JP2002328331A - ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型、軽量かつ広視野化が図れ、コストの低
下を招来するような拡大用レンズとディスプレイ装置を
提供する。 【解決手段】 画像を形成し、この画像を肉眼で観察す
るための光学機構が、観察者の眼前に配置されたディス
プレイ装置において、上記光学機構は、画像表示素子７
１と、画像が投影されるスクリーン７５と、画像表示素
子７１上の画像をスクリーン７５上に投影する投影レン
ズ７４と、スクリーン７１上に投影された画像の拡大像
を肉眼で見るための拡大用レンズ７６とを少なくとも備
えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、肉眼で対象物の拡大像
を観察するための拡大用レンズとして例えば光を発散す
る負レンズと光を収斂する正レンズとを組み合わせた複
合レンズ及び画像表示素子と拡大像を見るための拡大用
レンズとを少なくとも備えた光学系ユニットを、頭部等
の身体の一部に装着して、テレビやビデオ映像等の画像
を鑑賞する個人用途の携帯型のディスプレイ装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、頭部などの身体の一部に装着
し、小型ながら臨場感のある映像を提供するディスプレ
イ装置が様々な形で開発、提供されている。この様なデ
ィスプレイ装置は、光学系の違いから大きく以下の２種
類に分類することができる。

【０００３】一つは二次元の画像表示素子の虚像を観察
するもの（例えば特開平３ー２８９６１５号、特開平４
ー１６８４８９号、特開平５ー１８３８３８号）。もう
一つは点光源あるいは一次元の光源パターンを網膜上で
走査することによって、映像を形成するもの（例えば米
国特許第４９３４７７３号、その関連として米国特許第
５００３３００号）がある。

【０００４】前記従来の技術を図４７〜図５０を用いて
説明する。先ず、二次元の画像表示素子の虚像を観察す
るものとして、例えば図４７に示すディスプレイ装置１
０１は、略眼鏡状のハウジング１０２を備え、耳に対応
する両側部の音響部１０２ａ・１０２ａにはスピーカ１
０３・１０３が配置されると共に、目に対応する部位の
映像部１０２ｂには、液晶パネル等を用いた画像表示素
子１０４・１０４と一枚あるいは複数枚構成の拡大用レ
ンズ１０５・１０５とが配置されている。上記ディスプ
レイ装置１０１では、各光学素子は観察者の右目と左目
に対応させるためにそれぞれ二つずつ備えており、左右
の画像表示素子１０４・１０４に同一物体に対する異な
った位置からの画像をそれぞれ供給すれば、立体画像を
得ることができる。

【０００５】上記拡大用レンズ１０５は、図４８および
図４９に示すように、画像表示素子１０４と観察者の眼
１０６との間に配設されている。これにより、観察者
は、画像表示素子１０４で形成された画像を拡大した拡
大像を観察できる。また、上記拡大用レンズ１０５に
は、通常、諸収差の除去を行うために色消しレンズや非
球面レンズ等が用いられている。尚、図４８では、拡大
用レンズ１０５が一枚の拡大用のレンズ１０７で構成さ
れた例、図４９では、拡大用レンズ１０５が複数枚の拡
大用のレンズ１０７…で構成された例を示している。ま
た、図４８中の記号Ｘｏは画像表示素子１０４の中心、
Ｈは拡大用レンズ１０５のレンズ１０７の主点、Ｘｅは
眼１０６の瞳位置、Ｓは画像表示素子１０４の中心から
レンズ１０７の主点までの距離、Ｓｅはレンズ１０７の
主点から眼１０６の瞳位置までの距離を示す。

【０００６】次に、点光源あるいは一次元の光源パター
ンを網膜上で走査することによって、映像を形成するも
のとして、例えば図５０に示すように、ＬＥＤ素子等を
一列に並べた一次元表示素子１１２と、光路偏向手段で
ある振動ミラー１１３と、一枚あるいは複数枚構成の拡
大用レンズ１０５とで構成されたディスプレイ装置１１
１がある。

【０００７】ディスプレイ装置１１１では、拡大用レン
ズ１０５によって、一次元表示素子１１２の発光パター
ンの虚像を観察するようになっている。つまり、振動ミ
ラー１１３の往復運動によって、一次元表示素子１１２
から眼１０６へ至る光線１１４の角度を偏向すること
で、眼１０６の網膜上のＺ₁からＺ₀を経てＺ₂まで走査
することで二次元の映像を得るようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４８に示
すように、拡大用レンズ１０５に一枚のレンズ１０７を
使用した構成では、広い見かけ視野を得ることはレンズ
１０７の屈折力や像の歪みなどで困難である。そこで、
図４９に示すように、拡大用レンズ１０５を複数枚のレ
ンズ１０７…を組み合わせた構成とすることが必要とな
る。また、収差の低減に非球面レンズを用いる場合もあ
る。

【０００９】しかしながら、レンズ枚数が増えることに
より、重量と体積が増え、しかも、図４９に示すよう
に、眼１０６とレンズ１０７との間隔が短くなるため、
見づらくなるという欠点がある。

【００１０】また、上記のように非球面レンズを用いて
も周辺像の収差の除去も困難であっる。

【００１１】また、図４７に示すディスプレイ装置１０
１においては、画像表示素子１０４と拡大用レンズ１０
５の位置が眼１０６から離れた位置にあるため、画像表
示素子１０４やレンズ１０７の重量が大きいと、重心が
頭部から離れた所に位置するという問題があった。これ
は、頭部への固定手段の大型化を招き、また装着時の疲
労感を増大させている。

【００１２】さらに、画像表示素子１０４の画素数を一
定にしたまま、見かけ視野を広げると、画素が粗くなり
画質が劣化するという問題がある。また、画像表示素子
１０４の画素数の増加は、画像表示素子１０４の大型
化、あるいは重量の増加、またコストアップを招くとい
う問題がある。

【００１３】一方、図５０に示すディスプレイ装置１１
１においては、光線１１４の角度偏向を、眼１０６の入
射瞳の中心あるいは眼１０６の回旋点を中心に行う必要
があるため、角度の大きな走査が困難であり、そのため
広視野化が難しいという問題がある。

【００１４】本発明は、上記の各問題点に鑑みなされた
ものであって、その目的は、小型、軽量かつ広視野化が
可能で、製造コストの低下を招来するようなディスプレ
イ装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】まず、本発明のディスプ
レイ装置に用いることができる拡大用レンズについて説
明する。

【００１６】第１の拡大用レンズは、物体の拡大像を肉
眼で観察するための拡大用レンズであって、複数の負レ
ンズの主面が同一平面上に配置された二次元負レンズア
レイと、複数の正レンズの主面が同一平面上に配置され
た二次元正レンズアレイとが、それぞれの負レンズと正
レンズとで複合レンズを構成するように対向配置される
と共に、上記複合レンズを構成する一対の負レンズ及び
正レンズは、それぞれのレンズの主点を結ぶ直線の交点
が、上記二次元正レンズアレイから以下の式で満たされ
るＳｃだけ離れた点Ｘｃにおいて略一致するように配置
されている構成としている。

【００１７】

【数１】

【００１８】Ｓｏは負レンズ主面から物体までの距離
（Ｓｏ＜０）、Ｓｄは負レンズ主面から正レンズ主面ま
での距離（Ｓｄ＞０）、ｆ1 は負レンズの焦点距離（ｆ
1 ＜０）、ｆ2 は正レンズの焦点距離（ｆ2 ＞０）を示
す。

【００１９】ここで、上記負レンズとは、光を発散する
ことのできる光学系であり、一枚の凹レンズや、複数枚
のレンズの組み合わせでも良い。また、上記正レンズと
は、光を集光することのできる光学系であり、一枚の凸
レンズや、複数枚のレンズの組み合わせでも良い。

【００２０】また、後述する理由により、複合レンズの
負レンズと正レンズの主点を結ぶ直線の交点は、点Ｘｃ
に厳密に一致しなくてもよい。

【００２１】上記の複合レンズは、負レンズによる像
（虚像）を正レンズによって拡大した像（虚像）として
見るための光学系である。観察する物体からの光は複合
レンズの負レンズに入り、正レンズから出て眼に至る。
この光学系は、従来の同一倍率の単一レンズルーペに比
べて、レンズと眼との距離は変わらず、物体とレンズと
の距離を短くすることができる。

【００２２】観察する物体上の一つの点から出た光は、
複数の複合レンズを通って眼に入る。そして、各複合レ
ンズの負レンズと正レンズのそれぞれの主点を結ぶ直線
が正レンズアレイから上記式（１）を満たすＳｃだけ離
れた点Ｘｃで交わるように、複合レンズを平面上に並べ
たとき、近軸理論下で、複合レンズによってできるそれ
ぞれの像は一致したように見える。

【００２３】つまり、上記構成の拡大用レンズでは、観
察する物体の一点からでた光束が複数の複合レンズを通
って眼に入射しても、上記光束は網膜上において一点に
集光する。即ち、上記拡大用レンズは、物体と像とが一
対一に対応するレンズであるといえる。

【００２４】また、レンズをアレイ化することによっ
て、小さいレンズ径のレンズを複数集合させたレンズを
アレイ状にして単レンズのレンズ径と同じ大きさにすれ
ば、同一の焦点距離を有する単レンズよりもレンズの薄
型軽量化を図ることができるので、同一倍率の単レンズ
に比べてレンズの薄型・軽量化を図ることができる。

【００２５】さらに、広視野化に伴う像の歪みや湾曲
は、例えば、レンズアレイの周辺部分の複合レンズの焦
点距離（負レンズと正レンズの合成焦点距離）を変える
ことで除去することができる。このように、個々の複合
レンズの諸特性の変化によって像の補正が可能となる。

【００２６】また、それぞれの複合レンズを構成する負
レンズと正レンズの主点を結ぶ直線の交点と点Ｘｃが一
致しないとき、各複合レンズの像は一致せずに分散す
る。しかしながら、像が分散したとしても、それが肉眼
で認識できなければ支障はない。また、像の分散が上記
した肉眼で認識できるほど大きくても、観察する物体の
画質によっては、像が分散していることがわからない場
合もある。これらの事情から、複合レンズの並べ方にお
いて、実用上は上記直線の交点と点Ｘｃが厳密に一致し
なくても差し支えない。

【００２７】第２の拡大用レンズは、第１の構成に加え
て、二次元負レンズアレイ及び二次元正レンズアレイ
が、それぞれ平面基板上に形成され、それぞれの基板が
略平行に配置されている構成としている。

【００２８】上記の第２の拡大用レンズの構成によれ
ば、第１の構成の拡大用レンズによる作用に加えて、二
次元負レンズアレイと二次元正レンズアレイをそれぞれ
平面基板上に形成すると、平面基板上におけるレンズの
位置が固定されるので、それぞれの負レンズおよび正レ
ンズから複合レンズを構成するときの位置合わせが容易
になる。

【００２９】また、基板上にレンズ位置が固定された状
態では、二次元負レンズアレイの基板と二次元正レンズ
アレイの基板との間隔を変化させることによって視度調
整を行うことができるので、視度調整が容易となる。

【００３０】第３の拡大用レンズは、第１または２の拡
大用レンズの構成に加えて、各複合レンズ間に、遮光性
の部材が設けられている構成としている。

【００３１】上記遮光性の部材の少なくとも表面は、光
を遮光、吸収する素材でできていることが望ましい。

【００３２】上記の第３の拡大用レンズの構成によれ
ば、各複合レンズ間に、遮光性の部材が設けられている
ことで、それぞれの複合レンズをお互いに仕切る遮光枠
とすることができる。これにより、遮光性の部材は、複
合レンズを構成する負レンズを通った光線が他の複合レ
ンズの正レンズを通らないように作用する。

【００３３】また、上記遮光性の部材を、二次元負レン
ズアレイと二次元正レンズアレイの複合レンズを構成す
るそれぞれの複合レンズを構成する一対の正・負のレン
ズ同士の間を貫通させた構成とすれば、この部材によっ
て上記二つの二次元レンズアレイを平行に保つことが容
易になる。

【００３４】第４の拡大用レンズは、物体の拡大像を肉
眼で観察するための拡大用レンズであって、複数の負レ
ンズの主面が同一面上に配置された二次元負レンズアレ
イと、複数の正レンズの主面が同一面上に配置された二
次元正レンズアレイとが、それぞれの負レンズと正レン
ズとで複合レンズを構成するように対向配置されると共
に、上記複合レンズを構成する一対の負レンズ及び正レ
ンズは、それぞれのレンズの主点を結ぶ直線の交点が、
上記二次元正レンズアレイから上記の式（１）で満たさ
れるＳｃだけ離れた点Ｘｃで略一致すると共に、この地
点を中心とする略球面上に配置されている構成としてい
る。

【００３５】上記構成によれば、光軸の一致する負レン
ズと正レンズを組み合わせた複合レンズを曲面上に並べ
た構成である。観察する物体からの光は複合レンズの負
レンズに入り、正レンズから出て眼に至る。観察者が見
る像は、負レンズの像（虚像）を正レンズで拡大した像
（虚像）である。

【００３６】観察する物体上の一つの点から出た光は、
複数の複合レンズを通って眼に入る。このとき、各複合
レンズによって見える像は厳密には一致しない。つま
り、点Ｘｃを中心とする球面上に複合レンズを配置して
いるので、それぞれの複合レンズの物体面は、点Ｘｃを
中心とする球面の接平面となる。球面上の異なる位置の
接平面は一致しないから、各複合レンズの物体面も一致
しない。このようにお互いの複合レンズの物体面が一致
しないので、それぞれの像も原理的に一致しない。つま
り、一つの物点に対するそれぞれの複合レンズの像は一
致せずに分散する。

【００３７】ところが、上記複合レンズのレンズ径を小
さくすると、ある一つの物点に対する像の数は減少する
とともに、それぞれの分散を小さくすることができる。
なぜなら、上記複合レンズは少なくとも２枚のレンズで
構成されるので、お互いのレンズが開口絞りの役割を果
たすため、レンズ径を小さくすると観察可能な範囲は狭
まる。その結果、ある一つの物点を見ることのできる複
合、レンズの数が減少する。即ち、一つの物点に対する
像の数が減る。像の数を減らすことは、分散の大きな像
を消去することに対応する。また、レンズ径を小さくす
ると、隣り合う複合レンズの光軸同士のなす角度が小さ
くなるので、像の分散が小さくなる。

【００３８】従って、個々の複合レンズによる同一物点
に対するそれぞれの像の位置ずれを視角に換算したと
き、上記視角が眼の分解能力以下であれば、分散してい
る像は一つの像と認識される。このように本光学系はレ
ンズ径を小さくすることによって擬似的に物体と像とを
一対一に対応させることができる。

【００３９】また、観察者の目の回旋点を点Ｘｃにおく
と、どの複合レンズに対してもその光軸上から見ること
ができるので、結像状態に関し、視野の中央と周辺との
差はない。即ち、複合レンズを広範囲に並べて見かけ視
野を広げても、従来レンズのように周辺像の劣化がな
い。また、収差補正のためにレンズ枚数を増やす必要も
ない。

【００４０】さらに、複合レンズのレンズ径を小さくす
ると、上記複合レンズの光軸近傍を通る光を観察するこ
とができるので、個々の複合レンズについて、諸収差の
少ない良好な像を得ることができる。また、レンズ系を
小さくするとレンズの厚みが減り、またレンズの重さも
減少する。

【００４１】従って、レンズ径を小さくした複合レンズ
を用い、点Ｘｃの付近から観察することで、広い見かけ
視野を有する光学系でありながら、小型、薄型、軽量で
あり、さらに収差の少ない良好な像を提供することがで
きる。

【００４２】第５の拡大用レンズは、第４の構成に加え
て、一対の負レンズと正レンズを収納して複合レンズを
構成する鏡筒を備えると共に、上記鏡筒は、その側面の
母線あるいは稜線の延長線の交点が、上記の点Ｘｃで略
一致するように形成されている構成としている。

【００４３】上記鏡筒は、その断面形状は多角形であっ
ても円形であっても良く、その材質とては、光を遮断す
る遮光性を有することが望ましい。また、鏡筒の内壁
は、光が内壁で乱反射するのを抑えるために、光を吸収
する材質で形成されることが望ましい。

【００４４】尚、上記鏡筒の側面は滑らかである必要は
なく、局所的に接合のための溝や出っ張りがあっても構
わない。

【００４５】上記の第５の拡大用レンズの構成により、
複合レンズを収納する鏡筒の側面の母線あるいは稜線の
延長が該複合レンズの光軸上の点Ｘｃで交わるような形
状を有する鏡筒を、この鏡筒の側面同士で密着して並べ
ると、鏡筒内に収まっている負レンズと正レンズがそれ
ぞれ上記光軸上の点Ｘｃを中心とする球面上に配置され
る。

【００４６】これにより、上記形状を有する鏡筒を並べ
るだけで、所定の曲率を有する拡大用レンズを構成する
ことができる。

【００４７】第６の拡大用レンズは、第４の構成に加え
て、複合レンズは、一方の面が負レンズと等価な凹面に
形成され、他方の面が正レンズと等価な凸面に形成され
た一枚構成のレンズからなり、このレンズを上記点Ｘｃ
を中心とする球面上に配置すると共に、このレンズの側
面は、この側面の母線あるいは稜線の延長線の交点が上
記点Ｘｃにおいて略一致するように形成されている構成
としている。

【００４８】上記の一枚構成のレンズの側面は、遮光す
るための塗装が施されていることが望ましく、また、側
面に遮光性の部材を貼付しても良い。さらに、側面を変
質させることによって遮光性を持たせるようにしても良
い。

【００４９】また、一枚構成のレンズは、単一枚のレン
ズで構成しても良いが、複数枚のレンズを貼り合わせて
一枚構成としても良い。

【００５０】上記の第６の拡大用レンズの構成によれ
ば、複合レンズは、負レンズと正レンズの中心軸が一致
した形状となっているので、上記中心軸を中心とした回
転体とすることができる。

【００５１】従って、複合レンズを、一方の面が負レン
ズと等価な凹面に形成され、他方の面が正レンズと等価
な凸面に形成された単レンズ化したとき、単レンズも回
転体とすることができるので、負レンズと正レンズとを
別々に形成した場合よりも制作が容易となる。

【００５２】さらに、一枚構成のレンズを単一のレンズ
（以下、単レンズと称する）で構成すれば、複合レンズ
に使用されるレンズ枚数の削減が図れ、また、レンズを
収納する鏡筒が不要となるので、複合レンズアレイの製
造に係る費用の低減が図れる。

【００５３】また、単レンズの側面の母線あるいは稜線
の交点がこの単レンズの光軸上の点Ｘｃで一致するよう
に該単レンズの側面形状を定め、この単レンズの側面同
士を密に並べると上記光軸上の点Ｘｃを中心とする球面
上にこの単レンズを配置することができる。このよう
に、上記形状を有する単レンズを並べることによって、
単レンズをアレイ状に並べた拡大用レンズを容易に構成
することができる。

【００５４】第７の拡大用レンズは、物体の拡大像を肉
眼で観察するための拡大用レンズであって、複数の負レ
ンズの主面が同一面上に配置された二次元負レンズアレ
イと、複数の正レンズの主面が同一面上に配置された二
次元正レンズアレイとが、それぞれの負レンズと正レン
ズとで複合レンズを構成するように対向配置されると共
に、上記複合レンズを構成する一対の負レンズ及び正レ
ンズは、それぞれのレンズの主点を結ぶ直線の交点が、
上記二次元正レンズアレイから上記の式（１）で満たさ
れるＳｃだけ離れた点Ｘｃで略一致するように複合レン
ズを直線状に一列に配置して複合レンズアレイを形成す
ると共に、この複合レンズアレイが、上記点Ｘｃを中心
とする略円筒面上に配置されている構成としている。上
記直線状の複合レンズアレイは、複数列であっても良
い。

【００５５】上記の直線状の複合レンズアレイを円筒面
上に並べた構成によれば、上記円筒の母線方向について
は、複合レンズは平面上に配置されるため制作が容易で
あり、上記円筒の円周方向については、収差が少なく広
い見かけ視野を容易に得ることができる。

【００５６】また、円筒上に並べる直線状の複合レンズ
アレイには、同一形状の複合レンズアレイを用いること
ができるので、上記直線状の複合レンズアレイは量産に
よる低価格化が期待できる。

【００５７】第８の拡大用レンズは、第７の構成に加え
て、複合レンズアレイは、負レンズアレイと正レンズア
レイとを収納するための鏡筒を備えると共に、この鏡筒
は、その側面の延長面が、上記点Ｘｃを通りこの直線状
の複合レンズアレイと平行な直線と略一致するように形
成されている構成としている。

【００５８】上記の第８の拡大用レンズの構成によれ
ば、円筒面上への複合レンズアレイは、直線状の複合レ
ンズアレイを円筒上に並べることによって形成すること
ができる。このとき、上記直線状の複合レンズアレイを
収納するための鏡筒を備え、この鏡筒の側面形状が末広
がりであれば、上記側面同士を接合することによって、
希望する円周上に上記複合レンズアレイを並べて拡大用
レンズを容易に構成することができる。

【００５９】また、上記鏡筒の側面の像側の延長面上
に、上記直線状の複合レンズアレイの光軸上の点Ｘｃが
一致するような形状とすることで、上記直線状の複合レ
ンズアレイは上記点Ｘｃを中心とした円筒上に並べるこ
とができる。

【００６０】第９の拡大用レンズは、第１〜８の何れか
の構成に加えて、複合レンズは、最も観察者に近い二次
元レンズアイレイのレンズの主点間隔が、観察者の瞳径
の半分以下に設定されている構成としている。

【００６１】上記の第９の拡大用レンズの構成によれ
ば、最も観察者に近い二次元レンズアレイを形成するレ
ンズ同士の間隔が肉眼の瞳径の半分以下であれば、二次
元レンズアレイを形成するレンズ同士の間隙や遮光枠に
より映像の見えない部分を無くすことができる。

【００６２】これは、映像の見えない部分が以下の場合
に現れるためである。物体のある一点からでた光束は、
隣り合ういくつかの複合レンズが受け持ち、そしてそれ
ぞれの複合レンズから観察者の側にほぼ平行な光束とし
て出射される。このとき、二次元レンズアレイのレンズ
間の間隙や遮光枠が影となり、観察者側では光の届く所
と届かない所ができる。そして、上記影が肉眼の瞳を覆
うとき、上記物体上の一点は見えなくなる。従って、全
体としては、映像の一部が隠されたように見える。

【００６３】これを防ぐには、観察者の瞳が上記影以上
の大きさであればよい。そうすれば複合レンズから来る
光束の少なくとも一つを瞳に入射させることができる。
つまり、隣り合う複合レンズからでる光束の間隙は、最
大でも観察者に最も近い二次元レンズアレイのレンズ間
隔以下であれば良いことになる。従って、上記レンズ間
隔を観察者の瞳の半分以下とすれば、瞳には一本以上の
光束が入射し、映像が部分的に見えなくなるという問題
を解消することができる。

【００６４】ここで、上記第１〜９の拡大用レンズを用
いたディスプレイ装置について説明する。

【００６５】そのディスプレイ装置として、画像を形成
し、この画像を肉眼で観察するための光学機構が、観察
者の眼前に配置されたディスプレイ装置において、上記
光学機構は、画像表示素子と、この画像表示素子上に形
成された画像の拡大像を肉眼でみるための第１〜９の何
れかの拡大用レンズとを少なくとも備えている構成とす
る。

【００６６】上記画像表示素子としては、ブラウン管、
ＥＬ素子、蛍光管、ＬＥＤ等の自発光素子や、液晶素子
等のように光の透過や反射を制御するシャッターアレイ
であれば良い。

【００６７】また、光学機構を観察者の眼前に配置する
ためには、この光学機構をヘルメットやヘアバンド、あ
るいは耳掛け等の部材を用いて頭部に固定しても良い。
また、光学機構にリストバンドを設けて、このリストバ
ンドを持つことにより、観察者の眼前に光学機構を配置
するようにしても良い。さらに、光学機構に三脚等の外
部の保持部材に固定するためのネジ穴等の固定部材を設
けても良い。

【００６８】また、光学機構には、画像表示素子と拡大
用レンズとの間隔を変更するための調整機構を備えても
良い。

【００６９】上記構成によれば、ディスプレイ装置は、
画像表示素子の映像を、第１〜９の何れかの拡大用レン
ズで観察するようになっている。このようなディスプレ
イ装置の作用を拡大用レンズの構成の違いにより以下の
３つの場合に分けて説明する。

【００７０】（１）平面上に複合レンズを並べた拡大用
レンズの場合 上記の拡大用レンズは、従来の同一倍率の単レンズルー
ペに比べ、画像表示素子とレンズとの間隔を短くするこ
とができるので、ディスプレイ装置の中の画像表示素子
の位置を観察者の眼に近づけることができる。これによ
り、装置の前後方向の厚みを軽減できると共に、光学機
構の重心も頭部に近づけることができる。この結果、上
記光学機構を頭部へ装着したときの疲労感を少なくする
ことができる。また、頭部への装着手段に対する負担も
減るため、上記装着手段の簡易化を図ることができる。

【００７１】（２）球面上に複合レンズを並べた拡大用
レンズの場合 この拡大用レンズによれば、周辺での像の劣化がない広
視野映像が得られる。これにより、従来のレンズのよう
に広視野化のためにレンズ枚数を増やす必要がないの
で、広視野化を実現するためのディスプレイ装置の小
型、軽量化を図ることができる。

【００７２】（３）円筒状に複合レンズアレイを並べた
拡大用レンズの場合 上記の拡大用レンズは、一次元の複合レンズアレイを画
面水平方向に円筒状に並べた拡大用レンズを使用すれ
ば、画面の水平方向の視野角を大きくすることができる
ので、シネマサイズのような、画面の水平方向に長い画
像を観察する場合に有効である。

【００７３】また、レンズの物体面は円筒面であるの
で、一次元の画像表示素子を円筒上に並べたり、また平
面画像表示素子を円筒上に曲げるなどして物体面の曲面
化を図ることが容易にできる。

【００７４】次に、本発明のディスプレイ装置について
説明する。

【００７５】請求項１のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、画像を形成し、この画像を肉眼で
観察するための光学機構が、観察者の眼前に配置された
ディスプレイ装置において、上記光学機構は、画像表示
素子と、画像が投影されるスクリーンと、上記画像表示
素子上の画像を上記スクリーン上に投影する投影レンズ
と、スクリーン上に投影された画像の拡大像を肉眼で見
るための拡大用レンズとを少なくとも備えていることを
特徴としている。

【００７６】上記拡大用レンズおよび投影レンズは、何
れも集光することのできる光学系であり、例えば凸レン
ズや複数枚のレンズの集合体、あるいは回折レンズ等を
用いれば良い。また、上記第１〜９の何れかの拡大用レ
ンズからなる複合レンズであっても良い。

【００７７】また、スクリーンの投影面は、白色の散乱
面が望ましい。また、投影面の表面に反射制御のための
微細加工を施しても良く、このときの投影面の表面は鏡
面であっても良い。また、投影画像の輝度調整のため
に、投影面の反射率、あるいは散乱係数を投影面の場所
毎に変えても良い。

【００７８】上記の請求項１の構成によれば、画像表示
素子の表示パターンをスクリーンに投影することによっ
て画像を形成し、そしてその画像を拡大用レンズを通し
て観察する。即ち、投影レンズで形成した画像を拡大用
レンズで見るという光学系を構成している。

【００７９】ここで、拡大用レンズが湾曲収差をもつ場
合、投影面を湾曲化することで虚像の湾曲を平坦化する
ことができる。また、拡大用レンズが歪曲収差を持ち、
その歪みが糸巻き型の場合、投影レンズによって上記歪
みと逆の樽型の歪みをもつ画像を形成すると、上記歪み
を打ち消し合うことができる。

【００８０】このようにして投影レンズや投影面の作用
によって、レンズ枚数を増やしたり、レンズの非球面化
を行うことなしに、拡大用レンズの諸収差を解消するこ
とができる。従って、拡大用レンズの薄型、軽量化、コ
ストダウン等が可能となり、さらにディスプレイ装置の
小型軽量化が可能となる。

【００８１】さらに、スクリーンは、画像を投影し得る
ものであれば、薄板や、またディスプレイ装置の光学部
分を保持するためのハウジングの内壁を利用したもので
もよいので、これによっても、ディスプレイ装置の小
型、軽量、薄型化を図ることが可能となる。

【００８２】請求項２のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項１の構成に加えて、投影レ
ンズとスクリーンとの間に配置され、投影レンズを介し
た画像表示素子からの光を、偏向してスクリーン上で走
査して画像を形成する光路偏向手段を備えていることを
特徴としている。

【００８３】上記光路偏光手段としては、ポリゴンミラ
ー等の回転多面鏡や、振動ミラー等を用いることが望ま
しい。回転多面鏡の場合は、ミラー動作の回転過程で光
路の角度を偏向し、また、振動ミラーの場合は、ミラー
動作の往復回転で光路の角度あるいは位置を変えること
で、スクリーンに画像を形成するようになっている。

【００８４】また、光路偏向が一方向の場合、画像表示
素子としては、画素の配列が直線状に配置した一次元画
像表示素子を使用するのが望ましい。ここで、画素の配
列は一列であっても複数列であっても良い。また、千鳥
状配列でも良い。このとき、光路偏向動作に応じて、一
次元画像表示素子の表示パターンを変えることで、二次
元画像を形成するようになっている。

【００８５】また、光路偏向が複数の方向に行える場
合、投影のための画像表示素子は点光源であっても構わ
ない。

【００８６】また、投影のための光は外部から供給して
もよい。

【００８７】また、投影像のカラー化のために、異なっ
た色の発光素子からなる複数の発光素子、あるいは発光
素子アレイを備えても良い。

【００８８】上記の請求項２の構成によれば、ディスプ
レイ装置は、画像の一部分を画像表示する表示素子の表
示パターンをスクリーンに投影し、そのスクリーンに投
影された像を走査することによって画像を形成する。上
記走査は回転あるいは振動するミラーによる光路偏向手
段によって行う。そして、スクリーン上に形成された画
像を拡大用レンズを通して観察する。

【００８９】これにより、上記構成のディスプレイ装置
は、従来にあるような、表示パターンからの直接光を網
膜上に結像させて走査する方式ではなく、投影面に結像
させて走査する方式であることが分かる。

【００９０】従って、従来の方式による走査の回転中心
は眼の回旋点に置く必要があったが、本方式によれば、
走査の回転中心は光路偏向手段の回転中心に置いて良い
ので、無理なく広範囲にわたる走査が可能となる。ま
た、見かけの視野の広さは、走査範囲には依存せず、走
査によってできる投影面上の画像を見るための拡大用レ
ンズの見かけ視野に依存するので、走査によって見かけ
の視野が制限されることはない。

【００９１】さらに、画像表示素子は一つあるいは一次
元の発光素子や光シャッター等でよいので、ディスプレ
イ装置の小型、軽量化を図ることができる。

【００９２】請求項３のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、画像を形成し、この画像を肉眼で
観察するための光学機構が、観察者の眼前に配置された
ディスプレイ装置において、上記光学機構は、画像表示
素子と、画像が投影されるスクリーンと、上記画像表示
素子上の画像を上記スクリーン上に投影する投影レンズ
と、スクリーン上に投影された画像の拡大像を肉眼で見
るための拡大用レンズとを少なくとも備え、上記拡大用
レンズが、上記投影レンズからスクリーンに至る光路上
に配置されていることを特徴としている。

【００９３】上記の請求項３の構成によれば、拡大用レ
ンズが、上記投影レンズからスクリーンに至る光路上に
配置されていることで、画像表示素子上の発光パターン
を投影レンズと拡大用レンズの二つのレンズを用いてス
クリーン上へ投影して画像を形成することができる。

【００９４】このとき、投影レンズによる表示パターン
の結像位置は、スクリーン上の投影面上ではなく、投影
面上の画像の拡大用レンズによる虚像位置となるように
設定されている。こうすると表示パターンは、投影レン
ズと拡大用レンズの二つのレンズによってスクリーン上
に結像し、画像を形成する。そして、その画像を拡大用
レンズで見る。

【００９５】したがって、画像を見る方向と、画像形成
のための投影方向とを、どちらもスクリーンの投影面の
正面から行うことができるので、画像を見る方向と投影
方向とが異なる場合に生じる画像の非対称な歪みを無く
すことができる。これにより、画像の非対象な歪みを補
正するための手段を設ける必要がなくなるので、装置の
簡素化を図ることができ、装置の小型化および製造に係
る費用の低減をも図ることができる。

【００９６】また、拡大用レンズを用いて投影を行うの
で、拡大用レンズが投影のための光路をふさぐ問題を解
決することができる。そして、投影可能な範囲と画像を
見ることのできる範囲は、両方とも拡大用レンズの見か
け視野角に依存するので、拡大用レンズの見かけ視野を
広げることにより、その見かけ視野に対応した広い範囲
に画像を形成することができる。

【００９７】請求項４のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項３の構成に加えて、光学機
構には、画像表示素子からスクリーンに至る第１光路
と、スクリーンから観察者の眼に至る第２光路とを分離
する光路分離手段が設けられていることを特徴としてい
る。

【００９８】上記光路分離手段としては、価格および取
り扱い易さ等からハーフミラーを使用することが望まし
く、このハーフミラーとしては、ある程度実用的な光の
透過率と反射率とを有することが望ましい。

【００９９】上記の請求項４の構成によれば、拡大用レ
ンズと眼との間に光路分離手段を備え、投影のための第
１光路と画像を見るための第２光路との分離を行う。こ
こで、第１光路は、画像表示素子から始まり、順に投影
レンズ、光路分離手段、拡大用レンズを通りスクリーン
へ至る光路である。また、第２光路は、スクリーンから
始まり、順に拡大用レンズ、光路分離手段を通り眼へ至
る光路である。このとき、光路分離手段としてハーフミ
ラーを使用した場合、第１光路はハーフミラーによって
９０度に折り曲げてからスクリーンへ向かうようにす
る。また、第２光路はハーフミラーを透過するようにす
る。このようにして、第１光路と第２光路とがハーフミ
ラーからスクリーンの間だけ一致あるいは近接するよう
にする。

【０１００】画像の投影と観察をスクリーンの投影面側
の正面から行うことにより、画像の非対称な歪みをなく
すことができるが、そのためには、第１光路と第２光路
とは近接あるいは一致させることが必要となる。

【０１０１】したがって、上記のように、拡大用レンズ
と眼との間に光路分離手段を備え、投影のための第１光
路と画像を見るための第２光路との分離を行うことで、
第１光路と第２光路とが部分的に一致しても、画像表示
素子や投影レンズが眼に重ならないようになっている。

【０１０２】請求項５のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項４の構成に加えて、光路分
離手段に、偏光素子を使用することを特徴としている。

【０１０３】上記偏光素子は、光の偏光状態によって反
射率や透過率が変化するものや、光の偏光状態を変化さ
せるものであり、例えば移相子、旋光子、偏光子、偏光
分離素子等を用いることが望ましい。上記の各偏光素子
は、結晶体や高分子シート、あるいは薄膜等で構成され
る。あるいは、回折素子と組み合わせて構成しても良
い。

【０１０４】上記の請求項５の構成によれば、入射する
光線の偏光状態によって反射と透過の割合が変化する偏
光素子を用いることにより、画像表示素子の表示面から
スクリーンへ至る光路とスクリーンから瞳へ至る光路と
の分離に伴う光量低下を抑えることができる。

【０１０５】請求項６のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項３、４または５の構成に加
えて、投影レンズと拡大用レンズとの間に配置され、投
影レンズを介した画像表示素子からの光を、偏向してス
クリーン上で走査して画像を形成する光路偏向手段を備
えていることを特徴としている。

【０１０６】上記の光路偏光手段による画像表示素子か
らスクリーンに至る第１光路の偏向中心あるいはそのハ
ーフミラーによる虚像と、スクリーンから観察者の眼に
至る第２光路の収束点とを略一致させることが望まし
い。

【０１０７】上記の請求項６の構成によれば、画像の一
部分を表示する画像表示素子の表示パターンを投影レン
ズと拡大用レンズを用いてスクリーンに投影する。そし
て、スクリーン上における投影像を走査することによっ
て画像を形成する。上記走査は回転あるいは振動するミ
ラーによる光路偏向手段によって行う。そして、スクリ
ーン上に形成された画像を拡大用レンズを通して観察す
る。

【０１０８】走査によってつくられる投影像の結像位置
は、光路偏向を行うミラーをほぼ中心とする回転体上に
あるので、スクリーンの投影面がこれと一致しない場
合、結像位置のずれを補正するために補正レンズが必要
である。

【０１０９】しかしながら、上記構成によれば、光路偏
向手段による第１光路の偏向中心あるいはその光路分離
手段としてのハーフミラーによる虚像と、第２光路の収
束点とを略一致させることで、光学系の可逆性から、投
影像の結像位置とスクリーンの投影面とが一致する。こ
のように、拡大用レンズは補正レンズの役割も果たすこ
とができるので、結像位置のずれを補正するために補正
レンズが不要となり、装置の小型軽量化を図ることがで
きる。

【０１１０】請求項７のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項３、４、５または６の構成
に加えて、スクリーンの投影面が鏡面状に形成されると
共に、このスクリーンの投影面上において、画像表示素
子からスクリーンに至る第１光路の入射光と、スクリー
ンから観察者の眼に至る第２光路の反射光とが、スネル
の反射法則を満たすように、上記の第１および第２光路
が設定されていることを特徴としている。

【０１１１】上記の請求項７の構成によれば、画像表示
素子から投影レンズ、そして拡大用レンズを通りスクリ
ーンへ至る光線はスクリーンの投影面において反射し、
上記拡大用レンズを通って眼へ至る。このときの光線の
反射はスネルの法則に従う。つまり、眼には画像表示素
子からの拡散光ではなく、直接光が入射するので、より
明るい映像を得ることができる。

【０１１２】また、画像表示素子からの光はスクリーン
上で結像するから、スクリーンが曲面であっても、拡大
用レンズで見る像（虚像）の倍率は変わらない。

【０１１３】また、スクリーンは鏡面であることが好ま
しいが、拡散面であってもよい。このとき眼には、スク
リーン上の拡散光の中でも光のパワーが集中する正反射
光が入射するので、明るい像を得ることができる。

【０１１４】請求項８のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項１〜７の何れかの構成に加
えて、拡大用レンズとして、複数の負レンズの主面が同
一平面上に配置された二次元負レンズアレイと、複数の
正レンズの主面が同一平面上に配置された二次元正レン
ズアレイとが、それぞれの負レンズと正レンズとで複合
レンズを構成するように対向配置された複合レンズアレ
イを使用することを特徴としている。

【０１１５】上記の請求項８の構成によれば、スクリー
ン上の画像をレンズで拡大して見るディスプレイ装置に
おいて、曲面形状の投影面に画像を形成することによっ
て容易に曲面画像を得ることができるので、拡大用レン
ズとして曲面あるいは円筒上に複合レンズを並べた複合
レンズアレイで観察するための物体面を構成することが
容易になる。

【０１１６】請求項９のディスプレイ装置は、上記の課
題を解決するために、請求項８の構成に加えて、複合レ
ンズアレイは、観察者の眼に最も近い複合レンズ同士の
レンズの主点間隔が、画像表示素子上の１点からこの複
合レンズアレイへ至る光束の径の半分以下に設定されて
いることを特徴としている。

【０１１７】上記の請求項９の構成によれば、画像表示
素子の表示パターンを投影レンズと複合レンズアレイに
よってスクリーンに投影することによって画像を形成す
る。画像表示素子からの光は、投影レンズによって、拡
大用レンズの虚像ができる位置で結像するような光束と
なって複合レンズアレイに入る。このとき、上記光束の
全てが複合レンズのレンズ間の隙間や、遮光枠に当たる
と、画像表示素子の光がスクリーンまで達しないという
問題が生じる。

【０１１８】そこで、複合レンズアレイは、観察者の眼
に最も近い複合レンズ同士のレンズ間隔が、画像表示素
子上の１点からこの複合レンズアレイへ至る光束の径の
半分以下に設定されていることで、上記光束は少なくと
も一つの複合レンズを通って投影面に達することができ
る。

【０１１９】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕本発明のディス
プレイ装置に用いることができる拡大用レンズについ
て、実施の一形態として、図１ないし図９に基づいて説
明すれば、以下の通りである。

【０１２０】図１（ａ）に示すように、本実施の形態に
係る拡大用レンズとしての複合レンズアレイ１は、樹脂
成形によってそれぞれ作製された二次元負レンズアレイ
３と二次元正レンズアレイ５を、遮光性の部材としての
遮光枠４を挟むように配置した構成となっている。

【０１２１】二次元負レンズアレイ３は、図１（ｂ）に
示すように、直径（口径）約１ｍｍの複数の負レンズ９
…が平面状に形成された構成となっており、また、二次
元正レンズアレイ５は、直径約０．９ｍｍの複数の正レ
ンズ１０…が平面状に形成された構成となっている。

【０１２２】ここで、上記負レンズ９は、発散系の光学
系部材であり、本実施の形態では肉厚が薄い両凹の単レ
ンズを用いて説明し、また、正レンズ１０は、収斂系の
光学系部材であり、本実施の形態では肉厚の薄い両凸の
単レンズを用いて説明する。

【０１２３】遮光枠４は、カーボンブラック等の黒色顔
料によって着色された樹脂からなり、二次元負レンズア
レイ３側の面と二次元正レンズアレイ５側の面とを貫通
する複数の開口部４ａ…が設けられている。この開口部
４ａは、二次元負レンズアレイ３側が負レンズ９の直径
と略同一の直径を有し、二次元正レンズアレイ５側が正
レンズ１０の直径と略同一の直径を有する円筒状をな
し、一対の負レンズ９と正レンズ１０との間でそれぞれ
貫通するように形成されている。

【０１２４】つまり、上記一対の負レンズ９・正レンズ
１０と遮光枠４の開口部４ａとで１つの複合レンズ２を
構成している。即ち、上記複合レンズアレイ１は、複数
の複合レンズ２が平面状に配設された構成となってい
る。また、複合レンズ２は、負レンズ９側から入射され
た像を正レンズ１０で拡大して観察するものである。

【０１２５】したがって、上記複合レンズ２は、平面状
に隣接して配置されているにも関わらず、上記遮光枠４
によって、隣接する複合レンズ２からの入射光の影響を
受けないようになっている。

【０１２６】即ち、上記複合レンズアレイ１は、複数の
負レンズ９…の主面が同一平面上に配置された二次元負
レンズアレイ３と、複数の正レンズ１０…の主面が同一
平面上に配置された二次元正レンズアレイ５とが、それ
ぞれの負レンズ９と正レンズと１０で複合レンズ２を構
成するように対向配置された構成となっている。

【０１２７】上記二次元負レンズアレイ３および二次元
正レンズアレイ５は、上記したように樹脂成形によって
得られるが、使用される樹脂は、主にメタクリル樹脂か
らなり、射出成形法、トランスファ成形法等によって所
望する形状に成形される。

【０１２８】レンズとしてメタクリル樹脂を使用する場
合、アクリル樹脂を用いることが望ましい。これは、ア
クリル樹脂は、光線透過率が高く、可視部波長の全般に
わたって光の透過率が均一であるため、透明性の点で、
あらゆる樹脂の中で最も優れているためである。また、
アクリル樹脂は、ガラスに比べて比重が約半分であるの
で、二次元負レンズアレイ３および二次元正レンズアレ
イ５の軽量化を容易に図れる。

【０１２９】上記遮光枠４は、上記したようにカーボン
ブラック等の黒色顔料によって着色された樹脂からなる
が、使用される樹脂としては、二次元負レンズアレイ３
および二次元正レンズアレイ５との接着性の良い樹脂が
望ましい。また、遮光枠４には、弾性のない堅い樹脂を
使用することが望ましい。これは、負レンズ９と正レン
ズ１０とで複合レンズ２を構成する場合、負レンズ９と
正レンズ１０との距離を一定に保つ必要があるためであ
る。

【０１３０】このような樹脂としては、二次元負レンズ
アレイ３および二次元正レンズアレイ５と同材料を用い
るのが良く、本実施の形態では、アクリル樹脂を使用す
る。即ち、遮光枠４は、アクリル樹脂に、このアクリル
樹脂とは相溶しないカーボンブラックを含ませて、射出
成形法等の樹脂成形方法によって形成される。また、ア
クリル樹脂は、弾性がほとんどなく堅いので、遮光枠４
にアクリル樹脂を使用すれば、負レンズ９と正レンズ１
０との距離を一定に保つことができる。

【０１３１】また、上記遮光枠４に使用する材料として
は、上記のように負レンズ９と正レンズ１０との距離を
一定に保つものであれば、金属や木材でも良い。しかし
ながら、金属の場合、樹脂に比べて複合レンズアレイ１
全体が重くなるという問題が生じる。また、木材の場
合、金属よりも軽いが、樹脂との接着、加工面で樹脂同
士に比べれば相性が悪いという問題が生じる。

【０１３２】以上のことから、遮光枠４に使用する材料
としては、二次元負レンズアレイ３および二次元正レン
ズアレイ５との接着、加工面での相性の良さから二次元
負レンズアレイ３および二次元正レンズアレイ５に使用
される材料と同じ材料、上記の場合ではアクリル樹脂を
使用することが望ましい。尚、遮光枠４に使用する樹脂
としては、アクリル樹脂に限定するものではなく、弾性
がなく堅い樹脂で、且つ二次元負レンズアレイ３および
二次元正レンズアレイ５との加工面での相性が良い樹脂
であれば、他の樹脂であっても良い。尚、上記の遮光枠
４にアクリル樹脂を用いる他に、ポリアセタールやポリ
アミド等のエンジニアリングプラスチック、ポリカーボ
ネイト樹脂、エポキシ樹脂等を用いても良い。

【０１３３】上記したように、負レンズ９は発散系の光
学系部材であり、正レンズ１０は収斂系の光学系部材で
ある。また、本実施の形態では、説明の便宜上、図１に
示すように、負レンズ９には一枚の凹レンズを、正レン
ズ１０には一枚の凸レンズを用いて説明する。しかしな
がら、各レンズは、それぞれ複数枚のレンズの集合であ
ってもかまわない。つまり、複数のレンズから発散系の
レンズを構成して良いし、複数のレンズから収斂系のレ
ンズを構成ても良い。また、負レンズ９および正レンズ
１０に、凹レンズおよび凸レンズの代わりに、グレーテ
ィングレンズ等の回折型レンズを用いてもかまわない。

【０１３４】また、二次元レンズアレイは樹脂成形によ
って作製したが、他の方法として切削によるレンズ形状
の加工あるいは基板表面をイオン交換することによる屈
折率分布型レンズの作製等が考えられる。また、平面基
板上にレンズを貼り付けて二次元レンズアレイを作って
も良く、複合レンズ２を円筒部が遮光性の鏡筒に納め、
該鏡筒を平面状に並べる方法によって複合レンズアレイ
１を構成しても良い。

【０１３５】上記複合レンズアレイ１は、図２に示すよ
うに、画像表示素子６と観察者の眼７との間に配置さ
れ、画像表示素子６の拡大像を眼７に結像するようにな
っている。このとき、複合レンズアレイ１は、画像表示
素子６の中心位置Ｘと眼７の瞳位置Ｅとを結ぶ直線（光
軸８）上に、二次元負レンズアレイ３の中心位置Ｈ1 と
二次元正レンズアレイ５の中心位置Ｈ2 とが位置するよ
うに配置されている。

【０１３６】つまり、複合レンズアレイ１の二次元負レ
ンズアレイ３および二次元正レンズアレイ５のレンズ面
は、画像表示素子６の画像形成面と略平行状態となって
おり、且つ画像表示素子６の形成画像が複合レンズ２…
を介してそれぞれ眼７の瞳位置Ｅに到達するように、画
像表示素子６、複合レンズアレイ１および眼７が配置さ
れるようになっている。

【０１３７】このとき、画像表示素子６の中心位置Ｘと
二次元負レンズアレイ３の中心位置Ｈ1 との距離Ｓｏ、
二次元負レンズアレイ３の中心位置Ｈ1 と二次元正レン
ズアレイ５の中心位置Ｈ2 との距離（複合レンズアレイ
１の厚み）Ｓｄ、二次元正レンズアレイ５の中心位置Ｈ
2 と眼７の瞳位置Ｅとの距離Ｓｅを調節することで、観
察者は、複合レンズアレイ１を介して画像表示素子６に
形成された画像の拡大像が観察できる。

【０１３８】ここで、複合レンズアレイ１の複合レンズ
２の物像関係について、図３を参照しながら以下に説明
する。尚、負レンズ９は１枚の薄肉凹レンズ、正レンズ
１０は１枚の薄肉凸レンズとして説明する。また、説明
の便宜上、図中遮光枠４の開口部４ａは省略している。
さらに、複合レンズ２は、負レンズ９の主点１４と正レ
ンズ１０の主点１５が光軸８上に来るように配置されて
いる。

【０１３９】複合レンズ２は、上述したように、負レン
ズ９と正レンズ１０の組み合わせであるとともに、複合
レンズアレイ１の基本構成単位である。複合レンズ２
は、それ単独で物体の拡大像を肉眼で見ることのできる
光学系部材でもある。

【０１４０】したがって、この複合レンズ２によれば、
図３に示すように、負レンズ９の位置Ｈ１からＳｏ（＜
０）だけ離れた物***置Ｘｏ上のある点（以下、物点Ｐ
ｏと称する）に対し、正レンズ１０の位置Ｈ２からＳｉ
（＜０）だけ離れた位置Ｘｉ上において虚像Ｐｉができ
る。この虚像Ｐｉは、物点Ｐｏに対する負レンズ９の虚
像（以下中間像Ｐiiと称する）を、負レンズ９の位置Ｈ
１からＳｄ（＞０）だけ離れた位置Ｈ２にある正レンズ
１０を通して、この正レンズ１０からＳｅ（＞０）だけ
離れた位置Ｘｅから見たときに得られる像である。

【０１４１】次に、上記二次元負レンズアレイ３と二次
元正レンズアレイ５の負レンズ９…・正レンズ１０…の
配置について図４を参照しながら以下に説明する。

【０１４２】任意の複合レンズ２を構成する一組の負レ
ンズ９と正レンズ１０について、負レンズ９の主点１４
と正レンズ１０の主点１５とを結ぶ直線１３が、二次元
正レンズアレイ５の主面７７からＳｃだけ離れた光軸８
上の点Ｘｃを通るように各レンズを配置する。このと
き、二次元負レンズアレイ３の各負レンズ９…の主点１
４…間隔は、二次元正レンズアレイ５の各正レンズ１０
…の主点１５…間隔に比べて大きくなる。これは、負レ
ンズ９の径が正レンズ１０よりも大きいためである。

【０１４３】ここで、視度調整は、像面１２の位置Ｘｉ
を前後させることで行う。即ち、視度調整は、二次元正
レンズアレイ５の主面７７から点Ｘｃまでの距離Ｓｃ
と、二次元負レンズアレイ３の主面７８から物体面１１
の位置Ｘｏまでの距離Ｓｏの値を変えることで行う。二
次元負レンズアレイ３における主点１４間隔と、二次元
正レンズアレイ５に主点１５間隔がそれぞれ固定されて
いれば、二次元レンズアレイの間隔Ｓｄを変えるとＳｃ
の値が変わるので、視度調整は物体面１１の位置Ｘｏと
二次元負レンズアレイ３の位置Ｈ１の移動で行うことが
できる。

【０１４４】また、上記二次元負レンズアレイ３および
二次元正レンズアレイ５は、平面基板上に複数の負レン
ズ９…および正レンズ１０…を形成した構成であるの
で、平面基板上における各レンズ９・１０は固定される
ので、複合レンズアレイ１を構成するときの位置合わせ
が容易となる。

【０１４５】さらに、平面基板上における各レンズ９・
１０は固定されるので、視度調整は二次元負レンズアレ
イ３と二次元正レンズアレイ５との間隔を変化させるこ
とによって行うことができる。したがって、複合レンズ
アレイ１の視度調整を容易に行うことができる。

【０１４６】また、上記二次元負レンズアレイ３および
二次元正レンズアレイ５は、平板状であるので、二次元
負レンズアレイ３と二次元正レンズアレイ５との間に挟
持される遮光枠４の形状を調整することで、二次元負レ
ンズアレイ３と二次元正レンズアレイ５とを平行に保持
することが容易となる。

【０１４７】次いで、複合レンズアレイ１の物像関係に
ついて図５を参照しながら以下に説明する。

【０１４８】各複合レンズ２による物点Ｐｏの中間像Ｐ
iiは、図５に示すように、複合レンズ２の数だけ生成さ
れる。ここで、例えば複合レンズ２ａの中間像Ｐiiは、
添字の一致する中間像Ｐiiａである。これら中間像Ｐii
をそれぞれに対応する複合レンズ２の正レンズ１０を通
して見たときにできる像Ｐｉは、近軸理論のもとで一致
する。従って、物点Ｐｏから出た光が複数の複合レンズ
２を通って眼７に入射したとしても、その光は眼７の網
膜上の一点に集光する。

【０１４９】つまり、観察する物体上の一つの点から出
た光は、複数の複合レンズ２…を通って眼７に入る。そ
して、各複合レンズ２の負レンズ９と正レンズ１０のそ
れぞれの主点１４・１５を結ぶ直線１３が二次元正レン
ズアレイ５からＳｃだけ離れた点Ｘｃで交わるように、
複合レンズ２を平面上に並べたとき、近軸理論下で、複
合レンズ２によってできるそれぞれの像は一致したよう
に見える。即ち、観察する物体の一点からでた光束が複
数の複合レンズ２…を通って眼７に入射しても、前記光
束は網膜上において一点に集光する。よって、上記複合
レンズアレイ１は、物体と像とが一対一に対応するレン
ズであることが分かる。

【０１５０】また、レンズをアレイ化するすることによ
って、個々のレンズの厚みを減らすことができるので、
同一の焦点距離を有する単レンズよりもレンズの薄型軽
量化を図ることができる。この理由を以下に説明する。
一般にレンズ径φ²、レンズの焦点距離ｆ₀、レンズの屈
折率ｎ、レンズ厚ｄ₀とすると、以下の式（２）が成り
立つ。

【０１５１】

【数２】

【０１５２】上記式（２）より、レンズ径φ²がに比例
してレンズ厚ｄ₀が増大することが分かる。これによ
り、同一の焦点距離ｆ₀を有するレンズであれば、レン
ズ径φ²の小さい方がレンズ厚ｄ₀は小さくなる。したが
って、小さいレンズ径φ²を複数集合させたレンズをア
レイ状にして単レンズのレンズ径φ²と同じ大きさにす
れば、上記したように同一の焦点距離を有する単レンズ
よりもレンズの薄型軽量化を図ることができることが分
かる。

【０１５３】さらに、広視野化に伴う像の歪みや湾曲
は、例えば、レンズアレイの周辺部分の複合レンズ２の
焦点距離（負レンズ９と正レンズ１０の合成焦点距離）
を変えることで除去することができる。

【０１５４】このように個々の複合レンズ２の諸特性を
変化させることによって像の補正が可能となる。

【０１５５】ここで、それぞれの複合レンズ２を構成す
る負レンズ９と正レンズ１０の主点１４・１５を結ぶ直
線１３の交点と光軸８上の点Ｘｃが一致しないとき、各
複合レンズ２の像は一致せずに分散する。しかしなが
ら、像が分散したとしても、それが肉眼で認識できなけ
れば支障はない。なぜなら、各複合レンズ２による像Ｐ
ｉのそれぞれの位置のばらつきが眼７の分解能以下であ
れば、眼７は複数の像Ｐｉを一点であると認識するから
である。従って、負レンズ９の主点１４と正レンズ１０
の主点１５を結ぶ直線１３の交点が厳密に点Ｘｃに一致
しなくてもよいし、また各直線１３…が一点で交わらな
くてもよい。また、像の分散が前記より大きくても、観
察する物体の画質によっては、像が分散していることが
わからない場合もある。これらの事情から、複合レンズ
２の並べ方において、実用上は前記直線１３の交点と点
Ｘｃが厳密に一致しなくても差し支えない。

【０１５６】ここで、本複合レンズアレイ１における結
像関係について、図６を参照しながら以下に説明する。

【０１５７】先ず、図６で使用する記号について以下に
説明する。

【０１５８】Ｐｏ：物点（見るべき対象のある一点） Ｐｉ：像点（複合レンズアレイ１によってできる物点の
虚像） Ｈ１：第１の負レンズの主点 Ｈ２：第１の正レンズの主点 Ｈ1a：第２の負レンズの主点 Ｈ2a：第２の正レンズの主点 Ｐii：第１の中間像（第１の負レンズによってできる物
点の虚像） Ｐiia ：第２の中間像（第２の負レンズによってできる
物点の虚像） Ｆ1i：第１の負レンズの像側焦点位置 Ｆ1o：第１の負レンズの物側焦点位置 Ｆ2o：第１の正レンズの物側焦点位置 Ｆ2i：第１の正レンズの像側焦点位置 Ｆ1ia ：第２の負レンズの像側焦点位置 Ｘi ：像点の光軸８上の位置 Ｘo ：物点の光軸８上の位置 Ｘii：中間像の光軸８上の位置 Ｘc ：第２の負レンズの主点と第２の正レンズの主点と
を結ぶ直線の光軸８上での交点 Ｑ：距離ＰｏＸｏ＝距離ＱＨ１なる点 Ｓｏ（＜０）：物体距離（ＸｏＨ１） Ｓｉ（＜０）：像距離（ＸｉＨ２） Ｓii（＜０）：中間像距離（ＸiiＨ１） ｆ１（＜０）：第１及び第２の負レンズの焦点距離（Ｆ
1iＨ１、Ｈ１Ｆ1o） ｆ２（＞０）：第１及び第２の正レンズの焦点距離（Ｈ
２Ｆ2o、Ｆ2iＨ２） Ｓｄ（＞０）：負レンズの主面と正レンズの主面との距
離（Ｈ２Ｈ１） Ｓｃ（＞０）：距離ＸｃＨ２ 以上の記号は、図６に記載しているが、図が煩雑になる
のを防止するために、光軸８に垂直な方向の距離につい
ては、以下に定義するのみとする。

【０１５９】Ｙｉ：像点高さ（ＰｉＸｉ） Ｙｏ：物点高さ（ＰｏＸｏ） Ｙii：第１の中間像高さ（ＰiiＸii） Ｙiia ：第２の中間像高さ（Ｐiia Ｘii） Ｙh1：負レンズアレイに関する第１の負レンズと第２の
負レンズとの間隔（以下、負レンズ間隔と称する）（Ｈ
1aＨ１） Ｙh2：正レンズアレイに関する第１の正レンズと第２の
正レンズとの間隔（以下、正レンズ間隔と称する）（Ｈ
2aＨ２） 図６において、点Ｈ１、Ｈ1aを含み光軸８に垂直な面は
負レンズに共通な主面７８であり、点Ｈ２、Ｈ2aを含み
光軸８に垂直な面は正レンズに共通な主面７７である。

【０１６０】また、説明の便宜上、第１の負レンズ、正
レンズのそれぞれの主点Ｈ１、Ｈ２を光軸８上に設定し
た。この第１の負レンズおよび第１の正レンズの組み合
わせを第１の複合レンズとする。また、第２の負レン
ズ、正レンズは、光軸８から離れたところに設定した。
特に、Ｙh2＝Ｙiia となるように正レンズ間隔と第２の
中間像の高さとを一致させた。即ち、第２の正レンズの
物点であるＰiia を第２の正レンズの光軸７９上に定め
たことになる。

【０１６１】従って、第２の正レンズの像点であるＰｉ
も第２の正レンズの光軸７９上に現れるので、ＰｉとＰ
iia とＨ2aとが一直線上に並ぶことになる。これによ
り、結像関係を示す関係式の導出が簡単になる。

【０１６２】ここで、主点を基準としてレンズの一般的
な関係式を記す。先ず、負レンズについて、負レンズに
着目したときの物点はＰｏ、そして像点はＰiiあるいは
Ｐiia であるので、以下の式（３）が成り立つ。

【０１６３】

【数３】

【０１６４】次に、正レンズについて、正レンズに着目
したときの物点はＰiiあるいはＰiia 、そして像点は共
通してＰｉであるので、以下の式（４）が成り立つ。

【０１６５】

【数４】

【０１６６】次に、上記のレンズの一般的な関係式に基
づいて、複合レンズアレイ１における結像関係を示す関
係式の導出について、以下に説明する。

【０１６７】先ず、第２の正レンズに注目すると、物点
Ｐｏから発せられた光線は第２の正レンズの像側（図
中、正レンズの主面７７よりも右側）において、あたか
もＰｉから光線が発せられたように振る舞う。このと
き、Ｐｉと第２の正レンズの主点Ｈ2aを結ぶラインは、
第２の正レンズの光軸７９に平行である。したがって、
Ｐｏからの光線は前記の主点Ｈ2aにおいて光軸７９と平
行に進む。

【０１６８】次に、第１の正レンズに注目すると、その
物点はＰiiに対応している。近軸理論における正レンズ
の結像に関するルールでは、レンズの物側焦点位置から
発せられた光線はレンズの屈折作用により、そのレンズ
の像側において光軸８と平行な光線となる。図中第１の
正レンズの物側焦点位置はＦ1iである。Ｆ1iからその第
１の正レンズの物点Ｐiiを結ぶラインの光線も前述のル
ールにより、第１の正レンズの主面７７より右側で光軸
８と平行な光線となる。

【０１６９】以上のことから、Ｆ1iとＰiiとを結ぶライ
ンの延長にＨ2aがあると、Ｐｏからの光は、Ｈ2aから光
軸８に平行な光線となる。即ち、Ｈ2aにおいて、第１の
正レンズを通っても第２の正レンズを通っても、結局光
線は同一のものとなる。これは、第１の正レンズの物点
Ｐiiに対する像点と第２の正レンズの物点Ｐiia に対す
る像点は共にＰｉであり共通であることを意味する。つ
まり、どちらの正レンズを通して見ても、等しい場所に
像（Ｐｉ）が見えることになる。

【０１７０】このようにして正レンズに関する条件とし
て、Ｆ1iとＰiiとを結ぶラインの延長がＨ2aを通るとい
うことが分かる。

【０１７１】上記した条件から関係式を導くために、図
中の３点Ｆ2o、Ｈ2a、Ｈ２からなる三角形に着目する。
比例関係から、以下の式（５）が得られる。

【０１７２】

【数５】

【０１７３】次に、負レンズに注目すると、近軸理論に
おける負レンズの結像に関するルールでは、負レンズの
像側焦点位置と負レンズの像とを結ぶラインの負レンズ
との交点Ｑの高さは物体Ｐｏの高さに等しい。従って、
３点Ｆ1i、Ｑ、Ｈ１かなる三角形と３点Ｆ1ia 、Ｑ、Ｈ
1aからなる三角形とに着目して比例関係から関係式
（６）（７）が得られる。

【０１７４】

【数６】

【０１７５】

【数７】

【０１７６】上記式（５）（６）（７）から、以下の式
（８）が得られる。

【０１７７】

【数８】

【０１７８】また、上記式（３）から、以下の式（９）
が得られる。

【０１７９】

【数９】

【０１８０】次に、光軸８上の点Ｘｃを求めるために、
３点Ｈ１、Ｈ1a、Ｘｃからなる三角形に着目し、この三
角形からの比例関係と上記（式（８）（９）から、以下
の式（１０）が得られる。

【０１８１】

【数１０】

【０１８２】上記式（１０）がレンズ配置を決定するた
めの条件式である。

【０１８３】ここで、負レンズの主点Ｈ１から虚像Ｐｉ
（光軸８上のＸｉ）までの距離Ｓｉは、以下の式（１
１）により得られる。

【０１８４】

【数１１】

【０１８５】また、Ｓｉ＝−∞のとき、上記式（１１）
から以下の関係式（１２）を求める。このとき、Ｘii＝
Ｆ2oを用いて、物点の光軸８上の位置を決定する。

【０１８６】

【数１２】

【０１８７】一般に、最も観察者に近い二次元レンズア
レイを形成するレンズ同士の間隔が肉眼の瞳径により、
二次元レンズアレイを形成するレンズ同士の間隙や遮光
枠により映像の見えない部分が発生する。

【０１８８】このような映像の見えない部分は、以下の
場合にあらわれる。物体のある一点から出た光束は、隣
り合ういくつかの複合レンズ２…が受け持ち、そしてそ
れぞれの複合レンズ２から観察者の側にほぼ平行な光束
として出射される。このとき二次元レンズアレイ３のレ
ンズ間の間隙や遮光枠が影となり、観察者側では光の届
く所と届かない所ができる。そして、前記影が肉眼の瞳
を覆うとき、前記物体上の一点は見えなくなる。従って
全体としては、映像の一部が隠されたように見える。

【０１８９】これを防ぐには、観察者の瞳が前記影以上
の大きさであればよい。そうすれば複合レンズから来る
光束の少なくとも一つを瞳に入射させることができる。
ここで隣り合う複合レンズからでる光束間隙は、最大で
も観察者に最も近い二次元レンズアレイのレンズ間隔以
下である。従って、前記レンズ間隔を観察者の瞳の半分
以下とすれば、瞳には一本以上の光束が入射し、映像が
部分的に見えなくなるという問題を解消することができ
る。

【０１９０】ここで、上記の複合レンズアレイ１におい
て、物点から像側（観察者側）へ至る光の光束について
図７を参照しながら以下に説明する。尚、像側における
光束の収束点は像Ｐｉの位置にある。また、各複合レン
ズ２ａ、２ｂ…を通る光束は光束１９ａ、１９ｂ…のよ
うに、複合レンズ２の添字と光束１９の添字を一致して
表示している。ここで、複合レンズ２ｅを通る光束が存
在しないのは、中間像Ｐiiｅを複合レンズ２ｅの正レン
ズ１０ｅから見たとき、遮光枠４で遮られるためであ
る。

【０１９１】このように物点Ｐｏからの光束１９は、図
７に示すように、遮光枠４や二次元レンズアレイ内のレ
ンズ間の隙間等で遮られるため、離散的になる。光束と
他の光束との隙間に眼７の瞳がある場合、物点Ｐｏを見
ることができない。このとき物体面１１全体を見たと
き、至る所に像の欠落、あるいは影があるように見える
という問題が生じる。この問題を解決するには、隣り合
う複合レンズ２からの光束のうち、少なくともどちらか
の光束が瞳に入射するよう、光束とその隣の光束との間
隔を狭めればよい。光束とその隣の光束との間隔は、大
きくても、正レンズ１０の主点１５間隔の２倍にすれば
良い。従って、主点１５間隔が瞳径の半分以下となるよ
うに正レンズ１０の主点１５間隔を定めれば良いことに
なる。

【０１９２】上記の構成において、本実施の形態におけ
る複合レンズアレイ１を構成する複合レンズ２は、負レ
ンズ９による像（虚像）を正レンズ１０によって拡大し
た像（虚像）として見るための光学系部材である。即
ち、観察する物体からの光は複合レンズ２の負レンズ９
に入り、正レンズ１０から出て眼７に至る。この複合レ
ンズアレイ１は、従来の同一倍率の単一レンズルーペに
比べて、レンズと眼との距離は変わらず、物体とレンズ
との距離を短くすることができる。

【０１９３】ここで、レンズと眼との間隔について、以
下に説明すると共に、図８を参照しながら、複合レンズ
２は、従来の同一倍率の単一レンズルーペに比べて、レ
ンズと眼との距離は変わらず、物体とレンズとの距離を
短くすることができる点について説明する。

【０１９４】始めに、一般的な単レンズにおけるレンズ
倍率を定義する。一般にレンズの倍率は、像Ｐｉが無限
遠方にあるとき、そのレンズの像側焦点位置に眼を置い
たときに定められ、以下の式（１３）で定義される。こ
こで、レンズの倍率をｍ、見るべき物体上のある点Ｐか
ら出た光線のレンズ像側での光軸に対する進行角度を
ｔ、上記点Ｐをレンズが無い状態で明視距離２５０ｍｍ
だけ離して見たときの点Ｐと眼とを結ぶラインと光軸と
のなす角度をｕとする。

【０１９５】

【数１３】

【０１９６】上記式（１３）から、焦点距離ｆの正レン
ズの倍率ｍは、明視距離２５０ｍｍを用いて、以下の式
（１４）で表すことができる。

【０１９７】

【数１４】

【０１９８】また、眼は、レンズの像側焦点位置に定め
るので、レンズとの距離がｆとなる。また、レンズ倍率
の定義より、レンズによってできる像を無限遠方上に定
めているので、物体とレンズとの距離もｆとなる。この
とき、物体からの光線は、レンズにはいるまでは光軸と
平行に進む。

【０１９９】次に、図８を用いて、本実施の形態におけ
る複合レンズアレイ１での倍率の定義について説明す
る。この場合も、像Ｐｉを無限遠方上に置いた場合で考
える。即ち、Ｓｉ＝−∞である。このときの正レンズ１
０の像側（正レンズ１０の主面７７の右側）での光線の
進行角ｔは、以下の式（１５）で表される。

【０２００】

【数１５】

【０２０１】この場合、眼の位置は、従来のレンズと同
じように物点Ｐｏからの光が光軸８と平行になるような
光線が像側において光軸８と交わる点に眼を置くように
する。このときの眼の位置が図中点Ｘｅである。正レン
ズ１０の主面７７から点Ｘｅまでの距離はＳｅである。
これが、単レンズの焦点距離ｆに対応する。この単レン
ズでは、物体とレンズとの距離もｆであったが、本複合
レンズアレイ１ではＳｅの出発点である主面７７の光軸
８に交わる点Ｈ２と、物点Ｐｏから光軸８に垂直に下ろ
した点Ｘｏとの距離（Ｓｄ−Ｓｏ）である。

【０２０２】よって、上記のＳｄ−ＳｏがＳｅよりも短
ければ単レンズの場合よりも物体とレンズとの距離が短
くなっていることが言える。本複合レンズアレイ１で
は、Ｓｄ−ＳｏがＳｅよりも短くなることについて以下
に説明する。

【０２０３】上記Ｓｅは、図８における比例関係から、
以下の式（１６）で表される。

【０２０４】

【数１６】

【０２０５】一方、Ｓｉを無限遠方に設定したとき、即
ちＳｉ＝−∞のとき、Ｓｏは、前記式（１２）より、以
下の式（１７）で表される。

【０２０６】

【数１７】

【０２０７】上記の式（１７）より、Ｓｄは、以下の式
（１８）で表される。

【０２０８】

【数１８】

【０２０９】上記の式（１６）、（１７）、（１８）か
らＳｅ−（Ｓｄ−Ｓｏ）＞０を、以下の式（１９）によ
り証明する。

【０２１０】

【数１９】

【０２１１】ここで、ｆ₂＞０、ｆ₁＜０、Ｓｏ＜０であ
るので、ｆ₂・Ｓｏ²＞０、Ｓｏ・ｆ ₁・ｆ₂＞０、Ｓｏ²
＞０、ｆ₁ ²＞０、Ｓｏ・ｆ₁＞０となる。よって、Ｓｅ
−（Ｓｄ−Ｓｏ）＞０となる。

【０２１２】以上のことから、複合レンズアレイ１は、
従来の同一倍率の単一レンズルーペに比べて、レンズと
眼との距離は変わらず、物体とレンズとの距離を短くす
ることができることが分かる。

【０２１３】また、レンズと眼との間隔は、見やすさの
点からある程度確保することが望ましい。例えば眼鏡を
かけたまま観察する場合はレンズと眼との間隔の広さが
必要となる。しかし、物体面とレンズとの間隔は短い方
が小型化の点から有利である。従って、本実施の形態に
おける複合レンズアレイ１は、レンズと眼との間隔を保
ちつつ、物体とレンズとの間隔を従来レンズに比べ短縮
することができるため、光学系の短縮と、見やすさを兼
ね備えた光学系であるといえる。

【０２１４】また、本複合レンズアレイ１は、従来の同
一倍率の単レンズルーペに比べ、画像表示素子６とレン
ズとの間隔が短いので、複合レンズアレイ１を頭部等の
身体の一部に装着して、テレビやビデオ映像を鑑賞する
個人用途の携帯型ディスプレイ装置に適用した場合、デ
ィスプレイ装置の中の画像表示素子６の位置を観察者の
眼に近づけることができる。また、装置の重心も頭部に
近づけることができる。その結果、前記装置を頭部へ装
着したときの疲労感を少なくすることができる。また頭
部への装着手段に対する負担も減るため、前記装着手段
の簡易化を図ることができる。

【０２１５】尚、本実施の形態では、負レンズ９および
正レンズ１０に薄肉レンズを使用して説明したが、本発
明は、これに限定するものではなく、負レンズ９および
正レンズ１０ともに厚肉レンズを使用した場合にも適用
することができる。この場合、図９に示すように、各レ
ンズの主点を像側と物側との２点にすると共に、各レン
ズの主面間隔（レンズの主点間隔）を明確にすれば良
い。

【０２１６】以下に、図９で使用される記号について説
明する。

【０２１７】Ｈ1o：第１の負レンズの物側主点 Ｈ1i：第１の負レンズの像側主点 Ｈ1oa ：第２の負レンズの物側主点 Ｈ1ia ：第２の負レンズの像側主点 Ｈ2o：第１の正レンズの物側主点 Ｈ2i：第１の正レンズの像側主点 Ｈ2oa ：第２の正レンズの物側主点 Ｈ2ia ：第２の正レンズの像側主点 Ｓｈ1 （＞０）：負レンズの主面間隔（あるいは第１の
負レンズの主点間隔） Ｓｈ2 （＞０）：正レンズの主面間隔（あるいは第１の
正レンズの主点間隔） とし、図中の他の記号および符号は、前記した図６に使
用したものと同じとする。

【０２１８】また、図８において、点Ｈ1o、Ｈ1oa を含
み光軸８に垂直な物側の面は負レンズに共通な主面７８
ａであり、点Ｈ1i、Ｈ1ia を含み光軸８に垂直な像側の
面は負レンズに共通な主面７８ｂである。また、点Ｈ2
o、Ｈ2oa を含み光軸８に垂直な物側の面は正レンズに
共通な主面７７ａであり、点Ｈ2i、Ｈ2ia を含み光軸８
に垂直な像側の面は正レンズに共通な主面７７ｂであ
る。

【０２１９】また、説明の便宜上、第１の負レンズ、正
レンズのそれぞれの主点Ｈ1o、Ｈ1i、Ｈ2o、Ｈ2iを光軸
８上に設定した。この第１の負レンズおよび第１の正レ
ンズの組み合わせを第１の複合レンズとする。また、第
２の負レンズ、正レンズは、光軸８から離れたところに
設定した。特に、Ｙh2＝Ｙiia となるように正レンズ間
隔と第２の中間像の高さとを一致させ、第２の負レン
ズ、正レンズのそれぞれの主点Ｈ1oa 、Ｈ1ia 、Ｈ2oa
、Ｈ2ia を光軸７９上に設定したことになる。

【０２２０】従って、第２の正レンズの像点であるＰｉ
も第２の正レンズの光軸７９上に現れるので、ＰｉとＰ
iia とＨ2aとが一直線上に並ぶことになる。これによ
り、結像関係を示す関係式の導出が簡単になる。

【０２２１】これにより、厚肉レンズにおいても図６で
求めた関係式と同様の関係式を得ることができる。

【０２２２】〔実施の形態２〕本発明のディスプレイ装
置に用いることができる他の拡大用レンズの実施の形態
について、図１０ないし図１８に基づいて説明すれば、
以下の通りである。尚、説明の便宜上、前記実施の形態
１と同一の機能を有する部材には、同一の符号を付記
し、また、図中に示す記号も同一のものを付記し、その
説明は省略する。

【０２２３】図１０に示すように、本実施の形態に係る
複合レンズアレイ２１は、レンズ中心軸２７が一致する
負レンズ９と正レンズ１０とを組み合わせた複合レンズ
２２を有している。複合レンズ２２は、前記実施の形態
１で説明したように、図３に示す働きをし、しかもすべ
ての複合レンズ２２はレンズ中心軸２７に対し回転対称
形である。

【０２２４】複合レンズ２２は、光軸８上における正レ
ンズ１０からＳｃだけ離れた位置Ｘｃを中心とする球面
上に配置する。ここで、半径Ｓｃの球面上には正レンズ
１０の主点Ｈ２、また半径（Ｓｃ＋Ｓｄ）の球面上には
負レンズ９の主点Ｈ１を一致させる。つまり、複合レン
ズアレイ２１は、これらの複合レンズ２２を球面状に並
べたものである。従って、どの複合レンズ２２のレンズ
中心軸２７も、複合レンズアレイ２１の光軸８とするこ
とができる。ここでは、説明の便宜上、複合レンズアレ
イ２１の中央に配置されている複合レンズ２２のレンズ
中心軸２７を光軸８とする。

【０２２５】各複合レンズ２２を並べる方法の一つに、
図１０に示すように、複合レンズ２２を遮光性の筒２４
に納めて並べる方法がある。このとき、遮光性の筒２４
の側面の母線あるいは稜線の延長線２８がＸｃで交わる
ように遮光性の筒２４の形状を定めると、遮光性の筒２
４の側面の母線あるいは稜線を密着させて並べたとき、
複合レンズ２２はＸｃを中心とした球面上に並ぶ。つま
り、遮光性の筒２４は、遮光性の筒２４の側面の母線あ
るいは稜線を密着させて並べたとき、複合レンズ２２は
Ｘｃを中心とした球面上に並ぶように、負レンズ９側の
開口部が正レンズ１０側の開口部よりも大きくなるよう
に形成されている。ここで、遮光性の筒２４の側面形状
は、図１１に示すように、６面体の筒状、あるいは図１
２に示すように、多面体の筒状であればよい。

【０２２６】以上のように、本複合レンズアレイ２１
は、複合レンズ２２を収納する鏡筒としての遮光性の筒
２４の側面の母線あるいは稜線の延長線２８が該複合レ
ンズアレイ２１の光軸８上の点Ｘｃで交わるような形状
を有する遮光性の筒２４を、該遮光性の筒２４の側面同
士で密着して並べているので、遮光性の筒２４内に収ま
っている負レンズ９と正レンズ１０とがそれぞれ前記光
軸８上の点Ｘｃを中心とする球面上に配置される。この
ように前記形状を有するように遮光性の筒２４…を並べ
ることによって、容易に球面状の複合レンズアレイ２１
を構成することができる。

【０２２７】また、複合レンズ２２は、負レンズ９と正
レンズ１０のレンズ中心軸２７が一致した形状なので、
該レンズ中心軸２７を中心とした回転体とすることがで
きる。従って、複合レンズを単レンズ化したとき、単レ
ンズも回転体とすることができるので制作が容易とな
る。

【０２２８】また、複合レンズアレイ２１には、上記し
た複合レンズ２２の他に、図１３（ａ）（ｂ）に示すよ
うに、一枚構成のレンズ３３で構成した複合レンズ３２
を用いても良い。このレンズ３３は、一端面の凹状の曲
面３３ａが負レンズの、また、他端面の凸状の曲面３３
ｂが正レンズの働きをするようになっている。また、レ
ンズ３３の周囲には、筒状の遮光部材３４が設けられて
いる。尚、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＸ・Ｘ線矢
視断面図である。

【０２２９】上記のように、複合レンズ３２を構成する
レンズ３３を単レンズとすることでレンズ枚数が減り、
コストダウンが図れる。また、レンズ３３の側面の母線
あるいは稜線の交点が該複合レンズアレイ２１の光軸８
上の点Ｘｃで一致するようにレンズ３３の側面形状を定
め、該レンズ３３の側面同士を密に並べると前記光軸８
上の点Ｘｃを中心とする球面上に該レンズ３３を配置す
ることができる。このように前記形状を有するレンズ３
３を並べることによって、容易に複合レンズアレイを構
成することができる。

【０２３０】また、上記のように一枚のレンズ３３で複
合レンズ３２を構成した場合、上記のように別に遮光部
材３４を設けなくとも、例えばレンズ３３側面に黒い塗
料を塗布すれば、遮光部材としての働きをする。これに
より、レンズ３３を収納する遮光部材３４が不要となる
ので、複合レンズアレイの構成を簡素なものとすること
ができ、コストダウンが図れる。

【０２３１】さらに、球面状に複合レンズ２２を配列し
た複合レンズアレイ２１としては、遮光性の筒２４を用
いずに、二次元負レンズアレイと二次元正レンズアレイ
をそれぞれ曲面基板上に形成し、間に遮光枠を挟んだ構
成でも良い。例えば、図１４に示すように、球面状の二
次元正レンズアレイ４５と二次元負レンズアレイ４３と
の間に、遮光枠４４が挟持した構成の複合レンズアレイ
４１が考えられる。

【０２３２】また、上記複合レンズアレイ４１の物体面
は、球面形状であるので、観察する画像表示素子４６
は、複合レンズアレイ４１の物体面、即ち二次元負レン
ズアレイ４３の形成面の形状に沿った球面形状であるこ
とが望まれる。この球面状の画像表示素子４６は、図１
５に示すように、球面状の多層マトリクス配線基板４６
ａにＬＥＤチップ４６ｂを実装することにより作製し
た。この他に、ＥＬ素子や蛍光表示素子等を曲面状に並
べる方法や、曲面状の液晶ディスプレイやブラウン管等
を用いてもよい。また、平面の画像表示素子の前面にレ
ンズを取り付けて、その像面を球面状に湾曲させる方法
もある。また、複合レンズ２の合成焦点距離を、複合レ
ンズアレイ４１の中央から周辺にかけて徐々に長くする
ことによって、複合レンズアレイ４１の物体面を平坦化
させ、平面の画像表示素子６を見ることができるように
しても良い。

【０２３３】上記複合レンズアレイ４１において、画像
表示素子４６の球面形状の物体面を観察する場合につい
て、図１６ないし図１８に基づいて以下に説明する。
尚、前記実施の形態１と同様に、負レンズ９は薄肉凹レ
ンズ、正レンズ１０は薄肉凸レンズとする。また、負レ
ンズ９と正レンズ１０とで複合レンズ４２を構成してい
る。

【０２３４】まず、複合レンズアレイ４１を構成する二
次元負レンズアレイ４３及び二次元正レンズアレイ４５
の配置を説明する。

【０２３５】複合レンズアレイ４１は、図１６に示すよ
うに、Ｘｃを中心とした半径Ｓｃの球面上に二次元正レ
ンズアレイ４５の主点Ｈ２を、そして半径（Ｓｃ＋Ｓ
ｄ）の球面上に二次元負レンズアレイ４３の主点Ｈ１を
配置した構成である。

【０２３６】各複合レンズ４２の物体面は、負レンズ９
からレンズ中心軸２７上においてＳ（＜０）だけ離れた
位置Ｘｏを通る平面であるので、それぞれの複合レンズ
４２が固有の物体面を持つことになる。そこで、複合レ
ンズアレイ４１の物体面４７は、各複合レンズ４２…の
もつ物体面を擬似的に平均化したものとし、Ｘｃを中心
とする半径（Ｓｃ＋Ｓｄ−Ｓ）の球面上に定める。この
ときの像面４８は、複合レンズ４２の正レンズ１０から
Ｓｉの距離の位置に配置される。

【０２３７】次に、複合レンズアレイ４１の物像関係に
ついて図１７を参照しながら以下に説明する。物体面４
７上の物点Ｐｏに対する中間像Ｐii、複合レンズ４２の
数だけ生成される。ここで、例えば複合レンズ４２ａの
中間像は、添字の一致する中間像Ｐiiａである。図中、
中間像Ｐiiｄと中間像Ｐiiｅは、遮光枠４４に遮られる
ため、正レンズ１０を通して見ることができない。従っ
て、複合レンズアレイ４１によって像面４８に生成され
る像は、複合レンズ４２ａ〜４２ｃによる像Ｐｉａ〜Ｐ
ｉｃとなる。

【０２３８】このように、物点Ｐｏに対する像Ｐｉは一
致せずに分散して見える。このような像Ｐｉの分散は、
各複合レンズ４２の物体面が複合レンズアレイ４１の物
体面４７と一致していないことに原因がある。これは複
合レンズ４２のレンズ径を小さくし、同一球面内におけ
るレンズの主点間隔を狭めることで解決できる。レンズ
径を小さくすると、一つの複合レンズで見える角度、所
謂視野角が狭まる。

【０２３９】従って、物点Ｐｏを見ることのできる複合
レンズ４２の数が減少し、それだけ生成される像Ｐｉの
数も減る。また前記主点間隔を狭めると、像Ｐｉの生成
に関わるそれぞれの複合レンズ４２のレンズ中心軸２７
のなす角度が小さくなるため、像Ｐｉの分散が小さくな
る。こうして、像の分散を小さくすると、像Ｐｉは一つ
に見えるようになる。例えば、負レンズ９の焦点距離ｆ
１が−１５ｍｍ、正レンズ１０の焦点距離ｆ２が２０ｍ
ｍ、レンズ間隔Ｓｄが１０ｍｍ、隣り合う複合レンズ４
２のレンズ中心軸２７のなす角度が約２度、そして負レ
ンズ９径が１ｍｍのとき、一つの物点Ｐｏに対する像Ｐ
ｉの分散は、視角に換算して約１分以内に収まる。これ
は実用上許容できる値である。

【０２４０】次いで、物点Ｐｏから像側へ至る光束につ
いて図１８を参照しながら以下に説明する。前述のよう
に、複合レンズ４２のレンズ中心軸２７は、全てＸｃを
通っているので、Ｘｃを通る光束１９ｂは最も物点Ｐｏ
に近い複合レンズ４２ｂを通る。このとき光束１９ｂは
複合レンズ４２ｂのレンズ中心軸付近を通るので、レン
ズの収差の影響を受けにくい。従って、眼をＸｃの位置
におくと、収差の少ない像を得ることができる。

【０２４１】また、複合レンズ４２をさらに並べて広い
見かけ視野を有する複合レンズアレイ４１としても、視
野の中央あるいは周辺に関係なく、物点に最も近い複合
レンズによる光束によって像を見るので、常に良好な像
を得ることができる。

【０２４２】ところで、観察する物体上の一つの点から
出た光は、複数の複合レンズ４２…を通って眼に入る。
このとき、各複合レンズ４２によって見える像は厳密に
は一致しない。なぜなら、点Ｘｃを中心とする球面上に
複合レンズＸｃを中心とする球面上に複合レンズ４２を
配置しているので、それぞれの複合レンズ４２の物体面
は、点Ｘｃを中心とする球面の接平面となるからであ
る。つまり、球面上の異なる位置の接平面は一致しない
から、各複合レンズの物体面も一致しないからである。

【０２４３】このようにお互いの複合レンズ４２の物体
面が一致しないので、それぞれの像も原理的に一致しな
い。従って、一つの物点に対するそれぞれの複合レンズ
４２の像は一致せずに分散する。ところが、前記複合レ
ンズ４２のレンズ径を小さくすると、ある一つの物点に
対する像の数は減少するとともに、それぞれの分散を小
さくすることができる。なぜなら、前記複合レンズ４２
は少なくとも２枚のレンズで構成されるので、お互いの
レンズが開口絞りの役割を果たすため、レンズ径を小さ
くすると観察可能な範囲は狭まる。その結果、ある一つ
の物点を見ることのできる複合レンズ４２の数が減少す
る。すなわち、一つの物点に対する像の数が減る。像の
数を減らすことは、分散の大きな像を消去することに対
応する。また、レンズ径を小さくすると、隣り合う複合
レンズの光軸同士のなす角度が小さくなるので、像の分
散が小さくなる。

【０２４４】従って、個々の複合レンズ４２による同一
物点に対するそれぞれの像の位置ずれを視角に換算した
とき、前記視角が眼の分解能力以下であれば、分散して
いる像は一つの像と認識される。このように本光学系は
レンズ径を小さくすることによって擬似的に物体と像と
を一対一に対応させることができる。

【０２４５】また、観察者の目の回旋点を点Ｘｃにおく
と、どの複合レンズ４２に対してもその光軸上から見る
ことができるので、結像状態に関し、視野の中央と周辺
との差はなくなる。すなわち、複合レンズ４２を広範囲
に並べて見かけ視野を広げても、従来レンズのように周
辺像の劣化がない。また、収差補正のためにレンズ枚数
を増やす必要もない。

【０２４６】さらに、複合レンズ４２のレンズ径を小さ
くすると、前記複合レンズ４２の光軸近傍を通る光を観
察することができるので、個々の複合レンズ４２につい
て、諸収差の少ない良好な像を得ることができる。ま
た、レンズ系を小さくするとレンズの厚みが減り、また
レンズの重さも減少する。

【０２４７】従って、レンズ径を小さくした複合レンズ
を用い、点Ｘｃの付近から観察することで、広い見かけ
視野を有する光学系でありながら、小型、薄型、軽量で
あり、さらに収差の少ない良好な像を提供することがで
きる。

【０２４８】以上のように、本複合レンズアレイ４１に
よれば、レンズ周辺での像の劣化がない広視野映像が得
られる。これによれば、従来の拡大レンズのように広視
野化を図るためにレンズ枚数を増やすことなく広視野化
を実現することができるので、ディスプレイ装置の小
型、軽量化を図ることができる。

【０２４９】また、従来レンズでは、困難であったよう
な広視野な映像を容易に得ることができる。さらに、眼
とレンズとの間隔を確保したまま、広視野化することが
できるので、広視野化に伴い見やすさが損なわれること
がない。

【０２５０】〔実施の形態３〕本発明のディスプレイ装
置に用いることができる拡大用レンズのさらに他の実施
の形態について、図１９ないし図２１に基づいて説明す
れば、以下の通りである。尚、説明の便宜上、前記実施
の形態１・２と同一の機能を有する部材には、同一の符
号を付記し、また、図中に示す記号も同一のものを付記
し、その説明は省略する。

【０２５１】図１９に示すように、本実施の形態に係る
複合レンズアレイ５１は、二次元負レンズアレイ５３と
二次元正レンズアレイ５５との間に、挟持される遮光枠
５４とからなっている。

【０２５２】上記二次元負レンズアレイ５３は、負レン
ズ９が直線状に配列された板状の樹脂からなり、また、
二次元正レンズアレイ５５は、正レンズ１０が直線状に
配列された板状の樹脂からなっている。遮光枠５４は、
上記の二次元負レンズアレイ５３の負レンズ９と二次元
正レンズアレイ５５の正レンズ１０とが１体１に対応す
るように、貫通穴５４ａが直線状に設けられている。

【０２５３】したがって、二次元負レンズアレイ５３と
二次元正レンズアレイ５５とで上記遮光枠５４を挟持す
ることで、各負レンズ９と正レンズ１０とで複合レンズ
を構成するようになっている。

【０２５４】実際に上記複合レンズアレイ５１を使用す
る場合、例えば、図２０に示すように、直線状の複合レ
ンズアレイ５１を円筒面上に並べて、拡大レンズ５０を
構成する。この拡大レンズ５０の物体面は円筒面である
ので、円筒面上に画素を配列した画像表示素子５６を用
いる。この画像表示素子５６は、図２１に示すように、
画像表示素子５６の内面５６ａ側に、一次元のＬＥＤア
レイ５７を円筒面上に並べることによって構成した。
尚、本実施の形態では、ＬＥＤアレイ５７を発光素子に
用いたが、その他の発光素子でもよい。また液晶のよう
な光シャッターでも良い。

【０２５５】一次元の複合レンズアレイ５１のレンズ配
置は、前記実施の形態１に則したものである。そして、
一次元の複合レンズアレイ５１は、図示しないが、前記
実施の形態１と同様に、その光軸上の点Ｘｃを中心とし
た円筒上に並ぶよう配置した。ここで、一次元の複合レ
ンズアレイ５１は、複数列の複合レンズアレイであって
もかまわない。

【０２５６】また、一次元の複合レンズアレイ５１を構
成する遮光枠５４について、遮光枠５４の側面の延長面
が二次元正レンズアレイ５５の主面からＳｃだけ離れた
点Ｘｃ（図１０）で交わるように側面形状を定めた。

【０２５７】上記の構成において、上記円筒の母線方向
については、複合レンズ５２は平面上に配置されるため
制作が容易であり、前記円筒の円周方向については、収
差が少なく広い見かけ視野を容易に得ることができる構
成にすることができる。また、円筒上に並べる直線状の
複合レンズアレイ５１には、同一形状の複合レンズアレ
イを用いることができる。つまり、複合レンズアレイ５
１には、量産により低価格が図れるレンズアレイを使用
することができるので、拡大レンズ５０全体の低価格化
が期待できる。

【０２５８】また、円筒面状の画像表示素子５６を拡大
する拡大レンズ５０は、直線状の複合レンズアレイ５１
を円筒上に並べることによって形成することができる。
このとき、前記直線状の複合レンズアレイ５１を収納す
るための鏡筒としての遮光枠５４の側面形状が画像表示
素子５６方向に向かって末広がりであれば、前記側面同
士を接合することによって、容易に希望する円周上に前
記複合レンズアレイ５１を並べた構成を形成することが
できる。

【０２５９】また、複合レンズアレイ５１の側面の像側
の延長面上に、前記直線状の拡大レンズ５０の光軸上の
点Ｘｃが一致するような形状とすることで、前記直線状
の複合レンズアレイ５１は前記Ｘｃを中心とした円筒上
に並べることができる。

【０２６０】以上のことから、本実施の形態における拡
大レンズ５０のように、一次元の複合レンズアレイ５１
を画面水平方向に円筒状に並べた拡大レンズ５０であれ
ば、画面の水平方向の視野角を大きくすることが容易で
あるので、シネマサイズのような画像表示素子５６の場
合に有利である。また、物体面は円筒面であるので、一
次元の画像表示素子５６を円筒上に並べたり、また平面
画像表示素子５６を円筒上に曲げる等して物体面の曲面
化が容易に図れる。

【０２６１】〔実施の形態４〕上記実施の形態１〜３の
拡大用レンズを用いたディスプレイ装置の実施の形態に
ついて図２２ないし図２５に基づいて説明すれば、以下
の通りである。尚、説明の便宜上、前記の各実施の形態
に記載の部材と同じ機能を有する部材には、同一の番号
を付記し、その説明は省略する。

【０２６２】図２２に示すように、本実施の形態に係る
ディスプレイ装置６１は、略コの字状のハウジング６２
内に、正面部に配された光学機構としての映像部６３と
両側部に配された音響部６４と、これらを制御する図示
しない制御部とを備え、この音響部６４の後端部を繋ぐ
バンド６５を備えた構成である。このディスプレイ装置
６１は、通常、映像部６３を観察者の目、音響部６４を
耳に対応するように装着し、上記バンド６５にて頭部に
固定して、目の前でテレビやビデオ映像を見るようにな
っている。

【０２６３】尚、以下の説明では、説明の便宜上、上記
バンド６５を省略した図面を用いることとする。

【０２６４】上記ハウジング６２には、図２３（ａ）に
示すように、映像部６３の配設部分に、観察者が映像部
６３からの映像を観察するための開口部６２ａ・６２ａ
がほぼ両目の間隔に対応するように形成されると共に、
映像部６３の配設部分に、観察者が音響部６４からの音
楽等を聴取するための開口部６２ｂ・６２ｂ（図では、
左側の音響部６４に対応する開口部６２ｂは見えない）
が形成されている。

【０２６５】映像部６３は、図２３（ｂ）に示すよう
に、上記のハウジング６２の２つの開口部６２ａ・６２
ａに対応する位置に、それぞれ映像を表示する画像表示
素子６６Ｌ・６６Ｒと、画像表示素子６６Ｌ・６６Ｒの
画像を拡大する前記実施の形態１に記載の複合レンズア
レイからなる拡大用レンズ６７Ｌ・６７Ｒとを備えた構
成である。

【０２６６】上記画像表示素子６６Ｌ・６６Ｒは、図２
４に示すように、それぞれ液晶表示素子からなる液晶パ
ネル６８Ｌ・６８Ｒと、この液晶パネル６８Ｌ・６８Ｒ
を背後から照射するバックライト６９Ｌ・６９Ｒとから
なっている。また、音響部６４は、ハウジング６２の両
側部６２ｂ・６２ｂに対応する位置にスピーカ６４ａ・
６４ａ（図２４）が設けられている。

【０２６７】つまり、観察者は、上記ディスプレイ装置
６１において、左側の眼７Ｌによって、図中左側に配設
された画像表示素子６６Ｌに表示された画像を、拡大用
レンズ６７Ｌを介して観察すると共に、図示しない左耳
によって、左側のスピーカ６４ａの音声を聴取するよう
になっている。また、右側の眼７Ｒによって、図中右側
に配設された画像表示素子６６Ｒに表示された画像を、
拡大用レンズ６７Ｒを介して観察すると共に、図示しな
い右側の耳によって、右側のスピーカ６４ａの音声を聴
取するようになっている。

【０２６８】また、ハウジング６２のほぼ中央部には、
映像部６３を左右に分離するための遮光性の仕切板７０
が設けられており、図中左側の映像部６３からの光、即
ちバックライト６９Ｌ、液晶パネル６８Ｌを介して拡大
用レンズ６７Ｌから出射される光が、眼７Ｒに入らない
ようになっている。また、逆の図中右側の映像部６３か
らの光も眼７Ｌに入らないようになっている。

【０２６９】上記の構成において、拡大用レンズ６７に
前記実施の形態１に記載した複合レンズアレイを用いた
ので、レンズと表示素子との間隔、即ち拡大用レンズ６
７と画像表示素子６６との間隔を拡大用レンズとして単
レンズを用いた場合よりも短くすることができる。その
結果、ディスプレイ装置６１の重心が観察者の眼７に近
づき、頭部への固定手段（バンド６５等）にかかる重量
負担を軽減することができる。

【０２７０】ここで、拡大用レンズ６７が湾曲収差をも
つ場合、投影面を湾曲化することで虚像の湾曲を平坦化
することができる。また、拡大用レンズ６７が歪曲収差
を持ち、その歪みが糸巻き型の場合、投影レンズによっ
て前記歪みと逆の樽型の歪みをもつ画像を形成すると、
前記歪みを打ち消し合うことができる。このようにして
投影レンズや投影面の作用によって、拡大用レンズ６７
の諸収差を、レンズ枚数を増やしたり、レンズの非球面
化することなしに、解消することができる。従って、拡
大用レンズの薄型、軽量化、コストダウン等が可能とな
り、さらにディスプレイ装置の小型軽量化が可能とな
る。

【０２７１】さらに、投影面は、薄板や、またディスプ
レイ装置の光学部分を保持するためのハウジング６２の
内壁を利用したものでもよいので、ディスプレイ装置の
小型、軽量、薄型化を図ることができる。

【０２７２】また、図２５に示すように、拡大用レンズ
６７として、前記実施の形態２に記載した複合レンズア
レイ２１を使用しても良い。このように、画像表示素子
２６が球面状に形成され、この画像表示素子２６の表示
面の形状に沿って形成された球面状の複合レンズアレイ
２１を使用すれば、広い見かけ視野を有し、かつ収差の
少ない良好な映像を提供することができる。尚広視野を
得る場合に、画像表示素子２６が平面であれば、複合レ
ンズアレイ２１の中央から周辺にかけて複合レンズの焦
点距離を連続的に変化させ、物体面が平面となるように
すれば良い。

【０２７３】また、図示しないが、拡大用レンズ６７に
前記実施の形態３に記載の複合レンズアレイ５１を用い
たディスプレイ装置としても良く、この装置によれば、
水平方向に広い視野を有する映像を提供することができ
るので、シネマサイズのような横長画面の画像のような
広視野化に適するようになる。

【０２７４】また、本ディスプレイ装置６１では、左右
一対の映像部６３の画像表示素子６６Ｌ・６６Ｌの図示
しない映像入力端子を設けることで、これら映像入力端
子から同一物体に対する異なった位置からの画像をそれ
ぞれ供給すれば、二つの独立した映像を観察者の左右の
眼でそれぞれ見ることができる。つまり、ディスプレイ
装置６１に映像入力端子から同一物体に対する異なった
位置からの画像をそれぞれ供給すれば、視点の異なる２
台のカメラで撮影した映像をそれぞれ左右の眼で見るこ
とにより、立体映像を得ることができる。

【０２７５】また、本ディスプレイ装置６１内部に、加
速度センサを内蔵して頭部の動きを検知し、その頭部の
動きに応じて、映像の視点が変化するシステムを取り入
れても良い。

【０２７６】上記のように、加速度センサを内蔵させる
ことで、ディスプレイ装置６１が観察者の頭部に固定さ
れた状態において、ディスプレイ装置６１に取り付けら
れた加速度センサーで頭部の回転及び移動を計測するこ
とができる。これにより、観察者が見る映像の中の視点
を、前記回転及び移動量に従って変化させることによ
り、観察者にあたかも映像の中に存在するかのような感
覚を与える。

【０２７７】映像の中に存在する感覚は、映像の視点の
変化以外に、映像の見かけ視野の広さと、画質の良さが
重要である。これらは本発明の種々の技術を用いること
により容易に解決することができる。

【０２７８】尚、本実施の形態では、ディスプレイ装置
６１を頭部等の身体に固定する場合、ハウジング６２の
後端部に設けられたバンド６５によって身体に固定させ
るようになっているが、これに限定するものではなく。
例えば、ハウジング６２をヘルメットや眼鏡状のような
構成としても良く、また、双眼鏡のように頭部への装着
手段を特に持たず、手あるいは他の固定手段いよって見
るような形態であっても差し支えない。

【０２７９】〔実施の形態５〕本発明のディスプレイ装
置の実施の形態について図２６ないし図３０に基づいて
説明すれば、以下の通りである。尚、説明の便宜上、前
記の各実施の形態に記載の部材と同じ機能を有する部材
には、同一の番号を付記し、その説明は省略する。ま
た、ディスプレイ装置の説明は、音響部は前記実施の形
態４で説明したので、映像部についてのみ行う。以下の
実施の形態でも同様とする。

【０２８０】本実施の形態に係るディスプレイ装置は、
図２６に示すように、液晶表示素子からなる液晶パネル
７３と液晶パネル７３の背面に配置されたバックライト
７２とで構成される画像表示素子７１、画像表示素子７
１にて形成された画像を拡大投影するための投影用レン
ズ７４、画像表示素子７１の画像を投影するスクリーン
７５、スクリーン７５に投影されている画像を拡大する
ための拡大用レンズ７６からなる映像部を有している。
尚、上記拡大用レンズ７６としては、単レンズルーペの
他に、複数枚のレンズを組み合わせたもの、あるいは前
記実施の形態１〜３に記載した複合レンズアレイを用い
ても良い。

【０２８１】即ち、図２７に示すように、上記構成のデ
ィスプレイ装置の映像部では、液晶パネル７３にて形成
された画像が、バックライト７２により背面から照射さ
れ、投影用レンズ７４にてスクリーン７５の投影面７５
ａに拡大投影される。そして、スクリーン７５に拡大投
影された画像は、拡大用レンズ７６によって拡大投影さ
れ、拡大用レンズ７６に対してスクリーン７５の配設位
置とは反対側に配設され、且つ光軸８上の拡大用レンズ
７６の焦点位置に配置された眼７で結像される。

【０２８２】つまり、上記構成のディスプレイ装置は、
画像表示素子７１の画像を投影用レンズ７４によってス
クリーン７５の投影面７５ａに投影し、その投影像を拡
大用レンズ７６で観察するようになっている。

【０２８３】画像表示素子７１からの光（以下、画像光
と称する）は、図２８に示すように、スクリーン７５の
投影面７５ａで効率良く反射され、拡大用レンズ７６を
通して眼７に入射されるのが望ましい。

【０２８４】ところが、一般に、上記のスクリーン７５
の投影面７５ａには白色散乱面が使用されている。この
白色散乱面を用いたスクリーン７５によれば、画像光
は、図２９（ａ）に示すように、散乱して反射するよう
になっている。したがって、実際に観察する画像光は、
スクリーン７５で反射された散乱光の一部を使用するよ
うになっている。つまり、図２８に示すように、画像表
示素子７１からの光が投影面７５ａで反射したときの散
乱光の一部が拡大用レンズ７６を介して眼７に入るだけ
となっている。

【０２８５】しかしながら、スクリーン７５の投影面７
５ａが白色散乱面ではなく、図２９（ｂ）に示すよう
に、表面に微細な加工を施した鋸刃状反射面７５ｂを有
するスクリーン７５を使用すれば、この鋸刃状反射面７
５ｂの鋸刄の形状を変えることで反射光の反射角の制御
を行うことができる。これにより、図２９（ｂ）に示す
スクリーン７５において光を散乱させることなく拡大用
レンズ７６に導くことができるので、画像光を効率よく
利用することができる。このときの鋸刃状反射面７５ｂ
は鏡面であれば、さらに効率良く利用することができ
る。

【０２８６】上記のように投影像を拡大用レンズ７６で
観察する構成の場合、例えば、拡大用レンズ７６自身
に、例えば図３０（ａ）に示すように、正規の像（破
線）に対して周辺で膨らむような歪んだ拡大像（実線）
になるような特性を有していれば、図３０（ｂ）に示す
ように、正規の像（破線）に対して投影像（実線）が上
記拡大像とは反対に周辺で縮むような像となるようにス
クリーン７５に投影される投影像を補正することで、拡
大用レンズ７６自身にある歪みを相殺することができ
る。この場合、拡大用レンズ７６の歪みを投影像を補正
する場合、投影用レンズ７４やスクリーン７５の投影面
７５ａの形状を適宜調整すれば良い。

【０２８７】上記構成のディスプレイ装置では、画像表
示素子７１からの光をスクリーン７５で投影して、その
投影像を拡大用レンズ７６を通して観察するようになっ
ているので、ディスプレイ装置の眼前にはスクリーン７
５のみでよく、画像表示素子７１を置く必要がなくな
る。また、スクリーン７５は、液晶表示パネルや自発光
素子の画像表示素子に比べて薄く、且つ軽く作成するこ
とができるので、ディスプレイ装置の眼前の重量を軽減
する効果もある。したがって、ディスプレイ装置全体の
薄型化が図れ、且つ眼前の重量を軽減できるので、観察
者の頭部における荷重負担を軽減することができる。

【０２８８】さらに、上記構成では、投影によって画像
形成を行うので、曲面上への画像形成が容易となる。以
下の実施の形態にて、曲面の投影板に投影画像を形成す
るために走査光学系を用いた例について説明する。

【０２８９】〔実施の形態６〕本発明のディスプレイ装
置の他の実施の形態について図３１ないし図３３に基づ
いて説明すれば、以下の通りである。

【０２９０】本実施の形態に係る本ディスプレイ装置
は、図３１に示すように、画像表示素子としての一次元
表示素子８１、一次元表示素子８１にて形成された画像
を拡大投影するための投影用レンズ８２、一次元表示素
子８１の画像を回転することで偏向する三角柱状のポリ
ゴンミラー８３（反射面が３面）、ポリゴンミラー８３
にて偏向された光を投影する投影板８５、投影板８５の
投影像を拡大する拡大用レンズ７６からなる映像部を有
している。尚、上記拡大用レンズ７６としては、前記実
施の形態５と同様に、単レンズルーペの他に、複数枚の
レンズを組み合わせたもの、あるいは前記実施の形態１
〜３に記載した複合レンズアレイを用いても良い。

【０２９１】一次元表示素子８１としては、図３２に示
すように、複数のＬＥＤ８６ａ…が直線上に並んで配置
されたＬＥＤアレイ８６を使用している。また、投影板
８５は、所定の曲率を有する投影面８５ａを有してい
る。

【０２９２】即ち、上記構成のディスプレイ装置の映像
部では、一次元表示素子８１のＬＥＤアレイ８６におけ
るＬＥＤ８６ａ…の点滅が、投影用レンズ８２を介して
ポリゴンミラー８３にて偏向され、所定の曲率を有する
投影板８５の投影面８５ａに投影される。したがって、
上記ディスプレイ装置では、残像現象を利用して眼７の
網膜上に画像を形成するようになっている。つまり、一
次元表示素子８１にて点滅された光が、走査光学系であ
るポリゴンミラー８３によって投影板８５に走査形成さ
れた直線状の画像を、投影板８５の走査方向に連続して
走査することで、眼７の残像現象によって一つの画像と
して認知するようになっている。

【０２９３】上記ディスプレイ装置によって、走査形成
される画像は、ポリゴンミラー８３を中心とした円筒面
となる。この場合、この円筒面と投影板８５の投影面８
５ａとが一致しない虞があるので、このように一致しな
い場合には、ポリゴンミラー８３により形成される画像
の曲率を投影板８５の投影面８５ａの曲率と同じように
なるように補正する補正レンズ８４を、投影板８５とポ
リゴンミラー８３との間に配置する必要がある。

【０２９４】上記補正はｆ・θレンズによって行なうの
が望ましい。ｆ・θレンズは、投影像の結像位置を投影
面に一致させることと、投影面上における走査速度を一
定にする働きがある。しかしながら、投影面がポリゴン
ミラーを中心とする球面上にあれば、投影後の結像位置
は、補正なしに投影面に略一致するので、ｆ・θレンズ
等の補正レンズは不要である。

【０２９５】上記の構成によれば、画像の一部分を表示
する表示素子としての一次元表示素子８１の表示パター
ンを投影面８５ａに投影し、その投影像に投影された像
を走査することによって画像を形成するようになってい
る。ここで、上記走査は光路偏向手段としてのポリゴン
ミラー８３によって行う。そして、投影面８５ａ上に形
成された画像を拡大用レンズ７６を通して観察するよう
になっている。

【０２９６】尚、上記光路偏向手段は、一次元表示素子
８１からの光を偏向する働きを有すれば、上記ポリゴン
ミラー８３に限定するものではなく、振動あるいは回転
により光路を偏向する部材、例えば電磁作用あるいは静
電作用あるいは圧電効果等で振動する部材にミラーを取
り付けたものや、前記の振動する部材にＡｌ蒸着して反
射作用を持たせたものであっても良い。

【０２９７】本ディスプレイ装置は、従来にあるよう
な、表示パターンからの直接光を網膜上に結像させて走
査する方式ではなく、投影面８５ａに結像させて走査す
る方式である。従来の方式による走査の回転中心は眼の
回旋点に置く必要があったが、本装置によれば、走査の
回転中心は光路偏向手段としてのポリゴンミラー８３の
回転中心に置いて良いので、無理なく広範囲にわたる走
査が可能となる。

【０２９８】また、見かけの視野の広さは、走査範囲に
は依存せず、走査によってできる投影面上の画像を見る
ための拡大用レンズ７６の見かけ視野に依存するので、
走査によって見かけの視野が制限されることはない。し
たがって、拡大用レンズ７６としては、前記の実施の形
態１ないし３で記載した複合レンズアレイを使用すれ
ば、広視野化を図ることができるばかりでなく、小型・
軽量化をも図ることができる。

【０２９９】さらに、一次元表示素子８１は、ＬＥＤア
レイ８６に限定するものではなく、一次元の画像を表示
し得るものであれば良く、一つあるいは一次元の発光素
子や光シャッター等で良い。このため、一次元表示素子
８１として、これらの部材を使用すれば、ディスプレイ
装置の小型、軽量化を図ることができる。

【０３００】また、拡大用レンズ７６に代えて、図３３
に示すように、前記実施の形態３で採用して拡大レンズ
５０を使用しても良い。この場合、拡大レンズ５０の光
軸上にある眼７の位置（図１０における点Ｘｃ）を中心
とする円筒状の投影板８５の投影面８５ａに一次元表示
素子８１からの光を投影・走査する構成となっている。
このとき、ポリゴンミラー８３は投影板８５の曲率中心
に位置しないので、結像位置を補正するための補正レン
ズ８４を、一次元表示素子８１と投影板８５との間に配
置している。

【０３０１】また、投影面８５ａへの画像形成は、図に
示した以外にも、点光源の二次元走査によって行っても
よい。このときの点光源は、ＬＥＤや、ランプにピンホ
ールマスクをかけた疑似点光源でも良いが、半導体レー
ザー等のコヒーレント光源を用いると解像度の高い画像
を形成することができる。

【０３０２】〔実施の形態７〕本発明のディスプレイ装
置のさらに他の実施の形態について図３４ないし図４３
に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【０３０３】本実施の形態に係るディスプレイ装置は、
図３４に示すように、画像表示素子７１、投影用レンズ
７４、光路分離手段としてのハーフミラー９１、拡大用
レンズ７６、スクリーン７５からなる映像部を備えてい
る。

【０３０４】上記スクリーン７５、拡大用レンズ７６お
よびハーフミラー９１は、それぞれの中心、即ち画像中
心、レンズ中心およびミラー中心が光軸８上に来るよう
に順に配置されている。このうち、スクリーン７５と拡
大用レンズ７６とは、表面が略平行となるように配置さ
れている。また、ハーフミラー９１は、反射面９１ａが
拡大用レンズ７６のレンズ面にから離れるように光軸８
に対して所定の角度で傾いて配置されている。さらに、
光軸８に垂直且つ、このハーフミラー９１の反射面９１
ａ側のミラー中心を通る光軸９２上には、投影用レンズ
７４と画像表示素子７１とがそれぞれのレンズ中心を通
るように配置されている。

【０３０５】即ち、上記ディスプレイ装置は、液晶表示
パネルからなる画像表示素子７１の表示パターンを単レ
ンズからなる投影用レンズ７４と拡大用レンズ７６とに
よってスクリーン７５の投影面７５ａに投影すると共
に、投影画像を拡大用レンズ７６で観察する光学機構で
ある。ここで、投影用レンズ７４、拡大用レンズ７６と
もに単レンズを使用しているが、これに限定するもので
はなく、投影用レンズ７４、拡大用レンズ７６ともに光
を集光する収斂系の光学系であれば良く、例えば複数枚
のレンズの組み合わせでも良く、また回折レンズでも良
く、さらに、前記の実施の形態１ないし３に記載の複合
レンズアレイでも良い。

【０３０６】また、画像表示素子７１として液晶表示パ
ネルを使用しているので、背後からバックライトで照明
するようになっている。また、スクリーン７５は表面が
白色散乱面であるものを使用する。

【０３０７】上記構成のディスプレイ装置では、像の投
影に拡大用レンズ７６を用いるので、スクリーン７５の
正面から投影することができる。これにより、拡大用レ
ンズ７６を通さずに斜め方向から像を投影した場合に比
べて、スクリーン７５の投影面７５ａにおける投影像の
歪みを少なくすることができる。

【０３０８】しかしながら、投影像も投影面７５ａの正
面から観察するように構成されているので、画像表示素
子７１や投影用レンズ７４が観察の妨げになる虞があ
る。

【０３０９】そこで、本ディスプレイ装置では、光路分
離手段としてのハーフミラー９１を、投影用レンズ７４
と拡大用レンズ７６との間に配設することによって、画
像表示素子７１から投影面７５ａへ至る光路（第１光
路）と、投影面７５ａから観察者の眼７へ至る光路（第
２光路）との分離を行っている。即ち、画像表示素子７
１から投影面７５ａへ至る光路はハーフミラー９１の反
射によって折り曲げられ、投影面７５ａから観察者の眼
７へ至る光路はハーフミラー９１を透過するようにそれ
ぞれ設定されている。

【０３１０】ここで、図３５に示すように、画像表示素
子７１から投影面７５ａへ至る光路を主光線Ａとし、ま
た、投影面７５ａから観察者の眼７へ至る光路を主光線
Ｂとする。また、主光線Ａは画像表示素子７１に対し垂
直な光線と定義し、また、主光線Ｂは眼７の入射瞳の中
心を通る光線と定義する。また、広視野タイプのディス
プレイ装置の場合には、主光線Ｂは眼７の回旋点を通る
光線と定義しても良い。

【０３１１】上記構成のディスプレイ装置では、拡大用
レンズ７６と眼７との間にハーフミラー９１を備え、投
影のための光路Ａと画像を見るための光路Ｂとの分離を
行うようになっている。ここで、前述したように、光路
Ａは、画像表示素子７１から始まり、順に投影レンズ７
４、ハーフミラー９１、拡大用レンズ７６を通り投影面
７５ａへ至る光路である。また、光路Ｂは、投影面７５
ａから始まり、順に拡大用レンズ７６、ハーフミラー９
１を通り眼７へ至る光路である。このとき光路Ａはハー
フミラー９１によって９０度に折り曲げてから投影面７
５ａへ向かうようにする。また光路Ｂはハーフミラー９
１を透過するようにする。このようにして、光路Ａと光
路Ｂとがハーフミラー９１から投影面７５ａの間だけ一
致あるいは近接するようにする。

【０３１２】したがって、画像の投影と観察を投影面の
正面から行うことにより、画像の非対称な歪みをなくす
ことができるが、そのためには、上述のように、光路Ａ
と光路Ｂとは近接あるいは一致させることが必要とな
る。そこで、光路Ａと光路Ｂとが一致しても、画像表示
素子７１や投影レンズ７４が眼７に重ならないようにハ
ーフミラー９１による光路の分離を行うのである。

【０３１３】上記構成のディスプレイ装置における結像
関係について、図３６および図３７を参照しながら以下
に説明する。尚、図３６において、画像表示素子７１上
のある一点７１ａから投影用レンズ７４、ハーフミラー
９１、拡大用レンズ７６を経てスクリーン７５の投影面
７５ａへ至る光線の集まりを光束Ａ、図３７において、
スクリーン７５の投影面７５ａ上のある一点９３から拡
大用レンズ７６、ハーフミラー９１を経て眼７へ至る光
線の集まりを光束Ｂとする。

【０３１４】図３６に示す投影用レンズ７４による光束
Ａの収束点９４が、図３７に示す拡大用レンズ７６によ
る虚像９６が生成される面に一致するとき、光束Ａは投
影用レンズ７４と拡大用レンズ７６とによって投影面７
５ａ上に収束して像９３を形成する。また、投影面７５
ａ上に形成された像９３は、拡大用レンズ７６を介して
眼７の網膜上のある一点９５に結像される。

【０３１５】以上のように、本ディスプレイ装置によれ
ば、画像表示素子７１上の発光パターンを投影用レンズ
７４と拡大用レンズ７６の二つのレンズを用いて投影面
７５ａ上へ投影することによって画像を形成するように
なっている。つまり、投影レンズ７４による表示パター
ンの結像位置は、投影面７５ａ上ではなく、投影面７５
ａ上の画像の拡大用レンズ７６による虚像位置（図３７
の点９６）となっている。

【０３１６】したがって、画像表示素子７１で形成され
た表示パターンは、投影レンズ７４と拡大用レンズ７６
の二つのレンズによって投影面７５ａ上に結像し、画像
を形成し、その画像を拡大用レンズ７６で見るようにな
る。

【０３１７】これにより、画像を見る方向と、画像形成
のための投影方向とを、どちらもスクリーン７５の投影
面７５ａの正面から行うことができる。したがって、画
像形成を斜めから行うような場合に生じる画像の非対称
な歪みを抑えることができる。

【０３１８】また、拡大用レンズ７６を用いて投影を行
うので、拡大用レンズ７６が投影のための光路を塞ぐと
いう問題が生じない。そして、投影可能な範囲と画像を
見ることのできる範囲は、両方とも拡大用レンズ７６の
見かけ視野角に依存するので、拡大用レンズ７６の見か
け視野を広げることにより、その見かけ視野に対応した
広い範囲に画像を形成することができる。

【０３１９】また、上記構成のディスプレイ装置では、
光路分離手段としてハーフミラー９１を使用している
が、このハーフミラー９１の代わりに光線の偏光状態を
利用して光路Ａと光路Ｂとを分離するようにしても良
い。例えば、画像表示素子７１の特定の偏光状態の光を
取り出すための偏光フィルターと、投影面７５ａに入射
する直線偏光と出射する直線偏光の角度差が９０°とな
るような旋光子と、直交する二つの直線偏光の一方を反
射させ他方を透過させるような偏光分離素子とを備えた
光路分離手段を構成しても良い。この場合、偏光フィル
ターは画像表示素子７１に使用される液晶表示パネル出
力面側に配置され、また、旋光子は投影面７５ａの直前
に配置され、さらに、偏光分離素子はハーフミラー９１
の代わりに配置されるものとする。

【０３２０】尚、偏光素子としては、上記の他に移相
子、旋光子等を用いても良く、これら各偏光素子は結晶
体や高分子シート、あるいは薄膜などで構成する。ある
いは回折格子と組み合わせて構成する。

【０３２１】上記構成の光路分離手段を用いた場合の光
の分離について説明する。画像表示素子７１である液晶
パネルに備えられた偏光フィルターから取り出される光
が直線偏光Ａであるとする。ハーフミラー９１の代わり
に備えられた偏光分離素子によって直線偏光Ａを反射さ
せ、投影面７５ａに入射させる。そこで、投影面７５ａ
の直前に配置された旋光子によて直線偏光Ａを、直交す
る直線偏光Ｂに変換する。この直線偏光Ｂは、前記偏光
分離素子を透過する。このようにして、光路の分離が行
われる。このような光路の分離によれば、ハーフミラー
９１に比べて、光路の分離に伴う光の損失を少なくする
ことができる。

【０３２２】ここで、上記ディスプレイ装置において、
図３８に示すように、上記拡大用レンズ７６に代えて、
前記実施の形態２に記載の複合レンズアレイ４１を使用
すると共に、上記スクリーン７５に代えて投影板９７を
使用したディスプレイ装置について以下に説明する。

【０３２３】上記投影板９７は、二次元正レンズアレイ
４５の投影側の表面形状に沿った略球面状に形成され、
複合レンズアレイ４１側に投影面９７ａが設けられてお
り、複合レンズアレイ４１によって結像される画像を投
影面９７ａ上で適切に投影される得る構造となってい
る。

【０３２４】図３９において、画像表示素子７１から投
影面９７ａへ至る光路を主光線Ａとし、また、投影面９
７ａから観察者の眼７へ至る光路を主光線Ｂとする。ま
た、図４０において、画像表示素子７１の任意の点７１
ａから投影面９７ａの任意の点９８へ至る光路を光線Ａ
１とし、また、投影面９７ａの任意の点９８から観察者
の眼７へ至る光路を光線Ｂ１とする。

【０３２５】ここで、投影面９７ａのある一点９８に入
射する主光線Ａと、前記点９８ｂを起点とする主光線Ｂ
とが、図４１に示すように、前記点９８における投影面
９７ａの法線９９に対し対称な関係とすると、光線Ａ１
と光線Ｂ１は投影面９７ａに対しスネルの法則を満たす
ので、投影面９７ａを鏡面と見なせる。

【０３２６】図３９は、主光線Ａと主光線Ｂとが投影面
９７ａの法線９９と一致する場合であり、これは前記対
称関係を満たしている。このような場合において、画像
表示素子７１のある一点７１ａからの光線が眼７へ至る
までの経路を図４０に示す。

【０３２７】以上のことから、主光線Ａと主光線Ｂが投
影面９７ａ上の点９８においてスネルの反射法則を満た
しているので、画像表示素子７１から投影面９７ａへ至
る光線Ａ１と光線Ａ１の反射光線である光線Ｂ１は眼７
の網膜７ａ上において主光線Ｂと一致する。即ち、画像
表示素子７１上の一点７１ａから出た光が投影面９７ａ
で反射し、その反射光が網膜７ａ上の一点１００に集光
する。このように投影面７１ａを鏡面とすると、画像表
示素子７１の表示面を直接見ることになるので、画像表
示素子７１からの光を効率よく眼７へ伝えることができ
る。

【０３２８】また、図４２に示すような投影面７５ａが
平面であっても、前記条件を満たせば、図４３に示すよ
うに、点９８における投影面７５ａの法線９９に対し対
称な関係とすると、光線Ａ１と光線Ｂ１は投影面７５ａ
に対しスネルの法則を満たすので、投影面７５ａを鏡面
と見なせる。

【０３２９】〔実施の形態８〕本発明のディスプレイ装
置のさらに他の実施の形態について図４４ないし図４６
に基づいて説明すれば、以下の通りである。尚、説明の
便宜上、前記の各実施の形態で使用された部材と同一機
能を有する部材には、同一記号を付記し、その説明は省
略する。

【０３３０】本実施の形態に係るディスプレイ装置は、
図４４に示すように、画像表示素子として、前記実施の
形態７の図３９に示す画像表示素子７１に代えてＬＥＤ
アレイによる一次元表示素子８１を用いると共に、光路
偏向手段としてのポリゴンミラー８３による光路偏向に
よって画像を形成する映像部を備えている。

【０３３１】即ち、一次元表示素子８１からの画像光
は、投影レンズ８２、スリット８７を介して、矢印方向
に回転するポリゴンミラー８３に照射する。そして、ポ
リゴンミラー８３にて偏向された画像光は、ハーフミラ
ー９１にて反射されて複合レンズアレイ４１を介して投
影板９７の投影面９７ａに走査拡大投影される。

【０３３２】ここで、一次元表示素子８１ら投影面９７
ａへ至る主光線Ａのポリゴンミラー８３上の交点８８
と、投影面９７ａから眼７へ至る主光線Ｂの交点８９と
が略一致する場合について、図４５と図４６を用いて以
下に説明する。尚、本説明では、図４４に示すように、
投影面９７ａ上の点交点８８のハーフミラー９１に対す
る虚像９０が交点８９と一致する場合を示している。

【０３３３】上記の構成において、ポリゴンミラー８３
による主光線Ａの偏向中心が交点８８となり、交点８８
のハーフミラー５８に対する虚像９０が、図４６に示す
主光線Ａの交点８９と一致したとき、光学系の可逆性か
ら図４５の走査面１００ａと図４６の物体面１００ｂと
が一致する。従って、走査による画像形成に必要であっ
た補正レンズが不要になる。

【０３３４】ところで、上記の構成のディスプレイ装置
の映像部において、拡大用のレンズとして、複合レンズ
アレイ１、４１、５１を用いて投影像を形成する場合、
一次元表示素子８１からの光束の幅が正レンズ１０に達
したとき、隣り合う正レンズ１０間隔の２倍以上でない
と投影面９７ａに画像の欠損が生じる場合がある。

【０３３５】そこで、投影用レンズ８３は前記光束の幅
を得られるだけの口径が必要となる。本実施の形態で
は、観察者の眼の瞳径を約２ｍｍと考え、複合レンズア
レイの隣り合う正レンズ１０の間隔を１ｍｍに設定し
た。そこで、投影光の光束の幅を前記間隔の２倍以上に
なるよう設定した。しかし、投影光の光束を太くしすぎ
ると、複合レンズアレイ４１、５１を用いた場合、投影
像がぼやける可能性がある。そこで、本実施の形態で
は、投影光の光束の幅の制限するために、投影用レンズ
８２とハーフミラー９１との間に開口径３ｍｍのスリッ
ト８７を配置した。このとき一次元表示素子８１のある
一点に対し、およそ９〜１２個の複合レンズ２が関わり
像を生成するので、投影像が欠けることがない。また、
像のぼけも実用上問題のないレベルに収めることができ
る。

【０３３６】上記の構成のディスプレイ装置では、画像
の一部分を表示する一次元表示素子８１の表示パターン
を投影レンズ８２と拡大用レンズ４１を用いて投影面９
７ａに投影する。そして、投影面９７ａ上における投影
像を走査することによって画像を形成するようになって
いる。

【０３３７】上記走査は、回転する光路偏向手段として
のポリゴンミラー８３によって行われる。そして、投影
面９７ａ上に形成された画像を拡大用レンズ４１を通し
て観察するようになっている。

【０３３８】走査によってつくられる投影像の結像位置
は、ポリゴンミラー８３をほぼ中心とする回転体上にあ
るので、投影面９７ａがこれと一致しない場合、結像位
置のずれを補正するために補正レンズが必要である。本
構成によれば、ポリゴンミラー８３による光路Ａの偏向
中心あるいはそのハーフミラー９１による虚像と、光路
Ｂの収束点とを略一致させることで、光学系の可逆性か
ら、投影像の結像位置と投影面９７ａとが一致する。即
ち、拡大用レンズ４１は補正レンズの役割も果たしてい
る。

【０３３９】また、一次元表示素子８１から投影レンズ
８２、そして複合レンズアレイ４１を通り投影面９７ａ
へ至る光線は投影面９７ａにおいて反射し、前記複合レ
ンズアレイ４１を通って眼７へ至る。このときの光線の
反射はスネルの法則に従うようになっている。つまり、
眼７には一次元表示素子８１からの拡散光ではなく、直
接光が入射するので、より明るい映像を得ることができ
る。

【０３４０】また、一次元表示素子８１からの光は投影
面９７ａ上で結像するから、投影面９７ａが曲面であっ
ても、複合レンズアレイ４１で見る像（虚像）の倍率は
変わらない。

【０３４１】また、投影面９７ａは、鏡面であることが
好ましいが、拡散面であってもよい。このとき眼には、
投影面９７ａ上の拡散光の中でも光のパワーが集中する
正反射光が入射するので、明るい像を得ることができ
る。

【０３４２】さらに、投影面９７ａ上の画像を複合レン
ズアレイ４１にてで拡大して見るディスプレイ装置で
は、曲面形状の投影面９７ａに画像を形成することによ
って容易に曲面画像を得ることができるので、曲面ある
いは円筒上に複合レンズを並べた複合レンズアレイで観
察するための物体面を構成することが容易になる。

【０３４３】

【発明の効果】請求項１の発明のディスプレイ装置は、
以上のように、画像を形成し、この画像を肉眼で観察す
るための光学機構が、観察者の眼前に配置されたディス
プレイ装置において、上記光学機構は、画像表示素子
と、画像が投影されるスクリーンと、上記画像表示素子
上の画像を上記スクリーン上に投影する投影レンズと、
スクリーン上に投影された画像の拡大像を肉眼で見るた
めの拡大用レンズとを少なくとも備えている構成であ
る。

【０３４４】それゆえ、画像表示素子の表示パターンを
スクリーンに投影することによって画像を形成し、そし
てその画像を拡大用レンズを通して観察するようになっ
ているので、拡大用レンズの持つ湾曲収差や歪曲収差な
どを容易に補正することができる。従って、補正のため
にレンズ構成を複雑にする必要がない。

【０３４５】さらに、投影面に画像を表示する構成なの
で、ディスプレイ装置の重心をさらに頭部へ近づけるこ
とができるから、装置の頭部等に固定するための固定手
段の簡略化や、装置の軽量化を図ることができる。ま
た、曲面画像を容易に得ることができるという効果を奏
する。

【０３４６】請求項２の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項１の構成に加えて、投影レンズとス
クリーンとの間に配置され、投影レンズを介した画像表
示素子からの光を、偏向してスクリーン上で走査して画
像を形成する光路偏向手段を備えている構成である。

【０３４７】それゆえ、走査により画像を形成するの
で、画像表示面積に依存することなく精細な画像表示が
得られる。また、構成上、広角度な画像形成が可能とな
る。また、曲面上への画像形成が容易である。さらに、
画像形成のための表示パターンは点や直線状の発光素子
や光シャッター等でよいから、さらに装置の小型化及び
軽量化が可能となるという効果を奏する。

【０３４８】請求項３の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、画像を形成し、この画像を肉眼で観察する
ための光学機構が、観察者の眼前に配置されたディスプ
レイ装置において、上記光学機構は、画像表示素子と、
画像が投影されるスクリーンと、上記画像表示素子上の
画像を上記スクリーン上に投影する投影レンズと、スク
リーン上に投影された画像の拡大像を肉眼で見るための
拡大用レンズとを少なくとも備え、上記拡大用レンズ
が、上記投影レンズからスクリーンに至る光路上に配置
されている構成である。

【０３４９】それゆえ、画像形成のための投影と、画像
の観察とをスクリーンの投影面に対し正面から行うこと
ができるため、画像の形成及び観察において画像の非対
称な歪みを無くすことができるという効果を奏する。

【０３５０】請求項４の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項３の構成に加えて、光学機構には、
画像表示素子からスクリーンに至る第１光路と、スクリ
ーンから観察者の眼に至る第２光路とを分離する光路分
離手段が設けられている構成である。

【０３５１】それゆえ、請求項３の構成による効果に加
えて、第１光路と第２光路とを分離することによって、
投影に関する光学部品が視界を遮ることを防ぐことがで
きるという効果を奏する。

【０３５２】請求項５の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項４の構成に加えて、光路分離手段
に、偏光素子を使用する構成である。

【０３５３】それゆえ、請求項４の構成による効果に加
えて、光路の分離に伴う光量低下を抑えることができる
という効果を奏する。

【０３５４】請求項６の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項３、４または５の構成に加えて、投
影レンズと拡大用レンズとの間に配置され、投影レンズ
を介した画像表示素子からの光を偏向してスクリーン上
で走査して画像を形成する光路偏向手段を備えている構
成である。

【０３５５】それゆえ、請求項３、４または５の構成に
よる効果に加えて、走査による歪みがないため、歪みを
補正するための補正レンズを不要にすることができる。
これにより、光学機構を簡素なものとすることができる
ので、装置の小型化および軽量化を図ることができると
いう効果を奏する。

【０３５６】請求項７の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項３、４、５または６の構成に加え
て、スクリーンの投影面が鏡面状に形成されると共に、
このスクリーンの投影面上において、画像表示素子から
スクリーンに至る第１光路の入射光と、スクリーンから
観察者の眼に至る第２光路の反射光とが、スネルの反射
法則を満たすように、上記の第１および第２光路が設定
されている構成である。

【０３５７】それゆえ、請求項３、４、５または６の構
成による効果に加えて、画像表示素子の直接像を見るの
で、明るい映像を提供することができることができると
いう効果を奏する。

【０３５８】請求項８の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項１〜７の何れかの構成に加えて、拡
大用レンズとして、複数の負レンズの主面が同一平面上
に配置された二次元負レンズアレイと、複数の正レンズ
の主面が同一平面上に配置された二次元正レンズアレイ
とが、それぞれの負レンズと正レンズとで複合レンズを
構成するように対向配置された複合レンズアレイを使用
する構成である。

【０３５９】それゆえ、曲面形状の投影面に画像を形成
することによって容易に曲面画像を得ることができるの
で、投影による画像形成によれば、拡大用レンズの要求
する物体面を容易に提供することができるという効果を
奏する。

【０３６０】請求項９の発明のディスプレイ装置は、以
上のように、請求項８の構成に加えて、複合レンズアレ
イは、観察者の眼に最も近い複合レンズ同士のレンズの
主点間隔が、画像表示素子上の１点からこの複合レンズ
アレイへ至る光束の径の半分以下に設定されている構成
である。

【０３６１】それゆえ、複合レンズアレイの複合レンズ
間の隙間や遮光枠あるいは鏡筒などによる遮光作用によ
ってできる投影像の欠けを防ぐことができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディスプレイ装置に用いることができ
る１実施の形態に係る拡大用レンズとしての複合レンズ
アレイの概略構成図である。

【図２】図１に示す複合レンズアレイの断面図である。

【図３】図１に示す複合レンズアレイを構成する複合レ
ンズの物像関係を示す説明図である。

【図４】図１に示す複合レンズアレイのレンズ配置を示
す説明図である。

【図５】図１に示す複合レンズアレイの物像関係を示す
説明図である。

【図６】図１に示す複合レンズアレイにおける結像関係
を示す説明図である。

【図７】図１に示す複合レンズアレイにおける物体面上
の物点から像側へ至る光束を示す説明図である。

【図８】図１に示す複合レンズアレイにおける倍率の定
義について示す説明図である。

【図９】複合レンズを構成する負レンズおよび正レンズ
ともに厚肉レンズを使用した場合の複合レンズアレイに
おける結像関係を示す説明図である。

【図１０】本発明のディスプレイ装置に用いることがで
きる他の実施の形態の複合レンズアレイの概略構成断面
図である。

【図１１】図１０に示す複合レンズアレイに備えられる
複合レンズを収納する鏡筒の一例を示す斜視図である。

【図１２】図１０に示す複合レンズアレイに備えられる
複合レンズを収納する鏡筒の他の例を示す斜視図であ
る。

【図１３】一枚のレンズで構成した複合レンズを示す説
明図である。

【図１４】図１０に示す複合レンズアレイの他の例を示
す複合レンズアレイの概略構成図である。

【図１５】図１４に示す複合レンズアレイに適応した画
像表示素子の表示面側の要部拡大図である。

【図１６】図１０に示す複合レンズアレイのレンズ配置
を示す説明図である。

【図１７】図１０に示す複合レンズアレイの物像関係を
示す説明図である。

【図１８】図１０に示す複合レンズアレイにおける物体
面上の物点から像側へ至る光束を示す説明図である。

【図１９】本発明のディスプレイ装置に用いることがで
きるさらに他の実施の形態の一次元複合レンズアレイの
概略分解図である。

【図２０】図１９に示す一次元複合レンズアレイを備え
た拡大用レンズの概略構成図である。

【図２１】図２０に示す拡大用レンズに適用される画像
表示素子を示す説明図である。

【図２２】実施の形態１〜３の拡大用レンズを用いた実
施の形態のディスプレイ装置の概略構成図である。

【図２３】図２２に示すディスプレイ装置において、拡
大用レンズとして図１に示す複合レンズアレイを使用し
たディスプレイ装置の概略構成図である。

【図２４】図２３に示すディスプレイ装置の断面図であ
る。

【図２５】図２２に示すディスプレイ装置において、拡
大用レンズとして図１０に示す複合レンズアレイを使用
したディスプレイ装置の概略断面図である。

【図２６】本発明の実施の形態のディスプレイ装置の概
略構成図である。

【図２７】図２６に示すディスプレイ装置の光路を示す
説明図である。

【図２８】図２６に示すディスプレイ装置の投影面にお
ける光束の反射を示す説明図である。

【図２９】図２６に示すディスプレイ装置の投影面での
反射制御を示す説明図である。

【図３０】一般的なレンズによる像の歪みを示す説明図
である。

【図３１】図２６に示すディスプレイ装置において、走
査光学系を用いたディスプレイ装置の概略構成図であ
る。

【図３２】図３１に示すディスプレイ装置に適用される
画像表示素子を示す説明図である。

【図３３】図３１に示すディスプレイ装置において、拡
大用レンズとして図２０に示す拡大用レンズを使用した
場合のディスプレイ装置を示す概略構成図である。

【図３４】本発明の他の実施の形態のディスプレイ装置
の概略構成図である。

【図３５】図３４に示すディスプレイ装置における光路
を示す説明図である。

【図３６】図３４に示すディスプレイ装置における画像
表示素子から投影面に至る第１光路を示す説明図であ
る。

【図３７】図３４に示すディスプレイ装置における投影
面から眼に至る第２光路を示す説明図である。

【図３８】図３４に示すディスプレイ装置において、拡
大用レンズとして図１４に示す複合レンズアレイを使用
した場合のディスプレイ装置の概略構成図である。

【図３９】図３８に示すディスプレイ装置における光路
を示す説明図である。

【図４０】図３８に示すディスプレイ装置の画像表示素
子から投影面で反射し眼へ至る光線を示す説明図であ
る。

【図４１】図４０に示す投影面での光の反射状態を示す
説明図である。

【図４２】投影面が平面の場合の画像表示素子から投影
面で反射し眼へ至る光線を示す説明図である。

【図４３】図４２に示す投影面での光の反射状態を示す
説明図である。

【図４４】図３８に示すディスプレイ装置に、走査光学
系を用いた場合のディスプレイ装置の概略構成図であ
る。

【図４５】図４０に示すディスプレイ装置において、走
査による主光線の偏向と形成される像面とを示す説明図
である。

【図４６】図４０に示すディスプレイ装置において、投
影面から眼へ至る主光線を示す説明図である。

【図４７】従来のディスプレイ装置を示す概略構成図で
ある。

【図４８】一般的な拡大用レンズの物像関係を示す説明
図である。

【図４９】広視野に対応する拡大用レンズの物像関係を
示す説明図である。

【図５０】従来の走査光学系を用いたディスプレイ装置
の光学部分を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 複合レンズアレイ（拡大用レンズ） ２ 複合レンズ ３ 二次元負レンズアレイ ４ 遮光枠（遮光性の部材） ５ 二次元正レンズアレイ ６ 画像表示素子 ７ 眼（肉眼） ８ 光軸 ９ 負レンズ １０ 正レンズ １４ 主点 １５ 主点 １９ 光束 ２１ 複合レンズアレイ（拡大用レンズ） ２２ 複合レンズ ２４ 遮光性の筒（鏡筒） ２６ 画像表示素子 ３２ 複合レンズ ３３ レンズ（一枚構成のレンズ） ４１ 複合レンズアレイ（拡大用レンズ） ４２ 複合レンズ ４３ 二次元負レンズアレイ ４４ 遮光枠（遮光性の部材） ４５ 二次元正レンズアレイ ４６ 画像表示素子 ５０ 拡大レンズ ５１ 複合レンズアレイ ５３ 二次元負レンズアレイ ５４ 遮光枠（鏡筒） ５５ 二次元正レンズアレイ ５６ 画像表示素子 ６１ ディスプレイ装置 ６３ 映像部（光学機構） ６６ 画像表示素子 ６７ 拡大用レンズ ７１ 画像表示素子 ７４ 投影用レンズ（投影レンズ） ７５ スクリーン ７５ａ 投影面 ７６ 拡大用レンズ ７７ 主面 ７８ 主面 ８１ 一次元表示素子 ８３ ポリゴンミラー（光路偏向手段） ８４ 補正レンズ ８５ 投影板（スクリーン） ８５ａ 投影面 ８６ ＬＥＤアレイ ９１ ハーフミラー（光路分離手段） ９７ 投影板（スクリーン） ９７ａ 投影面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ 21/10 21/10 Ｚ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像を形成し、この画像を肉眼で観察す
   るための光学機構が、観察者の眼前に配置されたディス
   プレイ装置において、 上記光学機構は、画像表示素子と、画像が投影されるス
   クリーンと、上記画像表示素子上の画像を上記スクリー
   ン上に投影する投影レンズと、スクリーン上に投影され
   た画像の拡大像を肉眼で見るための拡大用レンズとを少
   なくとも備えていることを特徴とするディスプレイ装
   置。
2. 【請求項２】 上記投影レンズとスクリーンとの間に配
   置され、投影レンズを介した画像表示素子からの光を、
   偏向してスクリーン上で走査して画像を形成する光路偏
   向手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のデ
   ィスプレイ装置。
3. 【請求項３】 画像を形成し、この画像を肉眼で観察す
   るための光学機構が、観察者の眼前に配置されたディス
   プレイ装置において、 上記光学機構は、画像表示素子と、画像が投影されるス
   クリーンと、上記画像表示素子上の画像を上記スクリー
   ン上に投影する投影レンズと、スクリーン上に投影され
   た画像の拡大像を肉眼で見るための拡大用レンズとを少
   なくとも備え、上記拡大用レンズが、上記投影レンズか
   らスクリーンに至る光路上に配置されていることを特徴
   とするディスプレイ装置。
4. 【請求項４】 上記光学機構には、画像表示素子からス
   クリーンに至る第１光路と、スクリーンから観察者の眼
   に至る第２光路とを分離する光路分離手段が設けられて
   いることを特徴とする請求項３記載のディスプレイ装
   置。
5. 【請求項５】 上記光路分離手段に、偏光素子を使用す
   ることを特徴とする請求項４記載のディスプレイ装置。
6. 【請求項６】 上記投影レンズと拡大用レンズとの間に
   配置され、投影レンズを介した画像表示素子からの光
   を、偏向してスクリーン上で走査して画像を形成する光
   路偏向手段を備えていることを特徴とする請求項３、４
   または５記載のディスプレイ装置。
7. 【請求項７】 上記スクリーンの投影面が鏡面状に形成
   されると共に、このスクリーンの投影面上において、画
   像表示素子からスクリーンに至る第１光路の入射光と、
   スクリーンから観察者の眼に至る第２光路の反射光と
   が、スネルの反射法則を満たすように、上記の第１およ
   び第２光路が設定されていることを特徴とする請求項
   ３、４、５または６記載のディスプレイ装置。
8. 【請求項８】 上記拡大用レンズとして、複数の負レン
   ズの主面が同一平面上に配置された二次元負レンズアレ
   イと、複数の正レンズの主面が同一平面上に配置された
   二次元正レンズアレイとが、それぞれの負レンズと正レ
   ンズとで複合レンズを構成するように対向配置された複
   合レンズアレイを使用することを特徴とする請求項１〜
   ７の何れかに記載のディスプレイ装置。
9. 【請求項９】 上記複合レンズアレイは、観察者の眼に
   最も近い複合レンズ同士のレンズの主点間隔が、画像表
   示素子上の１点からこの複合レンズアレイへ至る光束の
   径の半分以下に設定されていることを特徴とする請求項
   ８記載のディスプレイ装置。