JPH09181999A - 画像表示装置 - Google Patents
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- JPH09181999A JPH09181999A JP7335219A JP33521995A JPH09181999A JP H09181999 A JPH09181999 A JP H09181999A JP 7335219 A JP7335219 A JP 7335219A JP 33521995 A JP33521995 A JP 33521995A JP H09181999 A JPH09181999 A JP H09181999A
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Abstract
さらに、非常に小型軽量であるために疲労し難い頭部装
着式画像表示装置等の画像表示装置。 【解決手段】 画像表示素子6とその表示像を観察者眼
球1に導く接眼光学系7とからなり、画像表示素子6が
観察者顔面の前方に、表示面が観察者の略前方を向いて
配置され、接眼光学系7は眼球1側の第1面3とこれに
続く第2面4とを有し、第1面3と第2面4の間を屈折
率1以上の媒質で満たすと同時に、2つの面は視軸2に
対して同じ方向に偏心して配備され、第2面4は反射又
は半透過面で構成され、第2面4は観察者眼球側に凹面
を向けた曲面で構成され、かつ、第1面3と第2面4は
異なる曲率を持ち、画像表示素子6から出た光線は、第
1面3、第2面4、第1面3の順で進み、その一次像が
観察者眼球1に入射する。
Description
し、特に、観察者の頭部又は顔面に保持することを可能
にする頭部又は顔面装着式画像表示装置に関する。
ものとして、特開平3ー101709号のものがある。
この画像表示装置は、図41に光路図を示すように、2
次元画像表示素子の表示画像を正レンズよりなるリレー
光学系にて空中像として伝達し、凹面反射鏡からなる接
眼光学系でこの空中像を拡大して観察者の眼球内に投影
するものである。
国特許第4,669,810号のものがある。この装置
は、図42に示すように、CRTの画像をリレー光学系
を介して中間像を形成し、反射型ホログラフィック素子
とホログラム面を有するコンバイナによって観察者の眼
に投影するものである。
して、特開昭62ー214782号のものがある。この
装置は、図43(a)、(b)に示すように、画像表示
素子を接眼レンズで拡大して直接観察できるようにした
ものである。
して、米国特許第4,026,641号のものがある。
この装置は、図44に示すように、画像表示素子の像を
伝達素子で湾曲した物体面に伝達し、その物体面をトー
リック反射面で空中に投影するようにしたものである。
1、図42ような画像表示素子の映像をリレーするタイ
プの画像表示装置では、接眼光学系によらず、接眼光学
系以外にリレー光学系として数枚のレンズを用いなけれ
ばならないため、光路長が長く、光学系は大型になり、
重量も重くなる。また、図43のようなレイアウトで
は、観察者の顔面からの装置突出量が大きくなってしま
う。さらに、画像表示素子と照明光学系をその突出した
部分に取り付けることになり、装置はますます大きく、
重量も重くなる。
に頭部に装着する装置であるため、装置が顔面から突出
する量が大きいと、頭部で支持している点から装置の重
心までの距離が長くなり、装着時のバランスが悪く、疲
労が大きくなる。さらに、装置を装着して移動、回転等
を行うときに、装置が物にぶつかる恐れも生じる。つま
り、頭部装着式画像表示装置は、小型軽量であることが
重要である。そして、この装置の大きさ、重量を決定す
る大きな要因は光学系の構成にある。
大鏡のみを用いると、発生する収差は非常に大きく、補
正する手段がない。拡大鏡の凹面の形状を非球面にする
ことである程度球面収差が補正されても、コマ収差、像
面湾曲等が残存するため、観察画角を大きくすると、実
用的な装置にはなり得ない。あるいは、接眼光学系とし
て凹面鏡のみを用いる場合には、通常の光学素子(レン
ズやミラー)のみではなく、図44に示すように、発生
した像面湾曲にあわせて湾曲した面を有する伝達素子
(ファイバープレート)によって補正するという手段を
用いなければならない。
なされたものであり、その目的は、広い画角において明
瞭に観察が可能であり、さらに、非常に小型軽量である
ために疲労し難い頭部装着式画像表示装置等の画像表示
装置を提供することである。
明の画像表示装置は、画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子によって形成された画像を投影し、観
察者眼球に導く接眼光学系とからなる画像表示装置にお
いて、前記接眼光学系は少なくとも2つの面を持ち、前
記少なくとも2つの面の中、観察者眼球側の面を第1
面、これに続く面を第2面とし、第1面と第2面の間を
屈折率1以上の媒質で満たすと同時に、前記の少なくと
も2つの面は、観察者が観察する投影画像の中心方向と
なる視軸に対して2つとも同じ方向に偏心して配備さ
れ、さらに、前記第2面は、反射又は半透過面で構成さ
れ、前記第2面は観察者眼球側に凹面を向けた曲面で構
成され、かつ、前記第1面と前記第2面は異なる曲率を
持ち、前記画像表示素子から出た光線は前記第1面で屈
折し、前記第2面によって反射され、前記第1面でさら
に屈折し、前記画像表示素子の前記接眼光学系による一
次像を観察者眼球に入射するように構成され、前記画像
表示素子が観察者顔面の前方に、かつ、表示面が観察者
の略前方を向いて配置されていることを特徴とするもの
である。
示素子と2つの接眼光学系とから構成されたものとする
ことができる。
いて説明する。以下の説明においては、光学系の設計上
の利便性から、観察者の瞳位置から画像表示素子に向け
て光線を追跡する逆光線追跡に従って行う。本発明にお
いては、接眼光学系に2つの面を持たせ、その第1面と
第2面に異なる曲率を持たせることによって、偏心して
傾いた第2面で発生する球面収差とコマ収差の補正を行
うことが可能となり、広い射出瞳径と広い観察画角を持
ち、明瞭な観察像を観察者に提供できるようにしたこと
に成功したものである。
表示装置内にコンパクトに配置するために必要な光学系
のレイアウトに関するものである。画像表示素子を視軸
に対して斜めに傾けて配置する構成にすると、傾いた画
像表示素子を画像表示装置内に収納するために、観察者
前方に当たる視軸方向の厚さが厚くなるため、画像表示
装置の体積が大きくなり、重くなってしまう。そのた
め、本発明では、画像表示素子の表示面の垂線を視軸と
略平行に配置するようにすることによって、画像表示装
置の小型軽量化に成功したものである。
は、左右両眼にそれぞれ必要となる画像表示素子を1つ
の画像表示素子で構成し、装置全体を小型化することに
成功したものである。
と略平行に配置したものの説明をする。画像表示素子と
して、例えば液晶表示素子を利用する場合に、表示面の
画素の明るさをコントロールするための電極を液晶表示
素子基板より取り出すことが必要となる。この配線の処
理のために、表示領域より大きい電気基板の上に液晶表
示素子を配置し、基板上で配線を処理し、その基板から
フレキシブル基板等を使用してコントローラー等に接続
する構成が一般的である。
めに傾けて配置する構成だと、大きい電気基板を斜めに
配置するために、画像表示装置の体積が大きくなり、重
くなってしまう。そのため、本発明では、画像表示素子
の表示面の垂線を視軸と略平行に配置することによっ
て、画像表示装置を小型軽量化に成功したものである。
げると、画像表示素子の表示面の方向は、第2面の方向
を向き、観察者前方に当たる視軸と交差することとな
り、画像表示素子6を図15の点線のように傾けて配置
しないと、観察する画像が傾いてしまい、明瞭に観察す
ることができない。なお、図15において、観察者視軸
を2で、裏面凹面鏡からなる接眼光学系を7で示してあ
る。
線と視軸2を略平行にしても、観察像が傾かないように
している。図15の実線に示す位置に画像表示素子6を
配置しても、観察画像が傾いて観察されないようにする
ことが重要である。
要となる条件について説明する。まず、第2面の視軸に
対する傾き角を少なくして、画像表示素子の視軸に対す
る傾き角の発生が少ないようにしている。さらに好まし
くは、観察者視軸上の逆光線追跡の光線が第2面で反射
するときの反射角をθ2 とするとき、θ2 が以下に示す
範囲にあることが重要である。
に近付きすぎてしまい、観察像の水平画角を30°以上
にとる場合に、観察像と画像表示素子が干渉してしま
い、広い観察画角をとることができなくなる。
と、接眼光学系の第2面で反射する場合に発生する収差
が大きくなると共に、画像表示素子を配置する物体面の
傾きが左右の接眼光学系で傾いてしまい、観察像の傾き
が左右の眼で異なってしまい、左右両眼で観察すること
が不可能となる。
ることによって、観察画角の広い光学系を構成すること
ができる。この式の上限と下限の意味は前記の条件式
(1)と同じである。
の傾きを少なくするために、観察者眼球側から第1面の
透過面の視軸上の光線に対する傾きを適切に設定するこ
とが重要となる。逆光線追跡で第1面に入射するときの
角度と、第1面に第2面側から入射するときの光線をバ
ランス良く屈折させることが本発明の場合は重要にな
る。
るときに、第1面と軸上光線がなす角をθ1 とし、第2
面で反射し第1面に入射するときの観察者視軸上の軸上
光線が第1面となす角をθ3 とするとき、以下の条件式
を満足することが重要となる。 0.6<(θ1 /θ3 )×n<1.6 ・・・(3) ただし、nは第1面と第2面との間の媒質の屈折率であ
る。
2面で反射した後に第1面に入射する入射角が大きくな
り、偏心による収差の発生が大きくなりすぎ、他の面で
補正することが難しくなる。また、上限の1.6を越え
ると、第1面に入射する入射角が大きくなりすぎ、下限
を越える場合と同様に、偏心による収差の発生が大きく
なりすぎ、他の面で補正することが困難になる。
ことにより、より高解像の接眼光学系を構成することが
可能となる。 0.8<(θ1 /θ3 )×n<1.6 ・・・(4) 下限については、上記条件式(3)と同じで、特に、偏
心して配置された第2面で反射するときに発生するコマ
収差の発生を少なくするために設定したものである。
子で、観察者左右の眼に対応した2つの接眼光学系に画
像を供給する方法について説明する。本発明の上記の場
合と同じく、画像表示素子の表示面の垂線と観察者視軸
が略平行にすることが重要となる。画像表示面が傾いた
まま1つの画像表示素子で2つの接眼光学系に画像を供
給すると、画像表示面が左右の接眼光学系に対して同一
面にないために、観察する画像が傾いて観察されてしま
う。つまり、傾いた凹面鏡を用いて1つの画像表示素子
に表示される画像を両眼に導いても、左右の画像は傾い
て観察者に観察されるために、両眼で融像できない像に
なってしまう。
面の中心と観察者視軸との距離をd(mm)とすると
き、以下の条件式を満足することが重要である。 25<d<35 ・・・(5) この条件式の上限と下限は、観察者の両眼に合わせて眼
幅調整をする必要から設定されたものであり、下限を越
えると、眼幅50mm以下の人に鮮明な画像を供給する
ことが不可能となる。上限を越えると、眼幅70mm以
上の人が鮮明な画像を観察することができなくなる。
に、接眼光学系に2つの面を持たせ、その第1面と第2
面に異なる曲率を持たせることによって、偏心して傾い
た第2面で発生する球面収差とコマ収差の補正を行うこ
とが可能となり、広い射出瞳径と広い観察画角を持ち、
明瞭な観察像を観察者に提供できるようにしたことに成
功したものである。
射面から見て、曲率中心より遠くにある場合には、強い
内コマ収差が発生する。この強い内コマ収差を補正する
ために、本発明では、凹面鏡となる第1面と第2面の間
を屈折率1以上の媒質で満たすと同時に、第1面と第2
面の曲率を異ならせることによって、第1面での光線の
屈折作用を利用して、第2面に入射する光線高を低くす
ることが可能となる。この作用によって、凹面鏡で発生
する強い内コマ収差の発生を比較的小さくすることに成
功したものである。
観察像をリレー光学系によって中間像として空中に実像
を結像させるのではなく、画像表示素子をそのまま拡大
して観察者の眼球に投影することによって、観察者は拡
大された画像表示素子の画像を虚像として観察できるた
め、少ない光学素子で光学系を構成することができる。
また、拡大投影する光学素子は、観察者の顔面の直前に
顔面のカーブに沿った形状で配備される凹面鏡(拡大
鏡)のみであるため、顔面からの突出量は非常に小さく
でき、小型で軽量な画像表示装置を実現することができ
る。
凹面を向けた負の屈折力を持つ面とすることが重要であ
る。第1面に負の屈折力を持たせることによって、第1
面では負の球面収差が発生する。これは、凹面鏡で発生
する正の球面収差と打ち消し合って、球面収差の発生を
補正する効果がある。
なってしまうが、収差全体としてのまとまりは良くな
り、良い結果を得られる。しかし、第1面の曲率が第2
面の曲率と概略等しくなってしまうと、コマ収差、球面
収差共、補正効果が低減してしまう。
と第2面の曲率半径Ry2とが以下の条件式を満足するこ
とが重要となる。 Ry1/Ry2<2 ・・・(6) (6)式は、傾いて配置される第2面で発生するコマ収
差、特に高次のコマ収差又はコマフレアーの発生を補正
するために重要な条件である。特に、第2面の傾き角が
大きくなると、この条件を満足することが重要となる。
た凹面鏡を配置する接眼光学系を用いる画像表示装置で
は、凹面鏡に入射する光線が斜めであるため、凹面鏡の
中心軸に対称ではない複雑なコマ収差が発生する。この
複雑なコマ収差は、凹面鏡の傾き角が大きくなるに従っ
て大きくなる。小型で広画角の画像表示装置を実現しよ
うとすると、この傾き角を大きくしないと、画像表示素
子と観察光路が干渉するため、広画角な観察像を確保す
ることが困難になる。そのため、広画角で小型の画像表
示装置になればなる程凹面鏡の傾き角が大きくなり、高
次コマ収差の発生をいかに補正するかが重要になる。し
たがって、条件式(6)に示されたコマ収差の補正条件
を満足することが重要となる。
y1と第2面の曲率半径Ry2とが以下の条件式を満足する
ことが重要となる。 Ry1/Ry2<1 ・・・(7) (7)式も、傾いて配置される第2面で発生するコマ収
差、特に高次コマ収差又はコマフレアーの発生を補正す
るために重要な条件である。観察画角を略30°以上に
確保するときに重要となる。(7)式の上限の1を越え
ると、第2面で発生する高次コマ収差の補正が第1面で
補正し切れなくなり、周辺まで明瞭な観察像を観察する
ことが難しくなる。
径Ry1と第2面の曲率半径Ry2とが以下の条件式を満足
することが重要となる。 Ry1/Ry2<0.8 ・・・(8) (8)式も、傾いて配置される第2面で発生するコマ収
差、特に高次コマ収差又はコマフレアーの発生を補正す
るために重要な条件であり、観察画角を略35°以上に
確保するときに重要となる。(8)式の上限の0.8を
越えると、広画角においては、特に第2面で発生する高
次コマ収差の補正が困難となり、周辺まで明瞭な観察像
を観察することが難しくなる。
む面内の接眼光学系の第2面の曲率半径をRy2とし、こ
の面に直交し、観察者視軸を含む面内の第2面の曲率半
径をRx2とするとき、Ry2とRx2が異なることが重要で
ある。この条件は、第2面が視軸に対して傾いているた
めに起こる収差を補正するための条件である。一般に、
球面が傾いていると、その面に入射する光線は、入射面
と入射面に直交する面内で、光線に対する曲率が異な
る。このため、本発明のように視軸に対して偏心して配
置されている接眼光学系では、観察画像中心に当たる視
軸上の観察像も上記理由により非点収差が発生する。こ
の軸上の非点収差を補正するために、第2面の反射面の
入射面内とこれと直交する面内において曲率半径の異な
るものとすることが重要になる。
の関係は、以下の条件を満足することが重要となる。 Ry2/Rx2≦1 ・・・(9) (9)の条件式の上限の1を越えると、上記の説明と同
様に、入射面内と入射面と直交する面内の光線に対する
曲率半径の違いにより発生する非点収差を補正すること
が困難になる。
とRx2の関係は、以下の条件を満足することが重要とな
る。 Ry2/Rx2<0.8 ・・・(10) (10)の条件式の上限の0.8を越えると、上記の非
点収差を補正することが不十分になり、観察画面周辺の
観察像が不鮮明になったり、広い観察画角を観察できな
くなる。また、第2面の傾き角が小さくなり、小型の画
像表示装置を実現できなくなる。
を有する光学素子を配備することによって、接眼光学系
の第2面での光束径が小さくなるため、高次のコマ収差
の発生が少なくなり、画像表示画面周辺まで鮮明に画像
を観察することができる。また、画像周辺での主光線は
正の屈折力を有する光学素子によって屈折されるため
に、接眼光学系に入射する光線高を低くすることがで
き、接眼光学系のみの場合よりもさらに観察画角を大き
く設定することが可能となる。
レンズを用いることによって、製作性が良く、安価で広
画角であり、画面周辺まで鮮明な画像表示装置を提供す
ることができる。
視軸に対して偏心して配備することによって、偏心した
第2面で発生した高次コマ収差の補正に良い結果を得る
ことができる。
接合レンズで構成することによって、その正の屈折力を
有するレンズで発生する倍率の色収差を補正することが
でき、さらに鮮明で広画角な観察像を確保する場合に有
効である。
ックアスフェリカル面で構成することによって、視軸上
の非点収差だけでなく、周辺画像の非点収差やコマ収差
の補正も可能となる。
く視軸に対してティルトしていると同時にディセンタリ
ングして配置されていることが望ましい。第2面の面頂
をディセンタリングすることにより、視軸に対して画像
表示素子側の画像とその反対側の画像とに非対称に発生
するコマ収差の補正や、画像表示素子を配置する面を第
2面での反射後の光軸に対して略垂直に配置することが
可能となる。これは視野角特性の良くない液晶表示素子
を用いるときに有効となる。
接眼光学系を観察者頭部に対して位置決めする手段を有
することによって、観察者は安定した観察像を観察する
ことが可能となる。
者頭部に対して位置決めする手段を有し、観察者頭部に
装着できるようにすることによって、観察者は自由な観
察姿勢や、観察方向で画像を観察することが可能とな
る。
置を一定の間隔で支持する支持手段を有することによっ
て、観察者は左右両眼で楽に観察することが可能とな
る。また、左右の画像表示面に視差を与えた画像を表示
し、両眼でそれらを観察することによって立体像を楽し
むことが可能となる。
実施例1から13について、図面を参照して説明する。
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1から画像表示素子
6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1〜図13に示すように、観察者の瞳
位置1中心から視軸方向をZ軸とし、紙面に垂直な方向
に紙面表面から裏面に向かう方向を正としてX軸をと
り、X軸、Z軸に垂直で右手系を構成するY軸を紙面内
にとり、光軸は紙面のY−Z面内で折り曲げられるもの
とする。
て、偏心量Y,Zと傾き角θが記載されている面につい
ては、基準軸(Z軸)あるいは基準面(1面)に対して
のその面のY軸方向、Z軸方向の偏心量、及び、その面
の中心軸のZ軸からの傾き角を意味し、その場合、θが
正は反時計回りを意味する。なお、偏心量Y,Z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。
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2面の面頂になる。同軸系
部分(正のパワーを有する光学素子8)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。ただ
し、反射面以後では符号は反転する。
の面形状は、その面を規定する座標上で、Ry 、Rx は
それぞれY−Z面(紙面)内の近軸曲率半径、X−Z面
内での近軸曲率半径、Kx 、Ky はそれぞれX−Z面、
Y−Z面内の円錐係数、AR、BRはそれぞれZ軸に対
して回転対称な4次、6次の非球面係数、AP、BPは
それぞれZ軸に対して回転非対称な4次、6次の非球面
係数とすると、非球面式は以下に示す通りである。
{ 1-(1+Kx ) ( X2/Rx 2)-(1+Ky ) ( Y2/Ry 2)}
1/2 ]+AR[ (1-AP) X2+( 1+AP) Y2 ]2+B
R[ (1-BP) X2+( 1+BP) Y2 ]3 また、各面において、トーリック面の面形状は、その面
を規定する座標上で、Ry 、Rx はそれぞれY−Z面
(紙面)内の近軸曲率半径、X−Z面内での近軸曲率半
径、Ky はY−Z面内の円錐係数、A、BはそれぞれY
−Z面内の4次、6次の非球面係数とすると、非球面式
は以下に示す通りである。
y ) ( Y2/Ry 2)}1/2 ]+AY4 +BY6 Z=F(Y)+{X2 +Z2 −F2 (Y)}/(2
Rx ) さらに、各面において、回転対称の非球面形状は、近軸
曲率半径をRとすると、次の式で与えられる。
R2)}1/2 ]+Ah4 +Bh6 (h2 =X2 +Y2 ) ここで、Kは円錐係数、A、Bはそれぞれ4次、6次の
非球面係数である。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。
像表示装置であり、左眼用は構成す光学要素を全てX−
Z面に対称に配備することで実現できる。また、実際の
装置においては、接眼光学系によって光軸が屈曲する方
向は、観察者の上方あるいは下方、側方何れの方向にあ
ってもよいことは言うまでもない。
の単眼用の画像表示装置の断面図を示す。それぞれの断
面図において、1は観察者瞳位置、2は観察者視軸、3
は接眼光学系の第1面、4は接眼光学系の第2面を構成
する凹面鏡、5は接眼光学系の第3面(第1面3と共
通)、6は画像表示素子、7は第1面3と第2面(反射
面)4と第3面5からなる接眼光学系、8は正のパワー
を有する光学系である。
表示素子6から発した光線束は、順に接眼光学系7の第
3面5で屈折、第2面(凹面鏡)4で反射、第1面3で
屈折されて、実施例1、2、8〜13の場合は、直接観
察者の瞳の虹彩位置又は眼球の回旋中心を射出瞳1とし
て観察者の眼球内に投影され、実施例3〜7の場合は、
正のパワーを有する光学系8を経て観察者の瞳の虹彩位
置又は眼球の回旋中心を射出瞳1として観察者の眼球内
に投影される。なお、図9〜図13には、画像表示素子
6からの光軸が接眼光学系7の第3面5に入射する位置
の第3面5の法線n3 、その光軸が接眼光学系7の第2
面4に入射する位置の第2面4の法線n2 、その光軸が
接眼光学系7の第1面3に入射する位置の第1面3の法
線n1 をそれぞれ図示してある。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、
第3面5はアナモルフィク非球面である。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第3面5は
トーリック面であり、第2面4はアナモルフィック非球
面である。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、
第3面5はアナモルフィック非球面である。また、瞳1
と接眼光学系7の間には無偏心で球面で構成された正の
パワーを有する単レンズ8が配備されている。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、
第3面5はアナモルフィック非球面である。また、瞳1
と接眼光学系7の間には球面で構成された正のパワーを
有する単レンズ8が視軸2に対して偏心して配備されて
いる。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、
第3面5はアナモルフィック非球面である。また、瞳1
と接眼光学系7の間には1面が非球面、1面が球面で構
成された正のパワーを有する単レンズ8が視軸2に対し
て偏心して配備されている。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、
第3面5はアナモルフィック非球面である。また、瞳1
と接眼光学系7の間にはそれぞれの面が球面であり、そ
れぞれの面が偏心して構成された正のパワーを有する単
レンズ8が配備されている。
経4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、
第3面5はアナモルフィック非球面である。また、瞳1
と接眼光学系7の間にはそれぞれの面が球面である凹レ
ンズと凸レンズの接合レンズで構成された正のパワーを
有する光学系8が視軸に対して偏心して配備されてい
る。
4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第3面5は平
面であり、第2面は球面である。
4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、第
3面5はアナモルフィック非球面である。
4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、第
3面5はトーリック面である。
4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、第
3面5はアナモルフィック非球面である。
4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、第
3面5はアナモルフィック非球面である。
4mmであり、接眼光学系7の第1面3、第2面4、第
3面5はアナモルフィック非球面である。
フィック非球面、トーリック面の面形状にこだわらず、
回転対称な非球面、球面、さらに、次に式で定義される
自由曲面等の面形状で構成できることは言うまでもな
い。 ここで、x,y,zは直交座標を表し、Cnmは任意の係
数、k,k’も任意とする。
い形状の場合は、視軸上を進み画像表示素子に到る軸上
光線に沿って、軸上光線と面とが当たる部分の面の形状
の微分値によって得られるある任意のある領域内の曲率
をその面の曲率とすることで、曲率、パワーを求めるこ
ともできる。
示す。この実施例は両眼用の画像表示装置の断面図であ
り、実施例13の接眼光学系を2つ用い、1つの画像表
示素子6からの画像を左右の接眼光学系7L 、7R に供
給している。なお、1L 、1R は観察者の左右の瞳位
置、2L 、2R は観察者の左右の視軸を示す。次に、上
記実施例1〜13の構成パラメータを示す。
3、実施例7、実施例9〜13の横収差図をそれぞれ図
16〜図18、図19〜図21、図22〜図24、図2
5〜図27、図28〜図30、図31〜図33、図34
〜図36、図37〜図39に示す。これらの横収差図に
おいて、括弧内に示された数字は(水平画角,垂直画
角)を表し、その画角における横収差を示す。
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実
施例に限定されず種々の変形が可能である。そして、本
発明の画像表示装置を頭部装着式画像表示装置(HM
D)として構成するには、例えば、図40(a)に断面
図、同図(b)に斜視図を示すように、左右のHMD1
3の間を眼輻距離に合わせて固定的に支持し、これに例
えばヘッドバンド10を取り付けて、このヘッドバンド
10により観察者の頭部に装着して使用する。この使用
例の場合に、接眼光学系の第2面を半透過ミラー(ハー
フミラー)とし、このハーフミラーの前方に液晶シヤッ
ター11を配備し、外界像を選択的に、又は、画像表示
素子の映像と重畳して観察できるようにすることができ
る。
例えば次にように構成することができる。 〔1〕 画像を表示する画像表示素子と、前記画像表示
素子によって形成された画像を投影し、観察者眼球に導
く接眼光学系とからなる画像表示装置において、前記接
眼光学系は少なくとも2つの面を持ち、前記少なくとも
2つの面の中、観察者眼球側の面を第1面、これに続く
面を第2面とし、第1面と第2面の間を屈折率1以上の
媒質で満たすと同時に、前記の少なくとも2つの面は、
観察者が観察する投影画像の中心方向となる視軸に対し
て2つとも同じ方向に偏心して配備され、さらに、前記
第2面は、反射又は半透過面で構成され、前記第2面は
観察者眼球側に凹面を向けた曲面で構成され、かつ、前
記第1面と前記第2面は異なる曲率を持ち、前記画像表
示素子から出た光線は前記第1面で屈折し、前記第2面
によって反射され、前記第1面でさらに屈折し、前記画
像表示素子の前記接眼光学系による一次像を観察者眼球
に入射するように構成され、前記画像表示素子が観察者
顔面の前方に、かつ、表示面が観察者の略前方を向いて
配置されていることを特徴とする画像表示装置。
表示素子と2つの接眼光学系とから構成されていること
を特徴とする上記〔1〕記載の画像表示装置。
観察者の眼球に直接投影されることを特徴とする上記
〔1〕記載の画像表示装置。
者眼球側に凹面を向けた透過面として構成されているこ
とを特徴とする上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載の画
像表示装置。
素子の中心を含む面の第1面及び第2面の曲率半径をR
y1、Ry2とするとき、 Ry1/Ry2<2 ・・・(6) なる条件を満足することを特徴とする上記〔1〕、
〔2〕、〔3〕又は〔4〕記載の画像表示装置。
径Ry1と前記接眼光学系の第2面の曲率半径Ry2が Ry1/Ry2<1 ・・・(7) なる条件を満足することを特徴とする上記〔1〕、
〔2〕、〔3〕又は〔4〕記載の画像表示装置。
径Ry1と前記接眼光学系の第2面の曲率半径Ry2が Ry1/Ry2<0.8 ・・・(8) なる条件を満足することを特徴とする上記〔1〕、
〔2〕、〔3〕又は〔4〕記載の画像表示装置。
表示素子の中心を含む面内の前記接眼光学系の第2面の
曲率半径をRy2とし、この面に直交し、前記観察者視軸
を含む面内の前記接眼光学系の第2面の曲率半径をRx2
とするとき、Rx2とRy2が異なることを特徴とする上記
〔1〕、〔2〕、〔3〕又は〔4〕記載の画像表示装
置。
表示素子の中心を含む面内の前記接眼光学系の第2面の
曲率半径をRy2とし、この面に直交する面内の前記接眼
光学系の第2面の曲率半径をRx2とするとき、前記接眼
光学系の第2面の曲率半径Rx2とRy2は Ry2/Rx2≦1 ・・・(9) なることを特徴とする上記〔1〕、〔2〕、〔3〕又は
〔4〕記載の画像表示装置。
半径Rx2とRy2は Ry2/Rx2<0.8 ・・・(10) なることを特徴とする上記〔1〕、〔2〕、〔3〕又は
〔4〕記載の画像表示装置。
と、前記画像表示素子によって形成された画像を投影
し、観察者眼球に導く接眼光学系とからなる画像表示装
置において、前記接眼光学系は少なくとも2つの面を持
ち、前記少なくとも2つの面の中、観察者眼球側の面を
第1面、これに続く面を第2面とし、第1面と第2面の
間を屈折率1以上の媒質で満たすと同時に、前記の少な
くとも2つの面は、観察者が観察する投影画像の中心方
向となる視軸に対して2つとも同じ方向に偏心して配備
され、さらに、前記第2面は、反射又は半透過面で構成
され、前記第2面は観察者眼球側に凹面を向けた曲面で
構成され、かつ、前記第1面と前記第2面は異なる曲率
を持ち、前記画像表示素子から出た光線は前記第1面で
屈折し、前記第2面によって反射され、前記第1面でさ
らに屈折し、前記画像表示素子の前記接眼光学系による
一次像を観察者眼球に入射するように構成され、さら
に、前記接眼光学系と前記観察者眼球の間に、正の屈折
力を有する光学素子が配備され、前記画像表示素子が観
察者顔面の前方に、かつ、表示面が観察者の略前方を向
いて配置されていることを特徴とする画像表示装置。
子は正の屈折力を有するレンズであることを特徴とする
上記〔11〕記載の画像表示装置。
子は前記観察者視軸に対して偏心していることを特徴と
する上記〔11〕記載の画像表示装置。
子は接合レンズであることを特徴とする上記〔11〕記
載の画像表示装置。
モルフィックアスフェリカル面で構成されたことを特徴
とする上記〔1〕、〔2〕、〔3〕又は〔4〕記載の画
像表示装置。
に対してティルトしていると同時にディセンタリングし
ていることを特徴とする上記〔1〕、〔2〕、〔3〕又
は〔4〕記載の画像表示装置。
学系を観察者頭部に対して位置決めする位置決め手段を
有すること特徴とする上記〔1〕又は〔11〕記載の画
像表示装置。
学系を前記観察者頭部に対して支持する支持手段を有
し、前記観察者頭部に装着できることを特徴とする上記
〔1〕又は〔11〕記載の画像表示装置。
2組を一定の間隔で支持する支持手段を有することを特
徴とする上記〔1〕又は〔11〕記載の画像表示装置。
の画像表示装置によると、広い観察画角で、非常に小型
軽量な画像表示装置を提供することができる。
る。
る。
る。
る。
る。
る。
る。
る。
る。
である。
である。
である。
である。
面図である。
るための図である。
る。
ある。
る。
ある。
る。
ある。
る。
ある。
る。
ある。
である。
る。
ある。
である。
る。
ある。
である。
る。
ある。
である。
図と斜視図である。
である。
ある。
す図である。
す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 画像を表示する画像表示素子と、前記画
像表示素子によって形成された画像を投影し、観察者眼
球に導く接眼光学系とからなる画像表示装置において、 前記接眼光学系は少なくとも2つの面を持ち、前記少な
くとも2つの面の中、観察者眼球側の面を第1面、これ
に続く面を第2面とし、第1面と第2面の間を屈折率1
以上の媒質で満たすと同時に、前記の少なくとも2つの
面は、観察者が観察する投影画像の中心方向となる視軸
に対して2つとも同じ方向に偏心して配備され、さら
に、前記第2面は、反射又は半透過面で構成され、前記
第2面は観察者眼球側に凹面を向けた曲面で構成され、
かつ、前記第1面と前記第2面は異なる曲率を持ち、前
記画像表示素子から出た光線は前記第1面で屈折し、前
記第2面によって反射され、前記第1面でさらに屈折
し、前記画像表示素子の前記接眼光学系による一次像を
観察者眼球に入射するように構成され、 前記画像表示素子が観察者顔面の前方に、かつ、表示面
が観察者の略前方を向いて配置されていることを特徴と
する画像表示装置。 - 【請求項2】 前記画像表示装置は、1つの画像表示素
子と2つの接眼光学系とから構成されていることを特徴
とする請求項1記載の画像表示装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33521995A JP3542214B2 (ja) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | 画像表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33521995A JP3542214B2 (ja) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | 画像表示装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09181999A true JPH09181999A (ja) | 1997-07-11 |
JP3542214B2 JP3542214B2 (ja) | 2004-07-14 |
Family
ID=18286099
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP33521995A Expired - Fee Related JP3542214B2 (ja) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | 画像表示装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3542214B2 (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6421184B1 (en) | 2000-08-24 | 2002-07-16 | Olympus Optical Co., Ltd. | Optical path splitting element and image display apparatus using the same |
US6464361B2 (en) | 2000-10-05 | 2002-10-15 | Olympus Optical Co., Ltd. | Image display apparatus having three-dimensionally decentered optical path |
US6501602B2 (en) | 2000-08-08 | 2002-12-31 | Olympus Optical Co., Ltd. | Image display apparatus having three-dimensionally decentered optical path |
US6757107B2 (en) | 2001-04-25 | 2004-06-29 | Olympus Corporation | Optical path splitting element and image display apparatus using the same |
US6795042B1 (en) | 2000-01-06 | 2004-09-21 | Olympus Corporation | Image display apparatus |
US10634915B2 (en) | 2016-03-24 | 2020-04-28 | Seiko Epson Corporation | Image display device |
-
1995
- 1995-12-22 JP JP33521995A patent/JP3542214B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6795042B1 (en) | 2000-01-06 | 2004-09-21 | Olympus Corporation | Image display apparatus |
US6501602B2 (en) | 2000-08-08 | 2002-12-31 | Olympus Optical Co., Ltd. | Image display apparatus having three-dimensionally decentered optical path |
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US10634915B2 (en) | 2016-03-24 | 2020-04-28 | Seiko Epson Corporation | Image display device |
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Publication number | Publication date |
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JP3542214B2 (ja) | 2004-07-14 |
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