JP2001147400A - 画像表示装置 - Google Patents
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Classifications
-
- 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
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】コンパクトな表示光学系が成り立ち、かつディ
ストーション及び諸収差の補正が良好で明るい広画角の
ＨＭＤに好適な画像表示装置を得ること。 【解決手段】画像情報を表示する表示手段、該表示手段
からの光を眼球へ導く光学手段を有し、該光学手段はア
ジムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正の
屈折力を持つプリズム体を有し、該プリズム体の該表示
手段に最も近い面は、アジムス角度により屈折力が異な
り、かつローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所曲
率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で挟
まれていること。
ストーション及び諸収差の補正が良好で明るい広画角の
ＨＭＤに好適な画像表示装置を得ること。 【解決手段】画像情報を表示する表示手段、該表示手段
からの光を眼球へ導く光学手段を有し、該光学手段はア
ジムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正の
屈折力を持つプリズム体を有し、該プリズム体の該表示
手段に最も近い面は、アジムス角度により屈折力が異な
り、かつローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所曲
率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で挟
まれていること。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は画像表示装置に関
し、例えば画像を表示する表示手段として液晶表示素子
に用い、それに表示された画像情報を適切に設定した自
由曲面プリズムを有する表示光学系を介して拡大して広
画角で観察するようにしたヘッドマウントディスプレイ
（以下「ＨＭＤ」と称する。）やメガネ型ディスプレイ
等に好適なものである。
し、例えば画像を表示する表示手段として液晶表示素子
に用い、それに表示された画像情報を適切に設定した自
由曲面プリズムを有する表示光学系を介して拡大して広
画角で観察するようにしたヘッドマウントディスプレイ
（以下「ＨＭＤ」と称する。）やメガネ型ディスプレイ
等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、例えば透明体（プリズム）の
表面に入射面との複数の反射面、そして射出面を設けた
光学素子を用いて、液晶等の画像表示素子に表示した画
像情報を拡大した虚像として観察するようにした頭部装
着型の画像表示装置、所謂ヘッドマウントディスプレイ
が種々と提案されている。
表面に入射面との複数の反射面、そして射出面を設けた
光学素子を用いて、液晶等の画像表示素子に表示した画
像情報を拡大した虚像として観察するようにした頭部装
着型の画像表示装置、所謂ヘッドマウントディスプレイ
が種々と提案されている。
【０００３】例えばこのようなヘッドマウントディスプ
レイ型の画像表示装置として、特に小型化に優れた光学
系の構成が、特開平７−３３３５５１号公報，特開平８
−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報
等で提案されている。
レイ型の画像表示装置として、特に小型化に優れた光学
系の構成が、特開平７−３３３５５１号公報，特開平８
−１７９２３８号公報，特開平８−２３４１３７号公報
等で提案されている。
【０００４】一方、アジムス角度により屈折力が異なる
面（以下自由曲面）を含むプリズム（以下自由曲面プリ
ズム）を用い、広画角化を図ったＨＭＤが、例えば特開
平１０−７５４０７号公報，特開平９−１４６０３７号
公報（特開平１０−２８２４２１号公報）等で提案され
ている。これらで提案されているＨＭＤは自由曲面プリ
ズムとは別体のレンズを眼球と自由曲面プリズムとの間
に入れて表示光学系を構成しており、水平画角で６０度
前後の広画角を有している。
面（以下自由曲面）を含むプリズム（以下自由曲面プリ
ズム）を用い、広画角化を図ったＨＭＤが、例えば特開
平１０−７５４０７号公報，特開平９−１４６０３７号
公報（特開平１０−２８２４２１号公報）等で提案され
ている。これらで提案されているＨＭＤは自由曲面プリ
ズムとは別体のレンズを眼球と自由曲面プリズムとの間
に入れて表示光学系を構成しており、水平画角で６０度
前後の広画角を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来よりＨＭＤ等の画
像表示装置では、装置を観察者の頭部に装着するために
装置全体の小型化、及び軽量化を図ることが重要な課題
となっている。又、表示手段に表示した画像情報を広画
角で良好に観察できることが重要な課題となっている。
像表示装置では、装置を観察者の頭部に装着するために
装置全体の小型化、及び軽量化を図ることが重要な課題
となっている。又、表示手段に表示した画像情報を広画
角で良好に観察できることが重要な課題となっている。
【０００６】特開平１０−７５４０７号公報で提案して
いる表示光学系は眼球と自由曲面プリズムとの間にレン
ズを使用している。このため表示光学系が大きくなり、
外界を観察するシースルー光学系を構成する場合は、眼
球光軸と外界光軸を略一致させ、略ノンパワーのシース
ルー光学系を成り立たせようとすると、３つのプリズム
が必要となり（特開平１０−７５４０７号公報の図１
５）、光学系全体が大きくなる傾向があった。
いる表示光学系は眼球と自由曲面プリズムとの間にレン
ズを使用している。このため表示光学系が大きくなり、
外界を観察するシースルー光学系を構成する場合は、眼
球光軸と外界光軸を略一致させ、略ノンパワーのシース
ルー光学系を成り立たせようとすると、３つのプリズム
が必要となり（特開平１０−７５４０７号公報の図１
５）、光学系全体が大きくなる傾向があった。
【０００７】また光路図より明らかなように表示光学系
のディストーションが大きくなる傾向があった。
のディストーションが大きくなる傾向があった。
【０００８】本発明は、コンパクトな表示光学系が成り
立ち、かつディストーション及び諸収差の補正が良好な
広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置の提供を目的とす
る。
立ち、かつディストーション及び諸収差の補正が良好な
広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置の提供を目的とす
る。
【０００９】この他本発明は、液晶ディスプレイなどの
表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段か
らの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲面プリ
ズム体を含む表示光学系の構成を適切に設定することに
よって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロスを減ら
し、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察すること
ができる画像表示装置の提供を目的とする。
表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示手段か
らの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲面プリ
ズム体を含む表示光学系の構成を適切に設定することに
よって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロスを減ら
し、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察すること
ができる画像表示装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の画像表
示装置は、画像情報を表示する表示手段、該表示手段か
らの光を眼球へ導く光学手段を有し、該光学手段はアジ
ムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正の屈
折力を持つプリズム体を有し、該プリズム体の該表示手
段にもっとも近い面は、アジムス角度により屈折力が異
なり、かつローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所
曲率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で
挟まれていることを特徴としている。
示装置は、画像情報を表示する表示手段、該表示手段か
らの光を眼球へ導く光学手段を有し、該光学手段はアジ
ムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正の屈
折力を持つプリズム体を有し、該プリズム体の該表示手
段にもっとも近い面は、アジムス角度により屈折力が異
なり、かつローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所
曲率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で
挟まれていることを特徴としている。
【００１１】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記プリズム体は、眼球にもっとも近い面より光の
通過と逆方向に、透過面、反射面、反射面の順序で配置
され、該プリズム体の各面と基準光線のヒットポイント
上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球側より光の
通過と逆方向に、負の透過面、正の反射面、負の反射面
の順序で配置されることを特徴としている。
て、前記プリズム体は、眼球にもっとも近い面より光の
通過と逆方向に、透過面、反射面、反射面の順序で配置
され、該プリズム体の各面と基準光線のヒットポイント
上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球側より光の
通過と逆方向に、負の透過面、正の反射面、負の反射面
の順序で配置されることを特徴としている。
【００１２】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記プリズム体の材質の屈折率をＮｄとしたと
き １．５４ ＜Ｎｄ＜１．８５ を満足することを特徴としている。
おいて、前記プリズム体の材質の屈折率をＮｄとしたと
き １．５４ ＜Ｎｄ＜１．８５ を満足することを特徴としている。
【００１３】請求項４の発明は請求項２又は３の発明に
おいて、基準光線と前記プリズム体のもっとも眼球に近
い面とのヒットポイント上での、ローカル母線断面上の
該面の接線と基準光線とのなす角度をαとしたとき、 ７０°＜ α ＜９５° を満足することを特徴としている。
おいて、基準光線と前記プリズム体のもっとも眼球に近
い面とのヒットポイント上での、ローカル母線断面上の
該面の接線と基準光線とのなす角度をαとしたとき、 ７０°＜ α ＜９５° を満足することを特徴としている。
【００１４】請求項５の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記プリズム体は、前記表示手段にもっと
も近い面より順に、透過面、反射面、反射面の順序で配
置され、該表示手段のローカル母線断面上での最周辺画
像のうち、眼球より遠い方側の最周辺画像と眼球中心と
を通る光線が、該プリズム体の各面のヒットポイントで
のローカル母線断面上の屈折力が、該表示手段側より順
に、負の透過面、正の反射面、正の反射面の順序で配置
されることを特徴としている。
明において、前記プリズム体は、前記表示手段にもっと
も近い面より順に、透過面、反射面、反射面の順序で配
置され、該表示手段のローカル母線断面上での最周辺画
像のうち、眼球より遠い方側の最周辺画像と眼球中心と
を通る光線が、該プリズム体の各面のヒットポイントで
のローカル母線断面上の屈折力が、該表示手段側より順
に、負の透過面、正の反射面、正の反射面の順序で配置
されることを特徴としている。
【００１５】請求項６の発明は請求項５の発明におい
て、眼球にもっとも近い面は、透過作用と反射作用の両
作用を持つ面であることを特徴としている。
て、眼球にもっとも近い面は、透過作用と反射作用の両
作用を持つ面であることを特徴としている。
【００１６】請求項７の発明の画像表示装置は、画像情
報を表示する表示手段、該表示手段からの光を眼球へ導
く光学手段、外界の光を眼球へ導くシースルー手段を有
し、該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる
面を２面以上含み、異なる３面以上の面から構成された
正の屈折力を持つプリズム体を有し、該シースルー手段
は、補正プリズムを該光学手段中のプリズム体に隣接も
しくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面
とし、光学的屈折力がほとんどなく、かつ眼球光軸と外
界光軸を略一致させて構成しており、該シースルー手段
のもっとも外界側の面は偏心曲面で、該シースルー手段
のもっとも眼球側の面とは異なる形状をした、アジムス
角度により屈折力が異なる面であり、該シースルー手段
のもっとも外界側の該偏心曲面と基準光線のヒットポイ
ント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ_ｒｙとロ
ーカル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒｘが ｜ｌ_ｒｘ｜＜｜ｌ_ｒｙ｜ の条件を満足することを特徴としている。
報を表示する表示手段、該表示手段からの光を眼球へ導
く光学手段、外界の光を眼球へ導くシースルー手段を有
し、該光学手段は、アジムス角度により屈折力が異なる
面を２面以上含み、異なる３面以上の面から構成された
正の屈折力を持つプリズム体を有し、該シースルー手段
は、補正プリズムを該光学手段中のプリズム体に隣接も
しくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面
とし、光学的屈折力がほとんどなく、かつ眼球光軸と外
界光軸を略一致させて構成しており、該シースルー手段
のもっとも外界側の面は偏心曲面で、該シースルー手段
のもっとも眼球側の面とは異なる形状をした、アジムス
角度により屈折力が異なる面であり、該シースルー手段
のもっとも外界側の該偏心曲面と基準光線のヒットポイ
ント上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ_ｒｙとロ
ーカル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒｘが ｜ｌ_ｒｘ｜＜｜ｌ_ｒｙ｜ の条件を満足することを特徴としている。
【００１７】請求項８の発明は請求項７の発明におい
て、前記補正プリズムは前記プリズム体の外界側に配置
されることを特徴としている。
て、前記補正プリズムは前記プリズム体の外界側に配置
されることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は本発明の基本となる画像表
示装置の要部概略図である。図１において１はオリジナ
ル画像となる文字や絵等の映像表示のなされる表示手段
であり、例えば公知の液晶（ＬＣＤ）で構成される。２
は表示手段１からの光を観察者の目（瞳）７へ導光させ
るための結像作用をする正の屈折力のプリズム体（自由
曲面プリズム体）である。表示手段１からの光はプリズ
ム体２の入射面３に入射し、次に臨界角以上の角度で入
射し、全反射する面４と凹面５で反射され、今度は面４
に臨界角以下の入射角度で入射し、面４より射出し、目
７に導かれる。
示装置の要部概略図である。図１において１はオリジナ
ル画像となる文字や絵等の映像表示のなされる表示手段
であり、例えば公知の液晶（ＬＣＤ）で構成される。２
は表示手段１からの光を観察者の目（瞳）７へ導光させ
るための結像作用をする正の屈折力のプリズム体（自由
曲面プリズム体）である。表示手段１からの光はプリズ
ム体２の入射面３に入射し、次に臨界角以上の角度で入
射し、全反射する面４と凹面５で反射され、今度は面４
に臨界角以下の入射角度で入射し、面４より射出し、目
７に導かれる。
【００１９】プリズム体２の入射面３、面４、凹面５の
３面に自由曲面を使用し、偏心収差を小さく抑制してい
る。また面４において反射コート（アルミ蒸着１００％
反射）した領域９以外では、入射光がすべて臨界角条件
により透過面と反射面の両作用を満足するよう曲面を設
定し、これによって面４の全面で光量ロスがなく明るい
表示光学系を達成している。
３面に自由曲面を使用し、偏心収差を小さく抑制してい
る。また面４において反射コート（アルミ蒸着１００％
反射）した領域９以外では、入射光がすべて臨界角条件
により透過面と反射面の両作用を満足するよう曲面を設
定し、これによって面４の全面で光量ロスがなく明るい
表示光学系を達成している。
【００２０】表示手段１に表示した画像情報をプリズム
体２を介して拡大した虚像として瞳位置７より観察して
いる。
体２を介して拡大した虚像として瞳位置７より観察して
いる。
【００２１】ここでプリズム体２は表示光学系の一要素
を構成している。図１の画像表示装置を表示手段１で表
示した画像情報のみを観察する観察装置として用いると
きはプリズム体２の凹面５は、ＡｌやＡｇ等を蒸着した
鏡面反射面として用いている。
を構成している。図１の画像表示装置を表示手段１で表
示した画像情報のみを観察する観察装置として用いると
きはプリズム体２の凹面５は、ＡｌやＡｇ等を蒸着した
鏡面反射面として用いている。
【００２２】尚、本実施形態においてプリズム体２とし
ては反射を２度利用しているが２度以上の反射を用いた
構成としても良い。
ては反射を２度利用しているが２度以上の反射を用いた
構成としても良い。
【００２３】又、後述するシースルー光学系（表示手段
の画像情報と外界の画像情報の双方が観察できる光学
系）として用いるときは凹面５はハーフミラー面とし、
外界からの光束を直接、凹面５から導入しても良く、又
図１に示すように補正用プリズム体６を用いて、プリズ
ム体６とプリズム体２を通過した光束を用いるようにし
ても良い。
の画像情報と外界の画像情報の双方が観察できる光学
系）として用いるときは凹面５はハーフミラー面とし、
外界からの光束を直接、凹面５から導入しても良く、又
図１に示すように補正用プリズム体６を用いて、プリズ
ム体６とプリズム体２を通過した光束を用いるようにし
ても良い。
【００２４】本実施形態の画像表示装置を表示手段１で
表示した画像情報を外界の画像情報と共に観察するシー
スルー系として用いるときには、補正用のプリズム体６
を用いている。
表示した画像情報を外界の画像情報と共に観察するシー
スルー系として用いるときには、補正用のプリズム体６
を用いている。
【００２５】プリズム体６は、プリズム体２の凹面５と
同形状の面６ａと平面又は非球面又は自由曲面より成る
光入射面６ｂとを有している。
同形状の面６ａと平面又は非球面又は自由曲面より成る
光入射面６ｂとを有している。
【００２６】プリズム体２の凹面５とプリズム体６の面
６ａはハーフミラー面より成っている。
６ａはハーフミラー面より成っている。
【００２７】外界の物体（不図示）からの光束はプリズ
ム体６の光入射面６ｂより入射し、面６ａ，凹面５，そ
して面４を通過し、観察者の瞳７に入射している。
ム体６の光入射面６ｂより入射し、面６ａ，凹面５，そ
して面４を通過し、観察者の瞳７に入射している。
【００２８】図１の画像表示装置において、観察者は表
示手段１で表示した画像情報と外界の物体の双方を同一
視野で観察することができる。
示手段１で表示した画像情報と外界の物体の双方を同一
視野で観察することができる。
【００２９】尚、本実施形態においては図２に示すよう
に表示手段１とプリズム体２の入射面３との間にフィー
ルドレンズ１１を配置しても良い。これによれば表示手
段１からの光束を眼球７に効率的に導光することができ
る。
に表示手段１とプリズム体２の入射面３との間にフィー
ルドレンズ１１を配置しても良い。これによれば表示手
段１からの光束を眼球７に効率的に導光することができ
る。
【００３０】次に本発明の画像表示装置の実施形態の特
徴について説明する。本実施形態では、眼球７と自由曲
面プリズム体２との間に別体のレンズを入れず、自由曲
面プリズム体２と比較的大きな液晶（対角約１インチ以
上）を用い、ＶＲ（バーチャルリアリティ）・ＭＲ（ミ
ックストリアリティ）の分野で最低限必要な水平画角５
０度（アスペクト比 水平４：垂直３）を確保しなが
ら、良好な光学性能でシースルー光学系が可能なコンパ
クトなＨＭＤを達成できるようにしている。
徴について説明する。本実施形態では、眼球７と自由曲
面プリズム体２との間に別体のレンズを入れず、自由曲
面プリズム体２と比較的大きな液晶（対角約１インチ以
上）を用い、ＶＲ（バーチャルリアリティ）・ＭＲ（ミ
ックストリアリティ）の分野で最低限必要な水平画角５
０度（アスペクト比 水平４：垂直３）を確保しなが
ら、良好な光学性能でシースルー光学系が可能なコンパ
クトなＨＭＤを達成できるようにしている。
【００３１】まず、本発明で使用される母線断面、子線
断面、基準光線、ローカル母線断面、ローカル子線断面
の定義について説明する。従来の光学系の定義では、各
面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の
母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面
（サジタル断面）としている。しかし偏心光学系では面
頂点が実際の面内に存在しない場合（軸はずし）もあ
り、この定義は有効でない。
断面、基準光線、ローカル母線断面、ローカル子線断面
の定義について説明する。従来の光学系の定義では、各
面頂点座標系でｚ軸を光軸とすると、ｙｚ断面が従来の
母線断面（メリジオナル断面）、ｘｚ断面が子線断面
（サジタル断面）としている。しかし偏心光学系では面
頂点が実際の面内に存在しない場合（軸はずし）もあ
り、この定義は有効でない。
【００３２】本発明は偏心系なので偏心系に対応したロ
ーカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
表示手段１の画像中心（シースルーのときは外界画像中
心）と眼球７の中心を通る光線（以下、基準光線）と各
面との交点、所謂ヒットポイント上で、基準光線の入射
光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポ
イントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標
系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル
子線断面として定義して、以下に本発明の特徴を記述す
る。
ーカル母線断面、ローカル子線断面を新たに定義する。
表示手段１の画像中心（シースルーのときは外界画像中
心）と眼球７の中心を通る光線（以下、基準光線）と各
面との交点、所謂ヒットポイント上で、基準光線の入射
光と射出光を含む面をローカル母線断面とし、ヒットポ
イントを含みローカル母線断面と垂直で、各面頂点座標
系の子線断面（通常の子線断面）と平行な面をローカル
子線断面として定義して、以下に本発明の特徴を記述す
る。
【００３３】本実施形態の画像表示装置は画像情報を表
示する表示手段１、該表示手段の光を眼球７へ導く光学
手段を有し、該光学手段はアジムス角度により屈折力が
異なる面を３面以上含む正の屈折力を持つプリズム体２
を有し、該プリズム体２の該表示手段１にもっとも近い
プリズム面３は、アジムス角度により屈折力が異なる面
であり、ローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所曲
率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で挟
まれていることを特徴とする。
示する表示手段１、該表示手段の光を眼球７へ導く光学
手段を有し、該光学手段はアジムス角度により屈折力が
異なる面を３面以上含む正の屈折力を持つプリズム体２
を有し、該プリズム体２の該表示手段１にもっとも近い
プリズム面３は、アジムス角度により屈折力が異なる面
であり、ローカル母線断面上で正の屈折力を持つ局所曲
率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領域で挟
まれていることを特徴とする。
【００３４】表示手段１である液晶の画像を正の屈折力
をもつ自由曲面プリズム体２で拡大して観察するが、広
画角になればなるほど周辺のディストーション及び諸収
差（回転対称な一般収差、偏心収差）の補正は難しくな
る。
をもつ自由曲面プリズム体２で拡大して観察するが、広
画角になればなるほど周辺のディストーション及び諸収
差（回転対称な一般収差、偏心収差）の補正は難しくな
る。
【００３５】そこで本発明に係る自由曲面プリズム体２
では、プリズムのメインパワーを持つ面（図１の凹面
５）に自由曲面を採用して、メインパワー面での偏心収
差の発生を少なくする。
では、プリズムのメインパワーを持つ面（図１の凹面
５）に自由曲面を採用して、メインパワー面での偏心収
差の発生を少なくする。
【００３６】メインパワー面で補正しきれなかった偏心
収差は、メインパワー面に近い他の面（図１の面４）を
自由曲面化して収差がキャンセルするような面形状にし
て補正する。これだけでもある程度の収差補正は可能で
あるが、全体収差のバランスがとれない。
収差は、メインパワー面に近い他の面（図１の面４）を
自由曲面化して収差がキャンセルするような面形状にし
て補正する。これだけでもある程度の収差補正は可能で
あるが、全体収差のバランスがとれない。
【００３７】そこで表示手段（ＬＣＤ１）近傍のプリズ
ム面（図１の入射面３）を自由曲面化して全体収差のバ
ランスをとっている。
ム面（図１の入射面３）を自由曲面化して全体収差のバ
ランスをとっている。
【００３８】特に広画角になる程、全体収差のバランス
をとることが難しくなる。表示手段に１番近い入射面３
では図１のように各画角の光線が重ならないため、この
面を自由曲面にすると各画角ごとに独立した収差補正が
可能であり、全体収差のバランスをとることが容易とな
る。
をとることが難しくなる。表示手段に１番近い入射面３
では図１のように各画角の光線が重ならないため、この
面を自由曲面にすると各画角ごとに独立した収差補正が
可能であり、全体収差のバランスをとることが容易とな
る。
【００３９】表示手段１にもっとも近いプリズム面３を
上記のような局所曲率半径の特徴を満たす面形状にして
広画角にしても全系の偏心ディストーションの発生が少
なく、全体収差のバランスもよく、液晶またはフィール
ドレンズと自由曲面プリズム体２との間の距離（以下、
ワーキングディスタンス）も比較的確保しやすくしてい
る。
上記のような局所曲率半径の特徴を満たす面形状にして
広画角にしても全系の偏心ディストーションの発生が少
なく、全体収差のバランスもよく、液晶またはフィール
ドレンズと自由曲面プリズム体２との間の距離（以下、
ワーキングディスタンス）も比較的確保しやすくしてい
る。
【００４０】特にローカル母線断面上の周辺の負の屈折
力領域は、偏心ディストーションを良好にし、ローカル
母線断面上の中心付近の正の屈折力領域は、ワーキング
ディスタンスを確保している。
力領域は、偏心ディストーションを良好にし、ローカル
母線断面上の中心付近の正の屈折力領域は、ワーキング
ディスタンスを確保している。
【００４１】次にプリズム体２の特徴について説明す
る。該プリズム体２は、眼球７にもっとも近い面より光
の通過とは逆に、透過面４、反射面５、反射面４、透過
面３で配置されている。該プリズム面と基準光線のヒッ
トポイント上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球
側より順に、負の透過面４、正の反射面５、負の反射面
４の順序で配置されることを特徴とする。
る。該プリズム体２は、眼球７にもっとも近い面より光
の通過とは逆に、透過面４、反射面５、反射面４、透過
面３で配置されている。該プリズム面と基準光線のヒッ
トポイント上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球
側より順に、負の透過面４、正の反射面５、負の反射面
４の順序で配置されることを特徴とする。
【００４２】本発明は、表示手段（液晶）１からのプリ
ズム体２に入った光は上記の２つの反射面（図１では凹
面５と面４）によりローカル母線断面上で折り畳めら
れ、プリズム体２の透過面４を射出し眼球７に導きかれ
る。この光線の折り畳みにより薄いプリズム体が達成さ
れているが、ローカル母線断面上でプリズム面が偏心し
ているため、一般収差（回転対称）よりも偏心収差の補
正が大きいため、上記局所曲率半径の条件を採用して解
決している。
ズム体２に入った光は上記の２つの反射面（図１では凹
面５と面４）によりローカル母線断面上で折り畳めら
れ、プリズム体２の透過面４を射出し眼球７に導きかれ
る。この光線の折り畳みにより薄いプリズム体が達成さ
れているが、ローカル母線断面上でプリズム面が偏心し
ているため、一般収差（回転対称）よりも偏心収差の補
正が大きいため、上記局所曲率半径の条件を採用して解
決している。
【００４３】しかしローカル子線断面上は偏心収差発生
が少ないため、別の収差補正が必要である。そこで各プ
リズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子
線断面上の屈折力を、眼球側から、対称性のある負，
正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー
配置にして、表示手段の画像中心付近のローカル子線断
面上での一般収差（回転対称）を良好に補正している。
が少ないため、別の収差補正が必要である。そこで各プ
リズム面と基準光線のヒットポイント上でのローカル子
線断面上の屈折力を、眼球側から、対称性のある負，
正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー
配置にして、表示手段の画像中心付近のローカル子線断
面上での一般収差（回転対称）を良好に補正している。
【００４４】またプリズム体の材質の屈折率Ｎｄについ
ては、下記の条件式を満たすのが良い。
ては、下記の条件式を満たすのが良い。
【００４５】 １．５４＜Ｎｄ＜１．８５ ‥‥‥（１） 条件式（１）の下限値を下回ると、ＬＣＤ１またはフィ
ールドレンズと自由曲面プリズム体２とのワーキングデ
ィスタンスが十分確保できなくなる。又上限値を上回る
と材料（ガラス、プラスチック）が特殊材料になるた
め、自由曲面プリズム体の製造が難しくなる。
ールドレンズと自由曲面プリズム体２とのワーキングデ
ィスタンスが十分確保できなくなる。又上限値を上回る
と材料（ガラス、プラスチック）が特殊材料になるた
め、自由曲面プリズム体の製造が難しくなる。
【００４６】また基準光線と該プリズム体２のもっとも
眼球７に近い透過面４とのヒットポイント上での、ロー
カル母線断面上の該透過面の接線と基準光線とのなす角
度をαとした時、下記の条件式を満たすのが良い。
眼球７に近い透過面４とのヒットポイント上での、ロー
カル母線断面上の該透過面の接線と基準光線とのなす角
度をαとした時、下記の条件式を満たすのが良い。
【００４７】７０°＜ α ＜９５° ‥‥‥（２） 条件式（２）は、プリズム体２のもっとも眼球に近い透
過面が全反射する面４であり、全反射する面４のチルト
偏心量に関するものであり、下限値を下回るとプリズム
厚が厚くなり、特にシースルー光学系を付加させた時、
光学系が外界側に出っ張り大型化する。上限値を上回る
と面４が外界側にチルト偏心し、凹面５のチルト偏心量
も大きくなるため、偏心収差発生が大きくなり補正が難
しくなる。
過面が全反射する面４であり、全反射する面４のチルト
偏心量に関するものであり、下限値を下回るとプリズム
厚が厚くなり、特にシースルー光学系を付加させた時、
光学系が外界側に出っ張り大型化する。上限値を上回る
と面４が外界側にチルト偏心し、凹面５のチルト偏心量
も大きくなるため、偏心収差発生が大きくなり補正が難
しくなる。
【００４８】また自由曲面プリズム体２は、表示手段１
にもっとも近い面３より順に、透過面３、反射面４、反
射面５、そして透過面４の順序で配置され、該表示手段
１のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球７
より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線
が、該プリズム面をヒットするポイントでのローカル母
線断面上の屈折力が、表示手段１側より光の通過順に、
負の透過面、正の反射面、正の反射面、そして透過面の
順序で配置されている。
にもっとも近い面３より順に、透過面３、反射面４、反
射面５、そして透過面４の順序で配置され、該表示手段
１のローカル母線断面上での最周辺画像のうち、眼球７
より遠いほう側の最周辺画像と眼球中心とを通る光線
が、該プリズム面をヒットするポイントでのローカル母
線断面上の屈折力が、表示手段１側より光の通過順に、
負の透過面、正の反射面、正の反射面、そして透過面の
順序で配置されている。
【００４９】本発明では表示手段（液晶）１からの光が
プリズム体２の入射面３を透過し、面４で全反射し、凹
面５で反射され面４を通過する。このような自由曲面プ
リズム体２を使ったＨＭＤでは、図１のＬＣＤ１のロー
カル母線断面上の下側（Ｆ３）の部分の位置がＨＭＤの
厚さに大きな影響を与える。
プリズム体２の入射面３を透過し、面４で全反射し、凹
面５で反射され面４を通過する。このような自由曲面プ
リズム体２を使ったＨＭＤでは、図１のＬＣＤ１のロー
カル母線断面上の下側（Ｆ３）の部分の位置がＨＭＤの
厚さに大きな影響を与える。
【００５０】ＬＣＤ１のローカル母線断面上での最周辺
画像（Ｆ３）から発する光線において、プリズム面に上
記のようなパワーを持たせると、ＬＣＤが外界側に出っ
張らないのでＨＭＤを薄くすることができる。
画像（Ｆ３）から発する光線において、プリズム面に上
記のようなパワーを持たせると、ＬＣＤが外界側に出っ
張らないのでＨＭＤを薄くすることができる。
【００５１】最周辺画像（Ｆ３）から発する光線は、上
記入射面３、面４、凹面５を経て、面４を臨界角度以下
で入射して透過する。この時ＬＣＤ１の最周辺画像Ｆ３
の位置と眼球７の中心とを通る光線が、面４を透過する
時のヒットポイント上でのローカル母線断面上の屈折力
を正となるようにしている。これによって最周辺画像
（Ｆ３）の収差も十分補正できるようにしている。
記入射面３、面４、凹面５を経て、面４を臨界角度以下
で入射して透過する。この時ＬＣＤ１の最周辺画像Ｆ３
の位置と眼球７の中心とを通る光線が、面４を透過する
時のヒットポイント上でのローカル母線断面上の屈折力
を正となるようにしている。これによって最周辺画像
（Ｆ３）の収差も十分補正できるようにしている。
【００５２】また眼球７にもっとも近い透過面４は、透
過作用と全反射作用の両作用を持つ面である。
過作用と全反射作用の両作用を持つ面である。
【００５３】この面は全反射する面４であり、臨界角条
件により透過作用と全反射作用の両作用を使い分け、光
の原理的なロスをなくして明るい光学系を達成してい
る。
件により透過作用と全反射作用の両作用を使い分け、光
の原理的なロスをなくして明るい光学系を達成してい
る。
【００５４】本発明の画像表示装置をシースルー光学系
として使用する構成は以下の通りである。画像情報を表
示する表示手段１、該表示手段１からの光を眼球７へ導
く光学手段２、外界の光を眼球７へ導くシースルー光学
系を有している。
として使用する構成は以下の通りである。画像情報を表
示する表示手段１、該表示手段１からの光を眼球７へ導
く光学手段２、外界の光を眼球７へ導くシースルー光学
系を有している。
【００５５】ここで該光学手段は、アジムス角度により
屈折力が異なる面（自由曲面）を２面以上含み、異なる
３面以上の光学面から構成された正の屈折力を持つプリ
ズム体２を有している。該シースルー光学系は、別体の
補正プリズム６を該光学手段中のプリズム体２に隣接も
しくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面
とし、シースルー光学系の光学的屈折力はほとんどな
く、眼球光軸と外界光軸を略一致させて構成している。
屈折力が異なる面（自由曲面）を２面以上含み、異なる
３面以上の光学面から構成された正の屈折力を持つプリ
ズム体２を有している。該シースルー光学系は、別体の
補正プリズム６を該光学手段中のプリズム体２に隣接も
しくは接合させ、隣接面もしくは接合面を部分的透過面
とし、シースルー光学系の光学的屈折力はほとんどな
く、眼球光軸と外界光軸を略一致させて構成している。
【００５６】シースルー光学系のもっとも外界側の偏心
曲面６ｂは、シースルー光学系のもっとも眼球側の曲面
４とは異なる面形状をした、アジムス角度により屈折力
が異なる面である。このときシースルー光学系のもっと
も外界側の該偏心曲面６ｂと基準光線のヒットポイント
上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ_ｒｙとローカ
ル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒｘが以下の条件式を満た
すのが良い。
曲面６ｂは、シースルー光学系のもっとも眼球側の曲面
４とは異なる面形状をした、アジムス角度により屈折力
が異なる面である。このときシースルー光学系のもっと
も外界側の該偏心曲面６ｂと基準光線のヒットポイント
上でのローカル母線断面上の曲率半径ｌ_ｒｙとローカ
ル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒｘが以下の条件式を満た
すのが良い。
【００５７】 ｜ｌ_ｒｘ｜＜｜ｌ_ｒｙ｜ ‥‥‥（３） 条件式（３）は該プリズム体２が自由曲面を採用した
時、最低２面以上ないと自由曲面プリズム体のローカル
母線断面とローカル子線断面の焦点距離をほぼ等しくす
ることができないため２面以上としている。
時、最低２面以上ないと自由曲面プリズム体のローカル
母線断面とローカル子線断面の焦点距離をほぼ等しくす
ることができないため２面以上としている。
【００５８】そしてシースルー光学系を形成する場合、
図１のような補正プリズム６を、自由曲面プリズム体２
の凹面５に隣接もしくは接合させ、凹面５をハーフミラ
ーとし、補正プリズム６の外界の面６ｂは、シースルー
光学系の光学的屈折力がほぼノンパワーになるように、
かつ眼球光軸と外界光軸が略一致するように設定してい
る。
図１のような補正プリズム６を、自由曲面プリズム体２
の凹面５に隣接もしくは接合させ、凹面５をハーフミラ
ーとし、補正プリズム６の外界の面６ｂは、シースルー
光学系の光学的屈折力がほぼノンパワーになるように、
かつ眼球光軸と外界光軸が略一致するように設定してい
る。
【００５９】このとき面６ｂを、シースルー光学系の収
差発生を抑制するために、シースルー光学系のもっとも
眼球側の面４の面形状とは違った面形状にしている。
差発生を抑制するために、シースルー光学系のもっとも
眼球側の面４の面形状とは違った面形状にしている。
【００６０】さらに補正プリズム６の外界側の面６ｂは
自由曲面であり、ローカル母線断面上の曲率を、ローカ
ル子線断面上の曲率よりゆるく設定することにより、シ
ースルー光学系のローカル母線断面上で発生する偏心収
差を少なくしている。またシースルー光学系のもっとも
眼球側の曲面４も同じように自由曲面とし、ローカル母
線断面上の曲率をローカル子線断面上の曲率よりゆるく
設定して、シースルー光学系の収差がローカル母線断面
・ローカル子線断面ともにキャンセルされ、かつシース
ルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と全系ローカ
ル子線断面屈折力をともにノンパワーにしている。
自由曲面であり、ローカル母線断面上の曲率を、ローカ
ル子線断面上の曲率よりゆるく設定することにより、シ
ースルー光学系のローカル母線断面上で発生する偏心収
差を少なくしている。またシースルー光学系のもっとも
眼球側の曲面４も同じように自由曲面とし、ローカル母
線断面上の曲率をローカル子線断面上の曲率よりゆるく
設定して、シースルー光学系の収差がローカル母線断面
・ローカル子線断面ともにキャンセルされ、かつシース
ルー光学系の全系ローカル母線断面屈折力と全系ローカ
ル子線断面屈折力をともにノンパワーにしている。
【００６１】該補正プリズム６は該プリズム体２の外界
側に配置している。これによって、仮に補正プリズム６
を取りはずしたとしても、自由曲面プリズム体２だけで
十分に表示光学系がそのまま成り立つようにしている。
又、表示光学系を単独に作製しておいて、後で補正プリ
ズムを外界側に付加して簡単にシースルー光学系が形成
できるようにしている。
側に配置している。これによって、仮に補正プリズム６
を取りはずしたとしても、自由曲面プリズム体２だけで
十分に表示光学系がそのまま成り立つようにしている。
又、表示光学系を単独に作製しておいて、後で補正プリ
ズムを外界側に付加して簡単にシースルー光学系が形成
できるようにしている。
【００６２】透過作用と全反射作用の両作用を持つ全反
射面を含む正の屈折力を持つプリズム体２において、該
全反射面内の透過作用領域以外の領域の１部に反射コー
ティングし、該反射コーティング領域（１００％反射）
と透過作用領域の間の領域は、透過作用領域に近づくに
つれて反射率が徐々に低下するコーティングをしても良
い。このような構成は特開平９−２６５０４８号公報に
記述がある。
射面を含む正の屈折力を持つプリズム体２において、該
全反射面内の透過作用領域以外の領域の１部に反射コー
ティングし、該反射コーティング領域（１００％反射）
と透過作用領域の間の領域は、透過作用領域に近づくに
つれて反射率が徐々に低下するコーティングをしても良
い。このような構成は特開平９−２６５０４８号公報に
記述がある。
【００６３】これは反射コーティング領域と透過作用領
域の境界が見えてしまい好ましくないため、境界を反射
率が徐々に低下するコーティングにして見えなくするも
のである。しかし特開平９−２６５０４８号公報で提案
されている構成では反射コーティング領域と透過作用領
域との間がほとんどなく、その間の領域に透過作用領域
に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティング
を実際はつけるとできない。
域の境界が見えてしまい好ましくないため、境界を反射
率が徐々に低下するコーティングにして見えなくするも
のである。しかし特開平９−２６５０４８号公報で提案
されている構成では反射コーティング領域と透過作用領
域との間がほとんどなく、その間の領域に透過作用領域
に近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティング
を実際はつけるとできない。
【００６４】そこで本発明では、図１のように全反射面
のローカル母線断面において、透過作用領域以外の領域
のうちＬＣＤに近い側約２／３の領域９を反射コーティ
ングを施し、残り約１／３の領域１０を透過作用領域に
近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングを
施している。
のローカル母線断面において、透過作用領域以外の領域
のうちＬＣＤに近い側約２／３の領域９を反射コーティ
ングを施し、残り約１／３の領域１０を透過作用領域に
近づくにつれて反射率が徐々に低下するコーティングを
施している。
【００６５】こうすることにより反射率が徐々に低下す
るコーティングをつけることができるようにしている。
なお反射コーティングする領域９及び反射率が徐々に低
下するコーティングする領域１０は、ともにアルミニウ
ムのような金属ミラーを使用すると色付きがなく好まし
い。
るコーティングをつけることができるようにしている。
なお反射コーティングする領域９及び反射率が徐々に低
下するコーティングする領域１０は、ともにアルミニウ
ムのような金属ミラーを使用すると色付きがなく好まし
い。
【００６６】本実施形態では全反射する面のうちの該反
射コーティングする領域９に入射する光線の１部の光線
は臨界角以下で入射している。これは自由曲面プリズム
体２の面４で、すべての光線を臨界角以上で入射させ
て、全反射させ光量ロスをなくし、広画角化を行なうと
すると、画面上部の残像収差が大きくなる。
射コーティングする領域９に入射する光線の１部の光線
は臨界角以下で入射している。これは自由曲面プリズム
体２の面４で、すべての光線を臨界角以上で入射させ
て、全反射させ光量ロスをなくし、広画角化を行なうと
すると、画面上部の残像収差が大きくなる。
【００６７】そこで本発明は面４の上部の領域９を反射
コーティングして、臨界角以下で光を入射させて反射す
るようにし、面４の下部は従来のように全反射させてい
る。
コーティングして、臨界角以下で光を入射させて反射す
るようにし、面４の下部は従来のように全反射させてい
る。
【００６８】これにより光のロスも少なく、面４の上部
での面形状制限もなくなり、設計自由度が増え画面上部
付近の収差を低減することができるようにしている。
での面形状制限もなくなり、設計自由度が増え画面上部
付近の収差を低減することができるようにしている。
【００６９】各プリズム面と基準光線のヒットポイント
上でのローカル母線断面上の屈折力が、ＬＣＤ１にもっ
とも近いプリズム面（入射面３）より正、次の反射面
（全反射面４）が負、さらに次の反射面（凹面鏡５）が
正であるようにしている。
上でのローカル母線断面上の屈折力が、ＬＣＤ１にもっ
とも近いプリズム面（入射面３）より正、次の反射面
（全反射面４）が負、さらに次の反射面（凹面鏡５）が
正であるようにしている。
【００７０】こうすると正の凹面鏡５で発生した偏心収
差を、負の全反射面４でキャンセルさせ、正の入射面３
でワーキングディスタンスを確保する役目をする。また
プリズム体２を射出する時の透過面（全反射面）４と基
準光線のヒットポイント上でローカル母線断面屈折力は
正であるようにしている。
差を、負の全反射面４でキャンセルさせ、正の入射面３
でワーキングディスタンスを確保する役目をする。また
プリズム体２を射出する時の透過面（全反射面）４と基
準光線のヒットポイント上でローカル母線断面屈折力は
正であるようにしている。
【００７１】これは凹面鏡５が全プリズム面の内、もっ
とも強い正の屈折力をもちチルト偏心しているため、収
差の発生が大きい。
とも強い正の屈折力をもちチルト偏心しているため、収
差の発生が大きい。
【００７２】そこでチルト偏心が比較的少ない面４の透
過部分に正のパワーを分担させて、凹面鏡の負担を減ら
し、良好な光学性能を得ている。
過部分に正のパワーを分担させて、凹面鏡の負担を減ら
し、良好な光学性能を得ている。
【００７３】各プリズム面と基準光線のヒットポイント
上でのローカル子線断面における屈折力については前述
したが、ＬＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）と
下側（Ｆ３）の画像についても同様のことが言える。Ｌ
ＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ
３）の画像と眼球中心を通る光線が、各プリズム面をヒ
ットするポイントでのローカル子線断面と平行な断面上
の屈折力が、眼球７側より順に、負の透過面４、正の反
射面５、負の反射面４そして透過面３の順序で配置され
ている。
上でのローカル子線断面における屈折力については前述
したが、ＬＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）と
下側（Ｆ３）の画像についても同様のことが言える。Ｌ
ＣＤ１のローカル母線断面の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ
３）の画像と眼球中心を通る光線が、各プリズム面をヒ
ットするポイントでのローカル子線断面と平行な断面上
の屈折力が、眼球７側より順に、負の透過面４、正の反
射面５、負の反射面４そして透過面３の順序で配置され
ている。
【００７４】こうすると表示手段１のローカル母線断面
上の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ３）の画像を通る光線が
各プリズム面をヒットするポイント上のローカル子線断
面と平行な断面上で、眼球７側から対称性のある負，
正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー
配置になり、表示手段１の画像上部付近及び画像下部付
近のローカル子線断面と平行な断面上での一般収差（回
転対称）を良好に補正できるようにしている。
上の上側（Ｆ２）及び下側（Ｆ３）の画像を通る光線が
各プリズム面をヒットするポイント上のローカル子線断
面と平行な断面上で、眼球７側から対称性のある負，
正，負の屈折力の収差が容易にキャンセルできるパワー
配置になり、表示手段１の画像上部付近及び画像下部付
近のローカル子線断面と平行な断面上での一般収差（回
転対称）を良好に補正できるようにしている。
【００７５】又、本実施形態においては、基準光線上で
の全系のローカル子線断面の焦点距離をｌ_ｆｘ（２−
５）、面４の反射におけるローカル子線断面の焦点距離
をｌ_ｆｘ４とした時、 −１．５＜ｌ_ｆｘ４／ｌ_ｆｘ（２−５）＜−０．５ ‥‥‥（４） を満たすのが良い。条件式（４）の下限値を下回ると、
ローカル子線断面上で全反射する面の負のパワーが弱く
なり、ローカル子線断面上でのプリズム内光路が長くな
り、自由曲面プリズム体２の厚さが厚くなる。
の全系のローカル子線断面の焦点距離をｌ_ｆｘ（２−
５）、面４の反射におけるローカル子線断面の焦点距離
をｌ_ｆｘ４とした時、 −１．５＜ｌ_ｆｘ４／ｌ_ｆｘ（２−５）＜−０．５ ‥‥‥（４） を満たすのが良い。条件式（４）の下限値を下回ると、
ローカル子線断面上で全反射する面の負のパワーが弱く
なり、ローカル子線断面上でのプリズム内光路が長くな
り、自由曲面プリズム体２の厚さが厚くなる。
【００７６】又上限値を超えると全反射する面の負のパ
ワーが強くなりすぎ、凹面５の正のパワー面との収差キ
ャンセルがうまくできなくなる。
ワーが強くなりすぎ、凹面５の正のパワー面との収差キ
ャンセルがうまくできなくなる。
【００７７】また表示手段１の画像Ｆ３から眼球７の中
心光線上での全反射する面４の反射におけるローカル母
線断面の焦点距離をＦ３ｌ_ｆｙ４、画像Ｆ３から眼球
７の中心光線上での凹面５のローカル母線断面の焦点距
離をＦ３ｌ_ｆｙ３とした時、 ０＜Ｆ３ｌ_ｆｙ３／Ｆ３ｌ_ｆｙ４＜１ ‥‥‥（５） を満たすのが良い。
心光線上での全反射する面４の反射におけるローカル母
線断面の焦点距離をＦ３ｌ_ｆｙ４、画像Ｆ３から眼球
７の中心光線上での凹面５のローカル母線断面の焦点距
離をＦ３ｌ_ｆｙ３とした時、 ０＜Ｆ３ｌ_ｆｙ３／Ｆ３ｌ_ｆｙ４＜１ ‥‥‥（５） を満たすのが良い。
【００７８】条件式（５）の下限値を下回ると、画像Ｆ
３から眼球７の中心光線上での全反射する面４の反射に
おけるローカル母線断面上のパワーが負になり、ＬＣＤ
１の画像Ｆ３の部分の外界側への出っ張りが大きくな
る。また上限値を超えると画像Ｆ３から眼球７の中心光
線上での全反射する面の反射におけるローカル母線断面
上の正のパワーが強くなり、画像Ｆ３から眼球７の中心
光線上での入射面におけるローカル母線断面上で強い負
のパワーが要求され、ＬＣＤ１の画像Ｆ３の光路部分で
十分なワーキングディスタンスを確保できない。
３から眼球７の中心光線上での全反射する面４の反射に
おけるローカル母線断面上のパワーが負になり、ＬＣＤ
１の画像Ｆ３の部分の外界側への出っ張りが大きくな
る。また上限値を超えると画像Ｆ３から眼球７の中心光
線上での全反射する面の反射におけるローカル母線断面
上の正のパワーが強くなり、画像Ｆ３から眼球７の中心
光線上での入射面におけるローカル母線断面上で強い負
のパワーが要求され、ＬＣＤ１の画像Ｆ３の光路部分で
十分なワーキングディスタンスを確保できない。
【００７９】尚、後述する数値例の局所曲率半径データ
１〜７は、実施例１〜７の自由曲面プリズム体の入射面
（ＬＣＤにもっとも近い面）のローカル母線断面上（ｘ
＝０）の局所曲率半径ｒｙ（ｙの範囲は、入射面の外形
寸法を面頂点座標系で示したもの）の数値列である。
１〜７は、実施例１〜７の自由曲面プリズム体の入射面
（ＬＣＤにもっとも近い面）のローカル母線断面上（ｘ
＝０）の局所曲率半径ｒｙ（ｙの範囲は、入射面の外形
寸法を面頂点座標系で示したもの）の数値列である。
【００８０】次に本発明の画像表示装置の実施形態の各
要素の表示方式の詳細について説明する。
要素の表示方式の詳細について説明する。
【００８１】図２〜図８は各々本発明の画像表示装置の
後述する数値実施例１〜７の要部断面図（ローカル母線
断面図、添え字がｙ）であり、第１面（眼球７）の面頂
点座標系は図１に示している。
後述する数値実施例１〜７の要部断面図（ローカル母線
断面図、添え字がｙ）であり、第１面（眼球７）の面頂
点座標系は図１に示している。
【００８２】図９は数値実施例４（図５）の光学系をシ
ースルー光学系として用いたときのローカル母線断面図
であり、外界側からの順方向に通過する状態の光線トレ
ースを示している。
ースルー光学系として用いたときのローカル母線断面図
であり、外界側からの順方向に通過する状態の光線トレ
ースを示している。
【００８３】本発明の光学系では各面の面頂点をｙ軸方
向でのシフト偏心、ｘ軸回りのチルト偏心しかさせてい
ないため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断
面であるが、各面の従来の子線断面とローカル子線断面
は異なる。
向でのシフト偏心、ｘ軸回りのチルト偏心しかさせてい
ないため、従来の母線断面とローカル母線断面は同一断
面であるが、各面の従来の子線断面とローカル子線断面
は異なる。
【００８４】尚、前述した従来の母線断面、子線断面は
従来の近軸（genera1 paraxial axis）の定義であり、
ローカル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べる
ローカル近軸（local-paraxial axis）での定義であ
る。
従来の近軸（genera1 paraxial axis）の定義であり、
ローカル母線断面、ローカル子線断面はこれから述べる
ローカル近軸（local-paraxial axis）での定義であ
る。
【００８５】さらにローカル近軸では偏心系に対応した
ローカル曲率半径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離
・ローカル屈折力の定義も以下に説明する。
ローカル曲率半径・ローカル面間隔・ローカル焦点距離
・ローカル屈折力の定義も以下に説明する。
【００８６】本発明では表示手段１の画像中心から射出
し、観察面（眼球７）の中心に入射する中心光線を基準
光線とし、従来の各面の面頂点基準の曲率半径・面間隔
・焦点距離・屈折力でなく、基準光線の各面でのヒット
ポイント点（入射点）を基準としたローカル曲率半径・
ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカル屈折力を
用いている。
し、観察面（眼球７）の中心に入射する中心光線を基準
光線とし、従来の各面の面頂点基準の曲率半径・面間隔
・焦点距離・屈折力でなく、基準光線の各面でのヒット
ポイント点（入射点）を基準としたローカル曲率半径・
ローカル面間隔・ローカル焦点距離・ローカル屈折力を
用いている。
【００８７】ここでローカル曲率半径は光学面のヒット
ポイント点上でのローカルな曲率半径（ローカル母線断
面上の曲率半径、ローカル子線断面上の曲率半径）をい
う。
ポイント点上でのローカルな曲率半径（ローカル母線断
面上の曲率半径、ローカル子線断面上の曲率半径）をい
う。
【００８８】又ローカル面間隔は現在の面と次の面と
の、２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距
離、空気換算なしの値）の値をいう。又ローカル焦点距
離はローカル曲率半径・面の前後の屈折率・ローカル面
間隔より、従来の焦点距離計算方法（近軸追跡）で計算
した値である。ローカル屈折力はローカル焦点距離の逆
数の値である。
の、２つのヒットポイント間の距離（基準光線上の距
離、空気換算なしの値）の値をいう。又ローカル焦点距
離はローカル曲率半径・面の前後の屈折率・ローカル面
間隔より、従来の焦点距離計算方法（近軸追跡）で計算
した値である。ローカル屈折力はローカル焦点距離の逆
数の値である。
【００８９】尚、本発明の各実施例では従来の曲率半径
・面間隔・偏心量・屈折率・アッべ数と、ローカル曲率
半径・面の屈折率・ローカル面間隔・ローカル焦点距離
を示している。
・面間隔・偏心量・屈折率・アッべ数と、ローカル曲率
半径・面の屈折率・ローカル面間隔・ローカル焦点距離
を示している。
【００９０】本発明の実施例として７つの実施例をあげ
た。実施例１〜７の数値データを表１〜７に示し、光路
断面図を図２〜８に示した。実施例４のプリズム体２に
対して補正プリズム体６を追加してシースルー光学系と
したときの数値データは表８に示し、光路断面図を図９
に示した。
た。実施例１〜７の数値データを表１〜７に示し、光路
断面図を図２〜８に示した。実施例４のプリズム体２に
対して補正プリズム体６を追加してシースルー光学系と
したときの数値データは表８に示し、光路断面図を図９
に示した。
【００９１】表１〜８の従来近軸では（genera1 paraxi
al axis）、母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径
ｒｘ・面間隔ｄ（第１面の面頂点座標系と平行）・偏心
量（母線断面上において、第１面の面頂点座標系に対す
る各面の面頂点の平行偏心量をｓｈｉｆｔ、傾き偏心量
をｔｉｌｔ度）・ｄ線の屈折率ｎｄ、アッベ数νｄを示
し、ＦＦＳは自由曲面を表している。またＭがついたも
のは反射面であり、ｄ線の屈折率ｎｄは逆符号とした。
al axis）、母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径
ｒｘ・面間隔ｄ（第１面の面頂点座標系と平行）・偏心
量（母線断面上において、第１面の面頂点座標系に対す
る各面の面頂点の平行偏心量をｓｈｉｆｔ、傾き偏心量
をｔｉｌｔ度）・ｄ線の屈折率ｎｄ、アッベ数νｄを示
し、ＦＦＳは自由曲面を表している。またＭがついたも
のは反射面であり、ｄ線の屈折率ｎｄは逆符号とした。
【００９２】尚、表１〜７は眼球７から液晶側（表示手
段）７への逆トレースで数値データは示されており、表
８は光が物体側から瞳（７）に向かう順トレースの数値
データである。ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示
す。
段）７への逆トレースで数値データは示されており、表
８は光が物体側から瞳（７）に向かう順トレースの数値
データである。ＦＦＳ（自由曲面）の定義式を以下に示
す。
【００９３】（各面の面頂点座標系で）
【００９４】
【数１】
【００９５】各ｃ１、ｃ５‥‥は各々自由曲面係数であ
る。
る。
【００９６】（注意：本実施例での自由曲面の場合、自
由曲面係数の中に近軸に関与する係数があるため、従来
近軸の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径ｒｘの
値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断
面曲率半径ｒｘと一致しない。そこでポイント（０，
０）つまり面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ・
子線断面曲率半径ｒｘも示した。）またローカル近軸
（local-paraxial axis）ではローカル曲率半径local_r
y,local_rx・ローカル面間隔local_d（反射面は逆符
号）・ローカル焦点距離local_fy,local_fx・面の屈折
率ｎｄ（反射面は逆符号）を示している。
由曲面係数の中に近軸に関与する係数があるため、従来
近軸の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断面曲率半径ｒｘの
値が面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ・子線断
面曲率半径ｒｘと一致しない。そこでポイント（０，
０）つまり面頂点上での実際の母線断面曲率半径ｒｙ・
子線断面曲率半径ｒｘも示した。）またローカル近軸
（local-paraxial axis）ではローカル曲率半径local_r
y,local_rx・ローカル面間隔local_d（反射面は逆符
号）・ローカル焦点距離local_fy,local_fx・面の屈折
率ｎｄ（反射面は逆符号）を示している。
【００９７】また各面でのヒットポイント座標（面頂点
を０．０）と全系ローカル焦点距離・画角も示した。
を０．０）と全系ローカル焦点距離・画角も示した。
【００９８】さらにローカル近軸（local-paraxial axi
s）の下には、基準光線と各面のヒットポイントでな
く、ＬＣＤのローカル母線断面上での、ＬＣＤ最周辺画
像Ｆ２（上側）と眼球中心を通る光線と各面とのヒット
ポイント上での、ローカル曲率半径local_ry,local_rx
・ローカル面間隔local_d（反射面は逆符号）・ローカ
ル焦点距離local_fy,local_fx・面の屈折率ｎｄ（反射
面は逆符号）・各面でのヒットポイント座標（面頂点を
０，０）・全系ローカル焦点距離もlocal paraxialray<
F2>として追加した。
s）の下には、基準光線と各面のヒットポイントでな
く、ＬＣＤのローカル母線断面上での、ＬＣＤ最周辺画
像Ｆ２（上側）と眼球中心を通る光線と各面とのヒット
ポイント上での、ローカル曲率半径local_ry,local_rx
・ローカル面間隔local_d（反射面は逆符号）・ローカ
ル焦点距離local_fy,local_fx・面の屈折率ｎｄ（反射
面は逆符号）・各面でのヒットポイント座標（面頂点を
０，０）・全系ローカル焦点距離もlocal paraxialray<
F2>として追加した。
【００９９】この時の数値データおよび計算値は、ロー
カル近軸の基準光線（眼球中心とＬＣＤ中心を通る光
線）を、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ２（上側）と眼球中心を通
る光線に置き換えて計算した。またＬＣＤ最周辺画像Ｆ
３（下側）についても同様にlocal paraxial ray<F3>と
して追加した。
カル近軸の基準光線（眼球中心とＬＣＤ中心を通る光
線）を、ＬＣＤ最周辺画像Ｆ２（上側）と眼球中心を通
る光線に置き換えて計算した。またＬＣＤ最周辺画像Ｆ
３（下側）についても同様にlocal paraxial ray<F3>と
して追加した。
【０１００】表９では７つの実施例１〜７について、各
面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線
断面焦点距離（基準光線）、Ｆ２から眼球中心光線上で
の各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル
子線断面焦点距離、Ｆ３から眼球中心光線上での各面及
び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面
焦点距離についてまとめた。
面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線
断面焦点距離（基準光線）、Ｆ２から眼球中心光線上で
の各面及び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル
子線断面焦点距離、Ｆ３から眼球中心光線上での各面及
び全系のローカル母線断面焦点距離・ローカル子線断面
焦点距離についてまとめた。
【０１０１】次に本発明の各実施例の数値例を以下に示
す。
す。
【０１０２】
【外１】
【０１０３】
【外２】
【０１０４】
【外３】
【０１０５】
【外４】
【０１０６】
【外５】
【０１０７】
【外６】
【０１０８】
【外７】
【０１０９】
【外８】
【０１１０】
【外９】
【０１１１】
【外１０】
【０１１２】
【発明の効果】本発明によれば、コンパクトな表示光学
系が成り立ち、かつディストーション及び諸収差の補正
が良好な広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置を達成す
ることができる。
系が成り立ち、かつディストーション及び諸収差の補正
が良好な広画角なＨＭＤに最適な画像表示装置を達成す
ることができる。
【０１１３】この他本発明によれば、液晶ディスプレイ
などの表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示
手段からの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲
面プリズム体を含む表示光学系の構成を適切に設定する
ことによって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロス
を減らし、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察す
ることができる画像表示装置を達成することができる。
などの表示手段に表示した画像情報を観察する際、表示
手段からの光束を観察者の眼球に導光するための自由曲
面プリズム体を含む表示光学系の構成を適切に設定する
ことによって、装置全体の小型化を図りつつ光量のロス
を減らし、該画像情報を広画角で良好なる画質で観察す
ることができる画像表示装置を達成することができる。
【図１】 本発明の画像表示装置の実施形態の要部概略
図
図
【図２】 本発明の画像表示装置の実施形態１の要部概
略図
略図
【図３】 本発明の画像表示装置の実施形態２の要部概
略図
略図
【図４】 本発明の画像表示装置の実施形態３の要部概
略図
略図
【図５】 本発明の画像表示装置の実施形態４の要部概
略図
略図
【図６】 本発明の画像表示装置の実施形態５の要部概
略図
略図
【図７】 本発明の画像表示装置の実施形態６の要部概
略図
略図
【図８】 本発明の画像表示装置の実施形態７の要部概
略図
略図
【図９】 本発明の画像表示装置をシースルー光学系と
したときの要部概略図
したときの要部概略図
【符号の説明】 １ ＬＣＤ ２ 自由曲面プリズム ３ 入射面 ４ 全反射面 ５ 凹面鏡 ６ 補正用自由曲面プリズム ７ 眼球 ８ 眼球光軸 ９ 反射コーティング領域 １０ 反射率が徐々に低下するコーティング領域 １１ フィールドレンズ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月１４日（２０００．６．１
４）
４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０３】
【外２】
【表１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０４】
【外３】
【表２】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０５】
【外４】
【表３】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０６】
【外５】
【表４】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０７】
【外６】
【表５】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０８】
【外７】
【表６】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正内容】
【０１０９】
【外８】
【表７】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H087 KA00 LA12 RA41 RA42 TA01 TA04 TA06 5G435 AA01 AA18 BB12 BB15 BB17 DD04 FF02 GG02 GG03 HH02 LL00
Claims (8)
- 【請求項１】 画像情報を表示する表示手段、該表示手
段からの光を眼球へ導く光学手段を有し、該光学手段は
アジムス角度により屈折力が異なる面を３面以上含む正
の屈折力を持つプリズム体を有し、該プリズム体の該表
示手段にもっとも近い面は、アジムス角度により屈折力
が異なり、かつローカル母線断面上で正の屈折力を持つ
局所曲率半径領域が、負の屈折力をもつ局所曲率半径領
域で挟まれていることを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項２】 前記プリズム体は、眼球にもっとも近い
面より光の通過と逆方向に、透過面、反射面、反射面の
順序で配置され、該プリズム体の各面と基準光線のヒッ
トポイント上でのローカル子線断面上の屈折力が、眼球
側より光の通過と逆方向に、負の透過面、正の反射面、
負の反射面の順序で配置されることを特徴とする請求項
１の画像表示装置。 - 【請求項３】 前記プリズム体の材質の屈折率をＮｄと
したとき １．５４ ＜Ｎｄ＜１．８５ を満足することを特徴とする請求項１又は２の画像表示
装置。 - 【請求項４】 基準光線と前記プリズム体のもっとも眼
球に近い面とのヒットポイント上での、ローカル母線断
面上の該面の接線と基準光線とのなす角度をαとしたと
き、 ７０°＜ α ＜９５° を満足することを特徴とする請求項２又は３の画像表示
装置。 - 【請求項５】 前記プリズム体は、前記表示手段にもっ
とも近い面より順に、透過面、反射面、反射面の順序で
配置され、該表示手段のローカル母線断面上での最周辺
画像のうち、眼球より遠い方側の最周辺画像と眼球中心
とを通る光線が、該プリズム体の各面のヒットポイント
でのローカル母線断面上の屈折力が、該表示手段側より
順に、負の透過面、正の反射面、正の反射面の順序で配
置されることを特徴とする請求項１,２又は３の画像表
示装置。 - 【請求項６】 眼球にもっとも近い面は、透過作用と反
射作用の両作用を持つ面であることを特徴とする請求項
５の画像表示装置。 - 【請求項７】 画像情報を表示する表示手段、該表示手
段からの光を眼球へ導く光学手段、外界の光を眼球へ導
くシースルー手段を有し、該光学手段は、アジムス角度
により屈折力が異なる面を２面以上含み、異なる３面以
上の面から構成された正の屈折力を持つプリズム体を有
し、該シースルー手段は、補正プリズムを該光学手段中
のプリズム体に隣接もしくは接合させ、隣接面もしくは
接合面を部分的透過面とし、光学的屈折力がほとんどな
く、かつ眼球光軸と外界光軸を略一致させて構成してお
り、該シースルー手段のもっとも外界側の面は偏心曲面
で、該シースルー手段のもっとも眼球側の面とは異なる
形状をした、アジムス角度により屈折力が異なる面であ
り、該シースルー手段のもっとも外界側の該偏心曲面と
基準光線のヒットポイント上でのローカル母線断面上の
曲率半径ｌ_ｒｙとローカル子線断面上の曲率半径ｌ_ｒ
ｘが ｜ｌ_ｒｘ｜＜｜ｌ_ｒｙ｜ の条件を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項８】 前記補正プリズムは前記プリズム体の外
界側に配置されることを特徴とする請求項７の画像表示
装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32959799A JP3854763B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 画像表示装置 |
| US09/658,665 US6384983B1 (en) | 1999-11-19 | 2000-09-08 | Image display apparatus |
| DE60024569T DE60024569T2 (de) | 1999-11-19 | 2000-09-11 | Bildanzeigevorrichtung mit einem Prisma mit optischer Brechkraft |
| AT00119770T ATE312368T1 (de) | 1999-11-19 | 2000-09-11 | Bildanzeigevorrichtung mit einem prisma mit optischer brechkraft |
| EP00119770A EP1102105B1 (en) | 1999-11-19 | 2000-09-11 | Image display apparatus with a prism having optical power |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32959799A JP3854763B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 画像表示装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004005981A Division JP2004185023A (ja) | 2004-01-13 | 2004-01-13 | 画像表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001147400A true JP2001147400A (ja) | 2001-05-29 |
| JP3854763B2 JP3854763B2 (ja) | 2006-12-06 |
Family
ID=18223137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32959799A Expired - Fee Related JP3854763B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | 画像表示装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6384983B1 (ja) |
| EP (1) | EP1102105B1 (ja) |
| JP (1) | JP3854763B2 (ja) |
| AT (1) | ATE312368T1 (ja) |
| DE (1) | DE60024569T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001201714A (ja) * | 2000-01-17 | 2001-07-27 | Canon Inc | 光学処理方法およびそれを用いた光学処理装置 |
| US6384983B1 (en) * | 1999-11-19 | 2002-05-07 | Mixed Realty Systems Laboratory Inc. | Image display apparatus |
| JP2003329968A (ja) * | 2002-05-13 | 2003-11-19 | Samsung Electronics Co Ltd | 倍率調整自在の着用型ディスプレイシステム |
| JP2011075916A (ja) * | 2009-09-30 | 2011-04-14 | Olympus Corp | 光学系 |
| KR20150070195A (ko) * | 2012-10-18 | 2015-06-24 | 더 아리조나 보드 오브 리전츠 온 비핼프 오브 더 유니버시티 오브 아리조나 | 어드레스 가능 포커스 큐를 갖는 입체적 디스플레이 |
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