JPH06319092A

JPH06319092A - 頭部装着式ディスプレイ

Info

Publication number: JPH06319092A
Application number: JP32212393A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Imai; 聡今井; Kokichi Kenno; 研野孝吉
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 1994-11-15

Abstract

(57)【要約】【目的】接眼光学系に像面湾曲があっても、全画角に
わたってボケのない高解像度の画像が観察できるように
する。【構成】液晶表示素子７、コリメート状態に近い状態
でこの表示素子７を照明する照明装置１、接眼光学系６
から構成され、表示素子７と接眼光学系６の間に拡散光
学素子８を置き、この拡散光学素子８の入射面又は射出
面が接眼光学系の持つ像面湾曲の形状にフィットするよ
うな面形状を持ち、さらに、その面は拡散面９になって
いる。表示素子７の画像は照明装置１により拡散光学素
子８の拡散面９に投影され、拡散面９が第２次表示面と
なり、接眼光学系６を通して画像を観察すると、物体面
が像面湾曲を補償する形状の面になっているので、接眼
光学系６の像面湾曲が補正され、観察画像は平面像にな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上に利用分野】本発明は、頭部装着式ディスプレ
イに関し、特に、接眼光学系を用いて表示素子上に表示
された画像を拡大して観察する頭部装着式ディスプレイ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、一般にＥｙｅＰｈｏｎｅと呼
ばれている頭部装着式ディスプレイに採用されている図
９（ａ）の断面図のようなルーペ・タイプの接眼光学系
（ＳＰＩＥ Vol.1457(1991)pp.140-158 ）では、光線の
逆追跡を行うと、同図（ｂ）の像面湾曲を示す収差図の
ように、像面湾曲が大きく発生していることが分かる。
したがって、この場合の観察画像は湾曲しており、周辺
部にボケが生じやすい。また、米国特許第５，１２３，
７２６号においては、目に近接した位置に光ファイバー
束で像面を形成している。これは、コンタクトレンズを
装着しないと像が観察できない欠点があり、さらに、装
置が大型化する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、通常、
頭部装着式ディスプレイに用いられる接眼光学系には、
像面湾曲が伴う。そのため、全画角にわたってボケのな
い高解像度の画像を観察することは容易ではない。

【０００４】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、接眼光学系に像面湾曲があ
っても、全画角にわたってボケのない高解像度の画像が
観察できるようにすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の頭部装着式ディスプレイは、投影照明装置と透過型
表示素子を含む像表示装置及び接眼光学系からなる頭部
装着式ディスプレイにおいて、前記透過型表示素子と接
眼光学系の間に入射面又は射出面を拡散面とした拡散光
学素子又は光ファイバー束が配置され、前記拡散光学素
子の拡散面又は光ファイバー束の射出面が前記接眼光学
系の像面湾曲に沿った形状を有していることを特徴とす
るとするものである。

【０００６】この場合、投影照明装置が少なくともラン
プと凹面ミラーと絞りからなり、凹面ミラーの形状は、
ランプからの放射光が絞り位置に集光するように設定さ
れており、絞りの開口径は充分小さく設定されているこ
とが望ましい。また、投影照明装置と拡散光学素子の間
にパワーを有する光学素子を配置し、透過型表示素子と
この光学素子を連動して移動可能に構成することもでき
る。さらに、拡散光学素子として周期的構造を有する光
学素子を用いることができる。

【０００７】

【作用】本発明においては、透過型表示素子と接眼光学
系の間に入射面又は射出面を拡散面とした拡散光学素子
又は光ファイバー束が配置され、この拡散光学素子の拡
散面又は光ファイバー束の射出面が接眼光学系の像面湾
曲に沿った形状を有しているので、透過型表示素子上の
表示画像は、拡散光学素子又は光ファイバー束により接
眼光学系の像面湾曲を補償する拡散面又は射出面上の第
２次表示画像に変換されるため、これを拡大観察する接
眼光学系に像面湾曲があっても、全画角にわたってボケ
のない高解像度の画像が観察できる。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照にして、本発明の頭部装着
式ディスプレイをいくつかの実施例に基づいて説明す
る。実施例の説明の前に、本発明の原理を簡単に説明す
ると、この頭部装置式ディスプレイは、透過型表示素
子、拡散状態でなくコリメート状態に近い状態でこの透
過型表示素子を照明する照明装置、接眼光学系から構成
され、透過型表示素子と接眼光学系の間に拡散光学素子
又は光ファイバー束を置き、この拡散光学素子の入射面
又は射出面若しくは光ファイバー束の射出側の面が接眼
光学系の持つ像面湾曲の形状にフィットするような面形
状を持ち、さらに、拡散光学素子の場合はその面が拡散
面になっている。透過型表示素子の画像は照明装置によ
り拡散光学素子の拡散面に又は光ファイバー束の入射面
に投影され、拡散光学素子のその拡散面又は光ファイバ
ー束の射出面が第２次表示面となり、接眼光学系を通し
て画像を観察すると、物体面が像面湾曲を補償する形状
の面になっているので、接眼光学系の像面湾曲が補正さ
れ、観察画像は平面像になる。

【０００９】図１に本発明の第１実施例の頭部装着式デ
ィスプレイの片側の目に対する光学系の断面図を示す。
この光学系は、投影照明装置１として、小型ランプ２、
ランプ２が１つの焦点位置に配置され、それから発散さ
れた光束を他の焦点に集光する楕円ミラー３、楕円ミラ
ー３の他の焦点位置に配置された孔径の小さい絞り４、
絞り４からコヒーレント光に近い状態で発散される光束
をほぼ平行光束に変換するコンデンサーレンズ５を備え
ており、接眼光学系６として、例えば１枚以上のレンズ
からなり、例えば図２の収差図のような像面湾曲を有す
る光学系が用いられる。投影用照明装置１と接眼光学系
６の間には、液晶表示素子（ＬＣＤ）パネル７と、ＬＣ
Ｄパネル７に近接して射出側の面９が拡散面になってい
る拡散光学素子８が配置されている。この拡散面９は、
逆追跡した時の接眼光学系６の像面湾曲が負の場合には
それに対応した凹面状となり、像面湾曲が正の場合には
それに対応した凸面状になる。なお、加工上の容易さか
ら、その像面湾曲形状に近似した球面で面９を形成して
もよい。図１の場合は、図２に示すように、接眼光学系
６の像面湾曲が負であるので、拡散面９の面形状は凹面
状になっている。

【００１０】このような構成において、ランプ２から放
射された光は楕円ミラー３で反射され、絞り４の位置で
一点に集光する。絞り４の孔を通過した光は、コンデン
サーレンズ５を介してＬＣＤパネル７面に照射される。
コンデンサーレンズ５からの光束は平行光であるので、
ＬＣＤパネル７を透過して画像により空間変調された光
は、相互に交差することなく拡散光学素子８の拡散面９
に投影される。この拡散面９を第２次表示面として拡散
光が射出する。接眼光学系６の前側焦点位置近傍に拡散
面９を配置すれば、接眼光学系６を通して、拡散面９上
の画像が平面像として観察できる。

【００１１】以上のような構成にすれば、平面状のＬＣ
Ｄパネル７が使用でき、かつ、像面湾曲を有する接眼光
学系６を用いてもその像面湾曲を補正することができ
る。

【００１２】なお、拡散光学素子８としては、射出側の
面が拡散面９になっているものに限らず、図３に示すよ
うに、入射面が拡散面となっているものを用いてもよ
い。

【００１３】次に、第２実施例の光学系の断面図を図４
に示す。この実施例は、接眼光学系として偏心光学系を
用いて例であり、同図には、簡単な例として、凹面鏡１
０を１枚を用いた構成を示してある。基本的な構成、作
用は第１実施例と同じであるので、相違点のみを以下に
記す。投影照明装置１のミラー３の面形状を最適化して
ランプ２から放射される光を絞り４位置で１点に集光さ
せるようにすると共に、ＬＣＤパネル７への入射角をも
調節する。この場合、コンデンサーレンズ５を図１の実
施例と同様に配置してもよいが、図４のように入射角を
小さくすれば、コンデンサーレンズ５は図示のように外
してもよい。偏心光学系１０においては、像面湾曲が非
軸対称になるため、拡散光学素子８の拡散面９もそれに
応じた曲面形状にする。

【００１４】この実施例も作用効果は実質的に第１実施
例１と同じであるが、投影用照明装置１からのＬＣＤパ
ネル７照明光が平行光でなく、発散光になっている分、
ＬＣＤパネル７の小型化が実現でき、また、コンデンサ
ーレンズが省かれた分投影照明装置１の小型化が図ら
れ、頭部装着式ディスプレイ自体のコンパクト化につな
がるメリットがある。

【００１５】なお、上記第１及び第２実施例において
は、投影用照明装置１のコンデンサーレンズ５の代わり
に、マイクロプリズムアレイあるいはマイクロレンズア
レイを用いて、同様な照明を行うようにしてもよい。

【００１６】第３実施例の要部の光学系の断面図を図５
に示す。この実施例も基本的には第１、第２実施例と同
様であるが、投影用照明装置１を通常の拡散光源である
バックライト１１にし、かつ、拡散光学素子を光ファイ
バー束１２で置き換える。なお、投影用照明装置１は、
第１、第２実施例と同じ方式のものにしておいてもよ
い。光ファイバー束１２は、入射面を平面にし、接眼光
学系６又は１０側の面を接眼光学系６又は１０の持つ像
面湾曲の形状にフィットさせておく。このように、拡散
光学素子として光ファイバー束１２を利用することによ
り、ＬＣＤパネル７照明光の状態に限定がなくなる。

【００１７】次の第４実施例の要部の光学系の断面図を
図６に示す。基本的な構成、作用は第１、第２実施例と
同様であるが、投影用照明装置１と拡散光学素子８の間
にＬＣＤパネル７とフレネルレンズ１３を配置し、か
つ、両者を、図７に示すように、連動して光軸に沿って
移動可能にした点に特徴がある。この実施例では、フレ
ネルレンズ１３として負のパワーを持つフレネルレンズ
を用いており、その場合、図７（ａ）のように、ＬＣＤ
パネル７とフレネルレンズ１３が投影用照明装置１側に
位置すると、拡散面９により大きく拡大した画像が投影
され、同図（ｂ））のように、拡散光学素子８側に位置
すると、拡散面９によ小さく拡大した画像が投影され
る。このように構成して、画面サイズの変倍機能が実現
できる。

【００１８】また、フレネルレンズ１３をシリンドリカ
ルレンズに代え、ＬＣＤパネル７に表示される画像を縦
あるいは横方向に圧縮伸長可能にし、かつ、シリンドリ
カルレンズの光軸方向の位置に合わせてＬＣＤパネル７
に表示する画像の圧縮伸長の度合を調節すれば、画面ア
スペクト比の可変機能が実現できる。

【００１９】次に、第５実施例の光学系の断面図を図８
に示す。この実施例は、拡散光学素子８から目に至るま
での構成と作用は、図１の実施例と同じであるが、投影
照明装置１から拡散光学素子８に至る画像の投影方法が
異なる。すなわち、投影照明装置１には平面状のバック
ライト１１を用い、ＬＣＤパネル７と拡散光学素子８の
間にリレー光学系１４を配置してある。このリレー光学
系１４は、ＬＣＤパネル７面に表示される画像を拡散光
学素子８の拡散面９上に投影する。このとき、リレー光
学系１４の像面湾曲Ｐと接眼光学系６の像面湾曲との差
が、リレー光学系１４の焦点深度に収まるように、リレ
ー光学系１４の開口数を小さくしておく。これにより、
リレー光学系１４の像面湾曲が接眼光学系６の像面湾曲
と完全に一致しなくとも近似的に一致していれば、ＬＣ
Ｄパネル７面上の画像を拡散光学素子８の拡散面９上に
投影することができる。この実施例は、接眼光学系６の
像面湾曲を補償するように湾曲した拡散面９上にＬＣＤ
パネル７面上の画像を光学的に結像して投影する点で、
他の実施例と異なる。

【００２０】次に、第６実施例として、上記各実施例に
おける拡散光学素子８として、周期的構造を有する光学
素子を用いることができる。周期的構造を有する光学素
子の具体例としては、回折格子型光学素子があげられ
る。回折格子のタイプとしては、バイナリータイプ、正
弦波状タイプ、マイクロレンズアレイタイプ等がある。
また、格子パターンの配列（正面からみた配列）として
は、要素の回折格子をます目状、ハニカム状に並べたも
の等がある。なお、本発明の頭部装着式ディスプレイに
おいては、接眼光学系６又は凹面鏡１０でこの回折格子
型光学素子の第２次表示面（拡散面）を拡大して観察す
るため、回折格子の構造が目立たない程度に格子のピッ
チを小さくしておく必要がある。

【００２１】通常利用される拡散面は砂目状になってお
り、そのため、第２次表示面である拡散面からの射出光
はランダムな方向に拡散されることになる。このような
拡散面への入射光の開口数が小さいと、場合により光が
目に全然到達しない部分が生じる可能性がある。このよ
うな現象が顕著に生じると、観察画面がざらついて観察
され、画質の劣化を引き起こす。しかしながら、この実
施例の回折格子型光学素子を利用すれば、拡散光の方向
を制御することができるため、第２次表示面（拡散面）
全面からの拡散光を有効に活用することができる。例え
ば、正弦波状タイプの回折格子を使用すると、０次光、
＋１次光、−１次光の回折光を射出することになる。こ
れらの回折光が拡散光として作用することになる。

【００２２】このように、本実施例においては、拡散面
が砂目状の拡散光学素子に比べ、拡散光の利用効率が向
上するので、明るさの低下を防ぐことができると共に、
ざらつき等の画質劣化要因を取り除くことができる。以
上、本発明の頭部装着式ディスプレイをいくつかの実施
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。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の頭部装着式ディスプレイによると、透過型表示素子と
接眼光学系の間に入射面又は射出面を拡散面とした拡散
光学素子又は光ファイバー束が配置され、この拡散光学
素子の拡散面又は光ファイバー束の射出面が接眼光学系
の像面湾曲に沿った形状を有しているので、透過型表示
素子上の表示画像は、拡散光学素子又は光ファイバー束
により接眼光学系の像面湾曲を補償する拡散面又は射出
面上の第２次表示画像に変換されるため、これを拡大観
察する接眼光学系に像面湾曲があっても、全画角にわた
ってボケのない高解像度の画像が観察できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の頭部装着式ディスプレイ
の光学系の断面図である。

【図２】図１の接眼光学系の像面湾曲を示す収差図であ
る。

【図３】図１の実施例の変形の拡散光学素子を示す要部
断面図である。

【図４】第２実施例の光学系の断面図である。

【図５】第３実施例の光学系の要部の断面図である。

【図６】第４実施例の要部の光学系の断面図である。

【図７】第４実施例の作用を説明するための図である。

【図８】第５実施例の光学系の断面図である。

【図９】従来のルーペ・タイプの接眼光学系の断面図と
収差図である。

【符号の説明】

１…投影照明装置２…ランプ３…ミラー４…絞り５…コンデンーレンズ６…接眼光学系７…液晶表示素子（ＬＣＤ）パネル８…拡散光学素子９…拡散面１０…凹面鏡１１…バックライト１２…光ファイバー束１３…フレネルレンズ１４…リレー光学系１５…明るさ絞りＰ…リレー光学系の像面湾曲

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投影照明装置と透過型表示素子を含む像
表示装置及び接眼光学系からなる頭部装着式ディスプレ
イにおいて、前記透過型表示素子と接眼光学系の間に入射面又は射出
面を拡散面とした拡散光学素子又は光ファイバー束が配
置され、前記拡散光学素子の拡散面又は光ファイバー束
の射出面が前記接眼光学系の像面湾曲に沿った形状を有
していることを特徴とする頭部装着式ディスプレイ。
【請求項２】前記投影照明装置が少なくともランプと
凹面ミラーと絞りからなり、前記凹面ミラーの形状は、
前記ランプからの放射光が前記絞り位置に集光するよう
に設定されており、前記絞りの開口径は充分小さく設定
されていることを特徴とする請求項１記載の頭部装着式
ディスプレイ。
【請求項３】前記投影照明装置と前記拡散光学素子の
間にパワーを有する光学素子を配置し、前記透過型表示
素子と前記光学素子が連動して移動可能になっているこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着式ディス
プレイ。
【請求項４】前記拡散光学素子として周期的構造を有
する光学素子を用いることを特徴とする請求項１又は２
記載の頭部装着式ディスプレイ。