JP3245473B2 - 映像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映像表示装置に関し、
特に、使用者の頭部もしくは顔面に保持して眼球に映像
を投影する頭部装着式表示装置のような小型軽量化され
た映像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】バーチャルリアリティー用あるいは個人
的に大画面の映像を楽しむことを目的として、ヘルメッ
ト型、ゴーグル型の頭部もしくは顔面に保持する頭部装
着式表示装置と呼ばれる映像表示装置が開発されてい
る。

【０００３】例えば、特開平３−１９１３８９号に示さ
れるように、ハーフミラーを用いて光路を折り返すこと
により、良好な結像特性を保持したまま光学系を小型化
する方法がある。また、米国特許第４，２６９，４７６
号においても、同様の技術が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２１にこのような従
来技術の一例の光学系を示す。この光学系は、眼球１の
前面に斜めに配置されたハーフミラー２と、ハーフミラ
ー２を挟んで視線と平行に相互に対向して液晶表示素子
等の映像表示部３と拡大反射鏡４とからなるものであ
り、この光学系の上下方向の視野角とハーフミラー２の
大きさの関係を考えてみる。図２２に示すように、視野
中央を観察するときの瞳孔Ｅ中心を通り、このときの視
線方向へ延びる直線をｘ軸とする。ハーフミラー２の瞳
孔Ｅ側端のｘ軸への投影点を座標原点とし、ｘ軸とハー
フミラー２の交点におけるハーフミラー２の法線とｘ軸
とで規定される平面内で、瞳孔Ｅから離れるに従ってｘ
軸からハーフミラー２までの距離が大きくなる方向をｙ
軸を定義する。

【０００５】ｘ軸に沿って、瞳孔Ｅからハーフミラー２
瞳孔側端のｘ軸への投影点までの距離をｄ₁ 、ｘ軸に投
影されたハーフミラー２の長さをｄ₂ 、瞳孔Ｅ直径をep
d 、上下方向の視野角（半画角）をθとすると、 epd／２＋（ｄ₁ ＋ｄ₂ ） tanθ＝ｄ₂ ／２× tan４５° ・・・（１） となる。したがって、 ｄ₂ ＝(epd／２＋ｄ₁tanθ）／（１／２− tanθ） ・・・（２） ただし、 tanθ＜１／２である。

【０００６】ここで、 epd≧８ｍｍ、ｄ₁ ≧２０ｍｍが
望ましいため、 epd＝８ｍｍ、ｄ₁＝２０ｍｍを上式
（２）に代入すると、 ｄ₂ ＝（４＋２０ tanθ）／（１／２− tanθ） ・・・（３） ただし、 tanθ＜１／２ となる。このとき、θ＝１０°でｄ₂ ＝２３．３ｍｍ、
θ＝１５°でｄ₂ ＝４０．３ｍｍ、θ＝２０°でｄ₂
＝８２．９ｍｍとなる。

【０００７】光学系をコンパクトにするためには、θ＜
１５°にしなければならず、したがって図２１の構成で
は広角化に限界がある。

【０００８】これを解決する方法として、一つは、図２
３に示すように、ハーフミラーをビームスプリッタープ
リズムＰで構成する方法がある。この方法を図２４を用
いて示す。上記と同様にして、ｄ₂ とθの関係を求める
と、 epd／２＋ｄ₁tanθ＋ｄ₂tan sin^-1 sinθ／ｎ＝ｄ₂ ／２× tan４５° ・・・（４） ここで、ｎはプリズムＰの屈折率である。よって、 ｄ₂ ＝（ epd／２＋ｄ₁tanθ）／（１／２− tan sin^-1 sinθ／ｎ） ・・・（５） ただし、 sinθ＜ｎ・ sin tan^-1１／２≒０．４４７ｎ
である。

【０００９】上記と同様にして、 epd＝８ｍｍ、ｄ₁ ＝
２０ｍｍを上式（５）に代入すると、 ｄ₂ ＝（４＋２０tan θ）／（１／２− tan sin^-1 sinθ／ｎ）・・（６） となり、ｎ＝１．５のとき、θ＝１０°でｄ₂ ＝１９．
６ｍｍ、θ＝１５°でｄ₂ ＝２８．８ｍｍ、θ＝２０°
でｄ₂ ＝４２．４ｍｍとなり、光学系はコンパクトにな
る。

【００１０】ただし、θ＝２０°でプリズムの厚さが４
２．４ｍｍあり、ハーフミラー方式のθ＝１５°と大き
さは大差ないが、プリズムを使うことにより重量が増え
る。このため、プリズムを使用した方法の場合、さらに
コンパクトにすることが望ましい。

【００１１】本発明は、このような従来技術の問題点を
解決するためになされたものであり、その目的は、ハー
フミラー、ビームスプリッタープリズムを用いる場合に
おいて、さらにコンパクトな頭部装着式表示装置等の映
像表示装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の映像表示装置は、映像表示部と、表示された映像を
眼球へ拡大投影する拡大反射鏡と、光路分岐手段とから
なり、前記映像表示部から射出される光束が、前記光路
分岐手段を透過して前記拡大反射鏡で反射され、前記光
路分岐手段により反射されて眼球へ映像を投影する折り
返し光路を備えた映像表示装置において、前記光路分岐
手段と眼球の間に、以下の条件（８）を満足するように
構成された少なくとも１個の正の屈折力を持つ面を備え
たことを特徴とするものである。 ０．１φ＜φ₁ ＜０．５φ ・・・（８） ただし、φ₁ は前記少なくとも１個の正の屈折力を持つ
面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。

【００１３】この場合、光路分岐手段をプリズムから構
成し、拡大反射鏡と光路分岐手段の光路分岐面との間
を、少なくとも２種類の硝材で構成することがより望ま
しい。

【００１４】もう１つの本発明の映像表示装置は、映像
表示部と、表示された映像を眼球へ拡大投影する拡大反
射鏡と、光路分岐手段とからなり、前記映像表示部から
射出される光束が、前記光路分岐手段により反射されて
前記拡大反射鏡で反射され、前記光路分岐手段を透過し
て眼球へ映像を投影する折り返し光路を備えた映像表示
装置において、前記光路分岐手段と眼球の間に、以下の
条件（８）を満足するように構成された少なくとも１個
の正の屈折力を持つ面を備えたことを特徴とする映像表
示装置。 ０．１φ＜φ₁ ＜０．５φ ・・・（８） ただし、φ₁ は前記少なくとも１個の正の屈折力を持つ
面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。

【００１５】この場合も、光路分岐手段をプリズムから
構成し、拡大反射鏡と光路分岐手段の光路分岐面との間
を、少なくとも２種類の硝材で構成することがより望ま
しい。

【００１６】

【作用】以下、上記構成を採用する理由と作用について
説明する。本発明においては、図１に概略の断面図を示
すように、眼球１の前面に斜めに配置されたハーフミラ
ー等の光路分岐手段Ｓと、光路分岐手段Ｓを挟んで視線
と平行に相互に対向して液晶表示素子等の映像表示部３
と拡大反射鏡４とからなる映像表示装置において、視野
角を広画角化し、なおかつ、光学系の大きさ、重量を大
幅に増加させないために、眼球１と光路分岐手段Ｓとの
間に、少なくとも１個の正の屈折力を有する面Ｌを持た
せるものである。

【００１７】図３の光路図を用いて、視野角と光学系の
大きさを光学系の焦点距離から考えてみる。観察者に対
して、映像表示部の虚像を無限遠方（もしくは、充分な
遠方）に提示することが望ましいため、映像表示部は光
学系の前側焦点位置（もしくは、前側焦点位置の近傍で
眼球側。眼球から離れる方向を前とする。）に配置する
必要がある。

【００１８】このとき、視野角（半画角）をθ、光学系
の焦点距離をｆ₀ 、映像表示部３の大きさをｈとする
と、 θ＝ｈ／ｆ₀ ・・・（７） の関係がある。つまり、映像表示部３の大きさが一定で
あれば、視野角θは光学系の焦点距離ｆ₀ のみの関数と
なる。

【００１９】視野角を大きくとるためには、 映像表示部３を大きくする。 光学系の焦点距離ｆ₀ を小さくする。 の２つの方法がある。の方法では、視野角に比例して
光学系が大きくなる。の方法では、拡大反射鏡４と映
像表示部３の間隔が小さくなる（前側焦点距離が短くな
る。）こと、眼球１と拡大反射鏡４の距離を一定にした
まま視野角を大きくすると、光束ｅｒが tanθに比例し
て大きくなるため、光路分岐手段Ｓを大きくする必要が
あること、から光路分岐手段Ｓと拡大反射鏡４もしくは
映像表示部３の干渉が発生するため、限界がある。

【００２０】光路分岐手段Ｓを小さくするために光束ｅ
ｒを小さくするには、眼球１と拡大反射鏡４（もしく
は、光路分岐手段Ｓ）の距離を小さくすればよいが、こ
の場合、映像表示装置の一部と眼球１もしくは眼球１近
辺の顔面の一部が干渉するため、限界がある。

【００２１】そこで、視野角を大きくとり、かつ、光路
分岐手段Ｓの大きさを抑えるために、図１に示すよう
に、正の屈折力を持つ要素Ｌを眼球１と光路分岐手段Ｓ
との間に入れればよい。このとき、図４に光路図を示す
ように、眼鏡１と光路分岐手段Ｓの間に入れられる光学
要素Ｌの焦点距離ｆ₁ と拡大反射鏡４の焦点距離ｆ₂ の
合成から、光学系全体の焦点距離ｆが決定され、光学系
を大幅に大きくすることなく、眼球１、光路分岐手段
Ｓ、拡大反射鏡４、映像表示部３のそれぞれの間隔を適
切に保ちながら、光学系全体の焦点距離ｆを小さくする
ことができ、視野角の広画角化が達成できる。

【００２２】ここで、眼球１と光路分岐手段Ｓ間におけ
る正の屈折力を持つ面もしくは正の屈折力を持つレンズ
Ｌの屈折力をφ₁ として、光学系全体の屈折力をφとす
ると、φ₁ は、 ０．１φ＜φ₁ ＜０．５φ ・・・（８） の範囲が望ましい。式（８）の範囲を外れて、φ₁ ＜
０．１φでは、光学系を小型化する効果が小さく、φ₁
＞０．５φでは、拡大反射鏡４を用いたことによる収差
補正能力の効果が低減してしまうので、上式（８）が得
られる。

【００２３】更なる広画角化を実現する方法として、図
２に断面図を示すように、光路分岐手段のプリズムＰ化
があげられる。眼球１と光路分岐手段Ｓとの間に正の屈
折力を持つ要素Ｌを入れることにより、光学系をコンパ
クトにすることができるため、光路分岐手段のプリズム
Ｐ化による重量増加を抑えることができる。

【００２４】ただし、ビームスプリッタープリズムＰを
用いた場合、広画角光学系においては、色収差の影響が
無視できなくなる。

【００２５】図５に、このように光路分岐手段をプリズ
ムＰで構成した場合の光学系の一例の断面を示す。眼球
１側からの光線追跡（逆追跡）を行うと、瞳孔→正の屈
折力を持つレンズＬ→ビームスプリッタープリズムＰ→
拡大反射鏡４→ビームスプリッタープリズムＰ→プリズ
ムＰ端面→映像表示部３の順に進む。これを、図のよう
に、正の屈折力を持つレンズＬとプリズムＰ端面をＡ
部、拡大反射鏡４側プリズムＰ端面と拡大反射鏡４をＢ
部、映像表示部３側のプリズムＰ端面をＣ部とすると、
瞳孔→Ａ部→Ｂ部→Ｃ部→映像表示部３と簡略化でき、
図６のような光路図に表せる。

【００２６】ここで、瞳孔−Ａ部間は空気、Ａ部−Ｂ部
間及びＢ部−Ｃ部間はプリズムＰ硝材、Ｃ部−映像表示
部３間は空気で満たされている。このモデルで、瞳孔に
無限遠点からの光線が入射するとして、瞳孔側から逆追
跡で近軸光線追跡を以下のように行う。

【００２７】入射光線の高さ ｈ₀ ＝１ ，光
線傾角 ω₀ ＝０ Ａ部を射出する光線の高さｈ₁ ，光線傾角 ω₁ Ｂ部を射出する光線の高さｈ₂ ，光線傾角 ω₂ Ｃ部を射出する光線の高さｈ₃ ，光線傾角 ω₃ Ａ部の屈折力をｐ1(λ) 、Ｂ部の屈折力をｐ2(λ) 、プ
リズム硝材の屈折率をｎ（λ）とする。ｐ1 、ｐ2 、ｎ
は波長λの関数である。また、Ａ部→Ｂ部間の距離をｄ
₁ 、Ｂ部→Ｃ部間の距離をｄ₂ とする。

【００２８】Ｃ部を射出する光線の高さｈ₃ および傾角
ω₃ は、 ｈ₃ ＝１−ｐ1(λ) ｄ₁ ／ｎ（λ）−〔ｎ（λ）ｐ1(λ） ＋ｎ（λ）ｐ２（λ) −ｐ1(λ) ｐ2(λ) ｄ₁ 〕ｄ₂ ／ｎ（λ）² ・・・（９） ω₃ ＝ｐ1(λ) ＋ｐ2(λ) −〔ｐ1(λ) ｐ2(λ) ｄ₁ 〕／ｎ（λ） ・・・（10） となる。光学系に焦点位置の色収差、焦点距離の色収差
の双方がない条件は、 ｄｈ₃ ／ｄλ≡０ ・・・（11） ｄω₃ ／ｄλ≡０ ・・・（12） である。

【００２９】見通しを得るために、ｐ1(λ) 、ｐ2(λ)
、ｎ（λ）の１次近似を以下のように行う。

【００３０】 ｐ1(λ) ＝ａ₀ ＋ａ₁ ・λ ・・・（13） ｐ2(λ) ＝ｂ₀ ・・・（14） ｎ（λ）＝ｎ₀ ＋ｎ₁ ・λ ・・・（15） 式（１４）は、拡大反射鏡４の屈折力は波長依存性がな
く、プリズムＰ端面の屈折力は、拡大反射鏡４による屈
折力に比べて無視できるため、このように近似した。

【００３１】式（１３）〜（１５）を式（１０）に代入
して、λで微分すると、 ｄω₃ ／ｄλ＝ａ₁ ＋（ａ₀ ｂ₀ ｎ₁ ・ｄ₁ −ａ₁ ｂ₀ ｎ₀ ・d₁） ／（ｎ₀ ＋ｎ₁ λ）² ・・・（16） となり、式（16）の右辺をλに関わりなく０にするため
には、 ａ₁ ＝ａ₀ ＝０ ・・・（17） もしくは、 ａ₁ ＝ｂ₀ ＝０ ・・・（18） である。条件（１７）式は、Ａ部の屈折力を０とするた
め、本発明の光学系の意図から外れる。条件（１８）式
は、Ａ部を色消しレンズで構成して、Ｂ部を平面鏡とす
るため、これも本発明の光学系の意図から外れる。

【００３２】つまり、Ｂ部を波長依存性がない構成とす
ると、光学系全体の色消しを行うことが非常に困難にな
る。

【００３３】これを解決するために、Ｂ部もしくはＣ部
に波長依存性を持たせることが考えられる。しかし、Ｃ
部においては近軸光線高が低く、Ｃ部から映像表示部４
までの距離が近いため、全系に対する色消し効果が少な
い。このため、Ｂ部に色消し作用を持たせることが望ま
しい。

【００３４】そこで、 ｐ2(λ) ＝ｂ₀ ＋ｂ₁ λ ・・・（19） として、式（１３）、（１５）、（１９）を式（９）、
（１０）に代入してλで微分すると、 ｄｈ₃ ／ｄλ＝（Ｇ₁ ＋Ｇ₂ λ）／（ｎ₀ ＋ｎ₁ λ）³ ・・・（20） ｄω₃ ／ｄλ＝（Ｇ₃ ＋Ｇ₄ λ＋Ｇ₅ λ² ）／（ｎ₀ ＋ｎ₁ λ）² ・（21） となる。ここで、 Ｇ₁ ＝−ａ₁ ｎ₀ ²ｄ₁ ＋ａ₀ ｂ₀ ｎ₁ ｄ₁ −ａ₁ ｎ₀ ² ｄ₂ −ｂ₁ ｎ₀ ² ｄ₂＋ａ₀ ｎ₀ ｎ₁ ｄ₂ ＋ｂ₀ ｎ₀ ｎ₁ ｄ₂ ＋ａ₁ ｂ₀ ｎ₀ ｄ₁ ｄ₂ ＋ａ₀ ｂ₁ ｎ₀ ｄ₁ ｄ₂ −２ａ₀ ｂ₀ ｎ₁ ｄ₁ ｄ₂ ・・・（22） Ｇ₂ ＝−ａ₁ ｎ₀ ｎ₁ ｄ₁ ＋ａ₀ ｎ₁ ²ｄ₁ −ａ₁ ｎ₀ ｎ₁ ｄ₂ −ｂ₁ ｎ₀ ｎ₁ ｄ₂ ＋ａ₀ ｎ₁ ²ｄ₂ ＋ｂ₀ ｎ₁ ²ｄ₂ ＋２ａ₁ ｂ₁ ｎ₀ ｄ₁ ｄ₂ −ａ₁ ｂ₀ ｎ₁ ｄ₁ ｄ₂ −ａ₀ ｂ₁ ｎ₁ ｄ₁ ｄ₂ ・・・（23） Ｇ₃ ＝ａ₁ ｎ₀ ²＋ｂ₁ ｎ₀ ²−ａ₁ ｂ₀ ｎ₀ ｄ₁ −ａ₀ ｂ₁ ｎ₀ ｄ₁ ＋ａ₀ ｂ₀ ｎ₁ ｄ₁ ・・・（24） Ｇ₄ ＝２ａ₁ ｎ₀ ｎ₁ ＋２ｂ₁ ｎ₀ ｎ₁ −２ａ₁ ｂ₁ ｎ₀ ｄ₁ ・・・（25） Ｇ₅ ＝ａ₁ ｎ₁ ²＋ｂ₁ ｎ₁ ²−ａ₁ ｂ₁ ｎ₁ ｄ₁ ・・・（26） である。

【００３５】 Ｇ₁ ＝Ｇ₂ ＝Ｇ₃ ＝Ｇ₄ ＝Ｇ₅ ＝０ ・・・（27） が満たされるとき、式（１１）、（１２）の条件が満た
される。

【００３６】プリズムＰの大きさであるｄ₁ 、ｄ₂ を固
定しても、変数はａ₀ 、ａ₁ 、ｂ₀、ｂ₁ 、ｎ₀ 、ｎ₁
の６個があるため、式（２７）の５個の条件式を満たす
解は、一般に、無数に存在する。

【００３７】つまり、Ｂ部の屈折力に波長依存性を持た
せることで、光学系全体での色消しが可能となる。

【００３８】これを図６で説明すると、Ａ部に光線高ｈ
₀ 、傾角ω₀ ＝０で入射した波長λ_L 、λ_S （λ_L ＞λ
_S ）の２本の光線は、Ａ部を通過するときに、Ｐ1
(λ_L ) ＜Ｐ1(λ_S ) となるように設定することで、ω1
(λ_L ) ＜ω1(λ_S ) となり、Ｂ部でｈ₂(λ_L ) ＞ｈ
₂(λ_S ) となる。

【００３９】ここで、Ｐ2(λ_L ) ＞Ｐ2(λ_S ) と設定す
ることで、ｈ₃(λ_L ) ＝ｈ₃(λ_S )を実現でき、かつ、
ω₃ （λ）＝ω₂ （λ）・ｎ（λ）＝ const. を満たす
べきＰ1(λ) 、Ｐ2(λ) の解が存在する。

【００４０】これは、Ａ部で色収差補正不足、Ｂ部で色
収差過剰補正をしていることを意味する。逆に、例え
ば、Ａ部で充分な色収差補正を行った場合には、波長の
異なる光線はプリズムＰに入射・通過する際に分離する
が、これをＢ部で光線高と光線傾角の両方を補正するこ
とは非常に困難である。

【００４１】光学系全体で色収差を小さく抑えるために
は、光路分岐手段として使用するプリズムＰの硝材の分
散を少なくするのが望ましい。具体的には、 ν_d ＞３０ の範囲が望ましい。

【００４２】Ｂ部で色収差の過剰補正を行うためには、
光学系全体として正の屈折力を持っているため、大きな
分散を持つ負の屈折力を持つレンズを、具体的には、 ν_d ＜５０ の範囲の硝材を使用した負の屈折力を持つレンズを拡大
反射鏡４の近辺に配置する。

【００４３】より効果的な方法は、硝材Ｇ1 （ν_d1）の
凸面と硝材Ｇ2 （ν_d2）の凹面の接合面を用いることで
ある。ここでν_d1＞ν_d2である。

【００４４】このような接合面を含むことにより、色収
差の少なく、視野角が広く、コンパクトな映像表示装置
用光学系が実現できる。

【００４５】

【実施例】以下に、図面を参照にして本発明の映像表示
装置の実施例１〜６について説明する。各実施例のレン
ズ断面を図７〜１２に示す。各実施例のレンズデータを
以下に示すが、これらのデータは全て、瞳孔から映像表
示素子に至る逆追跡の順で示してあり、全ての実施例に
おいて、第０面は瞳孔位置を示している。また、記号
は、ｒ₀ 、ｒ₁ 、ｒ₂ …は瞳孔位置及び像面を含めた各
レンズ面の曲率半径、ｄ₀ 、ｄ₁ 、ｄ₂ …は各レンズ面
間の間隔、ｎ_d1、ｎ_d2…は、プリズムを含めた各レンズ
のｄ線の屈折率であり、ν_d1、ν_d2…は、各レンズのア
ッベ数である。そして、瞳孔中心を通る視線方向をｘ軸
方向に、ｘ軸と直交し映像表示素子の表示面に垂直な方
向をｙ軸方向として、各実施例とも、ハーフミラー面は
このｘ軸、ｙ軸に対して４５°傾いている。また、レン
ズデータの各面間の間隔ｄ₀ 、ｄ₁ 、ｄ₂ …の後にその
方向を表すように、Ｘ又はＹを表示してある。なお、瞳
孔位置における有効な瞳径は、全実施例においてφ８ｍ
ｍである。

【００４６】実施例１ この実施例は、ビームスプリッタープリズムを用いず
に、正の屈折力を持つ両凸レンズを眼球とハーフミラー
の間に配置した例であり、ｒ₃ 、ｒ₆ は仮想面である。

【００４７】 画角 ３０×２２．５° ｒ₀ ＝ ∞（瞳孔） ｄ₀ ＝ 15.000 (X) ｒ₁ ＝ 100.000 ｄ₁ ＝ 3.000 (X) ｎ_d1＝1.48700 ν_d1＝70.4 ｒ₂ ＝-100.000 ｄ₂ ＝ 0.500 (X) ｒ₃ ＝ ∞ ｄ₃ ＝ 10.000 (X) ｒ₄ ＝ ∞（ハーフミラー） ｄ₄ ＝ -12.000 (Y) ｒ₅ ＝ 70.000（拡大反射鏡）ｄ₅ ＝ 20.000 (Y) ｒ₆ ＝ ∞ ｄ₆ ＝ 4.238 (Y) ｒ₇ ＝ ∞（表示素子） この実施例１の横収差を図１５に示す。（１）は画面の
視軸方向（垂直方向０°、水平方向０°）、（２）は画
面の垂直方向０°、水平方向１１．３°、（３）は画面
の垂直方向１５°、水平方向１１．３°、（４）は垂直
方向１５°、水平方向０°、（５）は垂直方向１５°、
水平方向−１１．３°、（６）は垂直方向０°、水平方
向−１１．３°における水平方向及び垂直方向の値を示
すものである。

【００４８】実施例２ この実施例は、より広画角を得るために、光路分岐手段
としてビームスプリッタープリズムを使用した例であ
る。プリズムの眼球側の面に正のパワーを持たせること
で広画角化と小型化を実現している。

【００４９】 画角 ３６×２７° ｒ₀ ＝ ∞（瞳孔） ｄ₀ ＝ 15.000 (X) ｒ₁ ＝ 60.000 ｄ₁ ＝ 12.000 (X) ｎ_d1＝1.51633 ν_d1＝64.1 ｒ₂ ＝ ∞（ハーフミラー） ｄ₂ ＝ -12.000 (Y) ｎ_d2＝1.51633 ν_d2＝64.1 ｒ₃ ＝ 54.529（拡大反射鏡）ｄ₃ ＝ 20.000 (Y) ｎ_d3＝1.51633 ν_d3＝64.1 ｒ₄ ＝ ∞ ｄ₄ ＝ 2.000 (Y) ｒ₅ ＝ ∞（表示素子） この実施例２の横収差を図１６に示す。（１）は画面の
視軸方向（垂直方向０°、水平方向０°）、（２）は画
面の垂直方向０°、水平方向１３．５°、（３）は画面
の垂直方向１８°、水平方向１３．５°、（４）は垂直
方向１８°、水平方向０°、（５）は垂直方向１８°、
水平方向−１３．５°、（６）は垂直方向０°、水平方
向−１３．５°における水平方向及び垂直方向の値を示
すものである。

【００５０】実施例３ この実施例は、実施例２におけるビームスプリッタープ
リズムの眼球側の面に設けられた正のパワーを持つ面の
代わりに、正のパワーを持つ両凸レンズをプリズムから
独立して設けて、収差を小さくしている。なお、本実施
例では、上記両凸レンズは両面が等曲率であるが、収差
の補正状況により、ベンディングを行ってもよい。

【００５１】 画角 ３６×２７° ｒ₀ ＝ ∞（瞳孔） ｄ₀ ＝ 15.000 (X) ｒ₁ ＝ 67.678 ｄ₁ ＝ 3.000 (X) ｎ_d1＝1.48700 ν_d1＝70.4 ｒ₂ ＝ -67.678 ｄ₂ ＝ 0.500 (X) ｒ₃ ＝ ∞ ｄ₃ ＝ 10.000 (X) ｎ_d2＝1.51633 ν_d2＝64.1 ｒ₄ ＝ ∞（ハーフミラー） ｄ₄ ＝ -11.500 (Y) ｎ_d3＝1.51633 ν_d3＝64.1 ｒ₅ ＝ 58.580（拡大反射鏡）ｄ₅ ＝ 20.000 (Y) ｎ_d4＝1.51633 ν_d4＝64.1 ｒ₆ ＝ ∞ ｄ₆ ＝ 1.000 (Y) ｒ₇ ＝ ∞（表示素子） この実施例３の横収差を図１７に示す。（１）は画面の
視軸方向（垂直方向０°、水平方向０°）、（２）は画
面の垂直方向０°、水平方向１３．５°、（３）は画面
の垂直方向１８°、水平方向１３．５°、（４）は垂直
方向１８°、水平方向０°、（５）は垂直方向１８°、
水平方向−１３．５°、（６）は垂直方向０°、水平方
向−１３．５°における水平方向及び垂直方向の値を示
すものである。

【００５２】なお、図１３に示すように、ビームスプリ
ッタープリズムＰの表示素子３側端面に凹面の曲率（ｒ
₆ ＞０）を付けることにより、主光線が表示素子３に対
して垂直に近い角度で入射するようにすることで、観察
される映像の強度ムラの低減ができ、また、表示素子３
をｙ軸に沿って移動させることにより、視度の調整を行
うことができる。また、図１４に示すように、瞳孔Ｅと
プリズムＰ間の凸レンズを２個に分割し、それらの間隔
ｄ₂ を変化させることにより、視度の調整を行うことも
できる。

【００５３】実施例４ この実施例では、更に広画角化を行った場合に問題とな
る色収差の対策を行うために、拡大反射鏡の近傍に色収
差補正のための接合レンズを設けている。

【００５４】 画角 ５０×３８° ｒ₀ ＝ ∞（瞳孔） ｄ₀ ＝ 12.000 (X) ｒ₁ ＝ 116.677 ｄ₁ ＝ 3.000 (X) ｎ_d1＝1.48700 ν_d1＝70.4 ｒ₂ ＝ -74.689 ｄ₂ ＝ 0.500 (X) ｒ₃ ＝ ∞ ｄ₃ ＝ 13.000 (X) ｎ_d2＝1.65031 ν_d2＝54.9 ｒ₄ ＝ ∞（ハーフミラー） ｄ₄ ＝ -14.000 (Y) ｎ_d3＝1.65031 ν_d3＝54.9 ｒ₅ ＝ 80.000 ｄ₅ ＝ -1.000 (Y) ｎ_d4＝1.70650 ν_d4＝29.9 ｒ₆ ＝-100.000 ｄ₆ ＝ -4.000 (Y) ｎ_d5＝1.74400 ν_d5＝44.7 ｒ₇ ＝ 84.541（拡大反射鏡）ｄ₇ ＝ 4.000 (Y) ｎ_d6＝1.74400 ν_d6＝44.7 ｒ₈ ＝-100.000 ｄ₈ ＝ 1.000 (Y) ｎ_d7＝1.70650 ν_d7＝29.9 ｒ₉ ＝ 80.000 ｄ₉ ＝ 24.000 (Y) ｎ_d8＝1.65031 ν_d8＝54.9 ｒ₁₀＝ ∞ ｄ₁₀＝ 1.000 (Y) ｒ₁₁＝ ∞（表示素子） この実施例４の横収差を図１８に示す。（１）は画面の
視軸方向（垂直方向０°、水平方向０°）、（２）は画
面の垂直方向０°、水平方向１９°、（３）は画面の垂
直方向２５°、水平方向１９°、（４）は垂直方向２５
°、水平方向０°、（５）は垂直方向２５°、水平方向
−１９°、（６）は垂直方向０°、水平方向−１９°に
おける水平方向及び垂直方向の値を示すものである。

【００５５】実施例５ この実施例は、実施例４の光路分岐手段であるビームス
プリッタープリズムと拡大反射鏡を分離したものであ
る。

【００５６】 画角 ５０×３８° ｒ₀ ＝ ∞（瞳孔） ｄ₀ ＝ 15.000 (X) ｒ₁ ＝ 167.873 ｄ₁ ＝ 3.000 (X) ｎ_d1＝1.54408 νd₁＝48.3 ｒ₂ ＝ -77.059 ｄ₂ ＝ 0.500 (X) ｒ₃ ＝ ∞ ｄ₃ ＝ 14.000 (X) ｎ_d2＝1.62000 νd₂＝60.3 ｒ₄ ＝ ∞（ハーフミラー） ｄ₄ ＝ -14.000 (Y) ｎd₃＝1.62000 νd₃＝60.3 ｒ₅ ＝ ∞ ｄ₅ ＝ -0.500 (Y) ｒ₆ ＝-164.303 ｄ₆ ＝ -1.000 (Y) ｎ_d4＝1.75500 νd₄＝27.6 ｒ₇ ＝ -61.404 ｄ₇ ＝ -6.000 (Y) ｎ_d5＝1.60430 νd₅＝61.1 ｒ₈ ＝ 107.760（拡大反射鏡）ｄ₈ ＝ 6.000 (Y) ｎ_d6＝1.60430 νd₆＝61.1 ｒ₉ ＝ -61.404 ｄ₉ ＝ 1.000 (Y) ｎ_d7＝1.75500 νd₇＝27.6 ｒ₁₀＝-164.303 ｄ₁₀＝ 0.500 (Y) ｒ₁₁＝ ∞ ｄ₁₁＝ 25.000 (Y) ｎ_d8＝1.62000 νd₈＝60.3 ｒ₁₂＝ ∞ ｄ₁₂＝ 1.000 (Y) ｒ₁₃＝ ∞（表示素子） この実施例５の横収差を図１９に示す。（１）は画面の
視軸方向（垂直方向０°、水平方向０°）、（２）は画
面の垂直方向０°、水平方向１９°、（３）は画面の垂
直方向２５°、水平方向１９°、（４）は垂直方向２５
°、水平方向０°、（５）は垂直方向２５°、水平方向
−１９°、（６）は垂直方向０°、水平方向−１９°に
おける水平方向及び垂直方向の値を示すものである。

【００５７】実施例６ 実施例４、５では、拡大反射鏡として凸面を裏面鏡とし
て利用したものであるが、本実施例では凹面ミラーを使
用している。

【００５８】 画角 ５０×３８° ｒ₀ ＝ ∞（瞳孔） ｄ₀ ＝ 15.000 (X) ｒ₁ ＝ 97.558 ｄ₁ ＝ 5.000 (X) ｎ_d1＝1.51633 ν_d1＝64.1 ｒ₂ ＝-172.872 ｄ₂ ＝ 0.500 (X) ｒ₃ ＝ ∞ ｄ₃ ＝ 15.000 (X) ｎ_d2＝1.51633 ν_d2＝64.1 ｒ₄ ＝ ∞（ハーフミラー） ｄ₄ ＝ -15.000 (Y) ｎ_d3＝1.51633 ν_d3＝64.1 ｒ₅ ＝ ∞ ｄ₅ ＝ -0.500 (Y) ｒ₆ ＝-287.732 ｄ₆ ＝ -0.480 (Y) ｎ_d4＝1.80518 ν_d4＝25.4 ｒ₇ ＝ -95.395 ｄ₇ ＝ -6.925 (Y) ｎ_d5＝1.51633 ν_d5＝64.1 ｒ₈ ＝ 73.148 ｄ₈ ＝ -1.000 (Y) ｒ₉ ＝ 123.967（拡大反射鏡）ｄ₉ ＝ 1.000 (Y) ｒ₁₀＝ 73.148 ｄ₁₀＝ 6.925 (Y) ｎ_d6＝1.51633 ν_d6＝64.1 ｒ₁₁＝ -95.395 ｄ₁₁＝ 0.480 (Y) ｎ_d7＝1.80518 ν_d7＝25.4 ｒ₁₂＝-287.732 ｄ₁₂＝ 0.500 (Y) ｒ₁₃＝ ∞ ｄ₁₃＝ 27.000 (Y) ｎ_d8＝1.51633 ν_d8＝64.1 ｒ₁₄＝ ∞ ｄ₁₄＝ 0.659 (Y) ｒ₁₅＝ ∞（表示素子） 実施例６の横収差を図２０に示す。（１）は画面の視軸
方向（垂直方向０°、水平方向０°）、（２）は画面の
垂直方向０°、水平方向１９°、（３）は画面の垂直方
向２５°、水平方向１９°、（４）は垂直方向２５°、
水平方向０°、（５）は垂直方向２５°、水平方向−１
９°、（６）は垂直方向０°、水平方向−１９°におけ
る水平方向及び垂直方向の値を示すものである。

【００５９】なお、上記実施例１〜６においては、拡大
反射鏡として球面ミラーを用いているが、収差補正もし
くは像歪みを補正するために、非球面ミラーを用いるこ
とは効果的である。同様に、ビームスプリッタープリズ
ム端面及びレンズの面に非球面を用いることにも同様の
効果がある。

【００６０】また、映像表示素子の映像を観察すること
以外に、外界を観察する機能を付加するために、光路分
岐手段の眼球と反対側に負のパワーを持つ面もしくはレ
ンズを付加し、正のパワーを持つ面もしくはレンズと光
路分岐手段と負のパワーを持つ面もしくはレンズで構成
される光学系がアフォーカル光学系となるようにし、負
のパワーを持つ面もしくはレンズの更に前面にシャッタ
ー手段を設けることにより、映像表示素子の映像を観察
すること以外に、外界を観察することが可能となる。

【００６１】以上、本発明の映像表示装置を原理といく
つかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれ
ら実施例に限定されず、種々の変形が可能である。な
お、以上の説明においては、拡大反射鏡は映像表示素子
に対向して視線に平行に視野外に配置するものとした
が、映像表示素子のみを視線に平行に視野外に配置し、
拡大反射鏡は光路分岐手段の眼球と反対側に配置するよ
うにすることもできる。この場合、映像表示素子からの
光束は、光路分岐手段で反射され、その後、拡大反射鏡
で反射され、今度は光路分岐手段を透過して眼球に達す
ることになる。

【００６２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の映像表示装置によると、眼球と光路分岐手段の間に少
なくとも１個の正の屈折力を持つ面を配置したので、コ
ンパクトな構成で広い画角の映像が得られる。また、光
路分岐手段と拡大反射鏡の間を２種類以上の硝材で構成
することにより、広い画角に対して色収差を補正した映
像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の映像表示装置の基本構成の概略の断面
図である。

【図２】本発明の別の基本構成の概略の断面図である。

【図３】視野角と光学系の大きさの関係を説明する光路
図である。

【図４】図１の等価光路図である。

【図５】光路分岐手段をプリズムで構成した場合の光学
系の一例の断面図である。

【図６】図５の等価光路図である。

【図７】実施例１のレンズ断面図である。

【図８】実施例２のレンズ断面図である。

【図９】実施例３のレンズ断面図である。

【図１０】実施例４のレンズ断面図である。

【図１１】実施例５のレンズ断面図である。

【図１２】実施例６のレンズ断面図である。

【図１３】変形例を説明する概略断面図である。

【図１４】別の変形例を説明する概略断面図である。

【図１５】実施例１の横収差を示す収差図である。

【図１６】実施例２の横収差を示す収差図である。

【図１７】実施例３の横収差を示す収差図である。

【図１８】実施例４の横収差を示す収差図である。

【図１９】実施例５の横収差を示す収差図である。

【図２０】実施例６の横収差を示す収差図である。

【図２１】従来技術の映像表示装置の一例の光学系を示
す断面図である。

【図２２】図２１の構成を解析するための光路図であ
る。

【図２３】別の従来例の光学系を示す断面図である。

【図２４】図２３の構成を解析するための光路図であ
る。

【符号の説明】

１…眼球 ３…映像表示部（映像表示素子） ４…拡大反射鏡 Ｓ…光路分岐手段（ハーフミラー） Ｐ…ビームスプリッタープリズム Ｌ…正の屈折力を有する面 Ｅ…瞳孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/02 G02B 27/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像表示部と、表示された映像を眼球へ
   拡大投影する拡大反射鏡と、光路分岐手段とからなり、
   前記映像表示部から射出される光束が、前記光路分岐手
   段を透過して前記拡大反射鏡で反射され、前記光路分岐
   手段により反射されて眼球へ映像を投影する折り返し光
   路を備えた映像表示装置において、前記光路分岐手段と眼球の間に、以下の条件（８）を満
   足するように構成された少なくとも１個の正の屈折力を
   持つ面を備えた ことを特徴とする映像表示装置。 ０．１φ＜φ ₁ ＜０．５φ ・・・（８） ただし、φ ₁ は前記少なくとも１個の正の屈折力を持つ
   面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。
2. 【請求項２】 前記光路分岐手段がプリズムからなり、
   前記拡大反射鏡と前記光路分岐手段の光路分岐面との間
   が、少なくとも２種類の硝材で構成されていることを特
   徴とする請求項１記載の映像表示装置。
3. 【請求項３】 映像表示部と、表示された映像を眼球へ
   拡大投影する拡大反射鏡と、光路分岐手段とからなり、
   前記映像表示部から射出される光束が、前記光路分岐手
   段により反射されて前記拡大反射鏡で反射され、前記光
   路分岐手段を透過して眼球へ映像を投影する折り返し光
   路を備えた映像表示装置において、前記光路分岐手段と眼球の間に、以下の条件（８）を満
   足するように構成された少なくとも１個の正の屈折力を
   持つ面を備えた ことを特徴とする映像表示装置。 ０．１φ＜φ ₁ ＜０．５φ ・・・（８） ただし、φ ₁ は前記少なくとも１個の正の屈折力を持つ
   面の屈折力であり、φは光学系全体の屈折力である。
4. 【請求項４】 前記光路分岐手段がプリズムからなり、
   前記拡大反射鏡と前記光路分岐手段の光路分岐面との間
   が、少なくとも２種類の硝材で構成されていることを特
   徴とする請求項３記載の映像表示装置。
5. 【請求項５】 前記光路分岐手段と眼球の間に設けられ
   た少なくとも１個の正の屈折力を持つ面が、正レンズに
   て構成され、前記正レンズの屈折力をφ₁ として、光学
   系全体の屈折力をφとするとき、以下の条件（８）を満
   足するように構成されたことを特徴とする請求項２又は
   ４記載の映像表示装置。 ０．１φ＜φ₁ ＜０．５φ ・・・（８）
6. 【請求項６】 前記光路分岐手段がプリズムのプリズム
   面にて構成され、光学系全体の色収差を小さく抑えるよ
   うに前記プリズムの硝材の分散ν_d が以下の条件を満足
   することを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載
   の映像表示装置。 ν_d ＞３０