JPH09146038A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンパクトで、広画角で、融像しやすい虚像
を形成する接眼光学系を備えた頭部又は顔面装着式映像
表示装置。 【解決手段】 像面湾曲を有する接眼光学系を右左に使
用すると、右左の虚像１３Ｒ、１３Ｌは湾曲している。
この場合、右左の虚像面がオーバーラップする領域にお
いて、右左の虚像面位置が略一致するように、像面湾曲
を有する右左の接眼光学系１１Ｒ、１１Ｌを配置する
と、広視野を確保できることに加え、右左の像面が重な
る領域において右左の像面位置が略一致しているので、
容易に融像することができ、疲労感なく両眼観察を行う
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像表示装置に関
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又は顔面装着式映像表示装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、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、ゴーグル型の頭部又は顔面装着式の
映像表示装置が開発されている。

【０００３】例えば、米国特許第５，１２４，８２１号
のものにおいては、図２３に側面図を示すように、ＣＲ
Ｔ１に表示された像をリレーレンズ２で中間像として結
像し、その中間像をコリメーター４Ａ（又は４Ｂ）で眼
球に投影する。また、リレーレンズ２とコリメーター４
Ａ（又は４Ｂ）の間にホログラムコンバイナー３Ａ（又
は３Ｂ）を使用しているので、ＣＲＴ１の波長λ₀ を反
射させ、λ₀ 以外の波長の外界光を透過させることがで
き、効率よく電子像と外界像のスーパーインポーズがで
きる。

【０００４】このとき、図２４に平面図を示すように、
両眼で重複して見る視域を片眼画角の一部（５０°）と
なるように構成することで、１２０°という広水平画角
を得ている。

【０００５】また、特開平６−３８２４６号において
は、図２５に平面図を示すように、右眼用映像表示素子
１２Ｒの中心を右側にシフトし、左眼用映像表示素子１
２Ｌの中心を左側にシフトして、それぞれ接眼レンズ１
１Ｒ、１１Ｌで拡大して観察するようにして、観察画角
を広げている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図２４のよう
な構成では次のような問題点がある。すなわち、図２６
に示すように、右眼用接眼光学系１１Ｒ（図２４では４
Ａ）の光軸と左眼用接眼光学系１１Ｌ（図２４では４
Ｂ）の光軸に角度αを持たせると、オーバーラップ領域
における映像表示素子１２Ｒ、１２Ｌの虚像１３Ｒ、１
３Ｌの位置（視度）が異なるので、融像し難く、疲労の
原因となる。

【０００７】また、図２５の構成には次のような問題点
がある。すなわち、図２７に示すように、映像表示素子
１２の中心と各光軸が一致している場合（図の（ａ））
の像高をＸとすると、映像表示素子１２の中心を光軸か
らΔだけ偏心させた場合（図の（ｂ））の偏心させた側
の像高はＸ＋Δとなる。したがって、接眼光学系１１は
より大きな画角に対して収差補正をする必要が生じ、光
学系に対する負担が大きくなる。

【０００８】また、左眼用光学系も右眼用光学系も各々
左右非対称の光学系を使用する場合、例えば、図２８の
ような凹面鏡ＭとハーフミラーＨを含むプリズムＰを使
用した光学系を使用する場合には、左眼用光学系と右眼
用光学系に同じ光学系を使用することができなくなる。
そのため、接眼光学系として２種類を用意する必要が生
じ、コストがアップしてしまう。

【０００９】本発明は以上のような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、頭部又は顔面
装着式映像表示装置において、コンパクトで、広画角
で、融像しやすい虚像を形成する接眼光学系を提供する
ことである。

【００１０】

【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、映像を表示する映像表示部と、前
記映像を観察者の右眼に導くための右眼用光学系と、前
記映像を観察者の左眼に導くための左眼用光学系とを有
する頭部又は顔面装着式映像表示装置において、前記右
眼用光学系によって形成される右眼用の虚像と前記左眼
用光学系によって形成される左眼用の虚像との少なくと
もオーバーラップする領域での像面位置が略一致して重
なるような像面湾曲を付加するように、前記左右の眼用
光学系が形成されていることを特徴とするものである。

【００１１】この場合、左右の眼用光学系が、少なくと
もオーバーラップ領域で左右の虚像が略同一曲面上に形
成されるような像面湾曲を付加するように形成されてい
ることが望ましい。

【００１２】また、右眼用像面と左眼用像面の両像面が
重なり合う領域において、左右の像面位置が略一致する
ように、虚像を形成する位置や左右虚像がオーバーラッ
プする割合に応じて、右眼用光学系と左眼用光学系のな
す角度が変化可能になっていることが好ましい。

【００１３】また、光学系が正の像面湾曲（像球面の曲
率中心が光軸のプラス方向に位置する像面湾曲）を持つ
ことが好ましい。そして、光学系が凹面鏡を有すること
が好ましい。その場合、以下の条件を満足することが好
ましい。 −１．２＜ＰＳ・ｆ＜０．２ ・・・（３） ここで、ｆは光学系の焦点距離、ＰＳは光学系のペッツ
バール和である。

【００１４】また、右眼用虚像と左眼用虚像が重なる部
分が３０°以上であることが好ましい。

【００１５】また、上記の映像表示装置において、右眼
用光学系から観察者の右眼に導かれる光軸と、左眼用光
学系から観察者の左眼に導かれる光軸とが略平行となる
ように映像表示装置が形成されていると共に、映像表示
部が、右眼用の映像を形成する右眼用映像表示素子と、
左眼用の映像を形成する左眼用映像表示素子とを有し、
その左右の映像表示素子が互いに近づく方向にシフト偏
心して配置されているように構成することもできる。

【００１６】その場合、左右の映像表示素子がティルト
（ｔｉｌｔ）偏心して配置され、かつ、そのティルト方
向が互いに逆向きとなっていることが望ましい。

【００１７】そして、左右の眼用光学系が正の像面湾曲
を付加するように形成されていると共に、前記左右の映
像表示素子の映像表示面側での法線が互いに近づく方向
にティルト偏心配置されているか、左右の眼用光学系が
負の像面湾曲を付加するように形成されていると共に、
前記左右の映像表示素子の映像表示面側での法線が互い
に離れる方向にティルト偏心配置されていることが望ま
しい。

【００１８】本発明のもう１つの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投影する光
学系とからなる頭部又は顔面装着式映像表示装置におい
て、光学系の一部が偏心し、虚像位置が光軸と垂直な面
内で移動していることを特徴とするものである。

【００１９】この場合も、右眼用虚像と左眼用虚像が重
なる部分が３０°以上であることが好ましい。

【００２０】本発明のさらにもう１つの発明の映像表示
装置は、映像表示部と、表示された映像を眼球へ投影す
る光学系とからなる頭部又は顔面装着式映像表示装置に
おいて、光学系が視度無限遠の光学系と負パワーの光学
系とから構成されていることを特徴とするものである。

【００２１】この場合、視度無限遠の光学系あるいは映
像表示素子が偏心していることが好ましい。さらに、視
度無限遠の光学系あるいは映像表示素子の偏心量が可変
であることが好ましい。また、右眼用虚像と左眼用虚像
が重なる部分が３０°以上であることが好ましい。

【００２２】以下、上記構成を採用する理由とその作用
について説明する。図１に本発明の原理図を示す。像面
湾曲を有する接眼光学系を右左に使用すると、右左の虚
像１３Ｒ、１３Ｌは湾曲している。この場合、右左の虚
像面がオーバーラップする領域において、右左の虚像面
位置が略一致するように、像面湾曲を有する右左の接眼
光学系１１Ｒ、１１Ｌを図１のように配置する。このよ
うな配置によると、広視野を確保できることに加え、右
左の像面が重なる領域において右左の像面位置が略一致
しているので、容易に融像することができ、疲労感なく
両眼観察を行うことができる。

【００２３】また、映像表示素子１２Ｒ、１２Ｌに視差
のある映像を表示することで、両眼視差による立体像の
観察が可能になる。また、接眼光学系１１Ｒ、１１Ｌと
して像面湾曲を有する接眼光学系を使用できるので、接
眼光学系に対する負担が少なくなり、接眼光学系の設計
上好ましい。

【００２４】この場合、左右の映像表示素子１２Ｌ、１
２Ｒには、図２（ａ）、（ｂ）に示すような映像を表示
することで、図２（ｃ）のような合成画像を得ることが
できる。すなわち、左側映像表示素子１２Ｌに表示され
た映像の中心ＣＬは、合成画像の中心より左側にシフト
し、右側映像表示素子１２Ｒに表示された映像の中心Ｃ
Ｒは、合成画像の中心より右側にシフトしている。

【００２５】図１においては、接眼光学系１１Ｒ、１１
Ｌが正の像面湾曲（像球面の曲率中心が光軸のプラス方
向にある像面湾曲）を持つ場合を図示したが、接眼光学
系が負の像面湾曲（像球面の曲率中心が光軸のマイナス
方向にある像面湾曲）を持つ場合も、同様のことが言え
る。

【００２６】ところで、像面湾曲の湾曲具合は、虚像１
３Ｒ、１３Ｌを形成する位置により変化する。説明を簡
単にするために、像面湾曲を３次収差の領域で考え、ペ
ッツバール像面を曲率半径Ｒの球面と考える。視度を変
更する場合や左右眼虚像がオーバーラップする領域の割
合を変更するには、図３に示すように、両虚像１３Ｒ、
１３Ｌの曲率中心が点Ｏで一致するように両光軸間の角
度αを変更するとよい。このようにすれば、視度やオー
バーラップする領域の割合を変更しても、左右の虚像面
が一致する領域において、左右の虚像面位置が略一致し
たままである。

【００２７】図３には光学系が正の像面湾曲（像球面の
曲率中心が光軸のプラス方向にある像面湾曲）を持つ場
合を示したが、図４に光学系が負の像面湾曲（像球面の
曲率中心が光軸のマイナス方向にある像面湾曲）を持つ
場合を示す。この場合、正の像面湾曲を持つ場合と比較
すると、いくつかの問題点がある。

【００２８】左右の虚像面がオーバーラップする領域に
おいて、左右の虚像面位置が一致するためには、次式が
成立する必要がある。 ｄ＝２（Ｒ＋Ｄ）ｓｉｎ（α／２） ・・・（１） ここで、ｄは眼幅、Ｄは視度（眼球から虚像までの距
離）、Ｒは像面の曲率半径、αは右側接眼レンズ１１Ｒ
の光軸と左側接眼レンズ１１Ｌの光軸のなす角であり、
Ｒ，Ｄ＞０である。

【００２９】右側接眼レンズ１１Ｒの光軸と左側接眼レ
ンズ１１Ｌの光軸のなす角は、図４に示のように必ず内
向角となる（右側接眼レンズ１１Ｒの光軸は左側方向を
向き、左側接眼レンズ１１Ｌの光軸は右側方向を向
く。）。

【００３０】（Ｒ＋Ｄ）が小さくなると、右と左の映像
表示素子１２Ｒ、１２Ｌや接眼レンズ１１Ｒ、１１Ｌが
干渉してしまう。したがって、左右の虚像面がオーバー
ラップする領域や視度を変化させる場合、その範囲が制
限されてしまう。

【００３１】これに対して、接眼光学系が正の像面湾曲
を持つ場合に、左右の虚像面がオーバーラップする領域
において、左右の虚像面位置が略一致するためには、次
式が成立する必要がある。 ｄ＝２（Ｒ−Ｄ）ｓｉｎ（α／２） ・・・（２） ここで、ｄは眼幅、Ｄは視度（眼球から虚像までの距
離）、Ｒは像面の曲率半径、αは右側接眼レンズ１１Ｒ
の光軸と左側接眼レンズ１１Ｌの光軸のなす角であり、
Ｒ，Ｄ＞０である。

【００３２】右側接眼レンズ１１Ｒの光軸と左側接眼レ
ンズ１１Ｌの光軸のなす角は、図３に示のように必ず外
向角となる（右側接眼レンズ１１Ｒの光軸は右側方向を
向き、左側接眼レンズ１１Ｌの光軸は左側方向を向
く。）。

【００３３】これらの方向は、右と左の映像表示素子１
２Ｒ、１２Ｌや接眼レンズ１１Ｒ、１１Ｌがが干渉する
のを防ぐ方向である。したがって、式（２）の正の像面
湾曲を持つ方が大きなαをとることができる。

【００３４】ところで、正パワーを持つ屈折レンズは負
の像面湾曲を持ち、負パワーの屈折レンズは正の像面湾
曲を持つ。したがって、正パワーで正の像面湾曲を持つ
接眼光学系を屈折光学系で構成しようとすると、凸レン
ズと凹レンズを組み合わせた複雑なものとなってしま
う。それに対して、凹面鏡は正パワーと正の像面湾曲を
持つので、本発明の接眼光学系を構成する上で好都合で
ある。また、凹面鏡を有する光学系は、色収差を始めと
する諸収差が少なく、都合がよい。

【００３５】さて、プリズムタイプの凹面鏡（裏面鏡）
のペッツバール和の条件式は、φをパワー、ｆを焦点距
離、ｎを凹面鏡（裏面鏡）に接する媒質の屈折率、ｒを
凹面鏡の近軸曲率半径、ＰＳをペッツバール和とする
と、 φ＝（−ｎ−ｎ）／（−ｒ）＝２ｎ／ｒ ＰＳ＝｛φ／（−ｎ）｝／ｎ＝−２／ｎｒ ∴ＰＳ・ｆ＝−１／ｎ² ＜０（正の像面湾曲） １≦ｎ＜１．９とすると、 −１≦ＰＳ・ｆ＜−０．２８ となる。

【００３６】ところで、凹面鏡では、外コマ収差、及
び、ペッツバール像面よりマイナス側の非点収差が発生
するので、コマ収差、非点収差等を考慮した実質虚像面
湾曲Ｒは、ペッツバール像面よりマイナス側となる。ま
た、大画角を確保するためや、色収差を補正するため
に、凸パワーのレンズを付加したり、映像表示素子とし
て用いられる液晶表示素子（ＬＣＤ）側のテレセントリ
ック性を確保したり、ディストーションを補正するため
に負パワーのレンズを付加することを考慮すると、実際
には、以下の条件を満足することが望ましい。

【００３７】 −１．２＜ＰＳ・ｆ＜０．２ ・・・（３） この条件（３）の下限の−１．２を越えると、負パワー
のレンズによるＬＣＤ側テレセントリック性やディスト
ーションは良好に補正されるが、像面湾曲量が大きくな
りすぎる。その上限の０．２を越えると、付加した凸パ
ワーのレンズにより大画角化や色収差補正は良好になさ
れるが、実質像面が正の像面湾曲を持たなくなる。

【００３８】さらには、以下の条件を満足することがよ
り望ましい。 −１．０≦ＰＳ・ｆ＜−０．１ ・・・（４） さらには、以下の条件を満足することがより望ましい。 −１．０≦ＰＳ・ｆ＜−０．３ ・・・（５） なお、凹面鏡は光軸に対して凹面が偏心していてもよ
い。

【００３９】因みに、ルーペ等の通常の屈折系接眼レン
ズでは、ＰＳ・ｆ＝１／ｎであり、１．４＜ｎ＜１．９
とすると、 ０．５２＜ＰＳ・ｆ＜０．７２ となる。

【００４０】さて、人間の眼の視角特性を図２２に示す
（精密工学会誌５７／８／１９９１）。すなわち、高密
度情報受容ができる弁別視野を（１）、眼球運動で無理
なく情報受容ができる有効視野を（２）、眼球と頭部の
運動で無理なく情報受容ができる安定注視野を（３）、
広視野効果が飽和状態になる誘導視野を（４）、強力な
刺激の存在に気付く程度の周辺補助的な補助視野を
（５）とすると、図２２のような視覚特性となる。した
がって、虚像１３Ｒと１３Ｌが重なる部分が有効視野
（２）（±１５°）をカバーすると、高い解像が必要と
なる視野中心で右眼と左眼の両方の映像を観察・融像す
ることができる。

【００４１】ところで、図３及び図４を用いての検討
は、左右の接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒに対して左右の映
像表示素子１２Ｌ、１２Ｒが偏心していないことを前提
にしていた。この前提を放棄し、それぞれの映像表示素
子１２Ｌ、１２Ｒをお互いに近づく方向である内側にシ
フトさせることを考える。接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒの
光軸を平行にしたまま、左右の視軸は内向きになり、輻
輳角が閉じる方向（内向角）となるので、一般に映像は
観察しやすい。

【００４２】しかしながら、このように映像表示素子１
２Ｌ、１２Ｒを内側にシフトさせると、図５に左右の虚
像の様子を示すように、左右の虚像１３Ｌ、１３Ｒがオ
ーバーラップする領域で左右の像面のずれ量が大きくな
ってしまう。

【００４３】いま、輻輳角がαで、接眼光学系１１Ｌ、
１１Ｒの横倍率をＭとし、図６に正の像面湾曲を持つ場
合の左眼用光学系だけを示すが、図示のように、像面１
３Ｌをα／２だけ回転させ、その曲率中心位置を、左右
の眼の中心を通り左右の眼を結ぶ直線に垂直な直線の延
長位置Ｐ’に一致させるためには、映像表示素子１２Ｌ
をα／（２Ｍ² ）傾ければよい（映像表示素子１２Ｌ、
１２Ｒの眼球側法線が互いに近づく方向にティルト（ｔ
ｉｌｔ）偏心させる。）。左右の映像表示素子１２Ｌ、
１２Ｒにこのようなティルトを行うことにより、左右の
像面１３Ｌ、１３Ｒがオーバーラップする領域で両像面
が重なり合い、左右の像面にずれが生じるのを防止する
ことができる。

【００４４】凹面鏡を使用した接眼光学系は、色収差を
始とした諸収差の発生が少なく、正の像面湾曲を持つの
で、このような凹面鏡を使用した接眼光学系を接眼光学
系１１Ｌ、１１Ｒとして用いる場合は、図６のように、
映像表示素子１２Ｌ、１２Ｒをお互いに近づく方向にシ
フトさせ、かつ、映像表示素子１２Ｌ、１２Ｒの眼球側
法線が互いに近づく方向にティルトさせることにより、
左右の像面１３Ｌ、１３Ｒがオーバーラップする領域で
両像面を一致させることができる。

【００４５】次に、負の像面湾曲を持つ場合には、図７
に左眼用光学系だけを示すように、図６の場合と逆の方
向である、映像表示素子１２Ｌ、１２Ｒの眼球側法線が
互いに離れる方向にティルト（ｔｉｌｔ）偏心させるこ
とにより、左右の像面１３Ｌ、１３Ｒがオーバーラップ
する領域で両像面が重なり合い、左右の像面にずれが生
じるのを防ぐことができる。

【００４６】また、以上のように、接眼光学系１１Ｌ、
１１Ｒの光軸を平行に保つことにより、映像表示装置の
機械的な設計が行いやすくなる。また、接眼光学系１１
Ｌ、１１Ｒを映像表示素子側にテレセントリックに構成
すれば、射出瞳位置の変化等収差の崩れは少なくてす
む。なお、図６、図７は原理図であるので、映像表示素
子１２Ｌの傾きは強調して図示してあるが、実際には、
シャイプルーフ（シャイムフルク）の条件（アオリの基
本原則）に従う。

【００４７】次に、本発明のもう１つの発明の原理図を
図８に示す。接眼光学系１１は部分系１１−１と１１−
２で構成されるとする。部分系１１−１と映像表示素子
１２を図８に示すように光軸から偏心させることで、虚
像を光軸と垂直な面内で移動させることができる。この
ような構成の左右の接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒを図９の
ように配置すれば、従来問題となった左右の像面１３
Ｌ、１３Ｒが重なる位置で左右の像面に視度差が生ずる
ことがなくなり、広画角化することができる。

【００４８】また、このような構成にすることで、左右
の接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒの部分系１１−１や映像表
示素子１２の干渉を防ぐことができる。

【００４９】なお、接眼レンズ１１の部分系１１−２は
より広画角の角度εに対して収差補正を行う必要がある
が、部分系１１−１は偏心後の必要な範囲の画角に対し
てのみ収差補正を行えばよいので、接眼レンズ１１とし
て収差補正の負担が大きくなっている訳ではない。

【００５０】この場合も、虚像１３Ｒと１３Ｌが重なる
部分が有効視野（±１５°）をカバーすると、高い解像
が必要となる視野中心で右眼と左眼の両方の映像を観察
・融像することができる。

【００５１】次に、本発明のさらにもう１つの発明の原
理図を図１０〜図１２に示す。図１０に示すように、接
眼光学系１１をコリメーター１１Ａと負パワー系１１Ｂ
で構成し、映像表示素子１２に表示された像からの光を
コリメーター１１Ａにより平行光とし、負パワー系１１
Ｂにより虚像１３とするとする。この場合、コリメータ
ー１１Ａと映像表示素子１２を図１１に示すように偏心
させると、光軸の上側、下側の画角を示すβ、γは、β
＜γとなり、虚像１３の位置も図の下側に移動するが、
虚像１３は光軸に垂直である。

【００５２】このような光学系を左右眼用に図１２に示
すように配置すれば、従来問題となった左右の像面が重
なる位置で左右の像面に視度差が生ずることなく、広画
角化することができる。

【００５３】この場合、眼の特性により高解像が必要と
される視野中心側（β側）は、負パワー系１１Ｂ（１１
ＢＬ、１１ＢＲ）により発生する収差が少なく、眼の特
性上あまり高解像でなくともよい側（γ側）は、負パワ
ー系１１Ｂ（１１ＢＬ、１１ＢＲ）で発生する収差が大
きくなっており、都合がよい。

【００５４】なお、以上では、コリメータ１１Ａを図１
１に示すようにティルトさせているが、ディセンターさ
せてもよい。

【００５５】なお、左右眼の虚像が重なる領域の割合
（β、γの割合）を変化させるには、コリメータ１１Ａ
と映像表示素子１２で構成される光学系の偏心量（ティ
ルト量＝γ−β）を変化させればよい。この場合、虚像
の位置（視度）、虚像の傾き（光軸に垂直なまま）は不
変である（図１０、図１１参照）。

【００５６】また、図１１では、コリメータ１１Ａと映
像表示素子１２で構成される光学系を一体にして偏心
（ティルト）させているが、映像表示素子１２のみを偏
心（ティルト、ディセンター）させてもよい。

【００５７】この場合も、虚像１３Ｒと１３Ｌが重なる
部分が有効視野（±１５°）をカバーすると、高い解像
が必要となる視野中心で右眼と左眼の両方の映像を観察
・融像することができる。

【００５８】

【発明の実施の形態】以下、図１３〜図２２を参考にし
て、本発明に基づく頭部装着式映像表示装置の光学系の
実施例１〜５について説明する。各実施例の構成パラメ
ータは後記するが、以下の説明において、面番号は、観
察者の瞳位置１０から映像表示素子１２へ向う逆追跡の
面番号として示してある。そして、座標の取り方は、図
１３に示すように、観察者の虹彩位置１０を原点とし、
観察者視軸を原点から接眼光学系１１に向かう方向を正
とするＺ軸、観察者視軸に直交し、観察者眼球から見て
上下方向の下から上を正とするＹ軸、観察者視軸に直交
し、観察者眼球からみて左右方向の右から左を正とする
Ｘ軸と定義する。つまり、紙面内をＹーＺ面とし、紙面
と垂直方向の面をＸ−Ｚ面とする。また、光軸は紙面の
Ｙ−Ｚ面内で折り曲げられるものとする。

【００５９】そして、後記する構成パラメータ中におい
て、偏心量Ｙと傾き角θが記載されている面について
は、その前の面の面頂からのその面の面頂のＹ軸方向の
偏心量（ディセンター）、及び、その前の面の中心軸か
らのその面の中心軸の傾き角を意味し、その場合、θが
正は反時計回りを意味する。なお、偏心量Ｙと傾き角θ
の記載のない面は、その前の面と同軸であることを意味
する。

【００６０】また、面間隔は、その面から次の面までの
偏心がないとした場合のＺ軸に沿う距離であり、その位
置が基準点になり、その基準点から偏心量Ｙの点が次の
面の面頂になる。同軸系部分についてはその面から次の
面までの軸上間隔である。なお、面間隔は、光軸に沿っ
て逆追跡の方向を正として示してある。

【００６１】また、各面において、回転対称な非球面形
状は、Ｒは近軸曲率半径、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ４次、
６次、８次の非球面係数、ｈはｈ² ＝Ｘ² ＋Ｙ² とする
と、非球面式は以下に示す通りである。 Ｚ =（ｈ²/Ｒ）／［1+｛ 1-(ｈ²/Ｒ²)｝^1/2 ］＋Ａｈ⁴
＋Ｂｈ⁶ ＋Ｃｈ⁸ なお、面と面の間の媒質の屈折率はｄ線の屈折率で表
す。長さの単位はｍｍである。なお、記載のない非球面
係数はゼロである。

【００６２】実施例１ 本実施例は、図１３に一方の接眼光学系１１の断面図
を、図１４に左右に図１３の接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒ
を並列させた場合の平面図を示すが、凹面鏡Ｍとハーフ
ミラーＨを用いた接眼光学系を使用した例である。

【００６３】この接眼光学系１１は、正の像面湾曲（像
球面の曲率中心が像面より前方にある像面湾曲）を発生
させるが、右側虚像１３Ｒと左側虚像１３Ｌがオーバー
ラップする領域では、図１４のように両像面を一致させ
ている。したがって、広い視野が確保できる上、観察者
は容易に融像できるので疲労しない。

【００６４】この実施例では、 ｄ＝６５ｍｍ Ｒ＝−８７２．８９６ｍｍ α＝１０° 視度＝−５００ｍｍ であり、これらは、前記の式（２）を満足している。ま
た、 ｆ＝２５．０００ ＰＳ・ｆ＝−１．００ である。

【００６５】実施例２ 本実施例は、図１５に左右にこの実施例の接眼光学系１
１Ｌ、１１Ｒを並列させた場合の平面図を示すが、接眼
光学系として、ルーペ型接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒを使
用している。

【００６６】この接眼光学系１１Ｌ、１１Ｒは、負の像
面湾曲（像球面の曲率中心が像面より後方にある像面湾
曲）を発生させるが、右側虚像１３Ｒと左側虚像１３Ｌ
がオーバーラップする領域では、図１５のように両像面
を一致させている。

【００６７】この実施例では、 ｄ＝６５ｍｍ Ｒ＝４５７ｍｍ α＝４．９２° 視度＝−３００ｍｍ であり、これらは、前記の式（１）を満足している。ま
た、 ｆ＝３１．１９９ ＰＳ・ｆ＝０．７０６ である。

【００６８】実施例３ 本実施例は、図１６に一方の接眼光学系１１の断面図
を、図１７に左右に図１６の接眼光学系を並列させた場
合の平面図を示すが、接眼光学系１１として、ルーペ型
接眼レンズ１１Ａと負パワーの視度補正レンズ１１Ｂを
使用している。

【００６９】映像表示素子１２に表示された像をルーペ
型接眼レンズ１１Ａにより平行光とし、負パワーの視度
補正レンズ１１Ｂにより虚像１３（１３Ｌ、１３Ｒ）を
形成している。虚像１３は光軸Ｌに垂直であるので、こ
の接眼光学系を図１７のように配置すれば、右側虚像１
３Ｒと左側虚像１３Ｌがオーバーラップする領域で像面
が一致したまま広画角化することができる。なお、図１
７は、分かりやすいように、右眼用虚像１３Ｒと左眼用
虚像１３Ｌの位置をずらして表記してある。

【００７０】また、正パワーの１１Ａと負パワーの１１
Ｂにより、像面湾曲は良好に補正されている。映像表示
素子１２とルーペ型接眼レンズ１１Ａは、無偏心光学系
でも偏心光学系でもよい。視度を変更する場合には、負
パワーの異なる視度補正レンズ１１Ｂを使用すればよ
い。この際は、視度補正レンズ１１Ｂを交換するだけで
よい。なお、 ｆ＝３１．０００ ＰＳ・ｆ＝０．５８８ である。

【００７１】実施例４ 本実施例は、図１８に一方の接眼光学系１１の断面図
を、図１９に左右に図１８の接眼光学系を並列させた場
合の平面図を示すが、接眼光学系１１として、ルーペ型
接眼レンズ１１Ａと負パワーの視度補正レンズ１１Ｂを
使用している。

【００７２】実施例３では、正パワーの１１Ａと映像表
示素子１２をティルトさせているが、本実施例では、正
パワーの１１Ａと映像表示素子１２をディセンターさせ
ている。なお、 ｆ＝２５．０００ ＰＳ・ｆ＝０．６６３ である。

【００７３】実施例５ 本実施例は、図２０に一方の接眼光学系１１の断面図
を、図２１に左右に図２０の接眼光学系１１を並列させ
た場合の平面図を示すが、実施例１の凹面鏡Ｍとハーフ
ミラーＨをビームスプリッタプリズムＰと一体化した接
眼光学系１１を使用した例である。

【００７４】この接眼光学系１１による最適像面の曲率
半径＝−６６７ｍｍ（ペッツバール像面の曲率半径は−
５７ｍｍ）であり、 視度＝−１ディオプター 眼幅＝６５ｍｍ とすると、 輻輳角α＝３．７° であり、 横倍率Ｍ＝３９ なので、眼幅６５ｍｍの装着者に対して最適化するため
には、映像表示素子１２を０．８ｍｍ内側にシフトすれ
ば、虚像は０．８×Ｍ＝３２ｍｍだけ内側に移動する。

【００７５】また、左右の像面が重なる位置で像面１３
Ｌ、１３Ｒを一致させるには、映像表示素子１２を０．
００１２°（α／（２Ｍ² ））傾けることで、虚像を
１．８°（α／２）傾けることができる。

【００７６】以下、各実施例の数値データを示す。 実施例１ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 （偏心量） （傾き角） １ ∞（瞳） 31.000 ２ ∞（ハーフミラー）-11.000 θ 45.00° ３ 50.000（凹面鏡） 23.706 ４ ∞（映像表示素子） 。

【００７７】実施例２ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 （偏心量） （傾き角） １ ∞（瞳） 29.919 ２ 18.837 12.000 1.51633 Ａ -0.244773 ×10^-4 Ｂ 0 ３ -348.432 23.398
４ ∞（映像表示素子）
。

【００７８】実施例３ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 （偏心量） （傾き角） １ ∞（瞳） 23.000 ２ -19.615 5.000 1.51633 Ａ 0.986691 ×10^-4 Ｂ 0 ３ -22.160 2.000 Ａ 0.684620 ×10^-4 Ｂ 0 ４ 31.803 8.000 1.51633 Ａ 0.975451 ×10^-5 Ｙ -3.387 θ -15.00° Ｂ 0.494702 ×10^-7 ５ -33.165 30.136 Ａ 0.243705 ×10^-4 Ｂ 0.878742 ×10^-7 ６ ∞（映像表示素子） Ｙ 3.107 θ 5.41°。

【００７９】実施例４ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 （偏心量） （傾き角） １ ∞（瞳） 11.560 ２ -59.018 5.000 1.51633 Ｙ -5.000 ３ -98.095 2.000 ４ 19.742 7.000 1.51633 Ａ -0.409620 ×10^-4 Ｙ 5.000 Ｂ 0 ５ -29.418 20.765 ６ ∞（映像表示素子） 。

【００８０】実施例５ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 （偏心量） （傾き角） １ ∞（瞳） 23.000 ２ ∞ 11.250 1.52540 ３ ∞（ハーフミラー）-12.750 1.52540 θ 45.00° ４ 77.211（凹面鏡） 23.750 1.52540 ５ 681.335 8.463 Ａ 0.476470 ×10^-4 Ｂ -0.998615 ×10^-7 Ｃ 0.970000 ×10^-10 ６ ∞ 1.020 1.51633 （カバーガラスと偏光板） ７ ∞ （映像表示素子の映像表示面） 。

【００８１】以上の本発明の映像表示装置は例えば次の
ように構成することができる。 〔１〕 映像を表示する映像表示部と、前記映像を観察
者の右眼に導くための右眼用光学系と、前記映像を観察
者の左眼に導くための左眼用光学系とを有する頭部又は
顔面装着式映像表示装置において、前記右眼用光学系に
よって形成される右眼用の虚像と前記左眼用光学系によ
って形成される左眼用の虚像との少なくともオーバーラ
ップする領域での像面位置が略一致して重なるような像
面湾曲を付加するように、前記左右の眼用光学系が形成
されていることを特徴とする映像表示装置。

【００８２】〔２〕 前記左右の眼用光学系が、少なく
とも前記オーバーラップ領域で前記左右の虚像が略同一
曲面上に形成されるような像面湾曲を付加するように形
成されていることを特徴とする上記〔１〕記載の映像表
示装置。

【００８３】〔３〕 右眼用像面と左眼用像面の両像面
が重なり合う領域において、左右の像面位置が略一致す
るように、虚像を形成する位置や左右虚像がオーバーラ
ップする割合に応じて、前記右眼用光学系と前記左眼用
光学系のなす角度が変化可能になっていることを特徴と
する上記〔１〕又は〔２〕記載の映像表示装置。

【００８４】〔４〕 前記左右の眼用光学系が正の像面
湾曲（像球面の曲率中心が像面より前方に位置する像面
湾曲）を持つことを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記
載の映像表示装置。

【００８５】〔５〕 前記左右の眼用光学系が凹面鏡を
有することを特徴とする上記〔４〕記載の映像表示装
置。

【００８６】〔６〕 以下の条件を満足することを特徴
とする上記〔５〕記載の映像表示装置。 −１．２＜ＰＳ・ｆ＜０．２ ・・・（３） ここで、ｆは光学系の焦点距離、ＰＳは光学系のペッツ
バール和である。

【００８７】〔７〕 前記の右眼用虚像と左眼用虚像が
重なる部分が３０°以上であることを特徴とする上記
〔１〕又は〔２〕記載の映像表示装置。

【００８８】〔８〕 前記右眼用光学系から観察者の右
眼に導かれる光軸と、前記左眼用光学系から観察者の左
眼に導かれる光軸とが略平行となるように前記映像表示
装置が形成されていると共に、前記映像表示部が、右眼
用の映像を形成する右眼用映像表示素子と、左眼用の映
像を形成する左眼用映像表示素子とを有し、前記左右の
映像表示素子が互いに近づく方向にシフト偏心して配置
されていることを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載
の映像表示装置。

【００８９】

〔９〕 前記左右の映像表示素子がティル
ト偏心して配置され、かつ、そのティルト方向が互いに
逆向きとなっていることを特徴とする上記〔８〕記載の
映像表示装置。

【００９０】〔１０〕 前記左右の眼用光学系が正の像
面湾曲を付加するように形成されていると共に、前記左
右の映像表示素子の映像表示面側での法線が互いに近づ
く方向にティルト偏心配置されていることを特徴とする
上記〔８〕記載の映像表示装置。

【００９１】〔１１〕 前記左右の眼用光学系が負の像
面湾曲を付加するように形成されていると共に、前記左
右の映像表示素子の映像表示面側での法線が互いに離れ
る方向にティルト偏心配置されていることを特徴とする
上記〔８〕記載の映像表示装置。

【００９２】〔１２〕 映像表示部と、表示された映像
を眼球へ投影する光学系とからなる頭部又は顔面装着式
映像表示装置において、光学系の一部が偏心し、虚像位
置が光軸と垂直な面内で移動していることを特徴とする
映像表示装置。

【００９３】〔１３〕 右眼用虚像と左眼用虚像が重な
る部分が３０°以上であることを特徴とする上記〔１
２〕記載の映像表示装置。

【００９４】〔１４〕 映像表示部と、表示された映像
を眼球へ投影する光学系とからなる頭部又は顔面装着式
映像表示装置において、光学系が視度無限遠の光学系と
負パワーの光学系とから構成されていることを特徴とす
る映像表示装置。

【００９５】〔１５〕 視度無限遠の光学系あるいは映
像表示素子が偏心していることを特徴とする上記〔１
４〕記載の映像表示装置。

【００９６】〔１６〕 視度無限遠の光学系あるいは映
像表示素子の偏心量が可変であることを特徴とする上記
〔１５〕記載の映像表示装置。

【００９７】〔１７〕 右眼用虚像と左眼用虚像が重な
る部分が３０°以上であることを特徴とする上記〔１
４〕記載の映像表示装置。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンパクトで、広画角で、融像しやすい虚像を形成する
頭部又は顔面装着式映像表示装置用の接眼光学系を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明の映像表示装置の原理図で
ある。

【図２】第１の発明において映像表示素子の表示する画
像と合成された画像を示す図である。

【図３】正の像面湾曲の場合の視度変更又はオーバーラ
ップ領域割合変更の原理図である。

【図４】負の像面湾曲の場合の視度変更又はオーバーラ
ップ領域割合変更の原理図である。

【図５】映像表示素子を内側にシフトさせた場合の問題
点を説明するための図である。

【図６】正の像面湾曲の場合に映像表示素子のシフトと
ティルトにより左右像面を一致させる原理を説明するた
めの図である。

【図７】負の像面湾曲の場合の図６と同様の図である。

【図８】本発明の第２の発明の映像表示装置の原理図で
ある。

【図９】第２の発明における左右の光学系の配置を示す
図である。

【図１０】本発明の第３の発明の映像表示装置の基本的
構成を示す図である。

【図１１】第３の発明の映像表示装置の原理図である。

【図１２】第３の発明における左右の光学系の配置を示
す図である。

【図１３】実施例１の一方の接眼光学系の断面図であ
る。

【図１４】実施例１の接眼光学系を並列させた場合の平
面図である。

【図１５】実施例２の接眼光学系を並列させた場合の平
面図である。

【図１６】実施例３の一方の接眼光学系の断面図であ
る。

【図１７】実施例３の接眼光学系を並列させた場合の平
面図である。

【図１８】実施例４の一方の接眼光学系の断面図であ
る。

【図１９】実施例４の接眼光学系を並列させた場合の平
面図である。

【図２０】実施例５の一方の接眼光学系の断面図であ
る。

【図２１】実施例５の接眼光学系を並列させた場合の平
面図である。

【図２２】人間の眼の視角特性を示す図である。

【図２３】従来の映像表示装置の側面図である。

【図２４】従来の映像表示装置の平面図である。

【図２５】従来の別の映像表示装置の平面図である。

【図２６】図２４の映像表示装置の問題点を説明するた
めの図である。

【図２７】図２５の映像表示装置の問題点を説明するた
めの図である。

【図２８】従来の凹面鏡とハーフミラーを含むプリズム
を使用した接眼光学系の断面図である。

【符号の説明】

１０…観察者の瞳位置 １１、１１Ｒ、１１Ｌ…接眼光学系 １１−１、１１−２…部分系 １１Ａ、１１ＡＲ、１１ＡＬ…コリメーター １１Ｂ、１１ＢＲ、１１ＢＬ…負パワー系 １２、１２Ｒ、１２Ｌ…映像表示素子 １３、１３Ｒ、１３Ｌ…映像表示素子の虚像 Ｍ…凹面鏡 Ｈ…ハーフミラー ＣＲ、ＣＬ…映像の中心 Ｌ…光軸 Ｐ…ビームスプリッタプリズム

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年８月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】また、光学系が正の像面湾曲（虚像側から
接眼レンズ側に向かって光線追跡した場合での、像球面
の曲率中心が光軸のプラス方向に位置する像面湾曲）を
持つことが好ましい。そして、光学系が凹面鏡を有する
ことが好ましい。その場合、以下の条件を満足すること
が好ましい。 −１．２＜ＰＳ・ｆ＜０．２ ・・・（３） ここで、ｆは光学系の焦点距離、ＰＳは光学系のペッツ
バール和である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７３】実施例５ 本実施例は、図２０に一方の接眼光学系１１の断面図
（Ｙ−Ｚ平面図）を、図２１に左右に図２０の接眼光学
系１１を並列させた場合の平面図（Ｘ−Ｚ平面図）を示
すが、実施例１の凹面鏡ＭとハーフミラーＨをビームス
プリッタプリズムＰと一体化した接眼光学系１１を使用
した例である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７４】この接眼光学系１１による最適像面の曲率
半径＝−６６７ｍｍ（ペッツバール像面の曲率半径は−
５７ｍｍ）であり、 視度＝−１ディオプター 眼幅＝６５ｍｍ とすると、 輻輳角α＝３．７° であり、 横倍率Ｍ＝３９ なので、眼幅６５ｍｍの装着者に対して最適化するため
には、映像表示素子１２を０．８３ｍｍ内側にシフトす
れば、虚像は０．８３×Ｍ＝３２ｍｍだけ内側に移動す
る。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７６】以下、各実施例の数値データを示す。 実施例１ 面番号 曲率半径 間隔 屈折率 （偏心量） （傾き角） １ ∞（瞳） 31.000 ２ ∞（ハーフミラー）-11.000 θ 45.00° ３ 50.000（凹面鏡） 24.266 ４ ∞（映像表示素子） 。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する映像表示部と、前記映像
   を観察者の右眼に導くための右眼用光学系と、前記映像
   を観察者の左眼に導くための左眼用光学系とを有する頭
   部又は顔面装着式映像表示装置において、 前記右眼用光学系によって形成される右眼用の虚像と前
   記左眼用光学系によって形成される左眼用の虚像との少
   なくともオーバーラップする領域での像面位置が略一致
   して重なるような像面湾曲を付加するように、前記左右
   の眼用光学系が形成されていることを特徴とする映像表
   示装置。
2. 【請求項２】 映像表示部と、表示された映像を眼球へ
   投影する光学系とからなる頭部又は顔面装着式映像表示
   装置において、光学系の一部が偏心し、虚像位置が光軸
   と垂直な面内で移動していることを特徴とする映像表示
   装置。
3. 【請求項３】 映像表示部と、表示された映像を眼球へ
   投影する光学系とからなる頭部又は顔面装着式映像表示
   装置において、光学系が視度無限遠の光学系と負パワー
   の光学系とから構成されていることを特徴とする映像表
   示装置。