成になっており、極めてバランスの良い配置にな
っている。
また、映像情報手段１よりの光は、コンバイナー３を
１回ずつ透過および反射するので、例えばコンバイナー
３を透過する光は約50％又凹面反射鏡にて反射された後
にコンバイナー３にて反射される光は更にその約50％で
あって、コンバイナー３による光の減少が比較的少なく
観察者の眼４に達するのは約25％で明るい像を観察する
ことができる。
更に、凹面反射鏡を用いて像を拡大するので色収差は
発生せず、又補助レンズは殆どパワーを持たないため色
収差の発生は極めて少ない。その場合、色収差以外の収
差は凹面反射鏡の非球面と補助レンズとにより補正する
事ができる。尚、補助レンズは収差補正用のレンズと言
う用途以外にもLCD等の映像情報手段からの光が眼に直
接入るのを防ぐ迷光遮光板の役割も兼ねている。
本発明のヘッドマウントディスプレー装置は、両眼で
個々の映像情報手段からの映像を観察するため、容易に
三次元映像を観察者に体験させられることはもちろん、
前記液晶シャッターを用いれば、外界の光の変化を随時
コントロールすることにより、現実の映像である外界情
報と仮想現実である映像情報手段の映像とをあたかも同
一の映像情報であるかのような画像として与えることが
できる。
次に本発明のディスプレー用光学系は、映像表示手段
と、映像表示手段よりの光を透過および反射させるコン
バイナーと、コンバイナーに関して映像表示手段とは反
対側に配置されている凹面反射鏡と、映像表示手段とコ
ンバイナーとの間に配置された補助レンズとを備えたも
ので、次の条件式（１）、（２）を満足するようにして
いる。
0.8＜f/fR≦1.0 （１） 0.65＜d/fR＜0.9 （２） 上の式のｆは光学系全体の焦点距離、fRは凹面反射鏡
のみの焦点距離、ｄは凹面反射鏡と補助レンズのコンバ
イナー側の面との間隔である。
本発明のディスプレー用光学系は、上に述べた通りに
光学要素を配置したもので、映像表示手段よりの光は、
補助レンズ及び光軸に対しほぼ45゜傾斜させ配置された
コンバイナーとを透過し、凹面反射鏡により反射され戻
された後コンバイナーにて反射されて観察者の眼に達す
る。これにより観察者は、主として凹面反射鏡により拡
大された映像表示手段の像を観察する。一方外界よりの
光は、コンバイナーを透過して眼に達し、外界の像も観
察者により観察される。このように観察者は、映像表示
手段の拡大像と外界の像とを重ね合わせて観察する。
この光学系では、映像情報手段の拡大像を、コンバイ
ナーを通して観察するので、観察者の眼の位置に対して
拡大像の見掛けの視野を或る程度以上に確保するにはコ
ンバイナーの開口は一定の大きさが必要になる。また、
外界からの光景をコンバイナーを通して映像表示手段の
像と重ねて見るので、そのためにもコンバイナーは一定
の開口が必要になる。このような一定の大きさのコンバ
イナーを補助レンズと凹面反射鏡との間に介在させるス
ペースが必要になる。
又拡大ルーペとしての視度調節をするためには、凹面
反射鏡を上下させる方法と映像表示手段を上下させる方
法の二つの方法が考えられる。
前者の方法により、ルーペとして実際上重要なマイナ
ス視度を得るには、凹面反射鏡を上方へ移動させること
になる。即ち凹面反射鏡をコンバイナーに近くなる方向
へ移動させることになる。そのためにも補助レンズと凹
面反射鏡との間は、更に大きな間隔をとることが必要で
ある。
また、視度調節の方法として後者の方法をとる場合、
マイナス視度を得るには、映像表示手段を下方へ移動さ
せ、これが補助レンズに近づく方向に移動させる必要が
あり、補助レンズと光学系の結像面である映像表示手段
の間もスペースをとる必要がある。
一方、映像表示手段の拡大像の拡大率を上げるには凹
面反射鏡と補助レンズの合成焦点距離を短くする必要が
ある。この合成焦点距離を短くすると凹面反射鏡と光学
系全体の結像点である映像表示手段とが接近することに
なり、両者間のスペースをとることと相容れない関係に
なる。
以上述べた関係を併立させるため、本発明の光学系
は、前記の条件式（１）、（２）を満足するようにし
た。
条件式（１）の値が1.0になると、即ち凹面反射鏡が
光学系全体のパワーを占めるとき、補助レンズのパワー
は０になり、平行平面板になる。又（１）の値が1.0未
満の時、補助レンズは弱い凸レンズになる。（１）式の
値が上限に近くなる程凹面反射鏡と映像表示手段とが接
近し、凹面反射鏡と補助レンズとの間および補助レンズ
と映像表示手段との間のスペースを確保することが困難
になるが、視度調節なしの系にする場合等には有利であ
る。しかし一般には（１）式の値は0.95以下がより望ま
しい。
一方（１）式の下限以下になると素子間隔は十分得ら
れるが映像表示手段より著しく斜め方向に発する光を観
察者の眼が受けることになり、映像表示手段としてLCD
のように指向特性の強いものを用いた場合、系としての
性能が劣化する。また、補助レンズのパワーが強くな
り、色収差が問題になる。
このような理由から（１）式のより望ましい範囲とし
ては、0.85〜0.95である。
（２）の条件式は前記のようにコンバイナーの開口を
必要な値にするための条件である。視度調節手段として
凹面反射鏡６を上下させる方法をとった場合は、（２）
式の上限近くを、又映像表示手段を上下させる方法をと
った場合は、下限に近い値を選ぶ必要がある。
補助レンズは、（１）式に伴う系のパワー配分や収差
補正としての役割の外、LCDより直接眼に達する迷光を
遮断する役割や防塵の役割も兼ねている。
次に、本発明の光学系は、単純な構成であるため、パ
ワー配分を決めると積極的収差補正は殆ど不可能にな
る。そのため、凹面反射鏡又は補正レンズあるいはその
両方に非球面を導入することは効果的である。この場
合、補正レンズが平行平面板であっても非球面の導入は
可能である。
凹面反射鏡に主パワーが存在するので光学系のペッツ
バール和は負になり、像面は過剰側に湾曲する。そこで
非球面の導入により負側へ像面を補正することにより、
凹面反射鏡の非球面度が特に重要になる。
次に本発明の光学系中に非球面を導入する場合の、そ
の望ましい形状について説明する。
本発明の光学系に用いる非球面としては、下記の式
（３）にて表わされる楕円回転面S1と下記の式（４）に
て表わされる楕円回転面S2の二つの面の間に入る非球面
である。
ここでk1C2＝7.5×10-5 ここでk2C2＝1.0×10-3 尚上記の（３）式、（４）式においてk1,k2は非球面
係数、Ｃは面の曲率（曲率半径の逆数）である。
このようにして、（３）、（４）にて夫々表わされる
二つの楕円回転面S1およびS2の間にすべての面が存在す
るような所定の非球面を凹面反射鏡の凹面として用いれ
ば、諸収差をバランス良く補正することが出来る。
非球面がその非球面度が弱く楕円回転面S1よりも楕円
回転面S2の側とは反対側（曲率Ｃの球面の側）に位置す
る面になると、補助レンズとの組み合わせにより像面湾
曲に由来する非点収差やコマ収差は補正可能であるが、
歪曲収差が観察者より見て強く糸巻き状になり、また、
映像表示手段の指向特性と著しく相反する結果となる。
逆に非球面度が強すぎて回転楕円面S2を越えると映像表
示手段の指向特性に対しては良くなる反面、諸収差の補
正が困難になる。
凹面反射鏡のみを上記の両楕円回転面S1とS2の間にあ
る非球面にしたとき光学系の収差補正を行なうことが出
来るが、補正レンズにも非球面を用いれば、更に収差を
良好に補正出来る。
更に補正レンズのみに非球面を導入し、凹面反射鏡を
球面としても収差を良好に補正できるがサジタル像面の
残存がやや大きい。
本発明のディスプレ用光学系は、第５図に示す通りの
構成で、映像表示手段１、コンバイナー３、凹面反射鏡
６、補正レンズ７とより構成されている。尚４は観察者
の眼である。
この光学系において、映像表示手段１よりの光は、補
正レンズ７とコンバイナー３を透過し、凹面反射鏡６に
より反射され更にコンバイナー３にて反射されて眼４の
方向に進む。これにより観察者にて映像表示手段１の拡
大像が観察される。又外界よりの光10は、ガラス窓８を
通って入射され、コンバイナー３を透過し眼４に向けら
れる。このように観察者は外界の像も観察し得る。即
ち、映像表示手段１の拡大像と外界の像とを重ね合わせ
て観察し得る。
本発明の光学系は、第５図の通り少ない素子よりなり
かつコンパクトな構成である。更に次に示す第１〜第５
の実施例データーのように、条件式を満たす等の前述の
要件を備えることにより、コンパクト性を保ったまま、
広い見掛けの視野で収差の補正をされた良好な画像での
観察が可能である。
これらのデーターで面番号１は観察者の眼、２はコン
バイナー、３は凹面反射鏡、４は補助レンズのコンバイ
ナー側の面、５は補助レンズの映像表示手段側の面の位
置である。又間隔、屈折率のマイナス符号は光が逆向き
に進むことを意味する。
これら実施例の凹面反射鏡の非球面のサグ値および、
楕円回転面S1,S2のサグ値は、下記の通りである。尚第
４実施例は、凹面反射鏡が球面の例で、上のサグ値は記
載していない。
上に示す各実施例は、前述の条件式を満足することは
データーから明らかである。又各実施例の非球面は、そ
のサグ値と楕円回転面S1,S2のサグ値とから面S1,S2の間
にあることが明らかである。又第６図乃至第10図の収差
図からは、諸収差がバランス良く補正されていることが
わかる。尚収差図は眼側より光線を入れて結像させた時
の図で、瞳孔の縁までの高さを縦軸の最大値にしてあ
る。
実施例中の非球面形状は次の式で表わされる。
次に本発明のディスプレー用光学系において、一層高
倍率な構成にするためには、拡大反射鏡としてフレネル
反射鏡を用いることが望ましい。即ち、拡大反射鏡とし
て凹面反射鏡を用いた場合、その反射面は凹面であるた
め、光軸反射点に対して凹面反射鏡の周辺部はコンバイ
ナーに接近する。この凹面の深さ（サグ）は、径の倍率
を上げる場合に障害となる。光学系倍率を上げるために
は、凹面反射鏡の焦点距離fRを小さくする必要があるの
で、サグはより深くなる。一方、コンバイナーは、視野
角のためにむしろ大きくする必要があり、これら点から
光学系を配置するためのスペースは大きくならざるを得
ない。
そこで、この点を解決するものとして、拡大反射鏡と
してフレネル反射鏡を用いる構成とすれば、上記サグ量
が実質的にゼロとなり、極めて有効である。即ち、本発
明のフレネル反射鏡を用いた光学系は、前記コンバイナ
ーに関して前記の映像表示手段と、反対側に配置された
凹面反射鏡をフレネル反射鏡としたもので、下記の条件
式（５）、（６）を満足するものである。
（５） 0.8＜f/fR≦1.0 （６） 0.65＜d/fR＜0.95 上記条件式（５）、（６）を設定した理由は、前述の
一般の凹面反射鏡を用いた場合の条件式（１）、（２）
とほぼ同様の理由にもとづくもので、下記の理由によ
る。
条件式（５）の値が1.0になると、即ち凹面反射鏡が
光学系全体のパワーを占めるとき、補助レンズのパワー
は０になり、平行平面板になる。又（５）の値が1.0未
満の時、補助レンズは弱い凸レンズになる。（５）式の
値が上限に近くなる程フレネル反射鏡と映像表示手段と
が接近し、フレネル反射鏡と補助レンズとの間および補
助レンズと映像表示手段との間のスペースを確保するこ
とが困難になるが、視度調節なしの系でしかも倍率を出
来るだけ大にする場合には有利である。
一方（５）式の下限以下になると素子間隔は十分得ら
れるが映像表示手段より著しく斜め方向に発する光を観
察者の眼が受けることになり、映像表示手段としてLCD
のように指向特性の強いものを用いた場合、系としての
性能が劣化する。また、補助レンズのパワーが強くな
り、色収差が問題になる。
このような理由から（５）式のより望ましい範囲とし
ては、0.85〜1.0である。
（６）の条件式は前記のようにコンバイナーの開口を
必要な値にするための条件である。視度調節手段として
フレネル反射鏡６を上下させる方法をとった場合は、
（６）式の上限近くを、又映像表示手段を上下させる方
法をとった場合は、下限に近い値を選ぶ必要がある。
補助レンズは、（５）式に伴う系のパワー配分の役割
の外、LCDより直接眼に達する迷光を遮断する役割や防
塵の役割も兼ねている。
又、前記のフレネル反射鏡を用いたディスプレー用光
学系において、収差を一層補正するために非球面を導入
する場合、フレネル面を連続した単一面に復元した場合
の非球面の形状は、下記の式（７）にて表わされる楕円
回転面S3と、下記の式（８）にて表わされる楕円回転面
S4の二つの面の間に入る非球面であることが望ましい。
ここでk3C2＝−7.5×10-5 ここでk4C2＝−1.0×10-3 尚上記の式（７）、（８）において、k3、k4は非球面
係数、Ｃは面の曲率である。
上記のような、フレネル反射鏡を用いる場合、凹面反
射鏡を用いた場合とは異なり、ペッツバール和が負にな
る要因がなくなる。そのため通常の屈折光学系と同様
に、像面は補正不足の方向に湾曲する。したがって、フ
レネル面（フレネル凹面）に導入する非球面は、像面を
正の側へ補正する方向になる。
そのため本発明で用いる非球面は、フレネル面を連続
した単一面に復元したときに、前記の式（７）にて表わ
される楕円回転面S3と式（８）にて表わされる楕円回転
面S4との二つの面の間に入る非球面であることが望まし
い。
本発明のディスプレー用光学系で、一層の高倍率化の
ためにフレネル反射鏡を用いた光学系の実施例について
説明する。
第11図は、本発明のフレネル反射鏡を用いた光学系の
構成を示す図で、１は映像情報手段、３はコンバイナ
ー、４は観察者の眼、７は補助レンズ、８はフレネル反
射鏡、９は防塵用の透明な平行平面板である。
この図に示す光学系も、映像情報手段１より発する光
は、補助レンズ７とコンバイナー３を透過した後、フレ
ネル反射鏡８にて反射されコンバイナー３にて更に反射
されて観察者の眼に達する。これにより映像情報手段１
の画像は、観察者により拡大観察される。一方外界の光
10はコンバイナー３を透過し観察者の眼４に達し、映像
情報手段１の拡大像と外界の映像とが重ね合わせられて
観察される。
このフレネル反射鏡を用いた第11図に示す光学系は、
通常の凹面反射鏡を用いた第５図に示す光学系と比較し
て極めて小型化し得ることは明らかである。しかも、フ
レネル反射鏡の曲率半径を小にして拡大率を高くしても
光学系が大型化することはない。
このフレネル反射鏡のフレネル面を連続単一面に復元
した場合の面を非球面とすることにより、前述のように
光学系の諸収差を良好に補正して、極めて良好な拡大像
での観察が可能になる。その場合の非球面形状は、前述
のように条件式（７）にて表わされる楕円回転面と条件
式（８）にて表わされる楕円回転面の間に入る面であ
る。
フレネル反射鏡を非球面にする場合、その非球面を連
続単一面に復元した時の形状が前記の式（７）にて表わ
される楕円回転面S3と式（８）にて表わされる楕円回転
面S4の二つの面の間に入る非球面であることが望まし
い。
前述のように、フレネル反射鏡を用いるのは、光学系
の倍率を高くする時にスペース不足を生ずるのを解消す
るためである。そのため、映像情報手段は、コンバイナ
ーの方向に接近し、補助レンズとの間隔も小になる。こ
の場合、補助レンズのパワーは小になり、前記条件式
（５）のf/fRは限りなく１に近づく。それは、補助レン
ズにパワーを持たせると映像情報手段の指向特性と著し
く矛盾することになるためである。そしてf/fR＝１にな
ると補助レンズは、平行平面板となる。平行平面板であ
ってもその面に非球面を導入することは出来る。
本発明のフレネル反射鏡を用いた光学系において、そ
の収差が一層良好になるようにするためには、平行平面
板９の少なくとも一方の面を非球面にすることが考えら
れる。この場合の非球面は、外界からの光10がこの平行
平面板９を透過した後に観察者の眼４に達するため、こ
の外界からの光10にも影響を及ぼす。つまり、外界から
の像を非球面を通して観察する結果、歪んで見える。し
たがって平行平面板９に形成する非球面は、外界の像に
著しい歪みを発生させない程度の弱い非球面であること
が望ましい。
この平行平面板にて用いる非球面は、光軸を中心とす
る直径22mmの範囲内で平面に対するサグ量が絶対値で0.
05mm以内の非球面であることが望ましい。
もし、サグ量の絶対値が0.5mmを越える非球面を用い
る場合は、フレネル反射鏡の非球面と合わせて収差補正
がなされ、光学系の収差を極めて良好に補正出来、映像
情報の拡大像の質を一層向上させることが出来る。しか
し前記の歪みが大になり好ましくない。また、光学系の
外界側にも平行平面板を設けておき、この平行平面板に
前記の平行平面板９の非球面による影響を打ち消す作用
を有する非球面を用いるように構成してもよい。
次にフレネル反射鏡を用いた本発明光学系の実施例を
示す。
これらのデーターで面番号１は観察者の眼、２、３は
夫々眼側の平行平面板の眼側及びコンバイナー側の面、
４はコンバイナー、５はフレネル反射鏡、６は補助レン
ズのコンバイナー側の面、７は補助レンズの映像表示手
段側の面の位置である。又間隔、屈折率のマイナス符号
は光が逆向きに進むことを意味する。
第６、第７実施例は、いずれもフレネル反射鏡を用い
そのフレネル面がそれを連続した単一面に復元した時に
非球面であり、これにより収差補正を行なうと同時に眼
側の平行平面板の眼側の面を非球面とし、これによりフ
レネル反射鏡の非球面による収差補正を補って良好な像
での観察が出来るようにしている。これら実施例のう
ち、第６実施例は、眼側の平行平面板の非球面のサグ量
の絶対値が0.05mm以下であって、観察者がこの平行平面
板を透して外界を観察しても歪みは極めて小さく観察に
支障はない。
又第７実施例は、眼側の平行平面板の非球面のサグ量
を大きくして光学系全体の収差が一層少なくなるように
したもので、この平行平面板を透して外界を観察した場
合、像が若干歪んで見える。この問題を解決するため
に、この実施例では、前述のような眼側の平行平面板の
非球面による収差を打ち消すために外界側つまりコンバ
イナーよりも外界側に設けられた平行平面板にも非球面
を導入してある。これによって、映像表示部による映像
を収差の少ない良い画像にて観察すると共に非球面によ
る影響のない外界の像を重ね合わせて観察出来る。
これら第６、第７実施例のフレネル反射鏡の非球面の
サグ値および、楕円回転面S3,S4のサグ値は、下記の通
りである。
第６実施例及び第７実施例における収差状況は、第12
図及び第13図に示す通りである。
次に、前記第６実施例及び第７実施例において外界の
像が非球面を有する眼側の平行平面板の非球面による見
えがどのようになるかを収差により述べる。
下記のデーターは、第14図に示すような外界側から光
を入射させてから眼までの間の系を示すもので、第６面
として示されている眼の位置に理想レンズを置いてあ
る。
上記データーで、第６実施例は外界側の平行平面板に
は非球面が設けられていないが、第７実施例は眼側の平
行平面板の非球面の非球面量が大であり、そのため外界
像がひずみ、これを補正するための非球面が外界側の平
行平面板に設けられている。この第７実施例の外界側の
平行平面板に設けられた非球面の非球面係数は下記のと
うりである。尚、第４面は、前記第６実施例及び第７実
施例で示した非球面である。
第３面 Ｋ＝０ A2＝7.548915×10-9 A3＝−7.011273×10-9 A4＝1.160533×10-12 上記データーの収差図つまり外界から−0.5ディオプ
ターの位置から光を入射させ外界側平行平面板を通り眼
側平行平面板を通って無収差の理想レンズにより結像さ
せた時の収差図は、第15図乃至第17図に示す通りであ
る。これら収差図のうち第15図は第６実施例において上
記外界からの光による収差、第16図は第７実施例で外界
側の平行平面板に非球面を設けないもの、第17図は第７
実施例で外界側平行平面板に上記非球面係数を有する非
球面を設けたものの収差を示す。
図に示すように、第６実施例では外界の像を見た時あ
まり収差の無い像で観察できる。また第７実施例では眼
側の平行平面板の非球面により収差が大である。しか
し、この第７実施例の外界側の平行平面板に非球面を設
けることにより収差は小になる。
産業上の利用可能性 以上のように本発明のヘッドマウントディスプレー装
置は、小型でバランスのとれた構成であり使用上望まし
い。またその光学系は、色収差が殆どなく色収差以外の
各収差もバランスの良い状態を保ち良好な像での観察が
出来また拡大反射鏡をフレネル反射鏡にすれば良い像を
保ったまま一層高倍率及び小型化出来る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−250113（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−284501（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−181391（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/02 H04N 5/64

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】映像表示手段と、該映像表示手段よりの光
    を透過及び反射させるコンバイナーと、該コンバイナー
    に関し前記映像表示手段と反対側に配置された凹面反射
    鏡と、前記映像表示手段と前記コンバイナーとの間に配
    置された補助レンズとよりなり、前記映像表示手段の画
    像からの光は、前記補助レンズと前記コンバイナーを通
    過し凹面反射鏡にて反射された後に前記コンバイナーに
    て観察者の眼の方向に向けられ、又外界の光は前記コン
    バイナーを透過して観察者の眼の方向に向けられ、映像
    表示手段の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学系
    で、下記条件式（１）と（２）を満足するディスプレー
    用光学系。 0.85≦f/fR≦0.95 （１） 0.65＜d/fR＜0.9 （２） 上記式でｆは光学系全体の焦点距離、fRは凹面反射鏡の
    みの焦点距離、ｄは凹面反射鏡と補助レンズのコンバイ
    ナー側の面の０ディオプター時の間隔である。
  2. 【請求項２】前記凹面反射鏡が次の式（３）で表わされ
    る楕円回転面S1と式（４）で表わされる楕円回転面S2と
    の間に存在する非球面である請求項１のディスプレー用
    光学系。 ここでk1C2＝7.5×10-5 ここでk2C2＝1.0×10-3 尚上記の（３）式、（４）式においてk1,k2は非球面係
    数、Ｃは面の曲率（曲率半径の逆数）であり、長さの単
    位はmmである。
  3. 【請求項３】映像表示手段と、該映像表示手段よりの光
    を透過及び反射させるコンバイナーと、該コンバイナー
    に関し上記映像表示手段と反対側に配置されたフレネル
    反射鏡と、前記映像表示手段と前記コンバイナーとの間
    に配置された補助レンズとよりなり、上記映像表示手段
    の画像からの光は、前記コンバイナーを通過しフレネル
    反射鏡にて反射された後に前記コンバイナーにて観察者
    の眼の方向に向けられ、又外界の光は前記コンバイナー
    を透過して観察者の眼の方向に向けられ、映像表示手段
    の像と外界の像とを重ね合わせ観察する光学系で、下記
    条件式（５）と（６）を満足するディスプレー用光学
    系。 0.85≦f/fR≦1.0 （５） 0.65＜d/fR＜0.95 （６） 上記式でｆは光学系全体の焦点距離、fRはフレネル反射
    鏡のみの焦点距離、ｄはフレネル反射鏡と補助レンズの
    コンバイナー側の面の０ディオプター時の間隔である。
  4. 【請求項４】前記フレネル反射鏡のフレネル面がその面
    を連続単一面に復元した場合に次の式（７）で表わされ
    る楕円回転面S3と式（８）で表わされる楕円回転面S4と
    の間に存在する非球面である請求項３のディスプレー用
    光学系。 ここでk3C2＝−7.5×10-5 ここでk4C2＝−1.0×10-3 尚上記の（７）式、（８）式においてk3,k4は非球面係
    数、Ｃは面の曲率（曲率半径の逆数）であり、長さの単
    位はmmである。
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